Акустическая среда (окружение). Акустическая среда

Мы обеспокоены влиянием акустической среды на звук. Нам нужно знать влияние конкретной акустической среды на не усиленного говорящего или музыканта, на звуковую систему, если она установлена, и на нежелательные звуки (шум), которые могут присутствовать в одной и той же среде.

Наружная среда часто может быть «свободным полем». «Звуковое поле называется свободным полем, если оно однородно, свободно от границ и не подвергается воздействию других источников звука. На практике это поле, где влияния границ в интересующей области незначительны». (Из руководства по GenRad для их точных микрофонов.)

«Свободное от границ» - вот главный смысл этой фразы. Любой, кто разрабатывал звуковую систему на футбольном стадионе, реплику греческого театра или крупный стадион для автогонок, знает из первых рук о первичном влиянии границы.

Мы также должны учитывать:

1. Изменение уровня по закону обратного квадрата.

2. Избыточное затухание по частоте из-за влажности и связанных факторов.

Другие факторы, которые могут существенно влиять на звук на открытом воздухе, включают:

3. Отражение и дифракция вокруг твердых объектов.

4. Преломление и формирование теней по ветру, изменения температуры и ветра.

5. Отражение и поглощение самой поверхностью земли.

Исследования, проведенные в последние годы, значительно улучшили знания о атмосферном поглощении из исходной базы, заложенной Кнезером, Кнудзеном, а затем Харрисом, а в последнее время - работой Сазерленда, Пирси, Басса и Эванса, рис. 10-1. Этот график предсказания считается надежным в пределах + 5% для указанной температуры (20° C) и 10% в диапазоне от 0° C до 40° C.

В журнале «Акустическое общество Америки» за июнь 1977 года был выпущен исключительный учебный документ «Обзор распространения шума в атмосфере», стр. 1403-1418, и включал 96 справочных библиографий.

Дисперсия и диффузия. Дисперсия - это процесс сортировки лучей света, звука и т. д. на их соответствующие длины волн. Лео Беранек заявил:

Диффузия касается пространственной ориентации реверберационного звука. Диффузия считается лучшей, когда реверберирующий звук, кажется, достигающим ушей слушателя со всех сторон примерно в равных количествах.

Основными аудио параметрами являются: частота, длина волны, амплитуда. Фаза (как абсолютная, так и относительная), полярность, скорость и время.

Частота. Связано с ощущением высоты тона в музыке.

Знание длины волны. Необходимо понимать отражение.

Амплитуда. Связано с громкостью.

Абсолютная фаза связана со временем, тогда как относительная фаза может быть жизненно важной для формы волнового фронта.

Полярность имеет мало значения в одном канале или по-настоящему стереофонической системе, но является ключом к многоканальной системе.

Скорость звука изменяется с температурой, а градиенты температуры могут изменять направление волнового фронта.

Время - это река, которая бесконечно течет, но латентность (задержка сигнала) может вызвать проблемы в звуковых системах.

Рисунок 10-1. Предсказанное поглощение атмосферы в дБ/100 м при давлении 1 атм, температуре 20°С, и различных значениях относительной влажности.

10.3. Закон обратного квадрата.

Геометрическое распространение звука из когерентного источника (закон обратного квадрата скорости изменения уровня), которое представляет собой изменение уровня 6 дБ для каждого удвоения расстояния для сферического расширения от точечного источника, хорошо известно большинству звукооператоров.

где, D_r - контрольное (опорное) расстояние, D_m - измеренное расстояние.

Не так хорошо известно изменение уровня 3dB за удвоение расстояния для цилиндрического расширения из бесконечного линейного источника. Окружающий шум автогонки с полем автомобилей, равномерно распределенных на ранних этапах гонки, может приблизиться к тому, чтобы быть фактически бесконечным линейным источником.

Наконец, есть случай параллельного распространения "без потерь" из источника бесконечной области - шум толпы, наблюдаемый из центра аудитории.

