Акустика помещения

Как ведет себя звук в закрытом пространстве

Акустика помещения — это раздел акустики , изучающий поведение звука в закрытых или частично закрытых помещениях. Архитектурные детали комнаты влияют на поведение звуковых волн внутри нее, причем эффекты варьируются в зависимости от частоты . Акустическое отражение , дифракция и [| диффузия]] может объединяться для создания звуковых явлений, таких как комнатные моды и стоячие волны на определенных частотах и ​​в определенных местах, эхо и уникальные модели реверберации .

Частотные зоны

То, как звук ведет себя в комнате, можно разделить на четыре различные частотные зоны:

• Первая зона находится ниже частоты, длина волны которой в два раза превышает длину комнаты. В этой зоне звук ведет себя очень похоже на изменения статического давления воздуха.
• Выше этой зоны, пока длины волн не станут сравнимы с размерами комнаты, доминируют ^[а] комнатные резонансы . Эта частота перехода широко известна как частота Шредера или частота перехода, и она отличает низкие частоты, которые создают стоячие волны в небольших помещениях, от средних и высоких частот. ^[3]
• Третья область, простирающаяся примерно на 2 октавы, представляет собой переход к четвертой октаве.
• В четвертой зоне звуки ведут себя как лучи света, прыгающие по комнате.

Естественные режимы

Давление осевых мод (верхний ряд) и тангенциальных мод (нижний ряд) построено для модальных чисел (m = 0, 1) и (n = 1, 2, 3)

Для частот ниже частоты Шредера определенные длины волн звука будут возникать в виде резонансов внутри границ комнаты, и резонирующие частоты можно определить, используя размеры комнаты. Аналогично расчету стоячих волн внутри трубы с двумя закрытыми концами модальные частоты и звуковое давление этих мод в определенном положении прямолинейного помещения можно определить как ${\textstyle (f_{m,n,l})}$ ${\textstyle (p_{m,n,l}(x,y,z))}$

$${\displaystyle f_{m,n,l}={\frac {c}{2}}{\sqrt {{\Big (}{\frac {m}{L_{x}}}{\Big )}^{2}+{\Big (}{\frac {n}{L_{y}}}{\Big )}^{2}+{\Big (}{\frac {l}{L_{z}}}{\Big )}^{2}}}}$$

$${\displaystyle p_{m,n,l}(x,y,z)=A\cos {\Big (}{\frac {m\pi }{L_{x}}}x{\Big )}\cos {\Big (}{\frac {n\pi }{L_{y}}}y{\Big )}\cos {\Big (}{\frac {l\pi }{L_{z}}}z{\Big )}}$$

где — номера мод, соответствующие осям x, y и z помещения, — скорость звука в , — размеры помещения в метрах. — амплитуда звуковой волны; — координаты точки внутри комнаты. ^[4] ${\textstyle m,n,l=0,1,2,3...}$ ${\textstyle c}$ ${\textstyle {\frac {m}{s}}}$ ${\textstyle L_{x},L_{y},L_{z}}$ ${\textstyle A}$ ${\textstyle x,y,z}$

Режимы могут возникать во всех трех измерениях комнаты. Осевые моды являются одномерными и возникают между одним набором параллельных стенок. Тангенциальные моды двумерны и включают четыре стены, ограничивающие пространство перпендикулярно друг другу. Наконец, косые моды касаются всех стен внутри упрощенной прямолинейной комнаты. ^[5]

Метод анализа модальной плотности, использующий концепции психоакустики , «критерий Бонелло», анализирует первые 48 режимов комнаты и отображает количество режимов в каждой трети октавы. ^[6] Кривая монотонно возрастает (каждая треть октавы должна иметь больше мод, чем предыдущая). ^[7] Совсем недавно были разработаны другие системы для определения правильного соотношения помещений. ^[8]

Реверберация помещения

После определения оптимальных размеров помещения с использованием критериев модальной плотности следующим шагом будет поиск правильного времени реверберации . Наиболее подходящее время реверберации зависит от использования помещения. Для оперных театров и концертных залов требуется время от 1,5 до 2 секунд. Для студий вещания, звукозаписи и конференц-залов часто используются значения менее одной секунды. Рекомендуемое время реверберации всегда зависит от объема помещения. Некоторые авторы дают свои рекомендации ^[9] Хорошим приближением для студий вещания и конференц-залов является:

TR[1 кГц] = [0,4 log (В+62)] – 0,38 секунды,

где V=объем помещения в м ³ . ^[10] В идеале RT60 должен иметь примерно одинаковое значение на всех частотах от 30 до 12 000 Гц.

