Проектирование и расчёт акустических параметров помещений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

1. Введение

2. Анализ геометрических размеров помещения

3. Планировка помещения

4. Размещение людей

5. Построение лучеграммы

6. Расчет реверберационных характеристик

7. Выбор и расчёт требуемых параметров звукового поля

7.1 Выбор системы звукоусиления (озвучения) и типа громкоговорителей

Заключение

1. Введение

Размеры и форма помещения заметно влияют на его акустические свойства. Неправильный выбор размеров помещения может привести не только к нерациональному использованию его объёма и неудобствам эксплуатационного характера, но и к нарушению равномерности распределения звуковой энергии в нём.

Акустические свойства помещения во многом определяют качество работы систем озвучения и звукоусиления. Система озвучения представляет собой совокупность устройств, предназначенных для воспроизведения звука и обеспечивающих хорошую его слышимость на достаточно большой площади на открытом воздухе или в помещении.

Установки озвучения и звукоусиления могут дать хорошее качество звучания в помещениях с оптимальным временем реверберации. Если время реверберации значительно больше оптимального, качество звучания резко снижается из-за повышенной гулкости, поэтому при озвучении таких помещений желательно произвести акустическую обработку, снижающую время реверберации.

Также следует уделять внимание размещению громкоговорителей в системах озвучения. Должны выполняться некоторые правила. Например, звук должен приходить к слушателям по возможности спереди, между источником звука и слушателем не должны находиться какие-либо экранирующие предметы, приходящий к слушателям прямой звук не должен проходить параллельно звукопоглощающим поверхностям (касательным лучом) и т.д.

При проектировании систем озвучения и звукоусиления следует учитывать звукоизоляцию помещения. Это важно не только потому, что звукоизоляция во многом определяет уровень шумов в помещении, но и потому, что при недостаточной звукоизоляции во время работы установки в соседних помещениях уровень шума может стать недопустимо большим.

 2. Анализ геометрических размеров помещения

Размеры помещения:

длина помещения (м);

ширина помещения (м);

высота помещения (м);

площадь пола (м2);

объём помещения (м3).



3. Планировка помещения

В оперном театре 5 дверей (2 в коридор, 3 задней стене).

Аванс сцена:

высота аванс сцены (м);

ширина аванс сцены (м);

длина аванс сцены (м);

площадь аванс сцены ()

объём аванс сцены (м3).

Проходы:

ширина центрального продольного прохода (м);

ширина поперечного прохода между аванс сценой и первым рядом (м);

ширина центрального поперечного прохода (м);

ширина проходов по краям авансцены (м).

Условия выбора размеров проходов приведены в [1. стр.27].



4. Размещение людей

Места для зрителей:

высота поднятия пола на каждый ряд (м) [1. стр.13];

расстояние между соседними спинками кресел (м);

ширина кресла (м) [1. стр.27].

потеря объёма вследствие поднятия пола (м3).

Количество зрителей:

Sзр= Человек

(количество дверей, умноженное на максимальное количество человек на дверь)

Sзр=

Np = - количество рядов.

свободный объём (м3).

Удельный объём, приходящийся на одного зрителя должен быть не менее 7 м3

[1. стр.8].



Рис 1. План аудитории



5. Построение лучеграммы

Лучеграммой называется геометрическое построение траекторий прямых и отражённых звуковых лучей, приходящих к каждому из слушателей.

При её построении источник звука обычно размещается на середине сцены. При этом считается, что источник звука (рот исполнителя) располагается на высоте 1,6 м от пола. Прямые и отражённые лучи должны попадать на плоскость, проходящую через уши сидящих слушателей, т.е. на высоте 1,2 м от пола.

Для выявления акустических дефектов зала построим луч грамму. От источника звука на авансцене исходит бесконечное число звуковых лучей, которые затем отражаются от потолка и задней стены, остановимся только на основных, характерных лучах. К ним относятся:

1) луч, отраженный от потолка над авансценой и попадающий в первый ряд слушателей. Его время запаздывания относительно прямого луча:

2) луч, отраженный от потолка над слушателями и падающий в последний ряд

3) луч, отраженный от задней стенки и падающий в первый ряд



Где :

скорость распространения звука в воздухе (м/с);

Так как используется как для речевых, так и для литературно-драматических передач, то время запаздывания не должно превышать минимально допустимого времени запаздывания (для речевых передач), т.е. 40 мс [1. стр.11]. Отражённые звуковые лучи, запоздавшие на время более указанного, не могут играть полезной роли, так как они уже не коррелированные с первичным сигналом и создают звуковой фон, затрудняющий восприятие сигнала в тем большей степени, чем выше уровень этого фона.