Описания распространения звука для когерентных источников остаются верными и для некогерентных источников. Размер ближнего поля (near field) может быть более ограниченным, а распространение менее «направленным», но общая скорость изменения уровня остается неизменной. Обратите внимание, что этот «разброс» звука не является поглощением или другими потерями, а просто уменьшением мощности на единицу площади при увеличении расстояния. К сожалению, другие процессы также продолжаются.

10.4. Атмосферное поглощение.

Эти другие процессы представляют собой фактическую диссипацию (рассеяние) звуковой энергии. Энергия теряется из-за комбинированного действия вязкости и теплопроводности воздуха и релаксации поведения во вращательных энергетических состояниях молекул воздуха. Эти потери не зависят от влажности воздуха. Дополнительные потери связаны с релаксацией поведения в колебательных состояниях молекул кислорода в воздухе, поскольку это поведение сильно зависит от наличия в воздухе молекул воды (абсолютная влажность). Оба этих эффекта энергетических потерь вызывают увеличение затухания с повышением частоты, рис. 10-2.

Это частотно-дискриминационное затухание называется избыточным затуханием и должно быть добавлено к изменению уровня из-за расхождения (дивергенции) звуковой волны. Полное изменение уровня - это сумма изменения уровня закона обратного квадрата и избыточного затухания.

На рис. 10-3 показана избыточная разность затухания между 1000 Гц и 10000 Гц на разных расстояниях.

Рисунок 10-2. Поглощение звука для разных частот и значений относительной влажности.

Рисунок 10-3. Повышение затухания для разных частот и расстояний от источника.

10.5. Скорость звука.

Для данной частоты отношение длины волны к скорости звука в среде:

где, λ - длина волны в футах или метрах, c - скорость звука в фут/сек или м/с, f - частота в Гц.

Имея дело со многими акустическими взаимодействиями, задействованная длина волны значительна, и ее важно вычислить. Поэтому мы должны иметь возможность как быстро и точно вычислять, так и измерять скорость звука.

Скорость звука изменяется с температурой до такой степени, что нам необходимо быть настороженными. Знание точной скорости звука при использовании анализа сигнала с задержкой сигнала позволяет проводить очень точные измерения расстояния, наблюдая частотный интервал между гребенчатой фильтрацией двух источников, а затем переходя от частоты ко времени и, наконец, к расстоянию.

Скорость звука в условиях, которые могут возникнуть в связи с архитектурными акустическими соображениями, зависит от трех фундаментальных факторов. Вот они:

1. Υ - отношение удельных теплоемкостей и составляет 1,402 для двухатомных молекул (молекул воздуха).

2. P_S - равновесное давление газа в Ньютонах на квадратный метр (1,013 × 105 Н/м²).

3. ρ - плотность воздуха в килограммах на кубический метр (кг/м³).

где c - скорость звука в м/с.

Плотность воздуха изменяется с температурой, и изучение основных уравнений показывает, что на самом деле изменения температуры оказывают преобладающее влияние на скорость звука в воздухе.

Уравнение для расчета плотности воздуха:

где, Плотность воздуха в кг/м³, H - барометрическое давление в см ртути, Hg, °C - температура в градусах Цельсия, 9/5 (°C) + 32 = °F, 5/9 (°F) - 32 = °C, Hg в дюймах умноженное на 2,54 равно Hg в сантиметрах.

10.6. Изотермический против адиабатического.

Ньютон, полагаясь на простое соотношение плотности давления, пришел к скорости звука как 968 футов/с, что меньше на 16%.

В течение полутора веков Ламберт определил не менее девятнадцати различных температурных «шкал», предложенных авторами различных схем термометрии. Среди них были инструменты, которые в конечном итоге позволили бы должным образом оценивать измерение изменения температуры, вызванное быстрым сжатием воздуха.

Согласно Ханту в его действительно исключительной книге «Происхождение акустики»,

Трудоемкая тропа от Амонтонов до Гей-Люссака и Далтона простиралась от начала до конца восемнадцатого века, а премия в ее конце была всего лишь фактом, что постоянная в законе Таунели-Бойля пропорциональна температуре ....

Что касается необъяснимых фактов о адиабатическом нагреве и охлаждении, они были подвергнуты эксплуатации, наблюдались, неправильно объяснялись, неадекватно измерялись и, как правило, неправильно понимались примерно в этом порядке, пока не появилось достаточное понимание того, что они могут использоваться в окончательном разрешении дилеммы звука - скорости.

