В состав Акустического расчета входит:
Определяем тип помещения согласно его целевому предназначению, в зависимости от его предназначения могут меняться условия и допуски нормирования данного помещения, например:
К примеру, помещение залов используется как место проведения разнообразных мероприятий, главными из которых являются речевые и музыкальные программы, а также мероприятия с использованием средств звукоусиления; презентации; образовательные мероприятия и лекции; конференции, съезды, форумы и иные форматы деловых мероприятий; торжественные мероприятия и выступления, церемонии награждения; эстрадные концерты; театральные постановки; корпоративные праздничные мероприятия. Таким образом мы видим, что зал ориентирован на речевые и музыкальные программы с применением системы звукоусиления или в режиме естественной акустики. Первостепенная задача подготовить данный зал к режиму естественной акустики.
Общие качественные характеристики, предъявляемые к любому типу помещений согласно его предназначению, это создание акустических условий для хорошей разборчивости речи и субъективно ясным восприятием музыки и речи в полном звуковом диапазоне. Также основным критерием может выступать достижение нейтральности и линейности характеристик помещения, а в больших и гулких помещениях это подавление низкочастотной доминантности и акцентированности низкочастотного диапазона наряду с повышением диффузионной способности в общем объеме.
Для анализа помещения производится оценка его архитектурно планировочных решений. Существуют базовые принципы, определяющие оптимальный баланс размерности помещения, его геометрии. Для оптимального выбора основных габаритов зала и для увеличения диффузности звукового поля основные размеры и пропорции зала должны отвечать следующим требованиям:
Где:
При акустическом расчете помещения следует избегать плоскопараллельных или криволинейных (вогнутых) поверхностей большой площади. Наличие широко разнесенных членений параллельных друг другу плоскостей приводит к возникновению "порхающего" эха, а криволинейных, с центром кривизны внутри воздушного объема зала, особенно вблизи зоны прослушивания - к негативным фокусировкам звуковой энергии. Наличие цилиндрических и куполообразных конструкций может привести к возникновению акустического дефекта как эхо и его производных.
Основные геометрические характеристики помещения сопоставляются с рекомендуемыми значениями для залов согласно их предназначению. Таким образом, объемно-планировочное решение является: приемлемым в режиме естественной акустики или не приемлемым и требует корректировки объемно-планировочных решений. В любом случае применения сценария озвучивания слушательской зоны с помощью системы звукоусиления должно осуществляться в нормированном помещении, в противном случае ощутимо значимого эффекта данная итерация не даст.
Исключением из этой практики можно считать помещения архитектурного наследия, храмы и в целом помещения, где невозможна обработка акустическими материалами, корректировка геометрии и изменение внешнего вида – в этом случае решение исключительно за счет продуманной системы звукоусиления, как правило, это множество точек озвучивания на основе акустических систем с узкой дисперсией.
Важный с точки зрения акустики параметр – объем зала, приходящийся на одного зрителя, не должен превышается, это важно по причине пластичности данного фонда звукопоглощения, он меняется в зависимости от степени заполненности зала и существенно влияет на его характеристики.
Звук, в системе - источник с ярко выраженным вектором локализации и потребитель данного звука, статично расположенный по отношению к источнику - любит симметрию, симметрично расположенные отражатели дают одинаково прогнозируемый приход первых отражений в заданные точки наряду с отсутствием разности ходов этих сигналов по сторонам. Это помогает сфокусировать первые отражения за радиусом гулкости и эффективно, равномерно распределить звуковую энергию именно там, где надо. Не симметричное расположение боковых стен, к примеру, и смещения центральной оси в больших помещениях является не благоприятными факторами для естественно акустики в виду вероятности: не обеспечения должной фокусировки первых отражений за радиусом гулкости с разными временными ходами первых отражений по горизонту. Типичный пример такого зала, в плане, представлен ниже.
Акустический расчет проводится исходя из необходимости достижения в зале рекомендованного времени реверберации, обеспечения разборчивости речи, субъективно-ясного восприятия музыки, совпадения зрительного и звукового образов.
