Компьютерное моделирование помещения в EASE

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 3

1 Особенности проектирования помещения 5

          1.1 Основные принципы акустического проектирования 5

          1.2 Защита студий от звуковых помех 6

          1.3 Обеспечение оптимальных акустических характеристик 10

          1.4 Типовые акустические решения студий различного назначения 12

          1.5 Музыкальные студии 12

2 Расчет частотной зависимости стандартного времени реверберации 16

3 Компьютерное моделирование помещения в EASE 4.3 21

Выводы 23

Список использованной литературы 24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Основными факторами достижения качества акустики помещения являются средства архитектурной акустики и системы звукоусиления.

     Акустическое  проектирование помещений заключено  в определении пропорций и  формы помещения и акустической обработки внутренних поверхностей этого помещения. При определении  формы помещения необходимо учитывать  характер отражений звуковых волн от внутренних поверхностей помещения, за счет которых формируется  диффузность  звукового поля. При акустической обработке внутренних поверхностей необходимо обеспечить требуемое значение эффективности в заданном диапазоне  частот.

     Одними  из самых важных параметров, по которым  оценивается качество воспроизведения  звука, являются разборчивость, отношение  сигнал–шум, отсутствие паразитной обратной связи. При этом, не должно быть допущено существенного различия в разборчивости, в тембральной окраски и в  качестве звука, излучаемого одним  источником, в разных местах проектируемого помещения. Поэтому по всей площади  зрительских мест должно быть достигнуто однородное распределение звука  и правильный баланс громкостей отдельных  источников.

     В залах с большой вместимостью, как правило, не хватает звуковой мощности при естественном воспроизведении. При этом не обеспечивается нормальная слышимость в довольно большой зоне расположения слушателей. Поэтому, для  обеспечения нормальной слышимости во всем зале, необходимо применять  искусственную систему озвучивания. При проектировании такой системы  необходимо обеспечить равномерность  звукового поля и необходимую  устойчивость выбранной системы, которая  рассчитывается после выбора и установки  громкоговорителей и микрофонов.

     Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно производить проектирование залов разной вместимости с возможностью использования системы звукоусиления, так и без нее.

     В предлагаемом курсовом проекте рассмотрены  два способа исследования акустических свойств помещения, проведен расчет и построены графики частотной зависимости стандартного времени реверберации, подобраны оптимальные акустические материалы для предложенного помещения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОМЕЩЕНИЯ

     1.1 Основные принципы акустического проектирования

     Основные принципы акустического проектирования студий достаточно просты. Во-первых, обеспечить в одном и том же помещении оптимум реверберации можно в принципе совершенно различными конструктивными решениями. При этом надо выбрать наиболее подходящий вариант, как по экономическим и эстетическим соображениям, так и по наиболее благоприятной структуре импульсного отклика. Для решения этой проблемы надо иметь достаточный практический опыт проектирования и настройки студий.

     Во-вторых, надо учесть, что расчеты фонда звукопоглощения помещений не являются абсолютно точными. Это связано с целой группой факторов, в том числе с тем, что используемые при расчетах справочные данные о КЗП различных материалов и конструкций являются среднестатистическими. Реально значения КЗП могут в определенной степени отличаться от справочных данных, что обуславливает необходимость корректировки времени реверберации в построенном помещении.

     Подобная  корректировка, называемая также акустической настройкой, является обязательной процедурой перед вводом в эксплуатацию любой студии. Поэтому опытный консультант всегда старается предусмотреть в проекте конструктивные решения, позволяющие проводить акустическую настройку достаточно быстро и без сколько-нибудь существенных дополнительных капитальных затрат. Бывают варианты, когда найти подобные решения оказывается довольно сложно. Разумеется, процедура акустической настройки базируется на проведенных в студии акустических измерениях, для чего надо иметь соответствующее аппаратное оснащение. Сейчас в этой области достигнут значительный прогресс, и в мировой практике повсеместно применяется для данной цели цифровая измерительная аппаратура с процессорным управлением. При проведении акустических измерений в студиях не ограничиваются определением только нормированных показателей, т. е. временем реверберации и УЗД шума. Необходимо определять также структуру звуковых отражений и целый ряд дополнительных параметров акустического качества: индекс прозрачности, индекс четкости, время раннего затухания и др.

