Строительная акустика

Как звуковой эффект реверберация придаёт  чувство глубины пространства.

Источник издающий звук отражается от различных поверхностей по разному, в зависимости от их текстуры. Гладкие, жёсткие поверхности отражают звук подобно тому, как зеркало отражает свет (угол падения равен углу отражения). Тогда как отражение от грубых (неровных) материалов производится во многих направлениях, отражённый звук от таких поверхностей воспринимается более размытым. Характер отражений зависит от частоты звука и материала стен. Жёсткий материал поглощает звуковые волны меньше, тогда как мягкий больше. В больших помещениях можно легко наблюдать эффект реверберации к таким помещениям можно отнести церкви, бассейны или большие пещеры.

Реверберация создаётся в результате повторного отражения звука. Отражённые сигналы со временем ослабевают, это  вызвано тем, что при каждом отражении  часть энергии сигнала теряется (поглощается материалом), другая причина в том что звук рассеивается в воздухе (потому как вибрации вызывают трение частиц воздуха).

При слишком большом количестве реверберации сильно страдает разборчивость  речи, чем короче время реверберации, тем лучше. Однако для музыки, реверберация более желательна, потому как в "сухой" комнате музыка звучит неестественное, а также становятся отчётливо слышны неточности игры. Для камерной музыки наиболее желательное время реверберации около 1.2 до 1.6 секунд, для оркестровой около 1.7 до 2.2, для органной гораздо больше.

В процессе естественной реверберации меняется частотный спектр звука. Высокие  частоты затухают быстрее, чем низкие, поэтому тембр отраженного звука в сравнении с оригиналом имеет более мягкий, приглушенный характер. Реверберация изменяет воспринимаемые гармонические структуры нот, но не меняет их тон. Эффект реверберации часто используются в студиях, для добавления чувства глубины пространства.

При звучании звука в закрытом помещении  к слушателю первым приходит прямой сигнал. Это сигнал не отразившийся ни от одной поверхности. Далее к  слушателю приходят ранние отражения. Ранние отражения — это те сигналы, которые по пути к слушателю отразились от стен помещения только один раз. Последующие, «поздние» отражения — это «отражения отражений», или «переотражения», когда звуковая волна, прежде чем дойти до слушателя, многократно отражается от разных стен. Чем больше таких отражений, тем сильнее меняется их спектр за счёт потери высоких частот, утрачивающих энергию быстрее, чем низкие. Поздние отражения соединяются в одно сплошное плавно затухающее послезвучание («реверберационный хвост»).

Время реверберации

В конце 19 века, Wallace Clement Sabine начал  эксперименты в Гарвардском университете с целью изучения воздействия  поглощений на время реверберации. Используя портативные духовые  инструменты и органные трубы как источник звука, секундомер и уши, он измерил время от прекращения звучания источника до того пока оставшийся звук станет невнятным (примерно 60 дБ). Он обнаружил, что время реверберации пропорционально размерам комнаты и обратно пропорциональна сумме поглощений.

RT₆₀ (Reverb time - время реверберации) это время необходимое для того чтобы отражения звука распались на 60 дБ ниже уровня прямого звука. Время реверберации зачастую устанавливают как одно значение, однако оно может быть измерено в разных частотных диапазонах сигнала (от 20 Гц до 20 кГц), или точнее в узких частотных полосах (одной октаве, 1/3 октавы, 1/6 октавы, и т.д.). Как правило, время реверберации измеряемое в узких частотных полосах будет отличаться в зависимости от частот содержащихся в полосе (высокие частоты затухают гораздо быстрее низких).

Оптимальное время реверберации зависит от типа музыки или звуков, которые должны звучать в пространстве. Помещения используемые для передачи речи, обычно требуют более короткого времени реверберации, для большей разборчивости слов. Если отраженный звук от одного слога слышен когда произносится следующий слог, то это может затруднить распознавание сказанного слова. Слова "кот", "кол", и "ком" могут быть очень похожи. С другой стороны если время реверберации слишком коротко, то может пострадать тембровый баланс и громкость.

Основные факторы влияющие на время  реверберации, это размер и форма помещения, а также материалы используемые при его строительстве. На время реверберации может повлиять любой объект помещённый в комнату, в том числе люди и их имущество.

