7.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОМЕЩЕНИЯ

Акустическое отношение. Звуковое поле в помещении можно представить как сумму составляющих поля «прямого» звука, создаваемого звуковыми волнами, не испытавшими ни одного отражения, и поля, создаваемого отраженными звуковыми волнами. Поле отраженных звуковых волн почти всегда можно считать близким к диффузному. Поэтому эту составляющую поля часто и называют диффузной составляющей. Отношение плотности энергии отраженных звуков к плотности энергии прямого звука, т. е. или с учетом (1.12)

называют акустическим отношением.

Переходя к уровням, имеем

Величину называют также акустическим отношением, выраженным в децибелах,

Отраженные звуковые волны в той или иной степени являются помехами, поэтому окустическое отношение — характерный показатель акустических свойств помещения в установившемся режиме.

Диффузная составляющая может быть определена из выражения для установившейся плотности энергии (7.3), если учесть, что

последняя включает в себя энергию вюех звуковых волн, претерпевших отражения и прямого звука. Следовательно, для отряженных воли из (7.3) имеем

или с учетом

Переходя к уровням имеем

где - средний коэффициент поглощения;

Составляющая поля прямого звука в общем случае зависит от формы звуковой волны, расстояния от источника звука и характеристики направленности. Поле прямого звука неоднородно, тазе как по мере удаления от источника звука плотность его энергии уменьшается. При небольших размерах источника звука, по сравнению с расстоянием от него, уменьшение плотности энергии происходит по квадратичному закону [см. (1.111) и (при больших размерах источника, плотность энергии уменьшается несколько медленнее). Для источников звука с небольшими размерами по сравнению с расстоянием до рассматриваемой точки, находящейся на рабочей оси источника, можно воспользоваться (6.5):

где звуковое давление на расстоянии коэффициент осевой концентрации источника звука.

Из этих выражений с учетом получаем, что звуковое давление и плотность энергии прямого звука в заданной точке равны соответственно:

Следовательно, для этой точки акустическое отношение

Из этой формулы видим, что Для одиночного источника звука, создающего сферическую волну, акустическое отношение уменьшается по квадратичному закону при приближении к источнику звука и, кроме того, оно обратно пропорционально коэффициенту осевой концентрации. В общем случае оно будет меньше там, где меньше уровень прямого звука. Акустическое отношение зависит от частоты, так как коэффициенты поглощения и концентрации зависят от нее.

В реальных условиях акустическое отношение для удаленных точек помещения в редких случаях бывает меньше единицы, а иногда доходит до 10—15, т. е. уровень отраженных волн, как правило, выше уровня поля прямого звука.

Если акустическое отношение велико, то это свидетельствует о высоком уровне отраженных звуков, запаздывающих по отношению к прямому звуку и являющихся помехами для его восприятия. Например, при акустическом отношении больше четырех отраженный звук уже создает большие помехи для приема речи. Для музыкальных передач акустическое отношение больше 6—8 (а для органной музыки 10—12) не рекомендуется. При малом акустическом отношении (менее двух) музыка звучит сухо. Для речи допускается акустическое отношение немного меньше единицы. Расстояние от источника звука, для которого называют радиусом гулкости, так как при больших расстояниях диффузная составляющая становится больше составляющей прямого звука (в звучании появляется гулкость)

Четкость звучания. Акустическое отн ошение полностью характеризует восприятие звука в помещении. Поэтому авели еще одно понятие — четкости звучания. ним понимается отношение шютностл энергии прямого звука. суммируемого с плотностью отраженных звуковых волн приходящих в данную точку помещения в течение после прихода прямого звука и потому юосиринимаемых слитно с ним, к общей отщепли энергииг

Четкость звучания характеризует относительную величину всей полезной энергии (включая и полезную часть анергии отраженных звуков в общей плотности энергии). В этом ее преимущество перед акустическим отношением. Чем больше четкость звучащая, тем (Меньше влияют помехи от запаздывающих лучей из-за явления (ревербфащии. Из-за трудности измерения этой величины она «пока венормирована.

