Акустика помещений

1. Акустика помещений

• Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей)
«Теория звука» 1877
• Уоллес Клемент Сэбин
реверберация звука
Бостонский симфонический зал 1900
• Карл Эйринг Bell Telephone Lab
начало 20 века
статистическая акустика
общая теория реверберации
• Верн Оливер Кнудсен
«Архитектурная акустика» 1932
• Лео Беранек
«Музыка, акустика и архитектура» 1962

2. Жан Батист Жозеф Фурье 1768-1830

3. Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей) 1842-1919

4. Уоллес Клемент Сэбин 1868-1919

5. Уравнение бегущей волны

источник:
(0, t ) A cos t
точка, расположенная на расстоянии x
от источника колебаний в момент времени
t
x
( x, t ) A cos (t )
V
x
V
– время, необходимое
для прохождения волной расстояния
t:
x

6. Уравнение бегущей волны

• Плоская волна
x
( x, t ) A cos (t )
V
• Сферическая волна
A0
r
(r , t )
cos (t )
r
V

7. Волновое уравнение (в общем случае в однородной изотропной среде)

1
2
2
2
2
2
x
y
z
V t
2
2
2
для плоской волны
1
2
2
2
x
V t
2
2
2

8.

p p p 1 p
2
2
2
2
2
x
y
z
v t
2
2
2
2

9.

10. Звуковое давление

– разность между
мгновенным значением полного давления
в данной точке звукового поля
и средним атмосферным давлением
(наблюдаемым в среде
при отсутствии звукового поля)
p, Па

11. Интенсивность звука

– энергия звуковой волны,
переносимая за единицу времени
через единицу площади поверхности,
нормальной к направлению
распространения звуковой волны
I , Вт/м
2

12. Плотность звуковой энергии

– энергия, содержащаяся
в единице объема звукового поля
w, Дж/м
3

13.

14. Коэффициент звукопоглощения

E погл E пад E отр
E пад
E пад
E пад – энергия, падающая на ограждение
E отр – энергия, отраженная
E погл – энергия, поглощенная
E прошед– энергия, прошедшая
сквозь ограждение

15. Эквивалентная площадь звукопоглощения поверхности

A S (м )
2
– произведение площади поверхности
на ее коэффициент звукопоглощения
(т.е. площадь
такой полностью поглощающей поверхности,
которая поглощает столько же энергии,
сколько данная поверхность)

16.

• Полное звукопоглощение
• Средний коэффициент звукопоглощения
Aполн
Si

17. Диффузное звуковое поле

характеризуется тем, что
во всех его точках
усредненные во времени
уровни звукового давления
и потоки звуковой энергии,
приходящие по любому направлению,
постоянны
Постоянство уровней звукового давления – однородность поля
Постоянство потоков звуковой энергии по всем направлениям –
изотропность поля

18. Основные допущения, принятые в статистической теории

• При рассмотрении распространяющихся звуковых
волн не учитывают интерференционные
явления, поэтому в каждой точке звукового поля
плотность звуковой энергии есть сумма плотностей
энергии каждой волны (энергетическое
суммирование)
• Звуковое поле в помещении принимается
диффузным, т.е. плотность звуковой энергии в
любой точке звукового поля принимается
одинаковой

19. Реверберация

– процесс постепенного замирания звука
в помещении после выключения
источника звука

20.

21.

После включения источника плотность звуковой энергии возрастает по закону
w(t ) w0 (1 e
v S
ln(1 ) t
4 V
4 P
w0
v S
P
S
V
v
- средний коэффициент звукопоглощения
- звуковая мощность источника, Вт
- общая площадь внутренних поверхностей помещения
- объем помещения
- скорость звука в воздухе
w(t ) w0
при
t
)

22.

После выключения источника звуковая энергия затухает по закону
w(t ) w0 e
v S
ln(1 ) t
4 V
4 P
w0
v S
Стандартное время реверберации соответствует
w0
e
w(t )
v S
ln(1 ) t
4 V
10 6
формула Эйринга
для определения стандартного времени реверберации
w0
6
10
w(t )
0,16 V
t T
S ( ln(1 ))

23.

24.

Время реверберации
Формула Эйринга
для прямоугольного помещения
0,16 V
T
S ( ln(1 ))
для помещения произвольной формы
T
Формула Сэбина
0,163 V 0,163 V
T
A
S
0,163 V
S ( ln(1 ))
Формула, учитывающая поглощение звука в воздухе
0,163 V
T
S ( ln(1 )) 4 V
V
S
- объем помещения
- общая площадь внутренних поверхностей
- средний коэффициент звукопоглощения
A - полное звукопоглощение помещения
- показатель затухания звука в воздухе

25. Зависимость коэффициента затухания звука в воздухе от его влажности

26.

