Звукофикация помещений: проектирование и расчет - Сапожков М.А.

Автор: Сапожков М.А.

Теги: применение акустики электроакустика звуковоспроизведение звукотехника

Год: 1979

Похожие

Акустика

Справочник. Акустика

Акустика. Справочник

Справочник по акустике

Текст

М.А.САПОЖКОВ
ЗВУКОФИКАЦИЯ
ПОМЕЩЕНИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И РАСТЯ
МОСКВА-СВЯЗЬ-1979
32.871
С19
УДК 534.874(84)
Сапожков М. А.
С19 Звукофикация помещений: Проектирование и рас-
чет.— М.: Связь, 1979.— 144 с., ил.
55 к.
Содержит рекомендации по выбору систем озвучения и звукоусиления
и их элементов (громкоговорителей, микрофонов, аппаратуры звукоусиле-
ния), расчет разборчивости речи, акустические расчеты помещений и ме-
тодику проектирования систем озвучения и звукоусиления, иллюстриро-
ванную примерами.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, заня-
тых радиообслуживанием.
30403—021
С-----------44—79 2402030000
045(01)—79
ББК 32.871
6Ф1.3
ИБ № 434
Михаил Андреевич Сапожков
ЗВУКОФИКАЦИЯ ПОМЕЩЕНИЙ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ
•
Редактор Е. Э. Зуевская
Обл. художника Л. В. Брылева
Художественный редактор Р. А. Клочков
Технический редактор К. Г. Маркой
Корректор Л. С. Апасова
•
Сдано в набор 22 IX 1978 г. Подп. в печ. 27/ХП 1978 г.
Т-21881 Формат 60X90/ie Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная
Печать высокая 9,0 усл. печ. л. 10,65 уч.-изд. л. Тираж 12 000 экз.
Изд. № 18253 Зак. № 245 Цена 55 коп.
Издательство «Связь». Москва 101000, Чистопрудный бульвар, д. 2
Типография издательства «Связь» Госкомиздата СССР
Москва 101000, ул. Кирова, д. 40
© Издательство «Связь», 1979 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последнее время возникла необходимость в литерату-
ре, посвященной вопросам проектирования систем зву-
кофикации помещений с учетом новых методик расче-
та разборчивости речи, включая расчет разборчивости
речи для трактов с компрессорами и ограничителями.
Необходимо отметить, что во всех звукофицируе-
мых помещениях предусматривается звукоусиление
речи. При этом обязательным требованием является
полная понятность ее. Для этого создают уровни звуко-
вого поля, обеспечивающие требуемую разборчивость
речи в заданных условиях шумов и помех.
При звукоусилении музыкальных передач необходи-
мо обеспечить только требуемые (для данного вида пе-
редачи) уровни звукового поля и неравномерность озву-
чения независимо от уровней шумов и помех, так
как методики расчета основного показателя для музы-
кальных передач — качества звучания — нет и пока не
определены критерии, по которым можно было бы, хотя
бы приближенно, рассчитать качество звучания. Таким
образом, методика расчета систем звукофикации для
музыкальных передач является более простой, чем для
речевых. Учитывая это, в данной книге основное внима-
ние уделяется проектированию систем звукофикации по-
мещений для речевых передач и указаны особенности
расчета звукофикации помещений для музыкальных пе-
редач.
Вопросы стереофонии в книге не рассматриваются,
так как не разработана методика расчета подобных си-
стем. Можно лишь сказать, что необходимы два раз-
дельных канала с одинаковыми параметрами. Каждый
из каналов должен рассчитываться как монофониче-
ский.
Автор выражает благодарность рецензенту канд.
техн, наук доц. Г. Н. Сталь.
Все замечания следует направлять в издательство
«Связь» по адресу: 101000, Москва, Чистопрудный буль-
вар, д. 2.
Автор
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Основы теории передачи и восприятия звука
l.i.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ
Звуковые волны, излучаемые источниками звука, распространя-
ются в окружающей нас среде в форме продольных колебаний,
т. е. в виде перемещающихся сгущений и разрежений среды в на-
правлении от источника звука. Скорость движения волн с в воз-
духе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении
составляет около 340 м/с. Пространство, в котором происходят
звуковые колебания, называется звуковым полем. Звуковое поле
характеризуют чаще всего звуковым давлением р, интенсивностью
звука / и плотностью звуковой энергии 8.
Звуковым давлением называется давление, дополнительно воз-
никающее в газообразной или жидкой среде при прохождении
через нее звуковых волн. Звуковое давление является знакопере-
менной величиной: в местах сгущения частиц среды оно положи-
тельное, в местах разрежения — отрицательное, и измеряется в
паскалях (Па)1.
Интенсивностью звука называют количество звуковой энергии,
проходящей в единицу времени через единицу площади, перпен-
дикулярной к направлению распространения звуковой волны
(Вт/м2).
Плотность энергии представляет собой количество звуковой
энергии, заключающееся в единице объема (Дж/м3).
Интенсивность звука связана с действующим значением звуко-
вого давления [1] соотношением
1 = р*1рс, (1.1)
где р — плотность среды; с—скорость звука; рс=412 кг/м2 с, а с
плотностью звуковой энергии [1]
Z = C8, (1.2)
откуда 8=р2/рс2.
Поверхность, соединяющую все смежные точки пространства с
одинаковой фазой волны, называют фронтом волны. Фронт волны
в каждой из его точек перпендикулярен направлению распрост-
ранения волны, т. е. звуковому лучу, проходящему через эту
точку.
1 Паскаль равен ньютону на квадратный метр (Н/м2). Ранее для звукового
давления использовали единицу «бар», равную дин на сантиметр квадратный
(1 Па = 10 дин/см2).
4
Различают три основные формы фронта волны: плоскую, сфе-
рическую и цилиндрическую. В плоской волне энергия не расхо-
дится (звуковые лучи идут параллельно друг другу), и поэтому
интенсивность звука, амплитуда звукового давления и средняя
плотность энергии не изменяются при удалении от источника звука.
Это справедливо в пределах десятка метров, при большем удале-
нии они постепенно уменьшаются из-за ряда потерь (например,
из-за вязкости среды и т. п.).
В сферической волне при удалении от источника звука интен-
сивность убывает по квадратичному закону [1]
/ = М2, (1.3)
а звуковое давление
P = Pilr, (1.4)
где /1 и pi—интенсивность и звуковое давление на расстоянии
1 м от источника звука; г — расстояние от источника звука, м.
В цилиндрической волне интенсивность убывает по гиперболи-
ческому закону
/ = Л/г, p* = pllr. (1.5)
В помещениях звуковые волны отражаются от ограничиваю-
щих поверхностей, и поэтому создается сложное поле в общем
случае с неравномерным распределением параметров в нем. Раз-
личают поле прямого звука, представляющее поле звуковых волн,
идущих от источника звука до отражающих поверхностей, т. е. не
претерпевших ни одного отражения, и поле отраженных звуков.
Иногда для прямого звука используют термин «прямая волна»,
но его можно спутать с «плоской волной», поэтому в литературе
по звукоусилению используют термин «прямой звук». Поле пря-
мого звука определяется так, как если бы источник звука нахо-
дился в неограниченном пространстве. Если вследствие много-
кратных отражений средняя плотность энергии становится одина-
ковой во всех точках помещения и средний поток звуковой энер-
гии одинаковым во всех направлениях, то такое поле называют
диффузным.
Очень часто параметры поля выражают в уровнях параметров.
Уровень параметра — величина, пропорциональная логарифму от-
носительного значения параметра, и измеряется в децибелах. Со-
ответственно уровни интенсивности звука, звукового давления и
плотности энергии равны:
^=101g(Z/Zo), ^ = 201g(p/p0), L8= 101g(8/80)> (1.6), (1.7), (1.8)
где Z=/o 10°>1L/; p=p0 10°>“5^> =p0 1 QO.WLp-94>; е==6о IOo,il8 .
Принято [13], что нулевому уровню интенсивности звука со-
ответствует величина интенсивности Z0=10—12 Вт/м2 (она близка
к величине порога слышимости в тишине на частоте 1000 Гц). Из
(1.1) и (1.2) следует, что нулевому уровню по звуковому давле-
5
цию содтцртствует давление; ро~2-1О~5 Па, а по плотности энер-
гии со^З-10~15 Дж/м3.
Разумеется, что в соответствии с (1.1) и (1.2) все эти уров-
ни практически равны друг другу до тех пор, пока
^400 кг/(м2-с), и можно говорить просто об уровне звукового по-
ля.
1.2.
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА
Порог слышимости — это эффект скачкообразного появления
заметного на слух ощущения звука при плавном возрастании
раздражающей силы от нуля или некоторого уровня, не вызы-
вавшего слухового ощущения. Величину порога слышимости
обычно характеризуют соответствующими параметрами раздра-
жающей силы, т. е. интенсивностью звука, звуковым давлением или
плотностью энергии. Порог слышимости зависит от ряда факто-
ров и, прежде всего от частоты тона (рис. 1.1). Выражая вели-
чины параметров звукового поля в уровнях, можно получить и ве-
личины порога слышимости безотносительно к отдельным пара-
метрам звукового поля. Соответственно этому на рис. 1.1 по оси
Ординат дан масштаб в уровнях звукового поля.
Маскировка — повышение порога слышимости при наличии
щумов или помед по отношению к порогу слышимости в тишине.
Эффект маскировки определяют разностью порогов слышимости
(для чистого тона1 заданной частоты) в шумах и в тишине
Л1 = рш—рт, (1.9)
где
₽ш=Ю1ё(/пслп//0), ₽т= ioig(/пст//0); (1.10), (1.11)
₽ш и рт — уровни порога слышимости в шумах и в тишИне;
Лт.с.ш и /псгг — соответствующие им интенсивности.
1 Под чистым тОном подразумеваются звуковые колебания синусоидальной
лформы. В дальнейшем для краткости мы будем опускать прилагательное «чис-
вдй» и под термином, ^тон» будем иметь в вйду чистый тон.
6
Эффект маскировки зайИсит от ряда факторов. В первую
очередь он определяется уровнем маскирующего звука. Сущест-
венное значение имеет и форма огибающей спектра шумов: низ-
кочастотные составляющие шумов маскируют звуки высокой
частоты лучше, чем высокочастотные составляющие шумов —
звуки низкой частоты. В случае дискретных шумовых спектров
эффект маскировки получается наибольшим для звуков, частот-
ные составляющие которых располагаются вблизи частот маски-
рующих составляющих. Поэтому эффект маскировки для слож-
ных помех можно определить только экспериментально. Однако
для шумов со сплошным спектром при достаточно равномерном
распределении его плотности по частотному диапазону эффект мас-
кировки можно легко рассчитать исходя из резонансной теории
восприятия звука.
В основу этой теории положен тот факт, что тон определен-
ной частоты вызывает колебания только вполне определенного
волокна (и, лишь частично, соседних волокон) основной мембра-
ны, находящейся в улитке внутреннего уха. Получается нечто
похожее на процессы в гребенке резонаторов, настроенных на
разные частоты звукового диапазона: на высокие — в начале
улитки и низкие—в ее конце (рис. 1.2). Такое расположение
резонаторов объясняет большую эффективность маскирующего
действия низкочастотных составляющих.
Каждой из групп волокон соответствует резонансный контур,
ток в котором эквивалентен скорости колебаний волокна. При
колебаниях волокон происходит возбуждение соответствующих
им окончаний слухового нерва, в результате чего в мозг посту-
пают импульсы тока. Нервные окончания всегда возбуждаются
до Максимума. Но так как они располагаются на разных рассто-
яниях от волокна, то при увеличении амплитуды колебаний во-
локна общее возбуждение слухового нерва происходит по сту-
пенчатому закону. Естественно, что если наиболее близкая к
волокну часть нервных окончаний уже возбуждена шумами, то
пришедшие звуки не возбудят других нервных оконча-
ний, если эти звуки имеют уровень ниже уровня шумов. Когда
амплитуда колебаний волокна от действия тона превышает ам-
плитуду колебаний того же волокна от действия шума и притом
на вполне определенную величину, появляется слуховое ощуще-
ние данного тона. Поскольку резонатор, соответствующий волок-
ну, интегрирует интенсивность шума в некоторой полосе частот,
определяемой добротностью резонатора, условие появления ощу-
щения тона приближенно имеет вид [1] /п.с.ш=/пгА/нр, где /щ=
= di Idf^-1 sffAf — спектральная плотность шума, Вт/(м2-Гц);
ДДф—полоса пропускания слухового резонатора на уровне
—3 дБ, называемая критической полоской слуха; Iд/—интен-
сивность шума в узких (не уже критической) полосах частот Д/.
С учетом этого выражение (1.10) преобразовывается к виду
Рш = 1 oig (Jni А /кр/Л) = Вш + /<сл, (1.12)
где Вш= 10lg(/m//o) —уровень спектральной плотности шума1,
т. е. уровень интенсивности в полоске шириной 1 Гц; /о — интен»
сивность, соответствующая нулевому уровню (То— Ю-12 Вт/м2),
•Kcn=101giAfKp — логарифмическая критическая полоска слуха.
В табл. 1.1 даны значения критической полоски слуха для
ряда частот речевого диапазона.
Таблица 1.1
Ширина критических полосок слуха
/, Гц 200 300 400 500 800 1000 1400 2000 3000 4000 5000 6000
7Ссл> ДБ 15,8 15,4 15,4 15,6 16,0 16,5 17,4 18,4 20,0 21,0 21,9 22,2
А/кр> Гц 38 34 84 36 40 45 55 69 100 126 154 166
Из выражения (1.12) видно, что уровень порога слышимо-
сти равен уровню шумов в критической полоске слуха:
Рш = Вш + Асл = Дер* (1.13)
Поэтому этот порог не зависит от величины порога слышимости
в тишине. Это положение справедливо только для шумов с об-
щим уровнем интенсивности не ниже 40 дБ. Общий уровень шу-
мов в любом помещении, в котором находятся слушатели, как
правило, выше этой величины.
Если повышать уровень шумов в критической полоске слуха
более 50 дБ, то маскирующий эффект будет нарастать быстрее,
чем уровень шума [5]:
Рш = Вщ. + Асл + т, (1*14)
где т — дополнительная маскировка (табл. 1.2). Это объясняет-
ся нелинейностью слуха.
Таблица 1.2
Зависимость дополнительной маскировки т от уровня акустических шумов La
ДБ 77 83 88 92 96 99 102 105 108 НО
т, дБ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
В соответствии с резонансной теорией слуха восприятие зву-
ков с дискретным спектром происходит путем интегрирования
спектральных составляющих звука, попадающих в одну и ту же
1 В дальнейшем мы будем называть его спектральным уровнем.
8
критическую полоску слуха, т. е. на заданной частоте эффек-
тивный уровень такого звука
Lf = Bf + Kc3l1 (1.15)
где
^=101g(ZA//AfZ0) (1.16)
— спектральный уровень звука в критической полоске слуха на
частоте f, а /д/ — суммарная интенсивность в этой полоске.
Уровень ощущения сигнала. Согласно закону Вебера и Фех-
нера слуховое ощущение раздражающей силы звукового сигнала
пропорционально ее логарифму, т. е. E=a\gl + С, Вообще гово-
ря, этот закон сугубо приближенный, но для речевого сигнала
он достаточно точен. По определению порога слышимости уро-
вень ощущения для него равен нулю, поэтому С = —alg/n.c,
откуда £=alg(///n.c), или в децибелах
E-lOlg(Wn.J-L-P„.o, (1.17)
где рп.с= Ю 1g (7п.с//о)—уровень порога слышимости; 7п.с—
пороговое значение интенсивности звука; L=101g(///0)—уровень
тона с интенсивностью /.
Выражение (1.17) справедливо и для случая звукового сигна-
ла в условиях шума, если в него подставить величину порога
слышимости в шумах, т. е. в соответствии с (1.15) и (1.13) уро-
вень ощущения (на заданной частоте f)
E = Bf + Kc31-^ = Bf-Bul, (1.18)
а учитывая (1.14),
E = Bf—Вш—tn. (1.19)
Слитность звучания. Слуховое ощущение звука после его пре-
кращения исчезает не сразу, а постепенно, плавно уменьшаясь
до нуля. Длительность задержки слухового ощущения характе-
ризуется постоянной времени слуха. Вследствие этого свойства
наблюдается интегрирование кратковременных звуковых им-
пульсов и слитное восприятие звуков, запаздывающих друг отно-
сительно друга. Для слитного восприятия двух звуков необходи-
мо, чтобы последующий звук запаздывал на вполне определен-
ный промежуток времени (не более 50 мс). Но и при большем
запаздывании слитность звучания может не нарушиться, если
последующий звук имеет уровень, значительно ниже первого. На
рис. 1.3 (кривая 1) приведена зависимость необходимой разно-
сти уровней обоих звуков от времени запаздывания, при кото-
рой последующий звук не воспринимается на слух как самостоя-
тельный. Если разность уровней этих звуков не превышает оп-
ределенного предела (кривая 2), то запаздывающий звук не
снижает разборчивость речи.
При многократном повторении звуков, если разность между
общим уровнем и уровнями запаздывающих звуков в зависимо-
9
сти от разности времени их запаздывания не выходит за преде-
лы, ограниченные кривой 1, звучание будет слитным. При боль-
шое числе запаздывающих звуков, с разными значениями вре-
мени запаздывания, часть интенсивности звуков, запаздывающих
более чем на 50 мс, как бы добавляется к интенсивности основ-
ного звука, усиливая его. При этом чем больше время запазды-
вания звука, тем меньше его взнос в интенсивность основного
звука. Остальная часть интенсивности запаздывающих звуков
является помехой приему основного звука. Звуки, запаздываю-
Рис. 1.3. Порог слитного восприятия
двух звуковых импульсов (1) и по-
рог мешания восприятию от дейст-
вия запаздывающих волн (2) в за-
висимости от временного интервала
между ними
Рис. 1.4. Индекс направ-
ленности слуха при дву-
ухом слушании в диф-
фузном поле
щие на время более 100 мс, целиком являются помехой. Исходя
из этого приближенно считают [4], ч!о интенсивность звуков,
запаздывающих на 60 мс и менее, полностью суммируются с ин-
тенсивностью основного звука, а звуки, запаздывающие на 60 мс
и более, — полностью являются помехой.
Индекс направленности слуха для диффузного поля. При пер-
пендикулярном падении звуковой волны на ухо имеют место и
отражение волны и дифракция ее. Соотношение между интенсив-
ностями отраженной и дифрагирующей волн зависит от отноше-
ния длины звуковой волны и размера головы. Так как волна от-
ражается от головы, то звуковое давление у уха повышается. На
частоте 500 Гц это повышение составляет около 1 дБ, а на час-
тоте 2000 Гц доходит до максимума и составляет 6 дБ. При дву-
ухом слушании в случае падения волны спереди явление отра-
жения почти не сказывается. Если же звуковая волна падает под
различными углами, как это свойственно диффузному полю, то
на низких частотах звуковое давление возле ушей примерно рав-
но звуковому давлению в той точке неискаженного поля, в кото-
рой находится центр головы (под термином «неискаженное по-
ле» подразумевается звуковое поле до внесения в него рас-
сматриваемого приемника звука, в данном случае — головы слу-
шателя). На высоких частотах это давление удваивается.
10
Частотная зависимость отношения звукового давления у
ушей к звуковому давлению в неискаженном поле получается
более пологой, чем при перпендикулярном падении на ухо слу-
шателя. Так, на частотах 200—300 Гц приращение звукового дав-
ления вследствие отражения составляет около 1 дБ, а прираще-
ние в 6 дБ получается только на частотах 6000—7000 Гц. На
рис. 1.4 приведена частотная зависимость приращения уровня
ДГг для диффузного поля. Согласно определению индекса на-
правленности [1] величина ALr является индексом направленно-
сти головы как приемника давления. Следовательно, индекс на-
правленности ее при двуухом слушании в диффузном поле не
превышает 6 дБ, а на частоте 1000 Гц—около 3 дБ.
1.3.
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧЕВОГО И МУЗЫКАЛЬНОГО
СИГНАЛОВ
Частотный спектр речевого сигнала. Многочисленные иссле-
дования речевого сигнала [4] и, в частности, спектрального со-
става русской речи [5] показали, что в среднем спектр имеет фор-
му, представленную на рис. 1.5. Как видим, средний спектраль-
ный уровень речи на самых низких речевых частотах (200—
300 Гц) почти постоянен, затем начинает спадать с крутизной
до 10 дБ/октаву, а на самых высоких речевых частотах (4000—
5000 Гц) крутизна спектра уменьшается до 6 дБ/октаву.
В соответствии с определением спектральной плотности общий
уровень речевого сигнала
Ьр= lOlg-J-Jjp(f)df= 101gJ 10°-1BP(n«101gy-27P^A^’ О-20)
0 о о 0 ft=l
где Вр(/) — спектральный уровень речи на частоте /; /р(/)«
— I \fk J&fk-
Заметим, что в случае когда затухание или усиление тракта
во всем речевом диапазоне частот имеет одинаковое значение, то
а-21)
где'В'р и //р—спектральный и общий уровень речи на входе
тракта передачи речи (или на входе участка его); Bzzp и Lzzp—
то же самое на выходе тракта или его участка.
Если рассматривать речевой сигнал как случайный процесс
(теоретически это верно только для интервалов времени не ме-
нее 5—15 с), то общий уровень (1.20) будет равен усреднен-
ному уровню речи за длительный промежуток времени. В прак-
тике с ошибкой не более 1 дБ это положение справедливо и для
интервалов времени 0,2—0,5 с.
Амплитудное распределение уровней речевого сигнала. Иссле-
дование амплитудного распределения уровней речевого сигнала
для различных участков Частотного диапазона показало, что по
форме они почти одинаковы. Поэтому с достаточной для практи-
ки точностью можно считать распределение одинаковым во всем
речевом диапазоне частот.
На рис. 1.6 приведено интегральное распределение уровней
для среднего голоса. По оси абсцисс отложена разность между
текущим и средним уровнями в данной полосе частот, а по оси
ординат — относительная длительность пребывания уровня сиг-
нала не ниже его текущего значения. Из этих данных следует,
Рис. 1.5. Огибающая рече-
вого спектра
Ю w
Рис. 1.6. Амплитудное распре-
деление уровней речи:
Д — динамический диапазон; П —
пик-фактор речи
что длительность пребывания уровня выше среднего значения
составляет 20%, а общая длительность уровня, превышающего
средний на 12 дБ и более, составляет 1%. Заметим, что уровни,
занимающие не более 1% от общей длительности передачи, не
воспринимаются слухом, и поэтому принято считать, что пико-
вый уровень неискаженной речи превышает средний на 12 дБ.
Вследствие этого пикфактор речи считают равным 12 дБ (см.
рис. 1.6). На рис. 1.6 также показан динамический диапазон ре-
чевого сигнала как разность 1 и 99-процентных уровней сигнала.
Уровни речевого сигнала. При определении уровней речевого
сигнала следует иметь в виду, что (в зависимости от условий
произнесения речи и субъективных данных говорящего) общий
уровень ее может изменяться в широком диапазоне значений.
Так, в тихом помещении, при беседе, уровень речи на расстоя-
нии 1 м от рта говорящего в среднем равен 68 дБ. При разгово-
ре по телефону в хороших условиях этот уровень обычно дости-
гает 71 дБ. Оратор в условиях низких уровней шумов в зале
создает средний уровень (тоже на расстоянии 1 м от рта), рав-
ный 74 дБ, а при повышенных уровнях шумов и громком голо-
се оратора средний уровень речи иногда может оказаться даже
равным 77—80 дБ. Следовательно, средний уровень речевого
сигнала может изменять свои значения в пределах не менее
12 дБ. Наблюдение за уровнями речи показало, что при произнесе-
нии докладов, лекций и других информационных сообщений на-
иболее часто имеют место средние уровни в пределах 71—74 дБ.
Очевидно, что разборчивость речи для уровня 74 дБ всегда бу-
12
дет несколько выше, чем для уровня 71 дБ, поэтому в целях соз-
дания некоторого запаса в разборчивости речи, а также запаса
устойчивости тракта в отношении его самовозбуждения следует
ориентироваться на средний уровень речи, равный 71 дБ на рас-
стоянии 1 м от рта. А для определения необходимой номиналь-
ной мощности громкоговорителя и усилителя — ориентироваться
на передачу пикового уровня речи, т. е. на 80 дБ для расстояния
1 м от рта. В этих условиях пики речи для среднего уровня ее,
равного 71 дБ, будут ограничены только на 3 дБ.
При передаче речи со средним уровнем выше 71 дБ можно
уменьшать усиление тракта на соответствующую величину, а
ораторам со средним уровнем речи ниже 71 дБ (таких голосов
немного) рекомендуется приблизиться к микрофону или форси-
ровать голос.
Разборчивость и понятность речи. Определяющим требовани-
ем к любому тракту передачи речи является обеспечение им пол-
ной понятности передаваемой речевой информации, иначе данный
тракт не будет выполнять своей функции.
Понятность речи является качественной характеристикой. По-
этому введено понятие разборчивости речи, являющееся количе-
ственной характеристикой тракта передачи речи. Под разборчи-
востью речи подразумевают отношение числа элементов речи,
правильно принятых слушателями, к общему числу элементов,
переданных по тракту. В качестве передаваемых элементов речи
используют звуки, слоги, слова, цифры, фразы. В связи с этим
определяют звуковую, слоговую, словесную, цифровую или фразо-
вую разборчивость речи.
Между всеми этими видами разборчивости есть вполне опре-
деленные статистические взаимозависимости. Для каждого язы-
ка эти взаимозависимости, вообще говоря,
различны. На рис. 1.7 приведена соответст-
вующая взаимозависимость между слого-
вой S и словесной W разборчивостью для
русской речи [7].
Хорошо известно, что тренированные
слушатели принимают большее количество
элементов речи, чем нетренированные. При
этом тренировка иногда может проходить
быстро (например., при передаче слов в хо-
роших условиях приема), а иногда — мед-
ленно (например, при передаче слогов в ус-
ловиях значительных искажений и помех).
Поэтому для получения стабильных резуль-
татов измерение разборчивости проводят с
натренированной бригады слушателей и дикторов. Такую брига-
ду называют артикуляционной. Для артикуляционной бригады
получается разборчивость речи, максимально возможная в за-*
данных условиях передачи и приема речи, т. е. отличающаяся от
данных для обычного слушателя, но зато эти результаты доста-
13
0 20 W 60 80 X
Рис. 1.7. Зависимость
словесной разборчи-
вости речи от слого-
вой
помощью специально
точно стабильные и повторяющиеся. 'Поэтому величины разбор-
чивости речи, измеренные артикуляционной бригадой, для како-
го-либо тракта сами по себе ничего не говорят об абсолютной
величине понятности речи, обеспечиваемой данным трактом, т. е.
о понятности речи для обычных слушателей. Для определения ее
надо знать связь между абсолютной величиной понятности речи и
величинами разборчивости речи, полученными с помощью арти-
куляционной бригады. Для определения этой связи были прове-
дены массовые испытания с обычными разговаривающими або-
нентами. В качестве последних были взяты все возможные кате-
гории телефонных абонентов по возрасту, подготовке и т. п., с
различной степенью тренировки к слушанию речи, различными
слуховыми и речевыми данными. Каждый из слушателей и дик-
торов участвовал в испытаниях кратковременно и поэтому не
получал какой-либо дополнительной тренировки. Тракты были
взяты самые разнообразные, и условия варьировались в широком
диапазоне. Это было сделано для того, чтобы охватить все воз-
можные условия приема и передачи речи. Разговор велся в обе
стороны под контролем людей, фиксировавших, как понимали
друг друга разговаривающие абоненты. Для удобства ведения
разговора и отражения свойств русской речи были использова-
ны специальные разговорники — тесты.
Оценка отлично ставилась, если абоненты не переспрашива-
ли друг друга; хорошо, если переспрашивались отдельные сло-
ва, главным образом, редко встречающиеся; удовлетворитель-
но — при частых переспросах и утомительном напряжении слу-
ха при разговоре. Наконец, оценка предельно-допустимо дава-
лась при неоднократных переспросах одного и того же материа-
ла и при полном напряжении слуха. Одновременно с помощью
тренированной бригады артикулянтов были измерены величины
слоговой-и словесной разборчивости. Этим способом были уста-
новлены градации абсолютной величины понятности речи и соот-
ветствующие им величины разборчивости речи. В табл. 1.3 при-
ведены стандартизованные результаты этих испытаний.
Таблица 1.3
Разборчивость речи для различных градаций понятности
Понятность Разборчивость, %
слоговая словесная
Предельно допустимая 25—40 75—87
Удовлетворительная 40—55 87—93
Хорошая 55—80 93—98
Отличная 80—100 98—100
Данными табл. 1.3 пользуются для случаев передачи речи с
неограниченным словарем используемых слов и в том числе со
специальной терминологией. Для ограниченного словаря те же
14
градации понятности могут быть получены при меньшей разбор-
чивости. Так, например, для передачи информации в форме
кратких служебных сообщений отличная понятность получается
при слоговой разборчивости, равной 50% вместо 80% для общего
случая. Поэтому для диспетчерских систем необязательная сло-
говая разборчивость речи, превышающая 50%. В театрах, ауди-
ториях, лекционных залах требуется отличная понятность; в по-
мещениях для собраний, митингов допускается хорошая понят-
ность речи. Но во всех случаях стремятся получить возможно
более высокую разборчивость речи с учетом экономических и
технических требований.
С помощью формантной теории структуры речи, увязанной с
основными свойствами слуха и характеристиками трактов пе-
редачи речи, были разработаны теория разборчивости речи и
соответствующая методика ее расчета.
Понятие формант. При произнесении речи человек переме-
щает язык, нижнюю челюсть, губы и небную «занавеску», т. о.
весь артикуляционный аппарат речи, по вполне определенному
закону для каждого звука речи. Неточность их перемещения при-
водит к неточности произнесения этого звука, а следовательно, к
снижению его разборчивости. Поэтому-то дикторами должны
быть люди с хорошей дикцией.
При вполне определенном для каждого звука расположении
артикуляционного аппарата получаются вполне определенные
резонансные частоты полостей рта и носа. В результате этого
происходит усиление спектральных составляющих на вполне оп-
ределенных (для каждого звука) участках частотного диапазона
(рис. 1.8).
Рис. 1.8. Спектральные оги-
бающие звуков речи:---«в»;
------«т»; —х—х—х«м»
Рис. 1.9. Плотность распре-
деления формант по частот-
ному диапазону
Области концентрации энергии в частотном диапазоне, полу-
чающиеся при произнесении какого-либо звука речи, носят на-
звание его формант. Каждый звук речи имеет несколько фор-
мант. Кроме формант, есть еще антиформанты, т. е. области ну-
левых значений спектра. Они имеют большое значение для рас-
15
познавания некоторых звуков речи, но в расчетах разборчиво-*
сти речи их обычно не учитывают, так как они маскируются шу-
мами. Каждая из формант для заданного звука находится на
вполне определенном месте в диапазоне частот, конечно, при пра-
вильном его произношении. Для ряда звуков речи во время их
произнесения происходят перестройка артикуляционного аппа-
рата и соответствующее изменение резонансных частот, поэтому
для таких звуков введено понятие формантных переходов. Фор-
мантные переходы для каждого из них располагаются в опреде-
ленных участках частотного диапазона. Кроме того, для этих
звуков имеет значение не только расположение формант, но и
тенденция их изменения. Все это учитывается при распределении
формант по частотному диапазону.
Частотное распределение формант. Речь состоит из большого
количества звуков речи (основных фонем1 в русской речи 41, с
позиционными вариантами их более 120). Поэтому форманты
полностью заполняют весь частотный диапазон речи от 150 до
7000 Гц. В нем нет «пустых» промежутков, форманты распола-
гаются не только вплотную, но даже перекрывают друг друга.
В зависимости от частоты повторения звука речи частость
встречаемости формант того или иного звука различна. Поэто-
му и встречаемость формант в определенной полосе частот раз-
лична.
На рис. 1.9 приведена плотность распределения формант по
частотному диапазону для русской речи, т. е. вероятность появ-
ления их в полосе шириной 1 Гц.
Установлено, что каждая из формант дает свою часть инфор-
мации о звуке речи и эти части независимы друг от друга. Это
дает возможность арифметического суммирования вероятностей
появления формант. Иными словами, вероятности появления
формант обладают свойством аддитивности. Поэтому если взять
полосы частотного диапазона с одинаковой вероятностью появ-
ления формант в каждой из них, расположенные в разных участ-
ках речевого диапазона, то разборчивость речи (при передаче
каждой из этих полос) будет одинаковой. Такие полосы назва-
ли полосами равной разборчивости, а суммарную вероятность
появления формант во всем диапазоне—формантной разборчи-
востью. В соответствии с этим свойством формант и частотным
распределением вероятности появления формант (см. рис. 1.9)
весь частотный диапазон речи делят на 20 полос равной разбор-
чивости (табл. 1.4). В каждой из этих полос содержится 5%
формантной разборчивости.
1 Фонема является минимальной единицей речи, существующей в виде кон-
кретных физических реализаций, называемых звуками речи. По отношению к
звуку речи фонема представляет то же самое, что и конкретная рукописная
буква в письме по отношению к точному начертанию ее в изолированном виде
(фонема — это то, что человек хочет сказать, а звук речи — это то, что он
произносит).
16
Таблица 1.4
Границы полос равной разборчивости для русской речи
№ Границы, Гц № Границы, Гц № Границы, Гц
1 200—330 8 1230—1410 15 2840—3200
2 330—465 9 1410—1600 16 3200—3630
3 465—605 10 1600—1800 17 3630—4150
4 605—750 11 1800—2020 18 4150—4790
5 750—900 12 2020—2260 19 4790—5640
6 900—1060 13 2260—2530 20 5640—7000
7 1060—1230 14 2530—2840
Для перехода к другим видам разборчивости речи были най-
дены их зависимости от формантной. На рис. 1.10 приведена за-
висимость слоговой разборчивости S от формантной А для рус-
ской речи.
Рис. 1.10. Зависимость
слоговой разборчивости
речи от формантной
Рис. 1.11. Зависимость коэффи-
циента восприятия от уровня
ощущения формант
Распределение уровней формант. Как показали исследования
[4], мощность формант в диапазоне выше 300 Гц по отношению
к мощности речи в этом же диапазоне составляет 98%. И это
вполне понятно: в формантах сконцентрирована основная мощ-
ность речи. Ввиду этого уровни формант практически совпадают
с уровнями речи в одних и тех же полосах частот. Соответствен-
но средний уровень формант в полосе частот, например в поло-
се, равной разборчивости, почти равен среднему уровню речи в
той же полосе. Аналогично можно сказать и о спектральной
плотности интенсивности формант. Таким образом, получается
что амплитудное распределение уровней формант, во-первых,
одинаково для всех полос равной разборчивости и, во-вторых,
совпадает с амплитудным распределением уровней речи (см.
рис. 1.6). Соответственно этому на рис. 1.6 по оси абсцисс отло-
жена разность между средним и текущим уровнями формант, а
по оси ординат — интегральная вероятность появления формант
с уровнем не ниже данного (текущего), т. е. относительное вре-
17
мя пребывания уровня формант на данном текущем значении и
выше.
Восприятие формант. Если уровни формант, даже самые ми-
нимальные по значению, в какой-нибудь достаточно узкой (см.
§ 1.2) полосе частот будут выше уровней шума в той же поло-
се, то в соответствии со свойствами слуха (1.18), (1.19) все фор-
манты в этой полосе будут восприняты слухом. В таком случае
формантная разборчивость в этой полосе будет максимально воз-
можной. Если эта полоса равна одной из 20 полос равной раз-
борчивости, то формантная разборчивость будет равна 0,05, или
5%. Если же уровень шума в этой полосе будет превышать ми-
нимальный уровень формант в той же полосе частот, то в зави-
симости от величины этого превышения та или иная часть
формант будет замаскирована шумами и поэтому не будет вос-
принята слухом. Введено понятие коэффициента разборчивости
(по другой терминологии — коэффициента восприятия), под ко-
торым подразумевается относительная величина снижения фор-
мантной разборчивости в полосе частот по сравнению с полным
значением формантной разборчивости в этой полосе. Иными сло-
вами, при наличии шумов, по уровню превышающих уровни не-
которых формант, коэффициент разборчивости становится мень-
ше единицы. Чем больше уровень шумов, тем больше формант
маскируется и уменьшается коэффициент разборчивости. Таким
образом, величина разборчивости формант, например в &-й поло-
се равной разборчивости, будет составлять ДД^ = 0,05 wk, где
wk — коэффициент разборчивости (восприятия) в k-й полосе
частот.
Коэффициент разборчивости может быть отождествлен с ин-
тегральной вероятностью появления формант, имеющих уровни,
превышающие порог слышимости, создаваемый шумами
(рис. 1.11).
Заметим, что зависимость, приведенная на рис. 1.11, идентич-
на зависимости на рис. 1.6, но с переменой знака по оси абсцисс.
На рис. 1.11 для иллюстрации показан пример определения коэф-
фициента разборчивости по заданному порогу слышимости.
В соответствии с (1.17) под уровнем ощущения формант пони-
мают превышение их уровня над порогом слышимости. По этому
зависимость, приведенную на рис. 1.11, можно рассматривать как
зависимость коэффициента разборчивости от уровня ощущения
формант. Согласно такому отождествлению на рис. 1.11 по оси
абсцисс дан масштаб для уровней ощущения.
Поскольку в расчетах используется сплошной спектр1, то уро-
вень ощущения формант (1.18)
£ = Вф + ^л-рш, (1.22)
где В$ — спектральный уровень формант, численно равный сред-
1 При усреднении речевого сигнала частотный спектр речи становится
сплошным.
18
нему спектральному уровню речи в той же полосе равной разбор*
чивости, т. е.
£ = Вр + КсЛ-рш. (1.23)
Так как уровни шумов в вещании и звукоусилении часто не на-
столько велики, чтобы учитывать дополнительную маскировку, то
уровень ощущения формант
Е = Вр-Вш, (1.24)
где Вш — суммарный спектральный уровень всех шумов и помех.
Учитывая (1.24), зависимость, приведенную на рис. 1.11, мож-
но рассматривать как зависимость коэффициента разборчивости
от разности средних уровней речи и шумов.
Зависимость коэффициента разборчивости от уровня ощуще-
ния формант (см. рис. 1.11) с достаточной для практики точно-
стью может быть заменена прямой на участке уровней ощуще-
ния от 0 до +18 дБ (по отношению к среднему уровню ощуще-
ния формант). Поэтому коэффициент разборчивости для таких
уровней ощущения может быть вычислен по приближенной фор-
муле
w = (Е + 6)/30. (1.25)
Определение величины разборчивости. Если известны спект-
ральные уровни речи и шумов (с помехами) во всем диапазоне
частот, т. е. для всех полос равной разборчивости, то по ним из
(1.24) и (1.25) могут быть найдены коэффициенты разборчивости
Wk и общая формантная разборчивость
20 20 20
А = £ A Ah = 2 0,05^ = + (1 -26)
k=l k= 1
где Wk — коэффициент разбдрчивости в k-н полосе. Зцая значение
формантной разборчивости А, по рис. 1.10 и 1.7 нетрудно найти
слоговую S и словесную W разборчивость, а но табл. 1.2 опреде-
лить градацию понятности передачи.
Характеристики музыкального сигнала. В отличие от речевого
сигнала музыкальный сигнал характеризуют только частотным и
динамическим диапазонами и усредненными уровнями (средним и
пиковым). Аналога разборчивости и понятности речи для музы-
кального сигнала пока не найдено. Правда, с помощью субъек-
тивных экспертиз оценивают качество звучания музыкальных пе-
редач, но методов расчета этого качества пока нет.
Частотный диапазон передаваемого музыкального сигнала сим-
фонического оркестра находится в пределах 30—15 000 Гц, по но-
вым данным для высококачественного звучания надо передавать
еще более широкий диапазон.
Динамический диапазон музыкального сигнала составляет для
симфонического оркестра 65—75 дБ, для камерных оркестров
55—65 дБ. Такой диапазон не всегда возможно воспроизвести в
19
помещении, поэтому его обычно сжимают в трактах передачи сиг-
нала до 50—60 дБ.
Средние уровни музыкального сигнала, определяемые в точках
зала при оптимальном расстоянии слушателя от оркестра или ис-
полнителя, составляют: для симфонического оркестра при гром-
кости форте-фортиссимо 95—100 дБ, для камерных оркестров и
небольших ансамблей при той же громкости 90—95 дБ. Для
сольного исполнения с музыкальным сопровождением получается
такой же уровень, хотя при струнном музыкальном сопровожде-
нии средний уровень не превышает 85—90 дБ.
Пиковые уровни для музыкальных сигналов, определяемые в
тех же точках зала, превышают средние (для той же громкости ис-
полнения) на 20 дБ для симфонического оркестра и на 12 дБ для
пения.
1.4.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОМЕЩЕНИЙ
Основными характеристиками помещений являются время ре-
верберации и акустическое отношение.
Время реверберации. При выключении источника звука звуко-
вые колебания в помещении затухают не сразу, а постепенно, в
течение некоторого промежутка времени. Временем реверберации
называют время, в течение которого плотность энергии умень-
шается в 106 раз, а звуковое давление в 103 раз по отношению к
начальному значению, т. е. уровень интенсивности уменьшается на
60 дБ. Время реверберации по Эйрингу [1]
Г = 0,161V/(a'Ss + 4|i V), (1.27)
где V — объем помещения, м3; Ss — суммарная величина всех
ограничивающих поверхностей помещения, м2; Ss = 2 Sv,
(k)
а'= —1п(1—аср) = аср + Да (1.28)
— реверберационный коэффициент поглощения; Да — поправка
(табл. 1.5);
«ср=(2^^ + Е“я^)/52 = Л/52’ (1-29)
(М (п)
— средний коэффициент поглощения;
А — общий фонд поглощения, создаваемый ограничивающими по-
верхностями помещения и различными предметами, находящими-
ся в нем (стульями, креслами, диванами и людьми); ak — коэф-
фициент поглощения й-й поверхности; Sk — площадь k-й поверх-
ности, м2; ап— коэффициент поглощения n-го предмета; Nn— число
предметов; ц—коэффициент затухания, м-1. Величина ц (рис.
1.12) для частот ниже 1000 Гц очень мала, но с увеличением час-
тоты (выше 1000 Гц) быстро растет. Она также зависит от влаж-
ности среды т). Наибольшее значение коэффициентов затухания
20
Поправки Да
Таблица 1.5
При переходе от аср к а' При переходе от а' к аср.
“ср Да аср Да а' Да а' Да
0,03 0,001 0,22 0,029 0,04 0,001 0,28 0,036
0,04 0,001 0,23 0,031 0,05 0,001 0,29 0,038
0,05 0,001 0,24 0,034 0,06 0,002 0,30 0,041
0,06 0,002 0,25 0,038 0,07 0,002 0,31 0,043
0,07 0,003 0,26 0,041 0,08 0,003 0,32 0,046
0,08 0,003 0,27 0,045 0,09 0,004 0,33 0,049
0,09 0,004 0,28 0,049 0,10 0,005 0,34 0,052
0,10 0,005 0,29 0,053 0,11 0,006 0,35 0,055
0,11 0,007 0,30 0,057 0,12 0,007 0,36 0,058
0,12 0,008 0,31 0,061 0,13 0,008 0,37 0,061
0,13 0,009 0,32 0,066 0,14 0,009 0,38 0,064
0,14 0,011 0,33 0,071 0,15 0,011 0,39 0,067
0,15 0,013 0,34 0,076 0,16 0,012 0,40 0,070
0,16 0,014 0,35 0,081 0,17 0,014 0,41 0,074
0,17 0,016 0,36 0,086 0,18 0,015 0,42 0,077
0,18 0,019 0,37 0,092 0,19 0,017 0,43 0,081
0,19 0,021 0,38 0,098 0,20 0,019 0,44 0,084
0,20 0,023 0,39 0,104 0,21 0,021 0,45 0,088
0,21 0,026 0,40 0,111 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,023 0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,46 0,47 0,48 0,49 0,50 0,51 0,091 0,095 0,099 0,103 0,107 0,112
м’1 JI
п 10 20 30 40 50 60 10 801 °!.
Рис. 1.12. Зависимость коэффи-
циента затухания звука в возду-
хе от влажности т] и частоты
(параметр)
Рис. 1.13. Зависимость времени
оптимальной реверберации от
объема помещения
получается при относительной влажности около 15%. С поправоч-
ной величиной 4jiV в формуле Эйринга считаются только при
расчете больших помещений (V> 1000 м3). Если средний коэффи-
циент поглощения аСр<0,1, то так как в этом случае Да<0,005
21
и с/^ссср (см. табл. 1.5), из (1.27) получают время реверберации
по Сэбину
7-0,161/acpSr (1.30)
Установлено [1], что оптимальное значение реверберации за-
висит от объема помещения и вида исполнения. Соответствующие
данные оптимальной реверберации для речевых передач ТрОпт —
^0,3 lgV—0,05 и концертных исполнений Гк.опт~0,5 lg V—0,3
приведены на рис. 1.13. Как видно из рисунка, оптимальное значе-
ние реверберации для речевых передач находится в пределах от
0,5 (для очень малых помещений) до 1,2 с (для очень больших
помещений). Но очень часто приходится передавать речь и не в
оптимальных для нее условиях, например в больших концертных
залах, театрах и т. п. В этом случае приходится считаться с ме-
шающим влиянием реверберационного процесса. Из (1.21), (1.28)
и (1.29) и условия Т=Топт следует, что средний коэффициент по-
глощения аср определяется тем или иным оптимумом ревербера-
ции. Это имеет существенное значение для расчетов систем звуко-
усиления.
Постоянную времени слуха, определяющую собственный ревер-
берационный процесс слуха и равную примерно 125—150 мс, мож-
но привести к условиям измерения времени реверберации, если
пересчитать ее для уменьшения уровня на 60 дБ после выключе-
ния источника звука (вместо уменьшения в е раз по звуковому
давлению, т. е. на 8,64 дБ). Тогда получается собственное время
реверберации слуха: Тсл = (0,8-4-1,0) с. Поэтому помеха от ревер-
берации начнет проявляться при значении времени реверберации
только больше 0,7 с. Эмпирическая формула поправки_в- децибе-
лах на величину эквивалентных помех от реверберации имеет
вид
ДАпТ = 101§?5/3 + 3- О-31)
При Т=2/3 с величина ДАпт==0. Следовательно, при осуществле-
нии оптимальной реверберации для речевых передач эта помеха
обычно невелика, и с нею приходится считаться только в случае
больших помещений, когда время реверберации превышает 1 с.
Оптимальное время реверберации зависит также от частоты.
Как правило, необходимо стремиться к тому, чтобы отклонения
времени реверберации от оптимального значения не превышали
допустимых (рис. 1.14), но конечным критерием допустимости от-
клонений являются разборчивость речи и качество звучания.
Акустическое отношение. Плотность энергии в помещении со-
стоит из двух частей: плотности энергии прямого 8Пр и отражен-
ного £д звука. Звуковое поле отраженного звука обычно называ-
ют диффузным [1]. На самом деле оно может значительно отли-
чаться от диффузного и только приближенно (в пределах нерав-
номерности озвучения) рассматриваться как диффузное. Отноше-
ние диффузной составляющей к составляющей прямого звука
^ = вд/впр = Р^/Рпр (1-32)
22
называют акустическим отношением. Если перейти к уровням и
обозначить через Лд уровень диффузной составляющей, а через
Аир—уровень прямого звука [Лд=201g (рд/р0), Anp = 2Olg(pnp/Po) ],
то разность этих уровней, дБ.
£д—Lnp== I01g7? = А (1.33)
где для удобства обозначений сделана замена 101g7? на
Эту величину также называют акустическим отношением. При этом
уровень суммарной плотности энергии
2 । 2
L2 = 101g = Апр + 101g (1 + К).
