Учебное пособие: Методические указания к выполнению курсовой расчётно-графической работы по акустике зрительных залов для студентов вечернего факультета

ГОУ ВПО «Московский архитектурный институт

(Государственная Академия)»

Кафедра «Архитектурная физика»

___________________________________________________

Проектирование залов и расчет основных

акустических характеристик зрительных залов:

времени реверберации и разборчивости речи

А.А.Климухин

Е.Г.Киселева

Методические указания

к выполнению

курсовой расчётно-графической работы

по акустике зрительных залов

для студентов вечернего факультета

специальность - архитектура

Москва 2010 г.

УДК 621.426.43.631

Климухин А.А.,Киселева Е.Г. Проектирование залов и расчет основных акустических характеристик зрительных залов:

времени реверберации и разборчивости речи / Методические указания по расчету звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. Для студентов вечернего факультета, специальность – архитектура. М.:2010, 30с

Методические указания составлены на основе действующего документа – СНиП 23-03-2003 “Защита от шума”.

Указания предназначены для выполнения курсовых расчетно-графических работ по разделу “Архитектурная акустика” дисциплины “Архитектурная физика”. Они могут быть использованы также для выполнения соответствующего раздела дипломного архитектурного проекта бакалавра, специалиста или магистра архитектуры.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Архитектурная физика» (протокол № 8 от 17.02.2011).

Под общей редакцией зав. кафедрой, доктора арх.,

проф. Щепеткова Н.И.

Проектирование залов и расчет основных

акустических характеристик зрительных залов:

времени реверберации и разборчивости речи

Теоретические основы

В закрытом помещении после прекращения действия источника звука, слушатель воспринимает прозвучавший музыкальный или речевой сигнал в течение некоторого временного интервала. Это объясняется тем, что уровень звукового давления (у.з.д.), созданный в точке, является интегральной характеристикой энергии прямого звука и энергии отраженных от поверхностей помещения звуковых волн. Процесс спада звуковой энергии называется реверберационным процессом, а само явление реверберацией .

Для количественной оценки реверберации используется понятие - время реверберации , которое не должно зависеть ни oт индивидуального порога слышимости, ни от начального уровня сигнала и которое он определил как время, за которое первоначальная энергия сигнала уменьшится в миллион раз (или снижается на 60 дБ).

Надлежащее время реверберации, характеризующее общую гулкость помещения является одним из важных условий хорошей акустики зала. При этом следует помнить, что для достижения четко определенного времени реверберации требуется достаточная диффузность звука в зале.

Время реверберации является первой и одной из основных характеристик помещений, зависящая от объема помещения и общего звукопоглощения.

Объем зала определяется пропорциями зала. Отношение длины зала l к средней ширине в оптимально: 1,3 1,6;

В таких пределах и отношение ширины зала в к средней высоте h : 1,3 1,6

Выполнение продольного разреза и плана зала.

Залы в плане обычно имеют форму трапеции с углом раскрытия боковых стен 10⁰ -12⁰ .

Прямоугольная форма с горизонтальным потолком допустима только для лекционных залов с вместимостью не более 200 человек.

Время запаздывания первых отражений от потолка (по продольному разрезу) и стен (по плану) проверяется по формуле (1):

t _з = ,(с) (1)

где l _отр = (l _пад + l _от ) длина пути отраженного звука,

l _пад –длина луча падающего на отражающую поверхность от источника звука;

l _от –длина луча отражающегося звука от поверхности до расчетной точки;

l _{пр .} - длина пути прямого звука.

Точки выбираются в начале, в средине и в конце зала, при наличии балкона одна точка берется дополнительно на балконе.

Допустимое время запаздывания для речи 20-25 мс (миллисекунд), для музыки – 30-35 мс.

При построении продольного разреза зала следует учитывать, что подъем пола должен составлять 12-14 см на ряд в партере (шаг рядов минимум 90 см), на балконе подъем 25-30 см на ряд.