Чтобы получить желаемый RT60, можно использовать несколько акустических материалов, как описано в нескольких книгах. ^{[11] [12]} Ценное упрощение задачи было предложено Оскаром Бонелло в 1979 году. ^[13] Оно заключается в использовании стандартных акустических панелей площадью 1 м ² , подвешенных к стенам помещения (только если панели параллельны). В этих панелях используется комбинация трех резонаторов Гельмгольца и деревянной резонансной панели. Эта система обеспечивает большое акустическое поглощение на низких частотах (ниже 500 Гц) и снижает его на высоких частотах, чтобы компенсировать типичное поглощение людьми, боковыми поверхностями, потолками и т. д.

Варианты звуковой обработки. Серый: поглощение. Черный: отражение. Синий: диффузия.

Акустическое пространство – это акустическая среда, в которой наблюдатель может слышать звук. Термин акустическое пространство впервые упомянул Маршалл Маклюэн , профессор и философ. ^[14]

Природа акустики

В действительности существуют некоторые свойства акустики, влияющие на акустическое пространство. Эти свойства могут либо улучшать качество звука, либо мешать звуку.

• Отражение – это изменение направления волны при столкновении с объектом. Этим воспользовалисьмногие инженеры-акустики . Он используется для дизайна интерьера : либо используйте отражения для получения преимуществ, либо устраняйте отражения. Звуковые волны обычно отражаются от стены и мешают другим звуковым волнам, которые генерируются позже. Чтобы звуковые волны не отражались непосредственно на приемник,вводится диффузор . ^[15] Диффузор имеет разную глубину, благодаря чему звук равномерно рассеивается в случайных направлениях. Он превращает тревожное эхо звука в легкую реверберацию, которая со временем затухает.
• Дифракция — это изменение распространения звуковой волны с целью избежать препятствий. Согласнопринципу Гюйгенса , когда звуковая волна частично блокируется препятствием, оставшаяся часть, пробившаяся сквозь него , выступает источником вторичных волн. ^[16] Например, если человек находится в комнате и кричит при открытой двери, это услышат люди по обе стороны коридора. Звуковые волны, вышедшие за дверь, становятся источником, а затем распространяются по коридору. Звуки окружающей среды могут мешать акустическому пространству, как в приведенном примере.

Использование акустического пространства

Применение акустического пространства очень полезно в архитектуре. Некоторые виды архитектуры требуют профессионального проектирования, чтобы обеспечить наилучшие характеристики. Например, концертные залы, аудитории, театры или даже соборы. ^[17]

• Концертный зал – место, предназначенное для проведения концерта . Хороший концертный зал обычно вмещает от 1700 до 2600 зрителей. ^[18] Есть три основных атрибута хорошего концертного зала: ясность, атмосфера и громкость. ^[15] Если сиденья расположены правильно, зрители будут слышать чистый звук с каждого сиденья. Для большей атмосферности время реверберации выбрано по желанию. Например, романтическая музыка обычно требует определенного времени реверберации для усиления эмоций, поэтому потолки в концертном зале должны быть высокими.

  

  Scratch Messiah 2015 в Королевском Альберт-Холле , Кенсингтон , Лондон , Великобритания

• Театр – место, предназначенное для живых выступлений. Первым приоритетом звукового дизайна в театре является речь. ^{[15] [18]} Речь должна быть четко слышна, даже если это тихий шепот. Реверберация в данном случае не нужна, она прерывает произносимые актерами слова . Интенсивностьнеобходимо увеличить, чтобы расширить акустическое пространство и охватить театр, не нарушая динамику . В больших кинотеатрахнеобходимо использовать усиление .