Ро
Акустическое отношение является одним из количественных по-
казателей акустики помещения. Если оно велико, то речь стано-
вится неразборчивой, а музыка, особенно при быстром исполне-
Рис. 1.14. Границы допусти-
мых отклонений оптимальной
реверберации:
1—для речевого сигнала; 2 — для
музыкальных сигналов
250 500 Ю00 2000 Ш6000
' 1 1
\
0]5-/ '
нии, превращается в какофонию. Если акустическое отношение
меньше единицы, то музыка звучит отрывисто, теряется плав-
ность исполнения. Речь звучит также отрывисто, но
если акустическое отношение несколько больше 0,5, то разборчи-
вость речи не снижается. Поэтому стремятся для речевых пере-
дач обеспечивать акустическое отношение в пределах 1—4, а для
музыкальных исполнений в пределах 2—10. Правда, для некото-
рых видов исполнения (органная музыка) это отношение допуска-
ется по верхнему пределу до 16—20.
Помехи в помещении от полезного сигнала. К этим помехам
относятся помехи от реверберирующего звука и помехи от диф-
фузного звука. Первые определяются временем реверберации, а
вторые — акустическим отношением. Известно [1], что установив-
шееся значение плотности энергии в помещении
em = 4nPa/cacpSs. (1.34)
С учетом (1.2) звуковое давление в установившемся режиме оп-
ределяется равенством p2=4pcnPai/acpSs , где пР& — акустическая
мощность всех источников звука, находящихся в помещении. Сле-
довательно, так называемая диффузная часть плотности энергии
(точнее, плотность энергии, создаваемая отраженными звуковыми
23
волнами) [1]ед = 4пРа(1 — aCp)/caCpSz , или, переходя к давле-
нию,
р2 = 4р спРа (1 — acp)/acp Ss.
•Откуда уровень диффузной составляющей
Ад = 101g 4РспРИ1-«ср) = 101g^ра(L—М..4.126. (1.35)
aCpSsPo acpSs
Акустическая мощность источника звука [1]
Pa = 4npf/pcQr, (1.36)
где pi — звуковое давление на расстоянии 1 м от источника звука;
Qr — коэффициент осевой концентрации источника звука (громко-
говорителя). Этот коэффициент равен отношению акустических
мощностей ненаправленного й данного громкоговорителей при
равенстве звукового давления на их акустических осях [1], т. е.
йг=Ра.нн/^а.н при рНн=Рн. Это определение равнозначно отно-
шению квадратов звуковых давлений на акустических осях нена-
правленного и направленного громкоговорителей при равенстве
их акустических мощностей, т. е.
Йг = Рн/Рнн
при Ра.н—Р&.вн- Соответственно выражение для диффузной состав-
ляющей может быть приведено к следующему виду:
р2= 16лпр2(1—acp)/QracpS2, (1.37)
в котором акустическая мощность заменена коэффициентом осе-
вой концентрации и звуковым давлением. Уровень диффузной со-
ставляющей
Z.,—101g — £1+101g , (1.38)
Qracp Sv Pq Q racp ^2
где Li=201g(plt/p0)—уровень на расстоянии 1 м от громкогово-
рителя по его акустической оси.
Для так называемых ненаправленных громкоговорителей, на-
пример диффузорных, находящихся в ящиках с закрытой задней
стенкой, коэффициент осевой концентрации отличается от едини-
цы. Так, для типовых громкоговорителей, находящихся в таких
-ящиках, коэффициент осевой концентрации на частотах выше
2000 Гц достигает 3—5. Поэтому плотность энергии диффузного
звука в озвучаемом помещении соответственно уменьшается. При
расчетах следует подставлять в ф-лу (1.37) величину коэффици*
ента осевой концентрации даже для диффузорных громкоговори-
телей.
Заметим, что для ряда громкоговорителей (например, кресель«
пых), для которых можно пренебречь излучением в тыльную по-
лусферу, величина диффузной составляющей будет вдвое меньше
по интенсивности, а уровень на 3 дБ ниже. Если считать, что по-
24
глощается не только излучение в тыльную полусферу, но частич-
но и в фронтальную, то одновременно будут одинаково уменьше-
ны уровни прямого звука и диффузной составляющей. Это равно-
сильно уменьшению мощности громкоговорителей. Акустическое
отношение при этом не изменится.
Для определения этих величин необходимо рассмотреть раз-
личные системы озвучения, что и будет дано в следующей главе.
Так как диффузная составляющая характеризует помеху от от-
раженных звуков, целесообразно ее уменьшать. Из (1.38) следу-
ет, что при заданном уровне на выходе громкоговорителя
уменьшение ее возможно путем увеличения среднего коэффици-
ента поглощения аСр (при этом уменьшается и время ревербера-
ции) или коэффициента концентрации.
Чтобы не усложнять расчеты, к уровню прямого звука не до-
бавляют полезную часть диффузной составляющей, а уровень по-
мех от диффузной составляющей считают равным £п=Ьд—24, с
учетом выражения (1.33) £п = £пр + А^в— 24.
Все же в ряде случаев учитывают увеличение уровня прямого
звука из-за добавления к нему однократно отраженного звука*
когда разность между временем прихода прямого и отраженного
звуков очень мала. Так это делают для мест, находящихся
у задней и боковых Стен. Можно считать, что на местах,
отстоящих от боковых стен не более чем на 3—5 м и от задней
не более чем на 2—3 м, прямой и отраженный звуки сливаются
и не нарушают локализацию источника звука.
Уровень помех в точке помещения увеличится на А£г, когда в
ней окажется центр головы слушателя (в соответствии с данны-
ми рис. 1.5), и тогда
Ln = £пр + AL^-f-A Lr—24.
С учетом помех от действия реверберации со временем Т
[см. (1.31)] уровень помех в помещении, воспринимаемый слуша-
телем, £п==^пр+А£н+А£г+А£пт—24. Соответственно для спект-
ральных уровней
Вп = ВПр + Д£я + А£г+А£г-21, (1.39)
где А£пт заменено с учетом (1.31) на
ALr=101gT5/3= -^-IgT. (1.40)
О
1.5.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОВ ПЕРЕДАЧИ
РЕЧЕВЫХ И МУЗЫКАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Тракт передачи речи начинается у рта диктора или оратора и
заканчивается у уха наиболее удаленного слушателя1. В тракт
1 Под точкой наиболее удаленного слушателя подразумевают точку на
озвучиваемой поверхности с минимальным уровнем прямого звука.
25
входят: первый акустический участок — от рта до точки простран-
ства, в которой будет помещен микрофон; аппаратурная часть
тракта — от входа микрофона до выхода излучателя и второй аку-
стический участок — от выхода излучателя до уха слушателя.
Для музыкальных сигналов первый акустический участок тракта
менее определенный, чем для речевого. Он начинается где-то в
центре источника музыкального сигнала.
Чувствительность аппаратуры. Чувствительность аппаратуры
представляет отношение звуковых давлений на выходе и входе
аппаратуры при передаче синусоидального сигнала, т. е.
^“Рвых/Рвх* (1-41)
Стандартный индекс усиления—разность уровней синусоидаль-
ного сигнала на выходе и входе аппаратуры
QCT=201g/C = Авых—Лвх. (1.42)
В тех случаях, когда используются громкоговорящие устрой-
ства, за звуковое давление и уровень на выходе аппаратуры при-
нимают звуковое давление рх и уровень в неограниченном про-
странстве на расстоянии 1 м от акустического центра громкогово-
рителя по акустической оси, т. е.
^вых = 201g (Рвых/Ро) = 201g (Pi/Po)= Li. (1.43)
За звуковое давление и уровень на входе аппаратуры принимают
звуковое давление рм и уровень звукового сигнала £м той точки
неискаженного поля, в которой будет находиться акустический
центр микрофона при условии фронтального падения звуковой
волны на микрофон по его акустической оси. Входное звуковое
давление и входной уровень связаны следующей зависимостью:
£вх = 201g (рвМ = 201g (рм/р0) = LM.
В состав аппаратуры обычно входят: микрофоны, регуляторы,
усилители; линия и громкоговорители. Чувствительность аппара-
туры зависит от частоты, поэтому измерение ее проводят на сину-
соидальном тоне для ряда частот заданного диапазона. Для гра-
дуировки аппаратуры звуковое давление или уровень берут чис-
ленно равным общему (по всему спектру) звуковому давлению
или уровню, развиваемому при речи на акустической оси рта на
заданном расстоянии микрофона от него.
Следовательно, чувствительность аппаратуры (1.40)
К — Pl/Ptn = ^м^р^у^Л^Г,
где /См=^м/Рм — чувствительность микрофона1; KP=UBX/UM—за-
тухание в регуляторах усиления; /Су=17вых/^вх— общий коэффи-
циент усиления усилительных устройств; Лл=^г/^вых—затухание
в линии; Kr = pJUv—чувствительность громкоговорителя по на-
пряжению1; —напряжение, развиваемое микрофоном при зву-
1 Под чувствительностью микрофона и громкоговорителя подразумевается
чувствительность по их акустическим осям.
26
ковом давлении рм; UBX—напряжение на входе усилителя; {7Вых—
напряжение на выходе усилителя; UT— напряжение на входе
громкоговорителя; стандартный индекс усиления (1.42)
Qct ~ Qm Qy Н- Qr ~ ^м’
где QM — уровень осевой чувствительности микрофона; ар — зату-
хание в регуляторах; Qy—усиление усилителя; ал — затухание в
линии; Qr — уровень чувствительности громкоговорителя. Все ве-
личины выражены в децибелах. Уровень чувствительности микро-
фона в децибелах определяют по отношению к 1 B/Па (QM=
= 20 1g Км), уровень чувствительности громкоговорителя — к
1 Па/В (QP=201gKr).
Чувствительность тракта. Полная (ортотелефоническая) чувст-
вительность тракта передачи речи равна отношению звуковых дав-
лений прямого звука в точке нахождения наиболее удаленного
слушателя и на стандартном расстоянии от рта говорящего (за
стандартное расстояние от рта обычно принимают 1 м). В этом
случае полный индекс тракта [9] для синусоидального тона пред-
ставляет собой разность уровней прямого звука в точке удаленно-
го слушателя Lc и на стандартном расстоянии от рта L'p:
Qot=Qp.m +QcT+Qr.e = 4~4> О-44)
где Qp.M = ^M —Lzp—изменение уровня звуковых колебаний на
первом акустическом участке: QCt — стандартный индекс усиле-
ния аппаратуры; Qr.c = Lc—L\ — затухание звуковых колебаний на
участке ст громкоговорителя (вернее от точки на расстоянии 1 м
от него) до расчетной точки помещения, т. е. точки удаленного
слушателя.
Прямой звук, идущий от источника звука в неограниченное
пространство, ослабляется в соответствии с законом распростра-
нения сферической волны (1.3) и (1.4), т. е. для любых двух то-
чек а и b
Ц/1ь-р2а/р2ь = г1/г1 (1.45)
или для уровней La—Lb = 101g (lath) = 201g (/"аЛь), поэтому
V=^.M-4=201g(1/rM). (1-46)
где L'p— уровень речи на расстоянии 1 м от рта;. LP.M —уровень
речи у микрофона (точнее, в точке свободного поля, и которую
должен быть помещен акустический центр микрофона); гм — рас-
стояние от рта до микрофона»
В расчетах часто приходится иметь дело с разностью между
уровнями прямого звука, создаваемыми громкоговорителем в
точке наиболее удаленного слушателя, и уровнем на входе мик-
рофона, создаваемым первичным источником звука. Есть два ас-
пекта этой разности. В дальнейшем часто придется иметь дело с
разностью между уровнем прямого звука, создаваемым громко-
говорителем в точке слушателя, уровнем на входе микрофона,
создаваемым источником синусоидального сигнала. Эта разность
27
равна разности спектральных уровней речи, шумов и т. п., соз-
даваемых соответствующими источниками, на частоте синусои-
дального сигнала. Эта разность называется индексом передачи
тракта
«... =Чр-Ч =^р-в«- <L47>
Иногда же имеют дело с разностью между общим уровнем
прямого звука, создаваемым в точке слушателя при передаче ре-
чи, и общим уровнем, создаваемым диктором (оратором) на входе
микрофона. Эту разность иногда тоже называют индексом пере-
дачи тракта [9]. Для устранения многозначности назовем ее
«взвешенным» индексом тракта. Этот индекс зависит от формы
частотной характеристики тракта. Только в тех случаях, когда
неравномерность частотной характеристики тракта, по крайней
мере, в диапазоне частот 200—2000 Гц близка к нулю, можно го-
ворить о примерном равенстве взвешенного индекса передачи
тракта и среднего значения индекса передачи тракта в этом диа-
пазоне.
Итак, взвешенный индекс тракта (опускаем слово «передачи»)
Qb3b — -kp.np . (1.48)
Частотная характеристика тракта. Под частотной характерис-
тикой тракта подразумевают зависимость чувствительности или
индекса тракта от частоты. Обычно интересуются неравномерно-
стью частотной характеристики тракта. Акустические участки
тракта можно считать в первом приближении частотнонезави-
•симыми. Частотные характеристики усилителя и регулирующих ус-
тройств также почти идеальны, а затухание короткой линии в ос-
новном диапазоне практически не зависит от частоты. Поэтому
неравномерность частотной характеристики почти исключительно
определяется неравномерностью системы микрофон — громкого-
воритель.
Следует указать на то, что для получения оптимальных усло-
вий приема речи (см. § 1.3) частотная характеристика тракта пе-
редачи речи должна иметь форму, обеспечивающую одинаковое
превышение уровня речи над уровнем помех на выходе тракта (2.41)»
поэтому в общем случае для ее передачи необходимо предусмат-
ривать коррекцию частотной характеристики тракта. Так как
'большинство помех имеют равномерный спектр, то оптимальной
частотной характеристикой тракта передачи речи является харак-
теристика с подъемом в сторону высоких частот (с крутизной
6 дБ/октаву). Исходя из этого, неравномерность частотной ха-
рактеристики тракта передачи речи оценивают по отношению к
крутизне 6 дБ/октаву. Поэтому для повышения разборчивости
речи, особенно при передаче в шумах, применяют микрофоны с
частотной характеристикой, имеющей подъем в сторону высоких
частот (с крутизной до 6 дБ/октаву).
Динамический диапазон тракта. Под динамическим диапазо-
ном тракта подразумевается разность между максимально воз-
28
можным уровнем сигнала в точке удаленного слушателя и сум-»
марным уровнем шумов и помех в той же точке. Максимально
возможный уровень сигнала обычно бывает ограничен или с на-
ступлением перегрузки тракта при повышении входного уровня
сигнала, или с наступлением самовозбуждения тракта из-за обрат-
ной акустической связи (см. § 2.7). При правильном согласова-
нии работы отдельных звеньев тракта
перегрузка наступает одновременно во
всех звеньях тракта, которым это свой-
ственно. Обычно перегрузка наступает
на частоте 400 Гц, так как на этой ча-
стоте громкоговорители имеют мини-
мальное входное сопротивление.
Суммарный уровень шумов и помех
у уха слушателя складывается из сле-
дующих составляющих: акустических
шумов в помещении, где находится
слушатель; акустических шумов, про-
никающих через тракт из помещения, Рис> 1Л5> Спектральные оги-
В котором находится микрофон (при бающие акустических шумов:
звукоусилении — ЭТО шумы В ТОМ же / — речевого типа; 2 — производст-
ломещении); шумов, создаваемых ап- венного характера
паратурой, и помех от самомаскировки речи, создаваемых диффуз-
ной составляющей поля и реверберацией помещения (1.39). Аппа-
ратурные шумы для систем озвучения имеют очень низкий уровень,
поэтому ими всегда пренебрегают. Акустические шумы, проникаю-
щие через тракт из другого помещения (или того же самого), обыч-
но бывают также невысокого уровня, так как в студиях и им по-
добных помещениях уровни шумов невелики, а в тех случаях, когда
передача ведется из шумного помещения, применяют направленные
микрофоны, значительно понижающие их выходной уровень. Поэто-
му приходится считаться.только с акустическими шумами в поме-
щении, в котором находится слушатель, и с помехами от речи.
Акустические шумы. Акустические шумы разнообразны по
уровню и спектру, но в большинстве случаев максимальные зна-
чения спектральной плотности соответствуют частотам ниже
500 Гц, а в области высоких частот спектральный уровень быст-
ро падает (рис. 1.15).
По уровню акустические шумы в непроизводственных помеще-
ниях можно классифицировать следующим образом:
1) «полная тишина» (слушатели даже затаили дыхание) 35—
40 дБ,
2) «нормальная тишина» 45—55 дБ,
3) отдельные тихие разговоры 55—60 дБ,
4) разговоры многих слушателей 65—70 дБ,
5) громкие разговоры, крики 75—80 дБ.
Уровни в производственных помещениях имеют широкий диа-^
пазон — от 65 до 85 дБ и более.
29
Часто бывает такое положение, когда спектр шума задан из
числа типовых, а общий уровень отличается от приведенного
выше. В этом случае спектральные уровни шумов могут быть най-
дены по формуле
Вш = Вт.ш + (1ш-£т.ш), (1.49)
где Вт.ш и £т.ш — спектральный и общий уровни типовых шумов;
Ьш — заданный общий уровень шумов.
Это равенство основывается на том, что общая интенсивность
шумов связана со спектральной плотностью линейным соотноше-
нием. Общий уровень шумов
Дп=101§4-рш(М=101§[ lOlg-J-V
'° О 0 '° *=1
(1.50)
где jBm=101g (/ш//0) —спектральный уровень на частоте f (1.12);
/ш = dlm]df^fk/Afk — спектральная плотность интенсивности.
На величины спектральных уровней шумов в помещении ока-
зывает влияние поглощающая способность ограничивающих по-
верхностей [1]. Как было показано (1.34), при заданной мощности
источника звука средняя величина плотности энергии обратно про-
порциональна среднему коэффициенту поглощения ограничиваю-
щих поверхностей помещения. Это соотношение полностью отно-
сится и к шумам. Поэтому спектральный уровень акустических
шумов зависит от среднего коэффициента поглощения: Ва=
= 10 lg(£Pa.ni/acp), где k — коэффициент пропорциональности;
Ра.ш — акустическая мощность источника шума. Эта мощность
обычно неизвестна, поэтому уровень шумов определяют при зна-
чении времени реверберации Т—1 с и вносят поправку на коэф-
фициент поглощения через время реверберации. Фактический спек-
тральный уровень шума является суммой типового спектрального
уровня шумов для времени реверберации 1 с и поправки к нему:
А В- 101gГ (1.51)
Соответственно этому изменится и общий уровень шумов.
Компрессия и ограничение динамического диапазона речевого
сигнала. Если из-за высоких значений уровней шумов и помех
или из-за невозможности повышения максимального уровня сиг-
нала в точках удаленных слушателей динамический диапазон
тракта оказывается уже, чем динамический диапазон речевого
сигнала, то для получения высоких значений разборчивости речи
приходится сжимать диапазон речевого сигнала с помощью ком-
прессоров и ограничителей. Применение их еще обусловлено и
тем, что некомпрессированныи речевой сигнал имеет относительно
широкий динамический диапазон, и поэтому из-за слишком боль-
шого пикфактора речи аппаратура (особенно мощные усилители
и громкоговорители) используется нерационально. При сжатии
динамического диапазона использование их мощности получается
30
более рациональным. Широкое применение нашли инерционные
ограничители уровня и компрессоры (§ 2.5).
Работа ограничителя уровня характеризуется зависимостью
уровня на выходе ограничителя от уровня на его входе (рис. 1.16)
и постоянной времени. Ограничитель уровня выравнивает уровни
наиболее громких звуков, уменьшая их до некоторого порогового
значения ЛОгр. Ниже этого значения уровни остаются в том же
соотношении, что и на входе ограничителя. Это означает, что при
предельном ограничении все голоса будут одинаково громкими
на выходе ограничителя.
Рис. 1.16. Амплитудная
характеристика ограни-
чителя уровней
Рис. 1.17. Амплитудная ха-
рактеристика компрессора
(по уровням)
Постоянная времени срабатывания ограничителя обычно не
превышает доли миллисекунды, т. е. его срабатывание происхо-
дит почти мгновенно. В литературе [2] приводятся утроенные зна-
чения стандартной постоянной времени, что лучше характеризу-
ет длительность переходных процессов. Постоянная времени вос-
становления коэффициента передачи находится в пределах 0,15—
0,7 с. Вследствие такой большой постоянной времени звуки (низ-
кие по уровню и следующие сразу за громкими) остаются в том
же соотношении по уровню, как и до ограничителя, так как при
этом выравнивание происходит по уровням громких звуков, т. е.
динамический диапазон для них не сжимается. Если постоянная
времени невелика (не более 0,25 с), то ограничитель выравнивает
уровни по слогам (вернее, по уровням гласных звуков), а если
постоянная времени около 0,7 с, то получается выравнивание го-
лосов по их средней мощности. Интересно сопоставить эти вели-
чины с постоянными времени затухания колебаний в помещениях.
Они находятся в пределах ют 0,1 с (для студий) до 0,3 с (для
больших концертных залов) [1], так как равны времени ревербе-
рации 7, уменьшенной в 6,9 раза. Следовательно, постоянные вре-
мени ограничителя и помещений примерно одинаковы.
При предельном ограничении динамический диапазон речево-
го сигнала сжимается не более чем вдвое,-т. е. до 18—20 дБ. При
этом пикфактор речи уменьшается на 4 дБ (с 12 до 8 дБ).
31
При ограничении уровня имеют место нелинейные искажения,
возникающие вследствие появления переходных процессов при из-
менении коэффициента передачи ограничителя.
Работа компрессора характеризуется зависимостью уровня сиг-
нала на выходе компрессора от входного уровня (рис. 1.17). Как
видно, сжатие всех уровней происходит в одинаковой степени
zz = ctga. Поэтому слабые по уровню голоса, хотя и приближаются
к уровням громких голосов, но не полностью, как при предельном
ограничении. Компрессоры имеют такие же постоянные времени,
как и ограничители. Вследствие этого происходит выравнивание
значений уровней по слогам или по мощности голосов. Внутри этих
интервалов динамические диапазоны почти не изменяются. По-
этому компрессоры дают сжатие динамических диапазонов (даже
при малых постоянных времени) не более чем в 1,5—1,8 раза.
При компрессии из-за переходных процессов имеют место не-
линейные искажения. Величина их примерно та же, что и при ог-
раничении уровня.
Сравнение компрессии и ограничения уровня приводит к выво-
ду, что для речи более подходит предельный ограничитель уров-
ня с постоянной времени на восстановление около 0,2 с [2]. При-
менение его особенно целесообразно в диспетчерских системах, а
также для передачи информационных программ при высоких уров-
нях шумов. В первую очередь это объясняется тем, что ограничи-
тель уровня гораздо проще по устройству и эксплуатации, чем
компрессор. А нарушение пропорциональности в динамике уров-
ней информационной речи не сказывается на ее разборчивости.
Для передачи художественной речи, вероятно, компрессор с эк-
спандером будут более подходящими.
Рассмотрим два крайних режима работы ограничителя. В од-
ном из них ограничитель подавляет пики речевого сигнала, не-
сколько снижая при этом уровни слабых звуков речи. Величина
этого подавления при ограничении на 10 дБ составляет 2 дБ, при
ограничении на 36 дБ она доходит до 14,5 дБ. Вследствие этого
разборчивость речи соответственно снижается. В таких случаях
следует повышать уровень речи после ограничителя. Этот режим
работы имеет то преимущество, что по сравнению с работой без
ограничителя пиковый уровень речи будет ниже на величину по-
давления. А это означает, что можно пользоваться менее мощны-
ми громкоговорителями и усилителями. Поскольку динамический
диапазон сжимается, то использование усилителя и громкоговори-
телей по мощности становится более эффективным. Подобный ре-
жим работы ограничителя назовем подавляющим, а ограничитель
в последующем изложении будем называть ограничителем-пода-
вителем.
В другом режиме уровень ограничения остается постоянным,
а изменяется коэффициент усиления перед ограничением. В этом
случае пиковый уровень сигнала остается постоянным, а увеличе-
ние ограничения соответствует повышению уровня слабых звуков.
Конечно, при этом также имеет место относительное подавление
32
слабых звуков речи, но оно целиком компенсируется усилением
перед ограничителем или после него. Этот режим работы ограни-»
чителя назовем усилительным, а ограничитель будем в последу-»
ющем называть усилителем-ограничителем.
Те же самые ограничители уровня и компрессоры в общем
случае пригодны и для передачи музыкальных сигналов, хотя ими
следует пользоваться осторожно, так как возможны искажения,
заметные при передаче симфонической музыки по первому или
высшему классу качества [14]. При передаче танцевальной музы*
ки их можно применять, так как повышается общий уровень зву*
ка и допускаются большие искажения (работа по второму классу
качества).
ГЛАВА ВТОРАЯ
Системы звукофикации помещений
2.1.
ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ
ЗВУКОУСИЛЕНИЯ И ОЗВУЧЕНИЯ
Из практики известно, что если помещение имеет объем свыше
2000 м3 или длину более 20 м, то голоса человека, как правило,
уже недостаточно для того, чтобы создать уровень громкости в
удаленных точках этого помещения, необходимый для полной по-*
нятности передаваемой речи. А если уровень шумов в помещении
превосходит 60 дБ, то и в небольших помещениях (объемом око-*
ло 200 м3) мощности человеческого голоса недостаточно для по-
лучения полной понятности речи. В этих случаях необходимо
применять звукоусилительную аппаратуру, состоящую из микро-
фонов,, усилителей и громкоговорителей.
То же самое можно сказать и в отношении сольных номеров и
камерной музыки. Для исполнителей со слабым голосом необхо-
димо звукоусиление и в небольших помещениях. Для больших
оркестров, играющих Даже в большом помещении, не требуется
звукоусиления. Но если оркестр небольшой, а необходимо создать
впечатление большего, то при соответствующем звукоусилении
этого можно добиться (в этом случае говорят о подусилении ор-
кестра). Сейчас распространена поп-музыка с довольно высоки-
ми уровнями исполнения. Это также требует применения звуко-
усилительной аппаратуры.
В системах звукоусиления микрофоны обычно находятся в поле
действия громкоговорителей, т. е. налицо обратная связь через
систему звукоусиления. Это явление ограничивает возможности си-
стемы звукоусиления. Но иногда приходится иметь дело с пере-
дачей информации в помещения, изолированные от первичного’ ис-
2—245 33
точника звука (от диктора, лектора и т. п.). В таких случаях для
передачи информации применяется система озвучения, состоящая
из вторичных источников звука — громкоговорителей. При этом
уже нет ограничения индекса тракта в форме обратной связи. Си-
стемы озвучения являются частным случаем систем звукоусиления
(величина обратной связи для них равна нулю).
Приведем требования, предъявляемые к системам звукоусиле-
ния и озвучения. При передаче речи определяющим является обес-
печение требуемой разборчивости речи во всех точках помеще-
ния, даже самых удаленных от основного источника звука, т. е.
от лектора, оратора, чтеца и т. п. Иначе разрабатываемая система
не будет выполнять своего основного назначения.
Как следует из предыдущего, для выполнения этого требова-
ния необходимо, чтобы тракт обеспечивал соответствующие пре-
вышения спектральных уровней речи над спектральным уровнем
помех и шумов, а это зависит как от общего уровня речи на мес-
тах слушателей, так и от частотной характеристики аппаратуры.
Для музыкальных передач первым требованием является соз-
дание соответствующего уровня на местах слушателей. В табл.
2.1 приведены рекомендуемые номинальные уровни звукового
поля [9].
Таблица 2.1
Оптимальные значения параметров звукового поля, дБ
Назначение установки Номинальный уровень Неравномер- ность озвучения Максимальное акустическое отношение
Воспроизведение музыки и театраль- ных эффектов 100 6 8—10
Воспроизведение музыкальных про- грамм; подусиление солистов Воспроизведение развлекательных му- зыкальных программ (танцы); музыки и речи в шумных помещениях 94—96 6 8—10
94—96 8 4—6
Усиление речи при низких уровнях шумов 80—86 6 4—6
Создание музыкального фона 60—70 8 8—10
Вторым требованием к любым трактам передачи, чаще всего
к последнему его звену — помещению, являются оптимальность
звучания и отсутствие различных дефектов звучания в форме эха,
«бубнения из-за резонансов отдельных небольших объемов, резко-
го изменения времени реверберации из-за резонансов в поглоща-
ющих материалах, резкого повышения уровня в отдельных точках
помещения из-за фокусировки энергии, создаваемой куполами и
другими концентраторами энергии. Все эти дефекты влияют на
разборчивость речи в отдельных точках помещения и снижают
34
качество звучания любых передач. Поэтому по возможности они
должны быть устранены, а время реверберации и акустическое от-
ношение должны быть приближены к оптимальным для данного
помещения значениям (табл. 2.1).
Для обеспечения указанных требований показатели тракта (не-
равномерность частотной характеристики; номинальное звуковое
давление, развиваемое громкоговорителями; направленность и чув-
ствительность громкоговорителей и микрофонов; мощность усили-
тельного устройства; нелинейные искажения; шумы и т. п.) долж-
ны удовлетворять соответствующим нормам на эти показатели.
Третьим требованием к системам звукоусиления и озвучения
является возможно меньшая неравномерность озвучения, т. е. па
возможности минимальное изменение уровня звучания от точки
к точке. Величина неравномерности определяется как разность
L = Дяакс Диин > (2*1)
где £Макс и Амин — максимальный и минимальный уровни прямого
звука, создаваемые системой озвучения.
Неравномерность озвучения состоит из двух частей: неравно-
мерности средних значений уровня и интерференционной нерав-
номерности, создающейся в случае применения нескольких гром-
коговорителей. Пока вторая часть не учитывается из-за сложно-
сти расчета. Неравномерность по средним значениям приводит к
тому, что если в самых удаленных точках помещения обеспечен
необходимый уровень L мин, ТО в ряде точек он может оказаться
завышенным. Следствием этого являются ненужная перегрузка
слуха; излишний расход мощности; неприятное ощущение, испыты-
ваемое слушателем при его перемещении по помещению. Поэтому
в помещениях не допускается неравномерность озвучения больше
6 дБ. Вообще же всегда, когда это не противоречит требованиям
экономичности и техники обслуживания, стремятся к снижению
неравномерности озвучения. В табл. 2.1 приведены максимально
допустимые значения неравномерности озвучения.
Следует также указать на то, что соответственно основному
назначению системы звукоусиления необходимо, чтобы слушатель,
находящийся в удаленной точке, т. е. в точке с максимальным
акустическим отношением, имел те же условия слышимости, что
и слушатель, находящийся вблизи основного (первичного) источ-
ника звука. В частности, это относится к уровню передачи. Если
считать, что слушатель на расстоянии 1,5—2 м от лектора, орато-
ра и т. п. находится в оптимальных условиях слушания, а микро-
фон обычно располагается на расстоянии 0,3—0,5 м от говоряще-
го (рис. 2J), то согласно (1.47) и рис. 2.1 имеем
QM.c = 4-Ьр.и = 201g(Гм/Гс) = -201g4= —12 дБ. (2.2)
Поэтому ориентировочный индекс передачи тракта для речи на-
ходится в пределах —104—14 дБ. Но эта величина справедлива-
только для случая низких уровней шумов.
2—245 35
Из аналогичных рассуждений были определены требуемые ин*
дексы передачи и для звукоусилительной аппаратуры другого на*
значения. В табл. 2.2. приведены соответствующие рекоменда*
ции [9].
Рис. 2.1. Иллюстра-
ция основного прин-
ципа звукоусиления
Таблица 2.2
Расчет оптимального индекса передачи
Назначение установки Расстояние от источника звука до микрофона '•м- м Оптимальное расстояние от источника звука до слушателя Гс м Оптимальный индекс передачи, дБ
Усиление речи Усиление оркестров, хоров, ансамблей Подусиление голоса солистов при удаленном микрофоне Усиление голоса солистов при близ- ком расположении микрофона 0,3—0,5 3 1-2 0,05—0,1 1—1,5 1 3—6 3—6 —104- —14 —12 —10 —36
2.2.
СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ
Установилась следующая классификация систем озвучения по*
мещений и открытых пространств: сосредоточенные, зональные,
распределенные.
Сосредоточенные системы отличаются тем, что содержат один
или несколько громкоговорителей, расположенных достаточно
близко друг к другу (расстояние между крайними громкоговори-
телями должно быть меньше расстояния до ближайших слушате-
лей). К сосредоточенным системам с некоторым допущением
можно отнести и такие системы, в которых громкоговорители рас-
положены в одной части помещения, например по бокам сцены.
В сосредоточенных системах направление распространения
звука легко может быть совмещено с направлением прихода зри-
тельного ощущения, т. е. легко выполнить совпадение зрительного
и слухового образов. На рис. 2.2, 2.3 и 2.4 даны примеры распо-
ложения громкоговорителей в случае сосредоточенных систем. К
сосредоточенным системам относятся и группы громкоговорителей,
расположенных в виде «звуковой» люстры на потолке помеще-
ния.
36
В зональных системах озвучения громкоговорители располага-
ют на таких расстояниях друг от друга, что уровень звука в каж-
дой из точек нахождения слушателей создается в основном од-*
ним, ближайшим, громкоговорителем и только на стыках зон
Рис. 2.2. Пример расположения
громкоговорителей на авансцене
Рис. 2.3. Пример расположения
громкоговорителей, когда размес-
тить их на авансцене невозмож-
но
Рис. 2.4. Пример расположения
громкоговорителей при раздельном
озвучении балкона и партера
Рис. 2.5. Распределенная сис-
тема озвучения с одной на-
стенной цепочкой
уровня от соседних громкоговорителей суммируются (по интен-
сивности). Это приводит к повышению уровня на стыках зон [9],
а соответственно и к снижению неравномерности озвучения. В
помещениях такие системы используют только в тех случаях, ког-
да в нем есть частично изолированные участки, например ниши,
37
или когда есть другие помещения, отделенные от основного низ-
кими или узкими арками и т. п. Балконы иногда можно рассмат-
ривать как частично изолированные помещения.
Распределенные системы представляют собой группу громкого-
ворителей, разнесенных на небольшие расстояния так, что в каж-
дой точке помещения суммарный уровень получается от действия
всех или большей части громкоговорителей. Громкоговорители мо-
гут образовывать линейную группу, например, громкоговорите-
Рис. 2.6. Распределенная система оз-
вучения с двумя настенными цепоч-
ками
Рис. 2.7. Распределенная си*
стема озвучения с одной по*
толочной цепочкой
лей, расположенных по какой-нибудь линии, большей частью пря-
мой. Ряд громкоговорителей, расположенных так, что их акустиче-
ские оси направлены в одну сторону и перпендикулярны прямой,
соединяющей громкоговорители, называют цепочкой. Цепочки
располагают на одной стене (рис. 2.5), на двух противоположных
стенах (рис. 2.6), на потолке в виде одной или двух цепочек
(рис. 2.7 и 2.8). Если громкоговорители располагаются по всему
потолку, то такое распределение называется решеткой. В зависи-
мости от порядка расположения громкоговорителей она бывает
шахматной или прямоугольной (рис. 2.9).
В распределенных системах слуховой и зрительный образы,
как правило, не совпадают. Исключением является одиночная це-
почка, располагаемая на передней стене, даже если эта стена до-
вольно широка. К распределенным системам также относятся
кресельные системы озвучения, когда на спинках каждого из кре-
сел укреплены индивидуальные громкоговорители, и уровень у
38
Рис. 2.8. Распределенная система оз-
вучения с двумя потолочными цепоч-
ками
Рис. 2.9. Распределенная система
озвучения с потолочной решеткой
слушателя в основном создается своим и соседним громкоговори-
телями, хотя могут действовать и другие.
Наконец, в ряде случаев применяют комбинацию систем озву-
чения, например, сосредоточенную и зональную, сосредоточенную
и распределенную.
2.3.
УРОВНИ ПРЯМОГО ЗВУКА НА МЕСТАХ СЛУШАТЕЛЕЙ
Сосредоточенные системы
Громкоговорители, сосредоточенные в передней части зала.
В этом случае один или несколько громкоговорителей располага-
ются на передней стене помещения, в плоскости рампы сцены или
на боковых стенах вблизи сцены и т. п.
Для одиночного ненаправленного громкоговорителя звуковое
давление и уровень прямого звука на расстоянии гг.с от него
связаны с развиваемыми им звуковым давлением и уровнем на
расстоянии 1 м от громкоговорителя р{ и LY {см. (1.4), (1.7),
(1.43)] следующими зависимостями:
Рпр Р1/Гг.с
(2.3)
и
4Р = 201g (Pi/pZr.c) = ^i-201grr с . (2.4)
При озвучении 'Помещения одним направленным громкогово-
рителем звуковое давление дляпрямого звука на расстоянии Гг.с под
39
углом 0 к акустической оси громкоговорителя [см. (1.4)]
Рпр = Р1^(0)/гг.с. (2.5>
где £>(Э) =р(0)/р(0)—радиус-вектор диаграммы направленности
под углом 0. Из (1.43) и (2.5) определяется уровень прямого
звука (1.7)
Дф = 201g (Рнр/po) = Л-201g [ rT с /D (0)]. (2.6)*
Минимальное значение этого уровня будет в самой удаленной
от громкоговорителя точке помещения
= L1-2Olg[rMaKC/D(0)l «Li-201gZ, (2.7}
где Гмакс — расстояние от громкоговорителя до самого удаленного
слушателя (гмаКс ~ I); / — длина помещения.
Выражение (2.5) приближенно можно представить в более
удобной для расчета форме, если воспользоваться эллипсоидаль-
ной аппроксимацией характеристики направленности1 и методом
координат [6]. В этом случае для звуковой колонки (в заданной
точке с координатами и, v, w) звуковое давление прямого звука
Pnp = PMty/r, (2.8>
Ок(0)
где
2>к(0) —радиус-вектор характеристики направленности колонки,,
если ось и направлена по акустической оси колонки, ось w— по
продольной оси колонки, а ось v — по поперечной (рис. 2.10а);
Dr (0г) и DB (|0в)—радиусы-векторы соответствующих диаграмм
направленности под углами 0Г и 10в. Для эллипсоидальной аппрокси-
мации
1 — 1_е2
-------— и Р2(0В) =--------—;
1 — е2 cos2 0Г 1 — е2 cos2 0В
ев — эксцентриситет эллипса, аппроксимирующего диаграмму
направленности в плоскости, проходящей через продольную ось.
колонки; ег— эксцентриситет эллипса, аппроксимирующего диаг-
рамму направленности в плоскости, проходящей через попереч-
ную ось звуковой колонки.
Для удобства расчета обычно используют систему координат*
* Эллипсоидальная аппроксимация диаграмм направленности громкоговори-
телей дает достаточную точность расчетов в пределах 45° в сторону от акусти-
ческой оси рупорного громкоговорителя и 90° — для звуковой колонки.
40
х, У» z, в которой ось х располагают по горизонтальной проекции
акустической оси колонки, ось у—в горизонтальной плоскости,
Рис. 2.10. Расположение систем координат х, у, z и u, v, w в общем случае
(а), в случае сложной формы поверхности озвучения для рупорного громко-
говорителя РГ (б) и звуковой колонки ЗК (в)
41
перпендикулярно оси х, ось z — вертикально через акустическим
центр колонки. Центр координат располагают под звуковой ко-
лонкой на уровне пола (см. рис. 2.10). Если слушатель стоит, то-
озвучиваемая поверхность находится на уровне 1,5—1,7 м выше
уровня пола, а для сидящих — выше на 0,9—1 м. В таком случае
переходные формулы имеют вид
и = х cos а + (гг—z) sin а,
v = y;
w = х sin а—(zr—z) cos a,
(2.Ю)
где a—угол наклона акустической оси колонки к горизонтальной
плоскости; tg а = hr/l = (zr— zi)//; hT — высота подвеса колонки над
удаленной точкой озвучиваемой поверхности1; I — расстояние по
оси х от начала координат до точки пересечения акустической
оси с удаленным краем озвучиваемой поверхности; zr и Z;— вер-
тикальные координаты центра колонки и точки пересечения.
Для рупорного громкоговорителя аналогично (2.8)
Рпр = РА(0)^. (2.11)
г _____L/„2| °2 , ш2
Dp(0)~ £>Г(0Г) ОВ(0В) и~ и \“ ’
где Др(9)—радиус-вектор характеристики направленности рупор»
ного громкоговорителя, а остальные обозначения совпадают с обо»
значениями для звуковой колонки, причем продольной оси колон»
ки соответствует широкая база излучателя, а поперечной — уз-
кая. Для эллиптической аппроксимации
( 1 — ег) C0S 6г (1 — en) cos ®В
^г(0г) = ---------?--------- И £>В(0В) = ---------f--------
1 — бр cos2 0Г 1 — е* cos2 0в
Метод координат особенно удобен при расчете поля для слож-
ной формы озвучиваемой поверхности, например, амфитеатра (см.
рис. -2J10 б *и в). В этом случае акустическую ось громкоговорите-
ля также направляют в самую удаленную точку аудитории, т. е. в
точку нахождения центра головы слушателя, сидящего в послед-
нем ряду. Если точка подвеса громкоговорителя находится ниже
уровня головы удаленного слушателя, то угол подвеса громкого-
ворителя имеет отрицательное значение.
Если помещение озвучивается не одним, а несколькими громко-
говорителями, расположенными недалеко друг от друга, и акусти-
ческие оси их имеют примерно одинаковое направление, то уро-
вень прямого звука повышается. Это повышение на средней оси
помещения для двух громкоговорителей составит немного меньше
3 дБ, для трех — меньше 4,8 дБ, а для и, если пренебречь взаимо-
действием громкоговорителей, 10 1g и. Интенсивность звука от
1 Озвучиваемой поверхностью называют поверхность, проходящую через го-
ловы слушателей.
42
всех громкоговорителей суммируется с учетом их направленности
и расстояния до рассматриваемой точки:
= (2.12)
fc=l
где rh — расстояние от рассматриваемой точки до k-ro громкогово-
рителя; D (0&)—направленность fe-ro громкоговорителя в сторону
рассматриваемой точки под углом к его оси. Отсюда уро-
вень прямого звука
^np = ^i-201grs, (2.13)
где
п
k=\
В этих выражениях величина может быть выражена
через координаты точки и эксцентриситеты эллипсов ев и ег (2.9).
Потолочные системы. Для одного ненаправленного громкогово-*
рителя, расположенного в центре потолка, с учетом (2.3) звуко-
вое давление прямого звука
Pnp=vXpi/Vc’ (2Л4>
где гг.с= yV2c+ft2r — расстояние от громкоговорителя до места
слушателя; гс — горизонтальная проекция этого расстояния; hr—
высота подвеса громкоговорителя над головами слушателей;
kQ—поправочный коэффициент, физический смысл которого из-
ложен ниже. В этом случае уровень прямого звука у слушателя
Lnp = L1-lOlg[(/l? + r2)/Z:o].
Минимальное значение этого уровня будет в конце продольной
оси помещения, т. е. для гс = 112 (в углу помещения уровень пря-
мого звука может быть несколько меньше, чем в конце продоль-
ной оси помещения, но вследствие действия отраженных волн пер-
вого порядка полезный уровень мало отличается от уровня на оси
помещения).
Поэтому
£пР.Мин « - 101g [( + 0,25Z2)/&0], (2.15)
где I — длина помещения; kQ — поправочный коэффициент, сущ-
ность которого сводится к следующему.
Для диффузорного громкоговорителя, находящегося в ящике с
закрытой задней стенкой, характеристика направленности на низ-
ких частотах близка к сферической, поэтому если такой громко-
говоритель находится вблизи хорошо отражающей поверхности,
можно считать, что плотность энергии прямого звука для одиноч-
ного громкоговорителя удваивается. А если позади, громкоговори-
теля расположен хорошо поглощающий материал, то плотность
43
энергии почти не изменяется. На высоких частотах подобные
громкоговорители излучают только в переднее полупространство,,
и поэтому для одиночного громкоговорителя не произойдет увели-
чения плотности энергии прямого звука. Мы ввели коэффициент
kQ, с помощью которого можно учитывать увеличение плотности
энергии прямого звука из-за отражения от ближайшей поверхности.
Величина этого коэффициента находится в пределах 1—2.
Для цепочки из таких громкоговорителей уровень прямого зву-
ка будет меньше, чем для ненаправленных. Поэтому в числитель
(2.14) следует ввести поправочный коэффициент]/ 1—е2, где е —
эксцентриситет эллипса, аппроксимирующего диаграмму направо
ленности громкоговорителя.
Для типовых громкоговорителей, применяемых для озвучения
помещений, на частотах около 2000 Гц е~0,9, т. е. ]/ 1—е2«0,45.
Поэтому плотность энергии прямого звука, создаваемого цепочкой
таких громкоговорителей, уменьшается вдвое по сравнению с дей-
ствительно ненаправленными громкоговорителями. На более высо-
ких частотах уменьшение еще больше. Эта поправка учитывается
тем же коэффициентом ko. Таким образом, коэффициент kQ умень-
шается от 2 на низких частотах до 0,5 на частотах 2000 Гц и
выше.
Для одиночного громкоговорителя с открытой задней стенкой
ящика при хорошо отражающей поверхности позади громкогово-
рителя происходит удвоение плотности энергии прямого звука на
всех частотах. Для цепочки из таких громкоговорителей плотность
энергии прямого звука определяется направленностью его излуче-
ния. Направленность таких громкоговорителей приближается к
направленности звуковых колонок в переднюю полусферу в плос-
кости, перпендикулярной продольной оси колонки. В этом случае
правильнее всего рассчитывать звуковое поле помещения, рас*
сматривая такие громкоговорители, как систему направленных
громкоговорителей с удвоением плотности прямого звука из-за от-
ражения от ближайшей поверхности.
Для централизованной потолочной системы с направленным
громкоговорителем в виде люстры из звуковых колонок поле пря-
мого звука может быть рассчитано, как для обычной сосредото-
ченной системы, но с учетом того, что высота подвеса громкогово-
рителя определяется высотой подвеса центра люстры над голова-
ми слушателей, а точка упора акустической оси громкоговорите-
ля удалена от центра помещения на расстояние, равное половине
длины помещения.
Распределенные системы
В случае применения распределенной системы громкоговорите*
лей прежде всего встает вопрос: какова разность времени прихо-
да звуковых волн от разных громкоговорителей к слушателю?
Обычно в большинстве помещений разность времени прихода волн
44
от любой пары громкоговорителей не превышает 60 мс. Поэтому
прямой звук от всех громкоговорителей будет полезным. Для со-
средоточенной системы возможно нарушение слитности звучания
в залах большой длины. В таких случаях на задней стене распо-
лагают сильно поглощающие материалы. Для распределенной си*
стемы отражение от задней стены локализовано, поэтому следует
повысить отражение от нее, так как полезное звуковое давление
от этого увеличивается.
Настенные цепочки из ненаправленных громкоговорителей.
Для распределенной системы озвучения с двумя параллельными
цепочками ненаправленных громкоговорителей, находящимися на
боковых стенах помещения (см. рис. 2.6) на расстоянии не менее
r>0,6d [6] от цепочек, звуковое давление и уровень интенсивно*
сти прямого звука определяются следующими выражениями:
kQ Л
п2 —---------
d
k0 л пр^
21ц
4. Л ®? / 1 1 \
4р= 101g+ =LX—101g
'll
rrr2d
(ri 4" гг)
(2.16)
где pi — звуковое давление, создаваемое одним громкоговорите*
лем на его акустической оси, на расстоянии г=1 м от его акусти*
чёского центра; и г2 — расстояния от ближайших громкоговори*
телей первой и второй цепочек до слушателя; r2i=x2 + h2^ г2 2=
— (Ьд—х)2+Л2ц; Г1+Г2~ЬЦ; Ьц — расстояние между цепочками,
равное ширине помещения Ь, если цепочки расположены на боко-
вых стенах; Лц — высота подвеса цепочки громкоговорителей над
озвучиваемой поверхностью; п — общее число громкоговорителей;
х — проекция Гц на горизонтальную плоскость; d— шаг цепочки;
l^ndj'l — длина цепочки, обычно она немного меньше длины по*
мещения I. Выражение (2.16) (при замене обозначения 2Ь на d и
без коэффициента kQ) было получено в [6] для случая озвучения
открытого пространства двумя цепочками диффузорных громко*
говорителей. Для помещений оно будет справедливо только при
условии, что громкоговорители находятся далеко от отражающих
поверхностей и что эти громкоговорители являются ненаправлен*
ными во всем расчетном диапазоне частот.
