Стайна акустика - някои важни понятия и цифри

НЯКОИ ВАЖНИ ПОНЯТИЯ И ЦИФРИ ИЗПОЛЗВАНИ В АКУСТИКАТА

Архитектурната акустика представлява наполовин инженерство, наполовин изкуство. Изкуството идва от възможността да избираш, поставяш и оценяваш различните материали и конструкции. Инженерството идва от измерването на ефектите, които материалите и конструкциите оказват. Съществуват стандарти за провеждане на измервания, така че можете да сравнявате спцификациите от различните производители, когато избирате материали.

Графики (Graphs)

Много от акустичните числа се представят като криви върху графики. За да се отрази природата на човешкия слух, често се използва специфична разграфена хартия. Вертикалните разделения представляват честотата, но те са разположени по такъв начин, че една октава е една и съща дължина навсякъде в графиката. Забележете, че всяко отделение до 100 представлява 10 Hz, всяко от 100 до 1000, предствлява 100 Hz, а от 1000 до 10000 - 1000 Hz. Ето защо разстоянието е логаритмично. Хоризонталните разделения са разположени на еднакви разстояния. Но тъй като те означават децибели, графиката е логаритмична и в тази посока.

Логаритмично разграфена хартия

Криви на еднаквата сила (Equal loudness curves)

Кривите или контурите на еднаквата сила се основават на работата на Флетчър и Мънсън в лабораториите на Бел през 30-те, по-късно са направени подобрения от Робинсън и Дедсън. Те са създадени чрез запитване на хора да преценят дали чист тон в различни честоти звучи с еднаква сила. Това е много трудно да се определи, и кривите са усреднените резултати от много изследвания, така че към тях трябва да се отнасяме като към основни показатели, а не като предписание на това, което чува един определен човек.

Криви на еднаквата сила или Криви на Флетчър - Мънсън

Цифрите на всяка крива я идентифицират с понятието фон. Единица за сила, която компенсира честотния ефект. За да намерите стойността на силата на един звук във фонове намерете силата в dB и честотата на графиката и вижте на коя крива лежи той.

Интересен аспект при тези криви е, че е трудно да се чуе ниска честота при тих звук и че ухото е свръх чувствително между 1 и 6 kHz.

Ниво на налягане на звука(Sound pressure level) SPL

Нивото на налягане на звука е единично измерване на звуковото налягане в децибели, отнесено към границата на човешкия слух. Разбира се това варира при отделните личности. Ние обикновено живеем в среда от около 60 dB SPL, смятаме че музиката е силна когато стане 90 dB SPL, и чувстваме болка когато стане над 120 dB SPL. Когато са били правени SPL измервания, са били включени и няколко теста на човешкия слух относно честотния обхват. Използвали са филтри, които следват кривите на Флетчър-Мънсън - кривата А следва Ф - М при ниските нива, кривата В следва средните нива, а кривата С е приблизително равна.

SPL криви

Ако ви изглежда странно, че тези криви завиват надолу, докато кривите за еднаквата сила завиват нагоре, спомнете си, че това е честотния обхват и че кривата на силата показва чувствителността. Идеята е, че ако има шум при ниските нива и ниските честоти, няма голямо значение, защото и без това той трудно се чува.

SPL обикновено се измерва със специални уреди /SLM/, които имат вградени тези криви. Използвайте крива А за тихи измервания, крива С за силни, а равните настройки за сравнително измерване като загуба при преминаване.

Критерий за шум(Noise criteria) NC

Критерия за шум е един често срещан начин за да се определи шума в една стая. Това не е едно и също с SPL. Той също включва само половината от спектъра.

Криви на критерия за шум

За да получите стойност за NC, намерете кривата, която се намира точно под всички ваши измервания. От тези криви се вижда, че при обстановка, в която измерваме NC 20 е възможно да съществува ниво от 50 dB шум при 60 Hz. Въпреки, че ефекта на Флетчър - Мънсън ще направи това приемливо за една класна стая, то не е подходящо за едно студио, защото тихите звуци често се усилват до ниво, в което можем да ги чуем.

Загуба при преминаване (Transmission loss) TL

Загубата при преминаване е просто намаление в SPL докато един звук преминава през дадена конструкция. Тя ще варира според честотата и се представя с крива или поредица от стойности, за избрани честоти. Много често ще видите следната таблица:

125 Hz

250 Hz

500 Hz

1000 Hz

2000 Hz

4000 Hz

STC

15

19

21

28

33

37

27

Загуба при преминаване

Таблицата ни дава загубата при преминаване в dB за изброените честоти. Обърнете внимание на последната стойност, вместо честота, тя е обща стойност наречена STC.

Коефициент на абсорбация (Absorption coefficient) AC

Абсорбационните възможности на един материал се представят с коефицинтът на абсорбация, който е отношение между енергията на отразения звук и енергията на звука, който пристига при повърхността. Напълно отразителните повърхности имат AC 0, отворен прозорец има коефициент 1. И тук стойностите варират според честотата, въпркеки че в характеристиките на производителите много често дават само една стойност. Показана е таблица на абсорбационните възможности на стъклената вата:

Коефициент на абсорбация на стъклена вата

Скорост на звука (Speed of sound)

Най-важното, което трябва да запомните е, че скоростта на звука при нормални условия е 344 м/сек. Тя се променя според температурата (забавя се при ниски температури). За много различни цели можем да следваме правилото, че звукът се движи малко по-бързо от 30 см за една милисекунда.