мс, следовательно, надо обработать верхнюю часть стены и заднюю часть потолка звукопоглощающим материалом.

Для дальнейшего расчета аудитории нам понадобиться

знать значения площадей всех поверхностей зала.

Суммарная поверхность всех отражающих и поглощающих поверхностей помещения:

площадь двери (м2);

площадь окна (м2);

- площадь проходов (незанятого пола)

-площадь экрана на сцене (м2);

-площадь передней стены (м2);

Площадь боковых стен с учетом окон

площадь задней стены с учетом поднятого пола и задней двери (м2);

площадь потолка (м2);

суммарная площадь (м2).



6. Расчет реверберационных характеристик помещения

Размеры и форма помещения довольно сильно влияют на его акустические свойства. Поэтому очень важно сделать правильный выбор размера и формы, а главное акустического оформления используемого помещения. Неправильный выбор может привести к тому, что данное помещение окажется совершенно не пригодным для планируемого использования. Так концертный зал может оказаться слишком заглушенным или же наоборот слишком гулким, в результате будет нарушена разборчивость речи, а исполняемые музыкальные произведения потеряют свою первоначальную насыщенность и красоту звучания.

Основная характеристика помещения -- время реверберации - 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 по звуковому давлению в 103 раз. Это время называют временем стандартной реверберации. В литературе очень часто его называют просто временем реверберации [2]. Время реверберации Т соответствует времени уменьшения начального уровня на 60 дБ.

Время стандартной реверберации определяется выражением:

(6.1)

где V ,- объем зала S, - общая площадь поглощающей поверхности. Эта формула носит название формулы Эйринга, по имени ее автора [2]. Из (2.1) следует, что время стандартной реверберации пропорционально линейным размерам помещения (V/S). Кроме того, в знаменатель (2.1) входит выражение

(6.2)

Величину в формуле Эйринга называют реверберационным коэффициентом поглощения .

Чтобы привести это затухание к поверхности, введен коэффициент затухания , обратно пропорциональный линейным размерам помещения. Таким образом, получается дополнительное поглощение, обусловленное вязкостью и равное, а время стандартной реверберации будет определяться выражением:

(6.3)

Эта формула носит название полной формулы Эйринга [2].

Дополнительное поглощение обычно невелико, с ним приходится считаться только в больших помещениях и притом на частотах выше 1000 Гц. Зависимость показателя поглощения воздуха для различных частот в зависимости от влажности воздуха приведены в литературе [1]. В наших расчетах коэффициент берем для относительной влажности 70%.

Таблица 1 - Зависимость показателя поглощения воздуха для различных частот.

Величина	Значение коэффициента на частотах
	1000	2000	4000	8000
	0.002	0.003	0.008	0.02



Экспериментально установлено, что оптимальная реверберация зависит от объема помещения. По рисунку 3 найдем оптимальное время реверберации для нашей аудитории, объемом . Для частоты 500 Гц оптимальное время реверберации составляет .

аудитории, кинотеатры, залы заседаний;

оперные театры;

концертные залы;

залы с органной музыкой.

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. 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. Поэтому следующим шагом расчета будет определение по заданному оптимальному времени реверберации частотной характеристики времени реверберации. На рисунке 2.8 из методических указаний приведена относительная зависимость оптимальной реверберации от частоты для речевых и музыкальных передач в форме допусков, в которые следует укладываться при реализации времени реверберации в помещении. По данному рисунку для каждой частоты определим максимально допустимое и минимальное время реверберации.

Опред. Вел-на.	Оптимальное время реверберации
	Значение опеределенных величин на частотах f,Гц
f	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
T/T500	0,65	0,75	0,85	1	1	1	1	0,8
Tопт	0,715	0,825	0,935	1,1	1,1	1,1	1,1	0,86
Топт+10%	0,7865	0,9075	1,028	1,21	1,21	1,21	1,21	0,968
Топт-10%	0,643	0,722	0,841	0,99	0,99	0,99	0,99	0,792
?	0,5	0,5	0,52	0,66	1,6	1,8	3	6

По оптимальному времени реверберации определяем требуемый реверберационный коэффициент поглощения. Путем элементарных математических преобразований из выражения(6.3) найдем :

(6.4)

Для каждой частоты вычислим два значения , соответствующие и . Затем, пользуясь выражением (6.2) вычислим средний коэффициент поглощения:

(6.5)

Далее определяем требуемый фонд поглощения:

, , (6.6)

где -общая площадь звукопоглощающей поверхности.

