Шаблоны электроакустического расчета - Общие статьи - Статьи - Статьи

Разобьем все громкоговорители на три основных класса, различающихся по направлению излучения звуковой энергии.

Потолочные – громкоговорители, звуковая энергия которых направлена перпендикулярно расчетной плоскости (полу) [Звуковая энергия направлена вдоль рабочей оси громкоговорителя].

Настенные – громкоговорители, звуковая энергия которых параллельна расчетной плоскости (полу).

Рупорные – громкоговорители, звуковая энергия которых направлена под некоторым углом к расчетной плоскости (полу).

Под шаблонами будем понимать геометрическую область, являющуюся проекцией звукового поля громкоговорителя на расчетную плоскость:

Громкоговоритель является широкополосным устройством. Для нижней частоты нормативного диапазона f=200Гц, громкоговоритель можно рассматривать как звуковой излучатель сферической волны. С увеличением частоты ДН громкоговорителя начинает сужаться и концентрироваться внутри шарового конуса с углом раскрыва [Углом между образующими шарового конуса (в англ. coverage angle)], определяемым величиной ШДН. Данное представление не вполне соответствует устоявшейся практике, согласно которой звуковое поле на выходе громкоговорителя принято аппроксимировать полуэллипсом. В [2] показано, что для (среднестатистической) ШДН=90⁰ количественные оценки для конуса и эллипса совпадают.

Оценку эффективной площади, озвучиваемой громкоговорителями различных типов, можно связать с задачей нахождения площади, образуемой пересечением данного шарового конуса с рабочей плоскостью. Воспользуемся известным геометрическим представлением, согласно которому результатом пересечения плоскости и конуса под различными углами являются различные эллиптические поверхности - гипербола, парабола, эллипс и круг, рис.1.

Рис.1 - Результат пересечения шарового сектора с рабочей плоскостью

Гипербола получается в результате пересечения конуса и плоскости, пересекающей одну из его образующих.

Парабола получается в результате пересечения конуса и плоскости, параллельной одной из его образующих.

Эллипс получается в результате пересечения конуса и плоскости, пересекающей обе его образующие.

Круг получается в результате пересечения конуса и плоскости, параллельной его основанию.

Эффективная площадь, озвучиваемая громкоговорителем, – область на рабочей плоскости, в пределах которой звуковое давление остается в границах, определяемых диаграммой направленности громкоговорителя.

Рассчитаем эффективные площади, озвучиваемые различными типами громкоговорителей.

Задачу оптимальной расстановки громкоговорителей можно связать с результатами, полученными в предыдущей главе. Дадим определение:

Расстановку громкоговорителей необходимо осуществлять таким образом, чтобы любая потенциальная расчетная точка обязательно попадала в пределы, охватываемые диаграммой направленности ближайшего громкоговорителя.

В предыдущем разделе мы получили три основные геометрические фигуры [Которые в дальнейшем мы будем использовать как кальки (фигурки) для заполнения (равномерного покрытия) поверхности] - круг, сектор и эллипс. Задачу расстановки можно свести к равномерному покрытию [Ср. задача “замощения” поверхности в математике] всей рабочей плоскости.

На практике расстановку громкоговорителей осуществляют с учетом отражений от поверхностей [Учет отражений очень актуален. Следует заметить, что т.н. прямой звук (звуковая энергия, поступившая к слушателю в первые 50мс) на 80% состоит из отраженной энергии (т.н. первичных отражений), а четкость восприятия (которая, кстати, как и разборчивость в нормативах не учитывается) напрямую зависит от доли прямой диффузионной энергии закрытого помещения. В рамках элементарного ЭАР (см. предыдущую главу) предлагается учитывать не более одного отражения (ср. [20])].

Учет отражений будем осуществлять, опираясь на геометрическо-лучевую теорию, в которой звуковая энергия отождествляется с геометрическим лучом, отражающимся от поверхности под тем же углом и в той же плоскости, рис.2.

Рис.2 - Отражение звуковой энергии

При столкновении с поверхностью часть звуковой энергии теряется. Долю поглощенной звуковой энергии P_погл, дБ, можно определить, зная коэффициент поглощения K_погл поверхности:

При учете отражений необходимо проверять следующее граничное условие, рис.2:

При выполнении условия (8) расстановку громкоговорителей можно осуществлять с учетом отражений.

