Предотвращение концентрации отраженного звука

Вогнутые или сводчатые поверхности с малым звукопоглощением способствуют концентрации звуковой энергии, фокусируют звук. Если источник звука располагается в центре кривизны, отражения концентрируются в центре круга. При приближении источника звука к поверхности (до половины радиуса) круговая поверхность отражает как эллиптическая, то есть фокус находится за центром круга. При дальнейшем приближении источника звука к отражающей поверхности величина фокусного расстояния возрастает, достигая бесконечности, когда расстояние до источника звука становится равным половине радиуса. В этом случае данная поверхность отражает как параболическая. Если источник звука расположен еще ближе, то фокус образуется сзади отражающей поверхности и она действует как гиперболическая. Место расположения фокуса, образуемого отраженными звуковыми лучами от вогнутых поверхностей (рис. 21), определяется по формуле

где F - место нахождения фокуса;

Q- источник звука;

О - центр радиуса кривизны;

r - радиус кривизны поверхности;

X - расстояние от F до поверхности; d - расстояние от Qдо поверхности.

Рис. 21. Определение места расположения фокуса от вогнутой поверхности

На рис.22 показаны схемы залов при различном соотношении радиуса кривизны цилиндрического потолка и высоты.

Рис. 22.Влияние радиуса кривизны r на характер отражения при различной высоте: а - h £r/2; б - h£r; в - h ³ 2r

При одинаковой отражающей поверхности потолка площадь пола, охваченная отраженными лучами, неодинакова. Наибольшая концентрация звука имеет место, когда радиус кривизны близок к высоте помещения, поэтому он не должен быть значительно больше или меньше высоты помещения. В этом случае зоны концентрации звука будут расположены далеко от поверхности пола, на которой находятся зрители. Если радиус кривизны меньше длины волны на низких частотах, то концентрация звука будет происходить на средних и высоких частотах, что приведет к искажению тембра звука.

В практике встречаются случаи двойного фокусирования. Например, человек, говорящий тихим голосом в точке А, расположенной недалеко от стены, не слышен в точке В, но очень хорошо воспринимается слушателем в точке Б (рис. 23). Такой эффект можно наблюдать в метро.

Рис. 23. Схема эффекта двойного фокусирования звука

На рис. 24 показано распространение звуковых лучей из точки А в круглом заде. Несмотря на малые размеры зала (диаметр около 10 м), в нем наблюдаются несколько фокусов, приводящих не только к неравномерному распределению звуковой энергии, но и к появлению в точке Б рядом с источником звука отчетливого эха.

Акустическое качество залов с фокусированием большей частью является неудовлетворительным:

· возможность образования эха (особенно в больших залах);

· неравномерность распределения отраженной звуковой энергии;

· нарушение необходимого соотношения между прямой и отраженной звуковой энергией.

Рис. 24. Схема распространения звука в круглом зале

Следовательно, при выборе формы зала в нем не должно быть вогнутых поверхностей, обладающих свойством концентрировать отражаемый им звук.

На рис. 25 показана в плане вогнутая задняя стена зала, центр кривизны которой "C" лежит недалеко от источника звука Q.

Как видно из рисунка, отраженный от стены звук собирается в небольшой области зала. Такая концентрация отраженного звука является крупным акустическим дефектом. При большом запаздывании отраженного звука по сравнению с прямым в этом случае возникает сильное эхо. Но и при меньшем запаздывании ухудшается разборчивость речи и усиливается местная неравномерность звукового поля, причем с перёмещением источника перемещается и область концентрации отраженного звука. Во избежание концентрации центр кривизны стены С должен находиться на расстоянии от нее, превышающем, по крайней мере, в два раза расстояние от стены до источника Q (см. рис. 25б). Это следует иметь в виду и при устройстве куполов и сводов, которых надо избегать, так как они плохо сказываются на акустике залов.

По той же причине, как правило, не должны допускаться залы, имеющие в плане круглую, овальную, подковообразную или другую форму с криволинейными вогнутыми стенами. Залы с такими очертаниями допустимы лишь при специальном расчленении вогнутых, поверхностей, предотвращающем концентрацию отраженного звука, и проектирование их следует вести с обязательным привлечением специалистов-акустиков.

Рис. 25. Отражение звука от вогнутой задней стены: а - недопустимое положение центра кривизны; б - допустимое положение центра кривизны

На рис. 26 показаны геометрические определения мест расположения отражателей в помещении, имеющем эллиптическую поверхность, и приведены способы контроля длины путей.

Рис. 26. Эллипс отражения

Основными геометрическими параметрами эллипса являются

а, b и e: (а² = b²+e²).

Если источник звука Q и приемник П расположены в фокусах эллипса, все звуковые лучи имеют длину l, равную 2a.Разность длин путей звука во всех случаях составляет Δℓ = 2а - 2e.

Выпуклые поверхности (см. рис. 20), наоборот, создают рассеянное отражение звука и повышают диффузность звукового поля в зале.