Акустичні сигнали

1.

АКУСТИЧНІ СИГНАЛИ
До первинних належать: сигнали, створювані натуральними музичними
інструментами, співом, мовою; шумові сигнали, створювані для супроводу
різноманітних музичних і мовних художніх передач (шум поїзда, тріск коника і т. п.).
До вторинних акустичних сигналів відносяться сигнали, відтворювані
електроакустичними пристроями, тобто первинні сигнали, що пройшли по
електроакустичним трактам зв'язку і мовлення та відповідно видозмінені за своїми
параметрами.
При оцінці трактів мовлення і зв'язку вважають, що кожен акустичний сигнал майже
завжди є випадковим в імовірнісному сенсі і несе в собі інформацію, відповідну його
обсягу
V FDt
F - частотний діапазон, D - динамічний діапазон визначає рівень, t - час дії сигналу.
Тому акустичні сигнали характеризуються розподілами за рівнем, по частотному
діапазону і в часі, а також середніми значеннями по інтенсивності або рівню,
динамічним діапазоном, частотним діапазоном і часом кореляції окремих ділянок.

2.

ДИНАМІЧНИЙ ДІАПАЗОН І СЕРЕДНІЙ РІВЕНЬ СИГНАЛУ
pзв
pзв
pm
pср
+
+
-
+
-
+
+
-
t
+
-
-
t
Рисунок 3.1 - Форма звукового (а) і синусоїдального (б) сигналу
Характеристикою, що відображає зміну рівня сигналу у часі є рівнеграма. Рівнеграма,
як залежність рівня сигналу від часу, може бути представлена ​для рівня, визначеного
при постійній часу вимірювача, що дорівнює 150...200 мс (суб'єктивна рівнеграма,
пов'язана з оцінкою сприйняття сигналу), або 20...30 мс (об'єктивна рівнеграма,
пов'язана з параметрами звукотехнічної апаратури).

3.

N, дБ
24
Dt1
Dt2
Dt3
Dt4
Dt5
Dt6
0,98
t
L0 0
L0
D
12
N, дБ
Lmax
0
0,2
0,6
0,02
-12
1,0
0,4
Dt1+
Lmin
0,8
w
+Dt6
T
-24
T
Рисунок 3.2 - До визначення динамічного діапазону:
а) рівнеграма; б) побудова інтегрального розподілу за нею
Різниця між максимальним і мінімальним рівнями називають динамічним діапазоном
D = Lмакс- Lмін
Середній рівень інтенсивності акустичного сигналу можна визначати або по слуховому
відчуттям (суб'єктивне середнє), або як середній статистичний по інтенсивності для
тривалих інтервалів часу (середнє тривале), або як середній, вимірюваний приладом,
що має невелику постійну часу (об'єктивне середнє).

4.

t0
1
I ср I (t )e
T
t0 t
T
dt
Т - постійна часу, I(t) - часова залежність інтенсивності сигналу,
t t
e T враховує процес реєстрації сигналу з урахуванням «пам'яті» приладу
внаслідок наявності у нього постійної часу.
Різницю між квазімаксимальним і усередненим рівнем (за тривалий
проміжок часу, наприклад, 15 с для мови і 1 хв для музики) називають пікфактором:
П = Lмакс – Lср = Nе.макс – Nе.ср.
Пік-фактор показує, наскільки нижче треба взяти усереднений рівень
передачі в порівнянні з максимально припустимим рівнем в каналі, щоб не
перевантажити канал. Для музичних сигналів пік-фактор доходить до
20…25 дБ і більше, для мовного сигналу - не перевищує 12 дБ.
0

5.

ЧАСТОТНИЙ ДІАПАЗОН І СПЕКТРИ
Акустичний сигнал від кожного з первинних джерел звуку, використовуваних в
системах мовлення та зв’язку, як правило, має безперервно змінювану форму і
склад спектру.
Спектри можуть бути високо- і низькочастотними, дискретними і суцільними. У
кожного джерела звуку, навіть того ж самого типу (наприклад, скрипка в
оркестрі), спектри мають індивідуальні особливості, що надає звучанню
характерне забарвлення. Це забарвлення називають тембром.
В першу чергу, цікавить середній спектр для джерел звуку кожного типу, а для
оцінки спотворень сигналу - спектр, усереднений за тривалий інтервал часу (15 с
для інформаційних сигналів і 1 хв для художніх). Усереднений спектр може бути,
як правило, суцільний і достатньо згладжений за формою.
Суцільні спектри характеризуються залежністю спектральної щільності від частоти
(цю залежність називають енергетичним спектром).
Спектральною щільністю називається інтенсивність звуку в смузі частот
шириною, що дорівнює одиниці частоти. Для акустики цю смугу беруть у 1 Гц.
Спектральна щільність J = IDF/Df, де IDF - інтенсивність, виміряна у вузькій смузі
частот Df за допомогою вузькосмугових фільтрів.

6.

Для зручності оцінки введена логарифмічна міра щільності спектра
аналогічно рівню інтенсивності. Цю міру називають рівнем спектральної
щільності або спектральним рівнем. Спектральний рівень
B=10lg(J/I0),
де I0=10-12 Вт/м2 - інтенсивність, відповідна нульовому рівню, як і для
оцінки рівня інтенсивності.
Дуже часто для характеристики спектру замість спектральної щільності
використовують інтенсивності і рівні інтенсивності, виміряні в октавній,
напівоктавній або третинооктавній смузі частот. Неважко встановити
зв'язок між спектральним рівнем і рівнем в октавній (напівоктавній або
третинооктавній) смузі. Спектральний рівень
B=101g(IDf окт /DfоктI0)
а рівень в октавній смузі Lокт=10lg(IDf окт / I0),
де Dfокт - ширина відповідної октавній смуги.

7.

Частотний діапазон акустичного сигналу визначають з частотної
залежності спектральних рівнів (огинаюча частотних рівнів
визначає частотну характеристику).
B
L
L, дБ
80
речевой
белый
60
розовый
50
40
20 Гц
f
20 кГц
20 Гц
f, Гц
f
20 кГц
100
1000
Рисунок 3.3 - Спектр і частотна характеристика сигналу
10000

8.

ВТОРИННИЙ СИГНАЛ
Порушення точності передачі, що помічається слухом,
можуть бути найрізноманітнішого виду. Основні з них:
1. Втрата акустичної перспективи;
2. Зсовування (зміщення) рівнів;
3. Обмеження динамічного діапазону;
4. Обмеження частотного діапазону;
5. Наявність шумів і перешкод;
6. Спотворення сигналу.

9.

Лінійні спотворення не змінюють форму сигналу. Суб'єктивно ці
спотворення відчуваються як зміна тембру первинного сигналу.
Ці спотворення (звані частотними) оцінюють за величиною
нерівномірності частотної характеристики
Ми=Кмакс/Кмин
де Кмакс і Кмін - максимальний і мінімальний коефіцієнти
передавання в заданому діапазоні частот.
Нерівномірність часто вимірюють в логарифмічних одиницях, в
такому випадку
DL = 20lgMи = Lмакс- Lмин
де Lмакс і Lмін - максимальний і мінімальний рівні вторинного
сигналу при постійності рівня первинного.

10.

L, дБ
ΔL=Lmax-Lmin
ΔL=3дБ - оптимально
ΔL
Lmax
Lmix
fн
50
10К fв
F, Гц
Рисунок 3.8 - Визначення нерівномірності частотної характеристики і
частотного діапазону
Нелінійні спотворення змінюють форму сигналу.
Розрізняють два види нелінійності: нелінійність степеневого типу (зміни
пропорційності сигналу) і нелінійність через амплітудного обмеження.
Амплітудне обмеження буває зверху і знизу (центральне).

11.

Нелінійні спотворення степеневого типу у вигляді гармонічних складових викликають
відчуття деренчання (а на високих частотах - хрипи), а нелінійні спотворення у вигляді
різницевих тонів викликають відчуття модуляції гучності звуку (зазвичай це помітно на
низьких частотах).
Нелінійні спотворення найчастіше оцінюються за допомогою коефіцієнта нелінійних
спотворень.
U вых
U вых
U вх
t
t
U вх
t
Рисунок 3.9 - Амплітудне обмеження для сигналів з великою і невеликою амплітудами:
а) обмеження зверху; б) знизу (центральне)
t

12.

Характеристики (параметри) звукового сигналу
Звукового акустичного
ЛІНІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• звуковий тиск, p = F/S, Н/м2(Па)
• зміщення частинок середовища
• швидкість коливань
• акустичний опір середовища,
а сзвкг/м3·м/с (кг/(м2·с))
ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• інтенсивність звуку, І
• щільність енергії,
Звукового електричного
ЛІНІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• напруга, U
• Струм, I
• Опір, R
ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• Потужність, P

13.

Параметри акустичного звукового сигналу
рзв = ра м - ра ст;
• Звуковий тиск
F
р , (Н/м2) (Па)
S
• Інтенсивність звуку або сила звуку
Рак Вт
I
( 2)
Sфр м
I
2
еф
p
,
Paксф
2
р
4 r 2 I 4 r 2 зв
сзв
0сзв
Параметри електричного звукового сигналу
• Напруга Uзв
• Потужність
= RнI, (В);
2
PЕ зв
U
I 2 Rн , (Вт)
Rн

14.

рзв – звуковий тиск, Па;
ра м – атмосферний тиск, миттєве значення, Па;
ра ст – статичний атмосферний тиск, 101 325 Па;
F – сила, що діє на площадку площею S;
S – площа.
Рак - акустична потужність випромінювача, Вт;
Sфр - повна площа фронту звукової хвилі, м2;
реф – ефективне (діюче) значення звукового тиску, Па (рзв еф = 0,7рампл);
0 = 1,2·103 кг/м3 - щільність повітря при нормальних (нульових) умовах:
атмосферному тиску 760 мм рт. ст., температурі t° = 20°C і вологості 80%;
сзв = 340 м/с - швидкість поширення звуку в повітрі при тих же умовах;
а сзв – питомий акустичний опір.
Uзв – напруга звукового електричного сигналу, В;
Rн – опір навантаження, Ом;
I – струм у електричному колі, А;
PЕзв – потужність звукового електричного сигналу, Вт.

15.

В акустиці, радіомовленні і електрозв'язку за рівень параметра приймають
величину, пропорційну логарифму відносного значення цього параметра.
Таким чином, при застосуванні десяткових логарифмів для параметра К рівень
N=аlg(K/K0),
де а - коефіцієнт пропорційності, що визначається розміром обраних
логарифмічних одиниць. Якщо обрати а = 1, рівень енергетичних параметрів
буде вимірюватися в белах (Б):
NЕ = lg(КЕ/К0Е),
в цьому випадку для лінійних параметрів рівень
NЛ = 2lg(КЛ/К0Л),
так як КЕ = КЛ2.
децибел (дБ), і тому користуються такими виразами для визначення рівнів:
для енергетичних параметрів NЕ =10lg(КЕ/К0Е)
і для лінійних NЛ = 20lg(КЛ/К0Л).
Перерахунок рівня у відносні значення
для енергетичних параметрів - К= КоЕ·100,1N,
для лінійних К= КоЛ·100,05N

16.

РІВНІ СИГНАЛІВ
Електричні рівні
UВ
U мВ
U
N U 20 lg
20 lg
20 lg
, [дБн,dBu]
U0
0, 775
775
UВ
UмВ
U
( NU 20 lg
20 lg
20 lg
, [дБв,dBv])
U0
1
1000
PВт
P
N P 10 lg 10 lg 3 10 lg PмВт , [дБм, dBm]
P0
10
600
N P NU 10lg
27,8 10lgRн
Rн
[dBu] U 0 600 10 3 0,775 В;
3
[dBv] U 0 1 В; [dBm] P0 10 Вт (1 мВт).

17.

Акустичні рівні
I Вт
I
LI 10 lg 10 lg 12 10 lg I Вт 120
I0
10
рПа
р
Lр 20 lg
20 lg
20 lg рПа 20 lg р0
5
р0
2 10
5
20 lg рПа 20 lg( 2 10 ) 20 lg рПа 94,
І 0 10 12 Вт/м 2 ;
5
р0 2 10 Па (20 мкПа).
Акустичні рівні за всіма параметрами збігаються, тобто
LI = Lp= Lε

18.

dBW (дБВт) — опорна потужність 1 Вт. Рівень потужності +30 дБВт відповідає потужності 1 кВт.
dBm (дБм) — опорна потужність 1 мВт.
dBm0 (дБм0) — опорна потужність 1 мВт. Позначення застосовується в електрозв‘язку для
зазначення абсолютного рівня потужності, приведеного до точки нульового відносного рівня.
dBV (дБВ) — опорна напруга 1 В.
dBuV або dBμV (дБмкВ) — опорна напруга 1 мкВ.
dBu (дБн) — опорна напруга 0,775 В, відповідає потужності 1 мВт на навантаженні 600 Ом.
dBrn — опорна напруга відповідає потужності теплового шуму ідеального резистора з опором 50 Ом
при кімнатній температурі у смузі частот 1 Гц. Це значення відповідає рівню напруги −61 dBμV або
рівню потужності −168 dBm.
dBFS (full scale — «повна шкала») — опорний сигнал (потужність, напруга) відповідає повній шкалі
АЦП.
dB SPL (sound pressure level — «рівень звукового тиску») — опорне значення амплітуди звукового
тиску 20 мкПа, що відповідає порогу чутності на частоті 1 кГц.
dB(A), dB(B), dB(C) — додаткові символи застосовуються для позначення зваженого рівня звукового
тиску відносно 20 мкПа, при вимірюваннях застосовуються фільтри з відповідними стандартними
частотними характеристиками.
dBc (дБн) — опорна величина відповідає потужності випромінювання на частоті носійної (carrier).
dBi (дБи) — ізотропний децибел. Застосовується для антен за діаграмою спрямованості.
dBd (дБд) — децибел відносно напівхвилевого диполя.
dBsm (square meter, дБкв.м або дБ(м²)) — децибел відносно одного квадратного метра.

19.

ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ СЛУХУ
p, Па2
L, дБ
2. 10
140
Больовий поріг
120
2. 10
100
2
Музика
80
2.10-1
Мова
60
2.10-2
40
2.10-3
20
2.10-4
Поріг чутності
0
20
2.10-5
f, Гц
50
100
200
500
1000 2000
5000 10000 20000
Рисунок 3 - Межі параметрів натуральних звуків та
сприйняття людиною звукових сигналів

20.

Рівень
гучності,
фон
L, дБ
120
120
2. 10
100
100
80
60
40
20
0
20
p, Па
2
80
2.10-1
60
2.10-2
40
2.10-3
20
2.10-4
0
2.10-5
L=90 дБ,
∆L20…20000=20 дБ
∆L40…12000=14 дБ
f, Гц
50
100
200
500
1000 2000
5000 10000 20000
Рисунок 4 - Криві однакової гучності
L=60 дБ,
∆L20…20000=30 дБ
∆L40…12000=20 дБ

21.

Джерело (місце) шуму або звуку
Середній шум на вулиці
Шум вулиці з інтенсивним рухом
Фортисимо оркестру
Поїзд метро
Зал при масових сценах
Оратор на відстані 1 м
Форсована мова
Гучні збори
Звичайна розмова на відстані 1 м
Шепіт на відстані 1 метра
Театральний зал
Піанісімо оркестру
Гучний автомобільний гудок на відстані 8 м
Легковий автомобіль на відстані 5 метрів
Тиха кімната
Коридор тихий
Апаратна звукорежисера
Рівень гучності,
фон
55-60
75-80
90-100
85-90
80-90
70-80
85
65-70
55-60
40
40-50
35-40
100
60
30
50
95

22.

