Архитектурная акустика

В современных театрально-концертных залах и кинотеатрах широко применяются средства электронной акустики, позволяющие создать в зале объемный звук, четкое понимание речи, богатое звучание музыкальных произведений. При этом обязательно следует принимать во внимание акустические качества помещений, которые в значительной степени влияют на качество звука. Первое, что при этом приходит на ум архитекторам, - это полностью «заглушить» зал, т. е., сделать так, чтобы отражение поверхностей зала было бы минимальным, а поглощение - максимальным. Все остальное должна обеспечить электронная акустика.

Однако лучшие образцы архитектурной акустики залов всегда основывались на естественной акустике. В Москве к лучшим в акустическом отношении залам относится Большой зал консерватории. Настоящим шедевром архитектурной (естественной) акусти-ки является Египетский павильон Останкинского дворца-музея, в котором раньше устраи-вались концерты старинной музыки. Все лучшие современные концертные залы Европы, Америки и Австралии имеют прекрасную естественную акустику, которая лишь в незна-чительной степени дополняется средствами усиления звука.

Для обеспечения хорошей акустики важное значение имеют такие свойства ограждающих конструкций помещений, как отражение и поглощение звука. Коэффициент звукопоглощения () зависит от материала конструкции, частоты звуковых волн и от угла их падения на поверхность. Свойство материалов поглощать звук обусловлено тем, что при попадании звуковых волн на их поверхности воздух в их порах начинает колебаться. Из-за большого трения, обусловленного вязкостью воздуха и малым сечением пор, происходит потеря звуковой энергии, которая превращается в тепловую.

Обычные строительные материалы имеют невысокие значения ; например, на частоте 500 Гц у бетона = 0, 01. Это значит, что 99% звуковой энергии отражается от поверхности бетона и только 1% поглощается. У оштукатуренной стеныа=0, 02, у линолеума α =0, 03, у паркетного пола α =0, 07. Специальные звукопоглощающие материалы (звукопоглотители) имеют коэффициент звукопоглощения в 10-15 раз больше.

Суммарное звукопоглощение в помещении (А_общ) определяется как сумма произведений коэффициентов звукопоглощения отдельных поверхностей на их площади. Кроме того, учитывается звукопоглощение (А) отдельными объектами (людьми, предметами обстановки и т.п.):

А_общ= (4.11)

Произведение A=α *S называется эквивалентной площадью звукопоглощения по-верхности. Полное поглощение звука возможно при β = 0 (нет отражений) или когда разность волновых сопротивлений двух сред ­ преграды и воздуха, равна нулю. Следова-тельно, полное проникновение звука из одной среды в другую при нормальном падении звука возможно лишь в том случае, если эти среды обладают одинаковыми волновыми сопротивлениями.

Существует три метода расчета параметров звукового поля, которые основаны на волновой, геометрической и статистической акустике. Теория волновой акустики рассматривает два режима колебаний воздушного объема: один - как собственные затухающие, другой - как вынужденные под действием какого-либо источника. Расчёт звукового поля в помещении этим методом весьма затруднителен и невозможен без использования специальных программ для ЭВМ.

В геометрической акустике при рассмотрении отражения звуковых волн от поверхностей помещения используется понятие ФРОНТ ВОЛНЫ и ЗВУКОВЫЕ ЛУЧИ(линии, перпендикулярные фронту волны во всех его точках), которые указывают направление распространения волны. Геометрическая акустика позволяет провести анализ формы помещения, например зала, на предмет выявления различных акустических дефектов. Такое построение распространения звуковых лучей называется ЛУЧЕВЫМЭСКИЗОМ (рис. 4.21).Среди акустических дефектов одним из важнейших является превышение предельного запаздывания первых отражений звука, которое воспринимается в помещении как эхо. Явление, когда человек различает отражен­ный звук от прямого, называется эхо. Оно воз­никает при разнице во времени прихода пря­мого и отраженного звуков =0, 05 сек т. е. когда длина пути отраженного звука превы­шает длину пути прямого звука на 17 м(l ₁+ l ₂- l > 17 м), что графически представлено на рис.4.22. Определение запаздывания первого отражения от какой-либо поверхности согласно схеме производится по формуле

t=(l ₁+ l ₂+ l ₃)/360≤ 0, 05 с, (4.12)

где 360 м/с - скорость звука в воздухе.