Требуемый фонд поглощения определяем на всех частотах, находим его минимальное и максимальное значение. Результат вычислений сведен в таблицу.



Таблица 6.2 -- Значения среднего коэффициента поглощения и требуемого фонда поглощения ******

Определяемые величины	Значения определяемых величин на частотах, Гц
	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Tопт, с	0,825	0,935	1,1	1,1	1,1	1,1	0,88
бср	0,315	0,284	0,247	0,235	0,229	0,199	0,181
б/ср	0,478	0,334	0,288	0,268	0,26	0,222	0,199
Aтр= бсрSУ, м2	630,6	568,2	494,5	471,03	459,1	398,1	362,2

Основной и дополнительный фонды поглощения

Основной фонд поглощения:

(м2), где - все типы поглотителей в помещении.

Расчёт производится для 70 % заполнения зала зрителями.

число занятых зрителями мест

число свободных мест (кресел).

Расчеты сведем в таблицу 6.3

Таблица 6.3

	Наименование Поглотителя	Тип поглотителя	Si. м^2	Звукопоглощающие в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
				125	250	500	1000	2000	4000
				aS	A	aS	a	aS	a	aS	a	aS	a	aS	a
1	Стены	Штукатурка алебастровая, Гладкая.	733	0.02	0,020	0.022	0,022	0.032	0,032	0.039	0,039	0.039	0,039	0.028	0,028
2	Потолок	Штукатурка гипсовая сухая	726	0.03	0,03	0.025	0,025	0.01	0,01	0.077	0,08	0.049	0,05	0.039	0,04
3	Свободный пол	Паркетный по асфальту	273	0.039	0,04	0.039	0,04	0.068	0,07	0.058	0,06	0.058	0,06	0.068	0,07
4	Окна	Переплеты оконные застекленные	32	0.259	0,3	0.181	0,2	0.139	0,15	0.095	0,10	0.058	0,06	0.039	0,04
5	Двери	Монолитная лакированная древесина	18,7	0.03	0,03	0.02	0,02	0.049	0,05	0.039	0,04	0.039	0,04	0.039	0,04
6	Пол	Проем сцены	66	0.181	0,2	0.259	0,3	0.267	0,3	0.259	0,3	0.259	0,3	0.259	0,3
7	Кресло	Полумягкое (искуст кожа по поролону)	135 Шт.	0.049	0,05	0.086	0,09	0.113	0,12	0.122	0,13	0.139	0,15	0.148	0,16
8	Слушатель	На кресле (мягком полумягком)	315 Чел.	0.221	0,25	0.259	0,30	0.330	0,4	0.362	0,45	0.362	0,45	0.330	0,4
9	Экран На сцене	Экран	50	0.259	0,3	-	-	0.330	0,4	-	-	0.330	0,4	-	-
А0, м^2	157	178	208	268	249	227
Атр, м^2	630	568	494	471	459	362
Атр.доп, м^2	470	390	286	203	210	135
Ф=Атр доп/Атр доп 500	1,64	1,36	1	0,71	0,73	0,427

Дополнительный фонд поглощения:

В Таблице 6.4 приведен расчет дополнительного фонда поглощения

Таблица 6.4

	Тип поглотителя	Место размещения	Si. м^2	Звукопоглощающие в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
				125	250	500	1000	2000	4000
				aS	A	aS	a	aS	a	aS	a	aS	a	aS	a
1	Фанера 4-6мм	Стены Кроме задней	661	0,336	0,41	0,139	0,15	0,113	0,12	0,095	0,1	0,086	0,09	0,058	0,06
2	Фанера 4-6мм	Потолок	626	0,336	0,41	0,139	0,15	0,113	0,12	0,095	0,1	0,086	0,09	0,058	0,06
3	Плиты «Стилит»	Задняя стена	103	0,349	0,43	0,625	0,98	0,628	0,99	0,628	0,99	0,613	0,95	0,58	0,87
4	Плиты ПА/Д	Край потолка	100	0,288	0,34	0,462	0,62	0,405	0,52	0,405	0,52	0,229	0,26	0,139	0,15
Расчетный дополнительный фонд Арасч.доп, м^2	222,1+210,3+36+28,8-14,6-21,8=460	260+65+46,2-16,1-18,1=340	156+68+40,5-23-7,5=234	136+79+40,5-28,5-46,5=180	131+63,1+22,9-28,8-25,5=162	74,6+59+13,9-20,5-28,3=100
Требуемый дополнительный фонд Атр.доп, м^2	470	390	286	203	210	135
dA=Aтр.доп-Арасч.доп	10	50	52	23	48	35
Ф=(dA/Атр.)*100%	1,6%	8.8%	10%	5%	10%	9%