Коротко, основные требования к залу можно сформулировать следующим образом:
- Эхо — это процесс, при котором звуковая волна, отражённая от какого-либо препятствия или поверхностей приходит с большим временным запаздыванием по отношению к прямому звуку;
- Порхающее эхо «флаттер» — это процесс многократного отражения звука между двумя параллельными поверхностями;
- Сценическое эхо — это эффект, при котором отражённый звук от задней стены зала приходит к исполнителю находящемуся на сцене с большим запозданием во времени.
- Требования противопожарной безопасности к залам до 300 мест (согласно СП 309.1325800.2017), ограничивающие применение отделочных материалов и конструкций классом - КМ1 или негорючие материалы (НГ), к залам более 300 мест (согласно СП 309.1325800.2017), ограничивающие применение отделочных материалов и конструкций классом - негорючие материалы (НГ).
Рассмотрение и степень детализации остальных энергетических параметров зависят от конкретной задачи и необходимости раскрыть суть происходящих процессов, данный расклад может разнится от решения к решению даже в рамках одного акустического расчета, например при замене материалов согласно противопожарным нормам – как показывает практика, такое происходит по инициативе заказчика путем изменения вместительности зала в ту или иную сторону относительно вместимости 300 человек. Суть заключается в поступательном анализе полученных данных с дополнениями в виде подробного анализа его частей требующих разъяснения, а не выборки из шаблонного набора расчетных параметров с неопределенной логикой – расчет должен быть понятным и логичным в доводах и суждениях как заказчику, так и эксперту!
В зале должно обеспечиваться хорошее качество звучания речи и музыки. Выполнение последнего требования связано с достижением высоких архитектурно-акустических параметров зала, а именно: учитывая назначение помещения и его размеры, объем помещения с изменённой геометрией (м³).
Рекомендуемое время реверберации определяется согласно графику ниже.
(1) залы для ораторий и органной музыки;
(2) залы для симфонической музыки и оперных театров;
(3) залы для камерной музыки и музыкально-драматических театров;
(4) залы многоцелевого назначения и драматических театров;
(5) лекционные и конференц-залы, концертные залы современной эстрадной музыки, залы ожидания транспортных сооружений.
Качество зала зависит также от обеспечения правильной локализации звукового образа, совмещения его со зрительным, в помещении не должны присутствовать такие дефекты, как эхо и его производные. Вероятность проявления эха оценивается путем получения эхограмм для речевого и музыкального форматов.
Оптимальные архитектурно-акустических свойства помещения в первую очередь достигаются за счет оптимизации геометрии, последующий подбором и размещением отражающих, звукопоглощающих и звукорассеивающих (диффузорных) конструкций усиливает данный эффект!
Одним из важных параметров акустического качества является распределение первых отражений. Особенно важен данный параметр для восприятия музыки. От исполнителя, находящегося в сценическом пространстве, к слушателю приходит прямой звук и следом звук, отраженный от ближайших поверхностей – потолка и боковых стен. Эти первые отражения при определенных условиях поддерживают и усиливают прямой звук. Для качественного восприятия музыки важен как интервал между прямым звуком и первыми отражениями, так и направление прихода первых отражений. Оценить вклад первых отражений в оценку качества музыкального сигнала можно путем построения акустической компьютерной модели зала и последующего распределения первых отражений в зоне слушательских мест. Наилучшим с точки зрения акустики считается интервал запаздывания первого отражения относительно прямого звука в пределах 15÷35 мс. (в нешироких залах допустимы первые отражения также в интервале менее 15 мс.). Кроме того, важным является присутствие в распределении первых отражений не только боковых отражений от ограждающих конструкций стен, но и отражений приходящих от потолка - в залах где по той или иной причине не представляется возможным обеспечить фокус отражений в горизонтальной плоскости, потолок является единственным возможным вариантом.
Ранние интенсивные звуковые отражения (как правило, это однократные отражения от поверхностей зала на пути звука от источника к слушателям) дополняют прямой звук источника, улучшая слышимость и разборчивость. Но при этом, запаздывание между прямым и отраженным звуком не должно превышать 30 – 35 мс для музыки и 25 мс для речи.