Обычно громкоговорители располагаются в помещении, как
правило, вблизи отражающих поверхностей, и большинство так на*
зываемых ненаправленных громкоговорителей, используемых для
озвучения помещений, в действительности являются ненаправлен*
ными только на низких частотах. Поэтому надо учитывать увели-
чение плотности энергии прямого звука из-за-отражения его от
близлежащей отражающей поверхности и направленность громко*
говорителей на средних и высоких частотах. К этому уровню еле*
довало бы прибавить поправку на отражение от головы слушате*
ля, так как полезный звук приходит к нему с разных сторон.
45
Из выражений (2.16) и (1.5) следует, что в данном случае мы
имеем дело с цилиндрической волной, по крайней мере с r>0,6 d.
Следовательно, интенсивность звука для излучателя в виде цепоч-
ки будет падать с удалением от него не по квадратичному зако-
ну, а только по гиперболическому (1.5). Это является преимуще-
ством цепочек перед сосредоточенными системами.
В этом случае наименьший уровень прямого звука (2.16) бу-
дет на продольной осн помещения, т. е. при Г1 = г2~&ц/2
Ч.мин « L1-101§ Ш2п k^- (2.17)
При одной цепочке, находящейся на боковой стене (см. рис. 2.5),
для прямого звука p2np=^o^p2i/rd, где г= х2 + Л2ц, откуда мини-
мальный уровень прямого звука для х = Ьд и г^Ьд
•^Пр.мин 101S л ^). (2* 18)
Настенные цепочки из звуковых колонок. Определим уровень
прямого звука для случая озвучения помещений и открытых про-
странств с помощью цепочек направ-
ленных громкоговорителей типа звуко-
вых колонок.
Рассмотрим случай двух цепочек с
колонками, расположенными так, что
их акустические оси параллельны, на-
правлены вниз под углом а и перпен-
дикулярны продольной оси озвучивае-
мой плоскости (см. рис. 2.6 и 2.11).
Расстояние Между цепочками равно 6Ц
и длина цепочки — /ц (при выводе
уравнений поля будем предполагать,
велика и можно считать ее беско-
Рис. 2.11. Координаты систе-
мы озвучения с двумя цепоч-
ками
что эта длина достаточно
нечной) .
Из (2.12) следует, что для прямого звука, создаваемого и/2=
= 2т+1 направленными громкоговорителями, входящими в одну
цепочку,
2/n-f-l
/1=1
(2.19)
Ограничимся рассмотрением поля в точках проекции большой оси
эллипсоида на озвучиваемую плоскость.
С учетом (2.9) после несложных преобразований для прямого
звука от одной цепочки имеем
р2 О-ФО-Ф пр2 Г 1-е2
Р"Р rdjf 1—^cos2(P~a) rd J/ «2 + ®2/(>—
что свидетельствует о наличии цилиндрической волны, а для двух
цепочек громкоговорителей
46
(i-4)<i-4) г ! +
d 1'1 )/1 — 4 cosS (Р: — «>
__________________1________________
Г2|/" 1 —e2 cos2 (02 —a)
Заменив d на 2l^ln, получим
n2
rnp
1 —el cos2 (Pi — a)
,__________________-1 • (2.21)
Г2 у 1 — ев cos2 (02 — a) J
Выражение V (1—^2г) (1—e2B) может быть заменено коэффици-
ентом осевой концентрации громкоговорителя согласно равенству
[6]
= /(1-ег2)(1-ф К (е„, ев)« ]Л(1-^)(1-е2), (2.22)
где К(ет, ев) —множитель, зависящий от эксцентриситетов эллип-
соида. Этот множитель определен в [6], и для рабочих значений
(ев>0,95; ег>0,9) примерно равен 1,0 при ориентировке на коэф-
фициент концентрации в соответствии с его общепринятым опре-
делением [1]. Учитывая (2.20), (2.22), находим, что для распреде-
ленной системы из двух цепочек звуковых колонок, расположенных
вдоль боковых параллельных стен с акустическими осями, на-
правленными перпендикулярно продольной оси помещения, для
прямого звука имеем
Это выражение справедливо для ев^0,95; ег^0,9, для меньших их
значений коэффициент Qr должен быть уменьшен [6].
Минимальное значение Lnp будет на продольной оси помещения
2л pj 1/ 1 — е2 . .
-1*------^1,-ioig-----------
, (2.24)
Porod
47
где Го = ri = гг~Ьц/2 — расстояние до озвучиваемой поверхности,
так как при этом Pi = 02=а по отношению к колонке, стоящей
вертикально, т. е. когда продольная ось колонки вертикальна.
Потолочные цепочки. Для одной цепочки из п ненаправленных
громкоговорителей, расположенных по продольной оси потолка на
расстояниях d друг от друга, в соответствии с [6] имеем
Рпр = п Pl/rd & я nP\lhr’ (2- 25)
где /ц=пб?; г2=Л2+г2с; гс — расстояние от продольной оси пола до
заданной точки озвучиваемой поверхности.
Откуда уровень прямого звука (1.43)
4Р = 101g (n Pj/Po^) = Li — 101g (rd/ii).
Минимальное значение уровня прямого звука будет вблизи про-
дольных стен (г а; &/2)
<2.26)
где b — ширина помещения.
Если положить, что r2=oo> ri=r, а=90° и 1р=Рь то из (2.23)
можно получить соответствующую формулу для потолочной цепоч-
ки из звуковых колонок.
Потолочные решетки. Для системы из ненаправленных громко
говорителей, равномерно распределенных по потолку, звуковая
волна будет плоской. Вследствие этого интенсивность звука не за*
висит от расстояния громкоговорителей до слушателей, кроме са-
мых высоких частот (из-за затухания в воздухе). Полагая, что из-
лучение громкоговорителей в тыльную полусферу целиком погло-
щается, интенсивность прямого звука с учетом (1.36), (1.1) и
£2Г= 1
Aip = ^i^a/2 = пРa/2ScJI = 2 л np^lScSl р с, = /пр р с = 2 л np^lScJl,
(2.27)
где Ра — акустическая мощность одного громкоговорителя; гц —
количество громкоговорителей на 1 м2; п — общее число громкого-
ворителей; SCji==d[d2 — площадь, занимаемая слушателями (точ-
нее, площадь, по которой распределены громкоговорители). Уро-
вень прямого звука определяется
4Р = Wig (2лпр2/р25сЛ) = Li- 101g (5сЛ/2л и). (2.28)
Заметим, что в данном случае минимальный и максимальный
уровни прямого звука будут практически одинаковыми.
Расстояние между соседними громкоговорителями не должно
превышать половины высоты помещения, так как иначе будет за-
метна неравномерность уровней прямого звука.
Кресельные системы. Для распределенной системы, состоящей
из кресельных громкоговорителей, уровень прямого звука почти не
зависит от расстояния до слушателя, начиная с г>0,5б/Мин (где
^мин — минимальный шаг установки громкоговорителей). Это объ-
48
ясняется действием соседних громкоговорителей. Лишь на очень
близких расстояниях от громкоговорителя уровень прямого звука
увеличивается. Для кресельной системы выражения (2.27) и (2.28)
целиком справедливы. Отличаться они будут только числом гром-
коговорителей. Общая мощность кресельной и потолочной систем
должна быть одинаковой.
2.4.
НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ОЗВУЧЕНИЯ
Сосредоточенные системы
Неравномерность озвучения в продольном направлении. Для
звуковой колонки, находящейся на высоте hv над озвучиваемой по-
верхностью и наклонной к горизонтальной плоскости под углом
а с упором акустической оси колонки в конец озвучиваемой по-
Рис. 2.12. Диаграмма направленности: а — при высокой подвеске звуко-
вой колонки; б — для рупорного громкоговорителя
верхности (рис. 2.12), неравномерность озвучения была определе-
на в [6] и имеет вид
A L = 101g[ 1 + (1 -ctg2 а] « 101g [ 1 + (1 - ф Z2/^] (2.29)*
Это выражение справедливо лишь для участка озвучения cl (см.
рис. 2.12а), а также для случая, когда точка с находится за гром-
коговорителем, т. е. вне зоны обслуживания. Но такой вариант
расположения колонки уступает варианту, представленному на
рис. 2.12, так как в случае звукоусиления нет смысла в том, что-
бы уровень поля прямого звука вблизи первичного источника зву-
ка был выше, чем в месте нахождения наиболее удаленного слу-
* Приближенное равенство справедливо только для случая плоской озвучи-
ваемой поверхности.
49
шателя. В ближней зоне на слушателя воздействует первичный ис-
точник звука, и громкоговорители будут лишь мешать.
Определим полную неравномерность озвучения на участке от
точки под громкоговорителем до удаленной точки (х—1) для слу-
чая, когда точка с находится между х=0 и х=1.
Имеем ALc=ALcz + AL ос, где согласно [6]
A = Wig [I + (1 -ев2) ctg2 а] « 101g [ 1 + (1 -ty Z2/A2], (2.30)
а неравномерность на участке Ос
A Loc = 201g ( Рх=с/рх=0) = 201g ( PX=1/PX=Q),
так как согласно определению характеристики направленности
точки, лежащие на ней (х=с\ х=Г), имеют одинаковый уровень,
т. е. рх=с=рх=1.
Из (1.4) в точках х = I и х = 0 звуковое давление
P2x=i = { Р2 sin2 а)//г2 = р2 | (р+
И
Рх=о=р1 (1 + cts2 [1 + ctg2 “/(1—е2)]
откуда неравномерность озвучения на участке 0с имеет вид
1— eB4-ctg2a Zz2 (/24-/г2 —е2/г2)
~1018
Соответственно общая неравномерность (2.1)
ALo6=101g 1
4 ctg2 а
(1—^)(l+ctg«a)2
(1-е2)(Р+Л2) /
(2.31)’
« 101g I 4
При высоте подвеса
/ 1 — е2
hr = hm = l]/ (2.32)
уровни в точках х=0 и х=1 будут одинаковыми и AL0 с=0 (рис.
2.13), а неравномерность озвучения
AL = ALo6=I01g(2e2). (2.33)
* Приближенные равенства справедливы только для плоской озвучиваемой
поверхности.
50
Из (2.32) следует, чго чем больше направленность колонки,
тем ниже ее надо подвешивать, неравномерность озвучения при
этом уменьшается. Высота подвеса может считаться оптималь-
ной, если задняя стена сильно заглушена и первичное отражение
от нее практически не увеличивает полезный уровень.
При хорошо отражающей задней стене полезный уровень около
йее по сравнению с предыдущим случаем повысится на 3 дБ, а
под колонкой останется прежним. Поэтому для получения одина-
ковых уровней в точках х=0 и х=\1 необходимо снизить высоту
подвеса в 1^2 раза. Оптимальная высота равна
Ar = 0,7V (2.34)
В случае звукоусиления целесообразно подвешивать колонку
так, чтобы уровень под ней был ниже, чем в удаленной точке (х=
=\1), на 3—5 дБ, при этом в передней части помещения необходи-
мо лишь подусиливать прямой звук, идущий от оратора или лек-
тора. Если взять высоту подвеса колонки
Рис. 2.13. Диаграмма на-
правленности звуковой ко-
лонки при оптимальной вы-
соте подвеса
ht = 2iyi-el^2hm, (2.35)
то согласно ф-лам (2.30) и (2.31) неравномерность озвучения на
участке с\1 (см. рис. 2.12) будет около 1 дБ, а уровень под колон-
кой— на 5 дБ ниже, чем в точке х=1. Следовательно, эта высота
подвеса будет оптимальной для звуко-
усиления в случае заглушенной задней
стены. При хорошо отражающей задней
стене эту высоту необходимо уменьшить
до hr = l,41/im или до
hr = hm. (2.36)
Все эти рекомендации справедливы толь-
ко для плоской озвучиваемой поверхно-
сти, а для амфитеатра они относятся к
высоте подвеса громкоговорителя, распо-
ложенного над началом озвучиваемой
поверхности.
Неравномерность озвучения в попе-
речном направлении. Неравномерность
озвучения в поперечном направлении мо-
жет быть определена из (2.8), (2.9) для
значений v = y = Q и у#=0 (см. рис. 2.12 и 2.13). В общем случае
имеем
= 101g[1 + уЧ(\-е2) [и24-ш2/(1 -е2)]]. (2.37)
Если стены плохо отражают звук, то значительного снижения
уровня прямого звука следует ожидать на линии задней стены, где
ш = 0 и и=/2+Л2г, а максимального — в удаленных углах помеще-
ния. В ближних углах помещения снижение уровня неопасно, так
как в них достаточен уровень, создаваемый первичным ис-
51
точником звука. Поэтому неравномерность озвучения в даль-
них углах помещения (у=0,5&; х=1)
А^/2 — 101g[l+&2/4/i2(1—е2)(1+Z2//:2)], (2.38)
где b — ширина помещения. Из этого выражения следует, что вы-
сота подвеса колонки, выбранная в пределах оптимальных значе-
ний (2.32), (2.34), (2.35) и (2.36), не влияет на неравномерность
озвучения. Для звуковых колонок, имеющих ег=0,9 при отноше-
нии длины помещения к ширине, равном 1,4, неравномерность со-
ставляет примерно 2 дБ. Следовательно, такие помещения можно
было бы озвучивать одной колонкой. Если же стены хорошо отра-
жают, то уровень в углах помещения повышается и неравномер-
ность очень мала.
Для рупорных громкоговорителей неравномерность озвучения
по продольной оси помещения [3]
AL = 201g[0,5р + у 1+(1—e2)ctg2a )],
где ев — эксцентриситет диаграммы направленности в вертикаль-
ной плоскости; a — угол наклона акустической оси громкоговори-
теля. Точка с максимальным уровнем расположена на проекции
громкоговорителя (см. рис. 2.13) и имеет координату [3]
Л Г 14-Ctg*a ]
Ctga [У l + (l-e2)ctg2a
а точка с с минимальным уровнем (ближайшая к громкоговори-
телю) имеет координату
Xi = ( е2 ctg a)/[ 1 + (1 — ezB) ctg2 a].
Озвучение сосредоточенной системой в виде люстры из звуко-
вых колонок рассматривается как зональное озвучение (см. [6])
по секторам.
Распределенные системы
Настенные цепочки из ненаправленных громкоговорителей. Для
двух параллельных прямолинейных цепочек, расположенных на
боковых стенах, наименьший уровень получается в середине меж-
ду ними, а максимальный — обычно под цепочками. Из ф-лы
(2.16) находим, что минимальное звуковое давление получается
на средней линии помещения (х=Ьц/2)
pLh = ^kop\/d у 0,25^+й2,
а максимальное — под цепочками (х=0)
л k$p J
d
(2.39)
1
1
(2.40)
л2
^макс
Лц
52
Неравномерность озвучения находим как разность уровней под це-
почками и на средней линии
Д£= 101g[р2акс/р2ин1 = 101g [0,5 /1+0,2562/Л2ЦХ
X (1 + 1 //1+^ /Л* )]• (2.41)
При /гц=0,566ц уровни под цепочками и на середине помеще-
ния получаются равными друг другу, а максимальный уровень на-
ходится недалеко от точек под цепочками. При этом неравномер-
ность озвучения получается менее 0,1 дБ. Однако вследствие имею-
щейся направленности «ненаправленных» громкоговорителей на
частотах выше 1000 Гц уровень под цепочками будет ниже, чем на
середине помещения, на 1—2 дБ. Если же выбрать высоту подвеса
цепочек не выше 0,36ц, то неравномерность озвучения будет не вы-
ше 1 дБ в широком диапазоне частот.
На рис. 2.14 (кривая 1) приведена графическая зависимость
ДЛ от отношения hKlbK. Из графика и ф-лы (2.41) следует, что
неравномерность озвучения менее 1 дБ будет при высоте подвеса
> 0,36ц. (2.42)
Если взять по одному громкоговорителю на каждой боковой стене,
то неравномерность озвучения, определяемая из выражения для
сферической волны [8] (рис. 2.14, кривая 2)
(l+0,5fe2//tg)(l+0,2542/Л2) -
1+*ц/Лц
(2.43)
т. е. неравномерность озвучения менее 1 дБ получается, если
Рис. 2.14. Зависимость неравномерно-
сти озвучения в поперечном направ-
лении для распределенных систем
озвучения от отношения высоты под-
веса к ширине помещения:
/ — для длинной цепочки; 2 — для одного
громкоговорителя на каждой стене; 3— для
одиночной цепочки
Рис. 2.15. Зависимость неравномерно-
сти озвучения в продольном направ-
лении для распределенной системы
озвучения от отношения высоты под-
веса цепочки к ее шагу:
1 — для длинной цепочки; 2 — для цепоч-
ки из двух громкоговорителей; 5 —для по-
толочной решетки из 25 громкоговорителей
53
Следовательно, высоту подвеса в зависимости от количества гром-
коговорителей в цепочке следует выбирать в пределах
0,3&ц <йц< 0,5&ц. (2.45)
Из [6] известно, что неравномерность озвучения в продольном
направлении (по длине помещения, под цепочками громкоговори-
телей)
A Lt = 201g с th (л йц/d). (2.46)
На рис. 2.15 (кривая 1) приведена эта зависимость. По рисунку
определяем, что неравномерность озвучения получается менее
1 дБ при шаге цепочки б/^2,2йц.
Если же учитывать действие только двух смежных громкогово-
рителей, то, как и выше, неравномерность озвучения в продольном
направлении (см. рис. 2.15, кривая 2)
Г (1-Ц 0,5d2/A2 ) (1 + 0,25d2//i2 ) 1
AL=101g V ц7--—-------. (2.47)
1+^А2
’Из рис. 2.15 следует, что неравномерность озвучения будет менее
1 дБ при шаге цепочки б/^2,1Лц. С учетом направленности гром-
коговорителей на высоких частотах целесообразно выбирать шаг
щепочки
d<2ftu. (2.48)
Для одной прямолинейной цепочки, подвешенной на боковой
стене (см. рис. 2.5), при сильно заглушенных стенах звуковое дав-
ление прямого звука получается из (2.16) при ir2 = o°. Для точки
под цепочкой (х=1) р2^кс=^ор2\1кд(1, а для удаленной точки,
находящейся у противоположной стены, (х=6) р2мин=л^ор21/
jd 62+Л2ц, откуда получаем неравномерность озвучения по ли-
нии, являющейся проекцией акустических осей на озвучиваемую
поверхность:
AL = 51g(l+&2/Л2). (2.49)
На рис. 2.14 (кривая 3) приведена эта зависимость. Неравно-
мерность озвучения, не превышающая 3 дБ, будет при высоте под-
веса
6ц > 0,36, (2.50)
а 1 дБ —при
6ц > 1,3 6. (2.51)
Неравномерность озвучения в продольном направлении остается
такой же, как и в случае использования двух цепочек (2.46).
Если стены хорошо отражают, то давление и неравномерность
озвучения определяются так же, как и в случае двух цепочек (сте-
на служит зеркалом), но в соответствующие формулы надо под-
ставлять удвоенную фактическую ширину помещения.
54
Итак, если ширина помещения близка к ее высоте или меньше
ее, то целесообразно применять одну цепочку. Если ширина поме-
щения в 2 раза больше его высоты, то необходимо применить две
цепочки. Ориентировочно можно считать, что при ширине помеще-
ния не менее 8 м следует применять две цепочки, а при ширине
менее 6 м — одну.
Настенные цепочки из звуковых колонок. Если ширина помеще-
ния превосходит 10—12 м и потолок невысокий, то получить не-
большую неравномерность при использовании ненаправленных
громкоговорителей не всегда.удается. К тому же с ненаправленны-
ми громкоговорителями в широких помещениях нельзя получить
подходящее акустическое отношение. В этих случаях применяют
цепочки из звуковых колонок малой и средней мощности. Соответ-
ственно (2.23) для одной прямолинейной цепочки из колонок, под-
вешенных на одной стене, имеем
р2 =----- —— =
rd у 1 — 4 cos2 (Р — а)
яр2|/’1_е2|/'6г + Л2
-- ------ " -- 9
dy (bx-ftf +%(X-w I (i-4)
где r = |/’x2 + /i2; tga = /iu/6; tg 0 = Лц/х.
Для удаленной точки на озвучиваемой плоскости (х=Ь)
= яР2х /r«d = n Pl Id • (2.53)
Если задаться равенством уровней под цепочкой (х=0) и в точке
х=\Ь, то можно получить высоту подвеса цепочки
йц = ьj/-(l-eB2) /(2е2-1) «b/Г=4 (2.54)
Интересно отметить, что высота подвеса цепочки получилась
такой же, что и для сосредоточенной системы в виде одной колон-
ки (2.32), если в ней I заменить на Ь. При такой высоте подвеса
неравномерность озвучения по ширине помещения
AL = 51g(2e2). (2.55>
А при меньшей высоте ее можно определить из формулы, анало-
гичной (2.30),
А L = 51g [ 1 + (1 —е2) &2/й2]. (2.56>
Эти соотношения пригодны только для случая с сильно заглушен-
ной противоположной стеной. Множитель 5 вместо 10 получился
из-за наличия цилиндрической волны [4].
Попутно отметим, что эти соотношения применимы для случая
озвучения помещения цепочкой из колонок, подвешенных на перед-
55
ней стене при заглушенной задней стене. В этом случае (2.55) и
(2.56) дают неравномерность озвучения по продольной оси поме-
щения. Она оказывается вдвое меньше, чем для одиночной колон-
ки, а в поперечном направлении — будет ничтожной [6]. При хо-
рошо отражающих боковых стенах достаточно одной колонки, что-
бы из зеркальных источников получить цепочку громкоговорите-
лей. Неравномерность озвучения под цепочкой можно определить
по (2.46), если рассматривать поле звуковой колонки как поле не-
направленного излучателя с деформацией осей координат w в
V 1—е2в раз и v=y в X 1—е2г раз. Так как высота подвеса коло-
нок невелика в сравнении с шириной помещения, то угол наклона
колонок получается небольшим, вследствие чего ось w почти вер-
тикальна и направлена по высоте помещения. Подставляя в (2.46)
d] Г1—е2г вместо d и Лц/ V 1—е2в вместо Лц, получаем выражение
для неравномерности озвучения под цепочкой из колонок
A£z = 201gcth(«ftu/r^^j/T=^). (2.57)
Соответственно для определения неравномерности озвучения
можно воспользоваться кривыми рис. 2.15 при замене абсцисс
йц/d на Лц j/ 1 — е21d jA 1 —е2. На том же основании шаг цепоч-
ки из колонок следует выбирать соответственно неравенству (2.48),
л именно
l-e2/yi-e2B.
(2.58)
Если угол наклона оси колонки ia^>0, то вместо е2в в эти фор-
мулы следует подставлять e2B cos2a. Неравномерность озвучения в
любой плоскости, проходящей через ось цепочки, на расстоянии г
от оси ее определяется этими же формулами при замене
йц/У 1—е2в на г/ У 1—e2Bsiny, где у — угол между заданной плос-
костью и плоскостью осей колонок.
Для двух прямолинейных цепочек из колонок, подвешенных на
боковых стенах (см. рис. 2.6), соответственно (2.23) для звукового
давления имеем
лР1Уг О-фО-ф
________1_______
Г1У1—fgCos2^ —а)
_______________1______________
Г2 У i cos2 (Р2 — а)
(2.59)
где гх= уx2 + /i2; гг = у (6Ц—x)2+/i2;
tga=2ftu/&4; tgp1 = /zu/x; tgp2 = /iu/(&u—х).
56
Для точки на продольной оси помещения
2л р2 1Z1 — е2 2л — е?
п2 =-----—-------- =-------------------. (2.60>
r°d dj/"o,25£2
Если задаться равенством уровней под цепочками и на про-
дольной оси помещения в озвучиваемой плоскости, то высота под-
веса цепочек определяется из (2.59) и (2.60):
Лц = 0,56ц у (1-е2) | (2е2в-1) « 0,56ц J/T^2. (2.61)
Это также следует из того, что в этом случае уровень от двух це-
почек на 3 дБ выше, чем от одной, а полезный уровень под цепоч-
ками не изменится, так как расстояние между ними обычно быва-
ет не менее 16—20 м (разность времени не менее 50 мс). При та-
кой высоте подвеса неравномерность озвучения по шцрине поме-
щения оказывается менее 1 дБ.
Неравномерность озвучения по длине помещения определяется
так же, как и для одной цепочки. Соответственно вычисляется и.
шаг цепочки [см. (2.57) и (2.58)].
Для одиночной цепочки в случае хорошо отражающей противо^-
положной стены пригодны все соотношения, полученные для двух;
цепочек, при условии замены в них Ьц на 2ЬЦ.
Потолочные системы. Потолочные цепочки можно рассматри-
вать как настенные, но размещенные у самого потолка. При пото-
лочных цепочках нельзя манипулировать высотой подвеса. В зави-
симости от размеров помещения надо брать одну или две потолоч-
ные цепочки и вычислять получающуюся величину неравномерно-
сти озвучения. Для одной цепочки, расположенной по продольной
оси потолка, помещение можно представить в виде двух независи-
мых половин (по прямому звуку). Это дает возможность использо-
вать все формулы и графики, полученные для одной настенной це-
почки, при подстановке в них высоты подвеса, равной высоте по-
толка над озвучиваемой плоскостью, и замене 6Ц на 0,56ц. Из ф-л:
(2.51) и (2.50) получается, что для одиночной цепочки при неотра-
жающих боковых стенах неравномерность озвучения по ширине
помещения будет менее 1 дБ, если ширина
6Ц< 1»5/гц, (2.62)
и менее 3 дБ, если
6ц < 6,5АЦ. (2.63)
Для двух потолочных цепочек помещение можно представить в
виде трех частей: средней, озвучиваемой двумя цепочками, и двух
крайних, озвучиваемых одной цепочкой. По прямому звуку все час-
ти помещения будут независимыми, и поэтому звуковое давление
и неравномерность озвучения по ширине помещения можно рас-
считывать по соответствующим формулам и графикам, подставив
в них для средней части расстояние между цепочками вместо ши-
57
рины помещения, а для крайних — расстояние от ближайшей це-
почки до боковой стены вместо ширины.
Исходя из (2.42) и (2.45), неравномерность озвучения в сред-
ней части помещения будет менее 1 дБ, если расстояние между
цепочками
&ц < 3,ЗЛЦ. (2.64)
Чтобы цепочка обеспечивала неравномерность не более 1 дБ,
расстояние между ней и боковой стеной должно быть
&б.ц < 0,75Лц. (2.65)
В случае хорошо отражающих боковых стен неравномерность
озвучения не более 1 дБ может быть получена, если расстояние
цепочки от боковой стены
ьб ц < 1.65ЙЦ. (2.66)
Шаг цепочки во всех случаях определяется, как и для настенных
цепочек, по (2.48).
Для равномерной потолочной решетки с шагом d звуковое дав-
ление, развиваемое ею на оси громкоговорителя, с учетом отраже-
ния от потолка [2]
p2 = 4np2/d2. (2.67)
Из (2.47) следует, что даже для двух громкоговорителей, расстоя-
ние между которыми d<2/zp, где Лр— высота подвеса решетки
громкоговорителей над озвучиваемой поверхностью, неравномер-
ность озвучения на линии между ними не превышает 1 дБ. Из
рис. 2.15 (кривая 3) также видно, что для решетки из 25 громко-
говорителей неравномерность озвучения будет менее 1 дБ, если
шаг решетки
d< 2,3йр. (2.68)
Учитывая некоторую направленность громкоговорителей на вы-
соких частотах, целесообразно брать шаг решетки
d<2/zp. (2.69)
2.5.
АКУСТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ
Сосредоточенные системы
Громкоговорители, сосредоточенные в передней части помеще-
ния. Для одиночного громкоговорителя акустическое отношение
определяется из (1.32), (2.5) и (1.37)
R = 16Jtr2(l-acp)/(QrD2(0)acpS2), (2.70)
где r= V~x2+h2r, х — расстояние от громкоговорителя по горизон-
тали; h?— высота подвеса громкоговорителя над головами слуша-
58
телей. Следовательно, на заданном расстоянии от громкоговорите-
ля и под заданным углом (т. е. в заданной точке помещения)
акустическое отношение при условии выбранного (или заданного)
времени реверберации однозначно определяется коэффициентом
осевой концентрации громкоговорителя. Последним варьировать^
как правило, трудно, так как выбор громкоговорителей ограничен.
Некоторое исключение представляет случай увеличения коэффици-
ента концентрации и соответственно уменьшения акустического от-
ношения при объединении двух-трех колонок в одну, но это не
всегда допустимо из-за неравномерности звукового поля, получаю-
щейся вблизи такой составной колонки.
Если взять два громкоговорителя, расположенные недалека
друг от друга (не ближе ХмаКс/2), то уровень диффузной состав-
ляющей увеличится на 3 дБ (мощность увеличивается вдвое). Уро-
вень прямого звука только в некоторых точках может увеличиться
на 3 дБ, а в большинстве точек помещения увеличение его будет
меньше. В результате акустическое отношение может несколько
увеличиться. Как указывалось ранее, в самых удаленных точках
зала уровень прямого звука в этом елучае почти не понижается;
в пределах угла 40—60° по отношению к оси громкоговорителя на-
правленность его изменяется мало, и поэтому акустическое отно-
шение не повысится. Повышение его происходит вблизи громкого-
ворителей (сбоку от них), так как в этом месте уровень первично-
го источника звука достаточно велик. Аналогичная картина на-
блюдается для сосредоточенной системы озвучения помещений и
при большем числе громкоговорителей.
Для системы из ряда направленных громкоговорителей акусти-
ческое отношение согласно (2.12) и (1.37)
/?= 16лп(1—аср)
п
k=\
(2.71}
Потолочные сосредоточенные системы. Для ненаправленного
громкоговорителя, подвешенного в4 центре потолка, акустическое
отношение [см. (2.14), (1.37)]
/?=16л(1-аср)(Л2 + г2) | (McpSs). (2.72}
Акустическое отношение для люстры, состоящей из направленных
громкоговорителей, отличается от акустического отношения для
ненаправленного громкоговорителя только коэффициентом кон-
центрации, т. е.
| (feoacpSsQr). (2.73}
Если в люстру входят звуковые колонки, то коэффициент кон-
центрации люстры Qr будет связан с коэффициентом концентра-
ции отдельной колонки йк следующим соотношением:
Qr=7^QK- (2-74)
59
Это соотношение справедливо, если в люстру входит не более
четырех колонок. При большем числе колонок коэффициент кон-
центрации уменьшается с увеличением числа колонок медленнее,
так как уровень прямого звука при большом их числе будет опре-
деляться не только той колонкой, в секторе которой находится
рассматриваемая точка, но и другими колонками.
Распределенные системы
Настенные цепочки из ненаправленных громкоговорителей. Ес-
ли применяется распределенная система озвучения с ненаправлен-
ными громкоговорителями в виде двух цепочек, то на основании
(2.16) и (1.37) акустическое отношение
R = 32/цг1г2 (1 аср)/[^о (ri+G) аср (2.75)
В это выражение при расчете озвучения помещения с помощью
громкоговорителей в закрытых ящиках следует подставлять в зна-
менатель величину коэффициента концентрации используемого
громкоговорителя (см. § 2.2).
Из рассмотрения этого выражения следует, что акустическое
отношение в этом случае однозначно определяется размерами по-
мещения, средним коэффициентом поглощения и расстояниями от
заданной точки помещения до ближайших громкоговорителей обе-
их цепочек.
Настенные цепочки из звуковых колонок. Для распределенной
«системы, состоящей из двух цепочек звуковых колонок из (2.23) и
(1.37), определяется акустическое отношение
^=32ZB(l-acp)r;r;/[acpSs(r;+r;)fir/n=^], (2.76)
где г' = гх 1— «2cos2(Pi—a); r'2 = r2 ]/‘l—e^cos2^—a).
Интересно отметить, что в этом случае акустическое отношение за-
висит только от направленности громкоговорителей в вертикаль-
ной плоскости.
Потолочные системы. Для одной цепочки ненаправленных гром-
коговорителей, расположенных по продольной оси потолка, из
(2.25) и (1.37) находим
Я=16/ц(1-аср)/ Л2 + 0.2562 /(acpSs). (2.77)
Для потолочной распределенной системы озвучения, в отличие
от кресельной системы, акустическое отношение определяется по
излучению как в переднюю, так и в заднюю полусферу, поэтому
диффузная составляющая берется полностью, а для учета увели-
чения плотности энергии прямого звука из-за отражения от потол-
ка и направленности громкоговорителя вводятся коэффициент kQ
и коэффициент концентрации Qr.
60
Таким образом, акустическое отношение
= 8/Д (1 —аСр)/(£2г^ср *^s) 8Sn0T (1 &ср)/(^г®ср ^s)> (2.78)
где «5пот:=:^ц^ц — площадь потолка.
Кресельные системы. Для кресельной системы озвучения с уче-
том уменьшения диффузной составляющей в 2 раза из (2.27) и
(1.37) получаем акустическое отношение
R = 4/ц&ц (1 —аср) / (аср S2) ~ 45сЛ (1 о&ср)/(<хСр S2). (2.79)
В данном случае акустическое отношение также однозначно опре-
деляется размерами помещения и средним коэффициентом погло-
щения.
Анализ акустических отношений
Итак, в большинстве случаев, если выбрать оптимальное по-
глощение, то варьировать акустическим отношением можно лишь
в небольших пределах и то лишь для направленных громкоговори-
телей. Определим максимальные значения акустических отноше-
ний. Для точных расчетов максимальную величину акустического
отношения следует вычислять по (2.70) — (2.79) в ряде точек по-
мещения и, в частности, в тех точках, в которых ожидается мини-
мальное значение уровня прямого звука.
В самой удаленной точке помещения для сосредоточенной сис-
темы из п громкоговорителей интенсивности громкоговорителей
примерно равны, поэтому плотность энергии прямого звука увели-
чивается в п раз; направленность громкоговорителей
0(0) для этой точки можно считать равной единице, а расстояние
от громкоговорителя — равным У" /2+йг. В таком случае акусти-
ческое отношение (2.70)
в 16л(/а4-^)(1—асР) _ 16л Р (1 - асР)
макс з ЙгосСр Sjj йгаср
так как обычно
Для распределенной системы с ненаправленными громкогово-
рителями длина цепочки, расположенной на боковой стене, немно-
го меньше длины помещения I, а максимальное расстояние от це-
почки до слушателя (находящегося на продольной оси помеще-
ния) — немного больше половины ширины помещения Ь/2. При
таком условии и учете, что л = г2 = гМакс, акустическое отношение
(2-75)
п . 16/цГмакс (1 — О&ср) (1 — О&ср)
МаКС ^0 ®ср ^2 ^0 0&ср 1
где Гмакс = У 0,2552ц+Л2ц«0,5Ьц; Ац— высота подвеса цепочки.
Приближенное соотношение максимальных значений акустических
отношений для сосредоточенной и распределенной систем имеет
вид
Ямакс.с ^макс.р « 2alk0/(Qrb). (2.80)
61
Из этого выражения следует, что, во-первых, соотношение меж-
ду ними зависит от отношения длины помещения к его ширине и
от коэффициента осевой концентрации громкоговорителя, приме-
няемого в сосредоточенной системе. Во-вторых, в практических
случаях сосредоточенная система дает примерно в 2 раза большее
акустическое отношение.
Для кресельной и потолочной систем (2.78), (2.79) в сравнении
с распределенной системой с ненаправленными громкоговорителя-
ми (2.75) максимальное акустическое отношение получается вдвое
меньшее.
Для распределенной системы в виде двух цепочек направлен-
ных громкоговорителей максимальное акустическое отношение
(2.76) будет на продольной оси помещения. Аналогично предыду-
щему случаю получаем
Яиакс = 8/ц V 0,256* +6*(1 —аср) / асрSs «
« 8lb (1 —аср) /1=7* / аср S2 = 8Z6(I -аср) / аср S2 Qr
Сравнивая распределенные системы с направленными и нена-
правленными громкоговорителями, получаем, что соответствующие
им акустические отношения находятся в соотношении
(2.81)
Для ев>0,97 и &о=2 это отношение меньше 0,5. Следовательно,
применение звуковых колонок в распределенной системе дает
уменьшение акустического отношения более чем в 2 раза по срав-
нению с ненаправленными громкоговорителями.
Для централизованной потолочной системы с ненаправленным
громкоговорителем максимальное акустическое отношение (2.72)
d ____16 л (1 аср) /л ot^72 । ь2\ ~ 4л (1 аср) I2
^макс“ #oaCpSs &oacpS2
Если сравнивать направленный громкоговоритель, расположен-
ный у сцены, с ненаправленным потолочным, то получается, что
максимальное акустическое отношение для последнего в Qr/4 раза
больше, чем для первого. Следовательно, ненаправленная потолоч-
ная система уступает направленному громкоговорителю, находя-
щемуся у сцены только при условии, что его коэффициент кон-
центрации больше четырех.
Для потолочной цепочки ненаправленных громкоговорителей из
(2.77) максимальное значение акустического отношения
Ямакс = |/ 0,2562+Л* « 8^~/СР) •
«О acp ' ^0 аср
Сравнение этого выражения с выражением для двух цепочек,
находящихся на боковых стенах, показывает, что обе системы поч-
ти равноценны по акустическому отношению. Однако для потолоч-
ной системы неравномерность озвучения получается меньше, а
62
число громкоговорителей уменьшается вдвое. Заметим, что мини-
мальное значение уровня прямого звука для потолочной системы
получится у боковых стен (в отличие от настенной системы), но
это уменьшение может скомпенсироваться отражением от стены.
Так как на середине помещения плотность энергии от обеих цепо-
чек настенной системы суммируется, то одна потолочная цепочка
должна иметь мощность примерно такую же, как и две настенные
цепочки.
Для направленной потолочной системы, например, в виде люст-
ры из четырех звуковых колонок, акустические оси которых на-
правлены примерно в сторону наиболее удаленных от люстры слу-
шателей, максимальное значение акустического отношения (2.73)
п ___ 16л (1 аСр) /л ОК72 д_ ^2\ /^/ 4л Р (1 асР)
Кмакс “ QraCpS2 'U’ Ы + ~ агасР
Сравнивая это выражение с выражением для случая направ-
ленного громкоговорителя, находящегося у сцены, получаем, что
акустические отношения для них будут одинаковыми, если коэф-
фициент осевой концентрации потолочной системы будет в 4 раза
меньше, чем коэффициент концентрации громкоговорителя у сце-
ны. Заметим, что подобная люстра дает неравномерность озвуче-
ния меньше, чем направленный громкоговоритель, находящийся у
сцены.
2.6.
УРОВНИ ОЩУЩЕНИЯ РЕЧИ
Как было показано (§ 1.3), разборчивость речи определяется
разностью спектральных уровней речи и помех. Рассмотрим их в
отдельности.
Спектральные уровни речи. Для прямого звука этот уровень
определяется индексом тракта во всем диапазоне частот, т. е. в
соответствии с (1.47) при учете, что для речи Вм=Врм и Внр=
= ^р.с
я„,с=Вр.’ (2-82)
где Вр.м — спектральный уровень речи у микрофона. Уровень Вр.с
также может быть найден, если известен спектральный уровень ре-
чи на выходе аппаратурной части тракта, путем уменьшения его
на величину разности уровней на выходе громкоговорителя (на
расстоянии 1 м от него) Ц и у слушателя £с, т. е. lQrc [см. (1.44)
(1.43), (1.46)].
Спектральный уровень на выходе аппаратурной части тракта
для каждой полосы равной разборчивости может быть найден, ес-
ли известны спектральный уровень речи на входе микрофона для
той же полосы и средний стандартный индекс усиления аппарату-
ры для нее (1.42). Поскольку индекс усиления аппаратуры в пре^
делах полосы равной разборчивости изменяется незначительно, то
63
достаточно знать его для средней частоты полосы. Следовательно,
на расстоянии 1 м от громкоговорителя в &-й полосе выходной
спектральный уровень речи
= + ««> <2-83>
где QCTh — стандартный индекс усиления аппаратуры на частоте
h (1-42);
Вр.мл = 5;к + 2012(1/Гм) (2.84>
— входной спектральный уровень речи в k-й полосе (1.46); гм—
расстояние от рта до микрофона, м; В'рл — стандартный спект-
ральный уровень речи, т. е. спектральный уровень на расстоянии
1 м от рта.
Для определения стандартного индекса усиления (1.42) необхо-
димо знать величину ap-HQy+ал, уровень осевой чувствительности
микрофона QM=201g(t/M/pM) и громкоговорителя Qr=201g(p'7
/(/г) =201g(pi/t/f), где p"=pi — звуковое давление на акустиче-
ской оси громкоговорителя на расстоянии 1 м от его акустическо-
го центра в неограниченном пространстве; рм — звуковое давление
в точке микрофона на его оси; UT— напряжение на входе громко-
говорителя, В; UM — напряжение на выходе микрофона, В. В этом
случае стандартный индекс усиления аппаратуры (1.43) равен
QcTh= QMh + Qrh + Qyk> (2.85)
где Qy=201g(t/r/(/M) —разность уровней на входе громкоговори-
теля и выходе микрофона, дБ. Иногда возникает необходимость
рассчитать разборчивость по заданным чувствительности громко-
говорителя и микрофона, уровню интенсивности громкоговорителя
(на расстоянии 1 м) и расстоянию от микрофона до рта.
Если частотная характеристика аппаратуры идеальна, то стан-
дартный индекс усиления можно определить из следующих сообра-
жений. Речевой спектр на выходе громкоговорителя должен иметь
ту же форму, что и на входе, т. е. разность спектральных уров-
ней на выходе громкоговорителя и входе микрофона на любой час-
тоте должна быть равна стандартному индексу усиления. Следо-
вательно, стандартный индекс усиления будет равен разности об-
щих уровней речи на выходе и входе (1.42), т. е. Qcv=L"v—
где L"p=Li, а входной уровень, т. е. у микрофона, (1.46) LpM=
=L'p+201g(l/rM).
Если же стандартный индекс усиления зависит от частоты и
при этом известна только форма частотной характеристики трак-
та (например, в виде частотной зависимости разности индексов
усиления на текущей частоте и на 1000 Гц), то требуемые величи-
ны стандартного индекса усиления на всех частотах могут быть
определены косвенным путем.
Пусть Qctk представляет стандартный индекс усиления на сред-
ней частоте k-й полосы, тогда спектральный уровень речи на выхо-
де громкоговорителя на той же частоте будет определяться соот-
ветственно (2.83) и (2.84). По ф-ле (1.20), если в нее подставить
64
значения спектрального уровня из (2.83) для полос частотного
диапазона речи, можно найти общий уровень речи на выходе
громкоговорителя. Разность между найденными общими уровнями
на выходе и входе аппаратуры L"v — LP,M=QB3B является взвешен-
ной величиной стандартного индекса усиления, учитывающей фор-
му спектра речи (1.48). Разность между взвешенным значением
индекса усиления и индексом усиления, например, на частоте
1000 Гц
AQb3B = Qb3B — Q1000 (2.86)
отражает влияние неравномерности частотной характеристики
тракта, т. е. отклонений стандартного индекса усиления относи-
тельно 1000 Гц
A Qk — Qn k QeT 1000* (2- 87)
Если неизвестна абсолютная величина стандартного индекса
усиления, а известны лишь его отклонения по отношению к индек-
су на 1000 Гц (2.87), то, используя (2.84), (1.20) и (1.48), можно
получить разность между взвешенным значением индекса и его
значением на частоте 1000 Гц. Аналогично определяется и взве-
шенный индекс тракта <2взв = Ар.с—Лр,м. Следовательно, с учетом
поправки (2.86) спектральный уровень речи на выходе (на рас-
стоянии 1 м от громкоговорителя)
Ч = Яр.м + (Ч -Ч.м) + А <2взв> (2.88)
и у слушателя
Вр.« - Вр.. + (Вр.р -Вр.. ) + Л «.»• (2.89)
Спектральные уровни шумов й помех. Суммарный спектраль-
ный уровень шумов и помех может быть найден суммированием
спектральных плотностей интенсивности этих шумов и помех, если
они некогерентны и не имеют корреляционных связей, и когда их
спектры могут рассматриваться как сплошные. Операция такого
суммирования спектральных уровней условно обозначается знаком
( + ) '
Яш = Яа( + )Вп( + )Вт, (2.90)
а в развернутом виде это суммирование выглядит следующим об*
разом:
B„=ioig[1oOJB-+io’Ji"+ioOJS'],
где Ва, Вп и Вт — спектральные уровни интенсивности акустиче-
ских шумов, помех и шумов тракта.
Если учитываются только две составляющие, то выражение мо-
жет быть упрощено. Пусть требуется найти
5 = ВмакС( + )Вм1Ш= 101g [10°’1Вмакс+10°’1Вмин] . (2.91)
3—245
65
После преобразований (2.91) примет вид
В = Внакс+101§[ц-10-0’1(Вмакс~Вмин)] или В = Вмакс + ДВ, (2.92)
где AB=|f(BMaKc—В мин) и лежит в пределах 0<ДВ^З дБ (рис.
2.16).
дБ Лй
О 2 4 6 в 10 12 дБ
Рис. 2.16. Поправка для
суммирования уровней
Из этого графика следует, что при разности уровней больше
10 дБ влиянием меньшего уровня можно пренебречь, а при ра-
венстве обоих уровней поправка составляет 3 дБ.
2.7.
ИНДЕКСЫ ТРАКТА ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ
Оптимальный (рациональный) индекс тракта. Как уже указы-
валось, собственные «электрические» шумы аппаратуры невелики
в сравнении с акустическими шумами и помехами в помещении,
где находится слушатель (1.39). Поэтому уровень суммарной ин-
тенсивности шумов и помех в помещении (2.90) складывается из
интенсивности акустического шума Ва и помех Вп.
Исходя из этого, уровень ощущения формант (1.24) для k-n по-
лосы
En = Bpck-[ВаЬ( + )ВпЬ]. (2.93)’
Величина спектрального уровня помех, воспринимаемого слушате-
лем, соответственно (1.39)
Вп = Врс+Д£Л + ДДт + Д£г-21, (2.94)
где
=в„ +«...= В’г +Q„ (2.95)
— спектральный уровень речи, создаваемый у слушателя полем
прямого звука (2.82), (1.44).
В соответствии с (2.93) и (2.94) уровень ощущения формант,
воспринимаемый слушателем,
^=BP.M+QM.c-[Ba(+)(Bp,M+Qc.M+A^+ALT+A£r-21)].
(2.96)
Индекс «&» в дальнейшем опускаем.
66
Составляющая Ва не зависит от усиления тракта, а Вп имеет
уровень (2.94), линейно зависящий от индекса тракта, как и уро-*
вень речи.
Если пренебречь влиянием дополнительной маскировки (1.14)г
то, строго говоря, нельзя из выражения (2.96) получить оптималь-
ное значение коэффициента передачи тракта. Поэтому было введено
понятие его рациональной величины [5]. Рациональной величиной
коэффициента передачи является такая, при которой на каждой
частоте спектральный уровень помех Вп будет на 6 дБ выше спект-
рального уровня акустического шума, т. е. когда
Вп = Яа + 6. (2.97)
Если используется рациональная величина индекса тракта, т. е.
Вп—Ва—$ дБ, то в 'соответствии с (2.91), (2.92) (см. рис. 2.16)
суммарный спектральный уровень шумов и помех
Вш = Ва( + )Вп = Вп+1. (2.98)
С учетом этого уровень ощущения формант (2.93)
Е = Вр с -(Вп + 1) = 20(Л Lr + А £т + Л £г). (2.99)
Следовательно, для рациональной величины индекса тракта уро-
вень ощущения формант зависит только от величины акустическо-
го отношения в данной точке помещения и времени реверберации^
Это значит, что и разборчивость речи при осуществлении рацио-
нального индекса тракта (или выше его) будет определяться толь-
ко акустическим отношением и временем реверберации.