     В подтверждение целесообразности привлечения к проектированию студий высококвалифицированных специалистов можно привести и тот факт, что исправление акустики студии с неудовлетворительным качеством звучания может в ряде случаев потребовать капитальных затрат, соизмеримых со стоимостью всех первоначальных работ. Известны печальные примеры, когда подобные работы столь дороги и трудоемки, что студии в течение всего периода их существования эксплуатируются с явно неудовлетворительным качеством звучания. что вызывает закономерные жалобы звукорежиссеров. В конце статьи приведен перечень российских организаций, имеющих опыт профессиональной работы в области архитектурной акустики.

     При акустическом проектировании студий приходится сталкиваться с двумя основными группами задач. Первая из них связана с защитой студий от проникающих звуковых помех, а вторая — с получением оптимальной структуры звукового поля непосредственно внутри студии. Поскольку первая группа задач решается методами строительной акустики, а вторая — архитектурной акустики, то они будут рассмотрены отдельно. 

     1.2 Защита студий от звуковых помех

     Можно выделить три основных механизма, приводящих к образованию звукового фона в студиях. Первый из них — это вентиляционные шумы, обусловленные работой моторов вентиляторов и процессами распространения звука в воздуховодах. Второй — это так называемый воздушный шум. Данный механизм связан с проникновением звука через студийные ограждения. Источниками воздушного шума могут являться транспортные шумы (если ограждение студии является наружной стеной здания), звук работающих в смежной аппаратной контрольных агрегатов, разговоры в смежных со студией коридорах и помещениях и т. п. Наконец, третий механизм, структурный звук, связан с распространением звуковых волн по перекрытиям и ограждениям здания при возбуждении их в форме вибрационных нагрузок. Типичными примерами источников структурного звука являются шаги в смежных со студией коридорах и расположенных над студией помещениях, а также хлопки при закрытии дверей. Структурные шумы могут также возникать при работе лифтов и другого технологического оборудования.

     Борьба  со всеми указанными источниками шумов должна проводиться в комплексе. Опыт показывает, что принципиально важно правильно выбратьобъемно-планировочное решение аппаратно-студийных помещений в зданиях. Поэтому в случае строительства нового аппаратно-студийного комплекса целесообразно специалиста-акустика привлекать к проектированию на самой ранней его стадии, когда составляются поэтажные планы будущего здания. Только в этом случае удается выбрать оптимальное размещение студий, обеспечивающее их защиту от шума при минимальных капитальных затратах.

     Методика  расчета вентиляционных шумов в настоящее время достаточно хорошо разработана. Для каждой конкретной студии с учетом числа исполнителей и типов выделяющего тепло технологического оборудования определяется требуемый воздухообмен. На основе этих данных выбираются параметры вентсистемы и типы вентиляторов. После этого с учетом конкретной конфигурации системы выбираются глушители шума, обеспечивающие снижение шума вентсистем до требуемого уровня. Обычно для студий требуется минимально две группы глушителей: магистральные — на выходе патрубков моторов вентиляторов и секционные — перед входами воздуховодов в студию. Расчеты по методике хотя и достаточно громоздки, но позволяют достаточно точно определить требования к типу и конструкции глушителей, обеспечивающих требуемое снижение шума. Весьма важно, чтобы при производстве работ не проводились произвольные изменения параметров системы. Известны примеры, когда принятое при строительстве занижение сечения коробов вентсистемы приводило к столь большому уровню шума, что студии совсем не могли эксплуатироваться при включенной вентиляции. В целом же при корректном проектировании борьба с вентиляционными шумами может проводиться вполне успешно и представляет собой чисто инженерную задачу.

     Задача  снижения воздушного звука в своей постановке достаточно проста. После выбора объемно-планировочного решения студии становятся известны возможные источники шума в смежных помещениях. Обычно среди них наибольший УЗД создают работающие в смежной аппаратной контрольные агрегаты. Зная этот УЗД (он определен в Рекомендации ТК ОИРТ 86/3) и допустимый уровень шума, можно определить требования к шумоизоляции (ЗИ) ограждения. Довольно распространенной является ошибка, при которой требуемую ЗИ определяют как простую разность уровней между шумным и изолируемым помещениями. Реально же следует при определении ЗИ учитывать также площадь ограждения и время реверберации в изолируемом помещении.