Радиус действия прямого звука составляет 8-9 м для речи и 10-12м для музыки. В этой зоне усиление прямого звука с помощью отражений не требуется. В связи с этим в зону радиуса прямого звука не должно попадать ни одного первого отражения. На остальных местах интенсивные первые отражения должны перекрывать всю зону зрительных мест.

В залах с относительно большой высотой и шириной всегда есть опасность прихода первых отражений от потолка и стен с большим запаздыванием в первые ряды зрительных мест. Для исправления этого явления на потолке и стенах в припортальной зоне следует выполнять специальные звукоотражающие конструкции, задача которых направлять отраженный звук в глубину зала (рис.1).

При примыкании задней стены зала к потолку под углом 90⁰ может возникнуть так называемое театральное эхо – отражение звука от потолка и стены в направлении к источнику звука, приходящее с большим запаздыванием. Для устранения этого следует выполнить наклонную часть потолка у задней стены или наклонную заднюю стену зала (рис.2).

Рисунок 1 - Первые отражения от потолка, стен и отражателей

Рисунок 2 - Конструкция потолка или задней стены зала.

Определение рекомендуемого времени реверберации (Т_р )

Большое значение в зале имеет время реверберации. Оптимальные величины времени реверберации в диапазоне 500-1000 Гц для залов различного назначения в зависимости от объема зала приведены на рис.3.

1 – залы для ораторий и органной музыки;

2 – залы для симфонической музыки;

3 – залы для камерной музыки, залы оперных театров;

4 – залы многоцелевого назначения,

5 – лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы, пассажирские залы

Допускается отклонение от оптимальной величины:

- на средних частотах (500-2000 Гц) не более, чем на 10%;

- на низких частотах (125 Гц) допускается увеличение времени реверберации на 20%.

Рисунок 3 – Рекомендуемое время реверберации на средних частотах (500-1000 Гц) для залов различного назначения в зависимости от их объема.

После того, как определено время реверберации на на средних частотах (500-1000 Гц) по рис. 3, необходимо его скорректировать по частотному спектру воспроизводимых в зале сигналов. Здесь могут быть предложены следующие рекомендации:

а) для лекционных аудиторий, конференцзалов рекомендуется не изменять время реверберации на всех частотах, кроме частоты 125 Гц (уменьшить на 15%);

б) залы, в которых исполняемые музыкальные произведения характеризуются быстрыми ритмами и особенно с применением средств электроакустики время реверберации почастотно не изменяется, но его рекомендуется уменьшить на 10-20%;

в) залы, которые используются, как для музыкальных постановок, так и для проведения собраний, спектаклей (многоцелевые залы), должно иметь разное время реверберации на разных частотах: для частоты 2000 Гц берется такое же время реверберации, как и на частоте 500 Гц, а на частоте 125 Гц допускается увеличение на 20%, (процентный состав зависит от годового вклада представлений и концертов с музыкальным исполнением: чем их больше, тем больший процент следует брать).

Расчет времени реверберации

1) Расчет времени реверберации начинается с расчета общей эквивалентной площади звукопоглощения (ЭПЗ).

Общая ЭПЗ на частоте, для которой ведется расчет, находится по формуле (2):

(2)

где — сумма произведений площадей отдельных поверхностей S , м² на их коэффициент звукопоглощения для данной частоты;

- сумма ЭПЗ, м² слушателей и кресел, которая рассчитывается по формуле (3):

(3)

где - 70 % кресел зала заполнены слушателями,

N – общее число кресел в зале;

- 30 % кресел в зале пусты, т.к. в расчете времени реверберации зала, как правило, принимается заполнение слушателями 70% общего количества мест, ЭПЗ остальных мест принимается как для пустых кресел. В залах, для которых наиболее вероятно заполнение слушателями менее 70% мест, следует расчетный процент заполнения соответственно уменьшать.