В обычных помещениях, предназначенных для слушания речи,
акустическое отношение в самой удаленной от громкоговорителя
точке помещения не превышает пяти, время реверберации не пре-
вышает 1 «с, а поправка на отражение от головы слушателя на
средних частотах менее 3 дБ. Поэтому уровень ощущения формант
получается не выше 10 дБ, что по (1.25) соответствует коэффи-
циенту разборчивости w=0,53. Если передавать 16 полос равной
разборчивости, т. е. диапазон частот от 200 Гц до 3600 Гц, то фор-
мантная разборчивость (1.26) А = (16/20) 0,53 — 0,43, что в со-
ответствии с рис. 1.10 дает 72% слоговой разборчивости, т. е. на
4,5% превышает среднее значение для хорошей понятности речи
(см. табл. 1.3). Если же акустическое отношение будет равно 10, а
время реверберации 2 с, то коэффициент разборчивости w равен
0,27, формантная разборчивость — 0,21, а слоговая — 37%, т. е,
понятность речи согласно табл. 1.3 будет ниже удовлетворитель-
ной. Наконец, для акустического отношения, равного 1, времени
реверберации 0,8 с величина слоговой разборчивости получается
равной 91%, а понятность речи будет отличной.
Рациональная величина индекса тракта в децибелах получает-
ся из (2.99) и (2.97), ориентироваться при этом надо на макси-
мальную величину акустического отношения, т. е. на максимум по-
мех
^« = ^+6=^ +(?рац + (Д£Лм + А£г + А4)-21, (2.100)
3* 67
где
Д£д = 101g7?MaKC, ALr = -^lgT,
М Q
(2.101)
откуда
Срац — -®а Врм 5jAL + 27.
(2.102)
Величина SAL = ALBM + ALr 4- ALr изменяется в зависимости от
частоты в небольших пределах, причем поправка на отражение от
головы слушателя растет с увеличением частоты, а акустическое
отношение и время реверберации уменьшаются с ее увеличением.
В результате можно считать, что частотная зависимость индекса
тракта почти целиком определяется разностью спектральных уров-
ней акустических шумов и речи. Заметим, что, если при расчете час-
тотной характеристики тракта, приращения индекса между сосед-
ними полосами равной разборчивости (на частотах выше 1000 Гц)
получаются более 1 дБ, то приходится уменьшать эти приращения
Рис. 2.17. Иллюстрация обратной
связи по прямому звуку
да 1 дБ на полосу. Дело в том,
что в этом случае искажения
речевого сигнала становятся
уже заметными на слух, даже
при слушании в акустических
шумах.
Если по каким-либо сообра-
жениям (например, из-за са-
мовозбуждения) нельзя осу-
ществить рациональную вели-
чину индекса тракта, то это
приводит к соответствующему
уменьшению уровня ощущения формант (2.93) и к снижению раз-
борчивости речи. Если повышать индекс тракта QM.C сверх рацио-
нального, то уровень ощущения формант хотя и будет расти, но в
пределах не более 1 дБ (2.99). Когда спектральный уровень помех
превысит спектральный уровень акустических шумов на 10 дБ, уро-
вень ощущения формант почти достигнет максимально возможного
(точнее, будет меньше его на 0,4 дБ). Конечно, если есть возмож-
ность, то усиление следует брать и выше рационального для созда-
ния запаса на случай повышения акустических шумов. Заметим,
что такое усиление желательно осуществлять в точках, где уро-
вень прямой волны минимален.
Предельный индекс тракта. Определенные выше рациональные
величины индекса тракта можно осуществить, если этому не будет
мешать самовозбуждение из-за обратной акустической связи. По-
этому при расчете звукоусиления в помещении необходима про-
верка на предельно допустимый индекс тракта. Обратная акусти-
ческая связь может быть по полю прямой волны и по диффузному
полю. Из рис. 2.17 следует, что самовозбуждение по полю прямой
волны возникнет, если на какой-либо частоте звук с уровнем LM в
точке нахождения микрофона, действуя через усилитель и громко-*
68
говоритель, будет создавать в той же точке уровень Аг.м, который
с учетом направленности микрофона (т. е. с учетом поправки на
то, что звук от громкоговорителя приходит не по акустической ocrf
микрофона) будет равен Ам, т. е.
^.м-<7еи=^м. (2.ЮЗ)
где <^ом — коэффициент направленности микрофона, дБ, под углом
6 в акустической оси микрофона, qeM=—201g^(0).
Фазовые соотношения не учитываем, так как в условиях акус-
тической обратной связи они всегда благоприятны для самовоз-
буждения. Положим, что на промежутке между громкоговорите*
лем и микрофоном укладывается целое число волн (гг.м=^). Это
может происходить на частотах /п = с/Х=340/гг.м. Если гг.м=10 м,
то /П = 34п Гц. Следовательно, в каждом частотном интервале ши-
риной 34 Гц при изменении частоты будет изменяться сдвиг фаз
между излучаемой волной и принимаемой в пределах от 2(п—4)л
до 2пл, т. -е. в пределах 0—2л. Согласно определению Qm.c = Lc—
—Ам, поэтому пороговый индекс тракта
^м.с.пор“^0м +^С ^Г.М. (2.104)
Для получения устойчивой работы аппаратуры необходимо пре-»
дусмотреть запас, равный 6 дБ на неравномерность поля и 6 дБ на
отсутствие регенеративной реверберации (при приближении к по-
рогу самовозбуждения наблюдается усиление отдельных частотных
составляющих и их медленное затухание из-за временной задерж-
ки при распространении в воздухе), т. е. предельный (критиче-
ский) индекс усиления по прямому звуку
=?8.+i=-i,.«-l2 = ?o„+Aic..-'2. <2.105)
где ААс.м=£с—Аг.м — разность уровней, создаваемых громкогово-
рителями в удаленной точке и у микрофона.
Следовательно, для повышения предельного индекса тракта не-
обходимо применять направленный микрофон, ориентируя его так,
чтобы в направлении на громкоговоритель -его чувствительность
была возможно меньшей. Также следует понижать уровень, разви-
ваемый громкоговорителями в точке нахождения микрофона. При-
меняя возможно более направленные громкоговорители и ориенти-
руя их так, чтобы они излучали возможно меньше в направлении
микрофона, и по возможности удаляя их от микрофонов, можно
снизить уровень в точке микрофона. Конечно, при этом следует
иметь в виду допустимые пределы увеличения неравномерности
озвучения. При этом увеличение уровня прямого звука в удален-
ной точке, точнее, увеличение разности между уровнем в удален-
ной точке и в точке акустического центра микрофона, также при-
водит к повышению предельного индекса тракта. Для диспетчер-
ских систем часто применяют специальные переключатели, дейст-
вующие от голоса, и поэтому в таких системах нет ограничения
индекса передачи.
69
Рис. 2.18. Иллюстрация обратной свя-
зи по диффузному звуку
Если микрофон находится в диффузном поле (рис. 2.18), то са-
мовозбуждение возникнет, когда уровень диффузной составляющей
поля с учетом ослабления его из-за направленности микрофона к
диффузному звуку будет равен
уровню прямого звука, созда-
ваемому у микрофона (на его
оси), т. е.
Al Аи» (2.106)
где — индекс направленно-
сти микрофона к диффузному
звуку.
Согласно определению
Qm.c = Lc — LM. Откуда полу-
чается пороговый индекс трак-
та Qm.C.IIOP = + Lq -Lfr
Для получения устойчивой работы тракта берется запас в
12 дБ, как и при обратной связи по прямому звуку. Следователь^
но, предельный (критический) индекс тракта при обратной связи
по диффузному звуку имеет вид
^м.с.кр =^М A Aip № = ^2, (2.107)
ГДе ALrm = 10 1g 1/?макс> Lc = Лпр.
(Как правило, эта величина предельного индекса тракта полу-
чается меньшей, чем для случая обратной связи по полю прямой
волны.
По изложенной методике достаточно дать запас на 12 дБ, а не
на 18 дБ [.6], так как неравномерность частотной характеристики
тракта учтена и расчет ведется не на среднюю величину акустиче-
ского отношения, а на (/?Макс. Условие (2.107) должно быть выпол*'
нено во всем частотном диапазоне, так как qM и ./?макс зависят от
частоты.
Существенное значение для предельного индекса тракта имеет
направленность микрофона. В совершенном диффузном поле на-
правленность микрофона определяется обычным коэффициен-
том направленности (или индексом направленности). Но этот ин-
декс обычно не превышает 6 дБ для комбинированных микрофо-
нов из приемников давления и градиента давления. Для бикар-
диоидных он достигает 8 дБ. Более остронаправленные микрофоны
в практике вещания СССР не применяют.
Из (2.107) следует, что понижение уровня диффузной состав-
ляющей поля в помещении приводит к повышению предельного
индекса тракта. А в соответствии с (1.38) его можно снизить толь-
ко путем повышения коэффициента концентрации громкоговорите-
лей, так как коэффициент поглощения определен оптимальным
временем реверберации, а звуковое давление, развиваемое громко-»
говорителем на расстоянии 1 м, одновременно влияет и на уровень
прямого звука. Уровень диффузной составляющей поля около
микрофона можно снизить также путем заглушения стен, находя-
70
щихся во фронтальной зоне микрофона. В этом случае может быть
значительно снижен поток энергии отраженных волн, попадающих
в микрофон с его фронтальной полусферы. Это может рассматри-
ваться и как повышение направленности микрофона к диффузному
звуку.
Положим, что стены позади оратора покрыты поглощающим
материалом с большим коэффициентом ат. Тогда в микрофон бу-
дут попадать помехи преимущественно с тыльной полусферы мик-
рофона. Следовательно, коэффициент направленности микрофона
с учетом полного поглощения будет
Йм = ^= —Рф + Рт-^О о(1+Й./т), (2.108)
Рт Рф4-Рт Р» “• v ф/т'
а индекс направленности
<7м = 9м.о + 101g [1 +ЙФ/Т] > 9M.o +-W (2.109)
где £2ф/т и ^ф/т — коэффициент и индекс направленности «фронт/
/тыл»; QM.o и ^м.о — обычные коэффициент и индекс направленно-
сти микрофона.
Следовательно, индекс направленности микрофона может быть
в пределе повышен на величину, примерно равную индексу микро-
фона «фронт/тыл». Для гиперкардиодных микрофонов он состав-
ляет примерно 12 дБ.
Повышение уровня прямого звука также приводит к повыше-
нию предельного индекса тракта. В этом случае играет существен-
ную роль возможное приближение громкоговорителей к слушате-
лю как в прямом смысле (например, путем применения распреде-
ленных систем), так и в косвенном: переходом от сосредоточенной
системы к цепочкам и от цепочек к решеткам громкоговорителей.
В первом случае дело имеем с сферической волной, во втором <— с
цилиндрической и в третьем — с плоской волной.
Как было выяснено ранее, акустическое отношение в основном
зависит от типа системы (сосредоточенная или распределенная) и
ют коэффициента концентрации громкоговорителя. Для заданного
помещения имеется несколько градаций величины акустического
отношения, соответствующих следующим вариантам: сосредоточен-
ная система с удвоенной высотой звуковой колонки, сосредоточен-
ная система с обычной колонкой, распределенная система с нена-
правленными громкоговорителями и распределенная система с зву-
ковыми колонками. Может быть и пятый вариант — сосредоточен-
ная система с рупорными громкоговорителями, но это редкий слу-
чай. Следовательно, предельный индекс тракта будет определять-
ся этими градациями акустического отношения. Если обратная
акустическая связь по прямому и диффузному звукам получается
одного порядка, то результирующая обратная связь определяется
их суммарным действием. Можно сказать, что она больше самой
большой из них.
Определим величину предельного индекса тракта при совмест-
ном действии обеих связей. Условием самовозбуждения тракта при
71
раздельном действии обратной связи по прямому звуку является
Кпр.о.с = 1/Лпр.тр и по диффузному Лд.о.с = 1/Дд.тр, где К — мо-
дуль коэффициента усиления по цепи обратной связи (индекс
«о.с») и по тракту (индекс «тр»), поскольку фазовые соотношения
не играют роли в акустической связи. При совместном действии
обеих связей результирующее значение критической обратной свя-
зи определится их энергетической суммой о.с==№пр.о.с+№д.о.с,
откуда получаем уравнение для предельных значений коэффициен-
тов усиления по тракту: l/№s тр= 1/№пр.кр+1/№д.кр. Здесь индекс
«2» означает суммарное значение К.
Согласно определению (1.42) Q—201g/( или К2— 100-’Q. Соот-
ветственно для суммарного предельного индекса тракта имеем
—o,iq„ — о, 1Q — 0.1Q
Ю 2кр _ IQ пр.кр | ю д.кр
где Qnp.Kp и фд.кр — предельные индексы тракта для раздельного
действия прямого и диффузного звука. Следовательно, суммарный
предельный индекс тракта
г —0,1<? —о, к? 1
Q2kP=— 101g [10 п₽к₽ + 10 дкр]. (2.110)
При сравнении рационального индекса тракта (2.102) с пре-
дельным (2.107), видно, что оба они зависят от акустического от-
ношения. Поэтому разность между ними
Скр-Срац = <7м + Яр.м -Ва + Д£г-ДЬР-39, (2.111)
определяющая запас усиления, не зависит от акустического отно^
шения, а от свойств помещения зависит только с учетом поправки
на реверберационные помехи, изменяющейся в пределах 2—3 дБ.
В основном этот запас определяется направленностью микрофона
и может быть повышен также приближением микрофона ко рту
(это увеличивает уровни речи на входе микрофона) и снижением
уровня акустических шумов в помещении, что обычно не в наших
силах, если не считать возможности снижения Их путем сильного
заглушения помещения.
Фактический индекс тракта. Частотная характеристика тракта,
как правило, значительно отличается от равномерной. Но так как
по условию на любой из частот передаваемого диапазона индекс
тракта звукоусиления не должен превосходить предельного значе-
ния, то на других частотах индекс тракта может значительно от-
личаться от предельного. Введем понятие фактического индекса
тракта, под которым подразумевается -сумма индексов отдельных
звеньев тракта на каждой из частот. Неравномерность частотной
характеристики тракта обусловлена исключительно неравномер-
ностью частотных характеристик микрофона и громкоговорителей.
Остальные звенья тракта не вносят искажений более 1 дБ. Поэто-
му складывая уровни чувствительности микрофона и громкогово-
рителя и прибавляя к ним постоянную величину, соответствующую
усилению и затуханию в децибелах для остальных звеньев тракта,
можно получить фактический индекс тракта как сумму этих вели-
72
чин. Эта сумма должна быть меньше предельного индекса на лю-
бой из частот. В то же время нет смысла в том, чтобы фактиче-
ский индекс тракта был выше рационального. Очевидно, для боль-
шего приближения фактического индекса к предельному и рацио-
нальному надо применять соответствующие коррекции частотных
характеристик тракта. Заметим, что для случая озвучения факти-
ческий индекс тракта ограничен только рациональным значением.
В заключение следует сказать, что в системах звукоусиления
применение усилителей-ограничителей почти исключено, если фак-
тический индекс тракта близок к предельному. Поэтому таким
ограничителем можно пользоваться, только если предельный ин-
декс тракта очень высокий. Однако в системах звукоусиления це-
лесообразно применять ограничители-подавители, дающие умень-
шение мощности выходных устройств.
В системах озвучения нет обратной связи, поэтому можно поль-
зоваться компрессорами и ограничителями уровня без каких-либо
оговорок, причем для повышения разборчивости речи необходимо
пользоваться компрессорами и ограничителями-усилителями. В
том случае, когда нет необходимости в повышении разборчивости
речи, для уменьшения мощности выходных устройств целесообраз-
но применять усилители-подавители.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Методика проектирования систем звукофикации1
3.1.
ВВЕДЕНИЕ
Как уже указывалось, основной характеристикой систем звукоуси*
ления и озвучения в случае передачи речи является обеспечивае-
мая ими понятность речи. Все остальные показатели, как-то: время
реверберации, акустическое отношение, неравномерность озвуче-
ния, неравномерность частотной характеристики тракта являются
показателями комфорта. Если понятность речи ниже требуемой, то
бессмысленно говорить об оптимуме по реверберации или акусти-
ческому отношению. Если же понятность речи удовлетворяет за-
данным требованиям, то для комфорта необходимо обеспечить оп-
тимальные значения времени реверберации, акустического отноше-
ния и др. При хорошей понятности речи в большинстве случаев эти
показатели находятся вблизи оптимума.
1 В данной главе сосредоточены основные расчетные формулы для типовых
случаев звукофикации. Большинство из них выведено в гл. 1 и 2, о чем сви-
детельствуют соответствующие ссылки на формулы. Тем не менее для удобства
расчетов в гл. 3 всем этим формулам присвоены новые номера.
73
Конечно, при этом следует иметь в виду экономические возмож-
ности и возможность технической реализации соответствующих па-
раметров аппаратуры, а также требования техники обслуживания*.
Известно, что понятность речи оценивается с помощью разбор-
чивости речи [2], а разборчивость речи определяется превышением:
спектральных уровней речи над спектральными уровнями помех и
-шумов. Спектральные уровни помех определяются временем ревер-
берации и акустическим отношением, а спектральные уровни ре-
чи — данными громкоговорящей системы.
Для музыкальных передач существенное значение имеет ка-
чество звучания [14]. Если оно низкое, то звукоусиление может
только ухудшить впечатление слушателей. И лучше будет без зву-
коусиления. Звукоусилительная аппаратура должна создавать тре-
буемые уровни звучания на всех местах слушателей. Но часто это»
нельзя осуществить, так как появляется обратная акустическая,
связь, которая ограничивает уровни звукового поля.
Как было показано выше, величина акустического отношения в*
основном определяется размерами помещения, средним коэффици-
ентом поглощения и расстоянием от громкоговорителей, и только*
для направленных излучателей она еще зависит от коэффициентов,
направленности. Следовательно, если время реверберации уже*
выбрано, нельзя задаваться величиной акустического отношения,,
а его следует рассчитывать.
Поскольку разборчивость речи и качество звучания музыкаль-
ных передач в значительной мере определяются акустическим от-
ношением, то необходимо вести расчеты для максимального значе-
ния акустического отношения, т. е. для наихудших (обычно самых:
удаленных) точек помещения. Ясно, что для всех других точек по-
мещения разборчивость речи и качество звучания музыкальных
передач будут почти те же самые или выше, так как акустическое*
отношение в них будет меньше.
Иногда необходимо знать и минимальное значение акустическо-
го отношения, так как оно соответствует максимальному значению*
разборчивости речи в рассматриваемом помещении. Минимальное*
акустическое отношение будет в точках с максимальным уровнем
прямого звука, поэтому оно может быть определено из неравно-
мерности поля прямого звука ДЛ=401^(1/?макс/^мин). Определять
среднее значение акустического отношения не требуется, так как:
оно получается для точек помещения, находящихся где-то между
точками максимума и минимума уровня прямого звука.
Само собой разумеется, что если при расчете системы озвуче-
ния из-за большой величины акустического отношения получатся:
низкая разборчивость речи и качество звучания музыкальных пе-
редач, то следует принять меры к уменьшению величины акустиче-
ского отношения. Чаще для этого используют системы озвучения,
громкоговорители которых располагаются близко к слушателю.
Кроме того, переход от одиночных громкоговорителей к цепочкам
и от цепочек к решеткам дает уменьшение акустического отноше-
ния, так как цепочки создают цилиндрическую волну, а решетки—
74
плоскую. Снижению акустического отношения в распределенной
системе способствует переход к направленным громкоговорителям»
а в сосредоточенной — увеличение коэффициента осевой концент-
рации. Уменьшение акустического отношения также получают и
при увеличении среднего значения коэффициента поглощения.
В табл. 2.1 [9] приведены значения акустического отношения,
при которых получаются хорошая разборчивость речи и качество
звучания музыкальных передач. Но они определены для типовых
Помещений и могут служить лишь ориентиром при расчете систем
озвучения и звукоусиления.
Индекс тракта QM.c должен рассчитываться на получение воз-
можно более высокой разборчивости речи. Рекомендуемые в табл.
2.2 величины QM.c для систем звукоусиления речи пригодны только
для типовых помещений с низким уровнем акустических шумов, а
в более сложных случаях они могут считаться ориентировочными.
В табл. 2.il приведены оптимальные значения уровней звуково-
го поля для музыкальных передач. Для речевых передач уровни
звукового поля в конечном счете определяются из расчета разбор-
чивости речи. Конечно, ею можно приближенно задаться и уточ-
нить после расчета разборчивости.
Неравномерность озвучения (2.1), т. е. неравномерность поля
прямого звука, определяется при расчете системы озвучения. При
этом нельзя допускать превышения норм по неравномерности оз-
вучения (6 дБ для помещений) [1]. Более того, следует стремить-
ся, по возможности, к снижению этой неравномерности.
Неравномерность частотной характеристики тракта определя-
ется после выбора аппаратуры звукоусиления. При этом стремятся
к возможно большей равномерности звучания всего передаваемого
частотного диапазона.
Для звукоусиления речи вполне допустим второй класс качеств
ва аппаратуры, а для диспетчерских установок нормы на показа-
тели качества определяются из условия обеспечения ими требуе-
мой разборчивости речи. Для музыкальных передач тракт должен
удовлетворять требованиям первого или высшего класса качества
[И].
На практике при проектировании системы озвучения или зву*
коусиления известны лишь назначение данной системы, назначе-
ние помещения (аудитория, зал заседаний, конференц-зал, театр,
торговое помещение, аппаратурный зал, цех завода, вокзал и т. п.),
геометрические данные помещения (планы и разрезы помещения с
указанием местонахождения слушателей, оратора, лектора и т. п.)»
описание поглощающих материалов, количество слушателей. По-
этому следует исходить только из этих данных. Но прежде чем
приступить к проектированию системы, необходимо определить об-
щий уровень и форму спектра акустических шумов в помещении.
Для ряда типовых помещений эти данные известны. Так, например,
для театров расчетный уровень шумов не превосходит 45 дБ, для
аудиторий и залов заседаний 55 дБ, в помещениях для собра-
75
ний 65 дБ. Форма спектра во всех этих случаях имеет характер,,
близкий к форме речевого.
Для производственных помещений со станочным оборудовав
нием уровень должен быть задан или измерен, так как его диапа-
зон очень широк. Форма спектра этих шумов тоже может изме*
няться в широких пределах, но в-большинстве случаев спектр про-
изводственных шумов ближе к равномерному, чем речевой шум
(см. табл. 3.5). В том случае, когда время реверберации заметна
отличается от 1 с, эти данные должны быть пересчитаны с учетом
поправки (1.51) к спектральным уровням шумов. Если же поме-
щение значительно отличается от указанных выше и нет возмож-
ности воспользоваться известными данными, то остается только
одно: измерить общий уровень акустических шумов в заданном по-
мещении и провести их спектральный анализ.
Итак, выбору подлежат: время реверберации; система озвуче-
ния, тип, расположение и количество громкоговорителей; тип, ко-
личество и расположение микрофонов; звукоусилительное обору-
дование. Звукоусилительная аппаратура используется не только
для усиления акустических сигналов (речь, музыка и т. п.), но я
для усиления записанных ранее сигналов на магнитную ленту, ки-
нопленку, грампластинки и т. п., а также для приема сигналов с
трансляционных линий и от радиоприемников. Для этой цели в
звукоусилительной аппаратуре предусмотрены соответствующие
входы. Их чувствительность рассчитана на максимально допусти-
мую выходную мощность. Поэтому если выбранная звукоусили*
тельная аппаратура для озвучения помещения от микрофона удов-
летворяет требованиям по уровню звучания, то она будет удовлет-
ворять этому требованию и для всех остальных входов.
Рассчитывают следующие характеристики: средний коэффици-
ент поглощения, геометрические данные системы озвучения, нерав-
номерность озвучения, уровни звукового поля в наиболее характер-
ных точках помещения (и обязательно в удаленных точках), ве-
личины акустического отношения для точек минимального и мак-
симального уровня прямого звука; предельный, рациональный и
фактический индексы тракта; разборчивость речи для удаленной
точки (а иногда и для точки с максимальным уровнем прямота
звука); уровень прямого звука с учетом частотной характеристики
тракта; неравномерность частотной характеристики тракта.
3.2.
АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОМЕЩЕНИЯ
Для определения оптимального времени реверберации сначала
необходимо найти свободный объем помещения, т. е. из общего
объема должны быть вычтены объемы, отделенные от него различ-
ными низкими арками и проемами. По свободному объему в со-
ответствии с рис. 1.13 определяется оптимальная реверберация
7опт на частоте 500 Гц. Если помещение используется только для
76
речевых передач, то оптимальная реверберация определяется по
кривой 1. Если же помещение предполагается использовать и для
концертов, то время реверберации выбирается средним между вре-^
менем для речи и для концертного помещения. Наконец, для му-
зыкальных театров, в которых речь играет вспомогательную роль,
время реверберации выбирают по кривым для музыкальных пере-
дач (кривая 2). Для музыкальных передач часто эксперименталь-
но подбирают подходящее значение реверберации с помощью ре-»
вербераторов, которыми теперь снабжается аппаратура звукоуси-
ления. То же самое делают и в случае амбиофонических систем
(методика их расчета пока не разработана). После этого из (1.27)
находят реверберационный и средний коэффициенты поглощения
(1.28) для р = О
% = 0.161V/5,Топт, асртр = 1-^ = а;р-Да, (3.1)
где Ss —сумма всех ограничивающих поверхностей помещения,
м2; V — объем помещения, м3; Да — поправка (см. табл. 1.5). По-
лученная величина аСр.тр соответствует частоте 500 Гц. Затем вы-»
числяем требуемый фонд поглощения [см. (1.29)] ^Tp=aCp.TpSz.
Пользуясь справочными таблицами (см. приложение 1), подсчиты-
ваем по (1.29) имеющийся фонд -поглощения Аим на частоте
500 Гц. При этом пол, потолок, стены и другие поверхности счи-
тают в квадратных метрах; слушателей, кресла, стулья и другие
предметы — по их числу, причем число слушателей берут или
100%, если помещение всегда заполнено, или наиболее вероятный
процент заполнения помещения, необходимый для получения оп-
тимальных условий. Определяют дополнительное поглощение
Аоп = Ар— А м = аср тр^х— (S + T ап^п ) • (3.2)
(Л) (и)
Дополнительное поглощение на частоте 500 Гц подбирается
так, чтобы величина общего фонда поглощения Абщ была близка
к требуемой. Она не должна отличаться от нее более чем на 10%.
Для всех поглощающих материалов подсчитывается общий
фонд поглощения на всех частотах октав от 250 до 4000 Гц, а
также на частоте 6000 Гц. По (1.28) (1.29) определяется средний и
реверберационный коэффициенты поглощения для всех частот
аср = Л0бщ/32) a'= —ln(l—acp) = acp4-Aa (3.3)
и по (1.27) рассчитывается время реверберации
T = 0,161V/(a'S24-4pV), (3.4)
где р— затухание в воздухе (табл. 3.1). Для частот ниже 1000 Гц
р равно нулю.
Для частот выше 6000 Гц поглощение не рассчитывают, так как
коэффициенты поглощения известны только до значения этой час-
77
Таблица 3.1
Зависимость коэффициента затухания звука р,
в воздухе от частоты f и влажности г|
Л Гц р. м—Мо4 при т], %
40 60 80
1000 5 4 3
2000 35 25 20
4000 85 61 50
6000 145 125 ПО
тоты. Выше ее они сильно зависят от условий их расположения в
помещении из-за сильного затухания звуковых волн в воздухе.
Затем строится график частотной зависимости времени ревер-
берации и определяется отклонение от оптимальных кривых (см.
рис. 1.14). Если это отклонение превосходит 10%) то подбираются
другие поглощающие материалы, удовлетворяющие этому требо-
вании).
Окончательно определяется средний коэффициент поглощения
и время реверберации на всех расчетных частотах.
После того как ъы'брана система, следует посмотреть, как целе-
сообразнее разместить поглощающие материалы. Дело в том, Ито
при расположении громкоговорителей в передней части помеще-
ния, если длина его превосходит 15—20 м, надо остерегаться по-
явления эха. Во избежание этого поглощающие материалы целе-
сообразно располагать на задней стене. Далее, чтобы избежать
ухудшения частотной характеристики громкоговорителя из-за ин-
терференции волн, отраженных от стены, находящейся за ним, це-
лесообразно в диаметре 3—5 м покрывать ее сильно поглощаю-
щим материалом. Различного рода ниши также следует заглу-
шать, чтобы не было заметных резонансных явлений.
3.3.
ВЫБОР И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ
Выбор вида системы озвучения
Прежде всего надо выбрать систему: сосредоточенную или рас-
пределенную, а затем выбрать класс громкоговорителей: рупор-
ные, звуковые колонки или так называемые ненаправленные (диф-
фузорные)1 и акустические системы. В помещении сложной формы
(например, при наличии балкона или ряда отсеков) часто прихо-
дится применять зональную систему озвучения. В таких случаях
каждая из зональных систем рассчитывается раздельно, а в точ-
1 В действительности диффузорные громкоговорители имеют направленность
на частотах выше -1000 Гц.
78
ках стыка зон определяется суммарный уровень от соседних ис«
точников звука [1].
Если в помещении будут проводиться концерты и по заданию
система должна быть универсальной, то пригодна только сосре-*
доточенная система (эти соображения не относятся к «люстре»
из звуковых колонок). Для речевых передач можно применить -со-
средоточенную систему из звуковых колонок, если [см. (2.80)] для
&о=1 и Qr=10 выполнено условие
6/Z>0,6, (3.5)
где I — длина помещения; а b — ширина его.
Для рупорных громкоговорителей должно выполняться условие
Ы1> 0,25. (3.6)
Оба соотношения, конечно, ориентировочные. Более точную
оценку можно сделать лишь на основании сравнения систем по
максимальному акустическому отношению.
Если выбрана распределенная система, то надо уточнить вид
ее: настенные цепочки (одна или две) — рис. 2.5 и 2.6; потолочные
цепочки '(одна или две) —рис. 2.7 и 2.8; решетка — рис. 2.9; кре-
сельная -система; система из нескольких направленных или нена-
правленных громкоговорителей, расположенных в разных точках
помещения.
Одну настенную цепочку из ненаправленных громкоговорителей
применяют, если ширина помещения не превосходит 4—8 м. При
ширине помещения от 6 до 16 м применяют две настенные цепоч-
ки из ненаправленных громкоговорителей. В помещениях шириной
10—15 м следует использовать одну настенную цепочку и шириной
12—(30 м — две настенные цепочки из звуковых колонок.
Верхний предел для одиночных цепочек используется только
при хорошо отражающей противоположной стене, когда можно
считать, что действует зеркальный источник звука, расположенный
за стеной на расстоянии, равном ширине помещения (в этом слу-
чае стена как бы является средней линией помещения, на которую
направлены оси громкоговорителей).
При низком потолке предпочтение следует отдать потолочным
цепочкам, но если при этом ширина помещения велика, то лучше
применить потолочную решетку. Для очень широких помещений
пригодна только или потолочная решетка, или кресельная система.
Одна потолочная цепочка при низком потолке равноценна двум
йастенньш цепочкам, подвешенным под потолком. При равных
акустических отношениях предпочтение следует отдавать настен-
ным цепочкам. Если ширина помещения
&<(3,О-Т'3,3)ЛГ, (3.7)
то применяют одну потолочную цепочку, а если ширина помеще-
ния
Ь >(6,0 4- 6,6) ftr, (3.8)
то следует применить потолочную решетку. Здесь йг представляет
70
высоту потолка над головами слушателей, т. е. высоту потолка
над озвучиваемой поверхностью. Действительная высота помеще-
ния будет больше на величину среднего значения расстояния го-
ловы от пола. Для сидящих слушателей эта величина принимается
равной 1—1,2 м, а для стоящих— 1,5—4,6 м. Если помещение име-
ет сложную форму, то лучше применять различные комбинации
громкоговорителей, состоящие или из отдельных громкоговорите-
лей, или из цепочек.
Все приведенные рекомендации являются ориентировочными
и подлежат уточнению путем сравнения величин акустических от-
ношений. Лучшей с акустической точки зрения является система,
которая дает меньшую величину акустического отношения, по-
скольку при этом получается большая разборчивость речи. Серьез-
ным критерием при выборе системы озвучения является экономич-
ность: выбирается самая дешевая в строительстве и эксплуатации
система. Немаловажным фактором является и простота обслужи-
вания.
Выбор класса громкоговорителей частично предопределен при
выборе системы. Дополнительно следует сказать, что рупорные
громкоговорители применяют, если надо озвучить большое поме-
щение и не требуется высокого качества звучания. Колонки при-
меняют преимущественно в сосредоточенных системах, а в распре-
деленных— только при большой ширине помещения. В последних
системах чаще всего применяют диффузорные громкоговорители.
Расчет геометрических данных системы
Расчет геометрических данных системы (высота подвеса гром-
коговорителей, расстояние между ними, расстояние между цепоч-
ками, направление оси излучения и др.) выполняют, учитывая сле-
дующее: достижение возможно меньшей величины акустического
отношения в удаленной точке и возможно меньшей величины не-
равномерности озвучения в основной зоне1, озвучиваемой громкого-
ворителями, удовлетворение архитектурным и экономическим тре-
бованиям, а также требованиям техники обслуживания.
Распределенные системы из ненаправленных громкоговорите-
лей. Высота подвеса двух настенных цепочек из ненаправленных
громкоговорителей определяется из неравенства (2.45):
0,3 b <йц <0,5 Ь. (3.9)
Нижний предел соответствует неравномерности (на проекции
оси громкоговорителя на озвучиваемую поверхность) не более
1 дБ при большом количестве громкоговорителей в цепочке (не
менее трех в каждой). Верхний предел соответствует той же не-
равномерности, если в каждой цепочке взять по одному громко-
говорителю. Для одноцепочечной системы, если противоположная
1 Основной зоной мы называем зону, в которую звук от первичного источ-
ника звука доходит с более низким уровнем, чем от громкоговорителей. Само
собой разумеется, что эта зона относится к местам для слушателей.
80
стена хорошо отражает звук, высота подвеса берется та же, но
при этом за расчетную ширину помещения следует брать удвоен-
ную фактическую ширину помещения. Заметим, что ось излуче-
ния громкоговорителя при этом направляют в противоположную
стену на высоте озвучиваемой поверхности (см. рис. 2.5). Если
стена сильно заглушена1, что бывает очень редко, то необходимая
высота подвеса цепочки лежит в пределах [см. (2.50) и 1(2.51) ]
0,3 6<йц<1,3 Ь. (3.10)
Нижний предел соответствует неравномерности 3 дБ, верхний —
1 дБ.
Расстояние между громкоговорителями в цепочке (шаг цепоч-
ки) выбирают [см. (2.48) ] из условия
б/<2Лц. (3.11)
Одну потолочную цепочку располагают на средней линии по-
мещения, а две — на расстоянии 6/2 друг от друга при хорошо от-
ражающих боковых стенах и 26/3 — при плохо отражающих. Рас-
стояние между громкоговорителями в потолочной цепочке выби-
рают так же, как и для настенных цепочек [см. (2.48)]. Шаг по-
толочной решетки выбирают по ф-ле (2.69):
d<26p, (3.12)
где 6Р — высота подвеса громкоговорителей над озвучиваемой по-
верхностью.
Распределенные системы из направленных громкоговорителей.
Прежде всего следует задаться (с последующим уточнением) ти-
пом звуковой колонки. Дело в том, что геометрические данные сис-
тем зависят от характеристик направленности громкоговорителей.
Для колонок, часто используемых в распределенных системах
(2КЗ, 8КЗ, 10КЗ), эти характеристики заметно отличаются друг
от друга, и поэтому нельзя ориентироваться на средние данные.
Для двух настенных цепочек из колонок высота подвеса (2.61)
Ац=0,56ц|/1-е2, (3.13)
где ев — эксцентриситет диаграммы направленности в вертикаль-
ной плоскости колонки. Для одиночной цепочки при хорошо отра-
жающей противоположной стене высоту подвеса определяют так
же, но подставляется удвоенная фактическая ширина помещения.
При сильном поглощении стен [см. (2.54)]
(3.14)
1 Здесь и в дальнейшем часто будут использоваться термины «хорошо от-
ражающая стена» и «сильно заглушенная стена». Если стена или другая поверх-
ность имеет коэффициент поглощения 0—0,4, то интенсивность отраженной вол-
ны будет составлять 1,0—0,6 от падающей волны. Суммарный уровень получит-
ся на 3—2 дБ выше, чем для одной падающей волны. Это соответствует хоро-
шо. отражающей стене. Для коэффициента поглощения 0,75 увеличение
уровня составит только 1 дБ. Это соответствует плохо отражающей стене.
81
Шаг настенной цепочки из колонок (см. 2.58)
а<2/1ц/(1-^)/(1-е2), (3.15)
где ег — эксцентриситет диаграммы направленности в горизон-
тальной плоскости колонки. Для колонок 10КЗ, 25КЗ
а<3,6йц. (3.16)
Сосредоточенные системы. Прежде всего следует сказать, что
высоту подвеса сосредоточенной системы надо определять в зави-
симости от назначения данной системы: будет ли она использо-
ваться для озвучения или для звукоусиления.
При сильно заглушенной задней стене в случае озвучения вы-
сота подвеса колонки (2.32)
(3.17)
а в случае звукоусиления (2.35)
Am«2Z/T=^. (3.18)
Для хорошо отражающей задней стены уровень около нее уве-
личится на 3 дБ, поэтому высота подвеса может быть уменьшена
при озвучении в 1,41 раза (2.34), а при звукоусилении в 2 раза
(2.36), если только при этом угол наклона акустической оси не по-
лучится меньше 5° и не возникнет обратная связь по прямому зву-
ку.
Для рупорных громкоговорителей высота подвеса определяется
по неравномерности озвучения [3]
= 201g[0,5(1 + )/" 1+(1—^)ctg2a )], (3.19)
где ctga=//Ar.
Количество громкоговорителей и расстояние между ними по ши-
рине помещения определяют чаще из архитектурных соображений»
чем акустических, так как только для широких помещений, когда
6> 0,7 Z, (3.20)
требуются два громкоговорителя [см. (2.38)]. Их можно распола-
гать почти вплотную к боковым стенам или, что предпочтительней»
на расстоянии Ь/4 от них, так как при этом получается наимень-
шая неравномерность озвучения, а акустические оси целесообраз-
нее всего направлять параллельно продольной оси помещения, ес-
ли оно в плане имеет прямоугольную форму, и развертывать по
радиусам, если оно имеет форму сектора. Для помещения с ши-
риной, превышающей его длину, можно применять несколько коло-
нок, расположенных в передней части помещения, например, в ви-
де цепочки на передней стене. Такую систему уже следует рас-
сматривать как распределенную систему из направленных громко-
говорителей. При наличии балконов следует иметь отдельную сис-
тему для их озвучения.
В2
Сосредоточенную систему из колонок в форме люстры следует
рассчитывать как сосредоточенную систему, располагаемую у сце-
ны, с учетом того, что расстояние до удаленной точки в данном
случае вдвое меньше. При этом каждая из колонок будет обслу-
живать свой сектор, т. е. по существу это уже зональная система.
3.4.
ВЫБОР ТИПА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ
И РАСЧЕТ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ
Расчет номинального звукового давления громкоговорителя
Сначала определяют ориентировочное значение оптимальной1
величины максимального уровня прямого звука в удаленной точке,
исходя из условия перекрытия заданного или выбранного уровня
акустических шумов в помещении.
Дакс = Д + А Д. (3.21)
Для многоцелевых помещений и концертных залов уровень в
удаленной точке выбирают согласно рекомендациям, приведенным
в [9] (см. табл. 2.1). Для обеспечения высококачественной пере-
дачи речи ДД=25.
Заметим, что для уровней шумов выше 75 дБ при такой по-
правке получается несколько завышенное значение уровня прямо-
го звука, поэтому в таких случаях следует брать несколько мень-
шее значение уровня.
Для передачи несложных информационных программ допуска-
ется небольшое плавное амплитудное ограничение или ограниче-
ние уровня (примерно на 4—6 дБ), поэтому максимальный уро-
вень берется ниже на 5 дБ, т. е. АД=20.
Для диспетчерских передач ограничение допускается еще боль-
шее: АД = 15. Наконец, для диспетчерских передач в условиях вы-
соких уровней шумов АД = 10. Уровень, вычисленный по (3.21), не
всегда может быть получен, так как в системе звукоусиления суще-
ствует ограничительный фактор: обратная акустическая связь (гром-
коговоритель— помещение — микрофон — тракт — громкоговори-
тель). Поэтому вполне возможно, что в дальнейшем придется
брать менее мощный громкоговоритель.
Кроме того, разборчивость речи при таком уровне будет макси-
мально возможной в заданных шумовых условиях; Однако это не
столь уж необходимое условие, так как бывает вполне достаточна
меньшая разборчивость (например, при передаче несложной ин-
формации), тем более, что для создания высокого уровня речи
требуется более дорогая аппаратура.
По максимальному уровню прямого звука Дакс для удаленной
точки [см. (3.21)] находим величину максимального звукового
1 Под оптимальным подразумевается уровень, обеспечивающий предельно
возможную, в заданных шумовых условиях, разборчивость речй.
83
давления в паскалях в удаленной точке. Так как Тмакс =
= 20 1g (рмгкс/Ро), то
рМаКс=10°,05(£макс“94). (3-22)
Распределенные системы из ненаправленных громкоговорителей.
Jljin. одиночной настенной цепочки без учета отражения от проти*
воположной стены или для одиночной потолочной цепочки без уче-
та отражения от боковых стен номинальное значение звукового
давления1 которое должен развивать громкоговоритель для со-
здания уровня АПр.мин=^макс в удаленной точке, может быть опре-
делено по (2.18) и (3.22), полагая L\ = 20 lg (pi/po), b^r и l^n =
= d; ______
Р1 = РмакеК^0л> (3-23)
где Рмакс — максимальное звуковое давление в точке пересечения
акустической оси громкоговорителя с озвучиваемой поверхностью
(см. рис. 2.5); d — шаг цепочки; ko — поправка на отражение ог
стены или потолка, находящихся позади громкоговорителей, а
также на направленность так называемых «ненаправленных» гром-
коговорителей; г — расстояние от цепочки до слушателя, сидящего
у противоположной стены (для настенной цепочки), или до боко-
вой стены (для потолочной цепочки).
В первом случае Г=|Л62 + Л2;
(3-24)
во втором
г = у 0,2562 + /г2,
где йц — высота подвеса цепочки; b — ширина помещения (рас-
стояние цепочки от противоположной стены).
Для одиночных цепочек с учетом отражения от противополож-
ной стены, а также для двойных настенных цепочек номинальное
звуковое давление определяется из (2.17) аналогично (3.23)
Р1 = Рмакс V<rd/2jl kQ) (3.25)
где рмакс — максимальное звуковое давление для продольной оси
помещения на озвучиваемой поверхности (см. рис. 2.6); г— для
одиночной цепочки дано в предыдущем случае, а для двух цепочек
r= V 0,25&2ц+/г2ц; Ьц — расстояние между цепочками. Для пото-
лочных решеток номинальное давление (2.67), если &о#=1
Pl — Рмакс^/2 k0. (3.26)
Распределенные системы из направленных громкоговорителей.
Для одиночной настенной цепочки из колонок без учета отраже-
ния от противоположной стены номинальное звуковое давление
1 Номинальным значением звукового давления называют звуковое давле-
ние, развиваемое громкоговорителем на расстоянии 1 м от его акустического
центра по акустической оси при подведении к громкоговорителю номинальной
мощности.
84
При условии равенства давлений прямого звука в удаленной точке
и требуемого рМакс определяется из (2.53)
Pl = Рмакс ^/Л У 1—(3-27>
где г= УЬ2+И2ц.
Аналогично предыдущему случаю для двух настенных цепочек
или одной, но при хорошо отражающей стене в соответствии с
ф-лой (2.60) давление
Р1 = Рмакс У rd/2n У 1—(3-28>
где г= У 0,2562ц+й2ц — для двух цепочек и г= У b2 + h2n — для
одной; ег — эксцентриситет диаграммы направленности в горизон-
тальной плоскости.
Сосредоточенные системы. Для п громкоговорителей, входящих
в систему, приближенно (считая, что в удаленной точке интенсив-
ности, развиваемые каждым громкоговорителем, примерно равны
друг другу и мало отличаются от интенсивности на акустической
оси) можно считать, что номинальное звуковое давление
Р1 = Рмаксг/К«^ (3.29)
где г~1— расстояние от громкоговорителей до удаленной точки;
/ — длина помещения (от громкоговорителей до задней стены).
В заключение по значению рассчитанного давления pi подби-
рается подходящий громкоговоритель, и для развиваемого им но-
минального звукового давления (на расстоянии 1 м) определяется
уровень в удаленной точке Апрмин, точнее, минимальный уровень
на озвучиваемой поверхности. Это можно сделать по ф-лам (2.7),
(2.15), (2.24), (2.26) или (2.28), а для сосредоточенной системы
из нескольких громкоговорителей — по методу координат [см.
ф-лы (2.8) — (2.13)], тогда уровень, развиваемый громкоговорите-
лями, должен быть
^ном = ^пр.мин (3-30)
Расчет неравномерности озвучения
Для распределенных цепочечных систем неравномерность озву-
чения (2.1) в продольном и поперечном направлениях определяет-
ся или по ф-лам (2.41), (2.43), (2.46), (2.47), (2.49), (2.55), (2.56)
и (2.57), или по графикам рис. 2.14 и 2.15. Для кресельных систем
она обычно мала, и поэтому нет смысла ее определять. Для ру-
порных громкоговорителей ее определяют по ф-ле (3.19).
Для распределенных систем сложной формы и для сосредото-
ченных систем сначала проводится расчет уровней поля в наибо-
лее характерных точках помещения, в том числе в наиболее ве-
роятных точках минимального и максимального уровней. Место-
положения последних определяются методом последовательного
85
приближения, за исключением случая, когда озвучение помещения
осуществляется одним громкоговорителем. В этом случае точку
максимального уровня для рупорного громкоговорителя [1] мож-
но определить по формуле
Хт — hr
1 4- ctg2 а
+ —e2)ctg2a
1 tga
(3.31)
и для звуковой колонки
I ctg а
1 +(1 — Cg) ctg2a
(3.32)
где а — угол наклона акустической оси к горизонтальной плоско-
сти.
Определение звукового давления, создаваемого громкоговори-
телями в выбранных точках помещения, проводится методом коор-
динат. Если для каждого громкоговорителя известно развиваемое
им звуковое давление, то суммарное давление
Ps = ]/"Р?+рНРз+ * ' * •
Откуда общий для громкоговорителей уровень
= 201g(ps/p0), (3.33)
где ро=2-10-5 Па.
Неравномерность озвучения может быть найдена как разность
(2.1)
А L= ^макс ^мин> (3.34)
где Лмакс — максимальный уровень звукового поля; LMHH — мини-
мальный уровень. При этом точки с минимальным уровнем, нахо-
дящиеся вблизи первичного источника звука (оратора, лектора),
следует исключать из рассмотрения, а минимальный уровень опре-
делять для точек, удаленных от первичного источника.
3.5.
РАСЧЕТ ИНДЕКСОВ ТРАКТА И ВЫБОР ТИПА
МИКРОФОНА
Расчет акустического отношения
Расчет акустического отношения можно проводить или непо-
средственно, или по диффузной составляющей. Если известны чис-
ло громкоговорителей п и развиваемое каждым громкоговорите-
лем звуковое давление р\ на расстоянии 1 м от него, то уровень
диффузной составляющей (1.35), (1.38)
£ = 101g nPaO-acp) + 126 = 101g +111 - <3-35)
** осср о? асР «г
В6
где Sz —общая поверхность, ограничивающая помещение; Qr—
коэффициент осевой концентрации громкоговорителя; аСр — сред-
ний коэффициент поглощения; Ра — акустическая мощность гром-
коговорителя, Вт; 111 дБ= lOlg(16jt/p2o). Для ненаправленных
громкоговорителей, если стена или потолок, находящиеся за нимиг
заглушены, вместо 111 дБ следует брать 108 дБ. Зная уровень
диффузной составляющей, нетрудно найти и акустическое отноше-
ние в децибелах:
ALr= 101g7? = Лд—Лпр, (3.36>
где £Пр — уровень прямого звука.
