Проектирование акустики зрительных залов

Пояснилка.doc

Приложение. Графическая часть.
Развертки по стенам. Сечения
Пояснительная записка
Проектирование зданий
Задачи и метод архитектурной акустики.
Проблемы акустики больших закрытых помещений связанные с определением условий хорошей слышимости принадлежат к числу задач поставленных ещё во времена классической древности. Однако первые успехи архитектурной акустики датируются только началом текущего столетия когда Уоллес Сэбин экспериментально установил один из важнейших факторов определяющих акустическое качество аудиторий. Первые практические успехи надолго предопределили пути последующего развития акустики закрытых помещений. Вплоть до сравнительно недавнего времени научно-техническая работа в этой области не выходила за пределы горизонта очерченного этими работами. Поэтому представляется целесообразным изложить предварительно некоторые соображения определяющие задачи и метод архитектурной акустики в период её первых практических успехов.
Когда в закрытой аудитории звучит речь то каждый её слог представляющий собой короткий звуковой импульс доходит до слушателя не только по прямой линии но и по путям многократно изломанным благодаря отражениям звука от стен потолка и пола помещения. При каждом отражении импульса от ограничивающих помещение поверхностей некоторая часть звуковой энергии поглощается поэтому при каждом произнесённом слоге ухо слушателя воспринимает последовательный ряд импульсов с постепенно убывающей интенсивностью. Интервалы времени отделяющие друг от друга элементы такого ряда достаточно малы по сравнению с длительностью импульса в связи с чем явление не носит характера эхо. Не различая отдельных членов серии затихающих импульсов слушатель воспринимает каждый новый слог речи на слитном фоне ряда предшествующих слогов ещё не успевших отзвучать к моменту произнесения очередного слога. Нетрудно понять что если поглощение звука невелико то отзвук происходит очень медленно причём наличие ещё не отзвучавших импульсов сильно мешает разборчивости очередных слогов связной речи. В этом случае помещение оказывается чрезмерно гулким иногда в такой степени что речь становится совершенно неразборчивой. Всё сказанное сохраняет своё значение и в применении к помещениям предназначенным для слушания музыки. Каждый такт музыкального произведения каждая музыкальная фраза представляют собой последовательности звуковых импульсов подвергающихся в аудитории процессу постепенного отзвука. Понятно что при затянутом отзвуке фон получающийся при суперпозиции ряда медленно затихающих импульсов нарушает нормальное восприятие музыки тем сильнее чем быстрее темп музыкального произведения.
На примере музыки легко уяснить себе и другую сторону дела: акустическим дефектом помещения может явиться не только чрезмерная длительность отзвука но также и недостаточная его продолжительность. Действительно при очень быстром отзвуке (т. е. при значительном поглощении звука) музыка звучит сухо утрачивая ту связность звучания к которой мы привыкли при слушании концертной музыки в качестве одного из факторов её эстетического воздействия. В известной мере это относится и к слушанию речи хотя при коротком отзвуке разборчивость речи вполне удовлетворительна зато своеобразная безжизненность её звучания в заглушённом помещении ощущается — особенно при восприятии художественного слова — как некоторый безусловно неприятный дефект.
Из этих соображений следует что основным фактором определяющим акустическое качество аудиторий является длительность процессов отзвука или как иначе говорят продолжительность реверберации. Под этим термином подразумевается остаточное звучание в помещении после прекращения действия источника звука. Как показывает опыт продолжительность реверберации должна лежать в некоторой области оптимальных значений за пределами которой аудитория оказывается акустически неполноценной или дефектной. Значение которое приписывается длительности реверберации как критерию акустической оценки аудиторий объясняет то обстоятельство что теоретические интересы архитектурной акустики направлены в первую очередь на исследование нестационарных акустических процессов к числу которых относится отзвук. Проблема стационарного режима имеет в акустике помещений второстепенное значение. Если теперь мы попытаемся представить себе характер задачи встающей перед нами при исследовании звукового поля в закрытом помещении — и притом независимо от того идёт ли речь о стационарном или о нестационарном режиме— то с очевидностью выясняется и тот метод исследования следуя которому мы можем рассчитывать на получение практически пригодных результатов. В самом деле через каждую точку в объёме помещения (если поглощение звука не слишком велико) одновременно проходит очень большое количество отражённых волн движущихся по всевозможным направлениям.
