Помещения, строения и концертные залы — «летающие блюдца» под крышей

Весельчаки, распевающие в ванной комнате, хорошо знают, что в помещении звук ведет себя иногда совершенно иначе, чем звук в открытом пространстве. Шоферы замечают, что при выезде из гаража резко падает уровень шума мотора. Все, кому приходилось переезжать с квартиры на квартиру, помнят, как странно звучат их голоса в пустых, лишенных мебели комнатах.

Причины всех этих явлений довольно просты, но они играют гораздо большую роль, чем это кажется на первый взгляд. Изучение поведения звука в помещениях не менее важно, чем любой другой аспект акустики, и не только потому, что наслаждение, испытываемое тысячами любителей музыки, зависит от познаний архитектора в области акустики, но и, быть может, еще в большей степени потому, что разнообразные шумы, которые возникают в помещениях и наносят вред слуху работающих там людей, во многом зависят именно от окружения. Настоящая глава как бы подытоживает все сказанное в предыдущих главах, и здесь мы покажем, как явления излучения, дифракции, поглощения и отражения, комбинируясь тем или иным путем, способны либо доставлять удовольствие, либо портить жизнь всем, кто находится в помещениях.

Для начала рассмотрим небольшое пустое помещение, размеры которого лишь в несколько раз превышают длину волны интересующего нас звука. Пусть в середине такого помещения начинает работать маленький ненаправленный источник чистого тона. Звуковые волны побегут от него во всех направлениях и вскоре достигнут стенок (стен, пола и потолка помещения). Если эти стенки твердые и жесткие, как в ванной комнате, они отразят примерно 95 % звуковой энергии, то есть звуковые волны отразятся почти полностью, как свет от зеркала. Но мы знаем, что комбинация падающей и отраженной волн образует стоячую волну. Поэтому во всем объеме помещения установится система стоячих волн той же длины, что волна падающего звука. Если окажется, что расстояние между какими-либо двумя из трех пар параллельных стенок помещения равно длине волны звука или составляет целое кратное от нее, то в результате конструктивной интерференции стоячая волна будет все более усиливаться, и мы придем еще к одному типу резонанса. Помещение можно рассматривать как трехмерную резонансную трубу.

К сожалению, картина стоячих волн в малом помещении чрезвычайно сложна ввиду всевозможных комбинаций из его длины, ширины и высоты, которые и определяют частоты возможных резонансов. Если у нас нет под рукой счетной машины, то нам придется долго трудиться, рассчитывая частоты всех резонансов, получивших название «нормальных» или «собственных» колебаний. Субъективный эффект этих нормальных частот — двоякий: во-первых, при постоянной частоте звука можно, двигаясь по помещению, попадать то в участки с повышенной интенсивностью звука, то в участки с пониженной интенсивностью: во-вторых, — любители петь в ванной комнате знакомы с этим — некоторые ноты получают преимущество, выделяются и усиливаются. Нота, которая так жиденько звучала в спальне, в ванной комнате будет спета прелестно и полнозвучно.

Если не ограничиваться только низкими частотами, число собственных колебаний оказывается столь значительным и они распределяются по такому большому числу различных частот, что на каждое из них в отдельности можно не обращать внимания: звук, издаваемый источником, снова и снова отражается от стенок помещения, но, за исключением низких частот, никакой ясно выраженной картины стоячих волн не получается. Образуется так называемое диффузное поле. В этом случае гораздо легче выяснить, как влияет наличие стенок помещения на уровень звука, создаваемый данным источником.

Рассмотрим сферический источник звука с уровнем звуковой мощности 100 дБ. Согласно закону обратных квадратов, в открытом пространстве уровень интенсивности звука на расстоянии 3 м от такого источника составит 79 дБ. Внесем этот источник в большое помещение размерами, скажем, 10×10×3 м. Допустим, что коэффициент поглощения стен, потолка и пола в этом помещении равен 0,05 (так будет, если помещение построено, например, из оштукатуренного кирпича или бетона). Что мы услышим теперь? Во-первых, по-прежнему прямой звук будет приходить непосредственно от источника к уху, и, если мощность источника не изменилась и между ним и ухом не поставили какого-либо препятствия, уровень интенсивности этого звука по-прежнему составит 79 дБ. Однако, после того как мы услышали прямой звук, волна пробежит далее и упадет на стены, пол и потолок. Эти поверхности поглотят 5 % звуковой энергии, а 95 % отразят обратно к нам. Звуковые волны снова пробегут мимо нас, и этот процесс будет повторяться снова и снова. Чтобы звук потерял 20 % своей энергии, то есть чтобы его уровень упал на 1 дБ, он должен испытать более четырех отражений. В результате добавления всех последовательных отражений, следующих друг за другом, пока они совершенно не затухнут, интенсивность первой отраженной волны окажется увеличенной в 18 раз. Можно показать, что в результате от сложения всех отражений интенсивность звука увеличивается в