Обычно нас интересует максимальное акустическое отношение,
т. е. разность между уровнем диффузной составляющей и мини-
мальным уровнем прямого звука. Акустическое отношение опреде-
ляют и для других точек помещения, в которых уровень прямого
звука выше минимального, но чаще всего это делают для точки
максимального уровня прямого звука. Это дает возможность вы-
числить разборчивость речи и для этих точек помещения с тем,,
чтобы определить диапазон изменения разборчивости речи.
Поскольку уровень диффузной составляющей зависит от часто-
ты (через коэффициент поглощения и коэффициент осевой кон-
центрации), акустическое отношение следует рассчитывать для
всего речевого диапазона частот. Уровень диффузной составляю-
щей еще зависит от частоты, так как звуковое давление, развивае-
мое громкоговорителем на расстоянии 1 м, в свою очередь зависит*
от частоты, но в такой же степени это давление определяет и уро-
вень прямого звука. Поэтому разность между диффузной состав-
ляющей и составляющей прямого звука не зависит от уровня зву-
кового давления на расстоянии 1 м.
Максимальное акустическое отношение для одной настенной
цепочки при неотражающей противоположной стене, а также для
одной потолочной при неотражающих боковых стенах определяет-
ся -по формуле (см. § 2.5)
г> 16лгмаксб/ (1 —(Хер) 16/цГмакс (1 —аср) /о 07k
^макс- £0S2aCp “ *oaCpS2 ’ k 7
где для настенной цепочки гМакс = УГ Ь2+Л2ц, а для потолочной —
^’макс==1^г 0,25Ь2 + /г2ц, ndtt 1ц.
Для настенных и потолочных цепочек с отражающими стенами
г> ___________ макс^ (1 — аср) S/цГмакс (1 — <ХсР)
^маке- *oacps2 *oacpS2 ’ Р 7
где п — общее число громкоговорителей; гмакс — расстояние от це-
почек до точки пересечения акустических осей с озвучиваемой ПО-
ВерХНОСТЬЮ. ДЛЯ Двух НаСТеННЫХ ИЛИ ОДНОЙ ПОТОЛОЧНОЙ Гмакс
= ]/ 0,2562 + /г2ц, для одной настенной гмакс=К^2 + А2ц.
87
Для двух настенных цепочек из звуковых колонок или для од-
ной, но при хорошо отражающей противоположной стене (см.
§2.5)
р __ Snrмакс^ (1 — °&ср)
•‘'макс
16/цГмаке (1 — О&ср) (2 2g)
аср
При этом гМакс определяется так же, как и для ненаправленных
громкоговорителей.
Для одной цепочки из колонок при неотражающей противопо-
ложной стене акустическое отношение
16nrMaKCd (1 — о&ср)
аср *$£ Q г 1 —
Для потолочной решетки из п ненаправленных громкоговори-
телей (2.78) при Qr = 1
(3.40)
^макс
nn _8nrf2(l—аср)
К Кмакс fcoOcpSj;
(3.41)
где dp — шаг решетки; nd2p = Sn0T.
Для кресельной системы коэффициент ko равен двум, так как
излучение громкоговорителей в тыльную полусферу поглощается и
отражения прямого звука не происходит.
Для сосредоточенной системы из одного-двух громкоговорите-
лей максимальное акустическое отношение в удаленной точке (см*
§ 2.5) на оси громкоговорителя, т. е. при £)(0) = 1,
р _ 16л4акс(1-аср)
Амакс— acpS2Qr
где rM!lKC=V l2+h2T.
Расчет рационального и предельного индексов тракта
Для каждой из основных (например, октавных) частот в слу-
чае звукоусиления следует найти оба индекса тракта, а при озву-
чении— только рациональный индекс. Рациональный индекс
тракта см. (2.102)
Qpm = Ba-Bp и - £ Д£ + 27. (3.42)
Здесь Вр.м — спектральный уровень речи у микрофона. С учетом
поправки на расстояние от оратора или лектора до микрофона
спектральный уровень речи у микрофона (2.84)
Вр.и = В’Р +2016(1/^. (3.43)
где гм — расстояние от рта до микрофона, м; В'р— спектральный
уровень на расстоянии 1 м от рта для суммарного уровня 71 дБ
(см. табл. 3.5); Ва — спектральный уровень шумов (берется в со-
88
ответствии с заданием, для некоторых типовых шумов их спектры
и общие уровни приведены в табл. 3.5);
2АЬ = Д1Лм + ДЬг + Д£г; (3.44)
Д£Нм—максимальное акустическое отношение, дБ; Д£ям =
= 1ВДмакс; Д£т — поправка на влияние реверберационных помех
(1.40):
A£r = -^lgT; (3.45)
&Lr — поправка на отражение от головы слушателя (см. табл.
3.5).
Предельный индекс тракта (2.107)
РКр = <7м-ДЬЛ —12, (3.46)
где qM — индекс направленности микрофона с учетом приращения»
возникающего вследствие расположения микрофона около сильно
поглощающего материала. В данной формуле взята поправка не
18 дБ, как в [9], а 12 дБ, так как исключена поправка на нерав-
номерность частотной характеристики тракта, поскольку расчет
выполняется для каждой из октавных частот. Фактический индекс
тракта следует выбирать не выше предельного, но нет смысла вы-
бирать его и выше рационального (2.102). Это условие должно вы-
полняться во всем частотном диапазоне передачи.
Расчет фактического индекса тракта
Сначала следует определить относительную частотную зависи-
мость индекса тракта. Обычно ее нормируют относительно чувст-
вительности тракта на частоте 500 или 1000 Гц.
Так как усилитель и другие звенья тракта, кроме громкогово-
рителя и микрофона, практически не вносят искажений в частот-
ную характеристику тракта, то расчет ведут только для электро-
акустических звеньев: микрофона и громкоговорителя.
Для построения нормированной характеристики тракта из
справочников выписывают чувствительность микрофона и громко-
говорителя (в децибелах с произвольным нулевым уровнем) для
всех экстремальных точек частотных характеристик микрофона и
громкоговорителя (см., например, табл. 4.3). Для каждой из час-
тот нормируют чувствительность путем вычитания уровня чувстви-
тельности на частоте 1000 Гц из уровня чувствительности на дан-
ной частоте. Заметим, что при таком нормировании произволь-
ность выбора нулевых уровней нейтрализуется. Затем суммируют
нормированные значения для каждой из частот. Ниже, в приме-
рах (см. гл. 4), приведены конкретные расчеты таких характерис-
тик (см. табл. 4.3; 4.7 и др.).
Для определения фактического индекса тракта QM.C следует
нанести на график частотной характеристики значения рациональ-
ного и предельного индексов тракта и индексов нормированной ха-
8»
рактеристики тракта (см. рис. 4.8, 4.12). Затем, смещая, послед-
нюю вверх или вниз по ординате, находят такое ее положение, при
котором она оказывается возможно выше, но не выше предельной
и, по возможности, близкой (или выше) к рациональной. Смеще-
ние кривой равно искомому значению фактического индекса трак-
та на частоте 1000 Гц. Прибавляя эту величину к значениям нор-
мированной характеристики тракта на других частотах, получают
частотную характеристику фактического индекса тракта.
Можно обойтись и без построения частотных характеристик ин-
дексов тракта. В этом случае для систем звукоусиления следует
интерполировать предельный индекс *гракта для всех частот, для
которых определена нормированная характеристика тракта. Затем
для каждой из частот из значения предельного индекса тракта на-
до вычесть нормированную чувствительность тракта. Минималь-
ная из полученных разностей суммируется со всеми значениями
нормированной характеристики. Полученная характеристика и яв-
ляется частотной характеристикой фактического индекса тракта
(см. табл. 4.3).
Для систем озвучения расчет частотной характеристики факти-
ческого индекса тракта выполняется следующим образом. Подби-
рают такое значение индекса тракта на частоте 1000 Гц, учет ко-
торого на всех других частотах приведет к тому, что они будут
йли выше рационального индекса на этих частотах, или немного
ниже. Конечно, если на какой-либо частоте будет резкий выброс
нормированной чувствительности тракта, то нет смысла добивать-
ся равенства ее с рациональным индексом.
Сравнивая полученную характеристику с рациональной, можно
сказать, насколько близки мы к максимально возможной (в за-
данных условиях), разборчивости речи. В тех диапазонах частот,
в пределах которых фактический индекс выше рационального, ко-
эффициент разборчивости будет максимально возможным незави-
симо от превышения, а в диапазонах, в пределах которых факти-
ческий индекс будет ниже рационального, коэффициент разборчи-
вости будет тем меньше, чем больше разность между ними.
После этого сравнения можно сделать заключение о необходи-
мой коррекции частотной характеристики тракта, если между зна-
чениями фактических и рациональных индексов будет большая
разница. Корректировать частотную характеристику тракта можно
или заменой микрофонов и громкоговорителей другими типами с
более подходящей частотной характеристикой, или путем включе-
ния корректирующих устройств. Если окажется, что требуется
сложная коррекция частотных характеристик фактического индек-
са тракта или получилось слишком большое расхождение между
предельной и рациональной частотными характеристиками, то
можно сделать заключение и о необходимости их изменения. Эти
характеристики можно изменять, варьируя средним коэффициен-
том поглощения, коэффициентом концентрации громкоговорителя
и индексом направленности микрофона. Последний можно менять*
варьируя поглощением стен позади и сбоку от оратора (2.109).
90
Соответствующие решения зависят от ряда факторов, и в каж-
дом конкретном случае они могут быть различны. Ниже в приме-
рах расчета рассмотрены различные, наиболее характерные слу-
чаи.
3.6.
РАСЧЕТ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ
Приведем последовательность операций и формулы расчета.
Для каждой из полос равной разборчивости (см. табл. 3.5);
1. Вычисляем по ф-ле (3.43) спектральные уровни речи с по-
правкой на расстояние от микрофона
5Р.м=в; +201g(l/rM). (3.47)
2. По заданному спектру и уровню акустических шумов нахо-
дим его спектральные уровни Ва (см. табл. 3.5а).
3. Интерполируем суммарную поправку SAL, вычисленную ра-
нее для октавных частот [см. ф-лу (3.44)], на средние частоты
полос равной разборчивости.
4. Аналогично интерполируем фактический индекс тракта
Qm.c-
5. Все эти данные заносим в сводную таблицу.
6. Вычисляем спектральные уровни речи у слушателя (2.82)
В =В 4-0 . (3.48)
р.с р.М 1 ^-М.С \ '
7. Вычисляем спектральные уровни помех (2.94)
Вп = ВрС + уД£-21. (3.49)
8. Суммируем спектральные уровни помех со спектральными
уровнями шумов (по интенсивности) (2.91)
Вш = ва (+) Вп = 101g [ 10°’,Ва + 10°’1Вп]. (3.50)
Это суммирование может выполняться по ф-ле (2.92)
Вш = ВмаКс ( 4“ ) Диин ~ Д<акс 4“ А В, (3.51)
где АВ берется из табл. 3.2 или рис. 2.16.
Таблица 3.2
Поправки для расчета суммарного уровня Вш по разности уровней Вп и Ва
Дтакс Диин, ДБ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
ДВ. дБ 3,0 2,5 2,1 1,8 1,5 1,2 1,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0.3 0,2
9. Вычитаем из спектрального уровня речи спектральный уро-
91
вень суммарных помех и шумов и получаем уровень ощущения
формант (1.24)
£=Л.с-Вш- (3.52)
10. По найденному уровню ощущения Е вычисляем коэффици-
ент разборчивости w (1.25) для 0<Е<18 дБ
ttJ=(E + 6)/30 (3.53)
или находим его точное значение по табл. 3.3.
Таблица 3.3
Зависимость коэффициента разборчивости w от уровня ощущения формант Е
Е. дБ w, отн. ед. Е, дБ w, отн. ед. Е, дБ w, отн. ед. Е, дБ w, отн. ед.
—12 0,01 —4 0,095 12 0,60 24 0,93
—11 0,015 —3 0,11 15 0,70 25 0,945
— 10 0,02 —2 0,14 18 0,80 26 0.96
—9 0,03 —1 0,17 19 0,83 27 0,87
—8 0,04 0 0,20 20 0,86 28 0,98
—7 0,05 3 0,30 21 0,88 29 0,985
—6 0,06 6 0,40 22 0,90 30 0,99
—5 0,075 9 0,50 23 0,915 33 0,995
36 1,0
Все вычисленные значения заносим в сводную таблицу.
И. Полученные значения коэффициента разборчивости сумми-
руем и определяем формантную разборчивость (1.26)
20
Л = 0,05 2 (3-54)
Л=1
По формантной разборчивости определяем слоговую S и словес-
ную W разборчивость (табл. 3.4) и понятность речи (см. табл,
1.2).
Таблица 3.4
Зависимость слоговой и словесной разборчивости, %* от разборчивости формант
А 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
S 5 15 26 36 46 54 62,5 69 75 80
W 30 63 76 85 90 93 94,5 96 97 98
Продолжение
А 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
S 84 87 90 92,5 95,2 96,5 98 99 99,5 100
W 98,5 98,8 99 99,2 99,4 99,6 99,7 99,8 99,9 100
92
Таблица 3.5
Вспомогательные данные для расчета разборчивости речи
а) по полосам равной разборчивости
№ поло- сы Границы полос равной разборчи- вости, Гц Ширина полос Средняя частота полосы Лр’ Гц Спектральные уровни, дБ Поправка на отраже- ние от головы Д£г, дБ
речи в' Р акустических шумов1 Ва
1 1 2 1 3 4
1 200-330 130 265 45,5 39,0 27,0 47,0 50,0 1,0
2 330—465 135 400 44,0 38,0 27,5 44,5 48,0 1,4
3 465—605 140 535 41,5 35,5 28,0 42,5 46,0 1,75
4 605—750 145 680 39,0 33,0 25,0 40,5 44,0 2,1
5 750-900 150 825 36,5 30,5 22,0 38,5 42,0 2,4
6 900—Ю60 160 980 34,0 28,0 19,0 36,5 41,0 2,60
7 1060—1230 170 1145 32,0 25,0 16,0 34,5 40,0 2,95
8 1230-1410 180 1320 30,0 23,0 13,0 32,5 39,0 3,1
9 1410-1600 190 1505 28,5 21,0 11,0 30,5 38,0 3,4
10 1600-1800 200 1700 27,0 20,0 9,0 28,5 37,0 3,7
11 1800—2020 220 1910 26,0 19,0 7,0 26,5 36,0 4,0
12 2020—2260 240 2140 25,0 18,0 6,0 24,5 35,0 4,3
13 2260—2530 270 2395 24,0 17,0 5,0 23,0 34,0 4,5
14 2530—2840 310 2685 22,0 16,0 4,0 21,5 33,0 4,7
15 2840—3200 360 3020 21,0 15,0 3,0 20,0 32,0 4,9
16 3200—3630 430 3415 20,0 14,0 2,0 17,5 31,5 5,1
17 3630—4150 520 3890 19,0 13,0 1,0 15,0 31,0 5,3
18 4150—4790 640 4370 18,0 11,0 0,0 12,0 30,5 5,5
19 4790—5640 850 5215 17,0 9,0 -2,0 9,0 30,0 5,7
20 5640—7000 1360 6320 15,5 7,0 —4,0 5,0 29,0 5,9
б) по октавным полосам
Границы октавы Средняя частота октавы /окт’ Гц Ширина полосы Д4)кт’ Гц Спектральные уровни, дБ Поправка на отражение от головы Д£г, дБ
речи в' Р акустических шумов1 Ва
1 1 2 1 3 4
175—350 250 175 45,5 39,0 27,0 47,0 50,0 1,0
350—700 500 350 41,5 35,0 28,0 42,5 46,0 1,8
700—1400 1000 700 33,0 26,5 17,0 35,5 40,5 2,7
1400—2800 2000 1400 25,5 18,5 6,5 25,5 35,5 4,2
2800—5600 4000 2800 18,5 12,5 1,0 13,0 31,0 5,4
5600—7000 6000 2000 15,5 7,0 —4,0 5,0 29,0 5,9
Суммарный уровень 71,0* * 65,0 55,0 73,0 77,0
1 Акустические шумы: 1—речевые (разговор нескольких человек), 2—рече-
вые (приглушенные разговоры), 3— речевые (громкие разговоры, выкрики и
т. п.), 4—производственные (шум машинного оборудования в цехе).
* На расстоянии 1 м от рта с учетом составляющих ниже 200 Гц.
При высоких уровнях шумов из уровня ощущения Е надо вы-
читать дополнительную маскировку т (см. табл. 1.4).
Для ориентировочного определения разборчивости речи мож-
но воспользоваться сокращенной методикой расчета. Если спект-
93
ры речи и шумов изменяются по частоте не очень резко, то нет
смысла вычислять их для всех полос равной разборчивости, а до-
статочно рассчитать их на октавных частотах, полагая, что в их
пределах коэффициент разборчивости будет практически одинако-
вым. Октаве 175—350 Гц (табл. 3.5) соответствует первая полоса
равной разборчивости (200—350 Гц), следующая октава (350—
700 Гц) охватывает три полосы равной разборчивости (330—465,
465—605 1и 605—750 Гц), октава 700—1400 Гц включает в себя
четыре полосы (750—900, 900—1060, 1060—1230 и 1230—1410 Гц),
октаве 1400—2800 Гц соответствуют шесть полос, охватывающих
диапазон 1410—2840 Гц, октаве 2800—5600 Гц соответствуют пять
полос в диапазоне 2840—5640 Гц, участок диапазона 5600—7000 Гц
соответствует последней полосе равной разборчивости 5640—
7000 Гц. Средней частотой для него с учетом спада характеристик
является частота 6000 Гц. С учетом этого формантную разборчи-
вость можно определять по формуле с весовыми коэффициентами
А = 0,05 [шх + Зоу2 + 4оу3 + 6^4 + 5оу5 + &>6] , (3.55)
где w\—We — коэффициенты разборчивости на октавных частотах.
Расчет разборчивости речи для систем, имеющих ограничитель
уровня с постоянными времени 1 мс и 0,3 с, выполняется анало-
Таблица 3.6
Параметры речевого сигнала при ограничении уровня
Величина ограничения *ог, дБ Подавление слабых звуков д лог. дБ Пикфактор суммарного сигнала лог. дБ
0 0 12
3 0,5 11,3
6 1,0 10,4
10 2,0 8,5
16 4,0 6,3
20 6,0 2,5
гично обычному расчету разборчивости речи с той лишь разницей,
что спектральные уровни помех Вп (3.49) определяются с учетом
величины ограничения Lor (табл. 3.6):
Вп = Врс-А0Г+£Д£-21, (3.56)
а уровень ощущения Е (3.52) определяется для неограниченного
спектрального уровня у слушателя Вр.с с учетом величины подав-
ления слабых уровней речи А£Ог.’
£=Вр,с-Д£ог-5ш. (3.57)
94
3.7.
РАСЧЕТ УРОВНЯ ПРЯМОГО ЗВУКА
ПРИ ПЕРЕДАЧЕ РЕЧИ И ВЫБОР АППАРАТУРЫ
ЗВУКОУСИЛЕНИЯ
Этот расчет можно выполнять или по октавным частотам, или
по полосам равной разборчивости. Последний способ точнее, но
иногда необходимо определить этот уровень еще до расчета раз-
борчивости речи, и тогда можно рассчитать его приближенно по
октавным частотам. В этом случае для каждой из расчетных ок-
тавных частот находят спектральный уровень речи у слушателя по
ф-ле (2.82)
В =В 4-Q , (3.58)
р.с р.м 1 ^М.С ’
где в качестве QM.C берут фактический индекс тракта на октавных
частотах. Порядок дальнейшего расчета одинаков как для октав-
ных полос, так и для полос равной разборчивости. Для каждой из
таких полос:
1. По спектральному уровню определяется относительная вели-
чина плотности интенсивности (по отношению к /о)
0,1В
4//о=10 рс. (3.59)
2. Умножаем полученную плотность на соответствующую ши-
рину полосы (октавы А/Окт или равной разборчивости А/р, ширина
этих полос приведена в табл. 3.5) и вычисляем относительную ин-
тенсивность в полосах A/fe=/feAffe. Все данные заносим в сводную
таблицу.
После этого, суммируя интенсивности в полосах, получают об-
щую интенсивность прямого звука (в величинах /о) *
Znp/Z0 = jAZh//0. (3.60)
w
Откуда находят его уровень
4р= 101g(Znp/70>- (3.61)
Это является средним уровнем прямого звука у слушателя в уда-
ленной точке помещения при речевых программах.
В случае ограничения уровней расчет среднего уровня речи от-
личается от предыдущего только тем, что уровни Вр,с берутся
.меньше на величину ограничения Lor, т. е.
0,1 (В —ьл
J/Zo=lO 1 рс ог< (3.62)
3. Определяем пиковый уровень прямого звука. Для высокока-
чественной передачи речи без применения компрессоров и ограни-
чителей пиковый уровень должен быть на 12—15 дБ выше средне-
го, так как пикфактор речи равен 12 дБ. Кроме того, мы ориенти-
ровались на уровень 71 дБ, развиваемый оратором на расстоянии
95
1 м, а следует предусмотреть неискаженную передачу с уровнем
74 дБ, т. е.
^пиК = 4р + (12-М5). (3.63)
Для расчета пиковых уровней прямого звука в случае ограни-
чения уровней следует пользоваться формулой
^пик “ Д1р + Пог, (3.64)
где Пог — пикфактор ограниченного речевого сигнала (см. табл.
3.6).
При сравнении полученного значения ЛШ1К с вычисленным ра-
нее значением минимального уровня звука £Пр.мин (3.30) оконча-
тельно определяем пригодность выбранных громкоговорителей по
мощности и решаем — не следует ли заменить их более или менее
мощными в зависимости от разницы между вычисленным макси-
мальным уровнем и определенным ранее (3.21). Если она не пре-
восходит 1—2 дБ, то нет смысла в такой замене. А если больше,
то может потребоваться изменение распределения громкоговорите-
лей и даже замена системы.
После окончательного выбора громкоговорителей и расчета
разборчивости определяем суммарную номинальную мощность
громкоговорителей и по этой величине выбираем подходящий мощ-
ный усилитель. В расчете на включение дополнительных громкого-
ворителей рекомендуется выбирать усилитель, по мощности не-
сколько превышающий номинальную.
При расчете универсальной системы озвучения ориентируются
на программу, требующую наибольший уровень.
3.8.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА МНОГОЦЕЛЕВЫХ
ПОМЕЩЕНИЙ
К наиболее распространенным многоцелевым помещениям от-
носятся концертные залы, клубные помещения и т. п. В них наря*
ду с звукоусилением речи требуется усиливать музыкальные соль-
ные номера, подусиливать оркестры и т. п.
В таких помещениях необходимо осуществлять акустические
условия для передачи как речевых, так и музыкальных программ.
Могут быть два варианта: в первом исходят из того, чтобы полу-
чающаяся разборчивость речи обеспечивала ее полную понятность,
во втором исходят из компромисса — акустические условия созда-
ют промежуточные между оптимальными для речи и музыки (см.
§ 3.2). Исключение могут составить оперный театр и залы, пред-
назначенные только для музыкальных программ, в них условия
должны быть оптимальными для музыкальных передач. Соответст-
венно этому выбирают оптимальную реверберацию и акустическое
отношение.
Так как для речевых передач максимальный уровень в много-
целевых помещениях требуется меньший, чем для музыкальных, то
96
при выборе громкоговорителей ориентируются на уровни, необхо-
димые для музыкальных передач, а расчет разборчивости речи
проводят для рационального индекса тракта. Так, для воспроиз-
ведения музыки и театральных эффектов требуется уровень
100 дБ, подусиления солистов и небольших оркестров — 94—96 дБ,
тот же уровень требуется для танцевальной музыки. Микрофон
для смешанной передачи музыкальных и речевых программ, как и
для одних музыкальных программ, выбирают исходя из требова-
ния высококачественной передачи музыки т. е. по высшему или
первому классу точности передачи.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
Примеры проектирования
4.1.
ЗВУКОУСИЛЕНИЕ В ЗАЛЕ «КРУГЛОГО СТОЛА»
Задание. Спроектировать звукоусилительную установку для зала «круглого сто-
ла» размером 20X20X8 м (рис. 4.1). Количество участников заседаний—120
чел. Зал рассчитан на двенадцать делегаций. 36 членов делегации сидят в пер-
вом ряду (у края стола), другие 36 — во вто-
ром ряду. Вдоль каждой из стен расположено
по девять кресел для вспомогательного персо- Г
нала делегаций. В центре зала расположен
стол стенографисток (12 человек). Потолок и
часть стен (500 м2) покрыты специальным зву-
копоглотителем типа АЦП (коэффициенты по-
глощения даны в табл. 4.1), помещение имеет t
фальшивые окна, облицованные стеклом, пло- u
щадью 60 м2, двери и деревянные панели на
кондиционерах имеют общую площадь 80 м2, Л
одна часть пола (320 м2) покрыта ковром по 4
бетону, и другая его часть (80 м2) занята сто- ।
лом, покрытым толстой скатертью (по коэф- I
фициенту поглощения ее можно считать '
ковром). !
В зале во время работы члены делегации ।
тихо переговариваются.
Акустический расчет. Сначала определяем
объем и общую ограничивающую поверхность \
помещения. Общий (габаритный) объем зала
уоб = 20X20X8 = 3200 м3. Стол занимает
объем Ус = 80x0,75 = 60 м3 (высота стола
0,75 м), поэтому свободный объем зала
V = 3200—60 = 3140 м3. Общая ограничиваю-
щая поверхность S2 = 2X20X20 + 80X8 =
= 1440 м2.
Из графика (см. рис. 1.13, кривая /) находим значение оптимальной ревер-
берации для речевых передач. Для У=3140 м3 величина 7,0Пт = 1 с. Из (3.1)
F r 0,161V 0,161-3140
находим реверберационный коэффициент поглощения а' = = 1440 1
= 0,35, а по нему находим средний коэффициент поглощения аср = 1—е~«'=
зл
Ж.
/
г
□□□□□□□□□
□
4—245
□
□
□
Q
□
D
□
□
□
D
□
□□□□□□□ПО
□
□
□
□
□
□
□
Рис. 4.1. Схематический верти-
кальный разрез и план зала
«круглого стола» (указаны
только расчетные точки)
97
Расчет среднего коэффициента поглощения и времени реверберации1
Т а б л и ц,а 4.1
ак Лк ак Лк ак Лк ак Лк ак Лк ак Лк
Тип поглотителя Количество
для частоты, Гц
250 500 1000 2000 4000 | 6000
Люди Штукатурка АЦП Дерево Стекло Ковер 120 900 80 60 400 чел. м2 м2 м2 м2 0,41 0,27 0,11 0,10 0,08 49 243 9 1 32 0,44 0,31 0,10 0,02 0,21 53 279 8 1 84 0,46 0,31 0,09 0,03 0,27 55 279 7 2 108 0,46 0,33 0,08 0,02 0,27 55 297 7 1 108 0,46 0,40 0,11 0,02 0,37 55 360 9 1 148 0,46 0,43 0,12 0,02 0,40 55 387 10 1 160
Сумма 1440 м2 334 425 451 468 573 612
Средний коэффициент поглощения аСр Реверберационный коэффициент поглоще- ния а' 0,23 0,26 0,30 0,35 0,31 0,38 0,33 0,39 0,40 0,51 0,43 0,55
Время реверберации Т, с Отклонение 1,34 1,34 1,00 1,00 0,93 0,89 0,69 0,69 0,64
1 Поглощением в воздухе пренебрегаем из-за его малости.
= 1—е-о’35=О,295, или с помощью табл. 1.5 по а' находим Да —0,055, откуда
аср = 0,35—0,055 = 0,295. Это значение коэффициента поглощения соответствует
частоте 500 Гц. Для =1440 м2 находим требуемый фонд поглощения на ча-
стоте 500 Гц ДТр = аСр52=0,295-1440=425 м2.
Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на этой частоте. Коэффициенты
поглощения берутся из приложения 1 [8]. Определим поглощение: люди
(120 чел.) создают Дл = алЛ/л = 0,44Х 120 = 52,8 м2; потолок и пол (900 м2)
Дп = аш5ш = 0,31 X900 = 279 м2; двери и деревянные панели (80 м2) Дд =
= ад5д=0,1 Х8О=8 м2; стекло (60 м2) Дс = ас5с = 0,021X60=1,3 м2; ковер по
бетону (400 м2) Дк = ак£к = 0,21 Х400=84 м2. Суммарное ДИм = 52,8+2794-8+
+ 1,34-84=425 м2. Следовательно, имеющийся фонд поглощения и требуемый
совпадают (это легко объяснить: акустика зала была рассчитана при проекти-
ровании всего здания).
Теперь подсчитаем фонд поглощения Дим на всех расчетных частотах и ре-
зультаты сведем в таблицу (табл. 4.1).
Для полученного фонда поглощения определим средний и реверберационный
коэффициенты поглощения (3.3) и время реверберации (3.4) на всех расчет-
ных частотах и запишем их в ту же таблицу. Наконец, вычислим отклонение
времени реверберации на разных частотах по отношению к времени ревербера-
ции на частоте 500 Гц. Эти отклонения выходят за допустимые пределы
(см. рис. 1.14).
Выбор системы озвучения и расчет ее геометрических данных. Учитывая
назначение зала и требование, чтобы все делегации находились в равных усло-
виях, выбираем сосредоточенную систему озвучения с громкоговорителями, рас-
положенными в центре потолка. Так как в центре потолка висит люстра, то
громкоговорители следует располагать вокруг ее подвеса. Возможны два ва-
рианта: или несколько маломощных звуковых колонок располагаются радиаль-
но, или несколько диффузорных громкоговорителей располагаются вокруг под-
веса люстры.
В обоих вариантах наиболее целесообразно располагать громкоговорители
так, чтобы их акустические оси были направлены на ряды, занимаемые делега-
циями. В этом случае система из звуковых колонок будет иметь вид выпуклой
звезды, а из диффузорных громкоговорителей — вид розетки (см. рис. 4.2 и 4.3).
Если считать, что акустические центры громкоговорителей будут ниже по-
толка примерно на 30 см, а высота сидящих людей около 1,2 м, то высота
акустического центра системы над озвучиваемой плоскостью составит 8,0—0,3—
1,2 = 6,5 м. Соответственно от акустического центра слушателей в первом ряду
расстояние г{=у Zi2i+Z2i = уб,52+6,52=9,2 м, до самых удаленных слушате-
лей, находящихся у стены, Г2=У &2i+Z2c+&2= рл6,52+9,524-3,62= 12 м и до
стенографисток r3=/z1+A/z=6,5+0,25=6,75 м. Если оси громкоговорителей
направить на слушателей первого ряда, то угол наклона осей составит 45°, а
угол наклона осей, направленных на удаленных слушателей, 57°.
Выбор типа громкоговорителей и расчет звукового поля. Прежде всего опре-
делим уровень и спектр акустических шумов в зале. Известно, что в зале ве-
дутся приглушенные разговоры. Следовательно, уровень шумов может быть
около 55 дБ, спектр шума речевой. Этим данным более всего соответствуют шу-
мы второго типа, приведенные в табл. 3.5. Найдем ориентировочную величину
максимального уровня звукового поля по выбранному уровню акустических шу-
мов. Используя (3.21), получаем LTP=La+25=55+25=80 дБ. Этой величине
соответствует звуковое давление (3.22) рТр = 100’05(80“94>=0,2 Па.
Если обеспечить такой уровень для удаленного слушателя, то на расстоя-
нии 1 м от акустического центра громкоговорителя звуковое давление (1.4)
Pi—Ртр^макс=0,2 • 12=2,4 Па.
Если в качестве громкоговорителей брать звуковые колонки, то наиболее
подходящей является колонка типа 2КЗ-2. Чтобы получить равномерное излу-
чение в горизонтальной плоскости, необходимы шесть колонок (рис. 4.2). При
четырех колонках неравномерность озвучения будет около 4 дБ. При шести ко-
лонках неравномерность получается менее 1 дБ. Поэтому берем шесть колонок
и располагаем их в виде звезды. Горизонтальный размер излучателя по лучам
звезды составит 85 см. Характеристика направленности такого излучателя во
4* 99
всех вертикальных плоскостях одинакова. На расстоянии 1 м от громкоговори-
теля звуковое давление под углом 45° к горизонтали составляет 5,4 Па, т. е. на
5,4
20 1g —=7 дБ больше, чем требуется. Звуковое давление по вертикальной оси
2-, 4
составляет 3,7 Па, а под углом 57° к горизонтали 5,2 Па, среднее pi = 4,3 Па.
Рис. 4.2. Звезда из
звуковых колонок
Рис. 4.3. «Розетка»
Следовательно, для первой точки (в первом ряду слушателей) давление и
уровень соответственно р'=pjri = 5,4/9,2=0,59 Па, L'=201 g (р'/Ро) = 201g (0,59/2 •
-10-5) =89,4 дБ.
Для удаленной точки р" = р 10/г2=5,2/12 = 0,43 Па, L"=2Olg(p7po) ==
=201g(0,43/2 • 10”5) =86,8 дБ. Неравномерность озвучения ДЬ = 89,4—86,8 =
= 2,6 дБ, т. е. удовлетворяет общим требованиям к звукоусилительным уста-
новкам (см. § 3.1). Определим уровень в центре зала (у стенографисток). Так
как р'"=рю/г3=3,7/6,75=0,55 Па, то L"z=201g (р'7ро) =201g (0,55/2-10“5) =
= 88,8 дБ. Расчет характеристик направленности для варианта розетки из диф-
фузорных громкоговорителей (рис. 4.3) показывает, что розетка имеет несколь-
ко меньшую направленность и поэтому создает более неравномерное поле, чем
звезда из колонок, хотя по внешнему виду розетка больше соответствует ин-
терьеру зала. Остановимся все же на звезде.
Выбор типа микрофона и расчет индексов тракта. Вычислим акустическое
отношение для удаленного слушателя. Для этого по (3.35) найдем уровень диф-
фузной составляющей звукового поля
pfn(l — аср) 1—асп
£Д = 10’8 а so-----------+ Ш = 101g--------+ 94.
А «ср acPQr
где £1=4,3 Па, n=l; S =1440 м2.
Подставляя в это выражение значения средних коэффициентов поглощения
(из табл. 4.1) и коэффициентов концентрации для люстры из звуковых колонок
2КЗ, найдем диффузную составляющую для всех расчетных частот.
Для частоты 500 Гц она составляет 93 дБ. Определим максимальное зна-
чение акустического отношения для каждой из расчетных частот. Оно соответ-
ствует точке с минимальным уровнем прямого звука, т. е. удаленной точке.
Для нашего случая Ьпр.мин = 86,8 дБ. Соответственно (3.36) для частоты
500 Гц акустическое отношение
= 101g-^макс = Ьд—^пр.мин = 03 — 86,8 = 6,2 дБ.
Вычислим его для остальных расчетных частот и результаты расчета запи-
шем в таблицу (табл. 4.2). Следует отметить, что величина акустического отно-
шения уменьшается с 8 дБ на частоте 250 Гц до 3,1 дБ на частоте 6000 Гц,
т. е. только на самой низкой речевой частоте она немного выходит за допусти-
мые пределы.
Для определения пределпного индекса тракта необходимо знать характерис-
тики направленности выбранного типа микрофона. Так как микрофоны должны
100
Таблица 4.2
Расчет предельного и рационального индексов тракта
Частота, Гц “ср 2г £д д£/?м ^кр Д£г “г ЕД L 5р.м ва ^ращ
ДБ
250 0,23 2,8 94,8 8,0 7,0 13,0 2,1 1,0 П,1 57,5 27,0 14,6
500 0,30 3,0 93,0 6,2 7,0 и,2 0,0 1,8 8,0 53,5 28,0 6,5
1000 0,31 3,2 92,4 5,6 7,0 10,6 —0,5 2,7 7,8 45,0 17,0 8,3
2000 0,33 3,3 92,0 5,2 7,0 10,2 —0,8 4,2 8,6 37,5 6,5 12,5
4000 0,40 3,4 90,5 3,7 7,0 8,7 -2,6 5,4 6,5 30,5 1,0 8,
6000 0,43 3,4 89,9 3,1 7,0 8,1 —3,2 5,9 5,8 27,5 —4,0 10,3
Акустическая X
ось микрофона /
Характеристика
направленности
находиться близко к громкоговорителю, то возможна обратная связь по прямо-
му звуку. Чтобы избежать этого, микрофоны надо ориентировать так, чтобы
минимум характеристик направленности микрофонов был направлен к громко-
говорителю. Наиболее подходящим микрофо-
ном для этого является ленточный биградиент-
ный микрофон МЛ-19. Ориентация микрофонов
показана на рис. 4.4. В точках расположения
микрофонов уровень получится примерно та-
кой же, как и в первом ряду слушателей, т. е.
он будет равен 89,4 дБ. Поэтому если даже
расположить микрофоны под углом 30° по от-
ношению к лучшей ориентации, показанной на
рис. 4.4, то и тогда <7$ = 6 дБ и в соответствии
с (2.105) для Lc=Lnp .мин величина предель-
ного (критического) индекса тракта Qnp.Hp=
= Qq—С^г.м—^пр.мин)—12 = 6— (89,4—86,8) —
—12=—8,6 дБ.
Определим предельный индекс тракта по
диффузному звуку. Для микрофона МЛ-19 ин-
декс направленности qM=7 дБ (диаграмма на-
правленности описывается формулой cos2 6). Поэтому в соответствии с (3.46)
для 500 Гц предельный (критический) индекс тракта Сд.Кр = <7м—ААЛм—12=7—
—6,2—42=—11,2 дБ. Аналогично находим его и для остальных расчетных частот,,
и результаты расчета сводим в таблицу (табл. 4.2). Как видно из таблицы, зна-
чения индекса увеличиваются с —13 дБ на частоте 250 Гц до —8,1 дБ на частоте
6000 Гц. На частоте 4000 Гц предельные индексы тракта по прямому и диффуз-
ному звуку получились одинаковыми. Следовательно, почти во всем диапазоне
частот преобладает обратная связь по диффузному звуку.
Определим величины рационального индекса тракта. Найдем поправки на
помехи от реверберации см. (3.45). Для частоты 500 Гц она составляет ALt =
50 50
=—lgT= —Igl =0. Для других частот эта поправка изменяется от 2,1 дБ на
и и
Рис. 4.4. Иллюстрация рас-
положения ленточного мик-
рофона по отношению к
громкоговорителю
частоте 250 Гц до —3,2 дБ на частоте 6000 Гц. В табл. 4.2 из табл. 3.56 пере-
носим поправки ALr, учитывающие отражения от головы слушателя. Для часто-
ты 500 Гц эта поправка равна 1,8 дБ. Суммарная поправка к величине помех
(3.44) на частоте 500 Гц составляет 2ДА=|ДАвм+ААт+ААг=6,2+0+1,8=
= 8,0 дБ. Суммарные поправки для остальных частот записываем в табл. 4.2.
В эту же таблицу из табл. 3.56 перепишем и спектральные уровни акустических
шумов второго типа, а также спектральные уровни речи. Последние нужно уве-
личить на 12 дБ, так как в таблице они даны для расстояния в 1 м от оратора,
а мы задаемся расстоянием его от микрофона, равным 0,25 м (3.43). Для частоты
500 Гц Ва=28 дБ и Вр.м=53,5 дБ. Подставляя эти данные в (3.42), находим ра-
циональный индекс тракта для частоты 500 Гц: Срац=Ва—Вр.м—SAL+27=28—
—53,5—8+27=—6,5 дБ.
101
Расчетные данные для остальных частот помещаем в табл. 4.2. Из этих
данных следует, что рациональный индекс изменяется в пределах от —14,6 дБ
на частоте 250 Гц до —6,5 дБ на частоте 500 Гц. На верхних частотах этот ин-
декс изменяется в пределах от —12,6 до —8,9 дБ. Сопоставляя предельные ин-
дексы с рациональными, получаем, что на нижних частотах предельный индекс
ниже рационального, а на верхних частотах предельный индекс выше рацио-
нального. Равенство их получается в области частоты 800 Гц. Это свидетельст-
вует о том, что предельный индекс тракта близок к оптимальному.
Таблица 4.3
Расчет фактического индекса тракта
Частота, Гц Чувствительность, дБ Суммарная чувствительность, Индексы тракта, дБ
МЛ-19 2КЗ-2 ^кр ^рац ^кр-^ $м. с
250 —1 —2 —3 —13,0 -14,6 —10,0 —17
350 -3 1 -2 -12,1 —10,1 —16
500 —2 3 1 —11,2 —6,5 t—12,2 —13
600 —1 4 3 -11,0 —14,0 —11
1000 0 0 0 —10,6 -8,8 —10,6 —14
1400 —0,5 4 3,5 —10,4 —13,9 —10
2000 0 —1 —1 —10,2 —12,6 —9,2 —15
3500 —5 8 3 -8,9 —11,9 —11
4000 —2 6 4 —8,7 -8,9 -12,7 —10
5000 1 3 4 —8,1 —12,1 —10
6000 — — 2 —7,5 —10,3 -9,5 —13
Курсивом выделены
Примечание.
интерполированные значения.
Определим фактический индекс тракта (см. § 3.5) при условии, что факти-
ческие индексы во всем речевом диапазоне частот не превышают соответствую-
щие (по частоте) предельные индексы. Для определения фактического индекса
тракта начертим частотные характеристики
чувствительности (в децибелах) микрофона
МЛ-19 и люстры из звуковых колонок 2КЗ-2
и пронормируем их относительно чувствитель-
ности, например, на 1000 Гц. Полученные дан-
ные запишем в табл. 4.3. Затем просуммируем
обе характеристики (рис. 4.5, кривая 1) и за-
пишем в эту таблицу все максимальные и ми-
нимальные ординаты полученной кривой рядом
с соответствующими им частотами. На частоте
500 Гц относительная чувствительность микро-
фона равна —2 дБ, громкоговорителя 3 дБ,
следовательно, суммарная равна 1,0 дБ.
На тот же график рис. 4.5 нанесем пре-
дельные и рациональные индексы тракта. Пос-
Рис 4 5 Частотные характе- Л€ этого суммарную характеристику сместим
ристики индексов тракта: п0 °РДИнате вниз до таких значений, чтобы она
, г нигде не превосходила предельного индекса
2 - фактического; 3- предельного; тракта (в данном случае величина снижения
4 — рационального равна 14 дБ). Соответствующие значения ор-
динат и будут значениями фактического ин-
декса тракта QM.c. Они приведены в табл. 4.3 наряду с предельными и рациональ-
ными значениями индекса. Сравнивая их, видим, что на нижних частотах факти-
ческий индекс на 4 дБ, а на верхних частотах на 5,5 дБ ниже предельного. Это
свидетельствует о необходимости коррекции частотной характеристики.
Расчет разборчивости речи (см. § 3.6). Для каждой из полос равной раз-
борчивости (см. табл. 3.5а) запишем в табл. 4.4 спектральные уровни речи ВР.М>
102
увеличенные на 12 дБ для учета приближения микрофона к оратору до 0,25 м
<3.47), и спектральные уровни акустических шумов Ва (как и при расчете ин-
дексов тракта). Для первой полосы Вр.м = 57,5 дБ, Ва = 27 дБ. Далее интерпо-
лируем суммарную поправку тракта, приведенную для октавных частот в табл.
4.2, на средние частоты полос равной разборчивости. Аналогично интерполиру-
ем фактический индекс тракта на те же частоты. Результаты интерполяции за-
несем в табл. 4.4. Для первой полосы SAL=11 дБ, QM.c =—17 дБ.
Таблица 4.4
Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука при передаче речи
№ м ва ЕД L с ^р. с Вп Е W — •10. г уР — -10*
полосы 7О Гц”1 Гц 4
дБ
1 57,5 27,0 11,0 17 40,5 30,5 32,1 8,4 0,48 1120 130 1320
2 56,0 27,5 9,5 15 41,0 29,5 31,6 9,4 0,51 1260 135 1700
3 53,5 28,0 8,0 13 40,5 27,5 30,7 9,8 0,53 1120 140 1570
4 51,0 25,0 8,0 11 40,0 27,0 29,1 10,9 0,56 1000 145 1450
5 48,5 22,8 8,0 13 35,5 22,0 25,2 10,3 0,54 3350 150 530
6 46,0 19,0 8,0 14 32,0 19,0 22,0 10,0 0,53 1580 160 252
7 44,0 16,0 8,0 13 31,0 18,0 20,1 10,9 0,56 1260 170 208
8 42,0 13,0 8,0 11 31,0 18,0 19,2 11,8 0,59 1260 180 228
9 40,5 11,0 8,0 10 30,5 17,5 18,4 12,1 0,60 1120 190 212
10 39,0 9,0 8,5 10 29,0 16,5 17,2 11,8 0,59 800 200 160
11 38,0 7,0 8,5 11 27,0 14,4 15,4 11,6 0,59 500 220 110
12 37,0 6,0 8,5 11 26,0 13,5 14,4 11,6 0,59 400 240 96
13 36,0 5,0 8,0 11 25,0 12,0 1’2,8 12,2 0,61 316 270 85
14 34,0 4,0 7,5 11 23,0 9,5 10,6 12,4 0,61 200 310 62
15 33,0 3,6 7,5 11 22,0 8,5 9,6 12,4 0,61 158 360 57
16 32,0 2,0 7,0 11 21,0 7,0 8,2 12,8 0,63 126 430 54
17 31,0 1,0 6,5 10 20,0 5,5 6,8 13,2 0,64 100 520 52
18 30,0 0,0 6,0 11 19,0 4,0 5,5 13,5 0,65 80 640 51
19 29,0 —2,0 । 5,5 12 17,0 1,5 3,1 13,9 0,66 50 850 43
20 27,5 —4,0 • 5,0 13 14,5 —1,5 0,8 13,7 0,66 28 1360 38
Затем для каждой из полос равной разборчивости:
1) Вычисляем спектральные уровни речи у слушателя Вр.с (3.48) и спект-
ральные уровни помех Ва (3.49) (для первой полосы они соответственно равны
40,5 дБ и 30,5 дБ).
2) Суммируем спектральные уровни помех Вп со спектральными уровнями
акустических шумов Ва (по интенсивности) по (3.50) или (3.51). Для первой
полосы имеем Вш=30,5(+)27=32,1 дБ (так как 30,5—27=3,5 дБ, добавка по
табл. 3.2 равна 1,6 дБ).
3) Вычитаем из спектрального уровня речи спектральный уровень помех й
получаем уровень ощущения формант (3.52) Е. Для первой полосы Е=ВР.С—
—Вш=40,5—32,1 =8,4.
4) По найденному уровню ощущения находим коэффициент разборчивости
(3.53) или по табл. 3.3 (для первой полосы w = 0,48).
Все вычисленные величины для всех полос равной разборчивости записы-
ваем в табл. 4.4.
Суммируем полученные величины коэффициентов разборчивости и находим
формантную разборчивость (3.54). Она получилась равной 0,587, что соответст-
вует слоговой разборчивости (см. табл. 3.4) 86,6%. Это согласно табл. 1.3 со-
ответствует отличной понятности речи. Следует обратить внимание на то, что
хорошо передается весь частотный диапазон речи.
Из анализа данных коэффициента разборчивости следует, что нижние часто-
ты передаются немного хуже верхних. Так как есть запас по предельному ин-
103
дексу тракта на этих частотах, то можно скорректировать их примерно на
4 дБ. Разборчивость от этого почти не изменится, но повысится качество звуча-
ния.