Если время запаздывания больше или равно значению 0, 05 с, то прямой и отраженный звук воспринимаются раздельно. Возникает эхо.

Вопросы выбора критериев для оценки акустики залов еще являются предметом исследований. Поэтому в архитектурном проектировании для практических целей полу-чил распространение только один критерий геометрической акустики - разность времени прихода первого отражения по сравнению с прямым звуком и недопущение предельного запаздывания. Плоскости на лучевом эскизе, отражение от которых приходит к слушате-лям позднее времени предельного запаздывания, должны обрабатываться звукопоглоти-телями. Как правило, это задние поверхности помещения - стены и потолок (рис. 4.23).

Рис 4.21. Распространение прямых (а) Рис 4.22. Схема возникновения эхо:

и отраженных (б) звуковых лучей. И – источник звука; С –слушатель;

l₁ и l₂ – длина пути отраженного звука;

l – длина пути прямого звука.

Рис 4.23. Рекомендуемые зоны размещения звукопоглотителей в зале (заштрихованы): а – на стенах; б – на потолке.

Допустимость применения геометрической акустики зависит от длины звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения по отношению к источнику звука и точке приема. Отражение звуковых волн можно считать направленным, если наименьший размер отражающей поверхности не менее чем в 1, 5 раза превышает длину волны. При невыполнении этого условия звуковые волны рассеиваются и построение отраженных звуковых лучей теряет смысл. Для криволинейных поверхностей наименьший радиус кривизны должен быть не менее чем в два раза больше длины волны. Кроме того, геометрическая акустика справедлива лишь в случае независимости коэффициента отражения от угла падения звукового луча.

В помещении через каждую точку объема одновременно проходит большое количество отраженных звуковых волн, распространяющихся по всевозможным направлениям. Статистическая акустика предполагает, что направления, амплитуды и фазы налагающихся друг на друга колебаний (волн) распределены хаотически, что дает возможность считать, что плотность энергии в каждой точке есть сумма плотностей энергии каждой из этих волн, т.е. применять метод энергетического суммирования.

Таким образом, статистическая теория акустики основана на предположении, что в помещении под действием источника звука возникает звуковое поле, близкое к ДИФФУЗНОМУ, характеризуемое тем, что во всех точках поля усредненные во времени уровень звукового давления и поток звуковой энергии по любому из направлений постоянны. Это звуковое поле ослабляется звукопоглощением, которое определяется величиной СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ _ср = А_о6ш. S_o6щ, где S_общ - суммарная площадь ограждающих поверхностей.

На рис. 4.24 представлена кривая нарастания и затухания средней плотности звуковой энергии в помещении. Процесс затухания звука после выключения источника называется РЕВЕРБЕРАЦИЕЙ. Время, в течение которого происходит затухание звука, называется ВРЕМЕНЕМ РЕВЕРБЕРАЦИИ. Этот процесс происходит вследствие многократных отражений звуковых волн от ограждающих поверхностей. Время реверберации определяется по формуле:

Т=0, 163V/A_общ (4.13)

Время реверберации характеризует качество звучания музыки и разборчивость речи в помещении. Поэтому оно принято в качестве еще одного критерия акустики помещений при практических расчетах и проектировании.

Чем больше помещение, тем больше, и средняя длина пробега звуковой волны:

L_ср=4V/S_общ (4.14)

Следовательно, число отражений будет меньше и процесс затухания звука будет происходить медленнее. Особенно велико время реверберации в помещениях большого объема с ограждающими поверхностями, имеющими невысокие коэффициенты звукопоглощения. Такие помещения будут гулкими. При уменьшении объема помещений увеличивается число отражений от поверхностей и, если они будут иметь большие коэффициенты звукопоглощения, затухание звука будет происходить быстро (время реверберации мало) и помещения будут глухими.

Формула 4.13 используется при значениях _ср 0, 2. При _ср 0, 2 расчёты следует производить по формуле:

Т=0, 163V/S_общj(a_ср) (4.15)

Для определения времени реверберации в помещении необходимо определить его объем V, м³, суммарную площадь ограничивающих помещения поверхностей S_общ, м2, эквивалентную площадь звукопоглощения А_общ, м. Эта величина определяется обычно при 70% заполнении зала для трех частот: 125, 500 и 2000 Гц.