Джон Далтон, наконец, довел этот эпизод до конца с этим окончательным обзором 1802 года, в котором адиабатическая константа для воздуха была определена как 1,4. Быстрые изменения температуры, возникающие при увеличении давления и понижения давления в звуке, адиабатическом, как отличающиеся от изотермического, где поддерживается постоянная температура, позволяют рассчитывать скорость звука в соответствии с фактическими измерениями.

Замечательная книга Фредерика Винтона Ханта - это сокровищница не только исторически, но и более важная для понимания многочисленных побочных направлений и неправильных толкований, прежде чем действительно интеллектуальные исследователи, наконец, получили сообщение, содержащееся в данных. Повествование Ханта показывает, как публикация экспериментальных данных окончательно застывает в сознании многих, и в то же время ведет к полезному прогрессу. Исследовательская работа, а также ее наука предлагают заботу о принятии первичных объяснений. Как это часто бывает, зависимость только от пяти физических чувств, ведет в заблуждение.

Недавно я наткнулся на статью «Физические пределы вычислений» Майкла П. Фрэнка, в настоящее время в Университете Флориды, Отдел CISE, где он описывает первое полностью адиабатическое центральное процессорное подразделение под названием «Маятник». Г-н Фрэнк был частью команды аспирантов в Массачусетском технологическом институте, которая разработала, внедрила производство и протестировала устройство. Pendulum был 12-битным полностью адиабатическим процессором, разработанным для достижения гораздо более низких требований к мощности, чем аналогичные устройства. Статья г-на Фрэнка является выдающимся документом в своем изложении ограничений, с которыми в конечном итоге придется столкнуться вычислениям.

Пример.

Если бы мы измеряли температуру 72 °F и барометрическое давление 29,92 дюйма, мы бы сначала по собранным данным вычислили плотность воздуха:

Сделав метрические преобразования и получив цифру плотности, мы можем затем использовать основное уравнение для скорости:

Поскольку мы начали с размеров, обычно используемых здесь, в Соединенных Штатах, мы затем возвращаемся к ним посредством:

Типичные скорости в других средах приведены в таблице 10-1.

Таблица 10-1. Типичные скорости звука в различных средах (при, приблизительно 15 °C)

10.7. Температурно-зависимая скорость.

Скорость звука зависит от температуры. Приблизительная формула для вычисления скорости:

где, c - скорость в футах в секунду (ft/s), °F - температура в градусах Фаренгейта.

Для температур Цельсия:

где, c - скорость в метрах в секунду (м/с), °C - температура в градусах Цельсия.

Поэтому при нормальной комнатной температуре 72,5 °F мы можем вычислить:

10.8. Влияние высоты на скорость звука в воздухе.

Теоретическое выражение для скорости звука c в идеальном газе (например, в воздухе):

где, c - скорость в м/с, Р-атмосферное давление, ρ - плотность газа, γ - отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к его теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим уравнение

где P - внешнее давление, V - объем, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура.

Учитывая определение плотности (ρ), наше первое уравнение можно переписать следующим образом:

где M - молекулярная масса газа.

Видно, что скорость зависит только от типа газа и температуры и не зависит от изменений давления. Это верно, поскольку и P, и ρ уменьшаются с увеличением высоты, а чистый эффект заключается в том, что атмосферное давление оказывает лишь незначительное влияние на скорость звука. Поэтому скорость звука на вершине горы будет такой же, как на дне горы, если температура будет одинаковой в обоих местах.

10.9. Типичные длины волн.

Некоторые типичные длины волн для среднечастотных октавных центров:

Таблица 10-2. Типичные длины волн для среднечастотных октавных центров.

Теперь предположим, что температура возрастает от 20 °F до 92,5 °F.

Таблица частот и длин волн показана в таблице 10-3. Предположим, что мы «настроились» на пик стоячей волны 1000 Гц в помещении сначала на 72,5 °F, а затем на 92,5 °F. Очевидным сдвигом частоты будет:

где 1151 - скорость (ft/s) при температуре измерения,

1.13 - длина волны при исходной температуре.