C0
D0
E0
F0
G0
27,50 A0
30,87 B0
32,7
С1
36,71 D1
41,20 E1
43,63 F1
49,00 G1
55,00 A1
61,74 B1
65,41 С2
73,42 D2
82,41 E2
87,31 F2
98,00 G2
110,00 A2
123,47 B2
130,81 С3
146,83 D3
164,81 E3
174,61 F3
196,00 G3
220,00 A3
246,94 B3
261,63 С4
293,66 D4
329,63 E4
349,23 F4
397,00 G4
440,00 A4
493,88 B4
523,25 С5
587,33 D5
659,26 E5
698,46 F5
783,90 G5
880,00 A5
987,77 B5
1046,50 С6
1174,66 D6
1318,51 E6
1396,91 F6
1567,98 G6
1760,00 A6
1975,53 B6
2093,00 С7
2349,32 D7
2637,02 E7
2793,83 F7
3135,96 G7
3520,00 A7
3951,07 B7
4186,01 С8
Субконроктава
Конроктава
Велика
октава
Мала
октава
1 октава
2 октава
3 октава
Гітара
Альт
Віолончель
F#7 2960
G#7 3322
A#7 3729
С#7 2218
D#7 2489
Тенор
Баритон
Бас
F#6 1480
G#6 1661
A#6 1865
Конрабас
С#6 1108,7
D#6 1244,5
Гонг
F#5 740,0
G#5 830,6
A#5 932,5
С#5 554,4
D#5 622,3
Бас-барабан
F#4 370,0
G#4 415,3
A#4 466,2
С#4 277,2
D#4 311,1
F#3 185,0
G#3 207,7
A#3 233,1
С#3 138,6
D#3 155,6
F#2 92,50
G#2 103,83
A#2 116,54
С#2 69,30
D#2 77,78
F#1 46,25
G#1 51,91
A#1 58,27
С#1 34,65
D#1 38,89
A#0 29,14
Частотні діапазони музичних інструментів
Літаври
Тамтами
Ударні
Сопрано-саксофон
Тенор-саксофон
Бас-саксофон
Труба
Валторна
Тромбон
Туба
Флейта-пікколо
Флейта
Гобой
Кларнет
Фагот
Піаніно
4 октава
5 октава
Мідні
духові
Дерев яні
духові
Скрипка
Струнні
Сопрано
Меццо-сопрано
Голос
Акордеон
Орган
...
Синтезатор
Значення частоти
ноти f, Гц
Позначення ноти
Клавіатура
фортепіано
Позначення ноти
Значення частоти
ноти f, Гц
Інтервальний
коефіцієнт
напівтону для
рівномірно
темперованої
шкали
S 12 2 1, 0595

23.

Динамічні діапазони
музичних інструментів
Скрипка
Конрабас
Піаніно
Гітара
Орган
Флейта
Кларнет
Саксофон
Гобой
Фагот
Гармоніка
Тромбон
Туба
Чоловічий голос
Жіночий голос
Літаври
Бас-барабан
Малий барабан
Тарілки
Розподіл рівнів акустичної
потужності для різних груп
інструментів
L, дБ
130
120
110
100
Мідні
90
Струнні
80
Дерев яні
70
60
50
f, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 10000
0
20 40 60 80 100 120

24.

Звукове поле в приміщенні
Звукові хвилі у закритих приміщеннях, багаторазово відбиваючись від
його поверхонь, утворюють складне поле коливального руху частинок
повітря, що визначаються характеристиками джерела звуку,
геометричними розмірами, формою приміщення, здатністю стін, підлоги
і стелі поглинати акустичну енергію.
Звукове поле приміщення в кожній точці простору можна уявити як
сукупність хвиль, що приходять безпосередньо від джерела по
найкоротшому шляху (прямий звук), і хвиль, що попадають в дану точку
після одного або декількох відбиттів від поверхонь цього приміщення
(відзвуки). Останні утворюють ревербераційний процес приміщення і
відрізняються від прямого звуку рівнем, спектральним складом, часом і
напрямом приходу. Напрями потоків потужності відбитих хвиль залежать
від геометричної форми приміщення і ступеня поглинання акустичної
енергії межами (поверхнями) приміщення.

25.

h
Джерело
звуку
Слухач
l
Рисунок 5.0 – Надходження звукових променів до слухача у закритому
приміщенні

26.

Якщо приміщення не має фокусуючих поверхонь і геометрично симетричних
перерізів, а розміри приміщення значно більше довжини хвилі ( = cзв/f ), і якщо
стіни не сильно поглинають звукову енергію, то через деякий час при
безперервній дії джерела через довільний елемент об'єму приміщення в кожен
момент часу буде проходити велика кількість окремих хвиль, що поширюються
в різних напрямках.
В результаті звукове поле матиме такі властивості:
1) всі напрямки потоків енергії цих хвиль будуть рівноймовірні, що називають
ізотропією звукового поля;
2) щільність звукової енергії ε такого поля по всьому об'єму приміщення буде
постійна, що називають однорідністю звукового поля.
Звукове поле ізотропне й однорідне називають дифузним. Для дифузного
звукового поля постулюється ще одна важлива властивість: всі елементарні
хвилі цього поля некогерентні, тому в ньому відсутні стійкі явища
інтерференції. (Когерентність - сумісність, узгодженість, взаємозв‘язаність,
фазованість і близькість за рівнем)

27.

Кількісною мірою оцінки дифузності звукового поля в приміщенні є індекс дифузності.
Іn
iд 1 (m / m0 )
m DI / I
cp
1 n
ΔI
ΔI
ni 1 i
1 n
I
I
cp n
i
i 1
І1
Іk
І2
І3
І4
Іm
І7
І6
І5
Тут Icp - середня інтенсивність звуку в межах повного тілесного кута; Ii -інтенсивність звуку для i-го
напряму; n - число взятих напрямків; DI = (Ii-Icp) - відхилення інтенсивності звуку від середнього
значення; m - відносне відхилення інтенсивності звука, усереднене по всіх напрямах; то - відносне
відхилення інтенсивності звуку від середнього значення, виміряне в заглушеній камері.
iд відображає відношення відносних відхилень інтенсивностей звуку в різних напрямках
(виміряні спрямованим мікрофоном) в дифузному поле і в заглушеній камері.
При т = mо, iд=0 - повністю заглушене приміщення.
Якщо т = 0, iд=1 - поле абсолютно дифузно.

28.

ХВИЛЬОВИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ СТРУКТУРИ
ЗВУКОВОГО ПОЛЯ У ПРИМІЩЕННІ
З позиції хвильової теорії повітряний об‘єм закритого приміщення
розглядається як складна багаторезонансна коливальна система з
розподіленими параметрами.
При дії сигналу джерела в повітряному об‘ємі приміщення збуджуються власні
коливання з частотами, близькими до частот спектральних складових сигналу.
Спектр збуджених коливань залежить не тільки від спектру сигналу, але і від
положення джерела в приміщенні. Після виключення джерела або в паузах
сигналу кожне власне коливання загасає зі своєю швидкістю, утворюючи за
сукупністю з іншими власними коливаннями інтерференційну картину
поступово загасаючого відзвуку або реверберації.
Реверберація з хвильової точки зору є власне загасаюче коливання повітряного
об‘єму з частотами залежними від розмірів і форми приміщення.

29.

Звукове поле в приміщенні за рахунок власних резонансних явищ є композицією
стоячих хвиль, форма і частота яких визначається власними функціями коливань.
Стоячі хвилі можна класифікувати трьома категоріями і сьома класами:
1. Аксіальні хвилі (для яких два з індексів n дорівнюють нулю):
X - аксіальні хвилі, паралельні осі х (пу = nz = 0);
Y - аксіальні хвилі, паралельні осі у (пх = nz = 0);
Z - аксіальні хвилі, паралельні осі z (пх = пу = 0).
2. Тангенціальні хвилі (для яких один з трьох індексів дорівнює нулю):
Y, Z - тангенціальні хвилі, паралельні площині yz (nх = 0);
X, Z - тангенціальні хвилі, паралельні площині xz (nу = 0);
X, Y - тангенціальні хвилі, паралельні площині ху (nz = 0).
3. Косі хвилі, для яких пх 0, пу 0, nz 0.
Аксіальні хвилі, що поширюються паралельно ребрам приміщення, відбиваються
тільки від однієї пари взаємно паралельних поверхонь.
Тангенціальні хвилі поширюються в приміщенні похило його ребрам, паралельно
граням, і зазнають відбиття від двох пар взаємно паралельних поверхонь.
Косі хвилі поширюються похило до всіх ребер і граней приміщення.

30.

Тангенціальні хвилі
Аксіальні хвилі
h
Z
Y
Аксіальні хвилі
l
X
Рисунок – Формування стоячих хвиль у приміщенні

31.

Для приміщень у формі прямокутного паралелепіпеда (з ідеально жорсткими
відбивними поверхнями) довжиною l, шириною b і висотою h власні частоти або
стоячі хвилі
2
2
2
c
g q r
зв
F
n
2 l b h
де g, q, r - цілі числа. Кожній трійці цих чисел відповідає одна з власних частот
приміщення. Зауважимо, що значення g, q, r визначають число стоячих хвиль, що
виникають в приміщенні в напрямках l, b і h.
У приміщеннях малого об'єму ( 3 V λ ), - довжина хвилі збуджувального
коливання) спектр власних частот має дискретну структуру (рис. 5.2, а), де цифрами
зверху тут показані частоти, що повторюються (точніше число раз, яке кожне з них
повторюється). Внаслідок цього окремі складові спектра збуджувального коливання
підсилюються (підкреслюються), що супроводжується спотвореннями тембру
звучання. З підвищенням частоти цей спектр ущільнюється.

32.

n
S
24
2
4
2
2
22
20
18
16
14
10
8
6
4
2
0
25
50
75
85
100
F, Гц
0 10
12,5 16
20
25
31
а
40
50
63
80
Fn, Гц
100 125
б
L10
L
8
6
4
2
0
τ1 τ 2
τi
в
t
0
25
50
100
75
125
150
t, мс
г
Рисунок 5.2 - Спектр власних частот (а), гістограма розподілу їх числа (б)
при l = 10 м, b = 6 м, h = 4 м, приблизна схема часової структури
реверберуючого сигналу (в) й початкова її ділянка (г) для приміщення у
формі паралелепіпеда при l = 40 м, b = 25 м і h = 8 м

33.

Щільність спектра власних частот - число Dn в наперед заданому
частотному інтервалі DF (рис. 5.2, б).
4πVF02 ΔF
Δn
3
cзв
де F0 - середня частота виділеного частотного інтервалу F + DF; сзв швидкість звуку. При цьому середній інтервал між суміжними власними
частотами в області частот від F до F + DF
3
cзв
ΔF
ΔF
ср
Δn
4πVF02
Кількість власних частот в інтервалі від 0 до F може бути знайдено з
формули
4
L
n
де L = 4(l + b + h);
3
зв
3c
VF 3
2
зв
4c
SF 2
8cзв
F
S = 2(lb + lh + bh); V-об'єм приміщення, м3.

34.

Чим менше розміри приміщення, тим в більшому діапазоні частот будуть
спостерігатися резонансні явища і, отже, збільшуватиметься
нерівномірність звукового поля.
Спектр власних частот дуже ущільнюється в сторону високих частот.
При 3 V λ щільність спектра власних частот приміщення настільки
висока, що частота збуджувального коливання практично не відрізняється
за величиною від частоти власного коливання. Тому підсилення окремих
компонент спектра сигналу за рахунок резонансів повітряного об‘єму
приміщення не відбувається.
З хвильової теорії акустики приміщення слідує, що загасання вільних
коливань в приміщенні називають реверберацією, причому процесу
загасання відзвуку властиві флуктуації, обумовлені інтерференційними
явищами і кожен елемент (відрізок) часової структури сигналу збуджує
поступово затухаючий відзвук.

35.

Якщо щільність спектра власних частот вище трьох на частотному інтервалі
шириною 1 Гц, то приміщення практично не вносить тембрального забарвлення
звуку.
Останнє положення стало основою для розрахунку граничної частоти fгр, при
якій хвильова теорія характеризує звукове поле в приміщенні.
На частотах вище граничної частоти fгр просторова неоднорідність звукового
поля в приміщенні, обумовлена ​резонансними явищами повітряного
середовища приміщення, згладжується. При цьому можна не враховувати
хвильові ефекти і використовувати більш прості методи статистичної акустики.
Прийнято вважати, що статистичні методи розрахунку застосовні при виконанні
умови λ с f 3 V 3 , при цьому для третиннооктавної смуги частот Δn>100. З
огляду на неспіврозмірність розмірів приміщень, більш точним умовою
застосовності методів статистичної або геометричної акустики слід вважати
виконання нерівності λ lmin або f >1000 l де lmin - мінімальний лінійний
3
min
розмір приміщення.

36.

Наявність власних резонансних частот, зокрема на НЧ, призводить до
суттєвих спотворень звукопередавання. Зменшення спотворень АЧХ за
рахунок резонансів може бути забезпечено, наприклад, вибором
некратних, але співрозмірних пропорцій приміщення.
Рекомендації міжнародних організацій диктують такі сприятливі
співвідношення геометричних параметрів приміщень: 1:1,6:1,9 (для V
<10 м3) і 1:1,62:2,62 (для V>10 м3). Очевидно, що приміщення кубічної
форми є неприйнятним для використання в якості концертних залів, залів
кінотеатрів.
У прямокутних приміщеннях, звичайно, не можна отримати абсолютно
рівномірний розподіл власних частот. Приміщення з неправильними
(нерегулярними) стінами дає більш безладне розташування на частотній
осі значень частот власних коливань і тому може мати більш рівномірну
частотну характеристику передавальної функції.

37.

ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ СЛУХУ
БУДОВА ВУХА
27 мм
fрез=3...3,5 кГц
Внутрішнє вухо
V=1 см3
7 мм
S=80 мм2
Середнє вухо
Зовнішнє вухо

38.

Розгорнутий равлик
Лімфа
Основна
(базілярна)
мембрана
Орган
Корті
0,5
0,0
5
S=
16000 8000
4000
2000
1000
500
Кругле
вікно
25...32
32...35...40
250
125
63
Гц
S=
1м
м2
Овальне
вікно
4м
м2
Стременочко

39.

При звукових коливаннях стременечко надає рух мембрані овального вікна. Під дією
цих коливань мембрана круглого вікна коливається в такт з мембраною овального,
так як лімфа практично не стискається. Лімфа коливається дотично до поверхні
основної мембрани, поперек до її волокон.
На коливання лімфи відгукуються (резонують) в залежності від частоти коливань
тільки цілком відповідні волокна.
Близько верхівки равлика розташовані волокна, що резонують на низьких частотах, а
у основи равлика (між овальним і круглим вікнами) розташовані найбільш короткі
волокна, і вони резонують на високих частотах.
Складний звук, що складається з декількох складових, які далеко віддалені по частоті
один від одного, збуджує кілька груп волокон (відповідно до частот складових).
Таким чином, основна мембрана служить частотним аналізатором.
Відповідно до теорії Флетчера резонансна частота кожного з волокон визначається
не тільки параметрами волокна як натягнутої струни, а й масою лімфи,
співколивальної з волокном. Тому на низьких частотах в коливаннях бере участь
велика маса лімфи, а на високих - менша.

40.

Вибірковість слухового аналізатора
невелика. Смуги пропускання резонаторів
слухового аналізатора обмежені і, на рівні
0,71 від максимального значення,
складають на частотах 250, 1000 і 4000 Гц
близько 35, 50 і 200 Гц відповідно.
дБ LI
fср=0,25кГц
60
1 1,1
4
40
20
0
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
f
кГц
Ці смуги пропускання називають
критичними смужками слуху.
Внаслідок обмеженого числа нервових закінчень, розташованих уздовж основної
мембрани, людина запам'ятовує в усьому діапазоні частот не більше 250 градацій
частоти, причому число цих градацій різко зменшується зі зменшенням інтенсивності
звуку і в середньому становить близько 150, тобто сусідні градації в середньому
відрізняються один від одного по частоті не менше ніж на 4%, що в середньому
приблизно дорівнює ширині критичних смужок слуху.

41.

Під поняттям висоти звуку розуміють суб'єктивну оцінку
сприйняття звуку по частотному діапазону. Так як ширина
критичної смужки слуху на середніх і високих частотах
приблизно пропорційна частоті, то суб'єктивний масштаб
сприйняття по частоті близький до логарифмічного
закону.
Відчуття висоти тону залежить і від його тривалості:
короткі звуки сприймаються як сухе клацання, але при
подовженні звуку клацання починає давати відчуття
висоти тону.

42.

Мінімальне
значення
амплітуди
коливань волокон основної мембрани, при
I
якому відбувається нервове роздратування
II
і, тим самим, відчуття звуку або
найменше значення дратівливої сили
чистого тону, яке викликає відчуття звуку,
III
називається порогом чутності.
Під дратівливою силою мають на увазі
IV
інтенсивність звуку або звуковий тиск.
Рисунок 2.4 - Збудження нервових Поріг чутності залежить від частоти: при
закінчень при коливаннях волокон: 1000 Гц він дорівнює близько
I - немає збудження (інтенсивність
2·10-5 Па або 10-12 Вт/м2.
1
2
3
4
5
6
7
звуку нижче порога чутності);
II - збудження на порозі чутності;
III і IV - наступні ступені збудження

43.

У міру збільшення інтенсивності звуку розширюється зона збудження основної
мембрани - починають коливатися і сусідні волокна, які також збуджують нервові
клітини одну за одною. Кожна з них буде посилати свої імпульси в слуховий центр.
Слухове відчуття при цьому буде наростати стрибками у міру збільшення числа
збуджених клітин. Такі стрибки називають порогом розрізнення інтенсивності. Число
цих стрибків на середніх частотах не перевищує 250, причому на низьких і високих
частотах це число різко зменшується і в середньому по частотному діапазону становить
близько 150.
Нарешті, при подальшому збільшенні інтенсивності з'являється відчуття болю - настає
больовий поріг (поріг дотику). Больовий поріг відповідає дуже великій інтенсивності.
Найбільша величина больового порогу спостерігається на частоті 800 Гц (близько 1
Вт/м2). В сторону низьких і високих частот він повільно знижується.
Таким чином, і за амплітудою має місце дискретне сприйняття звуку. З огляду на
дискретність по частоті і по амплітуді, налічують у всій області слухового сприйняття
близько 22000 елементарних градацій, що відповідає числу нервових закінчень.

