Радиосвязь радиовещание телевидение

Звуковое поле помещения  в каждой точке пространства можно  представить как совокупность волн, приходящих непосредственно от источника по кратчайшему пути (прямой звук), и волн, попадающих в данную точку после одного или нескольких отражений и образующих реверберационный процесс в помещении.

Направления потоков мощности отраженных волн зависят от геометрической формы помещения и степени поглощения акустической энергии границами (поверхностями) помещения. При изменении соотношения между длиной волны и размерами помещения, акустических свойств и форм отражающих поверхностей характер звукового поля помещения меняется. Если помещение не содержит фокусирующих поверхностей и геометрически симметричных сечений, а размеры помещения значительно больше длины волны, и если стены не сильно поглощают звуковую энергию, то через некоторое время при непрерывном действии источника через произвольный элемент объема помещения в каждый момент времени будет проходить большое число отдельных волн, распространяющихся в разных направлениях. В результате звуковое поле будет иметь следующие свойства:

1) все направления потоков  энергии этих волн будут равновероятны;

2) плотность звуковой  энергии такого поля по всему  объему помещения будет постоянна. 

Первое свойство называют изотропией звукового поля, а второе - однородностью. Звуковое поле изотропное и однородное называют диффузным.

 Для диффузного звукового поля постулируется еще одно важное свойство: все элементарные волны этого поля некогерентны, поэтому в нем отсутствуют устойчивые явления интерференции.

Количественной мерой оценки диффузности  звукового поля в помещении является индекс диффузности. Экспериментально он может быть найден следующим образом. В помещении возбуждают сигнал переменной частоты (так называемый воющий тон). В исследуемой точке помещения располагают микрофон с острой диаграммой направленности. Сигналы, воспринятые микрофоном от источника звука при его ориентации в пределах телесного угла 0 - p наносят на пространственную диаграмму в полярных координатах и получают систему отрезков, сходящихся в одной точке (рис. 2.1). Длины этих отрезков пропорциональны интенсивности звука, принятого со стороны соответствующего направления W, W +DW. При этом индекс диффузности 

(2.3)

 

 

 Рис.2.1 - К понятию индекса диффузности

звукового поля

 

m =  DI / Iср ;

(2.4)

Здесь I_ср - средняя интенсивность звука в пределах полного телесного угла;

          Ii - интенсивность звука для i-го направления;

          n- число взятых направлений;

- отклонение интенсивности .звука от среднего               значения;

          m - относительное отклонение интенсивности звука, усредненное по всем направлениям;

          m_o. - относительное отклонение интенсивности звука от среднего значения, измеренное в заглушенной камере. При m = m_o. (полностью заглушенное помещение), индекс диффузности равен нулю. Если m = 0 то поле абсолютно диффузно.

Для большого числа залов среднее  значение индекса диффузности составляет около 0,65 ... 0,75. С увеличением объема помещения (V > 10000 м) индекс диффузности уменьшается. Его увеличивают применением в помещениях разнообразных по форме звукорассеивающих объемных конструкций.

 

 

2.3. Волновой и статистический методы анализа структуры звукового поля в помещении

 

 

 

Студия представляет собой замкнутый воздушный объем, который, являясь колебательной системой с распределенными параметрами, существенно влияет на временную структуру сигнала источника звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Известно, что речь в большом пустом помещении и в жилой комнате звучит по разному. Звучание оркестра на открытом воздухе гораздо беднее в тембральном отношении, чем в помещении с хорошими акустическими свойствами.

Воздух, заполняющий помещение, имеет  определенную упругость и массу, оказывает сопротивление распространяющейся в нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объем закрытого помещения рассматривается как сложная многорезонансная колебательная система с распределенными параметрами. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колебания. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать лишь для помещений простых геометрических форм. Например, для помещений в форме прямоугольного параллелепипеда с идеально жесткими отражающими поверхностями длиной l, шириной b и высотой h собственные частоты

 

(2.5)

 

где : g, q, r  -  целые числа, каждой тройке этих чисел соответствует одна из собственных частот помещения.

 

В помещениях малого объема  (   где - длина волны возбуждающего колебания )  спектр собственных частот имеет дискретную структуру, причем с повышением частоты этот спектр уплотняется.

Важной характеристикой звукового  поля малых помещений является плотность спектра собственных частот – число Dn  в наперед заданном частотном интервале D F.

D n  » ( 4pV F_o² DF ) / C_зв³           (2.6)

 

где F₀- средняя частота выделенного частотного интервала;

      C_ЗВ - скорость звука

 

При этом средний интервал между  смежными собственными частотами равен 

        (2.7)

.

 

Рис. 2.2. Спектр собственных частот (а) и гистограмма распределения их числа (б) при l = 10 м, b = 6 м, h = 4 м

 

Он обратно пропорционален объему помещения и очень быстро убывает  в сторону высоких частот. Общее  число собственных частот в интервале  от 0 до F может быть найдено из формулы  :

           (2.8)

где  L = 4(l+ b + h); S = 2(lb + lh + bh);

        V - объем помещения, м³.