А_общ= (4.16)

Здесь –сумма произведений коэффициентов звукопоглощения (): отдельных поверхностей на их площади, м²; – сумма эквивалентных площадей звукопоглощения зрителями и креслами, м²; _доб– средний коэффициент добавочного звукопоглощения, учитывающий звукопоглотители, фактически существующие в залах (осветительная арматура, воздушные полости, соединённые с основным объёмом зала, щели и решётки вентиляции и др.).

Рис 4.24 - Нарастание звука и реверберация в закрытом помещении: а – изменение плотности звуковой энергии; б – изменение уровня плотности звуковой энергии; 1 – процесс нарастания; 2 – стационарное состояние; 3 – реверберация.

Средний коэффициент добавочного звукопоглощения в среднем может быть принят равным 0, 08-0, 09 на частоте 125 Гц и 0, 04-0, 05 на частотах 500-2000 Гц. Для залов, в которых указанные условия сильно выражены, следует эти значения увеличить примерно на 30%, а в залах где эти условия выражены слабо, примерно на 30% уменьшить.

Коэффициенты звукопоглощения различными материалами и конструкциями а так же эквивалентная площадь звукопоглощения зрителями и креслами приведены в СНиПе 23-3-2003 «Защита от шума и акустика».

После нахождения А_общ определяют _ср=А_общ/S_общ. Если _ср 0, 2 то расчёт времени реверберации следует производить по формуле (4.13). Если а_ср> 0.2, то расчет следует вести по формуле (4.15).

Полученное время реверберации сравнивается с рекомендуемым (оптимальным) временем для данного типа зала и его объема (рис. 4.25).

Рис 4.25 - Зависимость оптимального времени реверберации на средних частотах (500-1000 Гц) для залов различного назначения от их объема: 1– залы для ораторий и органной музыки; 2 – залы для исполнения симфонической музыки; 3 – залы для исполнения камерной музыки, залы оперных театров; 4 – залы многоцелевого назначения, залы музыкально-драматических театров, спортивные залы; 5 – лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы.

Время реверберации является одним из существенных критериев акустических качеств залов. Ценным в этом критерии является то, что.физическое содержание этого критерия хорошо связано с субъективным ощущением гулкости помещения.

Оценка формы и размеров залов и их отдельных поверхностей с точки зрения акустики на стадии проектирования производится на основе геометрических построений. При этом очень важно определить применимость геометрических отражений для такой оценки. Применять метод геометрических отражений можно в том случае, когда длина звуковой волны, размеры отражающих поверхностей и их расположение относительно источников звука и зрителей имеют определенные параметры и их соотношения.

Например, в тех случаях, когда лучевая плоскость параллельна одной из плоскостей проекций, углы падения и отражения проектируются на эту плоскость без искажения и построение отраженного луча как было сказано выше, выполняются просто. Если же лучевая плоскость не параллельна плоскости проекций, но ей параллельна нормаль в точке отражения, то проекции углов падения и отражения, как и в предыдущем случае, остаются равными и построение выполняется обычными приемами начертательной геометрии. Эти условия соблюдаются при условии, что наименьшая сторона отражателя не менее чем в 1, 5 раза превышает длину волны. При равенстве длин волн и размеров отражателя и дальнейшем увеличении длин волн звуковая энергия при отражении рассеивается и построение отраженных звуковых лучей теряет смысл.

Лучевой эскиз зала строится на стадии проектирования, как уже было указано, для определения мест, в которых отраженный звук создает эхо. Это соответствует времени предельного запаздывания 0, 05 с. За это время звук проходит расстояние 17 м. Поэтому эхо возможно только в достаточно больших помещениях. Однако и в небольших помещениях возможно так называемое «порхающее эхо». Это особенно заметно в только что отремонтированных пустых комнатах, где звуки сопровождаются шелестящим эхо. Оно происходит за счет многократных отражений от противоположных параллельных стен с малым звукопоглощением. Для предупреждения «порхающего эха» необходимо увеличить звукопоглощение этих стен или хотя бы одной из них. Можно также отказаться от параллельных стен.

Акустические дефекты могут наблюдаться в помещениях с вогнутыми или сводчатыми поверхностями. Эти поверхности могут быть концентраторами звука. На puc. 4.26показаны схемы помещений при различном соотношении радиуса кривизны цилиндрического потолка и высоты помещения. Наибольшая концентрация звука имеет место, когда радиус кривизны близок к высоте помещения. Поэтому радиус кривизны должен быть значительно большим или меньшим высоты. Если радиус кривизны меньше длины волны на низких частотах, то концентрация звука будет происходить на средних и высоких частотах.