44.

Встановлено, що за Вебером і Фехнером: однакові відносні
зміни дратівливої (роздратувальної) ​сили викликають
однакові абсолютні зміни слухового відчуття, тобто слухове
відчуття пропорційно логарифму дратівливої ​сили
E a lg( I / I п.с )
Для оцінки величини слчуття була запропонована одиниця
під назвою «бел» (а=1). Ця одиниця відповідає десятикратному
відношенню інтенсивності, тому була ухового відвведена ще і
більш менша одиниця - децибел (дБ), що дорівнює 0,1 бела. В
цьому випадку слухове відчуття в децибелах
E 10lg( I / I п.с )

45.

Зона звукових сигналів за рівнем і частотою
L, дБ
Больовий поріг
140
p, Па
2 .102
120
2.10
100
2
Музика
80
2 .10-1
Мова
60
По
ріг
чу
тн
ос
ті
40
20
2 .10-3
2 .10-4
2 .10-5
0
20
50
100
200
2 .10-2
500
1000 2000
5000 10000 20000
f, Гц

46.

Рівень відчуття являє собою рівень інтенсивності звуку, що знаходиться над
рівнем порогу чутності на тій же частоті.
Гучністю називають суб'єктивне відчуття, що дозволяє слуховий системі
розташовувати звуки за певною шкалою - від звуків низької інтенсивності (тихих) до
звуків великої інтенсивності (гучних).
Гучність залежить від інтенсивності звуку, від частоти, спектрального складу,
тривалості та ін.
За еталон рівня гучності приймають рівень інтенсивності чистого тону з
частотою 1000 Гц. Одиницю рівня гучності називається фоном.
Відповідність рівня гучності в фонах і рівня сигналу в дБ визначають криві
однакової гучності.
На високих рівнях гучності слух має частотну характеристику чутливості, близьку
до рівномірної, тому фізична і суб'єктивна характеристики будуть близькі один до
одного.

47.

Криві однакової гучності характеризують рівень сприйняття звукового
сигналу на різних частотах і при різній гучності. Кожна крива
відображає розподіл рівнів звукового поля в межах смуги звукових
частот, що забезпечують рівень гучності, який дорівнює рівню
еталонного тону 1000 Гц. Тобто кожна крива показує, як зі зміною
частоти повинен змінюватися рівень звукового поля, що б рівень
гучності гармонічних сигналів не змінювався. При підвищенні рівня
гучності криві однакової гучності випрямляються, тобто рівень
гучності і звукове поле наближаються на всіх частотах.
На високих рівнях гучності слух має частотну характеристику
чутливості, близьку до рівномірної, тому фізична і суб'єктивна
характеристики будуть близькі один до одного.

48.

Рівень
гучності,
фон
L, дБ
120
120
100
100
80
60
40
20
0
20
p, Па
2. 10
2
80
2.10-1
60
2.10-2
40
2.10-3
20
2.10-4
0
2.10-5
f, Гц
50
100
200
500
1000 2000
5000 10000 20000

49.

Підвищення порога чутності називають
маскуванням. Величина маскування визначається
за формулою
дБ LI
60
LM=90дБ
40
M Lп.с.ш. Lп.с.т.
70
50
20
30
0
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
f
кГц
а)
дБ LI
80
60
Lгр=100дБ
40
60
80
20
40
0
20
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
б)
2
5
10
f
кГц
Низькочастотні тони сильніше маскують
високочастотні.
Два тони або вузькосмугових шуми з
невеликим рівнем гучності, віддалені по частоті
не менше ніж на дві октави, не маскують один
одного. У цьому випадку сумарна гучність буде
дорівнювати сумі гучностей обох звуків.
Якщо їх гучності однакові, то сумарна
гучність подвоїться, що відповідає збільшенню
рівня гучності на 10 фон.

50.

З іншого боку, якщо обидва звуки потрапляють в одну критичну смужку слуху,
то складаються їх інтенсивності. Коли обидва звуку мають високий рівень
інтенсивності або коли їх частоти знаходяться в діапазоні 600...4000 Гц, рівень
сумарної інтенсивності (якщо вони мають однаковий рівень) збільшиться на 3 дБ, на
стільки ж збільшиться і рівень гучності (у фонах). Це два крайніх випадки
підсумовування гучностей.
Якщо обидва звуки (тони або вузькосмугові шуми) відстоять один від одного по
частоті на інтервал менше двох октав або низькочастотний звук має більший рівень,
то з'являється маскування одного звуку іншим, внаслідок чого сумарна гучність буде
менше суми гучностей обох звуків. І чим ближче звуки по частоті, то більше це
зменшення. Обчислити гучність дискретних спектрів дуже складно.
Широкосмугові
сигнали
здаються
гучніші,
вузькосмугові з таким же рівнем звукового тиску.
ніж

51.

За даними теорії Флетчера і Гельмгольца слух не реагує на фазу коливань
синусоїдальної звукової хвилі, реєструючи тільки її амплітуду і частоту. У разі складних
коливань, що складаються з декількох частотних складових, слух безпосередньо не
реагує на фазові зсуви між ними, сприймаючи тільки амплітуди і частоти коливань
кожної зі складових, якщо вони не потрапляють в одну і ту ж критичну смужку слуху.
Час, протягом якого відчуття за рівнем гучності зменшується на 8…10 фон,
називається постійної часу слуху. Ця постійна залежить від ряду обставин, а також від
параметрів сприйманого звуку. В середньому вона дорівнює 150…200 мс.
Експериментально встановлено, що якщо до слухача приходять два коротких
звукових імпульсу, однакові за складом і рівнем, але один з них запізнюється, то вони
будуть сприйняті разом, коли запізнення не перевищує 50 мс. Правда, при запізненні
більше 30 мс буде прослуховуватися деяка якісна зміна звучання. Час у 50 мс
вважається часом розрізнення двох однакових сигналів, що надходять один за одним.
В межах 50 мс інтегрується інтенсивність імпульсу, через це більш тривалий імпульс (в межах до 50
мс), але з меншою амплітудою сприймається так само голосно, як і короткий імпульс з більшою
амплітудою, якщо добуток інтенсивності імпульсів на їх тривалість буде однаковим.

52.

Відчуття гучності залежить від тривалості сигналу: якщо на
слуховий канал надходять два сигнали однакової інтенсивності, то більш
короткий сигнал сприймається як менш гучний. При збільшенні
тривалості сигналу відчуття гучності поступово зростає поки його
тривалість не досягне величини 200 мс.
Слухова система має властивість адаптації, тобто під впливом
тривалих гучних, постійних за величиною звуків гучність звуку, що
відчувається поступово зменшується (слух адаптується).
Експериментально встановлено, що при дії звуку з однією частотною
складовою (чистий тон) і рівнем інтенсивності 100 дБ людина чує другу
гармоніку з рівнем інтенсивності 88 дБ, третю - з рівнем 74 дБ і т. д.
Ці гармонічні складові називаються суб'єктивними. Саме тому
спостерігається маскування звуку на частотах, кратних частоті
маскуючого тону

53.

Одне з основних властивостей вуха - можливість визначення
напрямку надходження звуку в горизонтальній і вертикальній площинах
і оцінки відстані до джерела звуку. Найбільш точно людина визначає
напрямок в горизонтальній площині.
Бінауральним ефектом називають ефект двовухового слухання. За
аналогією із зоровим відчуттям для двох очей його називають
стереоакустичним ефектом. Локалізація звуку полягає в тому, що
внаслідок двовухового слухання людина може визначити напрямок
приходу звукових хвиль з великою точністю; людина «відчуває»
поперечні розміри джерела звуку, а також глибину його, тобто
створюється акустична перспектива.

54.

Слухова локалізація джерела звуку залежить від відстані між вухами. У звичайних
умовах людина визначає напрямок приходу звукових хвиль в горизонтальній
площині з точністю 3…4°, у вертикальній – 15…20°. Якщо до вух приставити
розтруби з великою відстанню між їх отворами, то точність визначення напрямку
приходу звукових хвиль може бути значно підвищена (такими звукоуловлювачами
користувались до війни при визначенні місцезнаходження літака). Ця відстань
впливає як на різницю у часі приходу звукових хвиль до вух, так і на відношення між
амплітудами цих хвиль біля вушних раковин.
Слід зазначити, що точність локалізації напрямку в горизонтальній площині
залежить і від частоти коливань джерела звуку. Наприклад, для звуку з частотою
нижче 300 Гц визначити напрямок приходу звуку важко. У цьому випадку довжина
звукових хвиль велика, і вони, вільно огинаючи голову, створюють майже однакові
звукові тиски біля правого і лівого вуха. Зсув по фазі дуже малий. Саме тому головну
роль в процесі локалізації грають частоти від 1000 до 3200 Гц.

55.

ГЕОМЕТРИЧНИЙ МЕТОД ОЦІНКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ПРИМІЩЕННЯ
Падаючи на поверхню, звукова хвиля частково відбивається від
неї, частково поглинається матеріалом поверхні, переходячи в
теплову енергію, частково може піти за межі приміщення.
Процеси заломлення звукової хвилі в поверхні підкоряються
законам геометричної акустики. При цьому енергія, що
залишилася в приміщенні після відбиття звукової хвилі,
характеризується коефіцієнтом відбиття ; енергія, що
втрачається в приміщенні після відбиття, – коефіцієнтом
звукопоглинання ; енергія звукової хвилі, що пройшла крізь
поверхню, – коефіцієнтом звукопровідності :
= Eпогл/Епад; = Евідб/Епад; = Епр/Епад
де Епад – енергія звуку, що падає на поверхню; Евідб – енергія
звуку, відбитого від поверхні; Епр – енергія звукової хвилі, що
пройшла крізь поверхню в сусіднє приміщення; Епогл – енергія
звукової хвилі, що втрачається в приміщенні при відбитті, тобто
поглинається матеріалами. Очевидно, що + =1, оскільки
Епогл+Евідб = Епад. Значення коефіцієнтів , , залежать від
матеріалу і конструктивних особливостей поверхні, частоти і кута
і падіння звукової хвилі на перешкоди.
Eотр
Eпад
Eпр
Процеси відбиття і заломлення звукової
хвилі, що падає на перешкоду

56.

Кількісну та якісну оцінку впливу перевідбиттів на характер формування поля можна
виконати так званими геометричними методами, аналогічними методам
геометричній оптики. В цьому випадку звукова хвиля представляється у вигляді
«променю». Променем називають криву (в загальному випадку), дотична до якої в
кожній точці збігаються з напрямом потоку звукової енергії. Для однорідного
середовища цей напрям збігається з напрямком нормалі до фронту хвилі.
Геометричний метод розрахунку поля заснований на теорії дзеркальних відбиттів.
Геометричний метод оцінки звукового поля, зокрема, аналізу часової структури
звукового поля застосовується у тих випадках, коли об‘єм приміщення досить
великий, а це умова зазвичай виконується на практиці, і можна не рахуватися з
дискретністю спектра власних частот приміщення.
В основу аналізу було покладено вивчення поширення звукових потоків - прямого і
відбитого від огороджувальних поверхонь у вигляді променевої картини.
Геометричний метод розглядає звукову хвилю як промінь, що виходить з джерела
звуку і неодноразово відбиваючись від поверхонь надходить у визначену точку
розташування слухача.
Нанесення на плані і розрізі приміщення ходу звукових променів від джерела звуку
до огороджувальних поверхонь і побудова (користуючись законами відбиття) картини
відбитих променів дозволяє бачити рівномірність розподілу звукової енергії у
визначеній точці приміщення і обчислити час запізнювання звуковий енергії одного
відбиття щодо іншого.

57.

Шлях звукового променю, багаторазово відбитого від граней прямокутного
паралелепіпеда, може бути представлений в розгорнутому зображенні в двох
або трьох проекціях на площині паралельно граням паралелепіпеда. Знаючи
швидкість поширення звуку, можна визначити запізнення одного звукового
променю по відношенню до іншого, виявити різні акустичні дефекти
приміщень. Така побудова картин поширення звукових променів називається
променевим ескізом.
Геометричний метод безпосередньо пов'язаний з аналізом форми приміщення і
її впливом на звукове поле. Побудова променевих ескізів на плані і розрізах
приміщення дозволяє бачити ступінь рівномірності розподілу відбитої звукової
енергії в зоні розташування слухачів.
При побудові звукових променів будемо вважати, що приміщення має форму
прямокутного паралелепіпеда з гладкими поверхнями, джерело звуку
розташоване в площині торцевої стіни, що найбільше відповідає практичним
випадкам, коли джерела звуку розташовуються на сцені, за екраном, на естраді.
Враховуючи, що в більшості випадків глядачі сидять в кріслах, які знаходяться на
підлозі, будемо розглядати звукове поле в площині підлоги.

58.

Умовимося, що джерело випромінює короткий звуковий імпульс однакової сили в усіх напрямках.
Очевидно, що вся випромінювана звукова енергія буде поширюватися до
зустрічі з огороджуючими приміщення поверхнями. При цьому частина її
прийде зразу на площину, заповнену глядачами, у вигляді прямої енергії.
Решта прийде на площину підлоги після одноразового, дворазового, ... , п
- разових відбиттів від огороджень приміщення.
Частини поверхні, відбиваючись від яких звукова енергія приходить на
всю площину підлоги після одноразового відбиття, площадками перших
відбиттів, ті частини поверхні, падаючи на які звукова енергія приходить
після дворазового відбиття - площадками других відбиттів і, нарешті, ті
частини поверхонь, падаючи на які звукова енергія приходить на площину
підлоги після п відбиттів - площадками n-х відбиттів.
При побудовах траєкторій променів використовується поняття уявного
джерела звуку.

59.

Зона глядачів
балкону
h
Джерело
звуку
Слухач
ДЗ
Сцена
Зона глядачів
партеру
l
Надходження звукових променів до слухача у закритому приміщенні

60.

lЗ – довжина зали
А’
||
hГм – висота
підвісу Гм над
головами слухачів
bГм1-Гм2 – відстань
між ГМ
Ас
P
bГм1 – відстань
від стіни до Гм1
Глядацька зала
кінотеатру
B’
C’
P
hп-око (вухо) г.=1000
hЗ – висота зали
||
Гм2
Гм1
Умовна зона
розташування глядачів
А
Рівень підлоги
Рівень розташування
голів слухачів
Напрямок робочої
вісі Гм1
Вихідні геометричні дані для побудови
площадок перших відбиттів
Ап
B
Побудова площадок перших
відбиттів у площині x, y
При побудові площадки відбиття в аксонометрії проводять граничні
промені з уявного джерела А’ в кутові точки площі глядацьких місць
C

61.

l’
A’
K
G
E’
b’
D’
Ас
B’
P
C’
F
M
D
E
b
hA
h
А
Ап
B
l
C
Побудова площадок перших відбиттів в аксонометрії відносно стелі

62.

Розміри площадок перших відбиттів на стелі залежать тільки від розмірів приміщення і
від відносної висоти джерела звуку у порівнянні з висотою приміщення. Очевидно,
чим більше відношення НГМ/НЗ, тим розміри площадки менше.
Всі площадки, розташовані на стелі, повторюють форму підлоги, тобто мають вигляд
прямокутників, розміри яких залежать від основних розмірів приміщення і висоти
джерела звуку. У практичних випадках на стелі поміщаються площадки перших трьохчотирьох відбиттів. Отже, звукова енергія, відбита від стелі, як правило, формується в
будь-якій точці площини підлоги на початковій ділянці ревербераційного процесу.
Розміри площадок на бічних стінах теж залежать від розмірів приміщення і висоти
джерела звуку.
Площадка перших відбиттів на задній стіні має форму трапеції.
Всі площадки, розташовані на стелі, повторюють форму підлоги, тобто мають вигляд
прямокутників, розміри яких залежать від основних розмірів приміщення і висоти
джерела звуку. У практичних випадках на стелі поміщаються площадки перших трьохчотирьох відбиттів. Отже, звукова енергія, відбита від стелі, як правило, формується в
будь-якій точці площини підлоги на початковій ділянці ревербераційного процесу.

63.

Розташування площадок відбиттів на стінах приміщення ділить його на
дві частини. Границя між цими частинами проходить через центр
джерела звуку.
Площадки відбиттів, розташовані на нижній частині стін (нижче межі),
мають порівняно великі розміри тільки для першого і другого відбиттів.
Далі їх розміри починають зменшуватися, і в порівняно вузькому поясі
розміщується нескінченно велика кількість площадок вищих відбиттів.
Таким чином, нижня частина стін виявляється в основному поверхнею, від
якої звук приходить на площину глядацьких місць після одного і двох
відбиттів, тобто ці відбиття, так само як і відбиття від стелі, формують
початкову ділянку ревербераційного процесу.
верхня частина стін (вище кордону) принципово служить поверхнею,
падаючи на яку звукова енергія приходить на площину глядацьких місць
після багатократних відбиттів, які формують завершальну ділянку
ревербераційного процесу.

