на главную карта сайта наши контакты

Защита от шума и вибраций

ACOUSTIC TRAFFIC LLC | Украина, Киев, ул. Гайцана, 8/9, тел. +380 44 2803519
Акустика помещений

Акустические on-line калькуляторы


Оптимизация расположения громкоговорителей в комнате прямоугольной формы

Для достижения высокого качества звуковоспроизведения, акустические характеристики комнаты для прослушивания необходимо приблизить к определенным оптимальным значениям. Это достигается формированием "акустически правильной" геометрии помещения, а также с помощью специальной акустической отделки внутренних поверхностей стен и потолка.

Но очень часто приходится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. При этом собственные резонансы помещения могут крайне негативно повлиять на качество звучания аппаратуры. Вважным инструментом для снижения влияния комнатных резонансов является оптимизация взаимного расположения акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

Предлагаемые калькуляторы предназначены для расчетов в прямоугольных симметричных помещениях с низким фондом звукопоглощения. 

Громкоговорители расположены в прямоугольной комнате вдоль короткой стены

Громкоговорители расположены в прямоугольной комнате вдоль длинной стены 


 

Громкоговорители расположены в квадратной комнате

Применение на практике результатов данных расчетов позволит уменьшить влияние комнатных мод, улучшить тональный баланс и выровнять АЧХ системы "АС-комната" на низких частотах. 
Необходимо отметить, что результаты расчетов не обязательно приводят к созданию "идеальной" звуковой сцены, они касаются только коррекции акустических дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов.
Но результаты расчетов могут стать хорошей отправной точкой для дальнейшего поиска оптимального месторасположения АС с точки зрения индивидуальных предпочтений слушателя. 

Методология расчетов основана на стереофоническом принципе расположения громкоговорителей, рекомендациях по реализации принципа «Золотого сечения» Джорджа Кардаса (George Cardas) и общей теории психоакустики. Более подробно о данной методике можно узнать из статьи "Расположение громкоговорителей в комнате прямоугольной формы".





Определение площадок первых отражений 


Слушатель, находящийся в комнате для прослушивания музыки, воспринимает не только прямой звук, излучаемый акустическими системами, но и отражения от стен, пола и потолка. Интенсивные отражения от некоторых участков внутренних поверхностей комнаты (площадок первых отражений) взаимодействуют с прямым звуком АС, что приводит к изменению частотной характеристики звука, воспринимаемого слушателем. При этом на некоторых частотах происходит усиление звука, а некоторых его значительное ослабление. Этот акустический дефект, называемый "гребенчатой фильтрацией", приводит к нежелательному "окрашиванию" звука.

Управление интенсивностью ранних отражений позволяет улучшить качество звуковой сцены, сделать звучание АС более ясным и детальным. Наиболее важны ранние отражения от площадок, расположенных на боковых стенах и потолке между зоной прослушивания и АС. Кроме того, большое влияние на качество звука могут оказать отражения от тыловой стены, если зона прослушивания расположена к ней слишком близко.
 
На участках расположения площадок ранних отражений рекомендуется размещать звукопоглощающие материалы или звукорассеивающие конструкции (акустические диффузоры). Акустическая отделка площадок ранних отражений должна быть адекватна частотному диапазону, в котором более всего наблюдаются акустические искажения (эффект гребенчатой фильтрации). 
 
Линейные размеры применяемых акустических покрытий должны быть на 500-600 мм больше размеров площадок первых отражений. Параметры необходимой акустической отделки в каждом конкретном случае рекомендуется согласовать с инженером-акустиком. 
Калькулятор "Расчет месторасположения площадок первых отражений"
 

 

 
 

 

  

Расчет резонатора Гельмгольца
 

Резонатор Гельмгольца является колебательной системой с одной степенью свободы, поэтому он обладает способностью отзываться на одну определенную частоту, соответствующую его собственной частоте.
 
Характерной особенностью резонатора Гельмгольца является его способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина волны которых значительно больше размеров самого резонатора.
 
Это свойство резонатора Гельмгольца используется в архитектурной акустике при создании так называемых щелевых резонансных звукопоглотителей (Slot Resonator). В зависимости от конструкции резонаторы Гельмгольца хорошо поглощают звук на средних и низких частотах.
 
