Влияние помещения на звучание и расчет мощности акустической системы

Акустические особенности помещения, где осуществляется воспроизведение звука, оказывают влияние на частотную характеристику звукового давления, а следовательно, и на качество воспроизведения. Одна и та же аппаратура будет звучать по-разному в различных помещениях. К акустическим особенностям относятся: форма помещения, его объем и коэффициенты поглощения звука ограждающих помещение поверхностей (потолка, пола, стен). Так, например, шторы, ковры, мягкая мебель и т.п. обладают большим коэффициентом звукопоглощения, тогда как гладкий потолок и стены весьма мало поглощают звук и в значительной степени его отражают. Идеальным звукопоглотителем является открытое окно. Звукопоглощение А пропорционально площади поглотителя S и его коэффициенту звукопоглощения α.

Всякое помещение (зал, аудитория, комната) представляет собой акустическую резонансную систему с распределенными параметрами, обладающую рядом собственных резонансных частот. При возбуждении в помещении звуков, содержащих составляющие резонансных частот, внутри помещения возникают резонансные колебания воздуха. Это приводит к усилению звука на резонансных частотах и изменению спектрального состава звукового сигнала, т.е. к изменению его тембра.

Отражения волн от стен помещения является причиной возникновения стоячих волн. Они сильно нарушают однородность звукового поля. В нем появляются области с максимальным и минимальным звуковым давлением – пучности и узлы. Стоячие волны образуются как между параллельными поверхностями, ограничивающими помещение, так и при косых направлениях распространения звуковых волн. Однако волны первого типа (так называемые осевые моды) имеет наибольшее значение в формировании звукового поля в помещении, особенно малых размеров. Первая (осевая) частота собственных колебаний, возникающих между параллельными поверхностями, равна:

fр1 = 172 / l

l – расстояние между ограничивающими поверхностями, м.

Таким образом, самая низкая частота собственных колебаний определяется наибольшим размером помещения, обычно его длиной. Например, при наибольшем расстоянии между стенами около 3,4 м собственная частота равна 50 Гц. Самым неудачным для прослушивания является помещение, имеющее форму куба, так как у него во всех трех направлениях будет одинаковой и основная резонансная частота и ее гармоники.

Итак, в любом помещении существует множество собственных колебаний. При этом в области, начинающейся с самой низшей собственной частоты, плотность спектра собственных колебаний сравнительно невелика, но с повышением частоты резко увеличивается. Поэтому для не очень малых помещений, начиная уже с частоты 150-200 Гц, плотность спектра собственных колебаний настолько велика, что явление резонанса незаметно. Большое помещение более благоприятно для звуковоспроизведения, так как основные резонансные частоты с увеличением его размеров понижаются и оказываются за пределами рабочего диапазона частот, а гармоники благодаря большому их числу образуют почти сплошной спектр и не подчеркивают звуков отдельных частот. Желательно, чтобы объем помещения был не менее 42 м³, а один из линейных размеров не менее 5 м.

Эффективным средством, улучшающим прослушивание, является наличие в помещении поглотителей звука, уменьшающих время реверберации. В театрах, кино, концертных залах применяются звукопоглотители, которыми покрывают потолок и верхние части стен.

В жилых помещениях звук поглощается мягкими вещами, включая и мебель. Конечно, и сами слушатели оказываются в роли звукопоглотителей и от их числа зависит степень поглощения в помещении.

Укажем, что коэффициент звукопоглощения α равен:

для одного слушателя = 0,38
ковер = 0,35
занавеси = 0,5

К сожалению, звуки низших частот поглощаются большинством звукопоглотителей в меньшей степени, чем звуки средних и особенно высоких частот. Удовлетворительно заглушить помещение на низших частотах довольно сложно.

Рис. 1 – Зависимость оптимального времени реверберации помещения от его объема:

Для домашнего монофонического прослушивания считается удовлетворительной комната с временем реверберации 0,6-0,9 с (для стереофонического 0,4-0,5 с). Чем больше объем комнаты Vп, тем большим может быть время реверберации при сохранении хороших условий для звуковоспроизведения. На рис. 1 представлена зависимость оптимального времени реверберации помещения T от его объема Vп. Для наглядного представления зависимости звукового давления, создаваемого громкоговорителем в помещении (в точке расположения измерительного микрофона), на рис.2 приведены частотные характеристики высококачественного громкоговорителя, измеренные в комнате и звуковой (заглушенной) камере. Как видно, на частотах ниже 400 Гц характеристика в обычной комнате весьма неравномерна (пунктирная кривая), тогда как в звукомерной камере, где все ограждающие поверхности обладают большим коэффициентом звукопоглощения, частотная характеристика сглаживается (сплошная кривая). Форма частотной характеристики, снятой в комнате, сильно зависит от места установки микрофона и громкоговорителя.

Рис. 2 – АЧХ акустической системы (сплошная – в ЗЗК, пунктир – в комнате):

Уровень звукового давления, развиваемого громкоговорителем или акустической системой на низших частотах, возрастает примерно на 4 дБ при установке его в углу комнаты. Однако при небольших размерах комнаты “окраска” звучания становиться неприятной (возникает “бубнение”) и увеличивается неравномерность АЧХ в области низких частот. Оптимальное положение системы находится после нескольких проб.