64.

D
E
А
Абп D’ Ап E’
A’
B (B’)
C (C’)
А’п
Побудова площадок перших відбиттів в аксонометрії відносно лівої стіни

65.

A’
А’п
B’
(D’) D
Абп
C’
E (E’)
А
Ап
B
C
Побудова площадок перших відбиттів в аксонометрії відносно правої стіни

66.

D
А
Ап
Азс D’
E(E’)
A’
B’
А’п
B
C (C’)
Побудова площадок перших відбиттів в аксонометрії відносно задньої стіни

67.

Площадка перших
відбиттів від стелі
А Гм
Площадка перших
відбиттів від бічної
лівої стіни
Площадка перших
відбиттів від бічної
правої стіни
Умовна зона
розташування
глядачів
Площадка перших
відбиттів від задньої
стіни
Зображення площадок перших відбиттів в аксонометрії

68.

А
Умовна зона
розташування
глядачів
Площадка перших
відбиттів від задньої
стіни
Фронтальна стіна
Площадка перших
відбиттів від бічної
правої стіни
Площадка перших
відбиттів від стелі
Гм
Площадка перших
відбиттів від бічної
лівої стіни
Розгортка зали з відображенням площадок перших відбиттів

69.

А’’
А’
||
||
|
C’
P
B’
P
|
B’’
А
Ап
B
C (C’’)
Побудова площадок других відбиттів у площині x, y
При побудові площадок других відбиттів спочатку намічають послідовність відбиттів
(наприклад, стеля - задня стінка - глядачі). Потім знаходять положення первинного
уявного джерела (симетрично дійсному джерелу відносно першої відбиваючої
площини) і вторинного уявного джерела (симетрично первинному відносно другої
відбиваючої площини).

70.

A”
А’зс
A’
D’
E’
Ас
D”
А”с
C’
B’
B”
D
E(E”)
А
Ап
B
А”п
C(C”)
Побудова площадок других відбиттів в ізометрії

71.

Стеля
Фронтальна
стіна
Бічна стіна права
Бічна стіна ліва
hГм
hЗ
ЗК
Задня стіна
bЗ
Площадки відбиттів
Підлога
1
2
3
4
ЗК – звукова колонка
lЗ
(гучномовець)
Розгортка зали з відображенням площадок перших, других, третіх, четвертих відбиттів

72.

Загальна кількість відбиттів, що приходять в будь-яку точку
глядацьких місць, очевидно, визначається кількістю площадок
відбиттів на поверхнях приміщення. Кількість площадок перших
відбиттів - 4, площадок других відбиттів - 9, третіх - 15 і т.д. Таким
чином,
N |n =1 4; N |n 2 6n 3,
де n - номер відбиттів.
Час надходження звукової хвилі у точку на відстані l
l
l
.
сзв 340

73.

СТАТИСТИЧНИЙ МЕТОД ОЦІНКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ПРИМІЩЕННЯ
Поле в кожній точці приміщення можна розглядати як результат
накладення на сигнал прямої звукової хвилі, що поступає від гучномовця
або виконавця по найкоротшому шляху (прямий звук), значного числа
повторень, що запізнюються, обумовлених відбитими звуковими хвилями
(відзвуками), що зазнали різне число відбиттів від поверхонь приміщення.
Нагадаємо, що універсальною енергетичною характеристикою звукового
поля є щільність звукової енергії. Щільність звукової енергії в одиниці
об'єму Е визначається шляхом вимірювання середньоквадратичного
звукового тиску р2, усередненого за часом у всіх точках простору
приміщення, в такий спосіб:
E
р2
р2 1
1
І
І
І
2
V 0 с0 0 с0 с0
с0 с0 сзв
де Е і Ізв – відповідно енергія і інтенсивність звукової хвилі у закритому
приміщенні; V і cзв – об'єм приміщення і швидкість розповсюдження
звукової хвилі.

74.

Звукопоглинання в приміщенні
Амплітуда (рівень) відбиттів, а також частотні характеристики сигналів
визначаються звукопоглинальними властивостями огороджень
приміщення.
Звукопоглинання у приміщенні визначається коефіцієнтом
звукопоглинання
= Eпогл/Епад;
де Епад – енергія звуку, що падає на поверхню; Епогл – енергія звукової
хвилі, що втрачається в приміщенні при відбитті, тобто поглинається
матеріалами. Значення коефіцієнтів залежать від матеріалу і
конструктивних особливостей поверхні, частоти і кута і падіння звукової
хвилі на перешкоди.

75.

Коефіцієнт звукопоглинання є середнім значенням сукупності всіх його
можливих значень
1 n
i ( i )
n i 1
де і ( і) – коефіцієнт звукопоглинання при куті падіння звукової хвилі i.
Звукопоглинання у приміщенні визначається матеріалами, предметами,
людьми тощо, що знаходяться у приміщенні, конструкцією та покриттям
огороджень.
Поверхні перешкод порожнього приміщення, оброблені різними
матеріалами з коефіцієнтами звукопоглинання 1, 2.., n при площі
поверхні кожного з них відповідно S1, S2,..., Sn утворюють основний фонд
звукопоглинання
Aосн S1 2 S 2 ... n S n n S n
S1 S2 ... Sn S – сумарна площа всіх поверхонь приміщення

76.

Додатковий фонд звукопоглинання приміщення утворюють люди,
предмети обстановки (відносно яких важко оцінити займану ними площу).
Якщо відомі загальне число одиниць звукопоглинання для кожного такого
об'єкту (A1, A2, ..., Ak) і їх кількість в приміщенні 1, 2, ..., k то додатковий
фонд звукопоглинання дорівнює
Адод Ak Λk
Окрім основного і додаткового фондів звукопоглинання необхідно
враховувати ще і так званий доповняльний фонд звукопоглинання
Адоп = допSдоп,
де доп – коефіцієнт доповняльного звукопоглинання, що враховує
проникнення звукових хвиль в різні щілини і отвори приміщення,
коливання різноманітних гнучких елементів, поглинання звуку
освітлювальною арматурою і т.п.

77.

Загальне (сумарне, повне) звукопоглинання в приміщенні
AΣ n Sn Ak k доп Sдоп
де A, n, Ak, допSдоп виражені в одиницях звукопоглинання, Себ. Під
одиницею звукопоглинання розуміється поглинальна здатність 1 м2
умовного матеріалу, що має = 1 ( = 0), тобто повністю поглинає звукову
енергію, що падає на цю поверхню. На практиці ідеальним
звукопоглинальним елементом можна вважати відкрите вікно, при рівних
атмосферних умовах усередині і зовні приміщення.
Середнє значення коефіцієнта звукопоглинання ср для приміщення
AΣ
aср
SΣ

78.

Середня довжина і середній час пробігу звукової хвилі в приміщенні
Середня довжина вільного пробігу звукової хвилі може бути визначена
за формулою
lcp = 4V/S
Середній час вільного пробігу звукової хвилі
lcp
4V
tcp
cзв cзв S
Середнє число відбиттів звукової хвилі від поверхонь приміщення в
одиницю часу
c S
S = 2(lb + lh + bh)
1
зв
ncp
tcp
4V

79.

Структура та слухове сприйняття ревербераційного процесу у приміщенні
На мікрофон (слухача), встановлений в приміщенні, впливають звукові хвилі, що
надходять від джерела звуку найкоротшим шляхом (прямий звук), і велике число
хвиль, відбитих від поверхонь цього приміщення (відзвуки). Останні утворюють
ревербераційний процес приміщення і відрізняються від прямого звуку рівнем,
спектральним складом, часом і напрямком приходу.
Просторовість ревербераційного процесу є найважливішою його особливістю, істотно
поліпшує сприйняття всіх його часових і частотних змін завдяки властивої слуху
виборчої здатності за напрямком. Цю властивість слуху називають зазвичай
просторовим демаскуванням.
Аналітично реверберуючий сигнал s(t) можна представити у вигляді
n
s (t ) ai x(t i ),
i 0
де аi і i – відповідно амплітуда і час запізнювання i-го відзвуку (для сигналу прямого
звуку i=0); x(t) – часова функція сигналу, що випромінюється джерелом звукових
коливань.

80.

Типова картина ревербераційного процесу для приміщення будь-якої
форми зображена на рисунку. По осі ординат відкладені рівні сигналів
прямого звуку і відзвуків, по осі абсцис – час їх надходження в точку
прийому звуку.
N, дБ
, мс
0
100
200
300
400
500

81.

У початковій стадії часова структура ревербераційного процесу
дискретна. Із збільшенням часу запізнювання відбитих сигналів їх
кількість зростає, а часові інтервали між ними зменшуються. Рівень
відзвуків з часом поступово зменшується. Даний процес має
флуктуаційний характер.
Ця початкова ділянка ревербераційного процесу несе інформацію про
геометричні розміри приміщення, його об'єм, визначає таку важливу
особливість сприйняття, як просторовість звучання, а також властиве
приміщенню специфічне забарвлення звучання.
Завершальна ділянка ревербераційного процесу характеризується
надходженням в кожен момент часу досить великого числа відбитих
сигналів. Вона визначає властиву приміщенню гулкість звучання.
Повного "перемішування" відбиттів можна чекати не раніше як через 100
мс, а у великих приміщеннях – і через 200 мс. Звукове поле в приміщенні
наближається до дифузного не раніше вказаного проміжку часу.

82.

Між сигналом прямого звуку і завершальною ділянкою ревербераційного
процесу розташовуються ранні відбиття.
Слухач концерту сприймає лише від 5 до 20 % загальної енергії у вигляді
прямого звуку, 10 % енергії доводиться на завершальну ділянку
ревербераційного процесу. Інше, приблизно 70...80 %, – це енергія
дискретних відбиттів.
У дискретній частині ревербераційного процесу слід розрізняти умовно
ранні і пізні відбиття. Межа між ними лежить близько 50 мс для мови і 80
мс для музики.
При звучанні музики максимальний ефект просторовості і прозорості
звучання досягається, якщо перше відбиття запізнюється по відношенню
до сигналу прямого звуку приблизно на 20...30 мс, а перші три сигнали,
що запізнюються, розміщуються в інтервалі 45...75 мс.
При звучанні мови висока розбірливість досягається, якщо перший
запізнений сигнал приходить не пізніше 10...15 мс після сигналу прямого
звуку, а перші три відбиття – в інтервалі 25...35 мс.

83.

Збільшення часу запізнювання першого відбиття підсилює ефект
просторовості звучання, але при цьому, як правило, знижується
розбірливість.
Найраніші відбиття підвищують розбірливість і прозорість, а пізніші –
просторове враження.
Дифузність звукового поля визначають його однорідністю і ізотропністю.
Однорідність означає однаковість щільності звукової енергії в усьому
просторі приміщення. Ізотропність визначається рівноймовірністю
напрямків приходу енергії в дану точку. Останнє означає, що на одиничну
площадку, розміщену в будь-якій точці поля, падає одна і та ж кількість
енергії за одиницю часу незалежно від її орієнтації в просторі.
Уявлення про дифузне звукове поле і пов'язана з ним можливість
використання середніх значень , tср, nср, дозволяє достатньо просто
одержати вирази, що описують процеси наростання звукової енергії в
приміщенні після включення джерела звуку і її поступового поглинання
після виключення джерела.

84.

Процес наростання звукової енергії в приміщенні
Припустимо, що в момент t0 = 0 в приміщенні почало працювати джерело
звуку з акустичною потужністю Ра.
З часом в приміщенні звукова енергія прямого звуку підсумовується з
енергією відбитих звуків, при цьому деяка частина енергії поглинається
поверхнями приміщення. Через час t в приміщенні буде запасена деяка
енергія.
Процес наростання енергії в приміщенні можна записати виразом
cзв S ln 1 α
4 PV
a
E (t )
t .
1 exp
cзв αS
4V
Враховуючи, що універсальної енергетичної характеристикою звукового
поля в приміщенні є щільність звукової енергії, остаточно напишемо
4 Pa
E (t )
ε (t )
V
cзв αS
cзв S ln 1 α
t .
1 exp
4V

85.

Процес наростання енергії
в приміщенні
Процес спадання енергії
в приміщенні
0
1
0
1
2
0
2
t=0
t=0
t
а)
t
б)
10 lg( / 0 )
0
t1 = 0
t1' = 0
t2
t2'
t
в)
Процес наростання і спадання енергії в приміщенні в логарифмічному масштабі

86.

Зауважимо, що якщо α ≤ 0,2, то справедливо співвідношення -ln (l - α) = α і
тоді (5.29) можна спростити:
4 Pa
cзв S
ε (t )
1 exp
t .
cзв αS
4V
В дифузному звуковому полі процес наростання щільності звукової енергії
в приміщенні відбувається по експоненціальному закону. При цьому
наростання звуковий енергії прискорюється при збільшенні коефіцієнта
звукопоглинання α і відношення S / V, що залежить від форми і розмірів
приміщення.
Щільність звукової енергії, яка встановилася в приміщенні зростає із
збільшенням потужності джерела звуку Рa і падає із збільшенням
загального звукопоглинання А = αS. В реальних умовах звукове поле в
приміщенні не може вважатися строго дифузним - процесу наростання
звукової енергії в приміщенні властиві флуктуації.

87.

αср S A – загальне поглинання звукової енергії в приміщенні.
Коефіцієнт звукопоглинання < 1, тому ln 1 0 показник ступеня
має негативний знак і при t другий співмножник прагне до нуля.
Тому в сталому режимі
4 Pa
ε0
.
cзвαср S
Величина ε0 називається сталою щільністю звукової енергії у
приміщенні. У сталому режимі потужність, що поглинається поверхнями
приміщення, дорівнює потужності, що випромінюється джерелом звуку.
Інакше кажучи, процес наростання звукової енергії в приміщенні
відбувається до тих пір, поки енергія, яка відповідна повторенням
(відзвукам), що найбільш запізнюються, не знизиться до значення, яким
можна знехтувати.

88.

Нехай в приміщенні встановилася стала щільність звукової енергії ε0 .
Вимкнемо джерело звуку і з цього моменту будемо відраховувати
поточний час t.
Звукова енергія в приміщенні буде зменшуватись і з часом t буде
становити
c S ln 1 α
ε (t ) ε0 exp n ln 1 α ε0 exp
зв
4V
t .
Ця формула визначає закон спадання енергії в приміщенні після
відключення джерела звуку.
При коефіцієнті звукопоглинання a ≤ 0,2, -ln (1 -α) = α, а
cзв S
ε (t ) ε0 exp
t .
4V
Процес спадання звукової енергії в приміщенні також відображається
експоненціальною залежністю і залежить від загального звукопоглинання
А = aS і об‘єму V приміщення.

89.

ε ε0 exp( μl ),
f2
η.
l cзв t , μ 52,5
cзв ρ0
М-1
0,06
Коефіцієнт загасання, μ
Поглинання звуку у повітряному середовищі
Звукова енергія поглинається не тільки
поверхнями перешкод приміщення, але і
середовищем. Ці додаткові втрати обумовлені
в'язкістю і теплопровідністю повітря, а також
молекулярним поглинанням. Поглинання
звуку в повітрі визначається пробігом звукової
хвилі і достатньо точно може бути описано
експоненціальною функцією вигляду:
З урахуванням поглинання звуку в повітрі
вираз процесу спадання щільності звукової
енергії, що описує процес реверберації звуку в
закритому приміщенні, можна представити у
вигляді
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01 1
кГц
0
0
10
2 кГц
20
4 кГц
6 кГц
10 к Г
ц
8 кГц
30 40
50 60 70
Відносна вологість, %
cзв S ln 1 αср
S ln 1 αср 4 μV
ε (t ) ε0 exp( μl )exp
t ε0 exp
cзвt .
4V
4V
80
90

90.

Відмітимо, що при одній і тій же акустичній потужності джерела звуку
тривалість процесу реверберації на низьких і середніх частотах майже
не залежить від звукопоглинання повітряного середовища, бо значення
коефіцієнта μ мало.
У області верхніх частот тривалість процесу реверберації зменшується
тим значніше, чим вище частота. Взагалі кажучи, чим більший об'єм
приміщення, тим більша середня довжина вільного пробігу звукової хвилі,
тим на нижчих частотах починає позначатися поглинання звуку в
повітряному середовищі

91.