Чтобы время, реверберации менее зависело от процента заполнения мест, целесообразно оборудовать зал мягкими или полумягкими креслами, обитыми воздухопроницаемой тканью. В залах с жесткими креслами, обладающими незначительным звукопоглощением, время реверберации малозаполненного зала сильно возрастает по сравнению с заполненным;

- коэффициенты звукопоглощения разных материалов и конструкций, а также ЭПЗ слушателей и кресел даны в таблице 4.

Приведенные в таблице значения получены путем измерения реверберационным методом, дающим коэффициент звукопоглощения, усредненный для разнообразных направлений падения звуковых волн. Значения эти взяты в среднем по разным данным с округлением.

— коэффициент добавочного звукопоглощения, учитывающий добавочное звукопоглощение, вызываемое прониканием звуковых волн в различные щели и отверстия, колебаниями разнообразных гибких элементов и т. п. Коэффициент этот учитывает также поглощение звука осветительной арматурой и другим оборудованием зала.

Коэффициент добавочного звукопоглощения залов в среднем может быть принят равным 0,09 на частоте 125 Гц и 0,05 на частотах 500— 2000 Гц. Для залов, в которых сильно выражены условия, вызывающие добавочное звукопоглощение (например, многочисленные щели и отверстия на внутренних поверхностях зала, многочисленные гибкие элементы — гибкие абажуры и панели светильников и т.п.), следует эти значения увеличить примерно на 30%, а в залах, где эти условия выражены слабо, примерно на 30% уменьшить.

После нахождения А_общ подсчитывается — средний коэффициент звукопоглощения внутренней поверхности зала на данной частоте:

(4)

А_общ – эквивалентная площадь звукопоглощения (ЭПЗ), м² ;

– средний коэффициент звукопоглощения (КЗП);

S _общ - площадь всех внутренних поверхностей помещения (стены, потолок, пол, сцена и т.д.), м² ;

2) Расчет времени реверберации.

Для определения времени реверберации, достаточно произвести расчет на трех частотах: 125, 500 и 2000 Гц.

Подсчет времени реверберации ведется по формуле Эйринга (5):

; с (5)

где V – объем зала, м³ ,

S _общ. – суммарная площадь всех ограждающих поверхностей зала, м² ,

- средний коэффициент звукопоглощения в зале,

- функция среднего коэффициента звукопоглощения , значения которой приведены в таблице 2.

n – коэффициент, учитывающий затухание звука в воздухе. В октавных полосах 125-1000 Гц n = 0, в октаве 2000 Гц n = 0,009, в октаве 4000 Гц n = 0,022.

Формула (3) позволяет получить время реверберации, которое будет соответствовать реальному только в том случае, если звуковое поле в помещении можно считать достаточно диффузным. Условиями его обеспечения являются отсутствие заметной разницы в основных размерах помещения (соразмерность помещения), не параллельность стен, равномерное распределение поглотителей и членение значительной части внутренних поверхностей. Если соотношение L: W: H , рекомендованное для соответствующего помещения, выдержано, потолки и стены зала представляют многоэлементную систему, то это еще не является полной гарантией диффузности. Наиболее частой причиной отсутствия диффузости является сплошная звукопоглощающая отделка потолка или двух противоположных стен. При такой отделке звуковые волны распространяющиеся между потолком и полом (или между противоположными стенами), затухают заметно быстрее, чем между двумя противоположными поверхностями и реальное время реверберации оказывается меньше расчетного по формуле Эйринга. Если же потолок поглощающий, а стены сильно отражающие и слабо расчленены, то расчетное время реверберации окажется меньше истинного.

Чтобы процесс затухания звука в вертикальной плоскости (пол – потолок) и в горизонтальной плоскости (противоположные стены) не слишком отличались друг от друга необходимо, чтобы средний коэффициент звукопоглощения - (К.З.П.) этих поверхностей не очень сильно отличались друг от друга, т.е.

