Формирование диффузного звукового поля

Идеально диффузное звуковое поле характеризуется тем, что во всех его точках усредненные во времени уровень звукового давления и поток приходящей по любому направлению звуковой энергии одинаковы. Эти условия не выполняются полностью в реальных помещениях, но для создания хорошей акустики следует, по возможности, приблизиться к ним. Значительные отступления от этих условий приводят к существенным акустическим дефектам залов.

При выборе формы ограждений следует избегать вогнутых поверхностей, способных концентрировать отражаемый звук. Концентрация отражений при малом запаздывании относительно прямого звука приводит к снижению разборчивости речи, а при большом запаздывании – к появлению ощутимого эха.

Для предотвращения концентрации звука радиус кривизны отражающей поверхности (стен и потолка) должен по крайней мере в два раза превышать расстояние от отражающей поверхности до источника.

По той же причине залы, имеющие в плане круглую, овальную, подковооборазную или другую форму с вогнутыми стенами допустимы лишь при специальном расчленении вогнутых поверхностей, предотвращающем концентрацию отраженного звука (рис. 6.3).

Выпуклые поверхности (рис. 6.4), наоборот, создают рассеянное отражение звука и повышают диффузность звукового поля.

Для обеспечения достаточной диффузности звукового поля необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное ненаправленное отражение звука. Это достигается расчленением поверхностей балконами, пилястрами, нишами, секциями и другого типа членениями.

Гладкие большие поверхности не способствуют повышению диффузности. Особенно нежелательны гладкие параллельные друг другу плоскости (например боковые стены), так как в результате многократного отражения звука между ними может возникнуть «порхающее эхо». Расчленение таких поверхностей ослабляет этот эффект. Повышает диффузность и небольшое отклонение стен от параллельности (на 2, 5-6º).

а – распределение звуковых отражений: 1, 2 – зоны концентрации соответственно первых и вторых отражений; б – эффективное членение стен

Рисунок 6.3 – Зал с круглой формой плана

Рисунок 6.4 – Формы членения стены секциями

Для исключения возможности «театрального эха» необходимо предотвратить прямые интенсивные отражения от задней стены зала в сторону сцены путем придания потолку или стене наклона для направления отражений к слушателям (рис. 6.6), членения стены для рассеивания отражений, или облицовки стены эффективными звукопоглотителями.

При назначении членений потолка или стен не следует использовать поперечные прямоугольные пилястры или ребра (рис. 6.5). Такие элементы вызывают обратные отражения звука к источнику, при этом возникают зоны, лишенные полезных отражений.

Рисунок 6.5 – Отражения от поперечных пилястр или ребер

Сильно рассеивающие детали целесообразно размещать на поверхностях, не дающих малозапаздывающих отражений, направленных к слушателям. Хорошо рассеиваются звуковые волны, длина которых близка к размерам детали. Наиболее эффективны элементы, имеющие криволинейное выпуклое (рис. 6.7) или треугольное сечение, так как они рассеивают также и более короткие волны.

При периодически расположенных пилястрах рассеивание звука зависит не только от формы и размеров их сечений, но и от их шага. Заштрихованная область на рис. 6.8 показывает примерные пределы, в которых лежат размеры пилястр и их шаг, дающие существенное рассеивание отраженного звука в соответствующих областях частот.

а – наклон задней стены; б – наклонный участок потока; в – наклон участка потолка и задней стены; г – острый угол между потолком и задней стеной

Рисунок 6.6 – Рациональные типы примыкания потолка к задней стене

Рисунок 6.7 – Образование диффузных отражений от поверхности

с рельефом полукруглого сечения

а - ширина и глубина элементов; б – шаг членения; в – частотные границы, в пределах которых отраженный звук будет рассеянным

Рисунок 6.8 – Профили элементов членения диффузно отражающей поверхности

Пилястры выпуклого и треугольного сечения, как изложено выше, рассеивают также и более высокие частоты по сравнению с указанными на рисунке. Мелкие элементы размеров 10-20 см рассеивают частоты выше 1000 Гц. Эффективное рассеивание в области частот 200–600 Гц дают пилястры размерами 1–2 м по ширине и 0, 5–1 м по глубине при шаге членения 2–4 м. Если поверхности таких пилястр подвергнуть дальнейшему членению мелкими деталями выпуклой формы, то будет достигнуто рассеивание в широком диапазоне звуковых частот. Рассеивающий эффект членений усиливается, если их шаг нерегулярен. Членение с мелким регулярным шагом 5–20 см (например, отделка поверхностей рейками или волнистой асбофанерой) вызывает периодические высокочастотные отражения коротких звуковых импульсов (хлопков, ударов), в результате чего возникает искажение звука.

Балконы, ложи и непараллельные стены повышают диффузность звукового поля зала на таких низких частотах, на которых пилястры не дают достаточного рассеивания.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно устройство одного или нескольких балконов, что снижает объем зала, уменьшает его длину и увеличивает диффузность поля.

Отношение выноса балкона a ₁ к средней высоте подбалконного пространства h ₁ должно быть не более 1, 5 (рис. 6.9). Такое же отношение должно соблюдаться и в ложах. Если над балконом нет выше расположенного балкона, то отношение a ₂/ h ₂ может быть увеличено до 2 (см. рис. 6.9). При соблюдении указанного условия достигаются хорошая слышимость и разборчивость в глубине пазух над балконом и под ним. Наклон потолка пазух также улучшает слышимость.

Рисунок 6.9 – Целесообразные пропорции балконного пространства

Передняя часть потолка обычно используется для формирования направленных ранних отражений. При плоском горизонтальном очертании потолка бό льшая часть звуковой энергии отражается в расположенные на расстоянии менее 8 м от источника передние ряды слушателей, для которых достаточная слышимость обеспечивается прямым звуком. Если высота передней части зала велика, то запаздывание отраженного от потолка звука превышает допустимые значения (рис. 6.10). Центральная и задняя части такого потолка отражают звук не к слушателям, а на заднюю стену зала, которая дает вторичное запаздывающее обратное отражение звука к источнику.

Для улучшения распределения отраженного звука передней частью потолка предусматривают устройство над эстрадой или авансценой отражателя выпуклой формы (рис. 6.11), что к тому же обеспечивает хорошее распределение отраженного звука при различных положениях источника. Отражатель должен иметь массу не менее 20 кг/м² и может быть выполнен из железобетона, штукатурки по сетке или другого материала с коэффициентом отражения порядка 0, 1. Линейные размеры отражателя связаны с нижней частотной границей регулируемого отражения. Например, для усиления речи размеры отражателя должны быть не менее 110 см, для музыки – 6 м. При построении точка геометрического отражения берется на расстоянии 0, 5 м от края отражателя.

Q₁ и Q₂ – положения источника звука

Рисунок 6.10 – Формирование отражений от плоского горизонтального потолка

и - положения источника звука

Рисунок 6.11 – Устройство отражателя над авансценой