Большинство поверхностей таких, как паркет, ламинат, дерево, бетон практически не поглощают [Так, например, для деревянной обшивки на частоте 4кГц, К_погл=0,11, P_погл=0,5дБ]. В дальнейших примерах расстановки громкоговорителей в качестве упрощения примем, что звуковая энергия от поверхности отражается полностью.

Критический Шаг расстановки громкоговорителей

Громкоговорители нельзя удалять друг от друга на большое расстояние, так как в этом случае возникает неблагоприятный эффект, называемый эхо [в акустике эхо – паразитный эффект, связанный с повторным восприятием одного и того же звука, задержанного более чем на 50мс], существенно ухудшающий восприятие речевой информации. Эхо начинает проявляться при задержке между прямым и запаздывающим звуком более, чем на 50мс. Определим максимально допустимый шаг расстановки Ш, м, при котором этот эффект начинает проявляться, рис.3.

Рис.3 - Шаг расстановки, при котором возможно эхо

Из рис.3 видно, что звук в РТ поступает от 2-х громкоговорителей. Зная скорость звука в воздухе v=340м/с и время задержки t=0,05c, легко получить критическое расстояние R_кр, м, при котором эхо становится возможным: R_кр = vt = 340*0,05=17м, где v – скорость распространения звука в воздухе (340м/с).

В зависимости от направленности громкоговорителей и их ШДН, шаг расстановки можно определить геометрически:

Будем рассматривать два основных типа помещений:

Под коридорами будем понимать узкие протяженные помещения с соотношениями длины a (м) и ширины b (м): a/b≥4.

Помещения с соотношениями a/b<4 будем считать прямоугольными.

Для определения численного значения предлагаемых коэффициентов (b, h) было использовано усредненное значение эффективной дальности звучания D (м), которое для P_дб=95дБ, УШ=60дБ, будет составлять ~ 10м и ШДН=90⁰.

Способ расстановки громкоговорителей с учетом отражений или без них определяется двумя факторами:

Коридоры с низкими или высокими потолками

Понятия “низкие/высокие” потолки будем рассматривать относительно способов размещения потолочных громкоговорителей.

При размещении громкоговорителей на низких потолках желательно учитывать и отражения от пола. В этом случае, для определения численного значения шага расстановки громкоговорителей используется следующий критерий:

Звуковая энергия, излучаемая потолочным громкоговорителем, должна ‘добить’ до пола и, отразившись от него, до ‘расчетной плоскости’.

При размещении громкоговорителей на высоких потолках отражения от пола можно не учитывать или обязательно проверять критерий (8).

Понятие “узкие/широкие” коридоры будем рассматривать относительно способов размещения как потолочных, так и настенных громкоговорителей. В обоих случаях нам придется учитывать отражения от пола или стен.

Для определения численного значения шага расстановки настенных громкоговорителей в случае учета отражений будем использовать следующий критерий:

Звуковая энергия, излучаемая настенным громкоговорителем, должна “добить” до противоположной стены и, отразившись от нее, до стены, на которой громкоговоритель установлен.

При размещении громкоговорителей в широких коридорах отражения от стен можно не учитывать или обязательно проверять критерий (8).

Для разъяснения смысла узкие/широкие коридоры в случае применения потолочных громкоговорителей рассмотрим понятие цепочка громкоговорителей.

На рис.4 изображен широкий коридор, в котором установлены две цепочки потолочных громкоговорителей.

Рис.4 - Пример расстановки потолочных громкоговорителей в широких коридорах

Количество цепочек, К_ц, шт, будет определяться из соотношения:

Рассмотрим примеры размещения громкоговорителей для разных типов помещений (случаев) и условия определения шага расстановки Ш, м.