; (6)

Подсчитанное по формуле (5) время реверберации даже при выполнении рекомендаций по удельному объему, но при произвольном выборе средств звукопоглощения, не гарантирует того, что реверберационный процесс обеспечивает наилучшие условия восприятия звуковых сигналов. Для этого необходимо скорректировать полученное время реверберации с его оптимальным значением (выполнить условие оптимума реверберации).

Таблица 1

Эквивалентная площадь звукопоглащения для

слушательских кресел_. (м² )

Таблица 2

Коэффициент звукопоглощения материалов и конструкций, эквивалентная площадь поглощения зрителей

Таблица 3

Значения функции – ln (1-) в зависимости от величины среднего коэффициента звукопоглощения в зале

Пример: Для = 0,24 находим по таблице –ln(1-) = 0,27; для = 0,32 по таблице определяем – ln (1-) =0,39.

Проверка разборчивости речи в зале

Результирующий эффект восприятия звука в помещении, с точки зрения его разборчивости, зависит от величины относительного воздействия на слушателя полезной и "бесполезной" частей звуковой энергии. К полезной звуковой энергии относятся энергия прямого звука и первых его полезных отражений (со временем запаздывания до 20 миллисекунд). К "бесполезной" - вся остальная звуковая энергия и "бесполезной" она названа условно, так как фактически она представляет собой реверберирующий фон в помещении.

Для лекционных залов и залов драматических театров разборчивость речи на местах зрителей имеет наиболее важное значение.

Коэффициент разборчивости речи К_р определяется из выражения по формуле (8):

К_р = , (8)

где А – эквивалентная площадь поглощения в зале в диапазоне 500-2000 Гц, м² (берется из таблицы расчета времени реверберации);

- средний коэффициент звукопоглощения;

r ₀ - расстояние между источником звука и рассматриваемой точкой, м;

r ₁ , r ₂ … r_n - длина пути первых отражений от источника звука до рассматриваемой точки, пришедших в течение 20 миллисекунд, (r _{1…. n} = ), м;

a₁ , a₂ , … a_n – коэффициенты звукопоглощения поверхностей от которых пришли первые полезные отражения.

Минимальной величиной К_р считается 0,2, что соответствует 80% артикуляции, т.е. зрители правильно слышат 80% произнесенных звуков.

Таблица 4

Рекомендуемые параметры различных залов

Пример проектирования зрительного зала

Условие: Требуется разработать проект зрительного зала драматического театра на 750 зрительских мест.

Принимаем удельный объем 4,5 м³ /чел, в этих условиях объем зала составит V = 4,5×750 = 3375 м³ .

Принимаем пропорции зала = 1,5; = 1,4, в этом случае ширина зала в =1,4h , l = 1,5в = 2,1h .

Объем зала V = 2,1h × 1,4h × h = 2,94 h ³ ; 3375 = 2,94h ³ ; h ³ = 1147,96; h = 10,47м.

Принимаем высоту зала h = 10,5, при этом ширина зала в = 1,4 h = 1,4 × 10,5 = 14,7 м, длина зала l = 1,5в = 1,5 × 14,7 = 22,05 м.

Корректируем длину зала с учетом того, что по длине зала 2 м занимает авансцена, 1,5 м – проход перед авансценой и 1,2 м проход в центре зала. Принимает шаг рядов 0,9 м, тогда количество рядов составит

n == 19,277. Принимаем 21 ряд, длина зала составит l = 21×0,9 + 2 + 1,5 +1,2 = 23,6 м.

Аналогично корректируем ширину зала, принимая центральный проход 1,3 м и ширину одного кресла 0,5 м.

Количество мест в ряду в среднем составляет =26,8.

Принимаем 26 мест, ширина зала составит 26×0,5 + 1,3 = 14,3. После корректировки объем зала составляет

V = 23,6×14,3×10,5 = 3543,5 м³ .

При этом удельный объем V_уд. = =4,7м³ , что вполне укладывается в норму.