где α — средний коэффициент поглощения стенок помещения. Эту величину нетрудно рассчитать. Различные материалы поглощают разную долю падающего на них звука, и их коэффициент поглощения для различных частот можно получить путем соответствующих измерений. В Приложении 4 даны значения коэффициента поглощения для ряда материалов. Полное поглощение данного участка материала определяется как произведение коэффициента поглощения на площадь этого участка, а полное поглощение в помещении равно сумме таких величин для всех участков поверхности стенок помещения. Средним коэффициентом поглощения называют отношение этой суммарной величины к полной площади поверхности всех стенок. В очень больших помещениях, например в крупных концертных залах, вязкость самого воздуха также вызывает потери энергии («воздушное поглощение»), которые для высоких частот необходимо принимать в расчет.

Рассчитав интенсивность первой отраженной волны и умножив ее на 18, мы получим полную интенсивность звука, обусловленную отражениями. Поскольку мы ищем величину, характеризующую помещение в целом, следует рассчитать усредненное значение. Предположим, помещение имеет сферическую форму. Тогда на поверхности сферы интенсивность звука, приходящего от источника, расположенного в центре, равна полной мощности источника, умноженной на 1/(4πr2). Если бы все стенки полностью отражали звук, отраженная волна вновь бы сходилась в центре и ее суммарная интенсивность равнялась бы мощности источника. Но нас интересует не интенсивность звука в центре или на стенке, а средняя по всему помещению интенсивность отраженной волны. Правильный результат мы получим, рассчитав интенсивность на середине радиуса; это дает для соответствующего множителя значение

Подобный же результат мы имели бы и для прямоугольного помещения: средний уровень первой отраженной волны при полном отражении от всех стенок составил бы долю 4/5 от звуковой мощности источника, где S — полная площадь стенок помещения. Поэтому суммарный уровень отраженного звука равен

где УЗМ — уровень звуковой мощности источника, а УЗД — уровень звукового давления.

Для удобства часто вводят так называемую константу помещения R = Sα/(1 − α). Тогда предыдущая формула принимает вид

В большей части частотного диапазона удвоение α дает снижение уровня на 3 дБ. Чем больше площадь стенок помещения, то есть его размеры, тем меньше уровень отраженного звука («уровень реверберации») при том же значении α.

В нашем примере уровень мощности источника равнялся 100 дБ, поверхность стенок помещения имела площадь 320 м2, а средний коэффициент поглощения был принят равным 0,05. Подставляя все эти величины в полученную формулу, находим

Если учесть, что тот же источник создавал на расстоянии 3 м уровень звукового давления прямого звука всего 79 дБ, то ясно, насколько растет шум, создаваемый источником, когда он находится в помещении.

Эффект отражений в помещении называют реверберацией, и полученное значение 94 дБ относится к реверберационному звуку. Почти всегда присутствует также и прямой звук, с учетом которого полная формула для суммарного уровня звука принимает вид

где Q — коэффициент направленности источника звука, r — расстояние от слушателя до источника звука и R — константа помещения.

При анализе этой формулы возникает интересный вопрос: если α = 0, то есть стенки полностью отражают звук, то интенсивность звука в помещении бесконечно велика. После несложных рассуждений мы приходим к заключению, что так и должно быть: источник звука все излучает и излучает энергию, которая, отражаясь от стенок, все накапливается в помещении[17] (конечно, на практике полностью отражающих поверхностей не бывает). Другое важное следствие: если увеличить средний коэффициент поглощения стенок α, то уровень реверберационного звука существенно упадет. Так, если в нашем помещении с поверхностью стенок в 320 м2 α увеличить от 0,05 до 0,1, то в помещении станет тише на 3 дБ. Если бы удалось получить коэффициент поглощения α = 0,5, то стало бы тише на 13 дБ.