В таблице 6.5 приведен расчет времени реверберации обработанного помещения. В данной таблице полученное нами T расчетное на заданных частотах не должно превышать требуемых значений Топт. Соответственно должна вписывается в значения Топт+/- 10%

Среднегеометрические частоты октавных полос	125	250	500	1000	2000	4000
	303	162	26	88	87	127
	773	552	312	291	297	489
	0,386	0,322	0,222	0,225	0,235	0,244
	0,488	-0,286	0,202	0,254	0,27	-0,28
	-976,7	-645,7	339,1	314,1	320	-560
	-976,7	-645,753	-339,1	-268,3	-267	-436,4
	0,72	0,968	1,2	1,05	1,07	0,997
	9,5	-3	-9	4,5	2,7	9,3

Таблица 6.5

На Графике 6.6 приведены в графическом виде Топт и Трасч. По данному графику наглядно видно, что наше Трасч вписывается в заданные критерии помещения.

График 6.6

Далее, согласно заданию, приведена схема размещения звукопоглощающих материалов на развертке (Рисунок 6.7) .

Рисунок 6.7

7. Выбор и расчёт требуемых параметров звукового поля

Исходя из того, что наша систем предназначена для музыкальных и литературно-драматических передач, система звукоусиления должна иметь оптимальные параметры для качественного усиления речи и воспроизведения музыки. Выбираем параметры из таблицы 7.1 [1. стр.36].

Таблица 7.1 - Требуемые параметры звукового поля

Назначение установки	Lтр, дБ	ДL, дБ	Акустическое отношение
			Rмин	Rмакс
Воспроизведение музыки и театральных эффектов	100	? 6	? 1	8-10
Воспроизведение музыки, подусиление солистов	94-96	? 6	? 1	8-10
Усиление речи, воспроизведение музыки	94-96	? 8	? 1	4-6
Усиление речи	80-86	? 8	? 0,5	4-6

требуемый уровень звукового поля (дБ);

допустимая неравномерность уровня поля прямого звука (дБ);

среднее значение акустического отношения.

Проверим правильность выбора :

Полученные величины лежат в пределах, указанных в таблице 7.1.

Для систем звукоусиления по таблице 7.2 [1. стр.38] выбираем требуемый индекс усиления .



Таблица 7.2 - Значение индекса усиления для различных установок

Назначение установки	Расстояние от источника звука до микрофона lм, м	Оптимальное расстояние от источника звука до слушателя lсл, м	Qмс = 20lg(lм/ lсл)
Усиление речи	0,3-0,5	1,0-1,5	-10--14
Усиление оркестров, хоров, ансамблей	3	12	-12
Подусиление солистов при удалённом (1-2 м) микрофоне	1-2	3,6	-10
То же при близко (0,5-1 м) размещённом микрофоне	0,5-1	3,6	-16

Средний уровень прямого звука:

(дБ).

Минимальный и максимальный допустимые уровни прямого звука:

(дБ);

(дБ).

Уровень диффузного звука:

(дБ).

Акустическая мощность излучателей, необходимая для создания диффузного поля:

основной фонд поглощения на частоте 500 Гц;

(мВт).

Требуемая полная акустическая мощность излучателей:

(мВт).

7.2 Выбор системы звукоусиления (озвучения) и типа громкоговорителей

При небольшой длине озвучиваемой площади (до 25-30 м) предпочтительнее применять сосредоточенную систему, обеспечивающую единство слухового и зрительного образов. Громкоговорители обычно размещают по бокам сцены.

Высота подвеса излучателей должна выбираться такой, чтобы звук к слушателю в последнем ряду приходил бы под углом не менее 50 к плоскости, проходящей через уши сидящих слушателей. Иначе первая половина рядов в значительной степени поглотит энергию звуковой волны.

В любом случае первые и последние ряды слушателей должны попадать в диаграмму направленности в вертикальной плоскости с таким расчётом, чтобы уровень звука везде был не менее чем и не более чем .

Акустические оси излучателей обычно направляют в вертикальной плоскости в последний ряд слушателей.

В горизонтальной плоскости акустическая ось должна направляться с таким расчётом, чтоб крайние места последнего ряда не выпали из диаграммы направленности, и уровень в них был бы не менее , что определяется прикидочным расчётом.