Расчет уровня прямого звука при передаче речи и выбор аппаратуры звуко-
усиления (см. § 3.7). Для каждой из полос равной разборчивости по спектраль-
ному уровню Вр.с (3.58) найдем относительную плотность величины интенсивно-
сти J/Iq (3.59), умножим ее на соответствующую ширину полосы равной разбор-
чивости Afp (см. табл. 3.5а) и получим интенсивность в полосе равной разборчи-
вости Д///о. Для первой полосы плотность интенсивности 11 200 /о и ширина по-
лосы 130 Гц, а интенсивность в полосе ДЛ = 11 200-130 /0= 1320-103 /0. Проде-
лаем те же операции для всех полос и полученные данные запишем в табл. 4.4.
Просуммируем интенсивности для всех полос (3.60) и получим общую интенсив-
ность /Пр = 8178-103 /0.
Следовательно, уровень прямого звука (3.61) £Пр.ср = !Olg(/np.cp//o) =
= 101g8,178-106=69,1 дБ. Эта величина соответствует уровню речи, равному
71 дБ на расстоянии 1 м от оратора. Пиковый уровень (3.63) будет выше на
величину пикфактора речи, т. е. на 12 дБ. В расчете на уровень 74 дБ (на 1 м)
и с учетом пикфактора £Пик = Гср+12+3 = 69,1 + 12+3=84,3 дБ. Поскольку на-
ша система развивает пиковый уровень в удаленной точке, равный 86,8 дБ, то,
следовательно, запас равен 86,8—84,3=2,5 дБ. Это вполне понятно, так как
при ориентировочном выборе мы взяли громкоговорители с запасом на 7 дБ.
Это позволяет повысить уровень речи без перегрузки тракта еще на 3 дБ.
Общая мощность громкоговорителей составляет 2X6=12 Вт, поэтому по-
требуется выходной усилитель мощностью тоже не больше этой величины. Вы-
бираем стандартный усилитель на 25 Вт (аппаратура «Звук» 1X25). Наконец,
определим взвешенный индекс тракта. В соответствии с (1.48) и добавляя
12 дБ к уровню речи у микрофона (микрофон находится на расстоянии 0,25 м,
а не 1 м от оратора), получаем Свзв = 69,3—(71 + 12)=—13,7 дБ, в то время
как фактический индекс тракта (см. табл. 4.3) изменяется в пределах от
—17 дБ до —10 дБ.
4.2.
ЗВУКОУСИЛЕНИЕ В АУДИТОРИИ
Задание. Спроектировать звукоусилительную установку для большой ауди-
тории (рис. 4.6). Общая вместимость аудитории 256 чел. В аудитории 16 рядов
по 16 мест в каждом и два продольных прохода шириной по 1,2 м. Между
первым рядом и передней стеной расстояние 4 м. Микрофоны должны быть на
столе преподавателя (станционарный) и у доски (переносный). В акустическом
отношении аудитория еще не обработана. Пол паркетный, парты деревянные,,
потолок и большая часть стен (300 м2) покрыты гипсовой штукатуркой. Ауди-
тория имеет по 2 двери размером 2X1,5 м в каждой из торцовых стен. Окон
нет.
Акустический расчет. Габаритный объем помещения ГОб = 20Х12Хб=
= 1440 м3. Из этого объема следует вычесть объем, находящийся под покатой
частью пола, 0,5X3X16X12 = 288 м3. Парты (высотой 0,75 м) и люди, сидящие
за ними, занимают объем 0,75(12—2,4)-16=ill5 м3. Объем выступа на перед-
ней стене 1,0X12X3=36 м3. Всего получается около 439 м\ Следовательно^
свободный объем аудитории V составляет около 1000 м3.
Площадь потолка равна 20X12=240 м2, площадь передней стены 12X6 =
= 72 м2, площадь задней стены 12X3=36 м2, площадь пола перед партами
12X4=48 м2, площадь, образуемая поверхностью парт, и площадь проходов
12X16,5=198 м2, площадь боковых стен от потолка до парт 2X4X6=48 м2,
6+3
площадь боковых стен вдоль парт 2Х—~Х16=144 м2. Таким образом, общая
ограничивающая поверхность помещения Ss =240+72+36+48+198+48+144 =
=786 м2. Деревянные покрытия имеют площадь 48+198=246 м2, штукатурка —
240+72+36+48+144=540 м2.
104
Рис. 4.6. Вертикальный разрез и план аудитории с двумя
вариантами расположения громкоговорителей: сосредото-
ченном (10ГРД) и потолочным (ЗК)
По графику (рис. 1.13, кривая 1) находим оптимальное время реверберации
Топт для объема в 1000 м3 на частоте 500 Гц. Оно равно 0,75 с. Находим ре-
верберационный коэффициент поглощения (3.1) а'=0,161 V/(Ss Т0Пт) = (0,161 •
• 1000)/(786-0,75) =0,274. Следовательно, средний коэффициент поглощения
,аСр = 1—е~а'=1—е“°’274=0,24 или аСр = а'—Да=0,274—0,034, где Да=0,034
(см. табл. 1.5). Откуда требуемый фонд поглощения на частоте 500 Гц Ат₽ =
= acpSs = 0,24x786 = 188 м2.
Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на частоте 500 Гц в расчете на
250 слушателей (коэффициенты поглощения см. в приложении 1). Люди
создают поглощение Ал = 0,44X250= 110 м2, гипсовая штукатурка на потолке и
части стен Аг=0,04X540=22 м2, деревянные покрытия (пол, двери, парты и
часть стен) Ля=0,1X246 = 25 м2. Результирующий фонд ЛИм = 110+22+25=
= 157 м2. Недостающий фонд поглощения Лн= 188—157=31 м2. Заменим час*
тично гипсовую штукатурку штукатуркой АЦП. На частоте 500 Гц коэффици-
ент поглощения штукатурки АЦП равен 0,31, а гипсовой — 0,04. Следовательно,
заменить штукатурку нужно на площади 5АцП = 31/(0,31— 0,04) = 116 м2. На-
пример, можно покрыть штукатуркой АЦП половину потолка (120 м2).
Подсчитаем фонд поглощения на остальных октавных частотах. Результа-
ты расчета сведем в таблицу (табл. 4.5). Для полученного фонда поглощения
вычислим величины среднего (3.3) и реверберационного [см. табл. 1.5 или
(3.3)] коэффициентов поглощения и время реверберации (3.4) на всех октав-
ных частотах и запишем их в ту же таблицу. Определим отклонение времени-
реверберации на частотах 250 и 4000 Гц по отношению к 500 Гц. Они равны
соответственно 1,07 и 0,95, т. е. частотная характеристика времени ревербера-
ции близка к оптимальной (см. рис. 1.14).
Выбор системы озвучения и расчет ее геометрических данных. В рассматри-
ваемом случае можно применить как сосредоточенную систему, так и распре-
деленную. В сосредоточенной системе могут быть использованы рупорные гром-
105
Таблица 4.5
Расчет среднего коэффициента поглощения и времени реверберации1
| Ak 1 “А | Ak 1 1 ЛА 1 1 “А | 1 ЛА | 1 “А 1 Ak “А 1 1 "А
Тип поглотителя Количество для частоты, Гц
250 500 1000 2000 4000 6000
Люди Деревянные панели Гипсовая штукатурка Штукатурка АЦП 250 чел. 246 м2 420 м2 120 м2 0,41 0,11 0,04 0,27 103 27 17 32 0,44 0,10 0,04 0,31 ПО 25 17 37 0,46 0,03 0,06 0,31 1Г2 7 25 37 0,46 0,08 0,06 0,33 112 21 25 40 0,46 0,11 0,03 0,40 112 27 13 48 0,46 0,12 0,07 0,13 112 30 30 52
Сумма 768 м2 179 189 181 198 200 224
Средний коэффициент поглощения аСр Реверберационный коэффициент поглоще- ния а' 0,23 0,26 0,24 0,27 0,23 0,26 0,25 0,29 0,25 0,29 0,29 0,34
Время реверберации Г, с Отклонение 0,79 1,07 0,74 1,00 0,78 0,72 0,70 0,95 0,62
1 Поглощением в воздухе пренебрегаем из-за его малости.
коговорители или звуковые колонки. Распределенную систему можно применить
как с настенными цепочками, так и потолочными. Так как ширина помещения
равна 12 м, то в настенных цепочках можно использовать и ненаправленные
громкоговорители, и звуковые колонки. Очевидно, что лучшей системой будет
та, которая, во-первых, даст наименьшее значение максимальной величины акус-
тического отношения, во-вторых, небольшую неравномерность озвучения и,
в-третьих, будет удобнее в эксплуатации.
Следует сравнить сосредоточенные системы по акустическому отношению на
частоте 500 Гц. Соответственно (2.70) максимальная величина акустического
отношения для D2(0) = 1 Ямакс = 16лг2макс X (1 — aCp)/(aCpSs Йг) =
= 16л202 (1 —0,24) / (0,24 - 786ЙГ).
Для звуковых колонок коэффициент концентрации на 500 Гц не превышает
20 (см. приложение 3), а для рупорных он не менее 25. Поэтому применение
звуковых колонок не может обеспечить хорошую разборчивость речи. Акустиче-
ское отношение для звуковых колонок больше 8, а для рупорных громкоговорите-
лей меньше 3,2. Таким образом, в этом отношении рупорные громкоговорители
лучше.
Сравним сосредоточенную систему, построенную на рупорных громкоговори-
телях, с распределенной системой из ненаправленных громкоговорителей. Из
(2.80) следует, что соотношение максимальных величин акустического отноше-
ния для сосредоточенной и распределенной систем в виде настенных цепочек
Яс//?р=2л;/&о/ЙЬ) =2л20-2/(25-12) =0,83, т. е. по акустическому отношению
распределенная система из ненаправленных громкоговорителей немного уступает
сосредоточенной с рупорным громкоговорителем. Однако максимальное значение
акустического отношения для распределенной системы еще не выйдет за преде-
лы допустимых значений (3,2/0,83=3,9).
Если применить в распределенной системе звуковые колонки 2КЗ, имеющие
эксцентриситет в вертикальной плоскости ев = 0,95 (см. приложение 3), то соот-
ветственно (2.81) получается, что соотношение максимальных величин акустиче-
ских отношений для ненаправленных громкоговорителей и звуковых колонок
2КЗ в распределенной системе /?н/^нн = j/ 1 — ев = 2 V1 — 0,952 =0,63*
Следовательно, распределенная система из звуковых колонок создает акустиче-
ское отношение не более 3,9-0,63 = 2,5. По этому показателю она превосходит
сосредоточенную систему с рупорным громкоговорителем.
Расчет для распределенной системы в виде потолочных цепочек дает (см.
§ 2.5) еще более выгодные соотношения по акустическому отношению, так как
громкоговорители в потолочных цепочках находятся к слушателям ближе, чем
в настенных.
Из опыта известно, что потолочные цепочки из звуковых колонок дают наи-
меньшие величины неравномерности озвучения, а рупорный громкоговоритель —
наибольшие.
Более удобными в эксплуатации являются рупорные громкоговорители и на-
стенные цепочки. Поэтомv в дальнейшем рассматриваются только эти две систе-
мы.
Сосредоточенная система
Один рупорный громкоговоритель, вообще говоря, может озвучить аудиторию
с небольшой неравномерностью. Наибольшая неравномерность получается в бли-
жайших углах из-за снижения уровня, В дальних углах неравномерность невели-
ка, так как там уровень повышается из-за первичного отражения от боковых
стен.
Рассмотрим озвучение с помощью одного рупорного громкоговорителя, под-
вешенного на выступе передней стены под самым потолком (см. рис. 4.6). При
этом обеспечивается минимальная неравномерность. Высота подвеса над полом
составляет 5,5 м, а над первым рядом слушателей, если считать высоту сидя-
щих студентов равной 1 м, получается 4,5 м. Акустическая ось громкоговорителя
направляется на последний ряд в точку, находящуюся на высоте 1 м от пола, т. е.
на 4 м от пола в первом ряду. Тогда угол наклона оси к горизонтали a =
107
= arctg(/ifc//) =arctg(l,5/19) =4,5°, а расстояние от громкоговорителя до слуша-
теля в последнем ряду гмакс = y^2+/i2r== у 1924-1,52^19 м.
Выбор типа громкоговорителя и расчет звукового поля. Прежде всего вы-
берем уровень и подходящий тип спектра акустических шумов. Следует' учиты-
вать то, что во время лекций студенты будут переговариваться, особенно в по-
следних рядах. Уровень акустических шумов от разговоров может достигать
La = 60 дБ (см. § 1,5). Спектр шума возьмем речевого типа (№ 1 в табл. 3.5) с
общим уровнем на 5 дБ ниже табличных. Соответственно этому ориентировоч-
ное значение максимального уровня звукового поля (3.21) LTp = La + 25 = 60+
+25 — 85 дБ. Ему соответствует звуковое давление (3.22) рТр = 100’05(85~94) =
=0,36 Па. Такое давление должно быть в удаленной точке, т. е. на расстоянии
19 м от громкоговорителя. Используя соотношение (1.4), определим звуковое
давление на расстоянии 1 м от громкоговорителя Р1=рТрГмакс = 0,36-19=
= 6,9 Па.
Так рупорный громкоговоритель 10ГРД-5 при подведении к нему номиналь-
ной мощности развивает звуковое давление на расстоянии 1 м от него, равное
12 Па (см. приложение 3), следовательно, он подходит нам с запасом в
20 1g (12/6,9) = 5 дБ, т. е. Лпр.мин = 90 дБ. Для рупорного громкоговорителя не-
равномерность озвучения по средней линии на озвучиваемой плоскости опреде-
ляется ф-лой (3.119). Поэтому для выбранного расположения громкоговрителя не-
равномерность озвучения
Д L = 201g [0,5 (1 + ]/1+(1-е2) P/h2 )] = 201g [0,5 (1 +
+ /1+(1—0,772)192/52 ]=5,2 дБ.
где hr — высота подвеса громкоговорителя над озвучиваемой плоскостью (см.
рис. 4.6), равная 5 м; ев = е? = е — эксцентриситет эллипса направленности
10ГРД-5, равный 0,77 [6].
Абсцисса точки максимального уровня в озвучиваемой плоскости (3.31)
хм = hT tg а
1 + ctg2 а
У 1 _]_(! __е2) ctg2 а
5 Г 1 + (192/52)
5‘ 19 L /1 +(1 — 0,772) 192/52 “
11 = 6,3 м.
Это соответствует 8,2 м от передней стены (примерно у слушателей, сидящих
в пятом ряду). Определим уровень в двух точках первого ряда: в середине
(точка а) и на краю (точка в). Расчет проведем методом координат. Если
центр координат расположить на уровне пола под громкоговорителем, то для
точек а и в: х—3 м, ра = 0, рь = 5,85 м, z=l м, а=4,5°, /гг = 5,5 м. Находим
координаты, привязанные к осям эллипса направленности, (2.10):
и = х cos а (hr — z) sina = 3cos 4,5°-}- (5,5 — l)sin 4,5° = 3,36 м;
w = xsina — (/zr — z) cos a = 3sin 4,5° — (5,5 — 1) cos 4,5° = 4,25 m;
»а = Уа = 0;
»в = </b = 5,85 M.
Звуковое давление в точке а (2.11) при pi =12 Па
= Piu = Ра «24-к>2 / (1—^) + о2 [ (1— е2) 12-3,36 п „„ „ = ! =0,73 Па 3,362 + 4,252/(1 — 0,772) 4- 0
и в точке b 12-3,36
РЬ — ' =0,29 11а. 3,362 + 4,25а/(1 —0,772)4- 5,852/(1 —0,772)
108
Эти величины соответствуют уровням звука
La = 201g (ра/р0) = 201g (0,73/2.10~5) = 91,3 дБ и
Lb = 201g (0,29/2- IO”5) = 83,9 дБ.
Следовательно, в середине первого ряда уровень будет на 1,3 дБ выше, чем
в последнем ряду, а в первом ряду около стены — на 6,1 дБ ниже его. Заметим,
что в удаленных углах, вследствие первичного отражения от боковых стен, уро*
вень повышается примерно до уровня в середине последнего ряда. Уровень на
краю первого ряда можно поднять до 90 дБ подзвучиванием с помощью звуко-
вой колонки 2КЗ, подвешенной на боковой стене на высоте около 2 м. Однако
такое распределение уровней все же нельзя признать хорошим: во-первых, мес-
та вблизи лектора и без того озвучиваются непосредственно лектором, во-вто-
рых, получилось, что в середине пятого ряда уровень будет на 5,2 дБ выше,
чем в последнем ряду (для этих слушателей уровень будет слишком велик).
Можно было бы применить два рупорных громкоговорителя, подвешенных
на выступе передней стены близко к боковым стенам. В этом случае на местах
вблизи лектора уровень будет ниже на 6,6—3=3,6 дБ, чем в середине последне-
го ряда. Это в какой-то степени приближает распределение уровней к опти-
мальному, но и делает систему озвучения более громоздкой.
Чтобы избежать появления эха вследствие отражения от задней стены (раз-
ность хода лучей от громкоговорителя непосредственно до первого ряда и с от-
ражением от задней стены составляет около 30 м), лучше всего покрыть ее
штукатуркой АЦП выше уровня парт (24 м2). Остальную штукатурку АЦП сле-
дует расположить по потолку.
Выбор микрофона и расчет индексов передачи. Стационарный микрофон на
столе лектора находится как в поле прямого, так и диффузного звука, создавае-
мого, громкоговорителем, а переносный микрофон — только в поле диффузного
зйука. Определим уровень прямого звука, создаваемого громкоговорителем в
точке расположения стационарного микрофона. Расстояние от громкоговорителя
до микрофона, находящегося на высоте 1 м от пола на середине стола, равно
4,5 м, угол между осью громкоговорителя и направлением на микрофон состав-
ляет 75°. Из диаграммы направленности 1 ОГР Д-5 для 75° коэффициент направ-
ленности D = 0,27. Следовательно, звуковое давление у микрофона p=piDlr=
= 12-0,27/4,5 = 0,71 Па, что соответствует уровню 91,2 дБ.
Поскольку при чтении лекции перед стационарным микрофоном направле-
ния звуковых волн, излучаемых лектором и громкоговорителем, почти совпа-
дают, то предельный индекс передачи по прямому звуку (2.105) £Пр = ^+
+ (Ьпр.мин—£г.м)—12 = 0+(90—91,2)—12=—13,2 дБ. Можно показать, что та-
кое значение индекса передачи в акустических шумах с уровнем 60 дБ не мо-
жет обеспечить хорошую разборчивость речи, необходимую для аудиторий.
Определение уровня диффузного звука. Из (3.35) для pi=12 Па, Ss =
= 782 м2 и Qr=25,3 (см. приложение 3) величина
L, _ 101е4<1^> + +„,- +
д 5 асро2£2г 1 ь 786-25,Заср ~ аср ~
4-89,6 дБ.
Для частоты 500 Гц аСр = 0,24, поэтому LR=101g[(l—0,24)/0,24]+89,6=
= 94,6 дБ. Отсюда максимальное значение акустического отношения (3.36)
ALhm = 94,6—90 = 4,6 дБ. Для 250 Гц оно равно 5 дБ, для 6000 Гц соответственно
3,6 дБ. Следовательно, если взять микрофон типа МДО-1, для которого индекс на-
правленности равен 9 дБ, то предельный (критический) индекс передачи по диф-
фузному звуку (3.46) QKp = —5+9—12 = —8 дБ. При таком значении индекса
разборчивость речи будет близкой к хорошей, но в целом, с учетом сильной об-
ратной связи по прямому звуку, один рупорный громкоговоритель 1 ОГР Д-5 не
“может обеспечить хорошую работу системы озвучения.
Однако можно показать, что если два громкоговорителя 1 ОГР Д-5 размес-
тить вблизи боковых стен и направить их оси вдоль стен, а микрофон располо-
109
жить на оси помещения, то предельный индекс по прямому звуку получится
близким к требуемому, т. е. система из двух 1 ОГР Д-5 может обеспечить хоро-
шую разборчивость речи.
Распределенная система
Рассмотрим распределенную систему из двух настенных цепочек, состоящих
из звуковых колонок. Заранее ориентируемся на 2КЗ-2, так как менее мощных
колонок нет.
Высота подвеса колонки над озвучиваемой плоскостью (3.13)
ftu=0,5b]/'l— е? =0,5-12/ 1 —0,952 = 1,9 м.
При такой высоте подвеса уровни под цепочкой и на середине помещения бу-
дут одинаковыми, а подробный расчет звукового поля показал, что максималь*
ный уровень будет на расстоянии, равном четверти ширины помещения от боко-
вых стен, и не отличается более чем на 1 дБ от уровня на середине помещения
[см. ф-лы (2.59) и (2.60)]. Соответственно шаг цепочки (3.15)
d = 2йц У(1—е2) | (1 — е2) = 2-1,9 У (1 —0,52)/(1 —0,952) = 10,5 м.
При таком шаге неравномерность озвучения в продольном направлении
(2.57) не превысит 1 дБ. Так как направленность на высоких частотах несколь>
ко увеличивается, то шаг цепочки следует брать вдвое меньшим, т. е. 5 м.
Всего в каждую цепочку входит по три колонки. Первая колонка устанавли-
вается на расстоянии 2,5 м от задней стены по линии 14-го ряда, вторая — по
линии 9-го ряда и третья — по линии 4-го ряда (рис. 4.7). При таком разме-
Рис. 4.7. Распределенная
система озвучения ауди-
тории с двумя настенны-
ми цепочками из звуко-
вых колонок (ЗК)
щении колонок общая неравномерность не превышает 1 дБ по всей озвучивае-
мой плоскости за исключением первого ряда. Уровень в первом ряду примерна
на 2 дБ ниже, чем в конце аудитории. Для того чтобы на краю первого
ряда уровень был таким же, как и в конце аудитории, целесообразно размес-
тить третью колонку на линии 3-го ряда с разворотом в сторону середины 4-го
ряда.
Выбор микрофона и расчет индексов передачи. В данном случае нет смысла
рассчитывать предельный индекс по прямому звуку, так как колонки находятся
110
далеко от микрофонов и не направлены в их сторону. К тому же угол между
направлением прихода звуковых волн от лектора и от ближайших колонок со-
ставляет около 90°. В таком случае целесообразно применять бикардиоидный
микрофон, например, МДО-1. Этот микрофон имеет индекс направленности око-
ло 9 дБ, а индекс «фронт/тыл» не менее 15 дБ.
Определим акустическое отношение для выбранной системы озвучения. Для
двух цепочек из колонок 2КЗ-2 на средней линии помещения звуковое давле-
ние прямого звука определяется из (2.60)
2лр^1^1 — е? 2л 1,8^ 1—0,52
р2 =----------------= —. ---. = 0,57,
т. е. р=0,76 Па. Номинальное звуковое давление колонки 2КЗ-2 равно 1,8 Па,
а эксцентриситет направленности в горизонтальной плоскости колонки ег=0,5
(см. приложение 3).
Полученное звуковое давление соответствует уровню 91,6 дБ. В других точ-
ках уровень будет немного выше. Следовательно, есть запас по уровню, равный
201g (0,76/0,36) =6,5 дБ.
Уровень диффузного звука находим из (3.35) для S = 786 м2, pi = 1,8 Па и
п=6:
^=101g-~“cp + lOlg^^ + 111 = 101g-!~”cP +94,9 дБ,
На частоте 500 Гц Qr = 4,0 (см. приложение 3), аСр = 0,24, поэтому £д =
= 101g [(1—0,24)/(0,24 «4)]+94,9 = 93,9 дБ. Откуда акустическое отношение
ALj?M = 93,9—91,6 = 2,3 дБ. Данные акустического отношения на других час-
тотах приведены в табл. 4.6, где также даны значения коэффициента концентра-
ции (см. приложение 3) и среднего коэффициента поглощения аСр на октавных
частотах из табл. 4.5. Акустическое отношение получилось небольшим (от 4,7
до —1,0 дБ).
Таблица 4.6
Расчет предельного и рационального индексов тракта
Часто- та, Гц аср 2г £д 4£/?м ^кр “т ДАГ Е£Д в р.м ва ^рац
дБ
250 0,23 2,5 96,2 4,7 7,5 9,2 1,7 1,0 4,0 51,5 34,0 33,0 5,5
500 0,24 4,0 93,9 2,3 9,0 5,3 2,2 1,8 1,9 47,5 30,0 29,2 7,6
1000 0,23 5,0 93,2 1,6 11,0 2,6 1,8 2,7 2,5 39,0 21,5 22,4 7,6
2000 0,25 5,6 92,2 0,6 10,5 2,1 2,4 4,2 2,4 31,5 13,5 12,1 6,6
4000 0,25 6,5 91,5 —0,1 10,0 1,9 2,5 5,4 2,8 24,5 7,5 6,0 7,2
6000 0,28 6,8 90,6 —1,0 9,5 1,5 3,5 5,9 1,5 21,5 2,0 0,9 6,0
Предельный индекс передачи по диффузному звуку (3.46) на частоте 500 Гц
Qkp=^m—ALrm—12=9—2,3—12=—5,3 дБ. Аналогично рассчитаем индекс и
на других частотах и значения их запишем в таблицу (табл. 4.6). Такая вели-
чина предельного индекса может обеспечить хорошую разборчивость.
Для определения рационального индекса тракта найдем величины попра-
вок ALr и А£лг>На частоте 500 Гц поправка на реверберационные помехи
(3.45) ALr = y lgT=y4gO,74 =—2,2 дБ. Поправка на отражение от головы
(см. табл. 3.56) ДЛГ=1,8 дБ, и акустическое отношение для 500 Гц равно
2,3 дБ. Общая сумма поправок (3.44) составляет SAL=—2,2+1,8+2,3= 1,9 дБ.
Аналогично рассчитываем SAL на других частотах и результаты расчета по-
местим в табл. 4.6. Величина SAL изменяется в небольших пределах.
Ш
Пусть расстояние от лектора до микрофона равно 0,5 м, тогда поправка на
изменение уровня по отношению к уровню на расстоянии 1 м равна 6 дБ. Бе-
рем величины спектрального уровня речи из табл. 3.56 и, прибавляя к ним
€ дБ, переносим их в табл. 4.6. Туда же переписываем из табл. 3.56 спектраль-
Таблица 4.7
Расчет фактического индекса тракта
Частота, Гц Чувствитель- ность, дБ Суммарная чувстви- тельность, дБ Индексы тракта, дБ
МДО-1 | 2КЗ-2 ^кр ^рац 1 Q 1 м. с
250 —7 —2 —9 —9,2 5,5 —18
350 —4 1 —3 —12
500 —1 3 2 -5,3 7,6 — 7
600 0 4 4 — 5
1000 0 0 0 2,6 7,0 — 9
1400 —1 4 3 — 6
2000 1 — 1 0 —1,1 6,6 — 9
3500 —1 8 7 —2,0 — 2
4000 0 6 6 —1,9 7,2 — 3
5000 —1 3 2 — 7
6000 —2 3 1 —1,5 6,0 — 8
Рис. 4.8. Частотная зависи-
мость индексов тракта
1 — суммарного, нормированно-
го; 2 —- фактического; 3 — пре-
дельного; 4 — рационального
«ые уровни акустических шумов первого типа с уменьшением их на 5 дБ, так
как они там даны для общего уровня 65 дБ. Кроме того, прибавляем к ним
величину 101gT [см. (1.37)] для учета уменьшения уровня шума из-за поглоще-
ния. Вычисляем рациональный индекс тракта
(3.42). Так как на частоте 500 Гц Ва = 30 дБ,
Вр.м = 47,5 дБ и SAL =1,9 дБ, то имеем
фрац = Ва“““Вр.м4“ SAL 4-27 = 30—47,5—1,94“
4-27=7,6 дБ. Результаты расчета для других
частот приведены в табл. 4.6. Рациональный
индекс передачи во всем диапазоне частот по-
лучился значительно выше, чем предельный.
Это свидетельствует о том, что обратная связь
слишком велика. Уменьшить ее можно, увели-
чивая индекс направленности микрофона или
уменьшая акустическое отношение. Повысить
индекс направленности можно только примене-
нием специальных микрофонов (например,
ДЭМШ), что почти исключено из-за их не-
удобства. А заглушить стену позади микрофо-
на [см. (2.108)] в данном случае мы не можем,
так как эту часть стены занимает классная
доска. Уменьшить акустическое отношение
трудно, поскольку оно и так невелико. Таким
образом, следует ожидать получения очень не-
высокой разборчивости речи.
Определим фактический индекс тракта QM.c (см. § 3.5). Для этого норми-
руем частотные характеристики микрофона МДО-1 и звуковой колонки 2КЗ-2
относительно чувствительности на 1000 Гц (табл. 4.7) и затем просуммируем их.
На график (рис. 4.8) нанесем предельный и рациональный индексы передачи.
Затем сместим суммарную характеристику тракта по ординате так, чтобы она
нигде не превосходила предельного индекса, а лишь в одной или нескольких
точках касалась его. В данном случае ее надо сместить вниз на 9 дБ. Все по-
лученные данные запишем в табл. 4.7. Получилось, что только на 500 и 4000 Гц
фактический индекс мало отличается от предельного, а на остальных частотах
112
меньше предельного примерно на 6 дБ. Это можно выправить соответствующей
коррекцией.
Расчет разборчивости речи (см. § 3.6). Для каждой из полос равной раз-
борчивости (см. табл. 3.5а) рассчитаем спектральный уровень речи у микрофона
(3.47) при расстоянии между ним и лектором гм = 0,5 м. Для первой полосы
Вр.м=51,5 дБ (см. табл. 4.6). Далее рассчитаем спектральный уровень шума
для той же полосы: значения спектрального уровня шума первого типа из
табл. 3.5а уменьшаем на 5 дБ и lOlgT (см. выше). Для первой полосы получа-
ется Ва=39—5—1 = 33 дБ. Интерполируя величины 2AL и QM.c, приведенные в
табл. 4 6, 4.7 на средние частоты полос равной разборчивости, для первой поло-
сы получаем 2Д£=4 дБ и QM.c =—18 дБ. Рассчитаем спектральный уровень
речи у слушателя Вр.с (3.48) и спектральный уровень помех Вп (3.49) и про-
суммируем последний со спектральным уровнем акустических шумов Ва по ин-
тенсивности [(3.50) или (3.51)]. Для первой полосы имеем: Врс = 51,5—18 =
= 33,5 дБ, Вп = 33,5+4—21 = 16,5 дБ, Вш = 33+/(33,0—16,5) =33+0,1 =
=33,1 дБ. Далее из спектрального уровня речи у слушателя Вр.с вычтем вели-
чину помех и шумов Вш и найдем уровень ощущения формант Е (3.52) (для
первой полосы Е=33,5—33,1 = 0,4 дБ). По уровню ощущения найдем коэффи-
циент разборчивости w [см. (3.53) или табл. 3.3]. Для первой полосы он равен
0,21. Аналогично рассчитываем эти величины для остальных полос равной раз-
борчивости и полученные данные записываем в табл. 4.8. Суммируя коэффици-
Таблица 4.8
Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука при передаче речи
полосы | в р.м ва —Q -М.С в р.с Дп Е W 7 + 2
дБ о «к
1 51,5 33,0 4,0 18 33,5 16,5 33,1 0,4 0,21 2240 130 291
2 50,0 31,8 2,9 12 38,0 19,9 32,1 5,9 0,40 6300 135 850
3 47,5 29,2 1,9 7 40,5 21,4 29,8 10,7 0,56 11200 140 1570
4 45,0 26,8 2,2 5 38,0 19,2 27,5 10,5 0,55 6300 145 914
5 42,5 24,3 2,4 7 35,5 16,9 24,9 10,6 0,55 3550 150 532
6 40,0 21,9 2,5 9 31,0 12,5 22,4 8,6 0,49 1260 160 202
7 38,0 18,8 2,5 7 31,0 12,5 19,7 10,3 0,54 1260 *170 214
8 36,0 16,8 2,5 6 30,0 11,5 17,9 12,1 0,60 1000 180 180
9 34,5 14,7 2,4 6 28,5 9,9 15,7 12,8 0,63 709 190 135
10 33,0 13,7 2,4 7 26,0 7,4 14,6 11,4 0,58 400 200 80
11 32,0 12,6 2,4 9 23,0 4,4 13,2 9,8 0,53 200 220 44
12 31,0 11,6 2,4 8 23,0 4,4 12,4 10,6 0,55 200 240 48
13 30,0 10,6 2,5 8 22,0 3,5 11,4 10,6 0,55 158 270 43
14 28,0 9,6 2,6 8 20,0 1,6 10,2 9,8 0,53 100 310 31
15 27,0 8,5 2,7 7 20,0 1,7 9,3 10,7 0,56 100 360 36
16 26,0 7,5 2,8 2 24,0 5,8 9,7 14,3 0,68 250 430 107
17 25,0 6,5 2,6 3 22,0 3,6 8,3 13,7 0,66 158 520 82
18 24,0 4,4 2,4 4 20,0 1,4 6,2 13,8 0,66 100 640 64
19 23,0 2,2 2,0 6 17,0 — 2,0 3,5 13,5 0,65 50 850 43
20 21,5 —0,9 1,5 8 13,5 - 6,0 0,3 13,2 0,64 22 1360 31
енты разборчивости [см. (3.54)], находим формантную разборчивость А, она
равна 0,56 — это соответствует 85% слоговой разборчивости. Таким образом,
получили отличную понятность. Следует обратить внимание на то, что низ-
кие частоты передаются неэффективно (ze>i = 0,21). Как указывалось выше, при-
чиной этого является несколько пониженный индекс направленности микрофона
5—245 ИЗ
и громкоговорителей на этих частотах. Исправить это положение можно коррек-
цией усиления нижних частот на 10 дБ.
Расчет уровня прямого звука и выбор аппаратуры (см. § 3.7). По значе-
ниям спектральных уровней речи у слушателя (см. табл. 4.8) находим относи-
тельную спектральную плотность интенсивности J/Io (3.59), умножаем ее на
ширину соответствующей полосы равной разборчивости Afp (см. табл. 3.5а)- и
получаем интенсивность в этой полосе Д///о. Для первой полосы /1=
— 2238 /0, Afi = 130 Гц, поэтому A/i//o=291 • 103. Аналогично проводим вычис-
ления для остальных полос и данные заносим в табл. 4.8. Затем суммируем
интенсивности в полосах и получаем общую интенсивность (3.60), она равна
5590-103 /0. Средний уровень прямого звука получается равным 67,4 дБ. Это со-
ответствует среднему уровню речи 71 дБ. Пиковый уровень равен 67,4+12+3 =
= 82,4 дБ. Запас получился равным 91,6—82,4=9,2 дБ. Это и понятно — вы-
бранная нами колонка давала уровень выше на 6,5 дБ. Следовательно, при
ориентировочном выборе требуемого уровня мы завысили его примерно на
3 дБ.
Определим взвешенный индекс тракта. Соответственно (1.48), с учетом до-
бавки 6 дБ к уровню речи у микрофона вследствие приближения микрофона с
1 м до 0,5 м, QB3b = 67,4—(71+6) =—9,6 дБ, в то время как фактический ин-
декс тракта изменяется в пределах —18ч—2 дБ.
Общая электрическая мощность, необходимая для озвучения колонками,
Рэ = 6-2=12 Вт. Выбираем стандартную аппаратуру (см. приложение 4) «Звук»
1X25. Получился двойной запас по мощности. Если же взять два рупорных
громкоговорителя 1 ОГР Д-5, то потребовалась бы мощность вдвое большая. Для
этого случая подходит стандартная аппаратура «Звук» 2X25 (см. приложение
4)-
В заключение расчета следует указать на то, что в рассматриваемом случае
потолочные цепочки (рис. 4.6) обеспечили бы лучшую разборчивость речи, так
как расстояния от них до слушателей небольшие, особенно для последних ря-
дов. Это приводит к уменьшению акустического отношения и повышению раз-
борчивости речи на местах последних рядов.
4.3.
ОЗВУЧЕНИЕ ЗАЛА ОЖИДАНИЯ АЭРОВОКЗАЛА
Задание. Спроектировать установку озвучения для зала ожидания нового
аэровокзала размером 50X20X7,5 м (рис. 4.9). Одна продольная стена почти
наполовину состоит из окон и стеклянных дверей (200 м2). На уровне второго
этажа вокруг зала балкон. Как на первом, так и на втором этажах есть дере-
вянные двери общей площадью 100 м2. На обоих этажах пол паркетный с ас-
Рис. 4.9. Продольный и
поперечный вертикаль-
ные разрезы зала ожи-
дания аэровокзала
фальтовым основанием. Вся остальная ограничивающая поверхность зaлas пока
покрыта гипсовой штукатуркой. В зале возможно присутствие лишь небольшого
количества пассажиров, поэтому расчет следует вести для пустого зала, как
случая с наибольшим акустическим отношением.
Акустический расчет. Габаритный объем зала УОб = 50Х20Х7,5 = 7500 м3.
Из этого объема следует вычесть объем двух выступов, предназначенных для
бытовых целей: 71 = 2X2,5X20X4,5=225 м3, и объем перекрытия под балконом
7=2X2X50X0,5=100 м3. Свободный объем равен 7=7500—100—225 =
= 7175 м3. Общая площадь ограничивающих поверхностей зала 5Об = 2Х50Х
Х20+2(50+20)Х7,5+2X2,5X2X4,5=3000 м2. К этой площади следует приба-
114
вить площадь пола и потолка балкона 5п.б = 2X2X45X2 = 360 м2. Общая по-
глощающая поверхность составляет =3360 м2. Оптимальное время ревербе-
рации для объема 7175 м3 определяется по кривой 1 рис. '1.13. Оно равно 1,15 с.
По ф-ле (3.1) находим реверберационный коэффициент поглощения а'=
= 0,161 V/fTonrSs) =0,161 «7175/((1,15-3360) =0,30 и средний коэффициент по-
глощения [(3.1) и табл. 1.5] аСр = 1—е-а'=1—е“°’30=0,26, <хср=а'—Да=
= 0,30—0,04 = 0,26. Следовательно^, требуемый фонд поглощения Лтр = 0,26 X
Х3360 = 870 м2. Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на частоте 500 Гц
(коэффициенты см. в приложении 1). Поглощение стекла (200 м2) Ас = 200 X
Х0,03 = 6 м2; дерева (100 м2) Лд = 100X0,05 = 5 м2; паркета (1180 м2) Лп =
= 1180X0,07 = 83 м2; гипсовой штукатурки (1880 м2) Лг = 1880X0,04 = 79 м2;
всего Лим=173 м2. Требуется дополнительное поглощение ЛДОп=870—173-
=697 м2. Для этого заменим часть гипсовой штукатурки специальной штука-
туркой АГШ-Б (см. приложение 1). Коэффициент поглощения ее на частоте
500 Гц равен 0,73. Следовательно, необходимая площадь ее 5АГШ =0,697/(0,73—
—0,04) = 1000 м2. Гипсовая штукатурка будет занимать площадь 880 м2.
Подсчитаем фонд поглощения на всех расчетных частотах и результаты
расчета запишем в таблицу (табл. 4.9).
Т а б л и ца 4.9
Расчет среднего коэффициента поглощения и времени реверберации
Количе- ство “й Ak Ak “й Ak “й Ak ak Ak ak Ak
Тип поглотителя для частоты, Гц
250 500 1000 2000 4000 6000
Гипсовая штукатурка 880 М2 0,44 35 0,44 35 0,06 53 0,06 53 0,03 26 0,06 53
Паркет по асфальту 1180 м2 0,04 47 0,07 83 0,06 71 0,06 71 0,07 83 0,06 71
Дерево 100 м2 0,02 2 0,05 5 0,04 4 0,04 4 0,04 4 0,04 4
Стекло Штукатурка 200 м2 0,03 6 0,03 6 0,03 6 0,02 4 0,02 4 0,04 4
АГШ-Б 1000 м2 0,78 780 0,73 730 0,76 760 0,60 600 9,59 590 0,56 560
Сумма 3360 м2 870 839 894 732 717 692
Средний коэффициент 0,22
поглощения аср 0,26 0,25 0,27 0,21 0,21
Реверберационный ко- эффициент поглощения а' 0,30 0,29 0,31 0,25 0,24 0,23
Поглощение в воздухе
4цУ — — 12 72 172 360
Время реверберации Т, с 1,14 1,17 1,09 1,29 1,18 1,02
Для полученного фонда поглощения рассчитываем средние коэффициенты
поглощения (3.3) аср = Лим/3360 и реверберационные коэффициенты [см. (3.3)
и табл. 1.5] а'=—1п(1—аср), а'=аср+Да.
Для частот, начиная с 1000 Гц, подсчитаем поглощение в воздухе 4ц V. Зна-
чение коэффициента ц берем из табл. 3.1 для влажности 60% и умножаем их
5* 115
на 4V. Полученные данные вписываем в табл. 4.9 (для 1000 Гц lx=4-10-4, по-
этому 4p,V=4-4- 10~4Х7175= 12 м2).
По полной формуле Эйринга (3.4) находим время реверберации на всех рас-
четных частотах. Время реверберации для 500 Гц отличается от оптимального
на 2%. Отклонение времени реверберации на других частотах по отношению к
500 Гц не превышает 10%, а это вполне удовлетворительный результат (см.
рис. 1.14). Если в зале присутствует публика, время реверберации снижается,
но незначительно. Даже при 500 пассажирах оно уменьшится не более чем на
25%, а это вполне допустимо для информационных передач.
Выбор системы озвучения и расчет ее геометрических данных. Для рассмат-
риваемого зала наиболее пригодной будет распределенная система озвучения с
направленными громкоговорителями. Может быть использована система озвуче-
ния в виде двух цепочек, расположенных на боковых стенах, но при этом потре-
буется дополнительное озвучение или под балконом, или над ним. Если звуковые
колонки расположить на торцах перекрытия балкона, то потребуется дополни-
20
Рис. 4.11. Расположение громкоговорителей при потолоч-
ной системе озвучения
тельное озвучивание и под, и над балконом (рис. 4.10). Этому варианту свойст-
венна малая неравномерность озвучения, но эта система слишком сложна и по-
этому экономически и эксплуатационно невыгодна. Наиболее подходящей являет-
ся потолочная система. На рис. 4.11 показаны две потолочные цепочки с расстоя-
нием между ними 10 м. Плоскости колонок располагаются под углом 21° к по-
верхности потолка, оси колонок упираются в озвучиваемую плоскость (находя-
щуюся на уровне 1 м от пола) под углом 69°, на расстоянии 2,6 м от ближайшей
боковой стены. Высота центра колонки над озвучиваемой плоскостью равна 6,2 м.
При таком расположении колонок они озвучивают всю площадь как на первом
этаже, так й на балконе. В сравнении с колонками, подвешенными на торцах
116
перекрытия балконов, расстояние от цепочек до удаленного слушателя, т. е. слу-
шателя, находящегося на средней линии зала, получается несколько меньше, чем
для предыдущего варианта (8 м вместо 8,5 м).
Для высококачественного озвучения таких больших залов требуются мощ-
ные звуковые колонки, эксцентриситет направленности которых в продольной
плоскости ев составляет не менее 0,97, а в поперечной ег менее 0,93. Следова-
тельно, шаг цепочки (3.15)
<* < 2йц ]Л(1 -ф / (1 -е|) = 5,3 / (1 - 0,932)/( 1 + 0,97»)
= 8 м.
Исходя из полученного, шаг цепочки следует брать 5 м. Как будет пока-
зано дальше, такое уменьшение шага необходимо для получения требуемого
уровня прямого звука. Неравномерность озвучения в продольном направлении
зала будет меньше 1 дБ. Для озвучения потребуется 20 звуковых колонок (по
10 в каждой цепочке).
Озвучение без применения ограничителей уровня
Выбор типа звуковой колонки и расчет звукового поля. В залах подобного
типа уровень шумов достигает 70 дБ и более. Возьмем типовой шум для зала
с большим количеством разговаривающих людей (см. тип 3 в табл. 3.5). Уро-
вень шумов возьмем равным 73,5 дБ (с учетом добавки на влияние ревербера-
ции). Следовательно, с учетом ограничения ориентировочный уровень, который
должна создавать система озвучения в удаленной от нее точке (см. 3.21),
LTp = La4-20=73,5+20 = 93,5 дБ, что соответствует звуковому давлению рт₽ =
= 0,95 Па.
Из (3.27) получаем номинальное звуковое давление от одной колонки (на
расстоянии 1 м от нее)
Р1 = Ртр У dr0/n|/" 1—^ =0.95]/ 5-6,7/л У 1 — 0,93а =5,1 Па.
Удовлетворяет полученному номинальному звуковому давлению звуковая
колонка 25КЗ-6, так как ее номинальное давление равно 7,9 Па. Эта колонка
имеет эксцентриситет направленности в продольной плоскости ев = 0,977, а в по-
перечной еГ = 0,92. Исходя из этих данных, находим, что на озвучиваемой
плоскости, в точке пересечения с ней акустической оси колонки, уровень прямо-
го звука
Z-np = 10lg(jip? ) = 101g[л 7-9» /1 — 0,92а/(б,7.5-4. Ю'10)] =
= 97,6 дБ,
что на 4,1 дБ выше ориентировочного значения. Определим уровни в других
точках озвучиваемой плоскости. Рассмотрим три точки: у боковой стены под
балконом, у боковой стены на балконе (на высоте 1 м от пола балкона) и на
средней линии зала. В первой и второй точках можно не учитывать действие
второй, удаленной цепочки, так как она создает звуковое давление в зоне 5 м
от боковой стены на 10 дБ ниже, чем ближняя цепочка.
Из (2.52) и (2.53) получаем отношение квадратов звуковых давлений, раз-
виваемых одиночной цепочкой на оси одной из колонок и под углом у, к этой
оси на расстояниях соответственно го и от цепочек:
_ Р'° _ Гу 1 [1 —^cos2 т
К~ Рг ~ г» г 1— el
v ®
Из рис. 4.11 возьмем соответствующие углы и расстояния для выбранных точек:
Yi = 18°; 72=50°; уз=60°; г0=6,7 м; п = 8 м; Гг=5,3 м; /з=8 м.
117
Для первой точки уменьшение уровня равно
(о 1 / 1 — 0,9772cos2 18° \
6^ У-----1 -0,9772---) = 3.2 дБ,
для второй'—
,Л, Z'5,3 1/ 1 —0,9772 cos2 50° \
ДЬ2—101gу |/ ।__0,9772 /—3,6 дБ,
для третьей с учетом действия обеих колонок
( 8 1/ 1—0,9772 cos2 60°
ДГ8— 101g^6 7 у 1—0.9772
— 3 = 3,9 дБ.
Минимальный уровень прямого звука получается на средней линии зала
ЬПр.мин=97,6—3,9=93,7 дБ. Как видим, он почти равен ориентировочному.
Теперь определим, как целесообразно расположить поглощающие материа-
лы. Так как зал очень длинный, то чтобы избежать эха торцовые стены era
(290 м2) следует покрыть поглощающими плитами АГШ-Б. Для поглощения
тыльного излучения колонок стену за ними (10X20=200 м2) тоже покрыть пли-
тами. Остальные 510 м2 плит расположить на боковых стенах.
Выбор типа микрофона и расчет индексов передачи тракта. Поскольку мик-
рофон находится в отдельном помещении, изолированном от озвучиваемого зала,
то выбор микрофона определяется только общими требованиями к частотной ха-
рактеристике для передачи речи. Возьмем микрофон типа МД-52-А.
Уровень диффузной составляющей звукового поля (3.35) при pi = 1,8 Па,
л=20 и =3360 м2
пр] (1—осср) 1—аср
= 101ё a S Q---------+ 111 = 101б-------« + 1°6.7 ДБ.
А асРд2^гг асрЙг
Для частоты 500 Гц коэффициент концентрации колонки 25КЗ-6 Qr=ll,8 (см.
приложение 4), а средний коэффициент поглощения аср = 0,25 (см. табл. 4.9).
Подставляя их, получаем £д = 100,5 дБ, отсюда максимальное значение акусти-
ческого отношения (3.36) 100,5—93,7=6,8 дБ. Это несколько выше
нормы, но из §2,5 следует, что при заданном коэффициенте поглощения сни-
зить акустическое отношение можно только увеличением направленности в про-
дольной плоскости колонки. Однако это приводит к увеличению неравномерно-
сти озвучения. Таким образом, приходим к выводу, что снизить акустическое
отношение практически нельзя.