Честота (Frequency)

Величината показва колко често се случва нещо. За равен тон честотата е броя трептения на звуковите вълни, които преминават покрай ушите ни за една секунда. Тя се измерва в херци Hz. Обикновено се счита, че чуваемия обхват от честоти се намира между 20 Hz и 20000 Hz. Малко хора могат да чуят всичко това, но някои могат дори повече.

Дължина на вълната (Wavelength)

Tова е разстоянието между две отделни трептения на един равен тон. Тя се представя с гръцката буква ламбда λ.

Формулата:

Дължина на вълната = Скоростта на звука/ честотата

СТАЙНИ МОДИ 

Една обикновена правоъгълна стая ще усилва определени честоти с дължини на вълната равни на размеритe на стаята. Докато ние взимаме мерки по явления като пърхащо ехо, стоящи вълни, с някои внимателно поставени абсорбиращи и дифузиращи панели самата форма на стаята все още ще предизвиква оцветяване на реверберацията. Ето какво се случва:

Когато произведем в стята равен тон, вълните ще бъдат отразени от пода и от тавана и ще се върнат отново при източника на звука. Ако пълната обиколка трае точно един период на вълната, то отразената вълна ще се прибави към амплитудата на новата вълна и неговата сила ще се увеличи. Ние наричаме това "модално увеличение" и честотата при, която това се случва се нарича модална честота или стайна мода.

Осови (аксиални) моди

Можем да изчилсим честотата на този ефект, когато звукът е отрзен от пода към таван с височина 2.50 м., използвайки формулата:

F = c/l

Където F = честотата; c = скоростта на звука; l = дължина на вълната.

Дължината на вълната е 2l или 5 м. (спомнете си, че прави пълна обиколка).

Скоростта на звука е 344 м/сек, така че честотата е 70 Hz. Tова ще се случи и на хармоничните честоти на 70 Hz - 140, 210 и т.н.

Същото ще се случи и за дължината и за широчината на стаята. Тези три най-прости пътища се наричат осови (аксиални) моди.

Тангенциални моди

Има и други моди, които се дължат на размерите на стаята. Например мода се получава по диагоналите:

Дължината на вълната може да се изчисли чрез дължината и широчината на стаята по Питагоровата теорема. Има три диагонала, всеки от които подържа своята си честота и прилежащите хармонични.

Има и други тангенциални моди, като тези, погледнати отгоре:

При тази мода имаме два пътя, които подържат някои стоящи вълни. В пресечната точка n двете вълни се събират. Те ще бъдат точно в една и съща фаза и резултата ще бъде стояща вълна от р до р. Разстоянието рр се изчислява като корен от сбора на квадратите на широчината и половината от дължината на стаята.

Подобно и тангенциални моди на 1/3 от дължината; ½ от широчината и комбинации.

Скосени и наклонени моди

Основната скосена мода преминава по главните диагонали на срещуположните върхове, като от преден горен ляв до заден долен десен.

Диагонала също се изчислява по Питагоровата теорема, но сега той е триизмерен. Има и по-сложни скосени моди.

Голямата формула

Приблизителна представа за това как ще звучи една стая, може да получим от изчислението на основните моди, изброени по-горе. Въпреки, че цялостно описание може да се направи единствено с компютърна програма. За да направим това ние събираме всичките формули в една:

След това въвеждаме стойности за дължина (L); широчина (W); височина (H) и скоростта на звука c и решаваме със стойности за p, q и r.

p

q

r

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

2

0

0

2

1

0

и т. н. докато не получим толкова стойности, за колкото имаме място, обикновено за всичките комбинации до 4, 4, 4. След като имаме всички честоти, ние ги сортираме и търсим за струпвания от моди и от празни региони без моди. Ето един пример:

L                      4.6      Аксиална          1

W                    2.98     Тангенциална   2

H                     2.54     Скосена           3

Мода

P

Q

R

Честота

Тип

1

1

0

0

37.5

1

2

0

1

0

57.7

1

3

0

0

1

67.8

1

4

1

1

0

68.8

2

5

2

0

0

74.9

1

6

1

0

1

77.5

2

7

0

1

1

89.0

2

8

2

1

0

94.5

2

9

1

1

1

96.6

3

10

2

0

1

101.1

2

11

3

0

0

112.4

1

12

0

2

0

115.3

1

13

2

1

1

116.4

3

14

1

2

0

121.2

2

15

3

1

0

126.3

2

16

3

0

1

131.3

2

17

0

2

1

133.8

2

18

0

0

2

135.7

1

19

2

2

0

137.5

2

20

1

2

1

138.9

3

21

3

1

1

143.4

3

22

0

1

2

147.4

2

23

4

0

0

149.9

1

24

1

1

2

152.1

3

25

2

2

1

153.3

3

26

2

0

2

155.0

2

От 90 Hz нагоре, тази стая е сравнително гладка, но съществува дупка в подържането между 77 и 89 Hz със струпване точно под 70. Досегашната абсорбация в стаята не е много ефективна под 100 Hz, така че липсата на модално увеличение там се компенсира. Но тези 68 Hz наистина бумтят, така че трябва да потърсим нещо абсорбиращо за тази честота.

Тъй като модите, които се включват са 001 (вертикална) и 110 (тангенциална успоредна на пода) мога да видя, че и тавана и ъглите се нуждаят от обработка. Обработката на тавана, ще намали неравността при 77 Hz ако го направя при ъглите.

Модалните изчисления са особено полезни при строеж на сгради и зали. При съществуващи стаи, таблицата ви помага да решите къде да сложите абсобационните материали - ако знаете, че проблема се намира на тангенциалната мода, слагате си абсорбацията по ъглите, ако вертикалната аксиална мода е виновника, тогава слагаме по-дебел килим