При этом в больших концертных залах ввиду удаленности отражающих поверхностей от некоторых зрительских зон время запаздывания первого отраженного звука оказывается несколько выше рекомендованных. Как правило, запаздывание до 50 мс не является критичным для музыки. Важно, чтобы доля таких зон была невелика. Недопустимо наличие зон, где время запаздывания первых звуковых отражений составляет 80 мс и более.
Для определения структуры ранних отражений от потолка и стен зала производится геометрическое построение лучевой картины распространения звука от источника, расположенного в зоне сценического пространства. Радиус действия прямого звука для речи равен 8-9 м, т.е. на этом расстоянии превышение времени запаздывания отраженного звука над рекомендуемыми значениями несущественно в случае значительной разбалансировки уровней этих сигналов.
Тем не менее, важно направить данные отражения за радиус гулкости и на это есть причины. Мнимый (расчетный в модели) или явный источник звука (люди или акустические системы звукоусиления) в любом помещении представляют собой эквивалент 100% все звуковой энергии в данном помещении, это его максимум, в ходе его работы с увеличением расстояния будут происходить потери звуковой энергии, они неизбежны, это связанно с физикой протекающих процессов в упругой среде. Следовательно, иррациональным подходом является разумное и адресное распределения звуковой энергии для поддержки отдаленных зон за радиусом гулкости, поскольку там фиксируется дефицит данной энергии. Процесс размещения звукопоглощающих материалов в местах критически важных для формирования первых отражений является не корректным, данные приемы должны быть обоснованы и мотивированы, так как при таком подходе мы изначально аккумулируем процесс потери изначального эквивалента в 100%, о котором сказано ранее.
Акустический расчет в обязательном порядке должен подкрепляться анализом структуры первых отражений исключительно в 3D модели, построение проекций в 2D чертежах (планы и разрезы) является не верным подходом, он не отражает реальные габариты рабочей зоны в составе фрагмента данного членения, он как правило несоизмеримо мал в сравни с членением (его проекцией) по причине нахождения источника под углом, так-же точки отражения и точки прихода отражения располагаются по факту на разных высотах, это очень важно понимать!
Одним из важных условий хорошей акустики зала является достаточная диффузность звукового поля. Для повышения диффузности необходимо, чтобы значительная часть внутренних поверхностей зала создавала рассеянное, ненаправленное отражение звука - речь идет о поверхностях не задействованных в формировании структуры первых отражений.
Дополнением к любой формуле для расчета времени реверберации является обязательное условие - наличия диффузного звукового поля и равномерного распределения материалов! Другими словами, в случае отсутствия в проекте мероприятий по улучшению или созданию диффузности в зале, любой акустический проект превращается в набор красивых и разноцветных картинок совершенно не связанных с реальностью - при этом в расчетной части все может смотреться вполне приемлемо, реальная картина в большинстве случаев проявляется по итогу реализации. Вопрос равномерного распределения материалов напротив является относительным, тут главное понимать для каких целей в конкретном месте мы применяем значительный объем тех или иных материалов, например тонкая настройка помещения - работа с модальными проявлениями в конкретно взятом месте или акцентированная борьба с низкочастотным диапазоном в потенциально опасных местах фокусировки данного вида энергии. Во всех остальных случаях равномерное распределение акустических материалов с разными характеристиками работает - как, Правило!
После завершения графического анализа чертежей и создания объемной 3D модели можно приступать к поиску решения оптимизации структуры ранних отражений. Все не занятые для этой цели поверхности должны быть использованы для формирования диффузного звукового поля. Диффузность достигается путем расчленением поверхностей на сегменты с разной геометрией и габаритами для создания рассеянного, ненаправленного отражения звука.
Гладкие большие поверхности не способствуют достижению хорошей диффузности звукового поля. Особенно не желательны гладкие, параллельные друг другу плоскости, вызывающие эффект «порхающего эха», получающегося в результате многократного отражения звука между ними. Расчленение таких стен ослабляет этот эффект и увеличивает диффузность звукового поля.
