Akustika prostorija.pdf

Висока школа електротехнике и рачунарстваструковних студија, Беград

АКУСТИКА ПРОСТОРИЈА 2.Поглавље Професор:Др Радмила Вукић

ROYAL ROYAL FESTIVAL FESTIVAL HALL, HALL, LONDON LONDON

Електроакустика 2009.

САДРЖАЈ Апсорпција просторије Време реверберације Интензитет звука у просторији Апсорбери звука Геометрија просторија Прорачун времена реверберације Мерење коефицијента апсорпције

2


Aкустика просторија

У просторијама треба остварити услове за природно, квалитетно и угодно слушање звука Слободни простор:

У звучном пољу постоји само 1 талас који се шири од звучног извора - ДИРЕКТНИ ТАЛАС

Затворени простор

У свакој тачки у просторији звучно поље је резултат суперпозиције великог броја таласа. Прво стиже до неке тачке у простору ДИРЕКТНИ ТАЛАС, јер се најкраћим путем простире од звучног извора до тачке пријема звука. Сви остали таласи су резултат ВИШЕСТРУКИХ РЕФЛЕКСИЈА од зидова и препрека у просторији Интензитет таласа слаби при свакој рефлексији. Чујности звука у свим тачкама просторије значајно доприноси рефлектовани звук (значај првих рефлексија) 3



У затвореном простору поред директног таласа постоје бројне рефлексије, који се у енергетском смислу сабирају са директним таласом, тако да се углавном формира звучно поље које је:

хомогено (ниво звука у свим тачкама ~ исти) - важно за подједнак квалитет перцепције дифузно (рефлексије подједнаке из свих праваца) стационарно (када се изједначе енергије извора звука и утрошене енергије на апсорпцију и губитке у ваздуху просторије)

4



Промене (снаге извора Pа, интензитета J и нивоа звука L) у звучном пољу у просторији су дате на слици.

Извор звука се укључи и емитује енергију У почетку се енергија повећава, али се повећавају и губици (услед апсорпције и дисипације) У једном тренутку се изједначавају губици са енергијом коју емитује извор и наступа стационарно стање То траје до момента искључења извора када енергија опада постепено све док зидови не апсорбују сву акустичку енергију

Опадање Ј је по експоненцијалном закону а L по линеарном 5


Апсорпција просторије

Карактеристика сваке просторије је апсорпција звука у њој и зове се апсорпција - А

При свакој рефлексији део акустичке енергије се апсорбује, а део се враћа у салу.

Апсорпција А је производ коефицијента апсорпције материјала нанетог на површину α и саме површине S А=α·S, где је [A]=m2 (α=1 - “отворен прозор”) У просторији имамо разне материјале на граничним површинама, па је укупна апсорпција празне сале (А0): A0 =

n

∑

i =1

Ai =

n

∑α i =1

i

S i = α 1 S 1 + α 2 S 2 + α 3 S 3 + ...

где су αi и Si одговарајуће вредности коефицијента апсорпције и дате површине

Средњи коефицијент апсорпције просторије αsr је: α

sr

= α

=

A0 S

6 где је S укупна површина просторије


Апсорпција просторије

У присуству људи у просторији, апсорпција просторије се повећава, па је: Аu=A0+nAč, где је n број људи у просторији, а експериментално је добијена апсорпција једног човека на средњим фреквенцијама: Ač=0,5m2.

Практично, у салама где су сва места попуњена, апсорпција је знатно већа него у празној сали, па није свеједно да ли у сали са 1000 места присуствује 100 људи, или су све столице попуњене. Овај проблем се доста добро решава са богато тапецираним столицама (имају готово исту апсорпцију као и у случају да у њима седи човек).

Нпр.,за акустичка мерења се користе “глуве собе” (антисонорне собе)- нема рефлексије, све се упија α=99%

7


Време реверберације

Када се звучни извор искључи, настаје период ишчезавања звука који је различит за сваку просторију, а зависи од њеног времена реверберације Време реверберације је оно време које је потребно да интензитет звука J у просторији опадне на свој милионити део. Ако се промена интензитета звука изрази преко логаритамске јединице dB (децибел), онда говоримо о промени нивоа интензитета, а време реверберације одговара смањењу нивоа за 60 dB.