Критерії оцінки акустичної якості приміщень
Стандартний час реверберації
Стандартний час реверберації Tр приміщення – час, протягом якого
щільність звукової енергії зменшується в 106 разів, тобто на 60 дБ. З цього
визначення виходить, що при t = Tр
ε (Tp )
ε0
S ln 1 αср 4 μV
10 exp
cзвTp .
4V
6
Після логарифмування і підстановки значень cзв = 343 м/с, що відповідає
температурі повітря 20°С, і lge = 0,434 вирішимо одержаний вираз
відносно часу Tр
6
ln10
S ln 1 αср 4 μV
cзвTp ;
4V
ln10 6 4V
ln10 6 4V / cзв
Tp
.
( S ln 1 αср 4 μV )cзв S ln 1 αср 4 μV
0,161V
Tp
.
S ln 1 αср 4μV

92.

13,82 4V / 343
0,161V
0,161V
Tp
, (t 20 C );
S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV
13,82 4V / 340
0,163V
0,163V
Tp
, (t 17 C );
S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV
13,82 4V / 337
0,164V
0,164V
Tp
, (t 15 C ).
S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV S ln 1 α 4 μV
Отже, стандартний час реверберації Тр залежить від об'єму приміщення V,
площі обмежуючих його поверхонь коефіцієнта звукопоглинання і
поглинання звуку в повітрі.
Відмітимо, що в знаменнику цієї формули перший доданок S ln 1 αср
враховує втрати звукової енергії при відбиттях, другий 4μV поглинання
звуку в повітрі.

93.

Для невеликих приміщень, а також для приміщень великого об'єму, але
на частотах нижче 1000 Гц другим доданком в можна нехтувати і
визначати час реверберації за формулою:
0,161V
Tp
.
S ln 1 αср
-ln(1- )= ' називають ревербераційним коефіцієнтом поглинання.
Враховуючи тотожністю ln(1-α) = 2,3 lg(1-α), маємо
0, 071V
Tp
.
S lg 1 α
При невеликих значеннях коефіцієнта звукопоглинання 0,2
справедливе співвідношення -ln(l- )= , а час реверберації визначається
як
0,161V
Tp
.
ср SΣ

94.

Звукопоглинання приміщення виражене через час реверберації
0,161V
A αср S
Tp
а стала щільність звукової енергії
ε0
PT
a p
13,8V
.
Акустичне відношення і еквівалентна реверберація
Стандартний час реверберації характеризує акустичні властивості
приміщення в цілому, тоді як слухова оцінка звучання на окремих місцях
прослуховування може бути різною, що перш за все обумовлено зміною
співвідношення щільності звукової енергії прямого звуку і енергії, що
надходить в цю точку всією сукупністю відбиттів.

95.

Якщо джерело звуку випромінює сферичні хвилі, то щільність звукової
енергії прямого звуку в точці приміщення, віддаленій від нього на
відстань r буде визначатись як:
εпр
I зв пp
сзв
Pa
.
2
4πr сзв
Щільність дифузної складової звукової енергії визначимо як частину
сталої щільності звукової енергії яка залишається в приміщенні після
виключення джерела звуку через інтервал часу
εвідб ε0 βср
4Pa
cзв ср SΣ
(1 ср ).
Величину, що характеризує співвідношення щільності звукової енергії
прямого і дифузного звуків, називають акустичним відношенням:
εвідб 16πr 2 1 ср
R
.
εпр
SΣ
ср

96.

Для джерела звуку з направленим випромінюванням величина
акустичного відношення може бути розрахована по формулі
2
1 ср
ε
16
πr
'
відб
R
.
2
εпр
SΣ ΩD ( ) ср
де ср – середній коефіцієнт звукопоглинання у приміщенні; S – площа
обмежуючих поверхонь приміщення; Ω – коефіцієнт осьової концентрації
джерела звуку; D( ) – його характеристика спрямованості; – кут між
акустичною віссю джерела звуку і напрямом на дану точку приміщення.
0,161V
Якщо врахувати, що αср S
,
Tp
то вирази для визначення акустичного відношення можна представити
так:
2
2
2
R 306
r Tр
R 306
'
V
(1 ср ).
r 2Tр
VΩD ( )
2
(1 ср ).
р ос напр
р ос ненапр
2
D( )
р
р ос
.
р ос
р ср
2
;

97.

Величина акустичного відношення росте при збільшенні відстані між
джерелом звуку і слухачем, збільшенні часу реверберації, використанні
менш направлених джерел звуку з малим значенням коефіцієнта осьової
концентрації, зменшенні середнього коефіцієнта звукопоглинання
поверхонь приміщення і об'єму останнього.
Зміна акустичного відношення сприймається при слуховій оцінці як зміна
часу реверберації.
Для музичних програм акустичне відношення доходить до 6...8, в окремих
випадках до 10...12 (органна музика). При R < 2 музичне звучання здається
неприродно сухим. Для мовних програм звичайно R < 1. Відстань до
джерела звуку, при якому R = 1, називається радіусом гулкості
приміщення. При великих відстанях εвідб >> ε пр і в звучанні з'являється
гулкість. Для одиночного джерела звуку радіус гулкості дорівнює
αср S D 2 ( )
rгул
.
50,3(1 αср )

98.

Звукова енергія в приміщенні за наявності в точці розташування слухача
прямого і відбитого звуків у момент відключення джерела звуку (час t1)
змінюється стрибком (крива 1), що обумовлено зникненням поля прямого
звуку ε пр при виключенні джерела звуку. Розмір цього стрибка Δ
визначається акустичним відношенням. У ідеально дифузному полі R=
( ε пр =0) згаданий стрибок відсутній.
10 lg( / 0), дб
10 lg( / 0), дб
0
1
1
2
2
A
3
Δt
60
Tp
t
t1
Tер
t
Tp

99.

Два процеси спаду звукової енергії в приміщенні – реальний із стрибком
рівня в момент t1 (крива 1 на рис. 1.4,б) і без стрибка (крива 2) —
оцінюються на слух як еквівалентні по гулкості, якщо точка їх перетину A
відстоїть від моменту t1 на інтервал Δt 0,2 с. Час, протягом якого щільність
звукової енергії цього еквівалентного процесу (крива 2) зменшується на 60
дБ (або в 106 разів) і визначає еквівалентний час (що відчувається на слух)
реверберації Tер. Очевидно, що, змінюючи Tер, можна міняти суб'єктивне
відчуття сприйманої реверберації. Як правило, Tер < Tр і лише при R
Tер Tр .
Еквівалентна реверберації Tер істотно залежить від відстані між джерелом
звуку і точкою розташування слухача або мікрофона, а також від
характеристик спрямованості останнього. При малому значенні r вона
помітно менше за Tр зважаючи на великий рівень прямого звуку.
Сприймана реверберація в цьому випадку ослабляється. При R > 3 маємо
Tер Tр.

100.

Для розрахунку значення Tер користуються формулою
1,2Tр
Tер
1,2 Tрlg ( Ω м R ) / R
2
2
м Eм1
Eм2
коефіцієнт спрямованості мікрофона;
- чутливість мікрофона до прямого і дифузного звуків відповідно.
E м1 E м2
N, дБ
, мс
0
100
200
300
400
500

101.

Критерії акустичного якості приміщень
Критерій, що відображає особливість слухового сприйняття сприймати
розмитість звучання, зниження чіткості, називають фактором чіткості
D. Він являє собою відношення "корисною" частини енергії відбитих звуків
(в межах якої запізнілі сигнали тісно корельовані з сигналом прямого
звуку) Eд( 0... ) до всієї енергії реверберуючого сигналу Eд( 0... )
τ
0
0
D ε (t )dt
ε(t )dt .
Тут τ = 50 мс для мови і 100 ... 150 мс для музики.
Для мови значення фактора D в першу чергу пов'язано з розбірливість,
його оптимальне значення в цьому випадку становить 0,7 ... 0,75. Для
музичних сигналів в приміщеннях з хорошою акустикою він повинен бути
в середньому однаковим і дорівнювати 0,54.

102.

Фактор ревербераційних завад (критерій Сухаревського-Стретта) являє
собою відношення енергії прямого звуку Eпр і тієї корисної частини
відбитої дифузійної енергії, Eд(t 1 16) яка сприймається слухом протягом
1/16 с (62,5 мс) після приходу прямої хвилі, до всієї іншої відбитої енергії
Eд(t 1 16), що відноситься до шкідливої ​її частини
Q
Eпр E д(t 1 16)
E д(t 1 16)
Фактор ревербераційних перешкод, перш за все, був запропонований як
критерій оцінки артикуляційної якості приміщень.
Відомо дуже велика кількість додаткових критеріїв якості приміщень.
Практично всі вони є енергетичними і засновані на оцінці енергії Е
імпульсного відгуку приміщення рзв(t) для різних часових інтервалів:
t
2
E (t ) p зв
(t )dt;
0
t2
2
E (t1 , t 2 ) p зв
(t )dt;
t1
2
E (t , ) p зв
(t )dt.
t

103.

Найбільш часто застосовують такі енергетичні критерії (виражені в
децибелах):
Чіткість
D
Гулкість
Прозорість
10lg( E50 / E ),
H 10 lg E E50 / E50 ,
L
10 lg E80 / E E80 ,
Просторове враження
Латеріалізація
LF
R
A
A
10lg E80 E25,80 E25,80 E25 E25,80 ,
10lg E50B E25B E80 ,

104.

Нижній індекс у функції Е визначає значення t в міллісекундах, що є верхньою
межею інтеграла або при наявності двох нижніх індексів. Верхній індекс A
визначає те, що для прийому імпульсного відгуку приміщення застосований
односпрямований вимірювальний мікрофон з кутом охоплення ± 40 ° в
діапазоні частот 500 ... 1000 Гц, орієнтований на джерело звуку. Верхній індекс В
відповідає застосуванню вимірювального мікрофона з діаграмою
спрямованості в формі вісімки, причому вісь його максимальної чутливості
орієнтована перпендикулярно бічних стін приміщення. Відсутність верхнього
індексу у функції Е говорить про застосування ненаправленого вимірювального
мікрофона під час запису імпульсного відгуку приміщення.
Для мовних сигналів критерій чіткості D пов'язаний, перш за все, з високою
розбірливість, його оптимальне значення становить -1,5 ... 2 дБ. Для
радіомовлення коефіцієнт словесної розбірливості не повинен бути менше 96%.
У музичних студіях оптимальне значення параметра D лежить в межах -3 ...- 6
дБ і не повинне сильно змінюватися від однієї точки розташування
вимірювального мікрофона до іншої.
Оптимальні значення критерію гулкості H в музичних студіях лежать в межах +3
... + 8 дБ. При H <3 дБ звучання здається зайво сухим, а при H > 8 дБ - занадто
гулким.

105.

Межі зміни критерію прозорості L в студіях, призначених для виконання
класичної музики, складають -1,8 < L <+2 дБ, а для романтичної музики,
відповідно, -5 < L <-1,8 дБ.
Просторове враження практично не відчувається, якщо значення R (5.70)
становить менше -10 дБ, слабо помітно, при -10 < R <-4 дБ, помітно, якщо 4 < R <+1 дБ, дуже гарне при 1 < R < +7 дБ, надмірно повне, якщо R > +7
дБ.
Латеріалізація - сприйняття звуків лівим вухом та правим вухом і психічне
сприйняття лівою та правою частинами головного мозку – процес
перерозподілу психічних функцій між лівим та правим напівшарами
головного мозку. Вираз для LF оцінює частку енергії відбитих звуків, що
надходять з бічних напрямків приміщення (праворуч і ліворуч). У
музичних студіях значення критерію LF має бути не менше 1,5 дБ.

106.

Оптимальний час реверберації
Оптимальне значення стандартного часу реверберації, при якому
звучання звукової програми сприймається найкращим чином, залежить
від жанру самої програми, об'єму приміщення і частоти. Для двох
основних видів мовних програм – мовних і музичних – оптимальне
значення Tропт істотно різне. В більшості випадків воно регламентується
для частотного діапазону 125...4000 Гц.
Чим менший час реверберації, тим вище розбірливість мови. Проте дуже
малий час реверберації робить звучання дуже сухим, обідняє його в
тембральному відношенні. Збільшення Tр збагачує звучання, покращує
чіткість і прозорість звучання, додає йому просторовість, об'ємність,
гулкість, але погіршує умови сприйняття змістовної інформації при мовній
передачі.

107.

У зв'язку з тим, що програми телебачення і радіомовлення розділені за
жанрами, для їх виробництва будують студійні приміщення з різними
акустичними умовами.
Це стосується і приміщень, в яких проводиться озвучення і звукопідсилення
- кінотеатральні зали, концертні зали і приміщення, лекційні приміщення і
ін.
Студія - приміщення, спеціально призначене для виконання мовних і
музичних фрагментів мовних програм.
Студії для виконання мовних програм різних жанрів повинні мати
неоднакові акустичні властивості.
Студії середніх і малих розмірів найчастіше мають форму прямокутного
паралелепіпеда, сторони якого - довжина l, ширина b, висота h - знаходяться
в співвідношенні так званого "золотого перетину":
l/b/h = 2,6/1,6/1 (5/3/2), l/b=b/h.
З огляду на те, що об‘єм студії V = lbh, отримуємо:
b V
3
h 0, 62 3 V
l 1, 62 3 V

108.

Тр,
с
Оптимальна
кількість
виконавців
Висота, м
Площа
підлоги, м2
Симфонічна музика (у
виконанні середніх по
числу оркестрів)
40…65
8,5…10
350…450
1,6…1,8
Запис естрадної і джазової
музики
30…60
8,5…10
350…450
1,5…1,7
Запис невеликих оркестрів
і хорів
Виконання камерної
музики, для солістів
вокалістів, музичних
передач малих форм
30…35
8,0…8,3
250…300
1,5…1,7
10…15
6
150
1,0…1,3
Середня літературнодраматична
Художнє читання, невеликі
за формою радіоспектаклі
10…15
5
100
0,6…0,8
Мовна
Інформаційні передачі,
останні новини
2…4
3,2…3,5
26…30
0,3…0,4
Найменування студії
Середня музична
Мала музична
Камерна
Призначення

109.

Найменування студії
Заглушена
Апаратні
Кімната
прослуховування
Велика телевізійна
Призначення
Оптимальна
кількість
виконавців
Висота,
Площа
м
підлоги, м2
Тр,
с
Створення спеціальних
ефектів при літературнодраматичних записах
Перезапис фонограм, запис
фрагментів програм для
консервації
6…10
4
50
0,15…0,
2
1…2
3,5
30…40
0,2…0,3
Проведення експертиз
3…7
3,5
30…40
0,5…0,7
Музичні, літературнодраматичні передачі і
зйомка з великим числом
сценічних площадок, зі
складним оформленням
250
10…12,5
450…600
0,8…1,0

110.

Найменування студії
Призначення
Оптимальна
кількість виконавців
Висота, м
Площа
підлоги, м2
Тр,
с
Мала телевізійна
Музичні, літературно-драматичні
передачі малих форм з малим
числом (одна-дві) сценічних
площадок з нескладним
обладнанням; передачі
суспільно-політичні, науковопізнавальні, літературні,
демонстрація експонатів,
моделей і т.п.
30
6,5
150
0,6…0,8
Дикторська
програмна
Показ дикторів або
виступаючих (середній і
великий плани)
Інформаційні передачі (без
показу диктора)
Кінопоказ із багатоканальним
звуковідтворенням
Кінопоказ із стереофонічним
звуковідтворенням
2…4
4,2…4,5
60…80
0,4…0,5
1…2
2,6…2,8
12…15
0,2…0,3
100
7
200
0,9
500
12
750
1,3
Дикторська кабіна
теле-коментатора
Кінотеатр
Кінотеатр

111.

Для дикторських студій час ревер6ераціі має залишатися практично
постійним (0,3 ... 0,4 с) в смузі частот 125 ... 4000 Гц. Допускається
зменшувати це значення до 0,2 ... 0,25 с в студіях меншої площі, ніж це
зазначено в табл. 1. Оскільки низькочастотні компоненти спектра
визначають в основному гулкість звучання, то зниження часу реверберації
на низьких частотах в певній мірі забезпечує підвищення розбірливості
мови.
Тому в телевізійних студіях, де основним видом звучання є мова,
рекомендується забезпечувати горизонтальну частотну характеристику
часу реверберації в діапазоні 250 ... 4000 Гц з плавним спадом δ на більш
низьких частотах. На частоті 125 Гц розмір спаду δ повинен становити 20 ...
25% від значення Тр опт в смузі частот 250 ... 4000 Гц (рис. 5.15, а).
Конкретне значення Тр опт залежить від розмірів студії і збільшується з
збільшенням об‘єму приміщення V. Наприклад, для телевізійних студій з
площею підлоги 600, 300, 150 і 60 ... 80 м2 значення Тр опт, відповідно,
дорівнюють 0,9; 0,8; 0,65 і 0,4 с.

112.

Залежність часу реверберації в залежності
від
жанру
програми
,с
Тр опт
1,5
Тр муз.
Тр літ-драм.1,0
Тр дикт.
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
f, Гц

113.