Рассеивающий эффект увеличивается, если шаг членений нерегулярен, т.е. расстояния между смежными членениями разное по всей расчлененной плоскости. Неровности хорошо рассеивают те волны, длина которых близка к размерам неровностей, т.е. балконы эффективны для низких частот, маленькие детали – для высоких. Строгая периодическая структура неровностей нежелательна, так как дифракция на таких неровностях создает окраску звука.
Но надо учитывать, что пятно одинаковых членений с удалением относительно источника становится меньше из-за удаления и изменения угла преломления (визуальный фронт отражающей поверхности, видимый с расчетной точки), угол атаки также меняется, становится больше – раскрывается подобно вееру. Данная особенность хорошо проявляется на средних частотах и высоких (низкий верх), 2/3 верхнего диапазона (начиная с верхней середины) в виду интенсивного поглощения в воздушной массе теряют значительную часть звуковой энергии и их вклад не существенен на фоне общей картины.
Разборчивость речи в помещении зависит не только от акустического решения интерьера, но и от уровня мешающих шумов.
Достаточно низкий уровень фоновых шумов в помещении является основополагающим условием для обеспечения оптимальных значений в расчетной части.
Основными источниками мешающих фоновых шумов являются, прежде всего, следующие источники:
Для зала, должна быть определена кривая предельных значений NC(Х) - максимально допустимый уровень шума в зависимости от частоты.
В соответствие со Строительными Нормами и Правилами «Защита от шума»
(СП 51. 13330.2011) нормируемыми параметрами являются максимальный уровень шума LАмакс, дБА, эквивалентный уровень шума LАэкв, дБА и уровни звукового давления (эквивалентные уровни звукового давления) L, дБ в следующих октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц: 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000.
В зависимости от целевого назначения помещения формулируются максимально допустимы уровни шумов, например к лекционным залам данное требование соответствует - не более LАэкв = 40 дБА, к многофункциональным залам, тоже самое требование, соответствует - не более LАэкв = 35 дБА.
При подборе инженерного оборудования (систем вентиляции и кондиционирования воздуха, освещения и пр.) для зала необходимо обеспечить нормативные требования по уровню допустимого шума.
Уровень шума в зале определяется работающим инженерным оборудованием (главным образом системами вентиляции и кондиционирования) и проникающими в зал внешними шумами снаружи здания или из соседних помещений. Принимается, что уровень шума от работающего оборудования должен быть на 5 дБ ниже, чем норма на общий уровень шума в зале.
К примеру, шум в лекционном зале от работающей системы вентиляции LAэкв. должен быть менее 35 дБА, а в многофункциональном зале менее 30 дБА.
Звукоизоляция и шумоизоляция является разделом строительной акустики, данный раздел не входит в состав акустического расчета, но тесно связан с ним. Не правильно подобные решения в части строительной акустики способны свести на нет работу мер по акустической коррекции помещения.
В связи с тем, что зал окружают различные помещения, в том числе, помещения общего пользования, к звукоизоляции стен предъявляются специальные требования.
Можно выделить несколько особых зон требующих особого внимания, это ограждающие конструкции и перекрытие, двери, окна аппаратных, входные группы в транзитные и технические зоны.
Допустимые нормы звукоизоляции воздушного шума (Rw) регулируются нормативным документом - СП 51.13330.2011 Защита от шума
Расчет акустических характеристик помещения проводится с помощью компьютерного моделирования в акустическом инженерном калькуляторе EASE 4.4 (мировой промышленный стандарт) с применением технологии трассировки лучей (Ray Tracing) - module AURA3 согласно DIN EN ISO 3382-2 и IEC 60268-16:2003.
Основные размеры, форма и расположение ограничивающих поверхностей дают возможность прогнозировать оптимальные акустические показатели, такие как распределение ранних звуковых отражений и диффузность звукового поля, время реверберации, разборчивость речи, субъективно ясное звучание музыки.
Всем поверхностям акустической модели присваиваются коэффициенты звукопоглощения и отражения в соответствии с предполагаемыми материалами отделки помещения. Основное внимание при выборе материалов и конструкций уделяется необходимости избежать акустических дефектов типа эхо и порхающего эхо, обеспечить диффузное поле.