Таблица 10-3. Частоты и длины волн.

10.10. Эффект Допплера.

Мы все испытывали эффект Допплера, слушая изменение высоты тона с более высокой частоты на более низкую частоту, когда свисток в поезде или автомобильный гудок приближается к стационарному слушателю, а затем уходит вдаль.

Частота, услышанная слушателем из-за скорости источника, слушателя или некоторой комбинации обоих, определяется:

где, F_L - частота, услышанная слушателем (наблюдателем, в Гц), F_S - частота источника звука в Гц, c - скорость звука в ft/s, V_L - скорость слушателя в ft/s, V_S - скорость источника звука в ft/s.

Используйте минус (-), если V_S в знаменателе приближается к слушателю. Если слушатель, V_L, в числителе отходит от источника, используйте минус (-), а для слушателя, движущегося к источнику, используйте плюс (+).

Пример.

Предположим, что c = 1130 ft / s, V_L = 0, V_S = 60 миль / ч (приближающийся слушатель) и f_S = 1000 Гц.

Когда источник звука проходит слушателя и отступает, то высота тона изменяется от 1084 Гц до:

Эта быстрая развертка 156 Гц называется эффектом Допплера. Очень большой драйвер низкой частоты может проявлять доплеровское искажение своего сигнала. Движущиеся лопасти в камерах реверберации могут создавать доплеровские эффекты в отраженных сигналах, что может вызвать неожиданные трудности в современных анализаторах спектра.

10.11. Отражение и рефракция (преломление).

Звук может отразиться, ударив объект размером более одной четверти длины волны звука. Когда объект имеет длину в одну четверть или немного меньше, то он также вызывает дифракцию звука (изгиб вокруг объекта). Преломление происходит, когда звук проходит от одной среды к другой (например, от воздуха через стекло в воздух или когда он проходит через слои воздуха, имеющие разные температуры). Скорость звука увеличивается с повышением температуры. Поэтому звук, испускаемый источником, расположенным на замерзшей поверхности большого озера в солнечный день, будет иметь более теплые температуры, когда волна расходится вверх, заставляя верхнюю часть волны двигаться быстрее, чем часть волны вблизи поверхности. Это приводит к возникновению линзообразного действия, которое отгибает звук назад к поверхности озера, рис. 10-4.

Рисунок 10-4. Влияние разности температур между землей и воздухом на распространение звука.

Звук будет путешествовать на большие расстояния по мерзлым поверхностям в тихий день. Ветер, дующий в сторону источника звука, вызывает температурные градиенты вблизи поверхности земли, что приводит к тому, что звук преломляется вверх. Ветер, дующий в том же направлении, что и звук создает градиенты температуры вдоль поверхности земли, которые имеют тенденцию преломлять звук вниз. Мы слышали, как говорили: «Ветер сдувает звук». Это не так; он преломлялся. Даже ветер 50 миль в час (а это сильный ветер) не может сдуть что-то движущееся со скоростью 1130 футов/с:

770,45 mi / h - скорость звука на уровне моря при 72,5 °F.

Скорости ветра, которые изменяются с высотой, также могут вызывать «изгиб» скорости звука плюс или минус скорость ветра на каждом уровне.

Отражения от больших границ, когда они задерживаются во времени относительно прямого звука, могут быть очень разрушительными для разборчивости речи. Важно помнить, однако, что отражение в неразрушающем временном интервале может быть чрезвычайно полезным. Отражения, которые находятся на уровне (около 10 дБ) или равны по амплитуде и которые задерживаются более чем на 50 мс, требуют пристального внимания со стороны проектировщика звуковой системы. На рисунке 10-5 показано, как рассчитать вероятные уровни от отражения. На рис. 10-6 показаны другие влияния. Вычисление временного интервала можно найти из:

Влияние поверхности S₁ на измеренный сигнал на микрофоне равно:

Относительный уровень отраженных сигналов

Влияние поверхности S₁ на измеренный сигнал на микрофоне равно:

Относительный уровень отраженных сигналов

Где S₁ является поглощающим, тогда уравнение становится:

Относительный уровень отраженных сигналов

В случае существенных потерь передачи эти потери могут быть добавлены по мере необходимости. T.L. = 20 log fw - 47 дБ

* Предполагается, что поверхность S1 является не абсорбирующей, не диффузионной и не фокусирующей.

