Фокусировка звука и эхо

Одним из распространенных недостатков для залов, которые можно отнести к разряду акустических дефектов, является концентрация звуковой энергии (фокусированиезвука) на отдельных слушательских местах и возможность образования различного вида эха.

Оба эти эффекта могут возникать в помещениях большого размера при криволинейном очертании ограждающих поверхностей (стен, потолка); для плоских же поверхностей возможно только эхо.

Рис. 6.5

Нежелательность фокусирования звука при его отражении от поверхностей зала связана с тем, что на некоторых слушательских местах создается высокая плотность отраженной звуковой энергии по сравнению с энергией прямого звука от источника; особая опасность возникает при значительном запаздывании во времени отраженных звуков по отношению к прямому звуку источника (эхо). При этом сильно нарушается диффузность звукового поля.

Часто причиной проявления этих эффектов в залах являются высокий потолок купольной формы и вогнутая задняя стена.

Анализ возможности фокусирования звуковых волн в помещении проводят методом геометрической (лучевой) акустики, когда размеры названных поверхностей (или их отдельных элементов) больше длины звуковой волны.

При этом для поверхностей сферической (цилиндрической) формы используется позаимствованная из оптики формула зеркала:

1/a +1/b =1/F = 2/R, (6.10)

где а –расстояние от источника света до зеркала; в –расстояние от зеркала до «изображения» источника, где фокусируются лучи; F –фокусное расстояние зеркала, равное половине его радиуса R.

Тогда для потолка сферической (купольной) формы при расположении источника звука (чтеца, певца, музыканта) на уровне пола возможны ситуации, показанные на рис. 6.5 (а, б, в).

Видно, что опасными для фокусирования звука на слушательских местах в партере и на ярусах (балконах) являются случаи а) и б).

В случае в), при достаточно малой кривизне потолка, фокусирования звука внутри зала не получается.

Подобное рассмотрение отражений звука от вогнутой (вовнутрь) задней стены зала цилиндрической формы показывает, что и здесь благоприятными для фокусирования являются ситуации а) и б).

Отметим, что в помещениях со сводчатым потолком (готические соборы, станции метро) возможно двойное фокусирование; не исключен случай образования двух или нескольких фокусов и в залах круглой формы в плане.

Конечно, ограждающие поверхности редко имеют форму идеальной сферы или цилиндра, так что сделанные выводы могут служить лишь ориентиром; в каждом конкретном случае нужно проводить лучевой анализ зала. По крайней мере во всех случаях, когда планируют использовать вогнутые ограждающие поверхности зала, желательно стремиться к ситуации типа в) (рис. 6.5),то есть когда радиус кривизны поверхности R не менее чем в 2 раза превышает высоту Н потолка (или расстояние от сцены до задней стены).

Отметим, что поверхность, обращенная к источнику звука своей выпуклостью, всегда дает звукорассеивающий эффект. Именно поэтому для повышения диффузности звукового поля в залах используют колонны круглого сечения, выпуклые барьеры лож и балконов, а также пилястры цилиндрического профиля. Тогда вероятность концентрации (фокусирования) звуковой энергии и образования эха заметно снижается.

Концентрация звука в определенном направлении может играть и положительную роль, и ее иногда сознательно используют. Так, в открытых театрах, на открытых эстрадных площадках, где к слушателем может поступать лишь звук со сцены, последняя делается в виде раковины, близкой по форме к параболоиду. При расположении источника звука в фокальной плоскости такого параболического «зеркала-прожектора» отраженные от его внутренних поверхностей звуковые волны имеют плоский фронт и их интенсивность достаточно велика даже на большом удалении от сцены.

Другим акустическим дефектом для залов, тесно связанным с эффектом концентрации звуковой энергии, является возможность образования различного рода эха (повторения звука). Оно способно ухудшить или сделать даже невозможным восприятие полезного сигнала. Кроме того, эхо может стать причиной нарушения правильной локализации источника звука и искажения его тембра («порхающее» эхо).

Простое (однократное) эхо возникает, когда отраженный от поверхностей зала звук приходит к слушателю (или исполнителю) с большим запозданием во времени (по отношению к прямому звуку).

Заметность эха определяется временем запаздывания и интенсивностью отражения, а также типом звукового сигнала. Временным ориентиром здесь служит «критический интервал (время) запаздывания», который для залов различного назначения лежит в диапазоне Dt_кр.» 20¸50 мс.

Наиболее низкий порог заметности эха по времени запаздывания – для речевых сигналов (с достаточно быстрой сменой последовательно произносимых слогов), а наиболее высокий – для медленных скрипичных пассажей.