Для приміщень, призначених для відтворення мовних програм (лекційних
аудиторій, дикторських студій тощо) час реверберації повинен залишатися
практично постійним (0,25...0,5 с в залежності від об‘єму приміщення) у
смузі частот 125...4000 Гц. Оскільки низькочастотні компоненти спектру
визначають в основному гулкість звучання, то зниження часу реверберації
на низьких частотах певною мірою сприяє підвищенню розбірливості
мови.
Тому, наприклад, в телевізійних студіях, де основним видом звучання є
мова, рекомендується забезпечувати горизонтальну частотну
характеристику часу реверберації в діапазоні 250...4000 Гц з плавним
спадом δ на нижчих частотах. На частоті 125 Гц розмір спаду δ повинен
складати 20...25 % від значення Тр опт в смузі частот 500...4000 Гц.
Конкретне значення Тр опт залежить від розмірів студії і збільшується із
збільшенням об'єму приміщення V .
У літературно-драматичних студіях, у театральних залах, а також кінозалах
час реверберації повинен бути більше, щоб передати все багатство
відтінків мови актора.

114.

Залежність часу реверберації для різноманітних видів
звукових програм від об єму приміщення
Тр, с
на частоті 500 Гц
Зали с
органною
музикою
2,0
Концертні
зали
1,5
Оперні
театри
Аудиторії,
кінотеатри,
зали засідань
1,0
0,5
100
200
300 400
600
1000
2000
3000
5000
10000
Vз, м3

115.

У літературно-драматичних студіях час реверберації має бути більше, щоб передати все
багатство відтінків мови актора. Великі літературно-драматичні студії з площею підлоги 150 ...
200 м2 повинні мати Тр опт = 0,8 ... 1,0 с, а для студій меншої площі (близько 100 м2) 0,5 ... 0, 7 с.
Вимоги до оптимальної реверберації в малих літературно-драматичних студіях (з площею
підлоги 30 ... 40 м2) ті ж, що і для дикторських студій.
У літературно-драматичний блок (ЛДБ) радіобудинку зазвичай входить заглушена студія,
призначена для створення різних звукових ефектів, а також для запису передач, які за
задумом режисера повинні відбуватися на відкритому повітрі. У таких студіях слід забезпечити
мінімально можливий час реверберації: в смузі частот 125 ... 4000 Гц воно не повинно
перевищувати 0,15 с. Іноді до складу ЛДБ включають студію, що являє собою гучне
приміщення. За аналогією з кімнатами "луни" для них рекомендується горизонтальна форма
частотної характеристики часу реверберації при Тр = 3 с.
У музичних студіях, концертних залах оптимальний час реверберації істотно більший, ніж в
мовних. Це сприяє поліпшенню мелодійності, виразності звучання: багатшими, тонше
нюансованими, природнішими сприймаються тембри інструментів; звучання набуває
прозорості, ясності, чіткості, об'ємності. Все це позитивні сторони реверберації.

116.

Для музичних студій оптимальне значення стандартного часу
реверберації визначалося багатьма дослідниками як теоретичним, так і
експериментальним шляхом.
На думку А.Н. Качеровича найбільшу перевагу можна віддати залежності
2,4 10 2 k 3 V
Tр опт
0,009 A 3 V ,
ln(1 α)
Тут k – поправочний коефіцієнт, який дорівнює 1 для приміщень об'ємом
V, що не перевищує 2000 м3, і що поволі зростає при V > 2000 м3; –
середнє значення коефіцієнта звукопоглинання, що залежить від
призначення приміщення.
Для різних груп приміщень (незалежно від їх об'єму при k = 1) коефіцієнт
звукопоглинання приблизно такий: концертний зал для виконання
симфонічної музики - 0,19; оперний театр - 0,2; драматичний театр,
кінозал - 0,22; естрадний театр - 0,25; ательє для озвучування при
створенні ефекту відкритого простору - 0,45.

117.

С.Я. Лівшиц запропонував іншу формулу для розрахунку оптимального часу
реверберації у функції від об'єму:
Тр опт = 0,41 lgV.
Експериментальні залежності оптимального часу реверберації на середніх частотах
(500 Гц) залежно від об'єму приміщення, одержані різними авторами, настільки
сильно відрізняються один від одного, що використання їх для практичних розрахунків
скрутно. Ці експериментальні дані з достатньою для практики точністю можуть бути
замінені наступними наближеними виразами:
для мови
Тр опт = 0,3 lgV - 0,05;
для творів малих музичних форм і опери
Тр опт = 0,4 lgV - 0,15;
для симфонічної музики
Тр опт = 0,5 lgV - 0,3;
де V – об'єм приміщення, м3. Ці формули справедливі для частоти 500 Гц.
Для кінотеатральних зал можна застосувати формулу для розрахунку оптимального
часу реверберації
Тр опт = 0,35 lgV - 0,1.

118.

Оптимальний час реверберації залежить від частоти.
Для музичних студій переважною є горизонтальна форма частотної характеристики Тр
2
опт. При цьому в крупних студіях (з площею підлоги більше 450 м ) на верхніх частотах
допускається спад часу реверберації, обумовлений поглинанням звуку в повітрі (див.
рис. 1.5, б), а на нижніх частотах його підйом (див. рис. 1.5, в).
Із збільшенням об'єму музичної студії час Тр опт зростає (див. рис. 1.5,г). Проте в студіях
об'ємом більше 2000...5000 м3 на величину Тр опт набагато сильніше впливає жанр
твору.
Апаратні і кімнати прослуховування по своїх параметрах близькі до мовних студій.
Оптимальне значення часу реверберації для них рекомендується вибирати із
співвідношення
Tр опт Tр 3 V V0 ,
де V0 = 100 м3, Тр = 0, 28±0,05 с; V – об'єм приміщення (змінюється звичайно в межах
100...300 м3). Частотна характеристика часу реверберації – горизонтальна пряма з
відхиленням ±0,05 с, на частотах нижче 160 Гц поле допуску збільшується до ±0,1 с.

119.

ЗВУКОПОГЛИНАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ ТА КОНСТРУКЦІЇ
При розробці звукопоглинальних конструкцій (ЗПК) необхідно забезпечити
дві умови:
1) узгодження значень вхідного акустичного опору ЗПК з
хвильовим опором середовища;
2) поглинання енергії звуку, що пройшла в матеріал ЗПК.
Перша з умов визначає вимогу до фізичних властивостей
звукопоглинального матеріалу - значення хвильового опору
звукопоглинального матеріалу має бути порівняно з хвильовим опором
повітряного середовища 0 0 с0 430 Н с/м 3
Звукопоглинальні матеріали повинні мати мінімальну щільність,
максимальний об‘єм повітренасичення, максимальну площу поверхні
повітряних включень (пор, простору між волокнами).

120.

Процес стиснення і розрідження повітря при поширенні звукової хвилі в
порах і каналах, утворених волокнами, супроводжується втратами енергії
хвилі. В'язке тертя в вузьких капілярах, опір продування, релаксаційні
явища визначають загасання звукової хвилі в міру її розповсюдження в
звукопоглинальних матеріалів. Додаткові втрати обумовлені характером
випадкового розподілу зерен і волокон в матеріалі.
Процес загасання звукових хвиль пропорційний не тільки частоті звуку, але
залежить від механізму поглинання в матеріалі, що визначається
структурними параметрами і природою елементів, які становлять
композицію поглинаючого матеріалу.
Звукопоглинальні матеріали діляться за структурними ознаками на
чотири типи: волокнисті, зернисті, комірчасті і змішаної структури.

121.

Матеріали з волокнистої структурою випускаються на основі мінеральної або
скляної вати. Використовуються в якості ЗПК або у вигляді матеріалів повної
заводської готовності. В останньому випадку матеріал, виготовлений у вигляді
плит виконує роль звукопоглинача при кріпленні до жорсткої стінці.
Матеріали з зернистою структурою мають тільки міжгранульну пористість,
утвореною між зернами скелетоутворювача - перліту, вермикуліту, шамоту.
Матеріали з комірчастою структурою являють собою двофазну систему, що
складається з скелетоутворювального заповнювача і диспергованої газової
форми. Відомі полімерні і мінеральні матеріали з комірчастою структурою:
пінополіуретан, вініпор, пеногіпс, пористий бетон. Останній отримав широке
застосування під умовною назвою «Силікпор».
Матеріали зі змішаною структурою характеризуються наявністю як
внутрішньозернової пористості, так і міжзернової (міжгрануальної). Таку
структуру мають мінераловатні плити «Травертон», «Акмігран» і «Акмініт».

122.

Класифікація звукопоглинальних
конструкцій
1,0
0,8
2
0,6
1
3
0,4
0,2
f, Гц
0
63
125
250
500
1000
2000
4000
Частотні залежності коефіцієнта
поглинання мінераловатних плит
з різною структурою:
1 - зернистою; 2 - змішаною з
сполученими міжгранульними
порами; 3 - змішаною з
замкнутими міжгранульними
порами
Механізми поглинання звуку
Звукопоглинальні конструкції в залежності від
механізму звукопоглинання можна розділити
на три групи: нерезонансні, резонансні і
комбіновані, що реалізують одночасно
нерезонансний і резонансний спосіб
поглинання.
При створенні звукопоглинальної конструкції
необхідно виконати два завдання: поглинання
звуку усередині конструкції і передачу звуку
без відбиття в матеріал звукопоглинача
(узгодження).

123.

Нерезонансне поглинання здійснюється в результаті загасання звуку в
процесі його поширення в матеріалі ЗПК.
Резонансний механізм поглинання реалізується в спеціально
сконструйованих резонаторах, які інтенсивно поглинають звукову енергію
на власних частотах.
Класифікація звукопоглинальних конструкцій
ЗПК
Нерезонансні
Однорідні
З жорстким
скелктом
неоднорідні
З пружнім
скелктом
Резонансні
Порожнинні
Панельні
Перфоровані
Мембранні
Комбіновані
Об'ємні
Кулісні

124.

До групи нерезонансних звукопоглиначів відносяться неоднорідні і однорідні
ЗПК.
Групу резонансних звукопоглиначів складають порожнинні і панельні ЗПК.
Комбінованими звукопоглиначами є об'ємні і кулісні ЗПК.
За принципом дії звукопоглинальні матеріали підрозділяються на суцільні,
пористі з жорстким або пружним скелетом, резонансні (мембранні і
перфоровані).
Суцільні звукопоглинальні матеріали мають акустичний опір завжди більший
ніж у повітря, а пористі у більшості випадків менше його.
Пористі матеріали завжди комбінують з суцільними, розташовуючи суцільні
позаду пористих. При цьому найменше поглинання у пористого матеріалу
утворюється при його розташуванні впритул до стіни із суцільного матеріалу, що
добре відбиває звукову енергію, і найбільше - при розташуванні його на відстані
чверті довжини звукової хвиля (у повітрі) від поверхні матеріалу, що добре
відбиває звук. Дещо менше поглинання спостерігається при відстанях 3/4 і
5/4 . При більшому віддаленні від стіни коефіцієнт поглинання залишається
постійним.

125.

Для поглинаючого матеріалу з розміром, порівнянним з довжиною
звукової хвилі, коефіцієнт поглинання залежить від співвідношення між
ними. Так, наприклад, відкрите вікно має коефіцієнт поглинання більше
одиниці, особливо на низьких частотах (енергія звукових хвиль, що
падають поруч з вікном, йде в нього із-за явища дифракції). Коефіцієнт
поглинання портьєри з невеликими розмірами у порівнянні з довжиною
звукової хвилі більше, ніж портьєри з великими розмірами, тому краще
мати ряд вузьких портьєр, ніж одну широку (при рівній загальній ширині).
Жорсткі пористі матеріали складаються із заповнювачів у вигляді
мінеральної крихти, гравію, шлаку, пемзи і терпких матеріалів, таких як
цемент, алебастр, синтетичні смоли. У пористих матеріалах з пружним
скелетом стінки пор здатні деформуватися під впливом звукових хвиль.
Такі листи з паперової маси (інсуліт, арборит), пружні будівельні
матеріали (фенолова повсть, мінеральна вата, скловолокно). Сюди ж
відносяться різні драпіровки і килими.

126.

Ефективне поглинання нерезонансних звукопоглиначів досягається при
товщинах звукопоглинача, порівнянних з довжиною хвилі. При
необхідності зниження рівня звуку на низьких частотах звукового
діапазону застосування нерезонансних звукопоглиначів вимагає
спрямованих конструкційних рішень, що дозволяють зменшити товщину
матеріалу при високій ефективності. При цьому використовують
неоднорідні середовища, штучно створювані на основі композицій шарів,
що володіють різними акустичними властивостями. Хвильовий опір
неоднорідного середовища змінюється за певним законом у напрямку
поширення хвилі, забезпечуючи акустичну ефективність на низьких
частотах при товщині поглинача l (0,3...0, 4) .
Ефективне звукопоглинання можна отримати, застосовуючи резонансний
механізм втрат звукової енергії у відносно тонких шарах. При цьому
максимальне поглинання відбувається на резонансній частоті системи, яка
визначається виразом
1
F0
,
mC
де m - маса; С - пружність.

127.

Ефективність резонансного звукопоглинача може проявлятися на більш
низьких частотах при відносно невеликій товщині конструкції
звукопоглинача, на відміну від нерезонансних конструкцій. Однак
ефективність вказаних звукопоглиначів реалізується в межах 2...2,5 октав.
Комбінований тип конструкції звукопоглиначів реалізує нерезонансний і
резонансний механізми звукопоглинання. Перший забезпечує
звукопоглинання на високих частотах, коли середній розмір конструкції
набагато більше довжини хвилі звуку. Резонансний механізм
проявляється за умови кратності розміру конструкції півхвилі звуку.
Ефективність комбінованих звукопоглиначів, виконаних у вигляді об'ємних
конструкцій, набагато перевищує звукопоглинальну ефективність плоских
ЗПК.

128.

Однорідні нерезонансні звукопоглиначі
Звукопоглинальна пластина завтовшки h жорстко
закріплена на поверхні відбивної стінки. Акустичні
властивості звукопоглинального матеріалу у великій
мірі залежать від способу розміщення першого в
просторі.
Основний недолік конструкції: на низьких частотах
звукопоглинальна ефективність однорідної
нерезонансна конструкції мала. Збільшення
останньої вимагає застосування шарів великої
товщини.
Пористі звукопоглинальні матеріали в
нерезонансних конструкціях дають переважне
поглинання в області високих частот і дуже
неефективні в нижній частині частотного діапазону.
Конструкція однорідного
нерезонансного звукопоглинача
представлена і частотна залежність
коефіцієнта звукопоглинання
h
Звукова
хвиля
0c0
Звукопоглинальний
матеріал
Стіна
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
f, Гц
0
63
125
250
500
1000
2000
4000

129.

Наявність повітряного прошарку між матеріалом і жорсткою стіною
зменшує вплив останньої на створення відбитих хвиль. Узгодження
значень вхідного опору конструкції з хвильовим опором повітря
поліпшується на низьких і середніх частотах звукового діапазону. Частота
звуку, на якій спостерігається збільшення поглинання, визначається
віднесенням d, товщиною матеріалу, його хвильовими параметрами.
4
Частотні характеристики коефіцієнта
звукопоглинання для пористих акустичних
матеріалів: 1 – вапняна штукатурка по
дерев'яній обрешітці; 2 – килим з ворсом, що
лежить на бетонній підлозі; 3 – арборит у
плитах товщиною 2 см; 4 – фіброакустит в
плитах товщиною 3,5 см; 5 – драпірування на
стіні; 6 – драпірування на відстані 10 см від
стіни
0,6
6
3
0,4
5
2
0,2
1
0
125
250
500
1000
2000
4000
f, Гц

130.

Нерезонансні неоднорідні звукопоглинальні конструкції
Простим способом реалізації конструкції є композиція, складена з шарів,
що мають різні акустичні властивості, наприклад, неоднорідна тришарова
конструкція, хвильовий опір якої змінюється в напрямку поширення хвиль
Багатошарова нерезонансна конструкція звукопоглинача (а), зміна хвильового опору
конструкції в напрямку х (б), частотна характеристика коефіцієнта відбиття однорідного
(1) і неоднорідного (2) звукопоглиначів (в), а також ефективність неоднорідного
звукопоглинача, виконаного у формі клиноподібної конструкції (3 і 4, в залежності від
h1 h2 h3
розташування клинів)
Звукова
хвиля
x3
x2
x1
1,0
0,8
3
0,6
1
0,4
0c0
0,2
Звукопоглинальні
матеріали
Стіна
2
4
0
63
125
f, Гц
250
500
1000
2000
4000

131.