Каждый акустический расчет уникален и требует творческого подхода, не бывает одинаковых помещений, встречаются очень похожие но все-же разница хоть не очевидная но имеет место быть! Обобщенная логика в механики всех процессов связанных с приведением помещение к акустическому оптимуму можно заключить в следующую логику, рассмотрим на примере многофункционального зала:
Первые полезные отражения поступают в зону зрительских мест от акустического козырька (деки), передней части потолка и последующих каскадов отражателей, отражения сфокусированы и распределены за радиусом гулкости. Очень важный параметр это высота этой конструкции и ее геометрия.
Еще большее значение имеют боковые стены, это связанно с особенностями слухового аппарата человек. Боковые стены в симметричном зале (центральные и припортальные сегменты) также обеспечивают хорошее время прихода первых полезных отражений при условии верных углов раскрытия.
Оптимальная геометрия системы акустических отражателей должна иметь взаимное перекрытие сегментов, в противном случае могут возникнуть зоны провала (тени)!
В не симметричных залах - в структуре первых отражений, может возникать разность ходов боковых отражений – из-за разного развала стен. Этот момент требует серьезной проработки так как расчетная точка в модели как правило располагается на центральной оси (Авант сцена) и анализ может показать не большую разность ходов к примеру 3-5 мс - это приемлемо, НО если произвести расчет от потенциальных мест расположения элементов СЗУ (левый и правый канал) ситуация может оказаться не приемлемой, а после реализации плачевной.
Если боковые стены у сцены конструктивно не представляется возможным развернуть или наклонить, при возникновении такой необходимости, для фокусировки первых отражений (как это делается обычно в залах), из-за несимметричности данного зала или проходных зон, создается ситуация дефицита энергии первых отражений в режиме естественной акустики, а в особых случаях при их параллельности возникает опасность порхающего эха, что в свою очередь может привести к необходимости использовать данный зал преимущественно с системой СЗУ. Система звукоусиления (СЗУ) при этом должна быть достаточно узкодисперсная.
Все поверхности не участвующие в процессе формирования структуры первых отражений по причине, не возможности обеспечить временную норму прихода первых отражений, необходимо задействовать для повышения диффузии звукового поля.
Углы стен в конце зала, потенциальные места концентрации низких частот, угловые примыкания ограждающих конструкций к перекрытиям под углами близким к 90 градусам, глубокие под балконные конструкции, следует выполнять из звукопоглощающих материалов и конструкций резонаторного типа для борьбы с низкочастотным диапазоном.
Список применяемых решений можно продолжать бесконечно - все очень индивидуально, каждый объект уникален и по своему сложен...
RT (Reverberation Time) – время реверберации, с. Эта величина определяет интервал времени, отсчитываемый от момента выключения источника, в течение которого принимаемый микрофоном сигнал уменьшается на 60 дБ. Этот параметр наиболее объективно характеризует физические свойства помещения. Время реверберации является нормируемым и наиболее важным критерием акустического качества помещения.
В ходе исследования акустики помещения обычно исследуются следующие параметры:
- Время затухания ранних отражений EDT;
- Распределение ранних боковых отражений LF;
- Индекс разборчивости STI;
- Коэффициент потери согласных ALCons;
- Индекс речевой ясности (прозрачности) С50
- Индекс музыкальной ясности (прозрачности) С80;
- Оценка образования эха, параметры Echo Speech и Echo Music.
Данный состав параметров является в большинстве случаев исчерпывающим, дополнительные расчеты также могут включаться в состав акустического расчета для более глубокого анализа и проработки отдельных зон.
В качестве излучателя звукового сигнала используется ненаправленный источник звука (додекаэдр или сфера), к примеру в Электроакустическом расчете в роли источника выступает основная система звукоусиления (СЗУ).
Время затухания ранних отражений (EDT - Early Decay Time) - Измеряет время, необходимое для снижения кривой Шредера на первые 10 дБ (от 0 дБ до -10 дБ), а затем экстраполирует время снижения на 60 дБ путем умножения на 6. Показатели EDT в большей степени связаны с субъективным впечатлением времени реверберации, которое слушатель получает в помещении. Расчет как правило производится на следующих частотах: 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.