Итак, ясно, что для большей части частотного диапазона удвоение среднего коэффициента поглощения приводит к снижению шума на 3 дБ. Но в верхней части частотного диапазона при большом помещении, когда можно было бы ожидать действия «закона сокращающихся доходов», в действительности происходит нечто обратное. Правда, подобный вид поглощения встречается только в очень специальных условиях, например в заглушённой камере: здесь увеличение коэффициента поглощения всего на 3 %, с 0,95 до 0,98, приводит к снижению уровня на 4 дБ[18].

Чтобы определить в обычных условиях малого коэффициента поглощения, на сколько децибел удастся снизить шум при том или ином увеличении коэффициента поглощения, нет необходимости рассчитывать константу помещения — все, что нужно знать, это во сколько раз выросла величина S·α: улучшение равно десятикратному логарифму этой величины.

Вернемся снова в наше реверберирующее помещение с уровнем звука 94 дБ. Чтобы прямой звук сравнялся по величине с реверберационным, пришлось бы приблизиться к источнику звука на расстояние 300 мм. При увеличении коэффициента поглощения стенок помещения уровень реверберационного звука снизится и на больших расстояниях от источника будет преобладать прямой звук: реверберационный звук примерно постоянен во всем помещении, тогда как прямой убывает по мере удаления от источника.

Что произойдет, если внезапно выключить источник звука? Мгновенно ли наступит тишина? Нет, так как необходимо известное время для того, чтобы последние звуковые волны, излученные источником, успели достаточное число раз отразиться от стенок и поглотиться практически полностью. Ударьте в реверберирующем помещении в ладоши, и вы сами услышите, как постепенно затухают звуковые волны, бегущие от одной стенки к другой. Время Т, в течение которого звук затухает на 60 дБ, называют «временем реверберации» данного помещения. В лабораторных условиях удается получить время реверберации, достигающее 15 с. Если посетителю баптистерия в Пизе (расположенного по соседству со знаменитой «падающей башней») удастся уговорить хранителя исполнить арпеджио, то, поскольку время реверберации в баптистерии равно 12 с, аккорд будет звучать около четверти минуты, и посетитель заметит удивительное изменение тембра звука: прежде всего затихнут высокочастотные звуки, а низкие частоты будут продолжать звучать. Это производит большое впечатление даже на человека, лишенного музыкального слуха.

Нетрудно видеть, что время реверберации в помещении, где установилось диффузное звуковое поле, связано с коэффициентом поглощения стенок. Поскольку нас интересует время затухания звука, в расчет входит также и объем помещения. Мраморный купол и стены баптистерия дают средний коэффициент поглощения всего 0,03, поэтому значение Т там велико.

Американский ученый Сэбин, исходя из картины непрерывного затухания звука, получил формулу

где V — объем помещения. Если, впрочем, коэффициент поглощения велик, то затухание происходит не непрерывно, а «ступенями»: при каждом отражении у звука «отбирается» большая доля энергии. Чтобы учесть этот эффект, Эйринг модифицировал предыдущую формулу следующим образом:

а Кнудсен добавил в знаменатель формулы Сэбина слагаемое 4тV, которое учитывает поглощение в воздухе (m — пространственный коэффициент затухания звука).

Любопытно, что, тогда как установившийся уровень реверберационного звука в большом помещении ниже, чем в малом, для времени реверберации характерна обратная зависимость. В малом помещении расстояние, пробегаемое звуковыми волнами от одного отражения до следующего, много меньше, и поэтому они поглощаются гораздо быстрее, чем в большом помещении, где то же число отражений происходит в течение значительно более длительного времени.

Само по себе время реверберации редко представляет непосредственный интерес для проблемы шума, но его измерение существенно помогает измерению полного поглощения в помещении. Установившийся уровень реверберации, который часто имеет важнейшее значение, зависит только от полного поглощения и от полной поверхности стенок помещения. В обычных условиях время реверберации определяют при помощи микрофона, усилителя и устройства, регистрирующего уровень; последнее снабжено самописцем, который вычерчивает график затухания звука на движущейся разграфленной бумажной ленте.