На практике в некоторых архитектурных сооружениях встречаются случаи двойного фокусирования звука. Это имеет место, например, в часовне, построенной на месте «Битвы народов» под Аустерлицем (теперь г.Славков, Чехия). Человек, говорящий тихим голосом в точке А недалеко от стены, не слышен в точке В, но хорошо воспринимается слушателем в точке Б (рис.4.27). Такой эффект можно наблюдать также на некоторых станциях метро в г. Москве.

При проектировании залов желательно, чтобы отношение длины зала к его средней ширине было более 1, но не более 2. Если это отношение превышает 2 то диффузность звука в зале может значительно ухутшиться.

При отношении, меньшем 1 (широкий зал малой длинны), получается не желательное запаздывание отражений от боковых стен и ухудшаются слышимость на боковых местах.

Рис 4.26. Влияние радиуса кривизны r на характер отражения при различной высоте h: а – при h = r/2; б - при h = r; в – при h = 2r.

Рис 2.27. Схема двойного Рис 4.28. Распространение звука в круглом зале.

фокусирования.

На рис. 4.28показано распространение звуковых лучей из точки А в круглом зале в плане. Несмотря на малые размеры зала (диаметр около 10 м), в нем наблюдается несколько фокусов, приводящих не только к неравномерному распределению звуковой энергии, но и даже к появлению в точке Б сильного эха. Акустическое качество залов с фокусированием большей частью является неудовлетворительным из-за образования эха, неравномерного распределения отраженной звуковой энергии и из-за нарушения необходимого соотношения между прямой и отраженной звуковой энергией.

Лучевой эскиз зала позволяет проанализировать профиль отдельных поверхностей. Например, на рис. 4.29 показано рассеянное отражение звука от сложного профиля поверхности потолка или стены, что обеспечивает равномерное распределение отраженной звуковой энергии по помещению. Наличие ребер или пилястр (рис.4.30)приводит к образованию зон, лишенных отражений. Он исправляется электроакустическими методами.

Рис 4.29 - Форма и профиль потолка, обеспечивающие необходимое отражение звука.

Рис 4.30 - Отражение звука от поверхности с ребрами или пилястрами.

Вопросы и задания для самоконтроля по материалу IV раздела

1. От чего зависит скорость движения людского потока?

2. Что такое расчётные предельные состояния движения людских потоков?

3. Как обеспечивается оптимальная видимость в зрительных залах.

4. Приведите основные критерии оценки хорошей слышимости в залах.

5. Назовите разновидности звукопоглощающих материалов.

6. Как рассчитывается время реверберации.

7. Причины появления эха.

8. Рассмотрите возможные схемы движения людских потоков.

9. Причина повышения плотности людских потоков.

10. Возможные пути увеличения пропускной способности эвакуационных путей.

11. Отличие комфортных от аварийных условий движения.

Литература

1. Маклакова Т.Г. Архитектура / Т.Г. Маклакова, С.М. Нанасова, В.Г. Шарапенко, А.Е. Балакина. – М.: АСВ, 2004.

2. Маклакова Т.Г. Конструкции гражданских зданий/Т.Г. Маклакова, С.М. Нанасова. – М.: АСВ, 2004,

3. Соловьёв А.К. Физика среды /А.К. Соловьёв. – М.: АСВ, 2011.

4. Основы архитектуры и строительных конструкций. Базовый курс. Под редакцией А.К. Соловьёва – М.: Юрайт, 2014.

5. Бареев В.И. Теплотехнические расчёты ограждающих конструкций зданий и соо-ружений. Учебное пособие – Краснодар.: 2012

6. Бареев В.И. Расчёты естественного освещения помещений производственных зда-ний. Учебное пособие – Краснодар.: 2013.

7. Бареев В.И. Индустриальные несущие и ограждающие конструкции производст-венных зданий. Учебное пособие. – Краснодар.: 2009

8. СНиП 23.01.99 Строительная климатология. М., 2000.

9. СНиП 23.02.2003 Тепловая защита зданий. – М., 2004.

10. СНиП 23-05-2003 Естественные и искусственные освещения. – М. 2003.

11. СНиП 23-05-2003 Защита от шума и акустики. – М., 2003