Особенно важен данный параметр для восприятия музыки. От исполнителя, находящегося на сцене, к слушателю приходит прямой звук и следом звук, отраженный от ближайших поверхностей – потолка и боковых стен. Эти первые отражения при определенных условиях поддерживают и усиливают прямой звук. Для качественного восприятия музыки важен как интервал между прямым звуком и первыми отражениями, так и направление прихода первых отражений. Определить вклад первых отражений в оценку качества музыкального сигнала можно путем построения компьютерной модели зала и последующего расчета времени затухания ранних отражений в зоне слушательских мест. Наилучшим с точки зрения акустики считается интервал запаздывания первого отражения относительно прямого звука в интервале 15÷35 мс. Кроме того, важным является присутствие в распределении первых отражений именно боковых отражений от соответствующих стен, причина кроется в особенностях слухового восприятия человека. Параметр EDT характеризует воспринимаемую реверберацию и является важной характеристикой субъективного восприятия звучания. Время ранней реверберации EDT характеризует субъективное восприятие реверберации.
Параметр распределения ранних боковых отражений LF (Lateral Fraction) - Характеризует пространственное распределение звуковой энергии. Этот параметр характеризует долю энергии, приходящей сбоку (т.е. прямо по направлению к ушным раковинам) на ранних отражениях (за 80 мс), что является важным для субъективного пространственного восприятия звука. Расчет как правило производится на следующих частотах: 500, 1000, 2000, 4000 Гц. Параметр LF измеряется в процентах и определяется по формуле:
Необходимые условия для создания пространственной звуковой картины формируются в
зале, если энергия ранних боковых отражений находится в интервале 10% - 35%.
Коэффициент разборчивости речи STI (Speech Transmission Index) – коэффициент речевой разборчивости. Характеризует разборчивость речи, зависит от уровня фонового шума, времени реверберации и размеров помещения. Разборчивость речи оценивается чаще всего с помощью индекса передачи речи (STI) и основываются на использовании модуляционной переходной функции речи (MTF). Суть метода в том, что реверберация и внешний шум воздействуют на динамику огибающей речевой (модуляционной) функции, приводя к ее сглаживанию, а степень сглаживания тесно связана с разборчивостью речи. Оценки сглаживания огибающей шумового сигнала, близкого по спектру речи производятся в широком диапазоне частот во всех октавных полосах, покрывающих речевой частотный диапазон. Разборчивость речи характеризуется параметром STI, определяемым с помощью компьютерного моделирования для каждого зрительского места.
Так-же оценка разборчивости может проводится по критерию RASTI, регламентированному международным стандартом IEC 60268-19 (1998-03). Критерий STI (SpeechTransmissionIndex - быстрый индекс передачи речи) представляет собой безразмерный коэффициент, который может изменяться от 0 до 1.
При этом его значения соотносятся с субъективной оценкой разборчивости речи следующей стандартизованной зависимостью:
Критерии оценки:
Коэффициент потери согласных ALCons (% Articulation Loss of Consonants) – Данный индекс также, как и STI характеризует разборчивость речи в помещениях. Процент "потерянных" согласных букв дает оценку разборчивости сообщения и обозначается как ALCons. Рекомендуемые оценочные значения ALCons в процентах:
Индекс речевой ясности (прозрачности) С50, используется для определения разборчивости речи. Он показывает соотношение энергии до и после 50 мс; т. е. он аналогичен Alcons с временем разделения 50 мс. Любое значение выше 0 дБ в помещении с нормальной реверберацией означает хорошую разборчивость.
С80 (Clarity) индекс ясности, или прозрачности звука, дБ. Определяется как отношение
энергии прямого звука и ранних отражений (за первые 80 мс) к энергии поздних отражений
(от первых 80 мс до полного затухания сигнала), измеряется в децибелах. На практике
принимает значения от –9 до +12 дБ. Ясность звучания характеризует степень, с которой
отдельные звуки в музыкальном произведении отделяются друг от друга, определяет
качественное восприятие музыки. Индекс ясности характеризует прозрачность звучания
музыки. Энергетические индексы указывают на величину относительной энергии на начальном
участке импульсного отклика помещения.
Субъективная оценка
СП 415.1325800.2018 приложения А