27.

28.

29. Ориентировочные значения времени реверберации на частоте 500 Гц

V=1000 м3 V=5000 м3 V=10000 м3
Аудитория
0,83
0,92
0,99
Кинотеатр
0,86
1,08
1,18
Оперный
театр
1,21
1,49
1,64

30.

31.

32.

33. Структура звуковых отражений

Очертания потолка и стен
должны способствовать
правильному распределению
отраженного звука,
направляя большую долю его
на удаленные от источника
слушательские места

34. Построение геометрических отражений с помощью мнимого источника

35. Отражения звуковых волн можно считать направленными, если

• наименьший размер отражающей
поверхности не менее чем в 1,5 раза
превышает длину волны
• наименьший радиус кривизны
поверхности не менее чем в 2 раза
превышает длину волны
• отражения возникают от точек
отражателя, удаленных от его краев не
менее чем на половину длины волны

36. Лучевой эскиз

37. Время запаздывания отражений

( R1 R2 ) R
t
v звука

38. ОПТИМАЛЬНОЕ ВРЕМЯ ЗАПАЗДЫВАНИЯ

АУДИТОРИЯ, ЛЕКЦИОННЫЙ ЗАЛ,
КОНФЕРЕНЦ-ЗАЛ
0,01 – 0,015 С
ДРАМАТИЧЕСКИЙ ТЕАТР
0,015 – 0,02 С
ЗАЛ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
0,02 – 0,03 С
ОПЕРНЫЙ ТЕАТР
0,07 С
ФИЛАРМОНИЯ,
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ (БЕЗ ОРГАНА)
0,09 С
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ С ОРГАНОМ И ХОРОМ
0,10 – 0,15 С

39. -

ОСЛАБЛЕНИЕ ПРЯМОГО ЗВУКА
L = L0 – 20lgR – 8
-
УРОВЕНЬ ОДНОКРАТНО ОТРАЖЕННОГО ЗВУКА
L = L0 – 20lg(R1+R2) – 10 lg(1/(1- )) – 8
ЗВУКОВАЯ МОЩНОСТЬ ИСТОЧНИКА
АУДИТОРИЯ, ЛЕКЦИОННЫЙ ЗАЛ
ДРАМАТИЧЕСКИЙ ТЕАТР
ОПЕРНЫЙ ТЕАТР
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ, ФИЛАРМОНИЯ
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ С ОРГАНОМ
65 – 70 ДБ
80 ДБ
90 ДБ
100 ДБ
110 ДБ
Если разница уровней прямого и отраженного звука превышает 8 дБ,
то такое отражение не формирует характера звучания,
а имеет вредное влияние

40. Формирование отражений от плоского горизонтального потолка

41. Устройство отражателя над авансценой

42. Рациональное примыкание потолка к задней стенке

43. Расчленение потолка секциями

44.

45.

46. Звукоотражатели в передней части боковых стен

47. Наиболее рациональная форма зала в плане

48. Формы членения стены секциями

49. Отражения от поперечных пилястр или ребер

50. Образование диффузных отражений от поверхности с рельефом полукруглого сечения

51.

Для обеспечения достаточной степени
диффузности звукового поля
необходимо,
чтобы значительная часть
внутренних поверхностей помещения
создавала рассеянные отражения

52.

53.

54.

55. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА ОТ ВОГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТИ Q - ИСТОЧНИК ЗВУКА, О - ЦЕНТР КРИВИЗНЫ, Ф - ФОКУС

56.

57.

58.

59.

60.

61. «Полезные» отражения

• Отражения от плоских и выпуклых
поверхностей, находящихся вблизи
источника
• Отражения от потолка, направленные в
зону расположения слушателей
• Отражения от боковых поверхностей
стен, расположенных на уровне голов
слушателей

62. «Вредные» отражения

Отражения от удаленных поверхностей
Отражения от вогнутых поверхностей
Отражения от параллельных поверхностей
Отражения от верхней части стен
Отражения, приходящие к слушателю сзади

63.

64.

65.