При проектировании залов, где требуется хорошая акустика, роль времени реверберации весьма велика, и, хотя в нашей книге эти аспекты акустики практически не затрагиваются, попытаемся все же вкратце рассмотреть этот вопрос. Что вообще подразумевают под термином «хорошая акустика зала»? Любителям музыки прекрасно известно, что одни концертные залы действительно лучше других, но мало кто знает, почему это так. Чтобы добиться хорошей акустики зала, необходимо выполнить три совершенно независимых условия. Во-первых, время реверберации должно иметь нужное значение. Если оно слишком велико, в помещении возникнет излишняя реверберация: последовательные музыкальные ноты будут набегать одна на другую и результат будет такой же, как если пианист начнет играть на рояле, не снимая ноги с педали. Церковная музыка по своей структуре такова, что ее можно исполнять в помещениях с большим временем реверберации. Идеальным в этом отношении является так называемый строгий стиль, поскольку в нем изменения высоты звука малы, а когда высота изменяется, то продолжающееся звучание предыдущих нот повышает эффект. Но если бы в церкви зазвучал обычный симфонический оркестр, это вызвало бы какофонию звуков. С другой стороны, в Гайд-парке духовой оркестр звучит как-то жидко и несбалансированно, поскольку в открытом пространстве звуки не усиливаются реверберацией. На рис. 44 приведены некоторые данные по оптимальному времени реверберации на частоте 500 Гц для залов различного назначения. Залы, предназначенные только для выступления ораторов, должны обладать малым временем реверберации, чтобы речь звучала наиболее разборчиво.

Рис. 44. Типичные значения времени реверберации.

Второе условие связано с тем, что восприятие звука может быть совершенно нарушено из-за наличия в помещении эха. Но разве эхо — это не реверберация? Нет, различие между ними связано с некоторым характерным промежутком времени. Когда в помещении возникает какой-либо звук, то до слушателя прежде всего доходит прямой звук. Затем вступают первые отраженные волны и т. д. Эксперименты показали, что если первые отраженные волны приходят к слушателю не позже чем через 35 мс после прямого звука, то он слышит только один-единственный звук, причем так, как если бы звук приходил прямо от источника. Если же отраженный звук приходит позже чем через 50 мс после прямого, то он воспринимается как отдельное эхо. Так как скорость звука равна 344 м/с, то при различии длины пути прямого и отраженного звуков, превышающем 12 м, уже возникает эхо. Чтобы исправить положение, достаточно на участок поверхности, от которого отражается волна, нанести какой-либо звукопоглощающий материал. Эхо другого типа могут создать резонансы, такие, как описанные ранее собственные колебания, возникающие при образовании стоячих волн между параллельными стенками. Это приводит к следующим последствиям: во-первых, некоторые музыкальные ноты излишне усиливаются и, во-вторых, время реверберации на этих частотах возрастает, в результате чего некоторые ноты продолжают звучать после того, как остальной звук уже замер.

И наконец, третье условие хорошей акустики зала — его геометрическая форма. Форма зала должка обеспечить не только отсутствие эха или резонансов, но и хорошую слышимость в любой его точке. Последнее особенно трудно, поскольку добиться этого можно только в том случае, если потолок и стены отражают звук во всех направлениях, причем отраженные волны должны доходить до любого места зала с запаздыванием не более чем на 35 мс. Здесь возможны серьезные трудности, так как для получения достаточного времени реверберации необходим большой объем зала, а следовательно, и большая высота помещения, но тогда отражения от высокого потолка могут приходить слишком поздно. В таких случаях применяют подвесные отражатели звука, между которыми оставляют достаточно места, чтобы звук мог проникать в пространство над ними. Множество современных залов устроено именно таким образом.

Зал «Роял Альберт-холл» пользовался дурной славой из-за эха, приходившего от его высокого куполообразного потолка. Причина заключалась не только в очень большой длине пути отраженной волны, но также и в том, что потолок оказывал фокусирующее действие, усиливавшее эхо. Предпринимались попытки ускорить приход первых отражений путем сооружения навеса над оркестром, но эхо удалось устранить, лишь установив под куполом пористые звукопоглощающие «летающие блюдца».