     Наиболее  сложной является проблема борьбы со структурным звуком. Связано это с тем, что требуется обеспечить полную акустическую развязку между внутренними ограждениями студии и конструкциями здания. Ситуация усугубляется и отсутствием инженерной методики расчета распространения структурных шумов по реальным конструкциям здания. На практике для эффективного ослабления структурного звука широкое распространение получил принцип коробка в коробке. При этом внутренняя коробка студии (стены, пол и перекрытие) являются независимыми и не имеют жесткой связи с другими конструкциями здания. Последнее достигается либо устройством внутренней коробки на отдельном фундаменте (что, естественно возможно только при размещении студии на нижнем этаже), либо опиранием пола внутренней коробки на несущее перекрытие не непосредственно, а через упругий слой. В качестве него могут использоваться пружинные амортизаторы, резиновые кубики или иные упругие прокладки. При тщательном качестве выполнения строительных работ подобное решение обеспечивает вполне достаточную ЗИ.

     Отметим, что в отечественной практике (за редким исключением) получил распространение лишь один конструктивный подход к реализации принципа коробка в коробке. Он заключается в том, что двойные ограждения студии, образующие внутреннюю и внешнюю коробку, выполняются в виде кирпичных стен, каждая из которых опирается на собственный фундамент. Такой подход является очень трудоемким и дорогостоящим. Кроме того, его эффективность очень критична к качеству строительных работ. Например, наличие забытого строительного мусора в промежутке между ограждениями внешней и внутренней коробок или плохо выполненная расшивка акустического шва во входном тамбуре приводят к резкому снижению ЗИ структурного звука и сводят на нет все дорогостоящие затраты на сооружение подобной конструкции.

     В зарубежной практике для ЗИ студий почти повсеместно используются легкие многослойные ограждающие конструкции. При этом широко применяются укрепляемые по металлическому каркасу в несколько слоев гипсовые обшивочные листы. Наличие упругих прокладок между этими листами обеспечивает эффективное ослабление структурного звука. В последние годы стал широко рекламироваться модульный принцип устройства студий. Он исходит из применения упомянутых многослойных ограждений, конструкция которых очень тщательно отработана. Подобная студия может быть вписана в любое помещение достаточно больших размеров. Известно несколько конструктивных подходов. Достаточно часто на ограждение исходного помещения кладут резиновые кубики, выполняющие роль амортизаторов и ослабляющих передачу вибраций на ограждения будущей студии. На эти кубики кладут панели пола, крепят металлический каркас, а затем обшивают его панелями, образующими стены и перекрытие студии. Предусмотрены стеновые панели с заранее встроенными смотровым окном и входными студийными дверями. Все необходимые для сооружения такой студии материалы достаточно легкие и могут транспортироваться в обычном грузовике. Ряд изготовителей с гордостью сообщает, что подобная студия может быть полностью смонтирована и сдана в эксплуатацию за несколько часов. 

     1.3 Обеспечение оптимальных акустических характеристик

     Основным  этапом проектирования является подбор фонда звукопоглощения помещения, который обеспечивал бы требуемые значения времени реверберации при оптимальной структуре ранних звуковых отражений. Подобные расчеты обычно производятся по формуле Эйринга. Исходными данными для их проведения являются объем помещения, общая площадь его внутренних поверхностей и требуемый оптимум реверберации. Расчеты проводят для отдельных октавных полос, используя обычно частотный диапазон от 125 до 4000 Гц. В справочных руководствах приводятся значения КЗП различных звукопоглощающих материалов и конструкций, а также данные о звукопоглощении исполнителей, кресел и других предметов.