После размещения излучателей относительно слушателей определяется истинное расстояние до дальнего слушателя по акустической оси:



(м);

Требуемое среднее номинальное давление излучателя (давление, развиваемое излучателем на акустической оси на расстоянии 1 м при подведении номинальной электрической мощности):

(Па).

По найденному значению в справочнике выбираем тип излучателя [1. стр.87,88, 3. стр.102]:

Колонка 15КЗ-4;

Па;

;

;

Диаграмма направленности:

;

эксцентриситеты эллипсов;

; ;

Рисунок 7.3 - Диаграмма направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях колонки типа 15K3-4

Далее определим для звуковых колонок требуемый коэффициент

осевой концентрации [1]:

,

где - требуемая акустическая мощность,

- количество излучателей.

Во всем диапазоне частот коэффициент осевой концентрации выбранной нами колонки выше, чем требуемый, следовательно, данная колонка обеспечит необходимую акустическую мощность

Разместив громкоговорители, необходимо направить их акустические оси

так чтобы в зале создавалось звуковое поле, неравномерность, которого

не превышало бы заданного значения .Суммарное

звуковое давление в точке определяется энергетическим суммированием

по формуле:

(6.9)

где и - давления, создаваемые в точке соответственно первым и

вторым громкоговорителем.

Звуковое давление в точке, развиваемое одним громкоговорителем определяется по формуле [1]:

, (6.10)

где - номинальное давление - давление, развиваемое громкоговорителем на акустической оси на расстоянии 1 м от его акустического центра,

при подведении к нему номинальной электрической мощности;

- фактическое расстояние от акустического центра колонки до точки;

- диаграмма направленности звуковой колонки;

-углы между акустической осью и направлением на исследуемую точку зала соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

суммарное звуковое давление в -той точке, создаваемое всеми излучателями (Па).

Полученное суммарное давление в -той точке пересчитывается в уровни:



(дБ).

Nизл.	Определяемая велечина	Значения определяемых велечин в характерных точках
		1	2	3	4	5	6	7	8
1	ri. м	5.2	5.2	10.4	10.4	12.3	12.3	22.7	22.7
	Qг0	29	29	14	14	12	12	6	6
	Rг	0.542	0.542	0.551	0.551	0.787	0.787	0.736	0.736
	Qв0	37	37	17	17	14	14	5	5
	RВ	0.401	0.401	0.401	0.401	0.289	0.289	0.421	0.421
	PI , Па	0.517	0.517	0.156	0.156	0.136	0.136	0.192	0.192
2	ri. м	10.1	6.1	13.5	10.8	15.1	12.7	24.3	22.9
	Qг0	63	41.8	42	21	37	18	22	10
	Rг	0.994	0.543	0.997	0.999	0.691	0.592	0.649	0.521
	Qв0	37	37	17	17	14	14	5	5
	RВ	0.401	0.401	0.401	0.401	0.289	0.289	0.421	0.421
	PII , Па	0.29	0.262	0.218	0.273	0.097	0.199	0.183	0.127
P=	0.593	0.58	0.268	0.314	0.167	0.168	0.13	0.122
Lpi=20LgPсум+94	89.46	89.26	86.7	86.9	85.1	84.9	84.2	83.7
	5.76

Таблица 7.4. Уровень звукового давления в расчетных точках

.

Условия выполняются, это значит, расчёт звукового поля окончен.



Рисунок 7.4 Помещение с системой звукоусиления.



8. Вывод

Рассчитанная мною, аудитория удовлетворяет всем требованием, предъявляемым к подобным помещениям. Благодаря подбору звукопоглотителей удалось добиться оптимального звучания различных художественных произведений. Грамотно подобранная система озвучения позволила получить нужный уровень и заданную равномерность звука, при солидном запасе выходной мощности, что позволит звукорежиссеру применять различные звуковые эффекты.

К недостаткам спроектированной аудитории можно отнести сравнительно небольшое количество вмещаемых зрителей.



Список литературы

акустический помещение реверберационный звуковой

1. Г. П. Катунин, О. А. Лапаев. Проектирование и расчёт акустических параметров помещений. Учебное пособие. 2000 г.

2. В. М. Рудник, С. Г. Муравьёва, Н. Б. Айзенберг, Е. С. Тумаркина. Звукопоглощающие материалы и конструкции. Справочник. М.: «Связь». 1970 г.

3. Л.З. Папернов, Н. Т. Молодая, Ч. М. Метер. Расчёт и проектирование систем озвучения и звукоусиления в закрытых помещениях. М.: «Связь». 1970 г.

Размещено на Allbest.ru