Рис.3 Различные сигналы. Красный: прямой звук, зеленый: первичные отражения (звук комнаты), синий: реверберация.

Поглощение  звука

Значение поглощения. Поглощение звука в помещении имеет решающее значение при обеспечении хорошей акустики. Несмотря на то, что колонны, кессоны, нарушения плоской формы стен и тому подобные устройства уничтожают правильное отражение и делают результирующий звук диффузным, должно еще существовать поглощение, превращающее энергию звука в тепловую энергию.

Как происходит поглощение звука. В  конечном счете звуковая энергия  превращается в тепло. Распространяющиеся в воздухе звуковые волны представляют собой колебания частиц воздуха; они сопровождаются трением между соседними частицами. Поглощение энергии, обусловленное этим трением, делается заметным только для звуков с частотой выше 6000 колебаний а секунду; для более низких звуков оно ничтожно по сравнению с поглощением, вносимым поверхностями помещения. Падая на твердые тела, звуковые волны испытывают большее трение, чем при распространении по воздуху, так как частицы воздуха прилипают к поверхности твердого тела и сопротивляются всякой попытке сдвинуть их с места. Толщина этого слоя повышенного трения очень мала: если звук распространяется па раллельно твердой поверхности, то она определяется выражением 1

                                                                                                        (1.5)

где f — частота звука. В качестве примера укажем, что для частоты 400 колебаний в секунду толщина h составляет 0,64 мм. Если звуковые волны  проходят по трубке, то они испытывают значительное трение, особенно в случае, когда диаметр трубки близок к величине h. Поэтому пористые материалы поглощают звук, и если размеры пор различны, то такой материал оказывается хорошим звукопоглотителем в широкой области частот. Каналы большего диаметра, пронизывающие толщу поглощающего материала, дают звуку доступ в глубокие слои, что увеличивает действующую поверхность стенок пор и улучшает поглощение ремонт и обивка мягкой мебели.

Испытания по звукопоглощению. При  выполнении расчетов по реверберации помещений необходимо знать величину поглощения звука различными материалами. Эта величина определяется лабораторными испытаниями. Первой серьезной попыткой в этом направлении явился метод Уоллеса Сэбина, получивший в дальнейшем широкое распространение. Плита размером от 7 до 10 м², изготовленная из испытуемого материала, помещается на полу реверберационной камеры. Задача состоит в измерении времени спадания звука различных частот в присутствии и отсутствии поглощающего материала. Такая установка до известной степени воспроизводит действительные условия. Однако из-за малого объема камеры здесь возникают резонансные явления, сильно увеличивающие затухание, особенно для низких звуков, и коэффициенты поглощения оказываются преувеличенными. Для относительно высоких частот, свыше 1000—2000 колебаний в секунду, в камере получается «диффузное» смешение звуков, и полученные коэффициенты без всяких поправок применимы для вычисления времени реверберации в больших помещениях.

Новейшие исследования. Более удовлетворительные значения коэффициента поглощения удается получить, измеряя акустический импеданс. Эта величина определяется из эксперимента со стоячими волнами, образующимися под действием постоянного звукового пучка, направленного с помощью трубы на испытуемый образец, который установлен у одного из ее концов. Величина акустического импеданса связана с поглощением  образца, и, таким образом, поглощение может быть найдено из опыта. Преимущества метода заключаются в сравнительной точности определения акустического импеданса: данные, полученные различными лабораториями, равно как и рассчитанные по этим данным величины коэфициентов поглощения, согласуются между собой в пределах ошибок измерения. Результаты же, полученные в реверберационных камерах, зависят от формы и размеров камеры и значительно различаются для разных лабораторий. Хотя в этом направлении и достигнуты большие успехи, окончательное решение всей проблемы еще не найдено

Ассоциация по акустическим материалам (Acoustical Materials Association). Отсутствие согласованности между значениями коэфициентов поглощения, полученными в различных реверберационных камерах, заставило фирмы, изготовляющие звукопоглощающие материалы, организовать единый испытательный центр (Ассоциацию по акустическим материалам), результаты исследований которого сравнимы между собой. Данные, полученные из многочисленных испытаний, публикуются время от времени в специальных бюллетенях Ассоциации, сообщающих, таким образом, новейшие сведения по данному вопросу. Хотя, как уже пояснялось, данные для низких частот получаются преувеличенными, среднее значение коэфициентов для всех частот, при которых производятся испытания, позволяет сравнивать между собой эффективность различных материалов.

