Акустические процессы в закрытых помещениях

Каждое помещение в зависимости от объёма, формы, строительных материалов из которого оно изготовлено, а также внутренней отделки обладает уникальными акустическими параметрами. К сожалению, на практике часто приходится сталкиваться с акустическими несовершенными помещениями. Эти закрытые пространства могут оказывать значительное влияние на звуковой сигнал, распространяемый в них. Например, речь, вещаемая в таких помещениях, может быть неразборчивой и нечеткой даже на небольшом расстоянии от источника.

При определённых архитектурных условиях может возникать эхо, то есть отчётливое однократное или многократное повторение прямого звука. Музыкальные программы также сильно искажаются: теряется ясность, прозрачность, сильно меняется тембр звучания. Наличие высококачественной системы звукоусиления не решает проблему. При таких неблагоприятных условиях нарушается смысловое содержание речи, а также идейно-эмоциональное содержание музыки. Речь и музыка превращаются в какофонию.

Учитывая то, что одно из основных предназначений концертных залов, театров, клубов и других – доносить до слушателя речевую и музыкальную информацию, следует принимать все возможные меры по обеспечению неискаженной передачи этого материала. Важно, ещё на стадии проектирования, выявлять возможные акустических дефекты в архитектурно-строительных элементах и принимать необходимые решения по их устранению. В тех случаях, когда зал уже построен, следует предпринять меры по исправлению неудовлетворительных акустических характеристик, в том числе с помощью звукопоглощающих и звукорассеивающих конструкций.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в закрытых помещениях. Как звук заполнят помещение? Звуки от источника распространяются в виде сферических волн. Ударяясь о границы помещения, они в той или иной степени, в зависимости от свойств стен, отражаются, поглощаются и передаются через стены. Благодаря последовательным отражениям от потолка, пола и стен звуковые волны быстро заполняют всё помещение. То есть, на каждый звук помещение как бы откликается, генерируя своеобразный отзвук. Со временем энергия импульса уменьшается вследствие поглощения некоторой части падающего звука при каждом отражении от препятствий; это приводит к постепенному замиранию (ослаблению) звука. Но до того как отзвук полностью ослабнет, он накладывается на следующий звук, издаваемый источником. Таким образом, происходит смешивание прямого звука с отражённым.

Если отзвук обладает небольшой продолжительностью, то он играет положительную роль, усиливая  голос оратора и обогащая музыку. Затянутый отзвук приводит к затруднениям восприятия и к нежелательной окраске исходного сигнала. Время, определяющее продолжительность отзвука помещения называется временем реверберации. Как известно, время реверберации зависит от объёма помещения, площади ограждающих поверхностей (потолок, пол, стены), а также площади (количества, объёма) всех поглощающих материалов, находящихся в помещении. Время реверберации приблизительно можно рассчитать по формуле:

где V — объём помещения, м³; S — общая площадь помещения, м²; k — коэффициент, зависящий от формы помещения; α — средний частотно-зависимый коэффициент поглощения звука; m — показатель затухания звука в воздухе.

Таблица 1. Значение коэффициента k

Рис. 1. Зависимость коэффициента затухания звука   в воздухе от относительной влажности и частоты

Согласно традиционным взглядам оптимум реверберации, определяемый для средних частот (около 500 Гц), зависит от объёма помещения, возрастая, хотя и не очень быстро, с увеличением объёма. Другими словами, считается, что для полноценного звучания музыки в залах большего объёма требуется и более продолжительная реверберация. Рекомендуемое время реверберации для залов различного назначения указаны на рис.2.

Рис. 2. Зависимость оптимальных значений времени реверберации от объема помещения при частоте 512 Гц: 1 — хоровая и органная музыка; 2 — легкая музыка; 3 — средние значения для музыки; 4 — средние значения для речи.

Время реверберации до сих пор является наиболее важным критерием оценки акустических характеристик помещений. Хотя давно известно, что оно даёт ограниченное представление о свойствах зала.

Ещё одним наиболее значимым параметром является диффузность звукового поля. Диффузным принято считать поле, в котором потоки энергии одинаковы во всех направлениях, а звуковая энергия равномерно распределена по всему объёму помещения.

Известно ещё очень большое количество дополнительных критериев качества помещений. Практически все они являются энергетическими и основаны на оценке энергии импульсного отклика помещения для разных временных интервалов.

Обычные строительные материалы — бетон, кирпич, дерево, штукатурка, стекло — поглощают не более 3% падающего на них звука. Поэтому для получения оптимальных акустических характеристик, прежде всего для снижения чрезмерно высокого времени реверберации,  необходимо применять специальные материалы и конструкции, дающие сильное поглощение.

В практике акустического проектирования инженеры применяют различные пористые и сплошные поглотители. Для достижения требуемой частотной характеристики звукопоглощения, обычно комбинируют конструкции, поглощающие энергию преимущественно на низких, средних и высоких частотах звукового диапазона.