В общем случае конструкция поглотителя представляет собой деревянный каркас, смонтированный на поверхности стены или потолка. На каркасе закрепляется набор деревянных планок, между которыми оставляются зазоры. Внутреннее пространство каркаса заполняется звукопоглощающим материалом. Резонансная частота поглощения зависит от сечения деревянных планок, глубины каркаса и эффективности звукопоглощения изоляционного материала.
Рассчитать резонансную частоту подобной конструкции можно с помощью оценочной формулы:
 
fo = (c/(2*PI))*sqrt(r/((d*1.2*D)*(r+w))), где
 
          - ширина деревянной планки,
           r - ширина зазора,
          d - толщина деревянной планки,
          D - глубина каркаса,
          с - скорость звука в воздухе.
 
Если в одной конструкции применять планки различной ширины и закреплять их с неодинаковыми зазорами, а также выполнять каркас с переменной глубиной, можно построить поглотитель, эффективно работающий в широкой полосе частот.
 
Конструкция резонатора Гельмгольца достаточно проста и может быть собрана из недорогих и доступных материалов непосредственно в музыкальной комнате или в студийном помещении во время производства строительных работ.
 
 

Расчет панельного НЧ-поглотителя конверсионного типа (НЧКП)
 

Панельный поглотитель конверсионного типа является достаточно популярным средством акустической обработки музыкальных комнат благодаря простой конструкции и довольно высокой эффективности поглощения в области низких частот. Панельный поглотитель представляет собой жесткий каркас-резонатор с замкнутым объемом воздуха, герметично закрытый гибкой и массивной  панелью (мембраной). В качестве материала мембраны, обычно применяют листы фанеры или MDF. Во внутреннее пространство каркаса помещается эффективный звукопоглощающий материал.
 
Звуковые колебания приводят в движение мембрану (панель) и присоединенный объем воздуха. При этом кинетическая энергия мембраны преобразуется в тепловую энергию за счет внутренних потерь в материале мембраны, а  кинетическая энергия молекул воздуха преобразуется в тепловую энергию за счет вязкого трения в слое звукопоглотителя. Поэтому мы называем такой тип поглотителя конверсионным.
 
Поглотитель представляет собой систему масса-пружина, поэтому он обладает резонансной частотой, на которой его работа наиболее эффективна. Поглотитель может быть настроен на желаемый диапазон частот путем изменения его формы, объема и параметров мембраны. Точный расчет резонансной частоты панельного поглотителя является сложной математической задачей, и результат зависит от большого количества исходных параметров: способа закрепления мембраны, её геометрических размеров, конструкции корпуса, характеристик звукопоглотителя и т.п.
Тем не менее, использование некоторых допущений и упрощений позволяет достичь приемлемого практического результата.
 
Будем считать, что мембрана с поверхностной плотностью m закреплена на каркасе глубиной d и колеблется как единое целое без деформации поверхности.
В таком случае, резонансную частоту fo можно описать следующей оценочной формулой:
 
fo=600/sqrt(m*d),  где
 
          m – поверхностная плотность мембраны, кг/кв.м
          d – глубина каркаса, см
Данная формула справедлива для случая, когда внутреннее пространство поглотителя заполнено воздухом. Если внутрь поместить пористый звукопоглощающий материал, то на частотах ниже 500 Гц процессы в системе перестают быть адиабатическими и формула трансформируется в другое соотношение, которое и применяется в он-лайн калькуляторе "Расчет панельного поглотителя":
 
 fo=500/sqrt(m*d)
 
Заполнение внутреннего объема конструкции пористным звукопоглощающим материалом снижает добротность (Q) поглотителя, что приводит к расширению его рабочего диапазона и увеличению эффективности поглощения на НЧ. Слой звукопоглотителя не должен прикасаться к внутренней поверхности мембраны, также желательно оставить воздушный зазор между звукопоглотителем и задней стенкой устройства.
Теоретический рабочий диапазон частот панельного поглотителя расположен в пределах +/- одна октава относительно расчетной резонансной частоты.
 
Необходимо отметить, что в большинстве случаев описанного упрощенного подхода вполне достаточно. Но иногда решение ответственной акустической задачи требует более точного определения резонансных характеристик панельного поглотителя с учетом сложного механизма изгибных деформаций мембраны. Это требует проведения более точных и достаточно громоздких акустических расчетов. 
 
 
 
 
 

Расчет размеров студийных помещений в соответствии с рекомендациями EBU/ITU, 1998
 

Этот калькулятор позволяет рассчитать приемлемые соотношения линейных размеров студийных помещений, контрольных комнат и музыкальных комнат прослушивания с точки зрения уменьшения влияния низкочастотных резонансов. 
 
За основу взята методика, разработанная в 1993 году Робертом Волкером (Robert Walker) после серии исследований, проведенных в инженерном департаменте ВВС (Research Department Engineering Division of ВВС). В результате была предложена формула, регулирующая соотношение линейных размеров помещения в достаточно широких пределах. 
 