Иногда оказывается очень трудно получить достаточно большое время реверберации в зале, особенно если объем помещения, приходящийся на одно место, мал. Это обусловлено тем, что и находящаяся в зале публика, и кресла также поглощают звук. Полное поглощение, приходящееся на каждого слушателя, равно 0,5 при 500 Гц, и, следовательно, публика обусловливает 50 % полного поглощения в зале. Но современный любитель музыки в отличие от его предков уже не может удовлетвориться акустикой знаменитых старых залов. Современные туалеты настолько изменились, что поглощение, обусловленное публикой, значительно снизилось. Дамы в мини-юбках в этом отношении не могут конкурировать со своими прабабушками, облаченными в пышные туалеты, и поэтому теперь время реверберации залов, несомненно, увеличилось по сравнению с добрыми старыми временами.

Часто приходится либо испытывать акустические характеристики зала, либо проводить в нем оркестровую репетицию в отсутствие публики. При этом, разумеется, увеличивается время реверберации и изменяются акустические свойства зала. Чтобы преодолеть это осложнение, на нижней стороне сидений делают перфорацию, превращая их таким образом в некое подобие резонаторов Гельмгольца; тогда при откинутых сиденьях эти резонаторы частично компенсируют отсутствие поглощения, обусловленного публикой. Полностью обитое незанятое кресло имеет коэффициент поглощения 0,3 при частоте 500 Гц. В Америке при пробном прослушивании в одном новом зале был предпринят эксперимент с заменой слушателей болванками из микропористого полиуретана. Это мероприятие, кстати, избавило оркестр от возможной недоброжелательной реакции зала!

Обычно в тех случаях, когда необходимо увеличить поглощение на средних и низких звуковых частотах, применяют комбинации звукопоглощающих матов и резонаторов Гельмгольца, а поглощения низких частот добиваются при помощи мембранных и панельных резонаторов. Иногда, чтобы создать поглощение на низких частотах, используют также и большие резонаторы Гельмгольца.

До сих пор при расчетах реверберации мы рассматривали только помещения с диффузным звуковым полем; однако оно характерно далеко не для всякого помещения. Так, в прямоугольном помещении время реверберации может измениться из-за наличия «акустического» (звукопоглощающего) потолка. Звуковые волны, отражающиеся от пола и потолка, затухают гораздо скорее, чем волны, бегающие между хорошо отражающими стенами помещения. В результате звук сначала затухает быстро, а затем более медленно. В этих случаях обычная формула может привести к неправильной оценке абсолютного уровня реверберационного звука, создаваемого источником с данным уровнем мощности. Однако эта формула по-прежнему остается полезной при расчете относительного эффекта увеличения поглощения в помещении.

Но все полученные формулы вносят только путаницу, когда дело доходит до новейшего варианта в акустическом планировании помещений — помещений открытой планировки. Акустики только сейчас начинают использовать особенности поведения звука в условиях, когда горизонтальные размеры помещения во много, порядка десятка, раз превышают его высоту и когда как потолок, так и пол сильно поглощают звук. При проведении расчетов для диффузного звукового поля предполагается, что звук одинаково часто отражается от всех участков стенок и, следовательно, уровень реверберации почти постоянен по всему помещению. В помещении открытой планировки условия совсем другие и реверберационного поля в обычном смысле слова нет. В таком помещении прямой звук по-прежнему убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Но при расчете реверберации можно не учитывать стен и считать, что помещение бесконечно длинное и широкое, а единственно существенный размер его — это высота. На рис. 45 показаны расположение источника и точки приема на типичном участке помещения открытой планировки. Наиболее сильными отраженными волнами будут те, которые отразились от пола или потолка только один раз. Пол почти всегда оказывается лучшим отражателем, чем потолок. Интенсивность отраженных волн определяется двумя обстоятельствами: длиной пути, в соответствии с законом обратных квадратов, и поглощением потолка и пола. Если эти величины известны, нетрудно найти интенсивность первых отраженных волн.

Рис. 45. Траектории звука в помещении с открытой планировкой.

К первым отраженным волнам добавляются следующие по силе волны — те, которые испытали одно отражение от пола и одно от потолка; затем наступит очередь волн, отразившихся дважды от потолка и однократно от пола, и наоборот. В принципе число возможных путей волн бесконечно, но после нескольких отражений остаточным звуком уже можно пренебречь.

Как видно из рис. 45, путь прямого звука много короче пути, проходимого отраженными волнами, пока расстояние от источника не превосходит примерно 10 м. Это значит, что при удвоении прямого расстояния путь, который проходят отраженные волны, увеличивается меньше чем вдвое. До расстояний примерно 30 м от источника эффект поглощения звука потолком и полом остается более или менее постоянным. Что происходит на больших расстояниях, мы увидим позднее.