ΔL = 10 log J1 / J2, где је ΔL = [ dB] J1 – интензитет звука у тренутку престанка рада звучног извора, а J2 – инзензитет звука смањен 10-6 puta 8



Амерички физичар Сабин је експериментално дао образац за време реверберације: k ⋅ V 0,161⋅ V САБИНОВ ОБРАЗАЦ: Tr [s ] = = A A k – const. = 0.161 s/m,

Сабинов образац важи када су:

V – запремина просторије [m3 ], A – укупна асорпција звука у просторији [m2 ] димензије просторије релативно велике у односу на таласну дужину λ звука када у просторији влада хомогено звучно поље када је αsr ≤ 0.3

Сабинов образац не важи за просторије мале запремине (телефонска говорница, кабина од аутомобила) Највеће је Tr празне просторије, иначе са публиком је: 0 ,161 ⋅ V Tr = A 0 + nA č

9



ОПТИМАЛНО време реверберације је оно које гарантује најпогодније акустичке услове У табели су дате оптималне вредности при средњим фреквенцијама на око 1000Hz . Разумљивост говора је смањена при већем времену реверберације просторије, a то је важно за говорна студија.

Врста просторије

Оптимално време Тr[s] за пуне сале

Говорни студио (најпригушенији)

0,2-0,4

Слушаонице, сале за конференције

0,7-0,9

Позоришта

0,9-1,0

Биоскопи

1,0-1,1

Опере, мјузикли

1,2-1,4

Концертне сале

1,7-2,0

Цркве

3,0-4,0

10



Избор времена реверберације Tr просторије зависи од : Намене просторије

Запремине просторије

у пракси 1/3 апсорпције у сали припада граничним површинама а 2/3 апсорпције су фотеље и публика за драмска позоришта запремина је 4-5 m3/гледаоцу - за концертне сале запремина је 7-9m3/ гледаоцу

Фреквенције звука

да ли је битна разумљивост говора или је намењено снимању музике где може већа реверберација

Пожељно да на нижим фреквенцијама буде Tr веће (нарочито за музику ради пуноће звука) На вишим фреквенцијама ће доћи до смањења Tr, јер је слабљење звука повећано

На слици је дато пожељно време реверберације у функцији фреквенција (Тopt je оптимално време на 1000Hz) 11



Фреквенцијска зависност времена реверберације која се у пракси сматра пожељном (шрафирани делови)

12



За веома велике просторије (преко 50 000 m3) ДОПУЊЕН САБИНОВ ОБРАЗАЦ: Tr =

где је m коефицијент слабљења у ваздуху

Вештачко време реверберације

0 ,16 ⋅ V A + 4 ⋅ m ⋅V

користи се при обради већ направљеног снимка. повећањем Tr се остварује пуноћа звука. Постоје АНАЛОГНИ и ДИГИТАЛНИ ревербератори

За потребе акустичких мерења (мерења А и Тr ) користе се реверберационе просторије (“јечне собе”) у којима је Тr неколико секунди.

То су собе где је дифузно звучно поље остварено са зидовима никад паралелно постављеним, обложеним керамиком, са више стубова унутар просторије, величине око 200m3. 13


Интензитет звука у просторији

Уколико у просторији зрачи извор Pа = const., успоставља се стационарно стање. Тада је просечни интензитет звука:

⎡ W ⎤ 4 ⋅ Pa J⎢ 2 ⎥ = A ⎣m ⎦

Ако се уместо А уврсти Сабинов образац, добије се:

4⋅Pa ⋅T 25⋅Pa ⋅T J= = V 0,16⋅V

Овде Ј зависи од времена реверберације Т и запремине V, па је израз за Ј једноставан за прорачун и мерење. Звучни притисак р се сада можемо израчунати пошто је: онда је: 2 p ρ ⋅ c ⋅ Pa J= p[Pa] = 2 ρ ⋅c

A

14


Интензитет звука у просторији

Укупан интензитет je збир директног и рефлектовано звука

Однос директан – рефлектован звук се мења у просторији при удаљавању од звучног извора:

Ј=ЈD+ЈR

близу извора звука доминира директни звук даље од извора звука доминира рефлектовани звук

За праксу треба знати на ком растојању ова 2 звука постају исти.