Звуковое давление и вектор колебательной скорости в каждой отдельной точке определяются результатом интерференции всех этих волн; если сообразить что этот результат должен быть предвычислен для любой точки в объёме помещения и для любой частоты в пределах основной части диапазона слышимости то уже самая постановка задачи достаточно наглядно свидетельствует о затруднительности её динамического исследования. Однако именно очень большое число интерферирующих волн наводит на мысль о том что по крайней мере в некоторых случаях задача поддаётся статистической трактовке с использованием основных приёмов математической теории вероятностей.
Архитектурно-акустическая теория со времени Сэбина встала на путь статистического описания звуковых полей оперируя со средними значениями плотности звуковой энергии в помещении и не претендуя на определение давлений и колебательных скоростей в отдельных его точках. Предполагая что ориентации амплитуды и фазы налагающихся друг на друга волн распределены более или менее хаотически мы можем рассматривать эти волны как некогерентные и считать что плотность энергии в каждой точке помещения есть сумма плотностей энергии связанной с каждой из этих волн. Если волновое движение в помещений действительно имеет такой неупорядоченный характер без наличия преобладающих направлений колебательного движения и симметрий распределении амплитуд то статистические методы исследования совершенно законны и приводят к важным практическим результатам.
Из соображений подробно изложенных выше следует что основная задача акустического проектирования аудиторий любого назначения — лекционных или концертных залов оперных или драматических театров домашних кинотеатров студий для звукозаписи зрительных залов звуковых кинотеатров и т. п. — заключается в обеспечении оптимума реверберации т. е. такой её длительности при которой речь звучит (при достаточном уровне громкости) совершенно разборчиво а звучание музыки или певческого голоса даёт наибольший эстетический эффект. Со времени первых работ Сэбина надлежащая длительность реверберации в её соответствии с оптимумом для данного случая справедливо считается необходимым условием акустической полноценности аудитории.
Последовательность проектирования.
Акустическое проектирование зрительных залов рекомендуется проводить в 4 взаимосвязанных этапа (рис. 1) – подготовительный планировочный геометрический и отделочный.
Подготовительный – этап ставит своей целью определение исходных данных для акустического проектирования. Основные задачи этапа:
- определение геометрических параметров зала (форма и размеры зала сцены эстрады площадь объем удаление зрительских мест и т.д.);
- определение основных акустических показателей и критериев проектируемого зала (оптимальные значения времени реверберации и структуры ранних отражений).
Планировочный этап. Его главная цель – разработка эскизного решения плана зала. Основные задачи этапа:
- размещение зрительских мест с учетом зон комфортности (зрительной и акустической);
- размещение сцены эстрады киноэкрана и другого оборудования;
- обеспечение требований норм эвакуации (проектирование проходов и выходов).
Этап геометрического проектирования. Цель этапа – определение точной формы зала с учетом звукоотражений. В основные задачи этапа входит:
- построение профиля пола (или подъема зрительских мест);
- уточнение формы зала в плане;
- построение балконов лож галерей;
- построение профиля потолка и отражающих экранов;
- определение зон ранних отражений на поверхностях.
Проектирование отделки интерьеров ставит целью обеспечение оптимальных условий звучания. Задачи решаемые на этом этапе:
- подбор отделочных материалов для обеспечения оптимального времени реверберации;
- пластическая обработка поверхностей и размещение отделки для повышения степени диффузности звукового поля в зале.
Определение исходных параметров.