Время реверберации. Основная характеристика помещения — время реверберации, т. е. время затухания звука. Поскольку средние уровни сигналов в помещении значительно выше уровней шумов в них и, конечно, значительно выше порога слышимости, то условились оценивать процесс затухания звука временем уменьшения плотности энергии и интенсивности звука в 106 раз, а в соответствии с (1.21) по звуковому давлению в раз. Это время называют временем стандартной реверберации. В литературе очень часто его

называют просто временем реверберации. Если то и из (7.6) следует

Отсюда получаем время стандартной реверберации

где Эта формула носит название формулы Эйринга, по имени ее автора. Из (2.5) и следует, что время реверберации соответствует времени уменьшения начального уровня на т. е. Сопоставляя его с (7.8), получим Следовательно,

Из (7.13) следует, что время стандартной реверберации пропорционально линейным размерам помещения Кроме того, в знаменатель (7.13) входит выражение

Если коэффициент поглощения невелик, так как — Следовательно, для случая малых коэффициентов поглощения время стандартной реверберации

Эта формула называется формулой Сэбина. Как видим, время стандартной реверберации обратно пропорционально общему поглощению помещения. Для придания общности обеим формулам величину а в формуле Эйринга называют реверберационным коэффициентом поглощения, в отличие от обычного коэффициента поглощения при установившемся режиме. В реальных помещениях (кроме специальных) время стандартной реверберации бывает в пределах от нескольких десятых секунд до нескольких секунд. Помещения с малым временем реверберации называют заглушёнными, а с большим — гулкими. Здесь следует сказать, что постоянная времени слуха, находящаяся в пределах соответствует времени стандартной реверберации около так как согласно общему определению постоянная времени соответствует уменьшению звукового

давления в раз, т. е. на Откуда Гсуб Следовательно, время реверберации ниже 0,85 с менее заметно для слуха из-за маскировки собственным процессом затухания колебаний в ухе.

При распространении звука в воздухе происходит затухание колебаний из-за вязкости среды и, вследствие этого, как бы увеличивается поглощение При расчете времени реверберации к поглощению помещения добавляют поправку на затухание энергии в воздухе. Поправка зависит от объема, поскольку энергия затухает по всему помещению. Чтобы привести это затухание к поверхностному, введен коэффициент затухания обратно пропорциональный линейным размерам помещения. Таким образом, получается дополнительное поглощение, обусловленное вязкостью и равное а время стандартной реверберации (7.13) будет определяться выражением

Эта формула носит название полной формулы Эйринга.

Дополнительное поглощение обычно невелико, с ним приходится считаться только в больших помещениях и притом на частотах выше 1000 Гц.

Для связанных помещений результирующее время стандартной реверберации будет больше наибольшего времени реверберации, так как результирующий процесс определяется реверберацией в наименее заглушённом помещении. Поэтому результирующее время стандартной реверберации

где поправочный коэффициент изменяется в пределах

При равенстве времен реверберации в обоих помещениях результирующее время увеличивается на 21% по отношению к времени реверберации в несвязанном помещении. С таким увеличением времени реверберации в связанных помещениях на практике часто приходится считаться. Так, при передаче какой-либо программы из студии в помещение, в котором она прослушивается, можно создать условия слушания или такие, как в студии, если в ней время реверберации большое (это делают при передаче музыкальных программ, чтобы слушателю казалось, что он находится в большом

помещении), или такие, как в зале для прослушивания (в этом случае в студии время реверберации должно быть значительно меньше, чем в зале для прослушивания).

Эквивалентная реверберация. При выключении источника уровень звука резко снижается, как только исчезнет прямой звук. Затем снижение уровня идет более или менее равномерно в зависимости от диффузности поля. На рис. 7.3 (кривая 1) показан несколько идеализированный процесс, когда поле чисто диффузное.

Рис. 7.3. К определению эквивалентной реверберации: 1 — затухание уровня при наличии диффузного поля; 2 — фактический ход кривой затухания уровня (при измерении времени реверберации); 3 — эквивалентная реверберация, воспринимаемая слухом

Там же приведены кривая 2 затухания звука в реальных условиях, т. е. при наличии значительного уровня прямого звука, и кривая 3, показывающая как затухание звука воспринимается слухом. Если начальный уровень равен то соответственно измеренные время реверберации и время Тэкв» ощущаемое на слух, будут отличаться тем значительней, чем меньше акустическое отношение. Ощущаемое время реверберации называют эквивалентной реверберацией. Из графика следует, что это время связано с временем стандартной реверберации и акустическим отношением следующим выражением (см. [1], с. 78):

где — время эквивалентной реверберации; время, в течение которого слух достаточно хорошо интегрирует процессы. Это время измерено, оно оказалось приблизительно равным 0,2 с, что несколько превышает постоянную времени слуха.

Эквивалентная реверберация уменьшается при приближении к источнику звука, так как уменьшается

акустическое отношение, и это хорошо ощущается слушателями. А в удаленных точках зала, где акустическое отношение наиболее велико, всегда ощущается большая гулкость, чем в других точках помещения.