Расстановка потолочных громкоговорителей

Расстановка потолочных громкоговорителей в коридорах с высокими потолками без учета отражений от пола

Расстановку потолочных громкоговорителей в коридорах с высокими потолками без учета отражений [Как и было отмечено выше, по причине высоты потолков или наличия отражающих поверхностей] от пола, следует вести с шагом, рис.5:

Рис.5 - Расстановка потолочных громкоговорителей в коридорах с высокими потолками без учета отражений от пола

При ШДН=90⁰, R=h–1,5:

Проверочное условие 1

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен добивать до рабочей плоскости. Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

При ШДН=90⁰:

Расстановка потолочных громкоговорителей в коридорах с низкими потолками с учетом отражений от пола

Расстановку потолочных громкоговорителей в коридорах с низкими (менее 4м) потолками допустимо вести с учетом отражений (от пола) с шагом, рис.6:

Рис.6 - Расстановка потолочных громкоговорителей в коридорах с низкими потолками или в случае учета отражений

При ШДН=90⁰:

Проверочное условие 2

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен добивать до пола и, отразившись от него, до рабочей плоскости. Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

При ШДН=90⁰, без учета поглощения:

Расстановка настенных громкоговорителей

Использование настенных громкоговорителей позволяет в более широких пределах варьировать диаграммой направленности, формируя акустический дизайн помещений. При расстановке настенных громкоговорителей, мы будем учитывать отражения от стен (для упрощения расчетов, отражения от потолков учитывать не будем).

Расстановка настенных громкоговорителей размещаемых вдоль одной стены, без учета отражений

Расстановку настенных громкоговорителей в (широких, свыше ~3-х м) коридорах, с размещением вдоль одной стены, без учета отражений следует вести с шагом Ш=2R:

где ШК – ширина коридора, рис.7.

Рис.7 - Расстановка настенных громкоговорителей в широких коридорах без учета отражений

При ШДН=90°, R=ШК имеем Ш=2ШК.

Проверочное условие 3

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен добивать до противоположной стены.

Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

Для ШДН= 90°:

Запишем критерий определения эффективной дальности, с учетом высоты установки громкоговорителя, H, м. Для произвольной ШДН:

Расстановка настенных громкоговорителей размещаемых вдоль одной стены, с учетом отражений.

Расстановку настенных громкоговорителей в (узких, до ~3-х м) коридорах, с размещением вдоль одной стены, с учетом отражений допустимо вести с шагом Ш=4R, где R рассчитывается по формуле (16), рис.8.

Рис.8 - Расстановка настенных громкоговорителей с учетом отражений

При ШДН=90°, R=ШК имеем Ш=4ШК.

Проверочное условие 4

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен дважды добивать до противоположной стены с учетом ШДН.

Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

Для ШДН= 90°, без учета поглощения:

С учетом высоты установки, см. формулу (18).

Расстановка настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях, с размещением вдоль двух противоположных стен в шахматном порядке.

Расстановку настенных громкоговорителей в средних прямоугольных помещениях, с возможностью размещения вдоль двух противоположных стен желательно вести, в шахматном порядке с шагом Ш=2R:

где b – ширина помещения, рис.9.

Рис.9 - Расстановка настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях, с размещением вдоль двух противоположных стен в шахматном порядке

При ШДН=90°, R= b имеем Ш=2b.

Проверочное условие 5

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен добивать до противоположной стены.

Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

Для ШДН= 90°:

Учет высоты установки, осуществляется аналогично формуле (18).

Расстановка настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях, с размещением вдоль двух противоположных стен.

Настенные громкоговорители в прямоугольных помещениях большой площади допустимо расставлять на противоположных стенах, в любом порядке с шагом, определяемым половиной расстояния до противоположной стены, b/2 (м) Ш=2R.

Где b – ширина помещения, рис.10.

Рис.10 - Расстановка настенных громкоговорителей в прямоугольных помещениях, с размещением вдоль двух противоположных стен

При ШДН=90°, R= b имеем Ш=b.

Проверочное условие 6

Громкоговоритель, с учетом ШДН должен пробивать половину расстояния до противоположной стены, рис.10.

Эффективная дальность, для произвольной ШДН:

Для ШДН= 90°:

Учет высоты установки, осуществляется аналогично формуле (18).

Расстановка громкоговорителей в помещениях со сложной конфигурацией.

Расстановка громкоговорителей в помещениях со сложной конфигурацией осуществляется следующим образом. Озвучиваемое (проектируемое) помещение анализируется, разбивается на отдельные участки, для каждого из которых подбирается соответствующая схема расстановки, из вышеперечисленных. Основная задача, при этом, сводится к оптимальной стыковке отдельных участков.

Скачать программу электроакустического расчета

Автор Кочнов Олег Владимирович