     Прежде  всего, необходимо отобрать те звукопоглощающие материалы и конструкции, которые будут намечены к использованию в проектируемой студии. Эта задача является наиболее сложной и ответственной, так как при этом приходится учитывать одновременно целый ряд факторов: стоимость материалов, их внешний вид, возможность поставки, требования пожарной безопасности и т. п. На этой же предварительной стадии следует решить вопрос и о способе монтажа материалов на поверхностях студии. Дело в том, что значения КЗП материалов зависят от способа их крепления. Например, наличие воздушного относа между задней поверхностью звукопоглощающей плитки и плоскостью стены (при креплении плитки по несущему каркасу) приводит к увеличению КЗП в низкочастотной области. Игнорирование этого факта при акустическом проектировании может привести к существенному «переглушению» студии на низких частотах, причем исправление этого дефекта в построенной студии обычно весьма сложно и требует больших дополнительных затрат. Помимо этого, следует принимать во внимание и ряд дополнительных чисто акустических требований. В частности, для музыкальных студий оказывается полезным размещать на потолке достаточно большое количество звукорассеивающих конструкций, в дикторских студиях следует избегать поступления первых интенсивных отражений в область размещения дикторского стола. Некоторые эти вопросы ниже рассмотрены подробнее.

     После решения указанных проблем приступают к непосредственным расчетам. Суть их сводится к тому, чтобы путем варьирования площадей занимаемых выбранными материалами подобрать такой общий фонд звукопоглощения студии, при котором в ней будет обеспечен оптимум реверберации. В настоящее время подобные расчеты повсеместно производятся на ЭВМ по специально разработанным программам, позволяющим найти оптимальное решение. При расчете, как показывает опыт, обычно необходимо учитывать некоторые поправочные параметры, к которым относится так называемый коэффициент добавочного звукопоглощения. Этот коэффициент учитывает добавочное поглощение, обусловленное наличием осветительной арматуры, щелей и ряда других факторов. Его значения были определены на основании исследования большого числа студий разного назначения. После завершения расчетов приступают к заключительному этапу, на котором подготавливаются необходимые чертежи для проведения строительных работ. 

     1.4 Типовые акустические решения студий различного назначения

Указанные выше основные принципы защиты помещений  от проникающих звуковых помех в целом являются общими для всех типов студий и аппаратных. По иному обстоит дело с проектированием акустических облицовок на внутренних поверхностях, требования к которым для различных типов студий существенно отличаются. Ниже кратко будут рассмотрены эти требования дифференцированно по отдельным типам помещений. 

     1.5 Музыкальные студии

     Приведенную выше классификацию музыкальных  студий нужно рассматривать с учетом реальной сложившейся в настоящее время в России ситуации. Сейчас капитальное строительство новых аппаратно-студийных комплексов практически полностью прекращено. Строительные работы ведутся лишь на тех объектах, которые были начаты несколько лет назад (Курган, Новгород, Архангельск). Кроме того, в целом ряде городов ведутся или планируются работы по размещению аппаратно-студийных комплексов в приспособленных помещениях (бывшие дома политического просвещения, административные здания и т. п.). Частные студии звукозаписи также в подавляющем большинстве ориентируются на размещение студий в приспособленных помещениях. Во всех этих случаях в настоящее время не идет речь о строительстве или проектировании крупных музыкальных студий площадью более 150 кв. м. Поэтому в данном разделе мы остановимся лишь на вопросах акустики музыкальных студий меньшей площади.

     Попадающая  под действие современной классификации  камерная студия С-150 должна иметь Т = 0,9-1,1 с при строго горизонтальной форме частотной характеристики времени реверберации. Отметим, что последнее требование справедливо для всех музыкальных студий. Достаточно часто сооружаются музыкальные студии меньшей площади С-120, С-100 и т. п. Во всех случаях сооружение музыкальных студий площадью менее 60-70 кв. м является нежелательным. В одном из старых типовых проектов радиодомов были предусмотрены «камерные» студии площадью 46 кв. м. Однако, реально для записи камерных музыкальных программ они никогда не использовались и применялись, в основном, для речевых передач. С уменьшением размера студии ее оптимум реверберации должен иметь тенденцию к снижению. Так для студий С-100 обычно рекомендуют Т = 0,8-0,9 c, а для С-70Т = 0,6-0,7 с. 

     Все указанные требования относятся  к традиционным музыкальным студиям, ориентированным на режим так называемой «естественной акустики». В тоже время достаточно давно наметилась тенденция создания сильно заглушенных студий с «мертвой акустикой». Такие студии независимо от их размеров (они редко сооружаются с площадью более 100 кв. м) обычно проектируются на время реверберации от 0,35 до 0,55 с. Частотная характеристика времени реверберации здесь также должна быть строго горизонтальной.