Площадь зрительного зала определяется по вместимости и норме площади на 1 зрителя с учетом проходов эстрады по СНиП ч.II раздел Л
Где S – площадь зала в кв.м;
n – норма площади в кв.м на 1 зрителя;
N – количество зрительских мест в зале
S = 06 * 500 = 300 м2
Предельная длина зрительного зала определяется из условия максимального допустимого удаления зрительских мест в последнем ряду от красной линии эстрады. Это удаление зависит от назначения зала и измеряется не по проекции а по истинной длине луча от расчетной точки на красной линии сцены (эстрады) до наиболее удаленных зрителей. По таблице 2. Методических указаний [1] для зала музкомедии предельная длина равна 27м.
Ширина зрительного зала ограничивается предельным углом видимости различным для залов разного назначения. Для лекционных аудиторий угол видимости принимается 300.
Объем зала определяется исходя из двух условий:
А) Условие соблюдения санитарных норм
Где N – количество зрительских мест
Cн - санитарная норма объема на 1 зрителя (в м3) . Для музыкальных залов Cн = 6 м3
V > 6 * 500= 3000 м3
Б) Возможности создания диффузного звукового поля
Где fтр 100гц для музыкальных залов.
V > 106100 = 10000 м3
Из двух значений принимается большее.
При выборе формы зала в плане следует учитывать что с позиции акустики:
- расстояние между источником звука и слушателем должно быть минимальным;
- угол между лучами направленными от источника к крайним передним местам должен быть как можно меньше;
- отражающие поверхности расположенные вблизи источника должны посылать максимум звуковой энергии в конец зала;
- гладкие вогнутые поверхности стен могут создавать очаги концентрации звука (фокусировать отражение в зале);
- при параллельных гладких стенах наблюдается изменение спектра отраженного звука и «порхающее» эхо.
Расчетные параметры лекционной аудитории определены согласно табл.2 правила размещения и размеры кресел согласно табл. 3 Методических указаний [1].
При проектировании проходов путей эвакуации зрителей необходимо пользоваться рекомендациями изложенными в [3 - 6].
В первом приближении можно определить суммарную ширину основных проходов в зале по формуле
Где N- количество зрительских мест в партере.
Впр = 06 * 500 100 = 3 м.
Значения оптимального времени реверберации могут быть определены на частоте 500 гц по графику (рис 10. [1]) в зависимости от назначения и объема зала. Оптимальная продолжительность реверберации на частоте 2000 гц принимается чаще всего такой же что и на частоте 500 гц. Время реверберации на низких частотах (125гц) принимается на 15 – 25% ниже чем на частоте 500гц.
Топт500 = Топт2000 = 2.2
Топт125 = Топт500+ 25% = 187 сек.
Эскизное решение плана и последовательность построения стен указаны на рис 2.
Геометрическое проектирование зала музкомедии.
Построение профиля пола. После эскизного решения плана зала необходимо определить размещение зрительских мест на разрезе с целью обеспечения необходимого превышения сзади сидящих зрителей над передними. Такое превышение зрителей обеспечивается надлежащим подъемом (профилем) пола зала.
Для определения (построения) такого профиля необходимо знать:
- положение расчетной точки видимости;
- положение головы зрителя сидящего в первом ряду по оси зала;
- значение минимально допустимого превышения луча зрения над головой впереди сидящего зрителя.
Расчетная точка видимости (р.т.в.) принимается в органных залах – в центре нижней кромки доски или экрана (12 м от пола эстрады).
Расчетное положение головы зрителя принимается на уровне 12 м от пола зала.
Превышение луча зрения с над впереди сидящими зрителями в соответствии с требованиями норм в концертных залах – 006 м. Принимаем с = 012 м.
Профиль пола может быть построен в виде ломаной линии или по кривой наименьшего подъема.
Выбираем метод ломаной линии (рис.3). Для этого разбиваем все ряды на три участка. При этом количество рядов в каждом последующем от сцены участке должно быть больше предыдущего. Над головой первого зрителя откладывают отрезок равный произведению
Где ni – количество рядов в участке.