В итоге оказывается, что вблизи источника прямой звук преобладает над отраженным и последним можно пренебрегать. Если уровень мощности источника известен, уровень звукового давления вблизи него можно рассчитать по закону обратных квадратов: при удвоении расстояния уровень падает на 6 дБ. Если средний коэффициент поглощения превышает примерно 0,5, то прямой звук преобладает повсюду. Впрочем, малое поглощение полом, который может быть заставлен различной мебелью, в большинстве случаев снижает средний коэффициент поглощения до 0,4 для частот выше 125 Гц и менее чем до 0,2 при более низких частотах. В таких случаях, начиная с некоторого расстояния, отраженные волны, уровень которых убывает при удвоении расстояния всего на 3 дБ, превзойдут, по интенсивности прямой звук. Обычно это расстояние равно 3 м и соответствующий участок простирается примерно до 10 м, после чего длины путей прямых отраженных волн приближаются друг к другу и при удвоении расстояния уровень вновь убывает на 6 дБ.

Одно из важных следствий сказанного состоит в том, что в помещении открытой планировки субъективное ощущение реверберации отсутствует и весь звук кажется исходящим прямо из источника. Это объясняется тем, что все отраженные волны успевают прийти за время, меньшее критических 35 мс (о нем мы уже говорили выше); исключение составляют только дальние поля. В действительности, помещения открытой планировки содержат не один, а множество источников звука. Поэтому непосредственно рассчитать уровень окружающего шума не очень просто. Для этого необходимо знать расположение источников и статистическую оценку распределения и числа источников, действующих одновременно в каждый момент времени. В большинстве случаев можно пренебрегать реверберационным звуком дальнего поля, потому что первый тип реверберации, обусловленный ближними источниками звука, всегда оказывается преобладающим, если только в какой-то части помещения не будет значительно более шумно, чем в остальной.

Теперь отвлечемся от помещений открытой планировки, так как сейчас нас интересует только поведение звука, а не критерии шума и тому подобное. Позже мы снова вернемся к этому вопросу.

Итак, подведем некоторые итоги. Во-первых, установлено, что звук ведет себя в помещении так же, как и в открытом пространстве, только тогда, когда стенки помещения практически полностью поглощают звук. Во всех других случаях приходится иметь дело с двумя, если даже не с тремя типами шумовых полей. В обычных помещениях мы имеем дело с прямым звуком во всей области, где он является доминирующим. В этой области звуковое поле с точки зрения слушателя имеет направленный характер и подчиняется закону обратных квадратов. Впрочем, если в помещении с хорошо отражающими стенками находится много источников звука, то суммарное реверберационное поле может превосходить по интенсивности прямой звук вплоть до самых малых расстояний от источника или даже повсюду.

Далее, начиная с определенного расстояния от каждого источника, реверберационное поле становится преобладающим. В этой области звук окружает слушателя со всех сторон, и субъективный эффект получается совсем другим. Ввиду ненаправленности реверберационного звука попытки заэкранировать его, очевидно, бесполезны. Наконец, в помещениях открытой планировки, с их большими горизонтальными размерами и акустическим потолком, наиболее важные поля лежат между областями прямого звука и действительно реверберационного звука. Это — область непрямого звука.

До сих пор мы молчаливо предполагали, что источник звука находится внутри интересующего нас помещения. Этим, конечно, проблема не исчерпывается, и с этим согласится каждый, кому случалось вздрагивать, когда реактивный лайнер проносился над его домом. С каким звуковым полем мы имеем дело в этом случае? Ответ довольно прост. Во многих случаях шум от наружного источника проникает в помещение через стену. Мы уже видели, что стена, возбуждаемая с одной стороны падающими звуковыми волнами, сама становится источником звука по другую сторону. Поэтому, если звук проникнет в стену, она станет источником звука для помещения, а звуковая мощность этого источника будет зависеть от интенсивности проходящей волны и от площади стены. Если выражать результаты в децибелах, то это значит, что стена площадью 10 м2 излучит на 3 дБ больше звука, чем стена площадью 5 м2. На очень низких частотах стена колеблется так, что излучает плоские волны, подобные волнам, возбуждаемым при движении поршня в трубе; их интенсивность не зависит от расстояния. Впрочем, для большинства частот стена не колеблется как целое, и характер ее вибраций очень сложен. Во всех помещениях, за исключением сильно заглушённых, звуковое поле при проникании шума снаружи имеет преимущественно реверберационный характер.