     При проектировании музыкальных студий нежелательно использовать типичные для  ТВ студий плоские облицовки. Здесь необходимо применять достаточное количество звукорассеивающих конструкций, чередуя их со звукопоглощающими материалами. Проведенные исследования показывают, что большее количество звукорассеивающих конструкций должно размещаться на потолке студии. Хорошо зарекомендовали себя на практике конструкции в форме призм и пирамид, которые изготовляются в виде отдельных объемных модулей, крепящихся затем к потолку. При выборе данных конструкций следует учитывать их диаграммы рассеяния звука на разных участках звукового диапазона. Расчет подобных диаграмм встречает серьезные математические сложности. Приходится ориентироваться на экспериментальные данные, полученные, в основном, методом масштабного моделирования. Обычно звукорассеивающие конструкции изготавливаются в виде деревянного каркаса, который обшивается фанерными листами. Известны также примеры, когда их удавалось делать из гипса при использовании армирования и специальных отливочных форм.

     В отечественной практике при проектировании музыкальных студий часто совсем отказываются от применения промышленных звукопоглощающих плит. Это связано как с их ограниченным ассортиментом, так и с недостаточно хорошим внешним видом, что весьма важно для музыкальных студий. При этом на стенах в ячейки несущего деревянного каркаса закладываются обернутые стеклотканью минерало-ватные плиты, а затем обращенная к студии их поверхность закрывается декоративным акустически прозрачным покрытием. В качестве последнего часто используются деревянные рейки. Такие весьма эффективно поглощающие звук конструкции выполняются в виде чередующихся фрагментов, а в промежутках между ними устанавливают звукорассеивающие элементы в виде членений разного профиля (пилообразного, треугольного и т. п.). Конструктивно эти элементы часто изготавливают из деревоплиты. При наличии соответствующих требований по технологии звукозаписи углы студии скашивают, размещая в них звукоизолированные кабины для ударной установки и отдельных исполнителей.

     Завершая  краткое рассмотрение акустического  решения музыкальных студий, отметим, что в зарубежной практике находят широкое распространение высокоэффективные звукорассеивающие конструкции типа так называемых диффузоров Шредера. В своем классическом виде они представляют собой набор параллельных канавок (щелей), разделенных ребрами. Канавки имеют различную глубину, причем при переходе от одной канавки к другой она меняется по закону числовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Подобные конструкции различного типа выпускаются американской фирмой RPG Diffusor Systems Inc., отметившей в этом году 10-летие своей деятельности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 РАСЧЕТ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СТАНДАРТНОГО ВРЕМЕНИ РЕВЕРБЕРАЦИИ

Время реверберации рассчитывается по формуле:

,                                         (2.1)

     где V – объем помещения;

     S – суммарная площадь поверхностей внутри помещения;

     α – акустический коэффициент поглощения материала;

      - коэффициент затухания звука  в воздухе;

      - коэффициент учитывающий форму помещения. 

     С помощью формулы можно получить график зависимости стандартного времени  реверберации от частоты.

           Для получения графика  время реверберации рассчитывается для октавных частот, начиная с 125 Гц, заканчивая 4000 Гц. Коэффициент  учитывается на 2000 Гц и 4000 Гц.

           Расчет оптимального времени реверберации производится оп формуле:

   .                                          (2.2)

     Параметры студии звукозаписи приведены в  таблице 2.1 
 
 
 

     Таблица 2.1 – Параметры студии звукозаписи

     В первоначальном варианте стены и  потолок выполнены из известковой  штукатурки, на полу – линолеум. Расчет стандартного времени реверберации приведен в таблице 2.2, а характеристика изображена на рисунке 2.1 

Рисунок 2.1 – График стандартного времени  реверберации с при заданных в  условии материалах

Таблица 2.2 - Расчет стандартного времени реверберации, с первоначальными параметрами 

Расчет с материалами, подобранными в EASE 4.3 представлен на рисунке 2.2.

     Рисунок 2.2 - График стандартного времени реверберации с материалами подобранными в EASE 4.3 

     По  сравнению с графиком в EASE 4.3 см. рисунок 3.3 график полученный в MS Exel 2007 не укладывается в допустимый порог.

     Расчет  с подобранными материалами приведен в таблице 2.2