Через полученную точку и через р.т.в. проводят луч до пересечения с последним рядом участка. Точка пересечения – есть положение головы зрителя сидящего в данном ряду. Положения головы остальных зрителей в участке находятся на линии соединяющей т.т A и B. Аналогично находится линия BC и т.д. Профиль пола – есть линия параллельная проходящая на 12 м ниже уровня головы каждого зрителя.
сn1 = 012 * 3 = 036 м ; сn2 = 012 * 4 = 048 м; сn3 = 012 * 5 = 06 м
Графическое построение профиля потолка. Целью такого построения является оптимальное распределение отраженной звуковой энергии в зале (ранних отражений).
Для построения необходимо представить величину допустимых запаздываний в виде разницы хода лучей прямого и отраженного звуков.
R = Rотр - Rпр = t *c
Где Rотр и Rпр – длины лучей соответственно отраженного и прямого (в м);
t – запаздывание ранних отражений (сек.);
С = 340 мсек - скорость распределения звуковых волн в воздухе.
В соответствии с рекомендованными ранее запаздываниями принимаем значение для музыкальных залов – от 10 до 30 м.
Построение потолка начинают с определения средней высоты зала и расчетного положения источника звука.
Средняя высота является при построении ориентировочной величиной для обеспечения расчетного объема зала
Где V – объем зала в м3;
S - площадь зала в м2
Hср = 10000300 = 333 м.
Расчетное положение источника звука в концертных речевых универсальных залах – принимается на красной линии сцены или эстрады на высоте 15 м от пола эстрады.
В связи с тем что переднюю часть зала используют для создания «акустической раковины» часть потолка у сцены проектируют в виде круто поднимающегося экрана отражающего звуковые волны наиболее удаленным зрителям.
Построение такого экрана производится методом лучевых отражений. Остальная часть потолка проектируется в виде секций прямого очертания. Это обеспечивает оптимальное распределение отраженной энергии и повышает диффузность звукового поля в зале. При этом следует добиваться перекрытия звуковых отражений от смежных секций потолка.
Основным методом построения лучевых отражений является метод мнимого источника (метод фокальных точек) п.1.4. [1]. Кроме того минимальный размер стороны секции или экрана должен быть не менее величины
Где = сf - длина волны в м наиболее низкочастотных звуков характерных для проектируемого зала;
С = 340 мсек – скорость звука в воздухе;
F = 100 гц – для музыкальных залов.
в > 15 * (340100) = 51 м.
Построение профиля потолка методом фокальных точек показано на рисунке 3.
Зоны раннего отражения.
Границы участков поверхностей дающих ранние отражения определяются графически при помощи лучевых отражений методом мнимого источника.
Построения начинаем с отыскания проекций фокальных точек (мнимых источников). Каждая секция потолка или стены будут иметь свои фокальные точки Fi для каждого положения источника Si . Из точки Si (источника) проводим перпендикуляр к отражающей поверхности и на его продолжении находим проекцию фокальной точки Fi . Вторая проекция фокальной точки лежит на пересечении горизонтали и перпендикуляра из известной проекции фокальной точки.
Для определения искомых границ находим точки пересечения лучей (из т.т. Fi к крайним зрителям в т.т. 123 ). Эти точки (1 2 3..) соединенные соответственно друг с другом определяют теоретические границы зоны отражения. Чтобы крайние точки зоны давали эффективные отражения (для устранения дифракции и т.д.) необходимо расширить не менее чем на 05 м размеры отражающего участка.
Зоны ранних отражений должны быть отделаны материалами хорошо отражающими звук в широком диапазоне частот. Поверхность этих зон должна быть достаточно ровной не имеющей отверстий ниш проемов и т.д.
Построение зон ранних отражений потолка показано на рисунке 4.
Построение зон ранних отражений стен показано на рисунке 5.
При разработке интерьера зала необходимо решить две важные акустические задачи.
Первая количественная - определить виды и количество отделочных материалов и конструкций. Критерием правильного решения этой задачи является время реверберации в зале. Оно должно быть близким к оптимальному на различных частотах.