Рисунок 10-5. Вычисление относительных уровней отражений.

где c - скорость звука в ft/s или m/s, D_R - расстояние в ft или m, пройденное отражением, D_D - расстояние, на которое проходит прямой звук в ft или m.

Для эффективности автогонок используются отражения от покрытия для защиты трибун за областью ямы. Очень высокие градиенты температур, с которыми сталкивается звук, поднимаются вверх в течение горячей части дня и в течение прохладного утра, отражение от земли помогает близкому размещению мест для сидения. Направляющие устройства направлены прямо по земле, а не вверх под углом, и когда градиент температуры «изгибает» звук вверх, то он по-прежнему эффективно покрывает зону аудитории, рис. 10-4.

Одно предостережение относительно использования наземных отражений в северных климатах. Сильное выпадение снега может обеспечить невероятное затухание, как это могут подтвердить авторы, когда они, много лет назад, пытались продемонстрировать, звуковую систему высокого уровня на следующий день после метели в Миннесоте.

10.12. Влияние нагрева пространства на флаттер эхо.

Скорость звука увеличивается с увеличением температуры; поэтому эффект повышения температуры с увеличением высоты является нисходящим изгибом траектории звука. Это иллюстрирует, почему меняются режимы обратной связи, поскольку кондиционеры, нагрев или толпа резко меняют температуру в помещении, на рисунке 10-7.

Рисунок 10-7. Влияние температурных градиентов в помещении.

10.13. Поглощение.

Абсорбция является обратным отражению. Когда звук ударяет по большой поверхности, часть ее отражается, и часть ее поглощается. Для данного материала коэффициент поглощения (а) равен:

где, E_A - поглощенная акустическая энергия, E_I - полная падающая акустическая энергия (т. е. полный звук), (1 - a) - отраженный звук.

Теоретически, это делает коэффициент поглощения с некоторым значением от 0 до 1. При a = 0 звук не поглощается; все отражается. Если материал имеет a 0,25, то он поглотит 25% всей звуковой энергии, имеющей ту же частоту, что и рейтинг коэффициента поглощения, и будет отражать 75% звуковой энергии, имеющей эту частоту.

Пример.

Безэховая комната поглощает 99% энергии, получаемой от источника звука. Какой процент L_P от источника отражается? Предположим, что из источника выводится 10 Вт общей энергии. Затем камера поглощает 9,9 Вт.

Поэтому L_P падает на 20 дБ, также

100 × 10-дБ / 20 = 10% отраженного L_P

Другими словами, 10% LP возвращается в качестве отражения. Если источник звука направил LP 100dB сигнал на стенку камеры, то назад будет отражен сигнал 80 дБ. Вспоминая, как сочетаются дБ, мы можем видеть, что это отражение не изменит показание прямого звука 100 дБ на заметную величину на любом нормальном измерителе уровня звука.

Желательность отражающей поверхности можно увидеть, когда осознано, что прямой звук и отраженный звук с одной поверхности могут в совокупности быть на 3 дБ выше, чем прямой звук. Если громкоговорители направлены, чтобы отражаться от земли в холодные ранние утренние часы; тогда, когда рефракционный эффект солнца на твердых поверхностях заставляет звук сгибаться вверх в течение горячей части дня, звук заворачивает в область трибуны. В большинстве случаев отраженный звук помогает прямому звуку, тем самым экономя мощность звука.

10.14. Определения в акустике.

Sound Energy Density (плотность звуковой энергии) - это звук на единицу объема, измеренный в джоулях на кубический метр.

Sound Energy Flux - средняя скорость потока звуковой энергии через любую указанную область. Единица - джоули в секунду (джоули в секунду называются ваттами).