В 1998 году данная формула была принята в качестве стандарта  Европейским Радиовещательным Союзом (European Broadcasting Union, Technical Recommendation R22-1998) и Международным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union Recommendation  ITU-R  BS.1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студийных помещений и музыкальных комнат прослушивания.
Соотношение выглядит следующим образом:

                                     1.1w/h <= l/h <= 4.5w/h - 4,
                                      l/h < 3,     w/h < 3
где l – длина, w – ширина, и h – высота помещения.
Кроме того, должны быть исключены целочисленные соотношения длинны и ширины помещения к его высоте в пределах +/- 5%.
 
Все размеры должны соответствовать расстояниям между основными ограждающими конструкциями помещения. 
 
 
 
 
 
 

Расчет диффузора Шредера

Диффузоры Шредера, конструкция которых основана на теории чисел, являются замечательным инструментом для получения диффузного звукового поля в помещениях различного назначения. Фактически диффузор Шредера представляет собой дифракционную решетку, которая рассеивает падающую на нее звуковую энергию в широком диапазоне частот, даже при большой величине угла падения.
Диффузор Шредера состоит из серии ячеек различной глубины, но одинаковой ширины, выполненных в корпусе из дерева, MDF или других листовых материалов. Разрез типовой конструкции диффузора (p=7) изображен на рисунке слева.  
 
Конструкция диффузора основана на математической последовательности квадратичных вычетов из теории чисел, которая определяется соотношением:
 
sn = n2 *mod(p), где
 
sn – последовательность значений относительной глубины ячеек диффузора,
n –неотрицательное целое число{0, 1, 2, 3 ...}, определяющее номер соответствующей ячейки,
p –простое число {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17...}. (Простое число, это отличное от 0 и 1 число, которое делится без остатка только на 1 и на самого себя.)
    
  
   Реальная глубина ячеек dn в конструкции диффузора зависит от значения его проектной частоты fo:

dn = sn * с /(fo * 2 * p), где
dn –глубина ячейки с номером n,
fo – проектная частота диффузора,
с – скорость звука в воздухе,
p –простое число (порядок диффузора), соответствующее количеству ячеек.
 
На проектной частоте диффузор Шредера обладает максимальной эффективностью рассеяния звуковой энергии.
Рабочий диапазон частот зависит от линейных размеров ячеек диффузора. Нижняя граница рабочего диапазона диффузора flow зависит от размера самой глубокой ячейки. Верхняя граница рабочего диапазона fhigh зависит от значения ширины ячейки W.
Диаграмма рассеяния звуковой энергии одномерного диффузора Шредера имеет форму полуцилиндра.
На практике толщина перегородок между соседними ячейками имеет конечную толщину t и поэтому в расчетах вместо ширины ячейки W применяется сумма значений W + t
 
 


 
 

 

Соответствие размеров студийных помещений международным стандартам
 

Влияние основных резонансов в комнате небольшого размера часто приводит к увеличению времени реверберации и к неравномерности частотной характеристики, которая, в свою очередь, часто приводит к нежелательному окрашиванию звука. Проблемы возникают на низких частотах из-за сравнительно низкой плотности комнатных мод.
Проектировщики студий и музыкальных комнат стараются решить эту проблему путем использования помещений с соответствующими размерами, а также располагая слушателей и громкоговорители в определенных местах.
 
За последние десятилетия было предложено большое количество подходов к поиску оптимальных соотношений размеров комнат. В большинстве своем эти методики стремятся избежать случаев, в которых повторяющиеся моды располагаются в узком диапазоне частот. 
                  
Ричард Болт (Richard H. Bolt, 1946) предложил расчетный график, который дает возможность определять предпочтительные соотношения сторон комнаты. Болт изучал поведение звука в камере, в которой ограждения по размерам были сравнимы с длиной волны, и предложил такую группу соотношений высоты к длине и длины к ширине, в которой модальные частоты были достаточно распределены.
 
Лауден (M. M. Louden, 1971) рассчитал распределение мод для множества соотношений размеров комнаты и опубликовал перечень предпочтительных размеров, основанный на одном графике качества. С помощью этого метода было получено широко известное соотношение 1:1,4:1,9. Лауден проводил исследования над 125 комбинациями соотношений размеров комнаты с шагом 0,1.
 