Поглощение звука в помещении  различными материалами, которые используются при отделке внутренних поверхностей помещения, определяет акустическое качество (свойства) данного помещения. Величина поглощения зависит от частоты и определяется следующим соотношением  α = поглощенная энергия/энергияпррпадающегопорзвука. Суммарный уровень поглощения в помещении определяется по следующей формуле:                                                      

                                                                    (1.6)                                                                                    

где Sn – площадь поверхности n-го материала 
αn – коэффициент поглощения n-го материала

                                                                                                                                                             Таблица 1.1

           Коэффициенты поглощения материалов

Иногда, для определения звукопоглощения, используют не все значения α для каждой полосы частот, а усредненный коэффициент (NRC).  
NRC – это арифметическое усреднение α для частот 250, 500, 1000 и 2000 Гц.

                                        (1.7)

 

2.2 Звукопоглощающие материалы

Внутри помещений, где велика площадь  открытого кирпича, штукатурки, бетона, кафеля, стекла, металла, всегда слышно долгое эхо. Если в таких помещениях есть несколько источников звука (разговор людей, музыка, производственные шумы), то прямой звук накладывается на его громкие первые отражения, что приводит к неразборчивости речи и повышенному уровню шума в помещении. В большинстве случаев это нежелательно. Так, в залах вокзалов и аэропортах, больших магазинах, вестибюлях метро и других подобных помещениях время послезвучия (эхо), или реверберация, должно быть по возможности минимальным. В залах, специально предназначенных для прослушивания (лекционных, театральных, кино- и концертных), время реверберации должно быть не больше и не меньше заданных пределов. Слишком большое время реверберации приводит к искажению восприятия речи и музыкальных произведений. Наоборот, слишком малое - к "сухости" зала и "несочности" слышимых звуков. Для снижения или коррекции времени реверберации помещений в его отделке применяют звукопоглощающие материалы и конструкции (звукопоглотители).

С акустической точки зрения звукопоглотители могут быть разделены на следующие  группы:

• пористые (в т.ч. волокнистые);
• пористые с перфорированными экранами;
• резонансные;
• слоистые конструкции;
• штучные или объемные.

Пористые звукопоглотители изготавливают  в виде плит, которые крепятся к  ограждающим поверхностям непосредственно  или на относе, из легких и пористых минеральных штучных материалов - пемзы, вермикулита, каолина, шлаков и т.п. с цементом или другим вяжущим. Такие материалы достаточно прочны и могут быть использованы для снижения шума в коридорах, фойе, лестничных маршах общественных и промышленных зданий.

В помещениях, где к внешнему виду звукопоглотителей предъявляются  повышенные требования, применяют специальным  образом обработанные волокнистые  материалы. Сырьем для их производства служат древесные волокна, минеральная  вата, стеклянная вата, синтетические волокна. Эти изделия также изготавливают в виде плоских плит (потолочные или стеновые панели) или криволинейных и объемных элементов. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex T) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.

В настоящее время волокнистые  звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике. Они не только оказались наиболее эффективными с акустической точки зрения в широком частотном диапазоне, но и отвечают возросшим требованиям, предъявляемые к дизайну помещений.

В волокнистых поглотителях рассеяние  энергии колебания воздуха и  превращение ее в тепло происходит на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. Кроме этого, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.

Напомним, что коэффициент звукопоглощения α равен отношению не отразившейся (поглощенной внутри и прошедшей сквозь) от поверхности энергии колебания воздуха к полной энергии, воздействующей на поверхность. Коэффициенты звукопоглощения большинства строительных материалов см. в таблице 1. Волокнистые и пористые материалы используют в основном для улучшения акустических качеств в кинотеатрах, театрах, концертных залах, студиях, аудиториях. Кроме того, они используются для уменьшения шума в детских садах, школах, больницах, ресторанах, офисах, торговых залах, вестибюлях, залах ожидания, производственных помещениях.