4.1. Основные характеристики помещений и студий. Время реверберации

Студия — это помещение, специально предназначенное для исполнения речевых и музыкальных программ. Радиовещательной или телевизионной называется студия, кото­рая используется для создания программ радио или телевидения. На киностудиях эти помещения называются тонателье, в кинокомп­лексах телецентров — студиями озвучивания фильмов.

В случае использования статистической теории реверберации пользуются следующими понятиями и величинами: диффузное поле, средняя длина свободного пробега L, среднее время свободного пробега t_ср, средний коэффи­циент поглощения а_ср, время реверберации Т, время запаздывания первых (ранних) отраже­ний t₃, четкость и прозрачность, акустиче­ское отношение R, радиус гулкости rгул.

Диффузное поле — это поле, в котором энергия отраженных звуковых волн преобла­дает над энергией прямого звука. Отраженные звуковые волны движутся в помещении в раз­личных направлениях. Если отзвук затухает не слишком быстро, то в любой точке помеще­ния число налагающихся друг на друга волн с различными направлениями волнового век­тора может быть достаточно большим для того, чтобы средние значения потока звуковой энер­гии по различным направлениям мало отлича­лись друг от друга. Это свойство поля — ра­венство средних потоков энергии по различным направлениям — называется изотропией. Изотропия поля способствует равномер­ному распределению звуковой энергии по объ­ему помещения, т. е. равенству средних зна­чений плотности энергии в различных точках помещения. Это свойство носит название одно­родности поля. Таким образом, диффузное поле — это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям.

Средняя длина свободного пробега lcp опре­деляется как среднеарифметическое значе­ние длин отрезков между отражающими по­верхностями, которые проходят звуковые вол­ны:

(4.1)

(4.2)

Среднее время свободного пробега определя­ется как отношение средней длины свободного пробега к скорости звука:

(4.3)

Средний коэффициент поглощения. При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энер­гии сигнала Е. В зависимости от свойств от­дельных участков отражающих поверхно­стей относительная убыль энергии ∆Е/Е при каждом отдельном отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем значении коэффици­ента поглощения

(4.4)

Если помещение состоит из i участков пло­щадью Si с различными коэффициентами поглощения ai, то средний коэффициент по­глощения

(4.5)

Для получения требуемых акустических характеристик помещений проводят их спе­циальную акустическую обработку.

Реверберация. Представление о диффуз­ном звуковом поле в помещениях и связанное с ним представление о возможности использо­вания статистических величин t_ср и а_ср дают возможность построить простую теорию неста­ционарных акустических процессов в помеще­ниях—быстрого нарастания звуковой энер­гии Е после включения источника звука и постепенного ее снижения после выключе­ния источника. Последний процесс (умень­шение энергии за счет ее поглощения) и пред­ставляет собой явление реверберации.

Реверберация. Представление о диффуз­ном звуковом поле в помещениях и связанное с ним представление о возможности использо­вания статистических величин t_ср и а_ср дают возможность построить простую теорию неста­ционарных акустических процессов в помеще­ниях—быстрого нарастания звуковой энер­гии Е после включения источника звука и постепенного ее снижения после выключе­ния источника. Последний процесс (умень­шение энергии за счет ее поглощения) и пред­ставляет собой явление реверберации.

Временем реверберации это такой интервал времени , в течение которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ.

В волновой теории, разработанной Морзом. Болтом, Дрейзеном и другими, помещение рассматривается как объемный резонатор с множеством собственных (резонансных) частот. Акустические процессы в нем рассматриваются как возбуждение собственных колебаний, их установление и постепенный спад после выключения источника возбуждения. Для прямоугольного параллелепипеда с линейными размерами l, b, h собственные частоты определяются выражением

, (4.6)

где C_O – скорость звука в воздухе, k, m, n – любые целые числа.

С позиций волновой теории объясняют различные акустические недостатки помещений: заметное изменение тембра звука в небольших помещениях, неприятное подчеркивание некоторых частотных составляющих, явление "порхающего эха", неудовлетворительное звучание в помещениях, пропорции которого сильно отличаются от "золотого сечения" – кубической формы или сильно вытянутого в одном направлении, с вогнутыми поверхностями и т.д.

По-видимому, на основе волновой теории можно определить время реверберации на каждой из резонансных частот помещения, если известны добротность помещения-резонатора или коэффициенты поглощения материалов на этих частотах, хотя в существующей литературе таких расчетных формул не имеется.

Старейшей теорией, объясняющей акустические процессы в помещениях, является лучевой. Движение звуковых волн в помещении рассматривается на положении геометрической оптики: угол отражения равен углу падения (рис. 4.1). Положения лучевой теории применимы, если линейные размеры помещения много больше длины волны. Для оценки применимости пользуются соотношением .