Хорошим местом в прямоугольной комнате будет короткая стена с отступом от углов по 0,5 м. Полезно, чтобы на стене, противоположной АС, находилось звукопоглощающее покрытие (ковер, драпировки и т.п.). Так же в уменьшении неблагоприятной акустики помещения станет эквалайзер эффективность которого показана на рис.3. Но эквалайзер имеет два минуса: 1 – нужно иметь запас мощности усилителя на низких частотах; 2 – необходимость измерения исходной АЧХ системы в комнате.

Рис. 3 – пример выравнивания АЧХ с помощью эквалайзера (1 – АЧХ в жилой комнате, 2 выходное напряжение эквалайзера, 3 – АЧХ с эквалайзером):

Выбор громкоговорителя (АС) начинают с определения его номинальной мощности значение которой совместно с к.п.д. укажет необходимую мощность усилителя. Номинальная мощность должна быть такой, чтобы обеспечить воспроизведение пиковых уровней без заметного увеличения искажений. Пиковые уровни на 6-10 дБ превышают среднеквадратические значения уровня сигнала. Выходная мощность усилителя зависит также от среднего коэффициента звукопоглощения помещения и к.п.д. громкоговорителей (динамиков).

В приводимом ниже расчете необходимой мощности принимается оптимальное время реверберации, при котором получается наилучшее звучание.

Если предположить равномерное распределение плотности звуковой энергии по помещению, то полная акустическая мощность источника звука в ваттах выразится формулой:

Pa = 10^-5 · (p² · A/4 · ρ · c), где:

p – эффективное значение звукового давления (Па)
A – полное звукопоглощение в помещении, выражаемое площадью идеального поглотителя звука (открытое окно) (м²)
ρ – плотность воздуха (1,2 кг/м³)
c — скорость звука в воздухе (343 м/сек)

Полное звукопоглощение помещения А связано с его объемом Vп и временем реверберации Т соотношением:

А = 0,16 · Vп / Т

Подставив в формулу для акустической мощности известные данные, выражение для А, получим:

Pa = p² · Vп · 10^-6 / Т

Xтобы определить требуемую номинальную мощность громкоговорителя (АС) и усилителя, введем в эту формулу к.п.д. громкоговорителя η, тогда окончательная расчетная формула для определения номинальной выходной мощности усилителя и громкоговорителей будет иметь вид:

Pa = ( p² · Vп / T · η ) · 10^-6

Номинальную выходную мощность усилителя и суммарную номинальную мощность динамиков акустической системы Pa, необходимые для озвучивания помещений объемом Vп=20/300 м³, можно найти, используя номограмму, на рис.4. Нижняя пара наклонных линий на номограмме относится к звуковым уровням, соответствующим звучанию оркестра в составе 18 исполнителей (звуковое давление 0,4 Па, уровень 86 дБ), а верхняя пара – к звуковым уровням, соответствующим звучанию большого оркестра в составе 75 исполнителей (звуковое давление 1,25 Па – уровень 96 дБ). Значения номинальных мощностей надо выбирать с запасом: за минимально необходимую электрическую мощность принимают мощность, обеспечивающую удвоенное значение звукового давления при пиках звучания (уровни интенсивности звука 86+6=92 дБ для малого оркестра и 96+6=102 дБ для большого оркестра), а за максимальную электрическую мощность принимают мощность, обеспечивающую утроенное значение звукового давления при пиках звучания (уровни интенсивности звука соответственно 95,5 дБ или 105,5 дБ в зависимости от числа исполнителей в оркестре). Очевидно, что увеличение звукового давления в 2 и 3 раза вызывает необходимость в увеличении номинальных электрических мощностей соответственно в 2²=4 и 3²=9 раз.

Рис. 4 – Номограмма для расчета номинальной мощности АС и выходной мощности усилителя в зависимости от объема помещения и уровня интенсивности звука:

В зависимости от объема помещения и желаемого уровня воспроизводимого звука, соответствующего оркестру из 18 или 75 исполнителей, требуемую номинальную мощность громкоговорителя следует выбрать между значениями, ограниченными двумя наклонными прямыми, относящимися к уровням интенсивности звука, соответствующим большему или меньшему оркестру.

Оптимальное время реверберации для помещений различных объемов определяют с помощью рис.1. Коэффициент полезного действия громкоговорителя принимают равным 1% (η=0,01). Такой к.п.д. имеет большинство громкоговорителей, хотя к.п.л. некоторых из них даже несколько меньше. Использование в звуковоспроизводящей установке лучших громкоговорителей приведет к образованию некоторого запаса по мощности.

Если время реверберации помещения меньше оптимального, уровень интенсивности звука также будет несколько меньше. Влияние увеличения звукопоглощения в комнате и соответствующего уменьшения времени реверберации можно оценить, открыв во время работы АС окна (если площадь их не менее 2-3 м³).

Пример

Для звуковоспроизведения в комнате объемом 51 м³ (площадь 17 м², высота 3 м) при уровне интенсивности звука, соответствующем большому оркестру, требуется громкоговоритель и усилитель с номинальными мощностями от 4 Вт до 10 Вт.

Полученное расчетом значение мощности относится к широкополосной головке. Мощность НЧ и ВЧ головок в 2-х или 3-х полосной системе при различных частотах раздела fрзд можно определить по кривым на рис.5, построенным по указанным выше данным распределения текущей мощности натуральных звучания на выходе фильтров нижних и верхних частот. Мощность узкополосных головок определяется умножением расчетного значения мощности широкополосного громкоговорителя на значение относительной мощности для выбранной частоты раздела. Очень высокие уровни звука отрицательно действуют на слух.