Вибираючи хвильовий опір першого шару, близький до хвилевого опору
повітря, можна здійснити поступовий перехід від повітряного середовища
до третього шару, що володіє значним звукопоглинанням, підтримуючи
незначне відбиття від останнього.
У неоднорідному середовищі утворюється складна інтерференційна
картина звукових хвиль, що поширюються у зустрічних напрямках.
Поглинання звуку здійснюється не тільки за рахунок наявності механічних
втрат в матеріалі елементарних шарів.
Неоднорідність середовища, що виражається зміною хвильового опору по
товщині звукопоглинальної конструкції, призводить до постійного
перевідбиття хвилі, що розповсюджується, збільшуючи шлях ефективного
пробігу хвилі, сприяючи тим самим поглинання енергії звуку.
Ефективність неоднорідного поглинача на низьких частотах значно вище
ефективності однорідної конструкції.

132.

100
200
Найбільш поширеним видом ЗПК
нерезонансного типу є звукопоглинальні
клини, виконані з волокнистих матеріалів.
Звукопоглинальний клин здійснює лінійний і
плавний перехід від хвильового опору
повітря до вхідного опору стінки.
Нижня гранична частота ефективного
діапазону звукопоглинання ЗПК визначається
довжиною клину. Доцільно задню частину
клину виконувати у вигляді призматичного
спеціально сформованої основи приміщення.
800
200

133.

Резонансні звукопоглиначі
Резонансні механізми поглинання реалізуються наступним чином:
створюється досить жорстка конструкція, що володіє високими
властивостями за міцністю, акустичний опір кожного з елементів такої
конструкції великий в порівнянні з опором повітряного середовища.
Однак елементи конструкції на резонансних частотах мають невеликий
опір, створюючи умову узгодження вхідного опору всієї конструкції
звукопоглинача з хвильовим опором повітря. Ідеальне узгодження на
резонансних частотах відбувається за умови рівності активної частини
вхідного опору звукопоглинача з хвильовим опором повітряного
середовища.
Енергія падаючої звукової хвилі трансформується в механічну енергію
коливань елементів конструкції звукопоглинача, остання - в теплову.
Резонансні звукопоглиначі мають прийнятну, з технічної точки зору,
товщину і високу ефективність навіть на низьких частотах звукового
діапазону. Однак ширина ефективного поглинання резонансних
конструкцій обмежується двома октавами.

134.

У резонансних ЗПК отримали широке застосування два види конструкцій
елементів резонатора - порожнини і пластини.
Конструкція поглинача на основі порожнинного резонатора реалізується у
вигляді перфорованого листа щодо жорсткого матеріалу, розташованого
на невеликій відстані t від стіни поглинача. Радіус отворів позначимо
літерою а, товщину листа - l.
l
d
Звукова
хвиля
DIэ
t
V
2a
b
DIj
l
S
t
0c0
Звукопоглинальний
матеріал
Стіна
D

135.

На резонансі поблизу отворів утворюються інтенсивні коливання повітря, що
знаходиться в горлі резонатора. Втрати на тертя максимальні в місцях
найбільшої швидкості коливань, отже, визначаються властивостями стінок горла
резонатора.
У вузькому горлі резонатора відбувається перевипромінювання звуку в
навколишнє середовище.
Частотна характеристика коефіцієнта звукопоглинання резонансної ЗПК має
резонансний характер.
Мембранні поглиначі являють собою натягнуте полотно або тонкий фанерний
лист, під яким розміщений добре демпфірувальний матеріал (матеріал з
великою в'язкістю, наприклад, деякі сорти губчастої гуми, поролонові килимки,
будівельна повсть та ін.). Щити з натягнутим полотном називають щитами
Бекеші. Максимум їх поглинання спостерігається
k
F
fk
на резонансних частотах:
2l bh
де F – сила, з якою натягнуто полотно; – щільність матеріалу полотна; (l, b, h –
довжина, ширина, товщина полотна; k – порядок резонансної частоти.

136.

Резонансними поглиначами можуть служити, наприклад, тонкі пластини,
що коливаються під впливом звукової хвилі, при цьому частина звукової
енергії витрачається на тертя. Звукопоглинання їх стає максимальним при
резонансі, коли амплітуда коливань пластини стає найбільшою.
Мембранні конструкції є дерев'яними рамами, на яких кріпляться тонкі
листи з фанери, пластмаси, полімерної плівки і т.п. Повітряний зазор між
шаром і стіною іноді заповнюється розпушеним пористим матеріалом.
0,6
2
1
0,4
3
0,2
4
0
125
250
500
1000
2000
4000
f, Гц
Частотні характеристики коефіцієнта
звукопоглинання для панелей, що резонують
на нижніх частотах: 1 – фанера завтовшки 3
мм з повітряним проміжком 5 см; 2 – те ж
саме, але краї демпфовані скловатою; 3 –
фанера завтовшки 6 мм з повітряним
проміжком 10 см, краї задемпфовані
мінеральною ватою; 4 – віконне скло

137.

Перфоровані поглиначі є пористо-коливальними системами і являють собою
систему повітряних резонаторів, наприклад резонаторів Гельмгольца, в гирлі
яких розташований демпфірувальний матеріал із шару м'якого пористого
матеріалу, що примикає до стіни і закритого жорсткою перфорованою
пластиною.
cзв S
Резонансна частота резонатора: f0
2 lV
де S - поперечний переріз горла резонатора, l - довжина горла; V - об'єм
порожнини резонатора.
Найбільш поширена конструкція резонаторних поглиначів - перфорований лист,
розташований на деякій відстані від твердої стіни. Така конструкція може
розглядатися як ряд резонаторів. Якщо перфорація розподілена по поверхні
листа рівномірно, то такий поглинач матиме типову резонансну криву
поглинання, а якщо нерівномірно, то можна отримати рівномірну криву
поглинання. Для рівномірного розподілу
cзв
S
f0
отворів резонансна частота
2 lе d 2 h
де S - перетин отвору; lе 0,5 S - ефективна товщина листа; - товщина
листа; h - відстань від стіни (стелі); d - відстань між отворами

138.

Коефіцієнт поглинання резонатора визначається активним акустичним
опором демпфірувального матеріалу, що знаходиться в горлі резонатора.
Ескіз конструкції і залежність коефіцієнта звукопоглинання перфорованих резонаторних панелей від
частоти при різній їх товщині , діаметрі отворів D і відстані від стіни h: 1 – для матеріалу з = 3 мм, D = 7
мм, d = 3 см і h = 5 см; 2 – для того ж матеріалу при віднесенні від стіни на відстань h= 10 см; 3 – для
фанери з щілиною 45 мм, =3 мм, відстань між щілинами 6,5 см, фанера підклеєна тканиною; 4 – той же
матеріал, =3 мм з щілиною 45 мм без підклеювання тканиною, але із заповненням повітряного
проміжку матами з азбестової вати
0,6
2
4
D
1
0,4
3
0,2
h
d
0
125
250
500
1000
2000
4000
f, Гц

139.

Як матеріал перфорованого жорсткого листа
використовують шаруватий пластик, фанеру,
гіпсокартонні листи. Відзначимо невеликий діапазон
частот ефективного поглинання резонансного ЗПК
(крива 1).
Застосування багатоелементних ЗПК значно
розширює робочий спектр поглинання резонансної
конструкції (крива 2). Багатоелементність закладена
у використанні в звукопоглиначі резонаторів, що
мають різні діаметри перфорації і, отже, мають
власні частоти, рознесені по діапазону ефективної
роботи ЗПК.
1,0
1
0,8
0,6
2
0,4
0,2
f, Гц
0
63
125
250
500
1000
2000
4000
Панельний резонансний звукопоглинач
Конструкція резонансного звукопоглинача являє жорстку пластину, що
розміщується на деякій відстані від стінки приміщення.
Поглинання звуку пластиною обумовлено наявністю механічних втрат в матеріалі
пластини. Ефективне поглинання відбувається на частотах резонансних мод
коливань пластини.

140.

h
l2
l1
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
f, Гц
0
63
125
250
500
1000
2000
4000
При проектуванні панельного
звукопоглинача вибирають
геометричні розміри пластини і
матеріал пластини таким чином, щоб
основна частота власного коливання
wu збігалася з частотою wопт.
На пластинах великих розмірів легко
забезпечити умову
wопт wu
досягнувши високої звукопоглинальної
ефективності конструкції.
В якості основи панельного
звукопоглинача вибираються листи
фанери, пластмаси, хвильовий опір
яких набагато вище опору повітряного
середовища.

141.

Об'ємні звукопоглиначі
Максимальне зниження рівня звукового тиску засобами звукопоглинання
можна досягнути, розміщуючи в просторі над джерелами шуму, додаткові
звукопоглинальні пристрої (у вигляді щитів, конусів, призм, куль і тому
подібних об'ємних тіл з різних звукопоглинальних матеріалів, як з
перфорованим покриттям, так і без нього), що отримали назву об'ємних
звукопоглинальних елементів.

142.

Ефективність об'ємних поглиначів значно перевершує ефективність
плоских звукопоглинальних конструкцій, що пояснюється ефектом
нелокального поглинання звукової енергії.
Різка зміна хвильових властивостей середовища відбувається на кордоні
повітря-перешкода, що призводить до збуреного стану звукового поля.
Звукова хвиля розсіюється та трансформується в інші види хвиль. Виникає
три типи розсіювання енергії падаючої хвилі.
Один з них пов'язаний з дзеркальним розсіюванням, яке визначається
законами геометричної оптики. Інший вид розсіювання супроводжується
так званими «повзучими» хвилями, які огинають розсіювальне тіло в
різних напрямках, поступово випромінюючи в навколишнє середовище.
Третій вид - хвилі, які входять в розсіювальне тіло під певними
дискретними кутами і поширюються уздовж поверхні. Тому застосування
звукопоглинальних матеріалів у вигляді об'ємних звукопоглиначів
значною мірою збільшує їх ефективність.

143.

У замкнутому просторі на об'ємний поглинач впливає дифузне поле.
Ефективність поглинача тут збільшується адже поглинання відбувається з
різних сторін. У дифузному полі той же самий об'ємний сферичний
поглинач в 4 рази ефективніше, ніж в полі плоскої біжучої хвилі.
Ефективність об'ємного звукопоглинача кубічної форми та частотна характеристика коефіцієнта
поглинання ансамблю кубічних елементів в залежності від їх розташування. Лінійний розмір куба: 1 0,4 м; 2 - 0,32 м; 3 - 0,24 м характеристика
д
д
1,2
1,2
1,0
2
0,8
0,6
3
1,0
1,5 м
0,8
1,25 м
1,0 м
1
0,6
0,4
0,2
63
r =2,5 м
0,4
f, Гц
125
250
500
1000
2000
4000
0,2
63
f, Гц
125
250
500
1000
2000
4000

144.

Кулісні звукопоглиначі
Акустична куліса являє собою об'ємний звукопоглинальний елемент,
виконаний у вигляді пластини, що закріплюється, частіше всього, на стелі
торцевою стороною.
На відміну від плоского облицювання акустичні куліси є локальними
звукопоглинальними конструкціями, які можуть легко переміщатися в
просторі приміщення. Вони розміщуються, як правило, під стелею
шумного приміщення або у вигляді паралельних рядів з розривами або
без розривів, в шаховому порядку, у вигляді системи кесонів.
Головною перевагою кулісних поглиначів в порівнянні з іншими видами
об'ємних звукопоглинальних елементів різних геометричних форм (сфера,
куб, конус) є відносна простота їх виготовлення. По суті це єдиний тип
штучних поглиначів звуку, які можуть виготовлятися серійно на
технологічних лініях з високим ступенем автоматизації.

145.

Система кулісного типу звукопоглинача (D - відстань між рядами лаштунків; d - товщина куліси; h висота куліси; b - ширина; L - крок решітки) та залежність коефіцієнта звукопоглинання кулісною системи
в залежності від параметра h ( - коефіцієнт затухання матеріалу, h – висота куліси)
к
z
1,0
b
0,8
0,6
q
h
0,4
0,2
d
D
L
x
y
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
h

146.

У акустично визначених приміщеннях, як правило, використовують
наступні типи конструкцій вищеназваних звукопоглиначів:
- пористі акустичні плити (наприклад, типу Акмігран, ПА/О, ПА/С),
коефіцієнт звукопоглинання яких звичайно має максимальне значення в
області середніх і верхніх частот (рис. 3.7) звукового діапазону (у нижній
частині частотного діапазону вони неефективні);
- перфоровані резонансні панелі, що найчастіше є шаром ефективного
звукопоглинача (мінеральної вати, скловолокна і т.п.), обернутого
склотканиною і закритого зовні перфорованим листом. Як останнє
використовується фанера завтовшки 4...5 мм, а також гіпсові або металеві
листи. Частотна залежність коефіцієнта цих конструкцій має
резонансний характер (рис. 3.9), причому залежно від розміру
перфораційних отворів, відстані між ними, товщини наповнювача і інших
чинників вдається змінювати положення максимуму звукопоглинання на
осі частот, що вельми зручно при акустичному налаштуванні приміщень;
максимум звукопоглинання спостерігається у області середніх частот;

147.

- панелі, що резонують на нижніх частотах, наприклад листи гладкої
фанери, сухої штукатурки, деревно-стружкові плити, що розташовані
звичайно на деякій відстані від жорсткої поверхні стіни. Коефіцієнт
звукопоглинання цих конструкцій максимальний в області частот
100...300 Гц (рис. 3.8) і зміщується у бік нижчих частот при збільшенні
повітряного проміжку між панеллю і поверхнею стіни (стелі).
Звукопоглинальні матеріали конструкції з різними акустичними
характеристиками розміщують по можливості рівномірно на поверхнях
приміщення, що сприяє підвищенню дифузності звукового поля.
Застосовують також звукорозсіювальні конструкції, які частково
розташовують на бічних стінах (напівколони, різної форми опуклі
поверхні), але в основній масі на стелі. Їх звукопоглинання максимально в
області нижніх частот.
Для оперативної зміни часу реверберації, наприклад, в музичних і
літературно-драматичних студіях іноді використовують "механічні"
способи варіювання фонду звукопоглинання.

148.

Таблиця – Коефіцієнти звукопоглинання матеріалів і об‘єктів
Найменування матеріалів
і конструкцій
Вікно із скла
Гіпсокартонні листи з віднесенням
50 мм
Двері лаковані
Двері соснові
Дерев‘яна панель (вагонка)
товщиною 5…10 мм з повітряним
проміжком 50 мм
125
0,35
250
0,25
Частота, Гц
500
1000
0,18
0,12
0,3
0,25
0,15
0,08
0,05
0,05
0,03
0,10
0,25
0,02
0,11
0,15
0,05
0,10
0,06
0,04
0,08
0,05
0,04
0,08
0,04
0,04
0,11
0,04
Драпірування з бархату, що вільно
звисає (щільність 0,6 кг/м2)
0,1
0,3
0,5
0,65
0,72
0,65
Драпірування, що вільно звисає
(щільність 0,35 кг/м2)
0,04
0,04
0,11
0,17
0,3
0,35
2000
0,07
4000
0,04

149.

Килим або килимова доріжка
Килим безворсовий
Килим з високим ворсом
Крісла, що оббите шкірою з
поролоном
0,12
0,02
0,02
0,05
0,14
0,05
0,05
0,09
0,23
0,07
0,26
0,12
0,32
0,11
0,47
0,13
0,38
0,29
0,54
0,15
0,42
0,48
0,70
Крісло напівм’яке
0,09
0,12
0,14
0,16
0,15
0,16
Диван, оббитий шкірою з
поролоном, загальною площею 4м2
0,2
0,4
0,5
0,56
0,6
0,62
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,04
0,28
0,40
0,45
0,49
0,47
0,45
0,32
0,35
0,19
0,13
0,11
0,1
Лінолеум (полівінілацетат) на твердій
основі
Люди (на одну людину)
Панель із фанери, товщиною 3 мм на
каркасі з брусків 8х10 см, комірками
з кроком 0,5х0,7 м і повітряним
проміжком 10 см
0,16

150.

Перфоровані конструкції ( отвори
діаметром 6 мм з кроком 25 мм) з фанери,
товщиною 3 мм на каркасі з брусків 50х50 мм,
комірками 600х600 мм із заповненням
азбестовою ватою у мішковині
0,2
0,46
0,58
0,52
0,42
0,31
Підлога паркетна
0,06
0,07
0,06
0,05
0,05
0,07
Стільці дерев’яні
0,02
0,02
0,03
0,035
0,038
0,038
Стіна підштукатурена й пофарбована
клейовою фарбою
0,02
0,02
0,02
0,03
0,04
0,04
Стіна підштукатурена й пофарбована
масляною фарбою
0,01
0,01
0,02
0,02
0,02
0,03
Стіна цегляна не штукатурена
Студійний інвентар, технічні
пристрої, обладнання стійкою (на 1
предмет)
Штукатурка звичайна
0,02
0,02
0,03
0,04
0,05
0,07
0,23
0,28
0,26
0,29
0,32
0,36
0,01
0,01
0,02
0,02
0,03
0,03

151.