Роберт Волкер (Robert Walker, 1996) разработал критерий качества комнаты, основанный на вычислении среднеквадратичного расстояния между модальными частотами. Этот метод позволяет получить ряд практичных и почти оптимальных размеров комнаты. В 1998 году формула, предложенная Волкером была принята в качестве стандарта  Европейским Радиовещательным Союзом (EBU) и Международным Телекоммуникационным Союзом (ITU).
 
Рекомендации Тревора Кокса (Trevor Cox, 2004) основаны на поиске комнаты с наиболее равномерной модальной частотной характеристикой. Для многократного поиска наилучших размеров комнаты используется компьютерный алгоритм. Подобный поиск используется и для определения лучшего расположения источника и приемника звука.
 
Все приведенные методики, так или иначе, имеют свои ограничения. Однако их применение на практике позволяет определить диапазон приемлемых пропорций комнаты, избежать наихудших случаев и минимизировать влияние комнатных мод на тональный баланс и тембр звука.
 
 
 
 
 
Расчет аксиальных комнатных мод

Каждому помещению присущи акустические резонансы или, как еще говорят, комнатные моды. Пропорции комнаты, т.е. соотношения длины, ширины и высоты, задают расположение комнатных мод в частотном спектре, а также плотность их распределения. Размеры как таковые определяют частоты, на которых имеют место резонансы, т.е. то, будут ли отдельные, имеющие огромное значение для воспроизводимой музыки, частоты усиливаться или же подавляться. В идеально прямоугольных комнатах с идеально ровными и отражающими поверхностями (стенами, полом и потолком) эти резонансы легко могут быть вычислены по следующей, хорошо известной формуле:
где nx, ny и nz – целые числа, а Lx, Ly и Lz – это соответственно длина, ширина и высота комнаты.
 
Для вычисления всех мод необходимо перебрать все возможные комбинации из трех целых чисел Nx, Ny, Nz. На практике же достаточно вычислить только низкочастотные моды, т.е. ограничиться максимальным N=4.
Отдельные моды описываются различными комбинациями из целочисленных Nx, Ny, Nz. Например (1, 0, 0) описывает моду первого порядка вдоль стороны, принятой за «x». (0, 2, 0) описывает моду второго порядка вдоль стороны, принятой за «y», и так далее. В случае, когда два из трех целых чисел равны 0, формула значительно упрощается и позволяет чуть ли не в уме вычислять частоты стоячих волн, возникающих между заданной парой противостоящих стен вдоль одного из размеров комнаты.
f (1,0,0) = c/2/L
Эти моды называются осевыми или аксиальными и, как правило, являются самыми интенсивными из всех. 
Тангенциальные моды образуются, когда звуковая волна многократно переотражается четырьмя поверхностями, пары которых параллельны друг другу. Рассчитать эти моды можно, комбинируя два целых числа и ноль. Например, массив (1,1,0) позволяет рассчитать моду первого порядка в плоскости x-y (длина-ширина). Такие стоячие волны образуются между четырьмя стенами комнаты и располагаются параллельно полу и потолку.
   Наклонные (или косые) моды образуются между всеми шестью стенами комнаты. Поскольку накопление энергии моды происходит с каждым «круговоротом» звука, а здесь волна замыкается после шести переотражений, теряя с каждым разом часть своей энергии, наклонные моды среди всех стоячих волн оказывают наименьшее влияние на звук. Вычислить частоты, усиленные этими волнами, можно, комбинируя тройки чисел (1,1,1 – наклонная мода первого порядка).
 
Аксиальные моды, как правило, являются самыми интенсивными из всех и при определенном допущении для грубой оценки распределения комнатных резонансов можно пренебречь влиянием тангенциальных и косых мод.
Калькулятор аксиальных мод в комнате прямоугольной формы
 

 

 

 
 
Упрощенный анализ аксиальных комнатных мод
 

 

 
   
Окрашивание в значительной мере определяет качество звука в маленькой студии или комнате прослушивания. Задача состоит в том, чтобы определить, какие из сотен модальных частот в комнате могут вносить в звук нежелательную окраску. 

Как близко должны располагаться соседние модальные  частоты, чтобы избежать проблемы окрашивания звука? Исследования Кристофера Гилфорда  (Christopher LS Gilford, "The Acoustic Design of Talks Studios and Listening Rooms") показали, что если аксиальные моды отстоят друг от друга на 20 Гц и более, то они считаются акустически изолированными. Они не будут возбуждаться через связь вследствие перекрывания полос, а будут действовать независимо. В таком изолированном состоянии аксиальная мода может реагировать на компонент сигнала, имеющий близкую частоту, усиливая его.