66. ОПТИМАЛЬНЫЙ ОБЪЕМ ВОЗДУХА НА ОДНОГО СЛУШАТЕЛЯ

АУДИТОРИЯ, ЛЕКЦИОННЫЙ ЗАЛ,
КОНФЕРЕНЦ-ЗАЛ
ДРАМАТИЧЕСКИЙ ТЕАТР
ЗАЛ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ЗАЛ КАМЕРНОЙ МУЗЫКИ И ОПЕРЕТТЫ
ОПЕРНЫЙ ТЕАТР
ФИЛАРМОНИЯ,
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ (БЕЗ ОРГАНА)
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ С ОРГАНОМ И ХОРОМ
4 КУБ.М
5 КУБ. М
4—6 КУБ. М
6 КУБ. М
6—7 КУБ. М
8—9 КУБ. М
10—12 КУБ. М

67. Со сценической коробкой

68. Без сценичесокй коробки

69. ГАРМОНИЧЕСКИЕ ПРОПОРЦИИ ЗАЛА

3
V
X
4.94
X --- МОДУЛЬ ЗОЛОТОГО СЕЧЕНИЯ
ВЫСОТА --- 3Х, ШИРИНА --- 5Х, ДЛИНА ---8Х
ОТНОШЕНИЕ ДЛИНЫ ЗАЛА
К СРЕДНЕЙ ШИРИНЕ БОЛЕЕ 1, НО НЕ БОЛЕЕ 2
ОТНОШЕНИЕ СРЕДНЕЙ ШИРИНЫ ЗАЛА
К СРЕДНЕЙ ВЫСОТЕ БОЛЕЕ 1, НО НЕ БОЛЕЕ 2
ДЛИНА ЗАЛА БЕЗ СЦЕНИЧЕСКОЙ КОРОБКИ НЕ БОЛЕЕ 28 М
КРУПНЫХ ФИЛАРМОНИЧЕСКИХ ЗАЛОВ НЕ БОЛЕЕ 45 М
ЗАЛА СО СЦЕНИЧЕСКОЙ КОРОБКОЙ НЕ БОЛЕЕ 26 М
( ОТ ЗАНАВЕСА ДО ЗАДНЕЙ СТЕНЫ)
ШИРИНА ЗАЛА У ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ ПЛОЩАДКИ 15 – 20 М

70. МАКСИМАЛЬНАЯ ДЛИНА ЗАЛОВ

ДРАМАТИЧЕСКИЕ ТЕАТРЫ, КОНФЕРЕНЦ-ЗАЛЫ,
АУДИТОРИИ
24-25 М
ЗАЛЫ КАМЕРНОЙ МУЗЫКИ
20-22 М
ТЕАТРЫ ОПЕРЕТТЫ
28-29 М
ОПЕРНЫЕ ТЕАТРЫ
30-32 М
КОНЦЕРТНЫЕ ЗАЛЫ СИМФОНИЧЕСКОЙ МУЗЫКИ,
ХОРОВЫХ И ОРГАННЫХ КОНЦЕРТОВ
42-46 М
МНОГОЦЕЛЕВЫЕ ЗАЛЫ
ВМЕСТИМОСТЬЮ БОЛЕЕ 1000 МЕСТ
30-34 М
КОНЦЕРТНЫЕ ЗАЛЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭСТРАДНОЙ МУЗЫКИ
48-50 М

71. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ РАЗМЕРЫ СЦЕНИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

ЗАЛЫ
КОНЦЕРТНЫЕ,
ФИЛАРМОНИЧЕСКИЕ
ШИРИНА, ГЛУБИНА, ВЫСОТА,
М
М
М
14 - 19
10 -12,5
8 – 10
11,5
5,5
6–8
ТЕАТРАЛЬНЫЕ,
ЭСТРАДНЫЕ
14
12
7
МНОГОЦЕЛЕВЫЕ
19
14
7 – 10
АУДИТОРИИ, ЛЕКЦИОННЫЕ
4,5
2,5
7,5
КАМЕРНЫЕ

72.

ВЫСОТА ИСТОЧНИКА ЗВУКА
НАД ПОЛОМ СЦЕНЫ (ЭСТРАДЫ)
1,5 М
ВЫСОТА ТОЧКИ ПРИЕМА
(УХО СЛУШАТЕЛЯ) НАД ПОЛОМ
1,2 М
ПРЕВЫШЕНИЕ ПОЛА СЦЕНЫ НАД ПОЛОМ ЗАЛА
ШИРИНА АВАНСЦЕНЫ
ШИРИНА ОРКЕСТРОВОЙ ЯМЫ
1М
НЕ МЕНЕЕ 1,75 М
3–4М

73.