На основу овог растојања ( rgranično ili rg ) постављају се микрофони у сали за снимање звука. изједначење Ј директног и Ј стационарног интензитета, добије се:

J=

Pa 4 Pa = 2 A 4π ⋅ rg

rg [m ] =

A 50

rg је полупречник замишљеног круга у коме доминира директни 15 звук


Апсорбери звука

Да би се у просторији обезбедили одговарајући акустички услови, потребно је обрадити подове, таванице и зидове на одговарајући начин. Време реверберације мора бити одговарајуће (према f и намени просторије)

Избором материјала и конструкцијом се постиже хомогено и дифузно звучно поље (добри услови за слушање)

Постоје материјали који појачано упијају поједине опсеге фреквенција - зову се АПСОРБЕРИ ЗВУКА, деле се:

МЕХАНИЧКИ РЕЗОНАТОРИ– ниске f (до 300, 400 Hz ) АКУСТИЧКИ РЕЗОНАТОРИ– средње f (400 – 4000, 5000 Hz) ПОРОЗНИ МАТЕРИЈАЛИ– високе f (> 5000 Hz) њихово α > 0.7 а што је вредност α ближа 1, апсорбери су бољи (феномен “отворени прозор” α=1 само у том случају) 16


Механички резонатори

То су чврсте, еластичне плоче од најчешће дрвета, али и метала, стакла и пластике. Примери:

Позоришта, концертне сале – дрвене танке плоче на аеродрому – металне и стаклене плоче

Када звучни талас побуди плочу (масе ms) и када дође до осциловања, акустичка енергија се претвара у механичку и брзо и ефикасно се троши Зато су механички резонатори добри апсорбери на резонантним фреквенцијама плоче

[

]

600 f 0 [Hz ] = , ms = 10 − 20 kg m 2 , b = 5 − 20cm ms ⋅ b

17


Механички резонатори

Ако је потребно проширити опсег фреквенција резонатора:

у комору се убацује и апсорпциони материјал (минерална вуна), или се поставља неколико типова механичких резонатора уз варирање ms и b

Карактеристике за 2 типа:

са апсорпционим материјалом(1) само са ваздухом (2)

18


Акустички резонатори

Користе се да појачано апсорбују средње фреквенције (400– 4000, 5000 Hz) То су перфориране плоче са већим или мањим бројем кружних или четвртастих отвора pp Фреквенција резонанције: f [Hz ] ≅ 550 0

b ⋅l

pp– проценат перфорације [ % ]-однос површине отвора према површини плоче b – растојање плоче од зида [cm] l – дебљина плоче [cm] Фреквенцијски опсег ових резонатора је доста узак па се комбинује више типова Користе се много код говорних студија, слушаоница, позоришта Пример: pp = 15 %, l = 4 – 5 mm, b = 10 cm: f0 ≈ 1000 Hz Смањењем перфорације, а повећањем b и l могуће је добити резонаторе од 500 до 800 Hz, што је повољно

19


Порозни материјали

Користе се за појачану апсорпцију високих учестаности (преко 5000 Hz ) У порозне материјале спадају сви влакнасти материјали (минерална вуна, тканине, вата).

Између влакана постоји ваздух или неко везивно средство Звучно поље продире у ваздух између влакана и његова енергија се претвара у топлоту услед трења.