The Sound Intensity - интенсивность звука (или плотность потока энергии звука) в определенном направлении в точке - это энергия звука, передаваемая в секунду в указанном направлении через единицу площади, перпендикулярную этому направлению в точке. Единица измерения - ватт на квадратный метр.

Sound Pressure (звуковое давление) - воздействует звуковыми волнами на любой поверхности. Оно измеряется в Ньютонах на квадратный метр (теперь называемый паскалями). Звуковое давление пропорционально квадратному корню из плотности звука.

The Sound Pressure Level (уровень звукового давления, в децибелах звука) -20 кратный логарифм по основанию 10 отношения давления этого звука к эталонному давлению. Если не указано иное, то опорным давлением считается 0,00002 Н/м2 (20 микропаскаль или 20 мкПа).

The Velocity Level - (уровень скорости, в децибелах звука) 20 кратный логарифм по основанию 10 отношения скорости частиц звука к эталонной скорости частиц. Если не указано иное, то скорость эталонной частицы понимается равной 50 × 10^-9 метров в секунду (м/с).

The Intensity Level - (уровень интенсивности, в децибелах звука) 10 кратный логарифм по основанию 10 отношения интенсивности этого звука к эталонной интенсивности. Если не указано иное, то эталонная интенсивность должна составлять 10^-12 Вт на квадратный метр (Вт/м2).

10.15. Классификация звуковых полей.

Free Fields (свободные поля). Звуковое поле называется свободным полем, если оно однородно, свободно от границ и не возбуждается другими источниками звука. На практике, это поле, в котором влияния границ незначительны в интересующей области. Поток звуковой энергии идет только в одном направлении. Безэховые камеры и открытый воздух высоко над землей - свободные поля. Прямой уровень звука от источника звука в свободном поле обозначается L_D.

Diffuse (Reverberant) Fields. Диффузные (реверберирующие) поля. Диффузное или реверберирующее звуковое поле - это такое, в котором среднее по времени среднеквадратичное звуковое давление везде одинаково, а поток энергии во всех направлениях равновероятен. Для этого требуется замкнутое пространство с практически отсутствующим акустическим поглощением. Уровень реверберации звука обозначается как L_R.

Semireverberant Fields. Полуревербератные поля. Полуреверберантное поле - это поле, в котором звуковая энергия и отражается и поглощается. Поток энергии существует в нескольких направлениях (более, чем в одном направлении). Большая часть энергии действительно состоит из рассеянного поля; однако есть компоненты поля, которые имеют определяемое направление распространения от источника шума. Полуреверберантное поле - это то, которое встречается в большинстве архитектурных акустических сред.

Pressure Fields. Поля давления. Поле давления - это такое поле, в котором мгновенное давление везде равномерно. При распространении нет направления. Поле давления существует в основном в полостях, обычно называемых переходниками (couplers), где максимальный размер полости меньше 1/6 длины волны звука. Из-за простоты повторяемости этот тип измерений используется Национальным бюро стандартов NBS при калибровке микрофонов. На низких частотах поле давления может быть большим, т. е. достаточно большим, чтобы слушатель мог усидеть (выдержать).

Ambient Noise Field. Поле окружающего шума. Поле окружающего шума состоит из тех источников звука, которые не вносят вклад в желаемый уровень L_D (то есть активные источники). Уровень окружающего шума обозначен L_N.

Outdoor Acoustics. Наружная акустика. Если, например, уровень окружающего шума, измеренный 70 дБА (не необоснованное чтение на открытом воздухе) и собственно уровень SPL, который вы могли бы генерировать на 4 футах, составлял бы 110 дБ LP, насколько далеко вы могли бы продвинуть сигнал, прежде чем ваш сигнал был бы погружен в шум?

Проблема на самом деле сложнее, чем в этом случае, но это служит примером того, как начинать.