 

 При  плотность спектра собственных частот помещения настолько высока, что частота возбуждающего колебания практически не отличается по величине от частоты собственного колебания. Поэтому усиления отдельных компонент спектра сигнала за счет резонансов воздушного объема помещения не происходит. Обычно наблюдающаяся неравномерность частотных характеристик помещений объемом свыше 100 м³ объясняется не резонансными явлениями на собственных частотах, а взаимодействием многочисленных собственных колебаний, которые из-за случайности фазовых соотношений усиливаются или ослабляются. Средний интервал между соседними максимумами частотной характеристики помещения может быть найден из следующей приближенной формулы:

DF = 4 / T ,         где Т - время реверберации помещения, с.

Собственное колебание (или их совокупность), являясь откликом помещения на возбуждение, не может затухнуть мгновенно. Отклик (отзвук) проявляется на любой частоте возбуждающего колебания. Процесс затухания колебаний в помещении также происходит на собственных частотах с постоянной времени, определяемой затуханием на каждой из собственных частот. Эти постоянные затухания на каждой из собственных частот обычно настолько близки, что можно использовать их среднее значение. Сам процесс затухания звуковой энергии в помещении описывается экспоненциальной функцией вида

    для t > 0,                           (2.9)

где   e_o  и e((t) - соответственно установившаяся и изменяющаяся во  

       времени плотность звуковой энергии в помещении;

      d - среднее значение постоянной затухания;

      t - текущее время.

 

Из волновой теории акустики помещения следует, что процессу затухания отзвука свойственны  флуктуации, обусловленные интерференционными явлениями. Иными словами, каждый элемент (отрезок) временной структуры сигнала возбуждает постепенно затухающий отзвук. Совокупность отзвуков образует своего рода звуковой фон, на котором слушатель должен воспринимать все новые и новые элементы быстро изменяющейся временной структуры сигнала. Этот фон, являясь многократным повторением каждого отрезка сигнала, увеличивает время его слухового восприятия и характеризует собственно помещение, где происходит исполнение программы. Оба фактора - структура спектра собственных частот и быстрота затухания отзвука помещения - по-разному влияют на слуховое восприятие.

В тех случаях, когда  объем помещения достаточно велик  ( , а это условие обычно выполняется на практике) и можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот помещения, к анализу временной структуры звукового поля можно подойти с позиций геометрической акустики. Поле в каждой точке помещения можно рассматривать как результат наложения на сигнал прямой звуковой волны, поступающей от исполнителя по кратчайшему пути (прямой звук), значительного числа запаздывающих повторений, обусловленных отраженными звуковыми волнами (отзвуками), претерпевшими разное число отражений от поверхностей помещения. Вследствие поглощения звуковой энергии при отражениях запаздывающие повторения имеют меньший уровень, чем первичный сигнал. В среднем уровень этих повторений убывает с ростом времени запаздывания, так как сигналы с большей задержкой претерпевают, как правило, и большее число отражений, следовательно, больше ослабляются. Совокупность этих отраженных звуков образует реверберационный процесс студии, существенно изменяющий окраску звучания. 
Для помещения в форме прямоугольного параллелепипеда число повторений, приходящих в точку приема за время от до t до   t+ D t,

 

(2.10)

а средний интервал между следующими друг за другом отзвуками в промежутке Dt

(2.11)

Если в начальной стадии процесса отзвука структура реверберирующего сигнала дискретна, то в его завершающей  части реверберации запаздывающие  сигналы образуют настолько плотную последовательность, что их можно считать сливающимися друг с другом.

Важнейшей особенностью реверберационного  процесса в помещении является его пространственность - отзвуки приходят в точку наблюдения с разных направлений. Однако в диффузном звуковом поле при стационарно работающем источнике звука количество звуковой энергии, поступающей с разных направлений, одинаково. Все же случаи, когда звуковое поле в помещении является идеально диффузным, встречаются довольно редко.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Статистическое представление о звуковых процессах в помещении

 

Поглощение  звуковой энергии в помещении.

 

Падая на поверхность  (рис. 2.3), звуковая волна частично отражается от нее, частично поглощается материалом поверхности, переходя в тепловую энергию, частично может уйти за пределы помещения.

Процессы преломления  звуковой волны в поверхности  подчиняются законам геометрической акустики. При этом энергия, оставшаяся в помещении после отражения  звуковой волны, характеризуется коэффициентом отражения b энергия, теряемая в помещении после отражения, коэффициентом звукопоглощения a, энергия звуковой волны, прошедшая сквозь поверхность,   коэффициентом звукопроводности   g:

 

 где Е_пад - энергия звука, падающая на поверхность;

       Е_отр - энергия звука, отраженного от поверхности;

       Е_пр - энергия звуковой волны, прошедшей сквозь поверхность в             соседнее помещение;

      Е_погл - энергия звуковой волны, теряемая в помещении при          отражении.

Очевидно, что a +b = 1, так как Е_погл + Е_отр = Е_пад. Значения коэффициентов  a, b и g  зависят от материала и конструктивных особенностей поверхности, частоты и угла j_{i  .}падения звуковой волны на преграды.

 

 

Рис. 2.3. Диаграмма, поясняющая процессы отражения и преломления звуковой волны, падающей на преграду

 

Значения коэффициентов звукопоглощения a , приводимые в справочниках, получены в диффузном звуковом поле, которое характеризуется равновероятным распространением звуковых волн в каждом направлении, равенством значений звуковой энергии, распространяющейся в каждом направлении, одинаковым значением суммарной звуковой энергии в каждой точке объема помещения. В этом случае коэффициент звукопоглощения является средним значением совокупности всех его возможных значений.