Вторая качественная - заключается в правильном размещении отделки на поверхностях так как это определяет характер распределения отраженной энергии а с ним – степень диффузности звукового поля в зале.
Решение первой задачи чаще всего проводят путем постепенного уточнения видов и количества отделки.
Определение эквивалентной площади звукопоглащения (ЭПЗ) производят в табличной форме (табл. 1) по формуле
Аобщ = Апост + Апер + доб S
i – коэффициент звукопоглощения
Апер = Азр * Nзр + Акр * Nкр – переменное звукопоглащение зрителями и креслами. Расчет ведется для случая 75% заполнения зала. Звукопоглащение зрителем и креслом принимается по табл. 4 [1]
доб S – неучтенное звукопоглощение неплотностями в ограждениях проемами осветительной арматурой. Здесь доб принимается по табл. 6 [1];
S – суммарная площадь всех внутренних поверхностей в зале.
Расчет времени реверберации производится на частотах 125 500 гц по формуле Эйринга
На частотах 2000гц с учетом поглощения воздуха по формуле
S – общая площадь поверхностей в м2;
n – коэффициент учитывающий поглощение звука воздухом (табл. 7 [1])
ср)функция усредненного коэффициента звукопоглощения в зале. Функция имеет вид
ср) она также может быть определена по табл. 5 [1]
где А – общее звукопоглощение зала в м2 (ЭПЗ)
S – общая площадь поверхностей в м2.
Допустимые отклонения посчитанных значений времени реверберации от оптимальных F10%.
В случае больших отклонений производятся изменения в отделке.
Если Трасч > Топт необходимо увеличить ЭПЗ что достигается применением в отделке материалов с большим коэффициентом звукопоглощения.
Если Трасч Топт – следует уменьшить количество поглощающей отделки.
При размещении поглощающей отделки следует учесть что:
- недопустимо применение поглощающих материалов в зонах раннего отражения;
- звукопоглощение необходимо в местах дающих многократное отражение звука (углы помещения задняя стена и т.д.);
- оптимальным является равномерное распределение поглощения в зале.
Пластическая обработка поверхностей в зале.
Для повышения диффузности звукового поля необходимо чтобы значительная часть внутренних поверхностей создавала рассеянное ненаправленное отражение. Это достигается расчленением поверхностей нишами балконами и т.д. Эти членения не должны находиться в зонах ранних звукоотражений. Характер расчленения зависит от основного диапазона звуковых частот в зале (табл. 1 [1]) так как хорошо рассеиваются звуковые волны длина которых близка к размерам элементов пластической обработки.Так например эффективное рассеивание в области частот 200 – 600 гц дают пилястры шириной 1 – 2 м глубиной 05 – 1 м при шаге 2 – 4 м. Если эти пилястры подвергнуть дальнейшему расчленению то может быть достигнуто рассеивание в широком диапазоне частот. Рекомендуемые параметры членений для рассеивания звуков разных частот приведены на рис.20 [1].
Методические указания «Проектирование акустики зрительного зала». сост. Удлер Е.М. Каз. КГАСУ 1980.
«Архитектурная физика». Оболенский Н.В. М. СИ 2001.
«Архитектурное проектирование гражданских и промышленных зданий». Предтеченский В.М. т.2 М. СИ 1972.
СНиП 2 – 73 – 76 «Кинотеатры». Нормы проектирования.
СНиП 2 – Л. 20 – 69 «Театры». Нормы проектирования.
СНиП 2 – Л. 16 – 71 «Клубы». Нормы проектирования.

проектирование акустики зрительных залов.dwg

Построение стен. М 1:100
Построение зон ранних отражений стен. М 1:100
Построение зон ранних отражений потолка. М 1:100
Построение профиля потолка. М 1:100
Кафедра "Проект-е зданий
Развертка по стенам
Проектирование Филармонии
Построение стен М 1:100
Построение зон ранних отражений стен М 1:100
Построение зон ранних отражений потолка М 1:100
Построение профиля потолка М 1:100