http://tiho.com.ua/index.php?cat=33#acoustic_coat

Коррекция акустики помещений: проблемы и решения

Задачи звукоизоляции и коррекции акустики помещений..

Мероприятия по коррекции акустики помещения направлены на улучшение звучания музыки и разборчивости речи.
Мероприятия по звукоизоляции помещения направлены на предотвращение или снижение проникновения в помещение посторонних звуков.

Звуковая волна, проходя сквозь преграду, частично отражается от неё, частично поглощается, частично преодолевает преграду.
Таким образом, мероприятия по коррекции акустики помещения касаются отражённых волн, а мероприятия по звукоизоляции помещения каксаются волн, проходящих сквозь преграду (ограждающие конструкции помещения).

Малые помещения объёмом до 100 м³ имеют три региона в слышимом спектре диапазона частот, которые требуют внимания.

Шкала удобно делится частотами F₁, F₂ и F₃ на четыре области:

A - область низкочастотных резонансов;
B - область комнатных мод;
C - переходная область, в которой превалируют явления дифракции и диффузии;
D - зона геометрической акустики (зеркальные отражения).

Слуховой диапазон частот

Подходы к коррекции акустики в зонах A, B и C различные, то есть, методы, эффективные для одной из областей не подходят для решения проблем в других зонах. Поэтому коррекция акустики помещения - это комплексная задача, для решения которой применяются одновременно несколько методов.

Отраженные звуковые волны, достигающие органа слуха человека не позднее 1/20 секунды (50 миллисекунд) после звучания основного звука, физиологически воспринимаются как один цельный звук.

Задержка более 1/20 секунды отраженного и основного звука воспринимается как два различных звука: прямой звук и его эхо (послезвучие).

Ранние отражения – отражения основного (прямого) звука от ограждающих конструкций помещения, достигающие точки прослушивания не позднее 1/20 секунды секунды после прямого звука.
Ранние оражения, накладывающиеся на прямой звук, воспринимаются слитно, усиливают прямой звук на 10 дБ (что воспринимается человеком как увеличение громкости звука в 2 раза), и могут изменять тембр звука (эффект предшествования или эффект Хааса - Haas effect).

Усиление прямого звука происходит вследствие наложения (интерференции) взаимосвязанных (когерентных) волн: прямого сигнала и его отражения.
Особенно выражена эта проблема в диапазоне низких частот.

Ранние отражения искажают звуковую сцену в помещении, изменяют ощущение атмосферы, в которой был записан оригинальный сигнал, например атмосферу концертного зала.

Реверберация (эхо или поздние отражения, более 1/20 секунды ) - явление остаточного звучания в помещении после прекращения звучания источника звукового сигнала, происходящее вследствие многократного переотражения звука от пола, потолка, стен а также предметов, находящихся в помещении.

Временем стандартной реверберации является промежуток времени с момента выключения источника основного сигнала до тех пор, когда уровень звукового давления отраженного сигнала в помещении снизится на 60 дБ.
60 дБ – это снижение звукового давления до одной миллионной его первоначального значения.
Длительное время реверберации делает помещение гулким, короткое - сухим (заглушенным).

Оптимальное время реверберации зависит от объёма помещения. Например, для помещений (заллов) больших размеров объёмом около 700 м3 время оптимальное реверберации около 1.1 секунды, а в помещении объёмом около 30000 м3 - 2.3 секунды.

Резонансы помещения (известные так же как гармонические резонансы, комнатные моды или стоячие волны) – возникают при совпадении длины полуволны (или кратной ей) сигнала, отраженного от параллельных плоскостей, и линейных размеров комнаты.

При возбуждении звука в помещении в результате отражений от ограждающих конструкций звуковые волны движуться в любых направлениях. Создается звуковое поле близкое к диффузному (диффузным считается однородное звуковое поле, при котором падение звуковых волн под любым углом равновероятно). При сложении прямой и отражённой волн, движущихся во встречном направлении, образуются стоячие волны. Такие колебания воздуха называют собственными колебаниями (модами) помещения. Моды несут в себе основную часть звуковой энергии, излучаемой в это помещение источником. На поверхностях рассматриваемого ограждения каждая мода образует свою форму рапределения звукового давления, которая характеризуется расположением узловых линий и зон наибольшего давления.

Резонансы свойственны прямоугольным помещениям с тремя парами параллельных поверхностей: две пары параллельных стен, пол и потолок. Резонансы являются результатом неравного распределения звуковой энергиии внутри помещения, зачастую в низкочастотном диапазоне.