Теперь мы коснулись наиболее важных основ акустической среды на открытом воздухе. Прежде чем отправиться в закрытые помещения, применим некоторые из этих знаний к ряду древних проблем на открытом воздухе. Простое эмпирическое правило указывает, что при изменении +10 дБ, более высокий уровень будет субъективно оценен примерно в два раза громче, чем уровень, который ниже на 10 дБ. Хотя вычисление громкости является более сложным, но это правило полезно для звуков среднечастотного диапазона. Используя такое правило, мы могли бы исследовать источник звука, излучающий полусферически из-за присутствия земной поверхности. На рисунке 10-8 показан звук в открытом поле, при отсутствии ветра. Звук на 100 футов в два раза громче, чем на 30 футах, хотя амплитуда вибрации частиц воздуха составляет примерно одну треть. Точно так же, звук на 30 футов в два раза громче звука на 10 футах. Поскольку звук наружный, то атмосферные эффекты, окружающий шум и т. д. вызывают трудности для говорящего и слушателя. Древние научились за «говорящим» размещать заднюю стену, и многие места советов коренных американцев находились у подножия каменной скалы, поэтому за один раз говорящий мог обратиться к большему числу племени. На рисунке 10-9 показано, как отражающая структура может удвоить громкость по сравнению с полностью открытым пространством. Погода и некоторый шум все еще мешают слушать.

Рисунок 10-8. Звук в открытом поле без ветра.

На рисунке 10-10 показано поглощающее влияние аудитории на звук, идущий к самому дальнему слушателю. На рисунке 10-11 показан правильный и неправильный способ расположения источника звука на холме. На рисунке 10-11A громкость звука в задней части аудитории усиливается, если есть наклон кресел вверх. Кроме того, уменьшается шум от источников на земле. Рисунок 10-11B - плохой способ прослушивания на открытом воздухе. Звук сзади на половину громче, чем сзади, на рисунке 10-11A.

Рисунок 10-9. Звук оркестра из закрытого корпуса в открытом поле без ветра.

Рисунок 10-10. Звук оркестра в закрытом корпусе с прямой аудиторией.

Хотя Библия не говорит, каким образом Иисус обратился к множеству, мы можем вывести из акустических подсказок, представленных в тексте Библии, что множество людей расположилось над ним, потому что:

1. Он обращался к группам размером около 5000. Это требовало очень благоприятного положения относительно аудитории и очень низкого уровня окружающего шума.

2. Заканчивая такие занятия, он часто мог уезжать на лодке в озеро, т.е. предполагаем, что Он был на дне холма или горы.

Мы можем только догадываться, что причина, по которой Иисус привел эти народы в поле, заключалась в том, чтобы избежать более высоких уровней шума, даже в небольших сельских деревнях.

Греки строили свои амфитеатры, чтобы воспользоваться этими акустическими фактами:

1. Они ставили задний отражатель для исполнителя.

2. Они увеличивали акустический выход «говорящего», встраивая в маски для лица специальные мегафоны. Маски они держали перед своими лицами, чтобы изображать различные эмоции.

3. Они наклоняли аудиторию вверх, а вокруг говорящего включали угол, приблизительно 120°, понимая, как это не кажется многим современным дизайнерам, что человек не разговаривает со стороны затылка.

4. Они создавали расфокусировку отражающего «slapback», изменяя радиус по краям зоны сидячих мест.

A. Правильный путь.

Рисунок 10-11. Звуковые источники и зрители на холме.

Поскольку не было самолетов, автомобилей, мотоциклов, кондиционеров и т. д., то уровень окружающего шума был относительно низким, и выступлениями могли наслаждаться большие аудитории. Они обнаружили поглощение и использовали кувшины, частично заполненные золой (как настроенные резонаторы Гельмгольца), чтобы уменьшить обратное эхо изогнутых ступенчатых мест назад к исполнителям. Оставалось только для некоторых неназванных новаторских гениев обеспечить стены и крышу, чтобы иметь первую аудиторию, «место для прослушивания», на рисунке 10-12. На рисунке 10-12 нет насыщения звука, потому что в комнате нет реверберации, стены сильно поглощают звук.

Рисунок 10-12. Средства устранения влияния шума и погоды при сохранении наружных условий.

Иногда акустический прогресс шел в обратном направлении. Например, римляне, приняв христианство, захватывая древние языческие храмы с эхо, вынуждены были преобразовывать разговорную службу в певческую или сдвигать певческую службу по высоте тона в преобладающих комнатных модах этих больших, твердых строений. Сегодня в некоторых церквях еще встречаются серьезные акустические недостатки, и для них требуется тщательно спроектированная звуковая система, чтобы можно было понять произносимые слова.