В залах условия для возникновения простого эха создают чаще всего высокий потолок и удаленная задняя стена (даже если они плоские!), так что нередко возникают помехи для слушателей первых рядов партера и исполнителя на сцене.

Уже отмечалось, что особенно опасно эхо, когда оно сопровождается фокусированием отраженных звуков от купольного потолка или вогнутой задней стены.

Так, в одном из залов Лондона (Ройял Альберт-Холл, 1871 г.), имеющих куполообразный потолок на большой высоте не только над уровнем пола партера, но даже ярусов (рис. 6.6), возникала целая серия эха из-за отражений звука от потолка. Запаздывание отраженного звука для слушателей 1-го ряда составляло аж 0,2 секунды (!), а для некоторых других зрительских мест даже более.

Рис. 6.6

Действуя как гигантское фокусирующее зеркало, потолок создавал на некоторых слушательских местах в партере (и даже на балконах) эхо столь высокой интенсивности, что слушатели испытывали болевые ощущения. Попытки снизить силу эха путем подвески к потолку тяжелой свисающей ткани имели мало успеха. Проблему удалось решить радикальным образом в 1969 г., когда в этом зале на высоте 25 м от пола к потолку подвесили более 100 выпуклых дисков из стекловолокна диаметром 2¸4 м. Все вместе они образовывали как бы большую криволинейную поверхность, обращенную выпуклостью в зал. Это позволило, во-первых уменьшить путь отраженных от искусственного «подвесного» потолка звуковых лучей и, следовательно, время их запаздывания, а во-вторых, значительно увеличить рассеяние звуковых волн.

Эхо на сцене и в первых рядах партера может быть вызвано также двойным отражением звука от угла между потолком и примыкающей к нему задней стеною зала, даже если она плоская (рис. 6.7 а).

Исправить этот дефект могут различные приемы изменения сопряжения потолка и задней стены. Один из вариантов показан на рис 6.7 б, когда де-

лается некоторый наклон потолка к вертикально расположенной задней стене.

	Рис. 6.7

Угол наклона можно подобрать так, что любые звуковые лучи, падающие от источника звука на наклонный элемент потолка, испытав одинарное или двойное отражение (от этого элемента и от стены), не попали обратно в зону сцены и в передние ряды партера.

Этим приемом достигается и другая цель – улучшение слышимости на задних рядах, так как находящиеся там зрители получают дополнительные малозапаздывающие отражения.

Возможны и другие приемы сопряжения потолка и задней стены, дающие тот же положительный эффект.

Если все-таки в уже построенном зале с плоскими или криволинейными ограждающими поверхностями наблюдается фокусирование звука или эхо в отдельных слушательских зонах и геометрию зала изменить невозможно (или нежелательно), то радикальный способ избавиться от указанных дефектов – облицовка этих хорошо отражающих звук поверхностей (или их отдельных участков) звукопоглощающими материалами.

Желательно облицовывать только верхние части боковых стен и специально рассчитанные зоны потолка, чтобы не потерять по крайней мере первые, наиболее сильные отражения, поступающие к слушателям средних и задних рядов.

При этом, правда, можно занизить время реверберации зала и получить тембровые искажения звука по причине селективных (избирательных) свойств звукопоглотителя (частотной зависимости звукопоглощения).

Порхающее эхо. Многократное (не менее трех раз), периодически повторяющееся в помещении эхо принято называть «порхающим эхо». Оно возникает, когда звук, распространяясь между двумя достаточно протяженными параллельными высокоотражающими поверхностями, периодически возвращается в исходную точку без заметного ослабления.

Минимальный временной интервал (период прихода последовательности эхо), при котором эта последовательность воспринимается как порхающее эхо, зависит от разности в уровнях поочередно приходящих эхо, а также от типа звукового сигнала. Для речи этот интервал близок к 50 мс, а для музыки – к 100 мс.

Рекордный пример повторяющегося (порхающего) эха дает замок Симонетта (недалеко от Милана), имеющий в плане букву П, во дворе которого звук выстрела повторяется до 50 раз!

Подобный феномен иногда образуется в вестибюлях с параллельными полом и потолком, покрытыми твердыми и высоко отражающими материалами (метлахская плитка, мрамор), или между протяженными параллельными остекленными поверхностями современных зданий.

В залах причиной порхающего эха часто является строгая параллельность боковых стен; небольшой наклон их друг к другу (~ 5º) позволяет ликвидировать такое эхо.

Порхающее эхо может явиться и причиной искажения тембра звука.

Если периодичный приход в некоторую точку большого числа последовательных сильных отражений происходит с малым временным интервалом (меньшим 20 мс), то они воспринимаются ухом человека как один цельный звук большой силы и длительности. Такое явление принято называть «звучным эхо».