По количеству плоскостей, вовлечённых в отражение волн внутри помещения, различают следующие резонансы:

Аксиальные моды состоят из двух волн, проходящих в противоположном направлении вдоль одной оси (лат. axis - ось), отражаясь только от двух плоскостей (паралельные стены или пол и потолок).
Аксиальные моды вносят наибольшее искажение в акустические характеристики помещения.
Так как в каждом прямоугольном помещении есть три оси между параллельными плоскостями, то для таких помещений свойственны три основные аксиальные моды, каждая со своей серией (гармоники) кратных по частоте резонансов.
Гармонические резонансы усиливают звуковое давление на тех частотах, длины волн которых совпадают с длиной оси помещения.
Самая низкая частота резонанса для помещения будет той, длинна волны которой равна двум размерам оси комнаты. Наример, если длинна комнаты L 5 метров, то в соответствии с волновым уравнением (c = f × λ, где длинна волны λ = 2 × L) соостетствующий ей резонанс будет на частоте 34.4 Гц.
Пример расчёта:
, где c - скорость звука в воздухе, L - длина комнаты (оси помещения).
Такой длине оси помещения L будет соответствовать целый ряд гармонических резонансов: 1×f, 2×f, 3×f, 4×f, и так далее, соответствующих частотам, например, 35 Гц, 70 Гц, 140 Гц, и так далее.
Тангенциальные моды формируются отражениями от четырёх плоскостей (например четырьмя стенами), и идут параллельно двум оставшимся плоскостям (в данном случае пол и потолок). Тангенциальные моды обладают только половиной энергии аксиальных мод, но их влияние на акустику помещения может быть существенным. Как и аксиальные волны, каждая тангенциальная волна имеет серию своих мод, кратных по частоте.
Косые моды отражаются от всех шести плоскостей помещения: четыре стены, пол, потолок. Косые моды имеют четверть энергии звуковой волны аксильной моды и менее существенны чем две другие.

Аксиальные тангенциальные и косые моды угасают с различной скоростью. Для эффективного поглощения определённой моды звукопоглощающий материал должен располагаться на поверхности, где модальное давление высоко. Например, ковер на полу никак не повлияет на горизонтальные аксиальные моды.

C ростом частоты сигнала число мод существенно увеличивается, сокращая дистанцию между ними. Поэтому в большинстве помещений на частотах выше 300 Гц резонансный отклик помещения становится глаже.

Эффект гребенчатой фильтрации возникает при наложении на прямой сигнал волн, отраженных от поверхностей в помещении, прибывающих с задержкой. При этом на тех частотах, где отраженный сигнал совпадает с основным по фазе, результирующий сигнал усилится, в противоположном случае - ослабится.

Порхающее эхо (детонация звуковых волн) возникает при многократном отражении звука между двумя параллельными плоскостями. В результате при фазовом и частотном совпадении многих отраженных копий прямого сигнала звуковое давление резко вырастает, что проявляется в виде серии громких хлопков, щелчков или дребезга в зависимости от частоты совпавших волн.

Форма проектируемого помещения. Любой акустический музыкальный инструмент является резонансной системой. Помещение представляет собой пространство, заполненное упругой средой - воздухом, заключённым между ограждающими конструкциями (стены, пол, потолок) и напоминает акустический музыкальный инструмент. Другими словами, меняя параметры помещения, можно влиять на звук в помещении.

Снизить влияние вышеописанных акустических эффектов на звучание в помещении поможет:

избегать построений вогнутых ограждений, фокусирующих отражение звука в определенной точке;
избегать построений параллельных поверхностей (часто музыкальные студии не прямоугольные в плане);
использование звукопоглощающих конструкций, особенно на площадках ранних отражений;
использование рассеивающих конструкций (дифузоров) для рассеивания отражённых волн;

избегать одинаковых или пропорциональных размеров помещения (высота, длинна, ширина), которые вызывают резонансы на одной частоте на двух или более осях помещения.

На рисунке показано распределение резонансов в помещении с осями, пропорциональными 5 метрам:
высота 5 м, ширина 10 м, длинна 15 м.
Частота резонанса 70 Гц.
Тёмные области соответствуют зонам увеличения звукового давления, белые - зоны неизменённого звукового давления.

Чем выше отражающая способность поверхностей (ламинат на полу, отсуствие звукопоглощающих конструкций на стенах и потолке) тем больше разница повышенного и неизменённого звукового давления.

Распределение резонансов в помещениях прямоугольной и не прямоугольной формы со стерео сигналом.

В комнатах не прямогугольной формы проблемы резонансов на низких частотах не исчезают, изменяется лишь частоты, которые сложнее рассчитать.

Однако стены, скошенные на 1:10 или даже на 1:20 помогут избавится от порхающего эха (flutter effects), хотя эту проблему ещё проще решить размещением звукопоглощающих материалов на небольших площадях между параллельными стенами.

Звукопоглощающие конструкции и покрытия.

В физической основе звукопоглощения лежат три основных процесса, результатом которых является перевод звуковой (кинетической) энергии в тепловую.

В пористых звукопоглотителях колебания воздуха замедляются порами или волокнами материала. В результате трения волокон друг о друга производится тепло. К ним относится некоторые виды текстиля, пеноматериалов, ковров, а так же акустическая минеральная вата.
К пористым относится также акустичекий поролон, например Мапписил (Mappysil), входящий в группу краевых звукопоглощающих материалов, считается высокоэффективным на средних и высоких частотах.
Резонаторы Гельмгольца.