Итак, в партере у нас 21 ряд по 26 мест (в среднем), т.е. в партере размещается 546 человек, на балконе необходимо предусмотреть 204 места.

Строим план нашего зала. Принимаем угол раскрытия боковых стен 10⁰ , тогда расширение зала с каждой стороны составит tg 10⁰ × l = 0,176 × 23,6 = 4,15 м, принимаем 4 м.

В этом случае задняя стена составит 18,3 м, ширина зала у авансцены 10,3 м.

Рисунок 4

Принимаем на балконе 6 рядов, что составит вынос балкона 6 × 0,9 = 5,4 м. Ширина балкона в передней части составит 18,3 – 2 tg 10⁰ × 5,4 = 18,3 – 1,9 = 16,4 м. Средняя ширина балкона = 17,35 м. Принимаем на балконе 2 прохода общей шириной 1,85 м, тогда количество мест в ряду = 31, а всего на балконе разместятся 31× 6 = 186 человек. Всего осталось 204 – 186 = 18 человек, для них выполним 2 балкона по боковым стенам по 9 человек.

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7 – План зала

Рисунок 8 – Разрез зала

Проверка времени запаздывания звука:

мс

Т.1. В первой точке запаздывания звука нет.

Т.2.

по разрезу:

1.

2. - желательно опустить потолок

по плану:

3.

4.

Т.3.

по разрезу:

1.

2.

3.

по плану :

5.

6.

Т.4.

по разрезу:

1.

2.

3.

по плану :

5.

6.

Проводим расчет времени реверберации в табличной форме. Поскольку для студента главное уяснить порядок и принципы расчета, расчет проводим для трех октавных полос 125, 500 и 2000 Гц, опуская октавы 250, 1000 и 4000 Гц.

Определение требуемого времени реверберации

По графику на рис. 3 оптимальное время реверберации при объеме зала 3543 м³ составляет 1,03 секунды.

Скорректируем рекомендуемое время реверберации для частот 125 Гц и 2000 Гц. Для речевых залов рекомендуется не изменять время реверберации на частоте 2000 Гц, а на частоте 125 Гц уменьшить на 15%.

Получаем:

Определение расчетного времени реверберации

Определяем площади составляющих ограждающих конструкций зала S, принимаем коэффициенты звукопоглощения a по таблице 2 и определяем величины эквивалентной площади поглощения отдельных поверхностей А = aS. При этом учитываем, что площадь пола вводится в расчет только свободная от мест зрителей, т.е. только в проходах.

Т.к. оптимальное время реверберации составляет 1,03 секунды, а расчетное 1,3 с, то принимаем решение облицевать нижнюю часть стен деревянными панелями с воздушной полостью:

; с ;

;

Несколько завышено время реверберации в октаве 500 Гц.

Смотрим, нельзя ли сократить высоту зала. Подъем пола зала относительно центра, это 10 рядов с подъемом 14 см на ряд, т.е. всего 1,4 м, высоту до низа балкона принимаем 2,2 м, балкон занимает по высоте 2,5 м, в конце балкона высота 2,2 м и наклонный потолок еще 1 м. Итого в сумме это составляет 9,3 м, таким образом, мы можем опустить потолок на 1,2 м. В этом случае объем зала составит 23,6 × 14,3 × 9,3 = 3138,56 м³ , а время реверберации в октаве 500 Гц составит = 1,1 с, что вполне допустимо.

Проверка разборчивости речи:

К_р =

Т.1.

К_{р 125 Гц} =

К_{р 500 Гц} =

К_{р 2000 Гц} =

Т.2.

К_{р 125 Гц} = =0,37

К_{р 500 Гц} ==0,41

К_{р 2000 Гц} ==0,5

Т.3.

К_{р 125 Гц} ==0,22

К_{р 500 Гц} ==0,29

К_{р 2000 Гц} ==0,34

Во всех точках рассчитанный > 0,20, следовательно разборчивость речи во всех слушательских местах будет удовлетворительная.