ШИРИНА ЗРИТЕЛЬСКОГО МЕСТА
0,5 – 0,65 М
РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ РЯДАМИ (ОТ СПИНКИ ДО СПИНКИ)
КОРОТКИЕ РЯДЫ
0,85 – 0,9 М
(12 МЕСТ С ОДНИМ ВЫХОДОМ,
24 МЕСТА С ДВУМЯ ВЫХОДАМИ)
ДЛИННЫЕ РЯДЫ
1,0 М
(26 МЕСТ С ОДНИМ ВЫХОДОМ,
50 МЕСТ С ДВУМИ ВЫХОДАМИ)
РАССТОЯНИЕ ОТ ОРКЕСТРА ДО ПЕРВОГО РЯДА
1М

74.

75.

76. Наиболее рациональная форма зала в плане

77. Лучевой эскиз

78. ОПТИМАЛЬНОЕ ВРЕМЯ ЗАПАЗДЫВАНИЯ

АУДИТОРИЯ, ЛЕКЦИОННЫЙ ЗАЛ,
КОНФЕРЕНЦ-ЗАЛ
0,01 – 0,015 С
ДРАМАТИЧЕСКИЙ ТЕАТР
0,015 – 0,02 С
ЗАЛ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
0,02 – 0,03 С
ОПЕРНЫЙ ТЕАТР
0,07 С
ФИЛАРМОНИЯ,
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ (БЕЗ ОРГАНА)
0,09 С
КОНЦЕРТНЫЙ ЗАЛ С ОРГАНОМ И ХОРОМ
0,10 – 0,15 С

79. По ряду объективных и субъективных критериев в число 3-х лучших театров мира входят (см. L.L.Beranek, Subjective Rank-Orderings and Acoustical Measurements for Fifty-Eight Concert Hall

По ряду объективных и субъективных критериев в число 3-х лучших театров мира
входят (см. L.L.Beranek, Subjective Rank-Orderings and Acoustical Measurements for Fifty-Eight Concert
Halls, Acta Acustica, 2003, vol.89, 494-509)
венский Grosser Musikvereinssaal (Австрия) - концертный зал Музикферайн (венская
филармония),
амстердамский Concertgebouw (Голландия) - Концертный зал Концертгебау,
бостонский Symphony Hall (США).

80. ТИПИЧНАЯ ФОРМА КОНЦЕРТНОГО ЗАЛА 19 СТОЛЕТИЯ

81. ТИПИЧНАЯ ФОРМА СОВРЕМЕННОГО КОНЦЕРТНОГО ЗАЛА

82.

83. БЛАГОПРИЯТНЫЕ ОЧЕРТАНИЯ БОКОВЫХ СТЕН ЗАЛА ОПЕРНОГО ТЕАТРА

84. ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ ФОРМА ПОТОЛКА ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ДЛИНЕ ЛЕКЦИОННОГО ЗАЛА

85. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ФОРМА ЛЕКЦИОННОГО ЗАЛА

86. КОЗЫРЕК И НАКЛОННЫЕ И ВЫПУКЛЫЕ СЕКЦИИ ПОТОЛКА

87. Критерии акустического качества

RT (RT60, T30) Reverberation Time – время реверберации (с)
EDT Early Decay Time – время затухания ранних отражений (с)
D50 Definition – индекс четкости звука (в % или от 0 до 1)
C80 Clarity – индекс ясности (прозрачности) звука (дБ)
TS Central Time – центральное время (мс)
G Strength Factor – громкость (дБ)
LF80 Lateral Energy Fraction – энергия ранних боковых отражений
(в % или от 0 до 1)

88. Критерии акустического качества

• RT (RT60, T30) Reverberation Time – время реверберации (с)
Время снижения уровня звука в помещении на 60 дБ
после выключения источника звука

89. Критерии акустического качества

• EDT Early Decay Time – время затухания ранних отражений (с)
Измеряется аналогично времени реверберации.
Время снижения уровня звукового сигнала на 10 дб от начала процесса реверберации.
Характеризует субъективное восприятие.
Локальный критерий, т.е. существенно меняется по площади зрительских мест.

90. Критерии акустического качества

91. Критерии акустического качества

92. Критерии акустического качества

93. Критерии акустического качества

• G
Strength Factor
– громкость (дБ)
Отношение уровня звука, измеренного в точке приема в помещении,
к уровню звука на расстоянии 10 м,
воспроизводимого источником в свободном пространстве.

94. Критерии акустического качества

95.

96. Критерии акустического качества залов прямоугольной формы усредненные значения на средних частотах (500 и 1000Гц)