Также очень важно отметить, что в больших залах и аренах, если здание было специально спроектировано для прослушивания, то правильное место для системы громкоговорителей чаще всего находится на крыше. Поэтому громкоговоритель обычно является электроакустической заменой для естественной отражающей поверхности, которая не была предусмотрена.

10.16. Акустическая среда в помещении.

В тот момент, когда мы помещаем источник звука в закрытый корпус, мы значительно усложняем передачу его вывода. Мы рассмотрели одну из крайностей, когда мы поставили источник звука в высоко поднятое положение и наблюдали, как звук полностью поглощается «пространством» вокруг него. Теперь давайте перейдем к противоположному пределу и представим себе замкнутое пространство, которое полностью отражает. Источник звука выдавал бы звуковую энергию, и ничто бы из этого не поглощалось. Если бы мы продолжили вкладывать энергию в закрытый корпус достаточно долго, то теоретически, мы бы могли достичь давления, которое стало бы взрывоопасным. Мощность человеческой речи довольно мала. Это было изложено Харви Флетчером в своей книге «Речь и слух в общении» о том, что «если 500 человек постоянно говорят в течение одного года, то они выработают энергию, достаточную для того, чтобы нагреть чашку чая». Измеренный на расстоянии 39,37 дюйма (3,28 фута), типичный мужской голос генерирует 67,2 дБ-SPL или 34 микроватта (мкВт) мощности, а типичный женский голос генерирует 64,2 дБ-SPL или 18 мкВт. От крика на этом расстоянии (3,28 фута) до шепота, уровень дБ L_P варьируется от 86 дБ до 26 дБ, или имеет динамический диапазон около 60 дБ. Мало того, что полученная звуковая энергия имеет тенденцию оставаться в корпусе (она медленно вымирает), но в процессе она имеет тенденцию перемещаться.

Давайте рассмотрим основные параметры типичной комнаты, чтобы увидеть, что происходит. Во-первых, замкнутое пространство имеет внутренний объем (V), обычно измеряемый в кубических футах. Во-вторых, он имеет общую площадь поверхности границы (S), измеренную в квадратных футах (ft²) (пол, потолок, две боковые стенки и две торцевые стенки). Затем каждая из многих областей поверхности имеет коэффициент поглощения. Средний коэффициент поглощения (а) для всех поверхностей:

где, s₁,₂, ... _n - площади индивидуальных граничных поверхностей в ft², a₁, ₂, ..., _n - индивидуальные коэффициенты поглощения отдельных площадей граничных поверхностей, S - общая площадь граничной поверхности в ft².

Отраженная энергия равна 1 - а '.

В таблице 10-4 приведены типичные коэффициенты поглощения для обычных материалов. Эти коэффициенты используются для расчета поглощения граничных поверхностей (стен, полов, потолков и т. д.).

В таблице 10-5 приведены типичные абсорбционные единицы в сэбинах, а не в процентах. Сэбины находятся либо в единицах, либо в единицах на длину.

Наконец, комната будет иметь время реверберации RT₆₀. Это время в секундах, когда устойчивый звук, как только его входная мощность будет завершена, ослабляется на 60 дБ. Для иллюстрации предположим комнату со следующими характеристиками:

V = 500,000 ft3,

S = 42,500 ft2,

a' = 0.128.

следовательно, RT₆₀:

(См. Главу 12 «Акустика большой комнаты», для более детальной разработки этого вопроса).

Таблица 10-4. Коэффициенты звукопоглощения общих строительных материалов и мебели.

Таблица 10-5. Поглощение мест и аудитории *.

* Значения указаны в сэбинах на человека или единицах на сидение.

10.16.1. Средний свободный путь, средняя длина свободного пробега (MFP).

Средняя длина свободного пробега - среднее расстояние между отражениями в пространстве. Для нашего образца пространства:

Если в образце пространства генерируется звук, то часть его будет перемещаться непосредственно к слушателю и на своем <