Зная средний коэффициент поглощения аср (см. табл. 4.9) и коэффициент
концентрации Qr (см. приложение 4), вычислим уровень диффузной составляю-
щей и акустического отношения для других, частот, результаты запишем в таб-
лицу (табл. 4.10). Видно, что акустическое отношение получилось почти одина-
ковым во всем диапазоне частот.
Поправки на реверберационные помехи, вычисленные по (3.45), поправки
на отражение от головы для октавных частот из табл. 3.56 запишем в табл.
4.10. Просуммируем все поправки (ALhm, ALr и ALr) и их сумму (3.44) также
запишем в табл. 4.10. В ту же таблицу перенесем из табл. 3.56 значения спект-
ральных уровней речи у микрофона (данные табл. 3.5 нужно увеличить на
12 дБ, так как микрофон находится на расстоянии 0,25 м, а не 1 м от рта)
и значения спектральных уровней акустических шумов типа 3 с добавлением
0,5 дБ из-за отклонения времени реверберации от 1 с [см. (1.37)]. Теперь рас-
считаем рациональный индекс передачи (предельный индекс не определяем из-за
отсутствия обратной связи) для 500 Гц <2Рац = Ва— Вр.м— SAL + 27 = 43—53,5—
—9,6+27 = 6,9 дБ.
Аналогично находим его и для других частот, результаты записываем в
табл. 4.10. Построенная по этим данным частотная характеристика получается
сравнительно равномерной, и лишь на частотах выше 2000 Гц есть западание.
Последнее объясняется резким спадом спектральной плотности акустических
шумов к высоким частотам из-за затухания звука в воздухе.
118
Таблица 4.10
Расчет рационального индекса тракта
Частота, Гц аср 2г Лд ^LT «г В р. м О ^рац
дБ
а) без ограничения уровня передачи
250 0,26 9,6 101,4 7,7 1,0 1,0 9,7 57,5 47,5 7,3
500 0,26 11,8 100,5 6,8 1,0 1,8 9,6 53,5 43,0 6,9
1000 0,27 15,7 99,1 5,4 0,6 2,7 8,7 45,0 36,0 9,3
2000 0,22 16,5 100,1 6,4 1,8 4,2 12,4 37,5 26,0 3,1
4000 0,21 16,7 100,2 6,5 1,0 5,4 12,9 30,5 13,5 —2,9
6000 0,21 17,0 100г2 б) с с 6,5 транич 0,0 ением 5,9 уровня П,4 27,5 5,5 —6,4
250 0,26 2,5 94,9 9,1 1,0 1,0 11,1 57,5 47,5 5,9
500 0,26 4,0 92,9 7,1 1,0 1,8 9,9 53,5 43,0 6,7
1000 0,27 5,0 91,7 5,9 0,6 2,7 9,2 45,0 36,0 8,8
2000 0,22 5,6 92,4 6,6 1,8 4,2 12,6 37,5 26,0 2,9
4000 0,21 6,5 91,8 6,0 1,0 5,4 12,4 30,5 13,5 —2,4
6000 0,21 6,8 91,8 6,0 0,0 5,9 11,9 27,5 5,5 —6,9
Т а блица 4.11
Расчет фактического индекса тракта
а) без ограничения уровня передачи
б) с ограничением уровня
Частота, Гц Чувствитель- ность, дБ Суммарная чувствитель- ность, дБ Индексы тракта, дБ Частота, Гц Чувствитель- ность, дБ Суммарная чувствитель- ность, дБ Индексы тракта, дБ
МД-52А 25КЗ-6 | э -wft и со О. О' МД-45 25КЗ-2 Q м. с Е* сЗ Q. О’
250 —3,6 —3,0 —6,6 2,4 7,3 250 —3,6 —2,0 —5,6 1,4 5,9
300 —3,4 0,0 —3,4 5,6 7,2
400 —2,7 —3,5 —6,2 2,8 7,0
500 —2,0 —1,0 —3,0 6,0 6,9 500 -2,0 3,0 1,8 8,0 6,7
1000 0,0 0,0 0,0 9,0 9,3 1000 0,0 0,0 0,0 7,0 8,8
1400 —1,0 —0,2 —1,2 7,8 6,2
2000 —0,4 —3,5 —3,9 5,1 3,1 2000 —0,4 —1,0 —1,4 5,6 2,9
3000 —3,4 —3,0 —6,4 2,6 —0,5
4000 —5,0 —1,0 —6,0 3,0 —2,9 4000 —5,0 3,0 -2,0 5,0 —2,4
5000 -5,0 —2,0 —7,0 6,0 —4,4
6000 —4,0 —1,0 —5,0 4,0 —6,4 6000 —4,0 3,0 —1,0 6,0 —6,9
Определим фактический индекс тракта (см. § 3.5). Пересчитаем частотные
характеристики микрофона МД-52 и звуковой колонки 25КЗ-6 в децибелах. Все
экстремальные значения чувствительности запишем в табл. 4.11 и просуммируем
их, а затем пронормируем по отношению к 1000 Гц. Нормированные и рацио-
нальные значения индекса запишем в табл. 4.11. По этим данным построим гра-
фик рис. 4.12. На него же нанесем и рациональный индекс передачи. Затем
суммарную характеристику сместим по оси ординат до наилучшего совпадения
119
ее с рациональной и отметим величину, на которую сдвинулась суммарная ха-
рактеристика на частоте 1000 Гц. Эту величину добавляем к значениям суммар-
ной характеристики, приведенным в табл. 4.11. Результат расчета представляет
фактическую частотную характеристику тракта QM.c (см. табл. 4.11 и рис. 4.12).
Расчет разборчивости речи (см. § 3.6). Для каждой из полос равной раз-
борчивости (см. табл. 3.5а) рассчитаем спектральный уровень речи у микрофона
(3.47). Диктор находится на расстоянии гм = 0,25 м от микрофона. Для первой
полосы Вр.м = 45,5+12=57,5 дБ. Далее для той же полосы рассчитаем спект-
Рис. 4.12. Частотные характеристики ин-
дексов трактов без ограничения уровня
передачи:
1 — суммарного, нормированного; 2 — факти-
ческого; 3 — рационального при ограничении?
уровня; 4 — суммарного; 5 — фактического^
6 — рационального
ральный уровень шума Ва. Для этого спектральный уровень для выбранного на-
ми акустического шума (№ 4, табл. 3.5а) повышаем на 0,5 дБ вследствие откло-
нения времени реверберации от 1 с (AB=101gT). Для первой полосы Ва =
= 47,5 дБ. Интерполируем величины SAL и QM.c, приведенные в табл. 4.10,
4.11 на средние частоты полос равной разборчивости. Для первой полосы
SAL = 9,7 дБ и Qmc = 2,4 дБ. Рассчитаем спектральный уровень речи у слуша-
теля Вр.с (3.48) и спектральный уровень помех Вп (3.49). Просуммируем уров.*
ни помех с уровнями акустического шума по интенсивности [(3.50) или (3.51)].
Для первой полосы Вр.с = 57,5—2,4 = 59,9 дБ, Вп = 59,9-4-9,7—21=48,6 дБ,
Bm = 48,6+f(48,6—47,5) =48,6+0,5=51,1 дБ. Затем вычтем этот уровень из?
спектрального уровня речи у слушателя и найдем уровень ощущения формант
(3.52) Е. Для первой полосы £=59,9—51,1=8,8 дБ. По уровню ощущения
найдем коэффициент разборчивости w [см. табл. 3.3 или (3.53)]. Для первой по-
лосы аУ1 = 0,49. Аналогично находим все эти данные для других полос равно»
разборчивости и записываем их в таблицу (табл. 4.12). Суммируя коэффициен-
ты разборчивости для всех полос (3.54), находим формантную разборчивость.
Она равна 0,50. Следовательно, слоговая разборчивость (см. табл. 3.4) равна
80%. Это соответствует отличной понятности речи (см. табл. 1.3). Коэффициент
разборчивости во всей полосе частот будет почти одинаковым (w = 0,474-0,57),
и поэтому никакой коррекции частотной характеристики не требуется.
При сокращенном расчете нет надобности в интерполяции суммарной по-
правки SAL и индекса тракта QM.C на средние частоты полос равной разборчи-
вости, а можно непосредственно использовать имеющиеся данные для октавных
частот (см. табл. 4.13). В остальном порядок расчета остается прежним. Полу-
ченные данные запишем в таблицу (табл. 4.13) и определим формантную раз-
борчивость (3.55) 4 = 0,05(0,49+3-0,54+4-0,57+6-0,47+5-0,46 + 0,52) =0,5. По
точному расчету она равна той же величине.
Расчет уровня прямого звука и выбор аппаратуры (см. § 3.7). По данным
спектральных уровней речи у слушателя (см. табл. 4.12) находим относитель-
ную величину спектральной плотности интенсивности J/Iq (3.59), умножаем ее
на ширину соответствующей полосы равной разборчивости (см. табл. 3.5а) и
получаем интенсивность в этой полосе А///о. Для первой полосы JIIo =
= 980-103, Afi = 130 Гц, поэтому AA/Zo = 127-106. Аналогично вычисляем А///»
для остальных полос и данные заносим в табл. 4.12. Затем суммируем интен-
сивности для всех полос и получаем общую интенсивность /Пр/7о. Она
равна 684-106, это соответствует среднему уровню речи 88,4 дБ. С учетом пик-
фактора (12 дБ) находим требующийся пиковый уровень прямого звука LnHK =
= 88,4+12=100,4 дБ. Это почти на 5 дБ больше уровня, создаваемого систе-
120
Таблица 4.12
Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука при передаче речи
М полосы
в р. м ЕД£ Q м. с В р. с Вп Вш Е W J , — •Ю’эГц-1 *о
дБ
1 57,5 47,5 9,7 2,4 59,9 48,6 51,1 8,8 0,49 980 130 127
2 56,0 45,0 9,6 2,8 58,8 47,4 49,4 9,4 0,51 955 135 129
3 53,5 43,0 9,5 6,8 60,3 48,8 49,8 10,5 0,55 1070 140 150
4 51,0 41,0 9,4 8,0 59,0 47,4 48,3 10,7 0,56 795 145 115
5 48,5 39,0 9,1 8,7 57,2 45,3 46,2 11,0 0,57 525 150 79
6 46,0 37,0 8,7 9,0 55,0 42,7 43,8 11,2 0,57 316 160 51
7 44,0 35,0 8,8 8,2 52,2 40,0 41,2 11,0 0,57 166 170 28
8 42,0 33,0 9,2 7,5 49,5 37,7 39,0 10,5 0,55 89 180 16
9 40,5 31,0 9,8 6,7 47,2 36,0 37,2 10,0 0,53 53 190 10
10 39,0 29,0 11,8 6,0 45,0 35,8 36,5 8,5 0,48 32 200 6
11 38,0 27,0 12,4 5,5 43,5 33,9 34,7 8,8 0,49 22 220 5
12 37,0 25,0 12,5 4,7 41,7 33,2 33,8 7,9 0,46 15 240 4
13 36,0 23,5 12,6 4,1 40,1 31,7 32,3 7,8 0,46 10 270 3
14 34,0 22,0 12,7 3,3 37,3 29,0 29,8 7,5 0,45 5 310 2
15 33,0 20,5 12,8 2,6 35,6 27,4 28,2 7,4 0,45 4 360 2
16 32,0 18,0 12,9 2,8 34,8 26>7 27,2 7,6 0,45 3 430 1
17 31,0 15,5 12,9 2,9 33,9 25,8 26,2 7,7 0,46 3 520 2
18 30,0 12,5 12,5 4,0 34,0 25,5 25,7 8,3 0,48 3 640 2
19 29,0 9,5 12,0 7,0 36,0 27,0 27,1 8,9 0,50 4 850 3
20 27,5 5,5 И,4 4,0 31,5 21,9 22,0 9,5 0,53 1 1360 1
Таблица 4.13
Сокращенный расчет разборчивости речи и уровня прямого звука
Часто- та, Гц 5р.м Ва ЕД L Qm.c ^р.с Е W J -Г -Юз, 7о Гц-1 ДЛ)КТ, Гц 'о
дБ
а) без ограничения уровня передачи
250 57,5 47,5 9,7 2,4 59,9 48,6 51,1 8,8 0,49 980 175 171
500 53,5 43,0 9,6 6,0 59,9 48,1 49,3 10,2 0,54 890 350 312
1000 45,0 26,0 8,7 9,0 54,0 41,7 42,8 П,2 0,57 256 700 175
2000 37,5 36,0 12,4 5,1 42,6 34,0 34,6 8,0 0,47 18 1400 25
4000 30,5 13,5 12,9 3,0 33,5 25,4 25,7 7,8 0,46 2 2800 6
6000 27,5 5,5 11,4 6) 4,0 1 при 31,5 огран 21,5 ичени! 22,0 1 УрО! 9,5 шя пе 0,54 :редач 1 и 2000 2
250 57,5 47,5 11,1 1,4 58,9 33,0 47,7 7,2 0,43 776 175 136
500 53,5 43,0 9,9 8,0 61,5 34,4 43,5 14,0 0,67 1413 350 495
1000 45,0 36,0 9,2 7,0 52,0 24,2 36,3 11,7 0,59 159 700 111
2000 37,5 26,0 12,6 5,6 43,1 18,7 26,7 12,4 0,61 20 1400 28
4000 30,5 15,5 12,Б 5,0 35,5 10,9 15,4 16,1 0,79 4 2800 11
6000 27,5 5,5 11,9 6,0 33,5 8,4 10,2 19,3 0,89 2 2000 . 4
мой озвучения в удаленной точке. Этого и следовало ожидать, так как мы рас-
считывали на небольшое ограничение пиков речи. Заметим, что расчет по сокра-
щенной методике (см. табл. 4.13) дает то же значение уровня, т. е. 88,4 дБ.
121
Можно взять громкоговорители, идентичные по направленности, но более
мощные, например 50КЗ-2Т. Номинальное звуковое давление, развиваемое гром-
коговорителем 50КЗ-2Т, составляет 14,5 Па, т. е. на 5,3 дБ выше, чем для
25КЗ-6. Поэтому они будут создавать уровень LnHK = 93,7+5,3 = 99 дБ, т. е.
только на 1,3 дБ ниже требуемого при передаче пиковых уровней речи. Для 26
колонок 50КЗ потребуется мощность не менее 1 кВт. Хотя по разборчивости эта
система озвучения оказалась отличной, но по экономическим показателям она
не годится.
Уменьшим усиление в предварительном усилителе на 6 дБ. На такую же
величину уменьшится и индекс тракта, а также и спектральный уровень рече-
вого сигнала у слушателя Вр.с и уровень помех от речи Вп. В этом случае
никакого ограничения уровней пиков речи не будет. Суммируя уровень помех
от речи с акустическими шумами Ва [см. (3.51)] аналогично предыдущему ва-
рианту, находим суммарный уровень шумов и помех Вш, а вычитая его иэ
уровня речи, находим уровень ощущения формант Е, а по нему — коэффициент
разборчивости w для каждой октавной полосы. Они имеют следующие значе-
ния: 0,45; 0,46; 0,50; 0,42; 0,43; 0,51. Суммируя коэффициенты разборчивости па
приближенной ф-ле (3.55), находим формантную разборчивость А = 0,45, что
соответствует слоговой разборчивости 75%, т. е. понятности речи, близкой к от-
личной, Для информационной системы такая разборчивость вполне подходит.
Для этого случая требуемый пиковый уровень будет меньше на 6 дБ, чем
для предыдущего, т. е. Епик = 100,7—6=94,7 дБ. Этот уровень всего на 1 дБ
выше, чем обеспечивает система в самой худшей точке зала. Для работы этих
громкоговорителей требуется усилитель мощностью не менее Рэ=25»20 =
= 500 Вт. Можно было бы применить усилитель ЗУС-400 (см. приложение 5)г
но такой усилитель не подходит по экономическим показателям.
Озвучение с ограничителем уровня
Рассмотрим систему озвучения с применением ограничителя уровня в ре-
жиме подавления высоких уровней, поскольку требуемая мощность получилась
большой. Вместо колонок 25КЗ-6 применим колонки 2КЗ-2 с тем же распределе-
нием по залу. На входе мощного усилителя включим ограничитель уровня. При
этом для слабых звуков усиление оставим прежним, а для громких звуков уси-
ление снизим на 16 дБ.
Расчет звукового поля и индексов передачи. Звуковые колонки 2КЗ-2 будут
создавать номинальный уровень прямого звука на озвучиваемой плоскости и
точке встречи ее с осью колонки (для pi == 1,8 Па, Го = 6,7 м, d = 5 м,
Ро=2-1О-5 Па)
ЯР1]/ 1—ej;
^Пр = 101g
л 1,8а/ 1 — 0,52
9 = 101g----—---------= 88,2 дБ,
Го^Ро 6,7.5^4-10“10
так как для колонки 2КЗ-2 ег = 0,5 и ев = 0,95 (см. приложение 4). В сравне-
нии с прежней системой уровень прямого звука получился на 9,5 дБ меньше.
Аналогично предыдущему варианту определим разницу между уровнями в за-
данных трех точках зала и уровнем в точке пересечения оси громкоговорителя с
озвучиваемой поверхностью.
Для первой точки (под балконом) уменьшение уровня по сравнению с уров-
нем на оси колонки составляет
/ 8 1/ 1 — 0,952cos2 18° \ _
Д£, = 101g^6>7 |/ 1 — 0.953 /-2’2 дБ-
Для второй точки (на балконе)
/5,3,/ 1 _ o,952cos2 50° \
Д£2 = 101g^6 7 |/ 1—0,95а J —2,4дБ.
122
Для третьей точки (на средней линии зала)
( 8 л/ 1 — 0,952cos260° \ п п „
&L3—101g у 1_______________0,952 /—3 — 2,4 дБ,
Следовательно, неравномерность озвучения в поперечном направлении равна
2,4 дБ, а минимальный уровень прямого звука озвучиваемой плоскости будет
на средней линии зала Lnp.мин=88,2—2,4 = 85,8 дБ. Неравномерность озвучения
в продольном направлении ничтожно мала. Из (3.35) получаем уровень диффуз-
ной составляющей поля
пр, (1—аср) 1— а.р
Ья = 101S ‘ е о ' + 111 = Ю 1g---------7е- + 94,3 дБ,
Л асР о аср Qr
так как pi = 1,8 Па; п = 20; S = 3360 м2.
Для частоты 500 Гц коэффициент концентрации колонки 2КЗ-2 Qr=4,0, а
средний коэффициент поглощения для данного случая аСр = 0,25. Следователь-
но, диффузная составляющая £д=92,9 дБ. Поэтому на этой частоте максималь-
ное акустическое отношение А£дм=92,9—85,8 = 7,1. дБ.
Сравнивая его с акустическим отношением для предыдущей системы, полу-
чаем, что акустическое отношение немного уменьшилось. Это объясняется тем,
что колонка 2КЗ-2 имеет меньшую направленность в горизонтальной плоскосги
и поэтому в каждой точке уровень прямого звука складывается от действия
многих колонок, а при использовании колонок 25КЗ-6 действие других колонок
сказывается слабее из-за большей их направленности. Если учесть то, что нерав-
номерность озвучения в поперечном направлении (из-за большей направленности
в вертикальной плоскости 25КЗ-6, чем 2 КЗ-2) больше, то разница получается в
пользу колонки 2КЗ-2. Но эта колонка имеет меньший коэффициент концентра-
ции, и поэтому диффузная составляющая получается (при равном уровне пря-
мого звука) больше, чем для колонки 25КЗ-6.
По величине среднего коэффициента поглощения и коэффициента концентра-
ции колонки 2 КЗ-2 находим диффузную составляющую для остальных частот.
Результаты расчета записываем в таблицу (табл. 4.106). Затем определяем акус-
тическое отношение в децибелах (3.36) и записываем их туда же. Значения
акустического отношения получились близкими к верхнему пределу и мало отли-
чаются от предыдущего варианта. Вычислим суммарную поправку SAL (3.44)
для данного варианта и определим рациональный индекс тракта (3.42). Данные
запишем в таблицу (табл. 4.10). Из этих данных следует, что рациональный ин-
декс тракта мало отличается от предыдущего варианта, и поэтому условия по-
лучения наибольшей разборчивости остаются прежними, но для громких звуков
уровень снижается на 16 дБ.
Для микрофона МД-52А (см. табл. 4.11) и звуковой колонки 2КЗ (см
табл. 4.3) определим суммарную характеристику и к ней добавим 7 дБ, так
как при этом рациональный и получаемый фактический индексы в среднем час-
тотном диапазоне будут наиболее близки друг к другу. На частотах выше
1000 Гц фактический индекс получается выше рационального и хотя это допус-
тимо, но все же целесообразно для лучшего звучания ввести соответствующую
коррекцию. Данные QM.c запишем в табл. 4.11 и нанесем на график рис. 4.12.
Расчет разборчивости речи. В табл. 4.136 из табл. 4.126 перепишем значения
Вр.м и Ва. По значениям Вр.м и QM.c вычисляем Вр.с для неограниченной речи
(без применения ограничителя уровня). Рассчитаем помехи от речи с поправкой
на ограничение (на 16 дБ) (см. табл. 3.6). Для частоты 500 Гц [(3.48), (3.49)]
Вр.с = 53,5+8 = 61,5; Вп = 61,5+9,9—21—16 = 34,4 дБ. Аналогично рассчитаем их
для других октавных частот и запишем в табл. 4.13. Затем найдем суммарный
уровень помех и шумов (3.50) Вш. Для частоты 500 Гц Вш=43,5 дБ. Находим
уровень ощущения (3.57) Е с поправкой на подавление слабых уровней ALor,
которую берем из табл. 3.6 с интерполяцией для ограничения на 16 дБ. Она
равна 4 дБ. Следовательно, для частоты 500 Гц уровень ощущения Е=61,5—
—4—43,5 дБ. По уровню ощущения находим (см. табл. 3.3) коэффициент разбор-
чивости w = 0,67. Рассчитываем его и для остальных октавных частот и запи-
сываем в табл. 4.136. Затем по ф-ле (3.55) вычисляем формантную разборчи-
вость. Она равна 0,65, что соответствует слоговой разборчивости 90%, т. е. от-
123
личной понятности (см. табл. 1.3). Следует сказать, что по разборчивости мь₽
получили данные выше, чем для звуковых колонок 50КЗ.
Рассчитаем уровень прямого звука. Сначала найдем уровень прямого звука
для неограниченной речи. Для этого определим относительную плотность 7//0
для уровней Вр,с. Для частоты 500 Гц соответствующая плотность равна
141О-1О3/о- Умножая ее на ширину октавы (AfOKT = 350 Гц), получаем интен-
сивность А/. Она равна 495-1О6/о. Вычисляем эти величины для других октав-
ных частот и записываем результаты в табл. 4.136. Затем суммируем все интен-
сивности и получаем общую интенсивность /пр. Она равна 785-1О6/о, что соот-
ветствует уровню 88,9 дБ. Это средний уровень. Для определения пикового-
уровня к полученному значению добавляем 12 дБ (величину пикфактора для
неограниченной речи), получаем 100,9 дБ. Так как пиковый уровень ограничен
на 16 дБ, то он составляет 100,9—16 = 84,9 дБ.
А наша система обеспечивает в худшей точке 85,8 дБ, т. е. на 0,9 дБ выше
требуемого. Требуемая мощность усилителя 2-20=40 Вт. Пригоден серийный
усилитель на 50 Вт (например, «Звук» 2X25). Поскольку для такого ограниче-
ния (см. табл. 3.6) пикфактор составляет 6,8 дБ, то средний уровень передачи
будет 78,6 дБ. Как видим, применение ограничения уровня повышает разборчи-
вость речи в шумах и создает возможность применения менее мощной системы
звукоусиления, которая имеет преимущество и по экономическим показателям.
4.4.
ЗВУКОУСИЛЕНИЕ В АППАРАТНОМ ЗАЛЕ
Задание. Рассчитать систему звукоусиления в аппаратном зале, расположен-
ном в помещении коридорного типа (рис. 4.13).
Зал имеет большую длину (30 м) и сводчатый потолок (его средняя высота
Разрез по ВГ
равна 5,5 м), что требует проверки на
эхо. Почти во всю длину помещения
(28 м) посередине расположен стол, ши-
риной в 2 м, за ним сидят 38 операторов
и один диспетчер. Помещение имеет ни-
1пи глубиной 1 м и шириной 3 м в обеих
боковых стенах. Потолок в нишах свод-
чатый, и средняя высота ниши равна
3 м. Ниши расположены симметрично по
пять в каждой стене с расстоянием 3 м.
В нишах установлены столы длиной 3 м
и шириной (в глубину ниш) 1 м. За эти-
ми столами сидят 20 операторов. С уче-
том одного рассыльного в зале находит-
ся 60 человек. Вдоль свободных боковых
стен стоят деревянные шкафы высотой
2 м, глубиной 0,5 м и шириной 3 м. Все-
го таких шкафов 8. Пол гранитный, сте-
ны гладкие бетонные, потолок облицован
простой гипсовой штукатуркой.
В зале 59 телеграфных аппаратов,
и у каждого оператора есть телефонный
аппарат, по которому он может разго-
варивать во время работы телеграфного
аппарата. Общий уровень шумов до об-
работки помещения составлял 83 дБ.
Требуется централизованное и индиви-
дуальное оповещение операторов со сто-
ла диспетчера. В данном случае расчету
Рис. 4.13. Вертикальный разрез и
план аппаратного зала
124
подлежит только система централизованного оповещения. По системе звукоуси-
ления может передаваться достаточно сложная по смыслу информация, поэтому
слоговая разборчивость должна быть близка к 80% (см. табл. 1.3).
Акустический расчет. Габаритный объем равен 6X30X5,5 = 990 м3. Объем
ниш 3X3X1X10=90 м3. Из объема помещения следует вычесть объем шкафов
2X0,5X3X8 = 24 м3 и объем тумб (столов) 1X1X1X59 = 59 м3. Свободный
объем зала V—1000 м3. Определим величину ограничивающей поверхности зала.
Пол 30X6=180 м2, торцовые стены 6X5,5X2 = 66 м2, потолок 7X30=210 м2
и боковые стены 4,7X30X2 = 210 м2. Общая ограничивающая поверхность =
= 738 м2. Для помещения объемом 1000 м3 оптимальная реверберация равна
(см. рис. 1.13, кривая 1) 1 с. Для зала подобного назначения ее целесообразно
брать гораздо меньшей (например, 0,5—0,7 с при частоте 500 Гц). Возьмем
7 = 0,7 с. Для частоты 500 Гц найдем реверберационный коэффициент поглоще-
ния (3.1) а'=0,161 V(SsT) = 0,161 • 1000/(738-0,7) =0,311, а по нему —средний
коэффициент поглощения аср = 1 —е~°’зи = 0,268 или [табл. 1.5] аСр = 0,311—
— 0,043 = 0,268. Следовательно, необходимый фонд поглощения Лтр =
= acpS2=0,268X738= 198 м2. Подсчитаем имеющийся фонд поглощения на
частоте 500 Гц (коэффициенты поглощения берем из приложения 1): лю-
ди Ал = 0,44X60=26 м2, свободный пол Ап = 0,03 X 122=4 м2, стены Ас =
= 0,02(282+66) =7 м2, потолок Анот = 0,04X210=8 м2, столы Ас = 126X0,05=
= 6 м2. Суммарное поглощение АИм = 53 м2. Это соответствует среднему коэф-
фициенту поглощения аср = 53/738=0,072. Следовательно, дополнительно тре-
буется АДОП = 198—53=145 м2. Свободный пол нужно покрыть резиновым ков-
ром, это даст поглощение АР=(0,08—0,03)122 = 6 м2, половину потолка — але-
бастровой штукатуркой, Аш=(0,14—0,04)105=11 м2, задние стены в нишах и
половину потолка — штукатуркой АГШ-Б, добавляется поглощение Ан —
= (0,73—0,02)90+(0,73—0,03)105=138 м2. Суммарное дополнительное погло-
щение равно 155 м2, т. е. немного больше требуемого. Кстати, при таком рас-
положении поглощающих материалов устраняется резонанс ниш и возможность
образования эха от потолка. Правда, в зале такой длины не должно быть эха,
так как звуковые волны будут затухать, поглощаясь потолком и людьми, сидя-
щими вдоль всего зала.
Зная коэффициенты поглощения на других частотах, подсчитаем фонд по-
глощения на них. Данные запишем в таблицу (табл. 4.14). Общая поглощаю-
щая поверхность больше, чем ограничивающая помещение, так как добавляется
боковая поверхность столов.
Для полученного фонда поглощения рассчитаем средние коэффициенты по-
глощения acp (3.3), а по ним—реверберационные ((3.3) и табл. 1.5] и время
реверберации Т (3 4). Затухание в воздухе не учитывается, так как основные
звуковые волны распространяются в поперечном направлении, имеющем малые
размеры. Запишем полученные данные в табл. 4.14. Как видно, наибольшее
время реверберации получилось на частоте 2000 Гц и равно оно 0,79 с, мини-
мальное 0,62 с — на частоте 1000 Гц. Отклонение от линейной зависимости нахо-
дится в пределах +13%, а это вполне удовлетворительный результат.
Выбор системы озвучения и расчет ее геометрических данных. В данных
условиях (большая длина зала) пригодна только распределенная система. При
такой ширине помещения можно применить одну или две настенные цепочки из
ненаправленных громкоговорителей. Так как уровень акустических шумов велик,
то целесообразно применить две цепочки.
Высота подвеса цепочки над головами слушателей определяется из усло-
вия (3.9) /гц> 0,36 = 0,3-6= 1,8 м.
Увеличиваем ее до 2 м (над полом высота подвеса будет равна 3 м), так
как на этой высоте находится карниз, к которому удобно прикрепить громкого-
воритель. Шаг цепочки (3.11) берем из условия d^2/i4 = 2-2=4 м. Уменьшим
его до 3 м, так как крепить громкоговоритель удобно к стенам ниш. Всего гром-
коговорителей потребуется 20 шт.
Так как торцовые стены не заглушены, то вследствие отражения волн от
них цепочки могут считаться бесконечными и уровень на средней линии зала бу-
дет везде одинаковым. Расстояние цепочек от озвучиваемой поверхности по
средней линии зала г0= V” Л2ц+^2= V22+32=3,6 м; расстояния от цепочек до
125
Таблица 4.14
Расчет среднего коэффициента поглощения и времени реверберации
Тип поглотителя Количе- ство ak М lAJ IM ak I'M IM “» lAft
для частоты, Гц
250 500 1000 2000 4000 6000
Люди Резиновый ко- 60 чел. 0,41 25 0,44 26 0,46 28 0,46 28 0,46 28 0,46 28
вер 122 м2 0,04 5 0,08 10 0,12 15 0,08 10 0,10 12 0,08 10
Деревсг Дерево Бетонная пере- 58* мз \ 82 м2 / 0,02 3 0,05 7 0,04 6 0,04 6 0,04 6 0,04 6
городка Алебастровая 258 м2 0,01 3 0,02 5 0,02 5 0,02 5 0,04 10 0,04 10
штукатурка Штукатурка 105 м3 0,10 11 0,14 15 0,15 16 0,25 16 0,20 21 0,23 24
АГШ-Б 195 м3 0,78 158 0,73 142 0,76 148 0,60 117 0,59 115 0,56 J09
Сумма 798 м2 205 205 218 177 192 187
Средний коэффициент
поглощения аср Реверберационный ко- 0,28 0,28 0,30 0,24 0,26 0,25
эффициент поглоще-
ния а' 0,323 0,323 0,350 0,274 0,300 0,292
Время реверберации Г, с 0.68 0,68 0,62 0,79 0,73 0,75
* 82 м2 составляют боковую поверхность столов и шкафов и в основную ограничиваю-
щую поверхность не входят.
слушателей, сидящих под щепочками, 2 и 6,3 м; расстояния от цепочек до слу-
шателей, сидящих по бокам среднего стола, соответственно составляют 2,8 и
4,5 м (см. рис. 4.13).
Выбор типа громкоговорителей и расчет звукового поля. Сначала найдем
общий уровень акустического шума, получающийся после акустической обра-
ботки зала. На частоте 500 Гц коэффициент поглощения до обработки был
0,072, а после обработки 0,277. Следовательно, уровень акустических шумов
на этой частоте будет снижен ща Д£= 101g (0,277/0,072) =6 дБ. На других час-
тотах уменьшение уровня шума примерно такое же, так как время ревербера-
ции изменяется в небольших пределах. Поэтому будем считать, что уровень шу-
мов вместо заданных до обработки помещения 83 дБ будет равен 77 дБ. В
табл. 3.56 под № 4 приведен как раз такой тип шума со средним уровнем,
равным 77 дБ. 7
Для того чтобы перекрыть такой уровень шума, пиковый (ориентировочный)
уровень (см. 3.21), развиваемый громкоговорителями, должен быть примерно
£тр=£а+15=77+15=92 дБ. Этот уровень соответствует звуковому давлению
(3.22) рм = 10°’05<92"94)=0,79 Па.
Чтобы получить такое давление на средней линии зала, необходимо иметь
громкоговоритель с номинальным давлением (3.25) Pi=pM К лх//2л=»
= 0,79 }^3,6‘3/2л = 1,03 Ца. Здесь подходящим громкоговорителем будет гром-
коговоритель 1ГД-6, имеющий номинальное звуковое давление не менее 0,95 Па.
Это дает небольшое снижение уровня [201g (1,03/0,95) =0,7 дБ]. Рассчитаем
уровни звукового поля в наиболее характерных точках.
Подставляя в (2.16) расстояния от цепочки до заданных точек на озвучи-
ваемой поверхности, находим квадраты звуковых давлений и уровень: для дис-
петчера
126
р*ис = 2лр| / dre = 2л 0,952(3-3,6) = 0,522; £дис = 101g(0,522/4- 1О~10)) =
= 91,2 дБ;
0,62, £ц= 101g х
0,547, Lc = 101g X
для слушателей, сидящих под цепочками,
, nPi / 1 1 \ л0,952 / 1
Рц= d (йц + г 3 \ 2 ’
X (0,62/(4- 1О~10)) = 91,9 дБ;
для слушателей у среднего стола
2 пР1 / 1 1 \ л0,952 / 1
Рс~ d \ ri + гл)~ 3 \2,8 4
X (0,547/(4-10~10)) = 91,4 дБ.
Таким образом, неравномерность озвучения в поперечном направлении состав-
ляет ДА = 91,9—91,2=0,7 дБ.
В продольном направлении неравномерность озвучения (2.46)
Д Ц = 201g cth (л h^/d) = 201g cth (л 2/3) = 0,1 дБ.
Выбор микрофона и расчет индексов тракта. Определим уровень диффуз-
ной составляющей поля. Из (3.5)
np?(l—асР) 1—а..п
Ьд = 101g---!—я---------+111 = 101g-------— + 94,9 дБ,
асР д2 ° асР
так как S2=938 м2; n=20; pi = 0,95 Па.
Подставляя величину среднего коэффициента поглощения, найдем уровни
диффузной составляющей для всех расчетных частот и запишем их в табл.
4.15. Для частоты 500 Гц этот уровень равен 99,1 дБ.
Таблица 4.15
Расчет предельного и рационального индексов тракта
л о % я ®ср дч Фкр —ДА р 4Лг ХД£ 8р.М ва ^рац
STU, Л
250 0,28 99,1 7,9 36 16,1 2,8 1,0 6,1 77,5 50,0 6,6
500 0,28 99,1 7,9 30 10,1 2,8 1,8 6,9 73,5 46,0 7,4
1000 0,30 99,1 7,5 24 4,5 3,5 2,7 6,7 65,0 40,5 4,2
2000 0,24 99,9 8,7 18 —2,7 1,7 4,2 11,2 57,5 35,5 6,2
4000 0,26 99,4 8,2 12 —8,2 2,3 5,4 11,3 50,5 31,0 3,8
6000 0,25 99,6 8,4 8 —12,4 2,1 5,9 12,2 47,5 29,0 3,7
Учитывая, что минимальный уровень прямого звука равен 91,2 дБ, найдем
величину акустического отношения как разность этих данных (3.36), она равна
7,9 дБ. Вычисленные величины для других частот приведены в табл. 4.15. Из
этих данных видно, что акустическое отношение будет несколько выше рекомен-
дуемого на 1,5—2,5 дБ. Такое превышение еще не очень велико, но лучше, если
бы его не было. Можно применить звуковые колонки 2КЗ-2, имеющие номи-
нальное давление 1,8 Па и повышенные коэффициенты концентрации по сравне-
нию с диффузорным громкоговорителем 1ГД-6. Это приведет к снижению акус-
тического отношения до приемлемых значений. Но все же мы продолжим расче-
ты для громкоговорителя 1ГД-6.
127
Для заданных уровней акустических шумов вещательные микрофоны непри-
годны, поэтому возьмем микрофон типа ДЭМШ. Его индекс направленности за-
пишем в табл. 4.15. Заметим, что его шумостойкость очень велика на низких
частотах, а на высоких приближается к шумостойкости вещательных микрофо-
нов. Но на высоких частотах спектральный уровень акустических шумов обыч-
но значительно ниже, чем на низких, и поэтому такой микрофон удовлетворяет
высоким требованиям по шумозащищенности тракта.
Вычислим предельный индекс тракта по диффузному полю, так как для рас-
пределенной системы предельный индекс тракта по прямому звуку очень мал.
Подставляя в (2.106) значения индекса направленности для микрофона ДЭМШ,
Таблица 4.16
Расчет фактического индекса тракта
Частота, Гц Чувстви- тельность, дБ Суммарная чувствитель- ность, дБ Индексы тракта, дБ Частота, Гц Чувстви- тельность, дБ Суммарная чувствитель- ность, дБ Индексы тракта, дБ
ДЭМШ 1ГД-6 <?кр Фрац @м.с ДЭМШ 1ГД-6 GKp Фрац @м.с
250 —10 0 — 10 16,1 —6,6 —24 2000 7 —3 4 —2,5 —6,2 —10
500 —7 2 —5 10,1 —7,4 —19 4000 9 —3 6 —8,2 —3,8 — 8
1000 0 0 0 4,5 —4,2 —14 6000 —7 —6 —13 —12,4 —3,7 —27
находим искомые индексы тракта. Для частоты 500 Гц QKp = ^M—Д£нм—12 =
= 30—7,9—12 = 10,1 дБ. Вычисленные значения индекса записываем в табл. 4.15.
На высоких частотах индекс падает до —12,4 дБ. Вычисляем поправки на ре-
Рис. 4.14. Частотные характе-
ристики индексов тракта:
1 — суммарного, нормированно-
верберационные помехи Д£г (3.45) и записы-
ваем их в табл. 4.15 наряду с поправками на
отражение от головы слушателя ЛЛГ (из табл.
3.56). Суммируем все поправки (3.44) и сум-
му записываем в табл. 4.15. В эту же таблицу
записываем спектральные уровни речи, увели-
ченные из-за приближения микрофона ко рту
оператора с !1 м до 2,5 см (см. 3.47) на д£=
=20 1g (100/2,5) =32 дБ, и спектральные уров-
ни акустических шумов из табл. 3.56 (тип про-
изводственных шумов). По этим данным нахо-
дим рациональный индекс тракта (3.42). Вы-
численные значения записываем в табл. 4.15.
Значения рационального 'индекса мало отлича-
ются по всему диапазону частот. И только на
самых высоких частотах они приближаются к
предельным.
Рассчитаем фактический индекс тракта (см.
§ 3.5). Составим таблицу чувствительностей
го; 2 — фактического; з — пре- микрофона и громкоговорителя, нормирован-
дельного; 4 — рационального ных для ЧуВСТВИтельН0СТИ на частоте 1000 Гц,
и сумму этих чувствительностей запишем в
табл. 4.16. В эту же таблицу запишем предельный и рациональный индексы трак-
та. Смещая нормированную характеристику тракта на —’14,0 дБ, получаем фак-
тический индекс тракта (см. табл. 4.16 и рис. 4.14), ни в одной из точек не пре-
вышающий предельный. Фактический индекс тракта ниже рационального. Это
означает, что -разборчивость получится ниже максимально возможной в условиях
заданных акустических шумов.
Расчет разборчивости речи. Проведем расчет по сокращенной методике (см.
§ 3.6). Из табл. 4.15 перепишем значения спектральных уровней речи у микро-
фона Вр.м, спектральных уровней акустических шумов Ва, суммарной поправки
2ДА и фактического индекса тракта QM.c в табл. 4.17. Затем вычислим спект-
ральные уровни у слушателя Вр.с (3.48) и спектральные уровни помех
128
Таблица 4.17
Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука
SJ СЗ вр.м ва ЕДА “Qm.C ^р.с Вп Е J yio3, Л/оКТ’ Д/°кт 10»
о са дБ /о 1 Гц”1 Гц /о
250 77,5 50,0 6,1 24,0 53,5 38,6 50,3 3,2 0,31 224 175 392
500 73,5 46,0 6,9 19,0 54,5 40,4 47,1 7,4 0,45 282 350 987
1000 65,0 40,5 6,7 14,0 51,0 36,7 42,1 8,9 0,50 126 700 882
2000 57,5 35,5 11,2 10,0 47,5 37,7 39,7 7,? 0,46 56 1400 784
4000 50,5 31,0 11,3 8,0 42,5 32,8 35,0 7,5 0,45 18 2800 504
6000 47,5 29,0 12,2 27,0 20,5 11,7 29,1 —8,6 0,03 — 2000 —
(3.49). Для первой октавы Вр.с=77,5—24 = 53,5 дБ, Ва=53,5+6,1—21 = 38,6 дБ.
Просуммируем уровни помех и акустических шумов по интенсивности [см,
(3.50) или (3.51) и табл. 3.2]. Для первой октавы Вш = 50,0+/(50—38,6) =
= 50,0+0,3=50,3 дБ. Найдем уровень формант (3.52) Е, а по нему — коэффи-
циент разборчивости w [см. табл. 3.3 или (3.53)]. Для первой октавы Ei =
= 53,5—50,3 = 3,2 дБ, Wi = 0,31. Все вычисленные данные для других октав за-
носим в табл. 4.17. Подставляя полученные значения коэффициента разборчиво-
сти в (3.55), найдем формантную разборчивость. Она равна 0,44, это соответ-
ствует слоговой разборчивости 74%, словесная равна 91%, т. е. обеспечивается
почти отличная понятность речи (см. табл. 1.3). Заметим, что при использова-
нии звуковых колонок 2КЗ-1 можно получить несколько более высокую разбор-
чивость, так как уменьшается диффузная составляющая вследствие большей
направленности громкоговорителя. При этом коэффициент разборчивости мало
зависит от частоты, т. е. все частоты (кроме самых высоких) передаются почти
одинаково.
Расчет уровня прямого звука и выбор аппаратуры (см. § 3.7). По спект-
ральным уровням речи у слушателя Вр.с (см. табл. 4.17) определим относитель-
ные величины плотности интенсивности J/Io (3.59) и запишем их в ту же таб-
лицу. Туда же переписываем ширину октавных полос Д/Окт из табл. 3.56. За-
тем, умножая плотность интенсивности на соответствующую ширину полосы,
получаем интенсивность в этой октавной полосе Д///о. Эти значения запи-
шем в табл. 4.17 и просуммируем их для всех полос. Получим общую ин-
тенсивность /пр, она равна 3,55-1О8/о. Это соответствует 85,5 дБ. Пиковые уров-
ни равны 97,5 дБ. Выбранные громкоговорители не обеспечат такие уровни, они
создают уровни только 91,2 дБ.
Следовательно, тракт будет ограничивать речевой сигнал по амплитуде на
6,3 дБ, но такое ограничение все же допустимо для диспетчерской связи.
Можно применить ограничитель уровня. Как показывают расчеты, при пре-
дельном ограничении даже громкоговорители 1ГД-6 дают запас более чем на
3 дБ. Для нормальной работы громкоговорителей 1ГД-6 необходим усилитель
мощностью 20X1=20 Вт. Но, учитывая перегрузки, целесообразно выбрать ее
равной 40—50 Вт. В этом случае пригодней будет стандартная амплитуда на
50 Вт (например, «Звук» 2x25, см. приложение 4).
4.5.
ЗВУКОУСИЛЕНИЕ В КОНЦЕРТНОМ ЗАЛЕ
Задание. Рассчитать уровни звукового поля для музыкальных передач и
разборчивость речи при использовании системы звукоусиления для концертных
передач.
129
Зал рассчитан на концертные программы, и поэтому нельзя изменять его
акустические характеристики, но он не имеет системы звукоусиления, и поэтому
ее следует рассчитать. План и вертикальный разрез зала даны на рис. 4.15, со-
став звукопоглотителей — в табл. 4.18 (исходные данные заимствованы из при-
Рис. 4.15. Вертикальный разрез и план кон-
цертного зала
Таблица 4.18
Расчет среднего коэффициента поглощения и времени реверберации
Тип поглотителя о са “ft ак Ак “ft Ak ак Ak ak Ak “ft Ak

S ч для частоты, Гц
о ЬЙ 250 500 1000 2000 4000 6000
Люди 405 чел. 0,41 164 0,44 176 0,46 184 0,46 184 0,46 184 0,46 184
Кресла свободные 80 шт. 0,12 10 0,17 14 0,17 14 0,12 10 0,10 8 0,10 8
Пол паркетный1 по 240 м2 0,04 2 0,07 3 0,06 2 0,06 2 0,07 3 0,07 3
бетону Ковер на бетоне 112 м2 0,08 9 0,21 24 0,27 30 0,27 30 0,37 41 0,45 50
Сценический проем 112 м2 0,30 34 0,40 45 0,40 45 0,40 45 0,40 45 0,40 45
Штукатурка 783 м2 0,01 8 0,02 16 0,02 16 0,03 24 0,03 24 0,03 24
Дерево 13 м2 0,11 1 0,10 1 0,07 1 0,06 1 0,07 1 0,06
Сумма 1260 м2 228 279 292 296 306 315
Средний коэффициент погло- 0,18 0,22 0,23 0,24 0,24 0,25
щения аСр 0,26 0,29
Реверберационный циент поглощения а' коэффи- 0,20 0,25 10 0,27 0,27 130

Поглощение в воздухе 4gV — — 26 63
Время реверберации Т, с 1,68 1,34 1,25 1,16 1,05 0,85
1 Из этой площади учитывают только пол под незанятыми креслами, т. е. 40 м2.
130
мера, приведенного в (9]). Объем зала V—2630 ,м8, ограничивающая поверх-
ность S 1260 м2. Число мест в зале 480, но расчет должен быть выполнен
на 85% заполнения, т. е. на 405 чел. Кресла обиты кожей. Уровень акустическо-
го шума при передаче речи без учета влияния реверберации равен 55 дБ,
спектр шума — речевой (см. табл. 3.5). На сцене два микрофона — один на сто-
ле президиума, второй—на кафедре.
Поверочный акустический расчет. Так как данных акустического расчета у
нас нет, то проведем поверочный расчет. Для заданных поглотителей берем из
справочников коэффициенты поглощения (см. приложение 1) и записываем их
в табл. 4.18. Находим поглощение для всех расчетных (октавных) частот
(см. табл. 3.56), записываем его в таблицу и подсчитываем фонд поглощения
на каждой частоте: ЛОб=2(а/Л+акЛМ. Затем рассчитываем средний (3.3) и
(*)
реверберационный коэффициенты поглощения: аСр = Доо/S s ДОб/1260; a' =
= —In (1 — acp).
Для частот, начиная с 1000 Гц, подсчитываем затухание в воздухе 4|xV, ко-
эффициенты р берем из табл. 3.1 для влажности 60%. Наконец, вычисляем вре-
мя реверберации (3.4) Т=0,161 V/(a'S+4|iV).
По кривой 2 рис. 1.13 для объема 2630 м3 находим оптимальное время ре-
верберации. Оно равно 1,36 с. Из табл. 4.18 следует, что на частоте 500 Гц вре-
мя реверберации получается равным оптимальному (что и следовало ожидать),
так как зал соответствующим образом был обработан при строительстве. На
частоте 250 Гц отклонение фактического времени реверберации от оптимального
на 500 Гц составляет 1,17, а на частоте 4000 Гц 0,735, т. е. в пределах до-
пустимого для концертных залов и несколько выше, чем допускается для пере-
дачи речи (см. рис. 1.14).