Для связанных помещений эквивалентная реверберация вычисляется как и для несвязанных, но так как кривая затухания для связанного вторичного помещения выгнута вверх (см. рис. 7.26, кривая 5), то эквивалентная реверберация (кривая 4), получается больше фактической. Приближенно можно определить эквивалентную реверберацию по следующей эмпирической формуле:

При равенстве времени реверберации в обоих помещениях увеличение эквивалентной реверберации по сравнению с результирующим временем получается равным 10% и на 31% превосходит время реверберации в несвязанном помещении.

Оптимальная реверберация. Если в помещении, в котором исполняется музыкальная программа или произносится речь, время реверберации очень велико, то художественность исполнения музыки сильно страдает из-за большой гулкости, а речь становится неразборчивой из-за «наплывов» одного звука на другой. С другой стороны, если время реверберации очень мало, то музыка и речь звучат резко, отрывисто. Только при вполне определенном времени стандартной реверберации звучание получается наилучшим. Соответствующее время реверберации называют оптимальной реверберацией. Оказывается, что для разных видов программ оптимальное время реверберации различно (рис. 7.4). Для информационной речи оно наименьшее по сравнению с другими видами программ. Для органной музыки наоборот — время реверберации наибольшее. Для симфонической музыки оптимальная реверберация получается большая, чем для камерной. Ясно, что для кинотеатров по сравнению с театрами время реверберации должно быть меньше, так как оно увеличивается из-за связанности кинотеатра с киностудиями. Экспериментально установлено, что оптимальная реверберация зависит от объема помещения (см. рис. 7.4). Было высказано несколько гипотез о причинах этой зависимости. Наибольшее распространение получила гипотеза Лифшица,

нованная на том, что один и тот же естественный источник звука (например, симфонический оркестр) в большом помещении создает меньший уровень звука, чем в малом. Для компенсации этого явления необходимо время затухания звука в большом помещении сделать более длительным по сравнению с малым.

Рис. 7.4. Зависимость оптимальной реверберации для частоты 500 Гц от объема помещения: 1 — для речевых передач; 2 — для малых музыкальных форм и оперных театров; 3 — для концертных залов (симфоническая музыка); 4 — для органной музыки; ----приближенная аналитическая зависимость

Из графиков рис. 7.4 следует, что для передачи информационной речи время оптимальной реверберации на частоте 500 Гц не превышает 1 с, т. е. почти не превышает времени субъективной реверберации. В концертных залах она находится в пределах 1 —1,7 с.

Графические зависимости, полученные экспериментально, с достаточной точностью могут быть заменены следующими приближенными выражениями: для передачи речи

для малых музыкальных форм и оперных театров

для симфонической музыки

где V — объем помещения.

Оптимальная реверберация зависит от частоты. Так, для речевых информационных передач оптимальное

время реверберации уменьшается в сторону низких частот, т. е. на низких частотах, имеющих в речи самые высокие уровни и наименее информативные, необходимо более быстрое затухание акустических процессов, чем на средних частотах. На высоких частотах оптимальное время реверберации также должно быть меньше, чем на средних.

Рис. 7.5. Частотная зависимость времени оптимальной реверберации: 1 — для музыкальных программ; 2 — для речевых передач

Объясняется это тем, что высокочастотные звуки имеют в большинстве своем меньшую длительность, чем звуки других диапазонов, и поэтому наличие более длительных процессов затухания будет их маскировать. На рис. 7.5 приведена относительная зависимость оптимальной реверберации от частоты для речевых и музыкальных передач в форме допусков, в которые следует укладываться при реализаций времени реверберация в помещении.

Слитность звучания. В ряде случаев неравномерность распределения энергии в помещении настолько велика, что в кривой затухания появляются значительные максимумы с запаздыванием более чем на по отношению к моменту выключения источника звука, в результате чего прослушивается эхо. Иногда получается многократное эхо. Появление эха возможно при наличии в помещении различных концентраторов энергии в форме куполов, а также при больших размерах помещения с малым коэффициентом поглощения на параллельных плоскостях (стенах помещения), удаленных друг от друга. К появлению эха также приводит наличие различного рода резонаторов с малым поглощением.

Акустические шумы в помещениях. Акустические шумы в помещениях ограничивают динамический диапазон передачи как художественных программ, так и информационных, ухудшая качество звучания первых и снижая разборчивость речи для вторых»

Эти шумы создаются как самими слушателями, так и шумами и вибрациями, проникающими в помещение извне (с улицы или из соседних помещений). Уровни шумов, создаваемые публикой, достаточно хорошо исследованы; их спектры и уровни обычно приводятся в различных справочниках. Уровни шумов, проникающих извне, определяются звукоизоляцией помещения и уровнями шумов с наружной его стороны. Аналогично определяются и уровни шумов, создаваемые вибрациями, проникающими извне.