Лака минерална вуна 98% ЗАПРЕМИНА ВАЗДУХА ПОРОЗНОСТ= Лаки лесонит 80% УКУПНА ЗАПРЕМИНА Опека неколико %

порозни материјал треба да је одвојен од зида, а његова дебљина да је бар 3-6 cm (минерална вуна) λ високих фреквенција је релативно мали

Апсорбере треба распореди по целој сали ради остварења хомогеног звучног поља и фреквенцијске зависности

20


Измерене вредности апсорбера

Избор материјала за акустичку обраду врши се на основу апсорпционих особина датог материјала (α).

21


Геометријски облик просторије

Облик просторије је веома важан за стварање добрих акустичких услова. Геометрија просторије је пресудна код позоришта, опере, концертне сале.

Све ГРАНИЧНЕ ПОВРШИНЕ су важне за остварење добрих акустичких услова

Најбољи облик је облик ПОТКОВИЦЕ Са проналаском нових материјала данас се граде и сале ПАРАЛЕЛОПИПЕДНОГ облика, а може се извршити корекција и неодговарајућих облика.

Праћењем појединих таласа (директни, прве рефлексије...) и подешавање њихових интензитета постављањем апсорпционих материјала на рефлексионе површине, постиже се да у свим деловима сале услови слушања буду задовољавајући

ТАВАНИЦА игра главну улогу у стварању КОРИСНИХ РЕФЛЕКСИЈА 22



Добар и лош избор таванице дат је на сликама

КОРИСНИ ЗВУК су све рефлексије које не касне за директним таласом: Више од 50 ms за ГОВОР Више од 80 ms за МУЗИКУ Ово је у вези са чулом слуха јер наше уво интегрише акустичку енергију која се појави у наведеним интервалима

23



Гледалиште значајно утиче на акустичке услове у сали својом израженом апсорпцијом РАСПОРЕД СЕДИШТА и њихов БРОЈ треба подесити тако да не дође до стварања нехомогеног звучног поља У пракси се постављају и АКУСТИЧКИ РЕФЛЕКТОРИ изнад подијума у великим салама

праве се од дрвета или вишеслојних медијапан плоча. Површинска маса мора бити најмање ms= 30kg/m2, тако да не могу вибрирати и постати додатни извор звука ( на ниским f)

Улога рефлектора је да:

усмеравају звучне таласе у ближе и даље делове сале и део звука рефлектују ка извођачима, како би га и они боље чули 24


Мерење времена реверберације

Мери се на 6 фреквенција: 125, 250, 500, 1000, 2000 и 4000Hz При пројектовању сале време реверберације се прорачунава (пример у књизи) Крива се региструје помоћу логаритамскох писача (ниво у dB). Због нивоа шума у сали региструје се пад нивоа од 30dB и вредност помножи са 2. Обично се првих 5dB опадања не користи, јер није карактеристичан ток криве. По правилу се мерења понављају за различите положаје извора и микрофона, па се резултат усредњи.

25


Акустички спрегнуте просторије

Спрегнуте просторије кроз отворе (позоришта, оперске сале спрега између бине и гледалишта) Просторија (бина) са извором звука кроз отвор емитује звук у суседну просторију Бински отвор је површина спреге и степен спреге зависи од површине S12 и апсорпције друге просторије A2 Ако A2< S12 oбе се просторије понашају као једна Ако A2> S12 просторије се понашају као спрегнуте (управо је то често код позоришта)

Опадање звука није више равномерно Јавља се продужење Тr kao на слици 26


Мерење коефицијента апсорпције

Мери се на 6 фреквенција: 125, 250, 500, 1000, 2000 и 4000Hz у реверберационој просторији Коефицијент апсорпције се не израчунава, он се искључиво мери Прво се измери време реверберације празне просторије

0,16V T0 = A0

Затим се унесе апсорпциони материјал и измери поново: 0,16V Tx = A0 + Ax

На основу ова 2 мерења добије се:

Како је

Важи

α x = Ax S x тада је: α x >> α 0

⎛1 1⎞ Ax = 0,16V ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ Tx T0 ⎠

V α x = 0,16 ⋅ Sx

⎛1 1⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ Tx T0 ⎠

27

Akustika prostorija.pdf

Recommend Documents