Выбор типа громкоговорителей и размещения их. Поскольку зал предназ-
начен для концертов, то система озвучения должна быть сосредоточенной. По
качественным показателям наиболее подходящими являются звуковые колонки.
Из (2.38) видно, что достаточно взять только одну колонку, расположенную на
средней оси помещения, и неравномерность в поперечном направлении будет не
более 6 дБ. Но над проемом сцены нет места для ее расположения, поэтому
возьмем две колонки и расположим их по бокам сцены. Ширина сцены равна
10 м, поэтому расстояние между колонками возьмем 12 м. Оси колонок на-
правляем параллельно стенам в точки, находящиеся на уровне голов слушате-
лей, сидящих в последнем ряду (на высоте 1 м от пола в этом ряду).
Из (3.18) находим высоту подвеса колонки над головами первого ряда
слушателей Лг = 2Г^ 1—е2в = 2-22}^ 1—0,9752= 10 м, так как для мощных коло-
нок 0,975. Такую высоту реализовать нельзя, поскольку высота потолка над
головами первого ряда слушателей равна 6,8 м. Если учесть 0,3 м на снижение
центра колонки, то высота ее подвеса над головами слушателей первого ряда
составит 6,5 м, над головами слушателей последнего ряда 6,5—1,4 = 5,1 м.
Зал не рассчитан на выступление крупных симфонических оркестров, поэто-
му берем уровень прямого звука для удаленной точки равным 90 дБ [9], что
соответствует давлению Ртр = 0,63 Па. Из (3.29) для двух громкоговорителей
при гМакс= V l2-\-h2v= V 222+52=22,5 м номинальное звуковое давление
должно быть не менее Р1=ГмаксРтр/К 2 = 22,5-0,63/)^2 = 10 Па. Выберем зву-
ковую колонку 50K3-3, удовлетворяющую требованиям первого класса точности.
Она развивает звуковое давление 20 Па, т. е. может дать уровень несколько
выше требуемого.
Расчет звукового поля. Если высота подвеса колонок над головами слуша-
телей заднего ряда равна 5,1 м, тангенс угла наклона оси колонок к горизонту
tga=ftr//=5,1/22 = 0,232. Это соответствует углу а=13°. Для колонки 50K3-3
ев = 0,983; ет = 0,93. Расчет проведем по методу координат (см. § 2.3). Для этого
возьмем 10 точек на озвучиваемой поверхности.
Первые четыре точки возьмем на продольной оси помещения: первую в точ-
ке микрофона, находящегося на столе президиума (под линией, соединяющей
громкоговорители); вторую — в первом ряду; третью — в последнем ряду парте-
ра; четвертую — в последнем ряду амфитеатра. По три точки возьмем на проек-
циях осей громкоговорителей: одну под громкоговорителем, другую — в первом
131
ряду и последнюю — в последнем ряду амфитеатра. Точка под одним из гром-
коговорителей будет близка к точке микрофона, находящегося на кафедре. Эти
точки приведены на плане зала.
Соответствующие координаты точек в системе х, у и z приведены в табл.
4.19 (центр координат располагаем в точке под одним из громкоговорителей на
уровне пола первого ряда).
Таблица 4.19
Расчет уровней прямого звука в различных точках зала
для одной колонки
Точки X Z У и W V Р2. Па2 L, ДБ
м
1 0 1,8 6 1,29 —5,55 6 0,338 89,3
2 2 1,0 6 3,42 —5,88 6 0,306 88,8
3 12 1,0 6 13,16 —3,62 6 0,483 90,8
4 22 2,4 6 22,58 0 6 0,515 91,1
5 0 1,8 0 3,42 —5,85 0 0,437 90,4
6 0 1,8 12 1,29 —5,55 12 0,202 87,0
7 2 1,0 0 3,42 -5,88 0 0,385 89,8
8 2 1,0 12 3,42 —5,88 12 0,190 86,8
9 22 2,4 0 22,58 0 0 0,787 92,9
10 22 2,4 12 22,58 0 12 0,254 88,0
По координатам х, у и z из (2.10) находим координаты в системе и, v и w для
угла наклона оси громкоговорителя, равного 13° (эти координаты приведены в
табл. 4.19). Соответственно (2.8) находим квадраты звуковых давлений в этих
точках при номинальном звуковом давлении 20 Па, развиваемом звуковой ко-
лонкой на расстоянии 1 м от центра колонки. По этим данным вычисляем уро-
вень звукового давления во всех точках. Как видим, одна колонка, расположен-
ная в 6 м сбоку от оси помещения, все же дает неравномерность озвучения не
более 6 дБ. При расположении ее на оси помещения неравномерность озвучения
будет не более 4 дБ.
Для двух колонок квадраты звуковых давлений на оси помещения удваи-
ваются, а в боковых точках квадраты звуковых давлений суммируются с уче-
том симметрии расположения колонок, т. е. суммируются данные для пятой и
шестой точек, седьмой и восьмой, девятой и десятой. Ниже приводятся суммар-
ные данные квадратов давлений и уровней (табл. 4.20).
Таблица 4 20
Распределение уровней в зале
Точки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
pl, Па2 0,676 0,612 0,966 1,030 0,639 0,639 0,575 0,575 1,041 1,041
дБ 92,3 91,8 93,8 94,1 92,0 92,0 91,6 91,6 94,2 94,2
Из этих данных следует, что во всех точках уровень получился выше за-
данного на 1,6—4,2 дБ, наибольший уровень получается в точках пересечения
оси громкоговорителей с озвучиваемой поверхностью, чуть меньше — на оси
помещения в последнем ряду. В точках микрофонов уровни равны 92,3 а
94,2 дБ.
132
В середине зала уровень получается на 0,4 дБ ниже максимального, наи-
меньший уровень — в первом ряду: он на 2,6 дБ ниже максимального. Но в
первом ряду уровень основного источника звука достаточно высок, и поэтому
общий уровень прямого звука будет не меньше, чем в удаленной точке зала.
Равномерность распределения уровней получилась очень хорошей, и поэтому
уровень прямого звука у стен вследствие добавления звукового давления от от-
раженных звуковых волн первого порядка будет не меньше, чем на проекции
оси громкоговорителей.
Расчет индексов тракта и выбор типа микрофона. Рассчитаем диффузную»
составляющую уровня (3.35) для n=2, pi = 20 ГТа и S2 = 1260 м2:
лр?(1—асР) 1—асв
1д = 10 ----+ 111 = 10,g-----100-9 дБ-
« аср wr ° аср Qr
В табл. 4.22 приведены средние коэффициенты поглощения, взятые из-
табл. 4.18, и коэффициенты концентрации для звуковой колонки 50K3-3. По этим
данным вычисляем диффузную составляющую для октавных частот. Вычитая из
диффузной составляющей уровень прямого звука для удаленной точки (94.2 дБ),
получаем акустическое отношение в децибелах (3.36). Акустическое отношение*
получилось в пределах от 9,4 дБ на частоте 250 Гц до 6,9 дБ на частоте 6000 Гц,
т. е. в относительных единицах соответственно 8,7 и 4,9. Они допустимы для му-
зыкальных программ и несколько велики для речи, но, как показывают расчеты
разборчивости речи, они будут годиться и для речи.
Выберем кардиоидный микрофон МД-52А и определим предельный индексу
тракта по прямому звуку (2.105) фпр.кр = #м е+А£с.м—12. При этом предпо-
лагается, что прямой звук приходит от колонки к микрофону под углом 9СГ
(чувствительность микрофона для этого угла составляет 0,5). Следовательно^
коэффициент направленности под этим углом (2.103) qMQ =—10 1g 0,5=3,2 дБ,
а разность уровней Lc.m = 92,3—89,3 = 3 дБ. Таким образом, предельный индекс
гракта по прямому звуку фпркр = 3,2+3—12=—5,8 дБ. Так как направлен
ность выбранного микрофона почти не зависит от частоты, то предельный ин-
декс тракта по прямому звуку также почти не зависит от частоты. Считаем:
его равным —5,8 дБ на всех частотах.
Теперь рассчитаем предельный индекс тракта по диффузному звуку. Ин-
декс направленности кардиоидного микрофона по диффузному полю равен
4,8 дБ. Для нас этого мало, поэтому заранее будем считать, что сзади микрофо-
на расположены сильно поглощающие материалы (сценический проем), и поэто-
му индекс направленности повышается на 6,8 дБ, что соответствует коэффи-
циенту поглощения (2.109), равному 0,8. Следовательно, индекс направленности
(2.109) равен 11,6 дБ.
Из ф-лы (2.106) находим величины предельного индекса тракта по диффуз-
ному звуку СдКр = ^м—ALj?m—12=11,6—АЬнм—12 (А£нм изменяется в пре-
делах 9,4—6,9 дБ — см. табл. 4.22). Так как величины предельного индекса,
тракта по прямому и диффузному звуку получились близкими по значению, го
складываем их (по интенсивности). Например, для частоты 250 Гц эти индексы
соответственно составляют —5,8 дБ и —9,8 дБ. Суммарный индекс можно опре-
делить по (2.110):
QSKp = -101g(10-°’1Qnp KP +10_°'1<?д кр) = - 101g (100-’-5-8+ IO0,1’9,8).
В соответствии с (2.91) и (2.92) и рис. 2.16 находим разность уровней AQ —
= 9,8—5,8 = 4 дБ. Для этой разности АВ = 1 дБ. Следовательно, суммарная ве-
личина предельного индекса на частоте 250 Гц составляет 10,8 дБ. Аналогично
рассчитываем предельный индекс тракта и на других частотах (табл. 4.21).
Такие значения предельного индекса вполне допустимы для небольших уровней*
шумов. Эти данные записываем в табл. 4.22.
Определим поправку на реверберационные помехи &LT (3.45) и запишем в
табл. 4.22. Туда же перепишем поправку на отражение от головы ALr из табл.
3.5 и просуммируем все поправки (3.44).
133
Расчет предельного индекса тракта
Таблица 4.21
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Опр. кр» ДБ —5,8 —5,8 —5,8 -5,8 —5,8 —5,8
Од. кр» ДБ —9,8 —8,1 —7,8 —7,7 —7,4 —7,3
0s кр» ДБ —10,8 —9,4 —9,2 —9,2 —8,9 —8,9
Таблица 4.22
Расчет рационального индекса тракта
СЗ о £д Д£п “^Екр Д£у Д£г ЕД£ -®р. м ^а.нор '^рац
1г S" в 01* дБ
250 0,18 15,6 103,6 9,4 11,6 10,8 3,8 1,0 14,2 57,5 27,0 29,0 15,2
500 0,22 18,5 101,9 7,7 11,6 9,4 2,2 1,8 11,7 53,5 28,0 29,4 8,8
1000 0,23 18,5 101,6 7,4 11,6 9,2 1,7 2,7 11,8 45,0 17,0 18,0 11,8
2000 0,24 18,5 101,5 7,3 11,6 9,2 1,1 4,2 12,6 37,5 6,5 7,3 15,9
4000 0,24 18,5 101,2 7,0 11,6 8,9 0,4 5,4 12,8 30,5 1,0 1,0 14,9
<6000 0,25 18,5 101,1 6,9 11,6 8,9 -1,2 5,9 11,6 27,5 —4,0 —4,7 16,8
Определим действующие значения уровней акустических шумов. Для этого
из табл. 3.56 возьмем спектральные уровни для второго типа шума (они даны
для общего уровня, равного 55 дБ). К этим величинам прибавим поправку на
время реверберации AB=101gT (точнее, на средний коэффициент поглощения)
(1.37) и результаты (Ва4-ДВ = Ва.НОр) запишем в таблицу. Туда же записы-
ваем величины спектральных уровней речи у микрофона, т. е. данные из табл.
3.56 с добавкой 12 дБ на приближение микрофона с 1 м до 0,25 м. Затем со-
гласно (3.42) находим рациональный индекс тракта для всех октавных частот
Орац = В а — м — 2Д L + 27.
Значения рационального индекса тракта оказались ниже предельного индек-
са, поэтому нет смысла в повышении индекса тракта выше рационального.
Таблица 4.23
Расчет фактического индекса тракта
Чувстви-
тельность,
ДБ
и
о * Индексы тракта,
у £ дБ
Чувстви-
тельность,
дБ
Индексы тракта,
дБ
250
500
1000
—5,6
—1,7
0
-10,8
—9,4
—9,2
—14,8
—10,9
—9,2
—15,2 2000
—8,8 4000
—11,8 6000
—10,6—15,9
—12,2—14,9
—12,2—16,8
134
Найдем фактический индекс тракта. Для этого выпишем чувствительность
микрофона МД-52А и звуковой колонки 50КЗ-3 в децибелах на октавных час-
тотах и пронормируем их относительно частоты 1000 Гц. Полученные данные-
запишем в таблицу (табл. 4.23). Суммируя их, получим нормированную частот-
ную характеристику тракта, так как нерав-
номерностью частотной характеристики уси-
лителя можно пренебречь. Эти данные так-
же записываем в таблицу. Если нанести на
график частотные зависимости предельного
и рационального индексов тракта и норми-
рованную характеристику тракта (рис. 4.16),
то можно увидеть, что надо сместить нор-
мированную характеристику по ординате
на —9,7 дБ, чтобы она нигде не превосхо-
дила предельную, а только касалась ее.
Смещенная характеристика представляет со-
бой частотную зависимость фактического
индекса тракта. Запишем значения факти-
ческого индекса тракта в табл. 4.23. Даль-
нейший расчет должен проводиться для
фактического индекса тракта.
Расчет разборчивости речи. Расчет
Рис. 4.16. Частотные характерис-
тики индексов тракта:
1 — суммарного, нормированного; 2 —
фактического; 3 — предельного; 4 — ра-
ционального
проведем по сокращенной методике (см.
§ 3.6). Из табл. 4.22 перепишем в табл. 4.24 величины спектральных уровней
речи у микрофона Вр.м, акустических шумов Ва.нор, суммарной поправки 2АЛ,
величины фактического индекса тракта QM.c. Затем вычислим спектральные-
уровни речи у слушателя Вр.с (3.48) и спектральные уровни помех Вп (3.49).
После этого просуммируем спектральные уровни помех и акустических шумов по
интенсивности [(3.50) и (3.51) и табл. 3.2] и найдем уровень формант Е как
разность между спектральным уровнем речи у слушателя и спектральным уров-
нем суммарных шумов и помех Вш (3.52). По полученным формантным уровням
найдем коэффициент разборчивости w с помощью приближенной ф-лы (3.53)
или по табл. 3.3. Все вычисленные величины записываем в табл. 4.24. Подстав-
ляя эти коэффициенты в (3.55), находим формантную разборчивость (3.54), а
по ней с помощью табл. 3.4 — слоговую и словесную разборчивость. В данном-
случае формантная разборчивость равна 0,47, что соответствует слоговой раз-
борчивости 77% и словесной 97,4%. По качеству Передачи эти величины разбор-
Таблица 4.24
Расчет разборчивости речи и уровня прямого звука при передаче речи
Ef га ^р..м ва ~ Qm.C ^р.с вп Е — •10, т Vo КТ’ А/°кт ю»
о га дБ '0 Гц-1 Гц 7о
250 57,5 29,0 14,2 14,8 42,7 35,9 36,7 6,0 0,40 1860 175 326
500 53,5 29,4 11,7 10,9 42,6 33,3 34,8 7,8 0,46 1820 350 637
1000 45,0 18,0 11,8 9,2 35,8 26,6 27,1 8,7 0,49 380 700 266
2000 37,5 7,3 12,6 10,6 26,9 18,5 18,8 8,1 0,47 49 1400 69
4000 30,5 1,0 12,8 11,2 19,3 11,1 11,5 7,8 0,46 9 2800 25
6000 27,5 —4,7 11,6 12,2 15,3 5,9 6,3 9,0 0,50 3 2000 6
чивости близки к отличной понятности речи (см. табл. 1.3). Этого вполне до-
статочно для проведения собраний и общедоступных лекций. Эти величины
разборчивости будут повышены, если снизится уровень акустических шумов в^
зале, что автоматически получается при слушании интересных докладов и выс-
туплений. Следует обратить внимание на то, что коэффициент разборчивости,
мало зависит от частоты. Поэтому звучание речи будет достаточно высоким по-
качеству, разборчивость ее все же невелика. Если применить сдвоенные колон-
135
ки, то разборчивость станет отличной и при заданном уровне акустических шу-
мов.
Расчет уровня прямого звука и выбор аппаратуры (см. § 3.7). Переведем
спектральные уровни в относительные величины плотности интенсивности J/h
(3.59) и запишем их в табл. 4.24. Туда же из табл. 3.56 перепишем ширину ок-
тавных полос Д/окт. Умножим плотность интенсивности на ширину соответст-
вующей полосы.
Получим интенсивность в октавных полосах Д/окт/Лъ ее тоже запишем в
табл. 4.24. Суммируя полученные интенсивности, находим суммарную интенсив-
ность прямого звука /Пр//о. Она получилась равной 1,33-107, это соответствует
уровню АПр = 71,2 дБ. Эта величина представляет средний уровень речи, созда-
ваемый громкоговорителями у удаленного слушателя. Пиковый уровень речи
будет на 12—15 дБ выше, т. е. 83,2—86,2 дБ. А выбранные громкоговорители
могут развивать уровень в удаленной точке 94,1 дБ. Такой результат объясняет-
ся тем, что мы выбирали систему звукоусиления музыкальных передач.
Для сольных выступлений и небольших оркестров громкоговорители будут
полностью использоваться по мощности, поэтому мощность усилителей надо
взять равной номинальной мощности громкоговорителей, т. е. не менее 100 Вт.
Если усилители будут использоваться для других надобностей (озвучение фойе
и т. п.), то мощность усилителя следует выбрать равной 150 Вт (пригоден уси-
литель ЗУС-150-2).
Звукоусиление для сольных программ. Универсальная система звукоусиления,
рассчитанная выше, для солистов со слабым голосом будет работать на пределе.
А если учесть, что для получения устойчивой работы системы приходится сильно
заглушать сцену сзади микрофона, то при недостаточном заглушении трудно бу-
дет получить достаточную громкость при сольном исполнении. Поэтому следует
рассчитать систему звукоусиления для солистов с использованием микрофона,
близко располагаемого от рта исполнителя, как теперь принято делать (микрофон
располагают на расстоянии не более 5 см от рта). В этих условиях получается
более устойчивая работа системы вследствие большого уровня звука у микрофона.
Будем считать, что вся остальная часть системы, т. е. усилитель и громкоговори-
тели, остается прежней.
Выберем микрофон из так называемых ненаправленных, например, МД-59
(на самом деле его направленность на частотах выше 1000 Гц резко возрастает).
Использовать микрофон градиента давления МД-52А нельзя, так как исполнитель
обычно держит микрофон в кулаке и поэтому будут закрыты отверстия, находя-
щиеся на боковой поверхности корпуса микрофона.
Определим предельный индекс тракта по прямому звуку (2.105) фпр.кр =
= <7м0 + ААс м —42 при условии, что исполнитель находится у рампы и звук от
громкоговорителя к микрофону приходит под углом 90°. При таком условии ^мик-
рофон будет уменьшать уровень воздействующего на него звука из-за своей на-
правленности.
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Уменьшение, дБ 0 1 2,5 6 10 12
Подставляя это уменьшение (индекс направленности ум$) в вышеприведенную
•формулу и учитывая, что разность уровней ДА = 3 дБ (см. предыдущий случай),
получим значение предельного индекса тракта по прямому звуку фпр.кр.
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
(Эпр.кр, дБ —9 —8 —6,5 —3 1 3
Как видим, этот предельный индекс тракта достаточно большой для частот
выше 1000 Гц.
Рассчитаем предельный индекс тракта по диффузному звуку. Вследствие на-
правленности микрофона на средних и высоких частотах индекс его направлен-
ности ум. быстро растет с увеличением частоты в диапазоне выше 1000 Гц:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
ум, дБ О 1 2 5 8 12
Так как предельный индекс тракта по диффузному звуку фд.кр = Ум—&LRvl —
136
—12, то, подставляя в эту формулу значения м из табл. 4.22 и приведенные
значения qM, получим:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Од.кр, дБ —21,4 —18,7 —17,4 —14,3 —11,0 —6.9
Сравнивая предельные индексы тракта для прямого и диффузного звука, на-
ходим, что разница между ними составляет более 10 дБ. При такой разнице сум-
марный индекс тракта увеличится не более чем на 0,3 дБ. Учтем это в дальнейшем.
Найдем фактический индекс тракта. Аналогично предыдущему случаю (см.
табл. 4.23) определим суммарную чувствительность тракта Е% , состоящего из
микрофона МД-59 и громкоговорителя 50K3-3. Заменяя в табл. 4.23 данные па
чувствительности микрофона МД-52А на данные для микрофона МД-59, взятые
из каталога (для октавных частот они соответственно равны 3; 0; 0; 3; 6; 0 дБ),,
получим:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Ez, дБ 1 0,3 0 2 9 1
Сравнивая значения предельного индекса тракта по диффузному звуку Од Kj>
со значениями суммарной чувствительности тракта Е%, находим, что при добав-
лении к ней —23 дБ получается фактический индекс тракта QM.c на всех частотах
ниже предельного даже с учетом предельного индекса тракта по прямому звуку
Qnp.Kp, з именно:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
QM.c, дБ —22 —^21,7 —23 —21 —14 —21
Как видим, наиболее опасной в отношении самовозбуждения тракта является ча-
стота 250 Гц (на этой частоте запас по усилению получился не более 0,3 дБ).
Определим уровень прямого звука для этой системы (см. § 3.7). Так как н
данном случае микрофон приближен ко рту по сравнению с предыдущим случаем:
с 25 до 5 см, то уровень у микрофона соответственно повысится (3.47) на
20 1g 25/5= 14 дБ. Берем данные для Вр.м из табл. 4.22 и добавим к ним 14 дБ„
получаются спектральные уровни у микрофона для случая сольного исполнения
(считаем, что солисты создают уровень не меньше, чем докладчики или ораторы
со средним уровнем на 3 дБ ниже типового). Получим следующие значения спект-
рального уровня у микрофона Вр.м:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
ВР.м, дБ 71,5 67,5 59,0 51,5 44,5 41,5
Найдем спектральные уровни на местах удаленных слушателей (3.48). Подставляя
в эту формулу полученные нами значения спектрального уровня у микрофона
Вр.м и фактического индекса тракта QM.c, найдем:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Вр.с, дБ 49,5 45,8 36,0 30,5 30,5 20,5
Сравнивая их с данными для предыдущего случая (см. табл. 4.24), получаем, чга
почти на всех частотах этот уровень получился выше.
Определим уровень прямого звука для сольного исполнения. Для этого сна-
чала пересчитаем спектральные уровни Вр.с в относительные значения плотности
интенсивности (3.59) ///о = 10° ’ 1вР-с:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
(Z/Z0)-102 891 380 39,8 11,2 ’11,2 1,1
Умножая полученные значения на ширину октавных полос (см. табл. 3.56), на-
ходим относительные значения интенсивности в октавных полосах Д/Окт:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
(AZokt/Zo) -102 156 133 28 16 31 2
Суммируя эти величины, получаем общую интенсивность прямого звука в отно-
сительных значениях. Она равна 3,7-107. Следовательно, уровень звука ЛСр =
='101g 3-107=75,6 дБ. Сравнив с предыдущим случаем, получаем увеличение
уровня на 75,6—71,2 = 4,4 дБ, т. е. можно получить уровень немного больший
даже без заглушения стены позади микрофона. Пиковый уровень на 12—15 дБ
выше среднего, поэтому он равен примерно 94 дБ. Следовательно, даже при са-
мых высоких пиках перегрузки тракта не будет.
Распределенная система озвучения. Использование мощной установки для
звукоусиления речевых передач не очень рационально. К тому же, как указыва-
лось в первом случае, для получения устойчивой работы системы необходимо
137
заглушение стены позади микрофона. Поэтому имеет смысл применить для звуко-
усиления речи отдельную систему. В этом случае целесообразно применить рас-
пределенную систему озвучения. Так как ширина зала 6 = 16 м, то следует при-
менить две цепочки из звуковых колонок. Наиболее подходящими будут колонки
типа 2КЗ (выбираем 2КЗ-6). Из приложения 4 находим, что эксцентриситеты ее
характеристики направленности соответственно равны ег=0,5; ев=0,92. Поэтому
высота подвеса цепочки (3.13) Лц = 0,5&У 1—е2в=0,5-16V1—0,922=3,14 м, а шаг
цепочки (3.15) d=2ЛЦ (1—е2г) / (1—е2в) =2 • 3,14 /(Т—0,52) / (1 —0,922) = 13,9 м.
Получилось, что в каждую цепочку входит по две колонки. Их целесообразно
разместить против середины партера и середины амфитеатра (см. рис. 4.15),
т. е. на 5 м от первого ряда и от последнего, расстояние между ними будет 10 м.
В амфитеатре колонки целесообразно наклонить так, чтобы плоскость, проходя-
щая через продольную ось колонки, была перпендикулярна полу амфитеатра.
Поскольку колонок мало, то пользоваться формулами для длинных цепочек
некорректно. Проведем расчет звукового поля методом координат. Рабочие оси
колонок направим на середину зала перпендикулярно его продольной оси. При
этом угол наклона определится из формулы tg а=3,14/8 = 0,393, откуда а=21,43°,
sina=0,365; cosa = 0,931. Из приложения 3 находим звуковое давление на оси
колонки 2КЗ-6 на расстоянии 1 м от нее. Оно равно 3,8 Па. Рассчитаем звуковое
поле для точек 2, 4> 6,3,7,9 а 10 (см. рис. 4.15) для случая, когда работает одна
колонка, повешенная на стене против ряда, находящегося на расстоянии 5 м от
точки 9. Расположим центр координат х, у и z на уровне пола под этой колонкой,
ось х направим перпендикулярно продольной оси зала, ось у вдоль этой оси, а
ось z вертикально. Высоту озвучиваемой поверхности над полом примем равной
1 м. Тогда координаты точек будут иметь следующие значения:
Номер точки х, м у, м z, м
2, 3 8 5 1
4 8 15 2,4
6 14 5 1
7 14 15 2,4
9 2 5 1
10 2 115 2,4
По переходным формулам (2.10)
a=xcosa+ (Лц—z) sin a; v=y\
w—x sin a—(Лц—z) cos a
для вышеприведенных значений синуса, косинуса и координат х, у, z найдем коор-
динаты и, v, w, а по ним в соответствии с формулами (2.8) и (2.9)
Р2 = p21/Itt2 + V2) (1 _е2г) + оу2/ (1—б2в) ]
найдем значения квадрата звукового давления в заданных точках звукового поля,
создаваемые одной колонкой 2КЗ-6.
Теперь определим звуковые давления, создаваемые всеми колонками, исходя
из следующих соображений. Квадраты звуковых давлений от разных колонок
складываются арифметически, так как колонки находятся далеко друг от друга.
В точке 4 будет учетверенное значение по отношению к давлению, создаваемому
одной колонкой в точке 2. В точках 2 и 4 будет удвоенная сумма квадратов дав-
лений в точках 2 и 4. В точках 9 и 10, а также в симметричных точках 6 и 7
будет сумма квадратов давлений в точках 9, 10, 6, 7. Суммируя эти значения и
переводя их в уровни, получаем для точки 3 Апр=91,3 дБ, для точек 2 и 4 Lnp =
=88,4 дБ и для точек 6, 7, 9, 10 Апр=89,8 дБ. У четвертой точки уровень повы-
сится на 3 дБ из-за отражения от задней стены и будет равен 91,4 дБ, по той же
причине несколько повысится уровень в точках 7 и 10. В точках 2, 6, 9 повышения
не будет, да оно и не нужно, так как они расположены вблизи первичного^ источ-
ника звука. Следовательно, неравномерность озвучения будет очень малой. Наи-
меньший расчетный уровень прямого звука все же возьмем в углу амфитеатра
без добавки к нему из-за отражения от стен, т. е. 89,8 дБ. Это будет небольшим
запасом на уменьшение уровня от других причин.
Используем в этой системе микрофон МД-52А, как в первом случае. Если
учесть заглушение стены позади микрофона, индекс направленности для диффуз-
ного звука (7М будет 11,6 дБ, как и в случае сосредоточенной системы. Определим
уровень диффузной составляющей Ад. В отличие от первого случая (см. табл. 4.2-)
138
возьмем четыре громкоговорителя вместо двух, коэффициент концентрации
при этом будет иным (см. приложение 4, колонка 2КЗ-6) и звуковое давление
£1=3,8 Па. Подставляя их в формулу (3.35), аналогично первому случаю находим
уровни диффузной составляющей £д:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
^д, дБ 101,1 99,1 97,4 96,4 95,4 94,8
Вычитая из значений £д значение уровня прямого звука Lnp = 89,8 дБ, найдем
акустические отношения в децибелах для удаленной точки зала ALBM:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
ALBM, дБ 11,3 9,3 7,6 6,6 5,6 5
Аналогично первому случаю находим предельные значения индекса тракта по
диффузному звуку (для прямого звука данные не рассчитываем, так как они
заведомо велики из-за применения распределенной системы озвучения). Так как
индекс направленности ^м=11,6 дБ, то предельный индекс тракта по диффузному
звуку (2.107)
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Сд.Кр, дБ —11,7 —9,7 —8,0 —7,0 —6,0 — М
Определим теперь рациональный индекс тракта (2.102) Qpan=Ba—Вр.м—
—SAL+'27, где SAL=ALBM+ALT+ALr. Подставляя в эту формулу величины
Ва, Вр.м, ALt, ALr из табл. 4.22 и ALBM, рассчитанную выше, получим искомые
значения фрац:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Срац, дБ 17,6 10,4 12,0 15,1 13,5 14,9
Рассчитаем фактический индекс тракта. Для этого заменим значения чувст-
вительности громкоговорителя 50КЗ-3 из табл. 4.23 на соответствующие значения
для звуковой колонки 2КЗ-6. Для частот октавы они соответственно равны: —2;
3; 0; —1; 6; 3 дБ. Поэтому суммарная чувствительность В2 будет следующей:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
дБ —5,6 1 0 —1,4 1 —1
Чтобы получить фактический индекс тракта, неперекрывающий предельный ин-
декс тракта по диффузному звуку фд.кр (см. выше), необходимо к суммарной
чувствительности добавить —12 дБ. Тогда получим:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
QM.c, дБ —17,6 —11,0 —12,0 —13,0 —6,0 —9,0
Только на частоте 4000 Гц фактический индекс тракта равен предельному, т. е.
система будет работать устойчиво. Так как рациональный индекс тракта получил-
ся меньше предельного, то будет обеспечена предельно возможная разборчивость
речи в условиях данного зала без ограничения ее из-за обратной связи.
Рассчитаем разборчивость речи и уровень прямого звука аналогично первому
случаю. Для этого сначала определим спектральный уровень речи у слушателя
Вр.с, взяв спектральный уровень речи в точке микрофона из табл. 4.24 и приба»
вив к нему фактический индекс тракта QM.c, определенный выше. Тогда получим:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Вр.с, дБ 39,9 42,5 33,0 24,5 24,5 18,5
Определим уровень помех (3.49) Ва = Вр.с + SAL—21, где SAL та же, что
и при определении рационального индекса тракта:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
Вп, дБ 35,0 34,8 24,0 15,4 14,5 7,2
Суммируя по интенсивности спектральные уровни помех и акустических шумов
(последние см. в табл. 4.24) для каждой из октавных частот, из (3.50) и (3.51)
получим спектральный уровень помех и шумов на каждой из этих частот, а вы-
читая его из спектрального уровня речи у слушателя Вр.с, получим уровень ощу-
щения речи Е (3.52):
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
В, дБ 3,9 6,6 8,0 8,5 9,7 11,0
По табл. 3.3 для этих уровней ощущения находим коэффициент разборчивости w:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
w 0,33 0,42 0,47 0,48 0,52 0,57
130
Таким образом, низкие частоты имеют несколько более низкую разборчивость по
сравнению с высокими частотами, поэтому целесообразно увеличить усиление на
низких частотах, тем более что на этих частотах есть запас по устойчивости
тракта.
Найдем формантную разборчивость (3.55). Для данного случая А =
= 0,05 (0,33+3-0,42+4-0,47+6-0,48+5-0,52+0,57) = 0,48. Откуда слоговая раз-
борчивость (см. табл. 3.4) получается равной 78%, т. е. на пределе с отличной
понятностью речи. Как видим, для данной системы разборчивость получилась та-
кой же, как и для сосредоточенной системы, но мощность громкоговорителей тре-
буется в 12,5 раза меньше (8 Вт вместо 100). Для данной системы достаточен
усилитель на 25 Вт (с запасом на другие потребности).
Для определения уровня прямого звука переведем спектральные уровни
Вр.с в относительные значения плотности интенсивности ///о = 100*1 ВР-С и умно-
жим их на ширину октавных полос (см. табл. 3.55). Получим интенсивность в
октавных полосах:
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000
(Д/окт//о)-102 1710 6223 1400 395 790 140
Суммируя их, получаем общую интенсивность 1,07-107, что соответствует уровню
Лпр = 10-lg 1,07-107 = 70,3 дБ. Этот уровень получился на 0,9 дБ ниже, чем для
сосредоточенной системы, однако это не имеет принципиального значения.
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Коэффициент поглощения некоторых материалов и объектов
Наименование материалов и объектов Частота, Гц
250 500 1000 2000 4000 6000
Человек Кресло: 0,41 0,44 0,46 0,46 0,46 0,46
деревянное 0,02 0,02 0,04 0,04 0,03 0,03
обитое кожей 0,12 0,17 0,17 0,12 0,10 0,10
обитое бархатом 0,22 0,31 0,40 0,52 0,60 0,62
Паркет по асфальту 0,04 0,07 0,06 0,06 0,07 0,07
Паркет на шпонках 0,15 0,12 0,10 0,08 0,07 0,06
Резина на полу толщиной 5,5 мм 0,04 0,08 0,12 0,13 0,10 0,08
Линолеум 0,02 0,03 0,03 0,04 0,04 0,05
Бетонная неокрашенная поверхность Ковер с ворсом толщиной 1 см, на 0,01 0,02 0,02 0,04 0,04 0,04
бетоне 0,08 0,21 0,27 0,37 0,37 0,47
Он же, на войлоке 0,3 см, по бетону 0,14 0,37 0,43 0,27 0,37 0,47
Бетоннйя окрашенная поверхность Стена кирпичная: 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02
неоштукатуренная 0,02 0,03 0,04 0,07 0,07 0,07
кассетное покрытие Штукатурка: 0,95 0,86 0,58 0,18 0,04 0,04
обычная 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03
гипсовая 0,04 0,04 0,06 0,06 0,03 0,06
ДГШ 0,94 0,99 0,86 0,73 0,46 0,35
АГШ-Б 0,78 0,73 0,76 0,60 0,59 0,58
АЦП 0,27 0,31 0,31 0,33 0,40 0,43
алебастровая 0,10 0,14 0,15 0,15 0,20 0,23
Стекло жесткое Дерево лакированное: 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,03
монолитное 0,02 0,05 0,04 0,04 0,04 0,04
сосновая панель 0,11 0,10 0,09 0,08 0,11 0,14
Декорации 0,60 0,75 0,71 0,76 0,83 0,90
Сценический проем 0,30 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40
140
2. Параметры микрофонов
Тип Направ- ленность* Частотный диапазон, Гц Уровень чувстви- тельности, дБ Выходное сопротив- ление, Ом Габариты, см Масса, г
МД-52А ОН 50—16 000 —48 250 32X61 420
МД-66 ОН 100—10 000 —44 250 37X92 450
МД-59 НН 50—15 000 —52 250 34X180 600
МД-63 НН 60—15 000 —53 250 22X68 125/50**
МД-78 ОН 50—15 000 —44 250 37X90 220
МДО-1 ООН 160—8 000 —52 350 35X151 660
МЛ-19 ОН 50—16 000 —48 250 135X45X40 550
МЛ-51 ДН 40—16 000 —51 250 52X180 600
МК-13М пн 50—15 000 —30*** 600 272X153X89 2300
МКЭ-6**** НН 50—15 000 —46
ДЭМШ-1А НШ 300—3 000 —44 600 23X11 14
* НН—ненаправленный, ОН—односторонне направленный, ООН—остронаправленный,
ДН—двусторонне направленный, ПН—с переменной направленностью, НШ—направленный
шумостойкий (на 250 Гц шумостойкость 24 дБ, на 2000 Гц и выше — 6 дБ).
** Нагрудный и петличный варианты. *** С усилителем. **** Для солистов эстрады.
3. Параметры громкоговорителей
Тип Номинальная мощность, Вт Частотный диапазон, Гц Номинальное давление, Па Габариты, м Масса, кГ
Диффузорные громкоговорители
0,5ГД-30 0,5 125—10 000 0,67 125x80 0,190
1ГД-6 1 ЮО—6 000 0,95 128X63 0,600
1ГД-28 1 100—10 000 0,96 160X100
2ГД-40 2 140—12 500 1,34 160X100 0,250
ЗГД-32 3 80—12 500 1,6 200X125 1,200
4ГД-2 4 60—12 000 1,6 202X80 0,900
4ГД-68 4 125—7100 1,9 125X125 0,620
Акустические системы
ЗАС-З 3 125—1 000 1,1 378X260X190 6
6АС-2 6 63—18 000 0,78 168X163X300
50АС-5 50 20—20 000 2,3 900X472X290 42
Звуковые колонки
2КЗ-6 2 300—7 000 3,8 394X132X94 3,7
2КЗ-2 2 160—7 000 1,8 600x120x73 3,5
8КЗ-4 8 150—8 000 7,6 423X188X124 7,5
10КЗ-2 10 130—8 000 2,6 775x365x255 15,0
25КЗ-2 25 120—8 000 4,0 860X415X320 20,0
50КЗ-2 50 100—8 000 5,6 1160X580X383 40,0
50КЗ-2Т 50 80—12 000 14,5 815X370X220 40,0
100 КЗ-2 100 50—10 000 19,0 1310X610X460 60,0
15КЗ-4 15 200—5 000 7,4 725X 274X100 10,0
15КЗ-6 15 80—12 500 3,7 651X301X179 11,0
15КЗ-8 15 80—10 000 6,1 1368X476X292 15,0
25КЗ-6 25 80—10 000 7,9 1320 X307X260 15,0
25КЗ-12 25 63—16 000 4,8 730x 280X 210
50КЗ-5 50 80—14 000 13,5 1280X340X230
50КЗ-ЗМ 50 80—10 000 20,0 1480X394X294 40,0
100КЗ-13 100 80—10 000 Рупорные громя 22,0 юговорители 1280X340X280
10ГРД-5 10 300—3550 12,0 520X480X390 8,0
25ГРД-2 25 200—4000 13,0 530X410X740 12,5
50ГРД-3 50 200—4000 16,0 150X410X270 17,0
4. Параметры характеристик направленности звуковых колонок
Тип звуковой колонки ег ев Коэффициенты осевой концентрации 2Г на частотах, Гц
250 | 500 1000 | 2000 | 4000 | 6000
2КЗ-6 0,50 0,920 2,0 2,5 3,5 4,2 5,2 5,7
2КЗ-2 0,50 0,950 2,5 4,0 5,0 5,6 6,5 6,8
8КЗ-2 0,71 0,971 4,3 6,6 9,0 10,0 10,0 11,0
8КЗ-4 0,65 0,921 2,5 4,0 5,0 5,6 6,5 6,8
10КЗ-2 0,90 0,971 6,8 10,5 14,3 15,8 16,6 16,9
25КЗ-2 0,90 0,9-74 9,9 11,2 16,7 16,8 16,8 16,8
50КЗ-2 0,90 0,981 10,9 12,2 16,8 17,0 17,0 17,0
50КЗ-2Т 0,90 0,973 9,8 11,0 16,5 16,7 16,7 16,7
100КЗ-2 0,90 0,985 10,1 12,7 17,0 17,0 17,0 17,0
15КЗ-4 0,87 0,968 6,0 9,0 10,6 11,5 12,0 12,0
25КЗ-12, 1 15КЗ-6 / 0,89 0,965 7,6 9,8 11,0 12,5 13,7 14,0
15КЗ-8 0,95 0,980 16,0 19,0 20,1 20,1 20,1 20,1
25КЗ-6 0,90 0,985 9,6 11,8 15,7 16,5 16,7 17,0
50КЗ-6 0,94 0,985 18,0 20,0 21,2 21,2 21,2 21,2
50КЗ-5, 1 100K3-13 f 0,91 0,984 14,3 15,7 16,9 16,9 16,9 16,9
Примечание. Коэффициенты концентрации и эксцентрисистеты характеристик на-
правленности громкоговорителей, не приведенных в этой таблице, определяются прибли-
женно по размерам их излучателей. Для этого в предыдущем приложении подбирается
громкоговоритель с подходящими продольными и поперечными размерами излучателя. Его
г» е в и ег могут быть взяты как приближенные значения для выбранного громкого-
ворителя.
5. Аппаратура звукоусиления
Тип Выходная мощность, Вт Класс Масса, кг Питание Комплектация
ЗС-800А 800 II 2000 Сеть, авто- номное МД-44, 50ГРД-8А
ЗС-ЮООА 1000 I 3200 То же МД-52А, 50ГРД-8, 15КЗ-7, 100КЗ-7 ЗГД-1
3C-300A 300 I — я МД-52А, 100КЗ-11 50ГРД-12
ЗСП-ЗО 30 I — Сеть МД-66А, 15КЗ-4
ЗУС-150-2 150 I ПО — МД-66А, 15КЗ-4
УЗУП-4 600 I — Сеть МД-52А, МД-66А 2КЗ-1, 10КЗ-1 25КЗ-1
ЗУС-400 800 I 500 —
«Звук» 60X50* 300 I — Агрегат: один рупор- ный (1А-17) ВЧ и два диффузорных НЧ (2А-11)
«Зал» 200 I — —
♦ Выпускаются также <3вук> 6X100, 1X25, 4X25, 2X25.
142
6. Звукоусилительные устройства
Радиомикрофон РМ-7
Приемопередатчик работает на частотах 58 и 59 МГц с девиацией частоты
±50 кГц, точность установки ±0,02%, диапазон ±500 кГцг коэффициент нелиней-
ных искажений 1,7%. Чувствительность приемника при с/ш 40 дБ не хуже 15 мкВ.
Выходное напряжение приемника на резисторе сопротивлением 240 Ом 10 мВ.
Выходная мощность передатчика 10 мВт. Время работы от аккумулятора 4 ч,
потребляемый ток передатчика 28 мА, масса передатчика 330 г, масса приемника
3,2 кг. В состав РМ-7 входит микрофон МКЭ-2 (электретный), однонаправленный,
работающий в диапазоне 200—20 000 Гц с неравномерностью 20 дБ.
Электромегафон переносный ЭМ-2
В состав электромегафона входят громкоговоритель 5ГРД-1 и микрофон
ДЭМШ-1 А. Предназначен ЭМ-2 для работы на открытом воздухе и в больших
помещениях на расстояния (в шумах с небольшим уровнем) до 200—300 м.
Максимальная выходная мощность составляет 4 В-А, частотная характери-
стика равномерная в диапазоне 400—3000 Гц. Масса ЭМ-2 с источником питания
не более 2,8 кг, габариты 355X210X259 мм. Питается от источника постоянного
тока напряжением 12 В (потреблением тока не более 0,8 А) или от шести бата-
рей КБС-Х-0,70. Время работы не более 9 ч.
Автобусное громкоговорящее устройство АГУ-10-3
В состав АГУ-10-3 входят громкоговорители 1 ГД-36 (до 6 шт.) и микрофон
МФ-76'Предназначено устройство для громкоговорящего оповещения и радио-
трансляции в автобусах дальнего действия и внутригородского.
Выходная мощность составляет 6 В-А, частотный диапазон 150—7000 Гц с
неравномерностью не более 3 дБ питается от аккумуляторов с напряжением
12,8 В, потребление тока от 2,5 до 0,25 А. Без упаковки масса АГУ-10-3 равна
5 кг. Габариты усилителя 246X165X65 мм.
Список литературы
1. Фурдуев В. В. Акустические основы вещания. М.: Связь, 1969.
2. Нюренберг В. А. Обработка вещательных сигналов. Мл ВЗЭИС, 1973.
3. Иофе ^В. К., Ямпольский А. А. Расчетные графики и таблицы по электро-
акустике. М. — Л.: Госэнергоиздат, 1954.
4. Сапожков М. А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. Мл Связьизда'т,
1963.
5. Сапожков М. А. Защита тракта радио и проводной телефонной связи от по-
мех и шумов. Мл Связьиздат, 1959.
6. Папернов Л. 3. Озвучение открытых пространств. М.: Связьиздат, 1960.
7. Покровский Н. Б. Расчет и измерение разборчивости речи. Мл Связьиздат,
8. Дрейзен И. Г. Электроакустика и звуковое вещание. Мл Связьиздат, 1961.
9. Папернов Л. 3., Молодая Н. Т., Метер Ч. М. Расчет и проектирование сис-
тем озвучения и звукоусиления в закрытых помещениях. Мл Связь, 1970.
10. Сапожков М. А. Расчет разборчивости речи для систем звукоусиления в по-
мещениях. М.: ВЗЭИС, 1972.
11. Сапожков М. А. Проектирование систем звукоусиления и озвучения в по-
мещениях. Мл ВЗЭИС, 1973.
12. Сапожков М. А., Метер Ч. М., Млодзеевская И. А. К расчету разборчивости
речи при некоторых видах ее обработки. — Электросвязь, 1976, № 13. с.
66—70.
13. ГОСТ 7153—68. Аппараты телефонные общего применения. Методы испыта-
ний.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................ 3
Глава первая. Основы теории передачи и восприятия звука ... 4
1.1. Основные характеристики звукового поля............................ 4
1.2. Некоторые свойства слуха.......................................... 6
1.3. Характеристики речевого и музыкального сигналов...................11
1.4. Характеристики помещений..........................................20
1.5. Характеристики трактов передачи речевых и музыкальных сигналов . 25
Глава вторая. Системы звукофикации помещений...........................33
2.1. Требования к системам звукоусиления и озвучения..............33
2.2. Системы озвучения.................................................36
2.3. Уровни прямого звука на местах слушателей.........................39
2.4. Неравномерность озвучения.........................................49
2.5. Акустическое отношение............................................58
2.6. Уровни ощущения речи..............................................63
2.7. Индексы тракта передачи речи......................................66
Глава третья. Методика проектирования систем звукофикации . . 73
3.1. Введение .........................................................73
3.2. Акустический расчет помещения.....................................76
3.3. Выбор и расчет системы озвучения..................................78
3.4. Выбор типа громкоговорителя и расчет звукового поля .... 83
3.5. Расчет индексов тракта и выбор типа микрофона.....................86
3.6. Расчет разборчивости речи.........................................91
3.7. Расчет уровня прямого звука при передаче речи и выбор аппаратуры
звукоусиления..........................................................95
3.8. Особенности расчета многоцелевых помещений........................96
Глава четвертая. Примеры проектирования................................97
4.1. Звукоусиление в зале «круглого стола».............................97
4.2. Звукоусиление в аудитории........................................104
4.3. Озвучение зала ожидания аэровокзала..............................114
4.4. Звукоусиление в аппаратном зале..................................124
4.5. Звукоусиление в концертном зале..................................129
Приложения
1. Коэффициент поглощения некоторых материалов и объектов . . . 140
2. Параметры микрофонов............................................141
3. Параметры громкоговорителей.....................................141
4. Параметры характеристик направленности звуковых колонок . . . 142
5. Аппаратура звукоусиления........................................142
6. Звукоусилительные устройства....................................143
Список литературы................................................... 143
М.А.САПОЖКОВ
ЗВУКОФИКАЦИЯ
ПОМЕЩЕНИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ИРИТ