Меблі із ДСП, що вільно розташовані
0,03
0,03
0,04
0,05
0,05
0,06
Екран перфорований
0,08
0,09
0,11
0,14
0,16
0,16
Акустичний поролон
0,1
0,19
0,39
0,66
0,65
0,64
Пінопласт товщиною 50 мм без
віднесення
Диван шкіряний (1 м2)
0,02
0,09
0,19
0,16
0, 14
0,12
0,05
0,1
0,12
0,14
0,15
0,15
Екран перфорований
0,08
0,09
0,11
0,14
0,16
0,16
Мармур, граніт
Метлахська плитка
Підлога на дерев‘яних балках
Скло дзеркальне
Скло жорстке
0,01
0,01
0,15
0,035
0,03
0,01
0,01
0,11
0,025
0,03
0,01
0,02
0,10
0,019
0,03
0,01
0,02
0,07
0,012
0,03
0,01
0,02
0,06
0,07
0,02
0,01
0,03
0,07
0,04
0,02

152.

Панель з фанери товщиною 8 мм:
з віднесенням 100 мм
0,35 0,15 0,09
0,1
0,04
з віднесенням 100 мм, заповнювач ПП-80
0,53 0,35 0,21 0,12 0,06
товщиною 100 мм
Неперфорований пластик товщиною 2 мм:
з віднесенням 100 мм
0,56 0,26 0,12 0,07 0,01
з віднесенням 100 мм, заповнювач ПП-80
0,76 0,47 0,29 0,14 0,02
Конструкції з перфорованої фанери товщиною 4 мм, d=4 мм, D=40 мм:
з віднесенням 50 мм
0,06 0,22 0,31 0,312 0,1
з віднесенням 50 мм, заповнювач ПП-80
0,31 0,99 0,51 0,14 0,14
товщиною 50 мм
Конструкції з перфорованої фанери товщиною 4 мм, d = 5 мм, D = 35 мм:
з віднесенням 50 мм, заповнювач ПП-80
0,19 0,90 0,76 0,28 0,15
товщиною 50 мм
з віднесенням 100 мм, заповнювач ПП-80 50
0,25 0,96 0,66 0,26 0,16
мм
з віднесенням 100 мм, вата 50 мм
0,36 0,97 0,72 0,31 0,22
Мінераловатні плити ПП-80 товщиною 25 - 30 мм
без віднесення
0,08 0,4 0,64 0,89 0,95
з віднесенням 50 мм
0,21 0,47 0,72 0,98 0,97
2 шари без віднесення
0,18 0,6 0,98 0,95 0,94
0.1
0,13
—
—
0,08
0,1
0,1
0,1
0,15
0,81
0,79
0,82

153.

ЗВУК. ВИЗНАЧЕННЯ ТА ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Акустичний
звуковий
сигнал
рзв
Lр
зв
М
Електричний
звуковий
сигнал
Uзв
NU
Мікрофонний
підсилювач
Тракт формування,
обробки, запису/
відтворення звукових
сигналів
Підсилювач
потужності
Електричний
звуковий
сигнал
PЕзв
Гм
Акустичний
звуковий
сигнал
рзв
Lр
зв
зв
Рисунок 1 – Узагальнена структура роботи із звуком
рзв – звуковий тиск, Па;
Lрзв – рівень звукового тиску, дБ;
Uзв – напруга звукового електричного сигналу, В;
NUзв – рівень напруги звукового електричного сигналу, дБ;
PЕзв – потужність звукового електричного сигналу, Вт.
Звук - це особливий вид механічних коливань, здатний викликати слухові відчуття.
Звук - суб'єктивна характеристика акустичних коливань, що відображає здатність слухового апарату
людини розпізнавати частоту і інтенсивність акустичних коливань певного частотного діапазону.
Акустика з грецького (акуо) - «чую» - наука про звук, є одним з напрямків фізики (точніше механіки).

154.

В сферу інтересів сучасної акустики входять:
- виникнення звуку, що вимагає вивчення фізичної природи звуку, а також методів і засобів його
створення. Цими питаннями займається акустика музичних інструментів, акустика мови,
електроакустика.
- передача звуку від джерела до слухача - це завдання архітектурної акустики, електроакустики і ін .;
- сприйняття звуку слуховою системою людини і зв'язок слухових відчуттів з об'єктивними
параметрами звуку - це завдання психоакустики.
Музична акустика - проблеми створення, поширення і сприйняття музичних звуків, точніше - звуків, які
використовуються в музиці. Акустика мови - теорія і синтез мови, виділення мови на тлі шумів, автоматичне
розпізнавання мови і т. д.
Електроакустика - теорія і практика конструювання випромінювачів і приймачів, що перетворюють
електричну енергію в акустичну і навпаки, а також всіх елементів сучасних звукових трактів запису, передачі та
відтворення звуку.
Архітектурна акустика - закони поширення звуку в закритих (напівзакритих, відкритих) приміщеннях,
методи управління структурою поля в приміщенні і т. д.
Психоакустика - основні закони слухового сприйняття, визначення зв'язку об'єктивних і суб'єктивних
параметрів звуку, визначення законів розшифровки «звукового образу».
Цифрова акустика - активно розвивається в останні роки, поступово виділяється в самостійний напрям у
зв'язку зі створенням нового покоління мікропроцесорної (аудіопроцесорної) і комп'ютерної техніки.

155.

Звукова хвиля - це процес перенесення енергії механічних коливань в пружному середовищі (наприклад, у
повітрі). Звукова хвиля формується поступовим поширенням деформації (стиснення або розрідження) в
пружному середовищі, тобто, хвилеподібною зміною щільності середовища, що викликано звуковими
коливаннями.
Звуковими коливаннями називають коливальні рухи частинок середовища під дією збурення. Простір, в
якому відбувається поширення цих хвиль, називають звуковим полем.
pзв ампл
Фронт хвилі
Поршень, що
коливається
Звуковий
промінь
Т сзв
р
pзв д
pа ст
t
Т сзв
- довжина хвилі
Т - період коливань
сзв - швидкість звуку
Рисунок 2 - Створення звукових коливань в повітряному середовищі при синусоїдальному коливанні джерела звуку
Звукова хвиля характеризується амплітудою коливання, наприклад, амплітудою за звуковим тиском ра,
довжиною хвилі λ, періодом коливань Т, швидкістю звуку с. Звукові хвилі поширюються з відповідною швидкістю,
що називають швидкістю звуку.

156.

Довжина звукової хвилі, що дорівнює відстані між сусідніми фронтами, що знаходяться в однаковій
фазі (рис. 1.1),
=cT=c/f,
c – швидкість звуку, с=343 м/с (t°повітря = 20°С);
f – частота коливань, Гц.
Швидкість звуку в повітрі при температурі 20°С становить 343 м/с, що дорівнює 1235 км/год (при
температурі 0°С с = 331 м/с, при -20°С с = 319 м/с). Це досить багато по відношенню до швидкості
переміщення людини (6 км/год) або поїзда (80-100 км/год), але мало по відношенню до швидкості світла,
яка становить 300 000 км/с, або 108 107 км/год. Швидкість звуку не залежить від частоти.
Для розрахунків найчастіше використовують значення швидкості звуку 340 м/с, що відповідає
швидкості звуку при температурі 17°С.
Звуковими сигналами, які може чути людина, вважаються сигнали з частотами 20-20000 Гц
(частотний діапазон Dfзв=20…20000 Гц), відповідно довжини звукових хвиль для цих сигналів 17 метрів
- 1,7 см (D зв=17 м … 1,7 см). Реально людина сприймає діапазон 30-15000 Гц, відповідно довжини
звукових хвиль для цих сигналів 11,3 метра - 2,27 см.
Частоти, що лежать нижче 20 Гц, називаються інфразвуковими, а вище 20 кГц ультразвуковими.

157.

Таблиця 1.1 - Швидкість звуку і питомий акустичний опір для деяких середовищ
Середовище
t, оС
,
кг
м3
c, м/с
Водяна пара
Повітря
Повітря
Вода прісна
Вода солона
Гелій газ
Залізо
Скло
Гума
100
0
20
15
15
0
-
0.58
1.29
1.2
999
1027
0.18
7800
3250
950
405
331
343
1430
1500
970
~ 5.5 тис
5500
30
x,
Па с кг
(
)
м м2 с
230
428
413
1430∙103
1550∙103
172
45 10 6
18 10 6
600

158.

Фундаментальна частота
f0 f1 f2
…`
f1
2
f2=2f1
3
f3=3f1
4
f4=4f1
5
f5=5f1
...
L
1
f1
f2
f10=10f1
10
t
...
f0
n
fn=nf1
Рисунок 1.2 - Спектр складного музичного звуку та коливання струни на
фундаментальній частоті та гармоніках

159.

C0
D0
E0
F0
G0
27,50 A0
30,87 B0
32,7
С1
36,71 D1
41,20 E1
43,63 F1
49,00 G1
55,00 A1
61,74 B1
65,41 С2
73,42 D2
82,41 E2
87,31 F2
98,00 G2
110,00 A2
123,47 B2
130,81 С3
146,83 D3
164,81 E3
174,61 F3
196,00 G3
220,00 A3
246,94 B3
261,63 С4
293,66 D4
329,63 E4
349,23 F4
397,00 G4
440,00 A4
493,88 B4
523,25 С5
587,33 D5
659,26 E5
698,46 F5
783,90 G5
880,00 A5
987,77 B5
1046,50 С6
1174,66 D6
1318,51 E6
1396,91 F6
1567,98 G6
1760,00 A6
1975,53 B6
2093,00 С7
2349,32 D7
2637,02 E7
2793,83 F7
3135,96 G7
3520,00 A7
3951,07 B7
4186,01 С8
Субконроктава
0
Гітара
Альт
Віолончель
F#7 2960
G#7 3322
A#7 3729
С#7 2218
D#7 2489
Тенор
Баритон
Бас
F#6 1480
G#6 1661
A#6 1865
Конрабас
С#6 1108,7
D#6 1244,5
Гонг
F#5 740,0
G#5 830,6
A#5 932,5
С#5 554,4
D#5 622,3
F#4 370,0
G#4 415,3
A#4 466,2
С#4 277,2
D#4 311,1
F#3 185,0
G#3 207,7
A#3 233,1
С#3 138,6
D#3 155,6
F#2 92,50
G#2 103,83
A#2 116,54
С#2 69,30
D#2 77,78
F#1 46,25
G#1 51,91
A#1 58,27
С#1 34,65
D#1 38,89
A#0 29,14
Бас-барабан
Літаври
Тамтами
Ударні
Сопрано-саксофон
Тенор-саксофон
Бас-саксофон
Труба
Валторна
Тромбон
Туба
Флейта-пікколо
Флейта
Гобой
Кларнет
Фагот
Скрипка
Піаніно
Конроктава
Велика
октава
Мала
октава
1 октава
2 октава
3 октава
4 октава
1
2
3
4
5
6
7
5 октава
8
Мідні
духові
Дерев яні
духові
Струнні
Сопрано
Меццо-сопрано
Голос
Акордеон
Орган
... Синтезатор
Значення частоти
ноти f, Гц
Позначення ноти
Клавіатура
фортепіано
Позначення ноти
Значення частоти
ноти f, Гц
Інтервальний коефіцієнт
напівтону для
рівномірно темперованої
шкали
S 12 2 1, 0595
Рисунок 1.3 – Частотні діапазони основних тонів музичних інструментів

160.

Таблиця 1.2 - Параметри роздратування і параметри відчуття
Параметри роздратування
Частота
Частотний діапазон, АЧХ
Параметри відчуття
Висота тону
Тембр ( «сухий», «соковитий», різкий,
натуральний).
Нерівномірність АЧХ
Зміна тембру
Амплітуда, рівень сигналу Інтенсивність Гучність, рівень гучності
сигналу
Нестабільність рівнів
Зміна гучності (коливання гучності)
Динамічний діапазон
Відчуття самих тихих і найгучніших
звуків
Коефіцієнт нелінійних спотворень
Помітність спотворень
Зважений шум
Звукові перешкоди

161.

Параметри звукових сигналів
Звуковий тиск
рзв = ра м - ра ст;
F
р
, (Н/м2) (Па),
S
рзв – звуковий тиск, Па;
ра м – атмосферний тиск, миттєве значення, Па;
ра ст – статичний атмосферний тиск, 101 325 Па;
F – сила, що діє на площадку площею S;
S – площа.
Звуковий тиск є визначним параметром звуку по відношенню до людини, тобто це
те, що сприймає і відчуває людина слуховими органами.

162.

Інтенсивністю звуку або сила звуку
Рак
I
Sфр
Вт
( 2)
м
I
2
еф
p
0сзв
,
Рак - акустична потужність випромінювача, Вт;
Sфр - повна площа фронту звукової хвилі, м2;
реф – ефективне (діюче) значення звукового тиску, Па (рзв еф = 0,7рампл);
0 = 1,2·103 кг/м3 - щільність повітря при нормальних (нульових) умовах:
атмосферному тиску 760 мм рт. ст., температурі t° = 20°C і вологості 80%;
сзв = 343 м/с - швидкість поширення звуку в повітрі при тих же умовах;
а сзв – питомий акустичний опір.
Інтенсивність – це параметр, який визначає акустичну потужність звукового
акустичного сигналу, тобто, джерела.

163.

ВИДИ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗВУКОВИХ ХВИЛЬ
ПЛОСКА ХВИЛЯ
Фронт плоскої хвилі - площина, звукові промені йдуть паралельно один одному. Енергія в плоскій хвилі не
розходиться в сторони, інтенсивність звуку практично не залежить від відстані, що пройшла хвиля, якщо знехтувати
втратами на в'язкість середовища, молекулярне розсіювання, турбулентний загасання і дифракцію хвиль.
Інтенсивність звуку в плоскій хвилі
I = рm υm/2 = ре υе = р2е/(ρс),
де ре і υе - ефективні значення звукового тиску і швидкості коливань.
СФЕРИЧНА ХВИЛЯ
Звукове поле сферичної хвилі - в області низьких частот, де довжина звукової хвилі велика по відношенню до розміру
джерела λ >> d (наприклад, на частоті 40 Гц, де довжина хвилі дорівнює 8,5 м, практично будь-яке джерело звуку
матиме розміри менше довжини хвилі), можна вважати джерело сигналу точковим, а тривимірну звукову хвилю, що
розходиться в різні боки навколо нього - сферичною.
Фронт сферичної хвилі являє собою сферу, в центрі якої знаходиться джерело коливань, а звукові промені збігаються
з радіусами сфери.
Ir=I1/r2
pr = p1/r
2
2
Pa = const.
Pa 4 ra I a 4 rb I b
ЦИЛІНДРИЧНА ХВИЛЯ
Для циліндричної хвилі фронт хвилі має круглу циліндричну форму, вісь циліндра збігається з віссю джерела звуку, а
радіуси циліндра - зі звуковими променями (якщо джерело звуку має нескінченну довжину). Потік енергії не
розходиться уздовж твірної циліндра.
Ir = I1/r
Pa 2 hra I a 2 hrb I b
pr p1 / r

164.

ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ ХВИЛЬ
Інтерференція звукових хвиль виникає при одночасному поширенні двох або декількох хвиль, що поширюються в
різних напрямках. Інтерференція взаємне накладення звукових хвиль одна на іншу.
ВІДБИТТЯ ЗВУКУ
Якщо звукова хвиля зустрічає на своєму шляху яку-небудь перешкоду або іншу середу з іншими параметрами, то
при падінні звукової хвилі на поверхню відбувається часткове поглинання і часткове відбиття звукової хвилі. Закони
відбиття звукових хвиль аналогічні законам відбиття світлових хвиль: кут падіння φ1 дорівнює куту відбиття φ2 .
ЗАЛОМЛЕННЯ ЗВУКУ
Звукова хвиля, падаючи на поверхню розділу двох середовищ, як і світлова хвиля, частково проходить в інше
середовище. При цьому відбувається заломлення хвилі, тобто якщо хвиля падає на поверхню розділу під кутом φ1,
то в наступному середовищі напрямок руху хвилі (звукового променю) буде під кутом φ2.
ДИФРАКЦІЯ ХВИЛЬ
Якщо розміри перешкоди мають величину меншу довжини звукової хвилі або хвиля падає близько до краю
перешкоди (у порівнянні з довжиною хвилі), то хвиля дифрагує навколо перешкоди (рис. 1.8). Дифракція обгинання (поглинання) звуковими хвилями перешкоди.
ЗАГАСАННЯ ХВИЛЬ
У реальних середовищах звукові хвилі затухають внаслідок в'язкості середовища і молекулярного загасання.
Причому загасання звукових хвиль через в'язкість, а також молекулярне затухання залежать від частоти коливань,
температури і вологості повітря і визначаються в децибелах на кілометр.

165.

1 2
1
Середовище 1
2
1
с1
Границя
середовищ
с2
2
відб
відб 0-20
( пад відб ) 2
( пад
pвідб
2
відб )
pпад
Середовище 2
2
.
(428 413) 2
(413 1,43 106 ) 2
4
3,2 10 , відб вода-пов
0,9994,
(428 413) 2
(413 1,43 106 ) 2