Рис. 4.1. Движение звуковых волн в помещении

В этом случае можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот, и анализ временной структуры поля вести, пользуясь достижениями лучевой теории. С помощью графических построения, натурного моделирования или моделирования с помощью ЭВМ определяют наивыгоднейшие форму и размеры помещения. При этом профилю помещения и его плану придает такую форму, чтобы направить звуковые волны от источника звука на слушательские места, а временные задержи, обусловленные начальными отражениями первыми, вторыми, третьими и т.д. оптимизировать, чтобы получать наилучшее восприятие. Рекомендуемые значения этих задержек для речи и музыки приведены ниже. (таблица 4.1)

Таблица 4.1. Рекомендуемые значения задержек для речи и музыки

Методы лучевой теории просты и наглядны, а получаемые результаты весьма важны для практических целей, главным образом, для проектирования концертных и театральных задов.

Статистическая теория разработана на протяжении 20 века в трудах У.Сэбина, Ф.Эйринга, а также их последователей Букингема, Егера, Кнудсена. В ней оперируют неограниченным числом отражений, происходящих при движении волн по множеству путей, но пренебрегают прямым путем. Введены статистические параметры: средняя статистическая длина пробега между двумя отражениями и средняя статистическая задержка сигнала на этом пути . Суммируя эти задержки за время, за которое плотность звуковой энергии уменьшится в 10⁶ раз, определяют важнейший числовой акустический параметр поглощения - время реверберации T. Получающееся расчетное значение T тем ближе к истинному, чем медленнее спадает звуковая энергия, т.е. чем меньше и чем ближе соотношение размеров помещения к "золотому сечению": .

Формула для расчета T, полученная Сэбином экспериментальным путем, а затем подтвержденная теоретическим выводом, имеет вид

, (4.7)

где V - объем помещения, S - площадь всех преград, – средний коэффициент поглощения.

Формула Сэбина дает практически приемлемую точность 10-15%, если не превышает 0,2-0,25.

Формула Эйринга (4.8) справедлива при любых значениях . Сравнивая формулы Сэбина и Эйринга, приходим к выводу, что приближение Сабина дает завышенное значение T. Ошибка увеличивается с возрастанием (таблица 4.2)

(4.8)

Таблица 4.2. Завышение времени реверберации в зависимости от (формула Сэбина)

При получается парадоксальней результат: , хотя в этом случае должно быть .

Формулы Сэбина и Эйринга дают приемлемую точность, если звукопоглощающие материалы распределены по ограждающим помещение поверхностям достаточно равномерно, чтобы можно было пользоваться понятием среднего коэффициента поглощения

, (4.9)

причем – коэффициенты поглощения различных материалов, a – общая площадь преград.

При очень неравномерном распределении материалов эти формулы дают совершенно ошибочный результат. Для повышения точности расчетов Миллингтон предложил поправку к формуле Эйринга. С ее учетом формула приобрела вид

, (4.10)

где - площади материалов с коэффициентами поглощения .

В больших залах, особенно сильно заглушенных, для оценки акустического качества зала важнее изучать распределение во времени прихода прямых волн и начальных отражений. Выводы статистической теории не применимы и для оценки небольших помещений, линейные размеры которых соизмеримы с длиной волны или меньше ее, и с большим .

Время реверберации является важным, но не единственным критерием акустического качества помещения. Оно характеризует акустические свойства помещения в целом, но слуховая оценка звучания на отдельных слушательских местах будет различной ввиду разного соотношения плотностей звуковой энергии прямого и диффузного звука и . Акустическое отношение . Изменение акустического отношения воспринимается слушателем как изменение времени реверберации. При восприятии музыки R изменяется в пределах от 6-8 (симфоническая музыка) до 10-12 (органная музыка), для четкого восприятия речи желательно R<1.

В этом понятии учтена не только энергия диффузного звука, но и энергия прямого звука, приходящие в точку приема. Значение T_З существенно зависит от расстояния между источником и приемником звука r. При малом r оно значительно меньше T. Микрофон, обладающий направленными свойствами, воспринимает меньшую долю диффузной энергии, чем ненаправленный. Поэтому применение направленного микрофона уменьшает T_З. Для расчета T_З используют различные формулы, одна из них приведена ниже:

, (4.11)

где T - время стандартной реверберации, R - акустическое отношение, - коэффициент направленности микрофона. Для ненаправленного микрофона , для микрофона с косинусоидальной и кардиоидой диаграмами направленности .