 

Нулевой интервал между модальными частотами также является источником окрашивания. Нулевой интервал означает, что две модальные частоты совпадают (т.н вырожденные моды), что придает этим частотным составляющим чрезвычайную выразительность.

Наличие изолированных мод служит источником провалов, а нулевой интервал между модальными частотами часто приводит к образованию пиков на амплитудно-частотной характеристике. Высокая неравномерность АЧХ на частотах ниже 300 Гц является причиной возникновения нежелательных акустических дефектов, таких как "коробчатое" звучание и "гудение" баса.

Предлагаемый калькулятор позволяет также рассчитать радиус гулкости помещения (т.н. ближнее поле) и характерные зоны в звуковом диапазоне, ограниченные частотами F1-F5.

Диапазон частот F1-F2
Зона давления. Комнатные резонансы отсутствуют, нет усиления звука модами.

Диапазон частот F2-F3
Зона комнатных резонансов. Действуют законы волновой акустики. Диапазон ограничен сверху частотой Шредера.

Диапазон частот F3-F4
Переходная зона. Длина звуковой волны слишком велика для законов геометрической акустики, но мала для законов волновой акустики. Дифракция и диффузия звуковых волн.

Диапазон частот F4-F5
Зона отражения звуковых волн. Действуют законы геометрической акустики.

Калькулятор применим для оценки проблемных модальных частот только в комнатах простой прямоугольной формы с невысоким фондом звукопоглощения.

Калькулятор "Упрощенный анализ аксиальных мод"
 

 

 

 

 
Калькулятор времени реверберации

 

   
   

Время реверберации (Т,сек), введенное В. Сэбином (Wallace Sabine) еще в конце позапрошлого века, до сих пор остается одной из важнейших акустических характеристик помещения. Время, в течение которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ после прекращения звучания источника, называется временем стандартной реверберации и характеризует степень гулкости помещения.

Помещение с большим значением времени реверберации воспринимается как «живое» (часто это церкви, спортзалы, бассейны), помещения с малым значением времени реверберации характеризуются как «заглушенные» (студии звукозаписи, дикторские кабинки).  

В общем случае, снижение времени реверберации приводит к улучшению ясности и артикуляции речи, т.е увеличению степени акустического комфорта. Уменьшение времени реверберации достигается применением звукопоглощающих покрытий стен, пола и потолка.

Данный акустический калькулятор предназначен для оценки времени реверберации в помещении в зависимости от его назначения, а также для предварительного подбора необходимого количества звукопоглощающих материалов.
Помимо использования внутренней базы данных звукопоглощающих материалов, программа позволяет вводить коэффициенты поглощения любых произвольных материалов, взятых из справочной литературы. 
Таблица коэффициентов звукопоглощения

Проведение расчетов в предлагаемом калькуляторе подразумевает ввод данных в диалоговом режиме и дальнейшее выведение результатов на экран в виде диаграммы. Расчет времени реверберации производится по методике, изложенной в СНиП 23-03-2003 "Защита от шума" в октавных полосах частот по формуле Эйринга (Carl F. Eyring): 

Т (сек) = 0,163*V / (−ln(1−α)*S + 4*µ*V)

где 

V – объем зала, м3
S – суммарная площадь всех ограждающих поверхностей зала, м2
α - средний коэффициент звукопоглощения в помещении
µ - коэффициент, учитывающий поглощение звука в воздухе

Полученное расчетное время реверберации графически сравнивается с рекомендуемым (оптимальным) значением. Оптимальным называют такое время реверберации, при котором звучание музыкального материала в данном помещении будет наилучшим или при котором разборчивость речи будет наивысшей.

Оптимальные значения времени реверберации нормируются соответствующими международными стандартами: 

DIN 18041 Acoustical quality in small to medium-sized rooms, 2004
EBU Tech. 3276 – Listening conditions for sound programme, 2004
IEC 60268-13 (2nd edition) Sound system equipment - Part 13, 1998                                          Правила пользования 

Калькулятор времени реверберации
 

 

 

Найти!
Основы акустики Акустические on-line калькуляторы Online Acoustic Calculators [English version]

Рекомендации и технические статьи

Расположение громкоговорителей в комнате прослушивания и комнатные моды Современные акустические материалы (обзор) Акустика офисов Акустика студий и контрольных комнат Акустика спортивных залов Акустические диффузоры Шрёдера: взгляд изнутри Коррекция акустики музыкальной комнаты Методология поиска оптимального расположения громкоговорителей Общие подходы к акустической отделке КДП, ДК и контрольных комнат Тайна акустики яичных лотков

Материалы звукопоглощающие для коррекции акустики помещений