Внутренний вид театра Мейбл Тейнтер

• В соборе (и церкви) есть зона, называемая хором , обычно расположенная возле трансепта , где в большинстве соборов расположена башня. Хор для того, чтобы хор пел. Для такого пения нужен мягкий облачный звук, создающий атмосферу и эмоции. Высота собора не только демонстрирует религиозную гордость, но и улучшает акустику. Реверберация усиливается, когда источник генерирует звук в пространстве.

Внутренний вид хора Вустерского собора , Вустершир , Великобритания

Смотрите также

• Акустическая доска
• Акустика
• Безэховая комната
• Архитектурная акустика
• Цифровая коррекция помещения
• Контроль шума
• Звукоизоляция
• Шепчучая галерея

Примечания

1. Частота равна примерно  Гц, если объем помещения V измеряется в кубических метрах, а время реверберации RT60 измеряется в секундах; эта формула включает приблизительную скорость звука в воздухе. ^{[1] [2]} ${\displaystyle 2000{\sqrt {{\textit {RT60}}/{\textit {V}}}}}$

Рекомендации

1. Шредер, Манфред (1996). «Возвращение к« частоте Шредера »». Журнал Акустического общества Америки . 99 (5): 3240–3241. Бибкод : 1996ASAJ...99.3240S. дои : 10.1121/1.414868.
2. Дэвис, Дон; Патронис, Евгений; Браун, Пэт (2013). Инженерия звуковых систем (4-е изд.). п. 215.
3. Крокер, Малкольм Дж. (2007). Справочник по контролю шума и вибрации . п. 54.
4. Фидецкий, Тадеуш. «Акустика помещений и системы звукоусиления». стр. Раздел 1.1.
5. Ларсен, Хольгер (1978). Процесс реверберации на низких частотах (PDF) . Технический обзор Брюэля и Кьера № 4. Брюэль и Кьяер.
6. Бонелло, Оскар Дж. (1981). «Новый критерий распределения нормальных комнатных мод». Журнал Общества аудиоинженеров . 29 (9): 597–606.
7. Баллоу, Глен. Справочник для звукорежиссеров . Говардс Сэмс. п. 56.
8. Кокс, ТиДжей; Д'Антонио, П.; Авис, MR (2004). «Размер помещения и оптимизация на низких частотах». Журнал Общества аудиоинженеров . 52 (6): 640–651.
9. Беранек, Лео (1954). «Глава 13». Акустика . Книги Макгроу Хилла.
10. Бонелло, Оскар. Классы акустики . Под редакцией CEI, Ingeniería UBA.
11. Реттингер, Майкл (1977). Акустический дизайн и шумоизоляция . Нью-Йорк: Химическое издательство.
12. Кнудсен, Верн Оливер ; Харрис, Сирил М. (1965). Акустическое проектирование в архитектуре . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.
13. Бонелло, Оскар (1979). Новый компьютерный метод комплексного акустического проектирования студий радиовещания и звукозаписи . Международная конференция по акустике, речи и обработке сигналов ICASSP '79. Вашингтон: IEEE.
14. Шафер, РМ (2007). «Акустический космос». Схема . 17 (3): 83–86. дои : 10.7202/017594ar .
15. Кнудсен, В.; Харрис, К. (1950). Акустическое проектирование в архитектуре . Американский институт физики. стр. 1–18, 112–150.
16. Смиттакорн, П.; Зибейн, Г. (2012). Диффузное отражение: архитектурно-акустическое влияние зеркальных и диффузных отражений на воспринимаемое качество музыки . Саарбрюкен, Германия: Академическое издательство Lap Lambert. стр. 11–19.
17. Кавано, В.; Точчи, Г.; Уилкс, Дж. (2010). Принципы и практика архитектурной акустики. Маршалл, Л. (ред.) Акустический дизайн: места для прослушивания . Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. стр. 133–157.
18. Лонг, М. (2006). Архитектурная акустика. В книге Леви М. и Стерн Р. (ред.) Общие соображения: дизайн комнат для музыки . Соединенные Штаты Америки: Elsevier Inc., стр. 653–656.

Внешние ссылки

• Понимание акустической обработки
• Имеет ли значение акустическая обработка?