Отсюда следует важное заключение: эффективность стен помещения как изоляторов звука зависит не только от величины звукоизоляции стен, но и от степени поглощения звука в помещении. Если звук проникает в помещение через сравнительно небольшую площадь, например через окно, прямой звук может оставаться значительным и на некотором расстоянии от окна, а поглощение в помещении скажется лишь на реверберационном звуке.

Рассмотрим теперь обратную ситуацию: предположим, что нас интересует уровень звукового давления в какой-то точке снаружи помещения. Как сказывается в таком случае наличие ограждения, которым служит помещение? Реверберационное поле, создаваемое отражениями от границ помещения, увеличивает эффективный уровень источника, но этот эффект уничтожается за счет звукоизоляции стен (ЗИ, дБ). В самом деле, отраженные волны увеличивают прямой звук внутри помещения в отношении 1/α. Стены помещения можно рассматривать как новый источник звука с уровнем звуковой мощности

Уменьшение шума, обусловленное ограждением, следовательно, будет равно

Это значит, что при малом α звукоизоляция ограждения существенно снизится. В частности, при α = 0,05 снижение изолирующего действия ограждения уменьшается на целых 13 дБ.

О чем говорят эти цифры? Главный вывод — нельзя просто вычесть величину звукоизоляции стены в отдельности из исходного уровня звукового давления и надеяться, что получится уровень звука после постройки ограждения, окружающего источник со всех сторон либо отделяющего источник от места наблюдения. Необходимо принять в расчет площадь стены, а также поглощение внутри помещения. Нередко приходилось дорого платить за попытки заключить источник шума в замкнутый объем, гак как при этом шум снаружи почти не снижался, ибо стенки объема внутри служили хорошими отражателями звука.

И еще одна неприятность. Все, что пока говорилось в этой главе, относится к звуку в воздухе. Мы умолчали о том, что, попав в какую-нибудь кирпичную стену, звук распространяется уже в твердом теле, хотя в дальнейшем он снова может выйти в воздух. А в твердых телах звук может распространяться на большие расстояния с очень малыми потерями энергии. Здесь звук не подчиняется закону обратных квадратов, потому что в стене он не расходится во все стороны в виде сферических волн, а канализируется внутри стены в виде плоских или изгибных волн. При этом возможны крайне нежелательные последствия. Звук в воздухе, падая на стену помещения, превращается в звук в твердом теле. Даже если в результате несогласования импедансов в стену войдет только 10 % энергии воздушного звука, это приведет к уменьшению уровня всего на 10 дБ. Попав в твердую стену, звук не только будет выходить снова в воздух по другую сторону, но и распространится вдоль стены в остальную часть здания. В результате, если в здании имеются два или три смежных помещения, звук будет переходить из одного в другое не только прямо сквозь стену, но и путем распространения вдоль стен и перекрытия и дальнейшего переизлучения в воздух. На рис. 46 показаны пути, по которым звук может перейти из одного помещения в другие. К сожалению, бетон — один из наилучших твердых проводников звука, так как внутреннее поглощение звука в нем весьма мало: звук в жилом доме может пропутешествовать по бетону от верхнего этажа жилого дома до самого подвала.

Рис. 46 Боковые пути передачи звука между помещениями.

Если звук, передающийся по твердому телу, играет главную роль, то все полученные формулы оказываются бесполезными и величину звукоизоляции стен нельзя использовать непосредственно для расчета уровней звука Худшие случаи боковой передачи звука — это передача между смежными помещениями. Тогда теоретическое значение для изоляции стены приведет к слишком оптимистическим выводам; в этом случае следует руководствоваться значениями, получаемыми при испытаниях разных типов стен на месте, а не данными лабораторных измерений. Закон масс заведомо неприменим в подобных случаях. Разумеется, звук, распространяющийся в твердом теле, может и возникать в этом теле, а не обязательно переходить в него из воздуха. Так происходит, когда механизмы крепятся непосредственно к твердому основанию, а также когда мы сами ходим по полу. В гл. 13 мы рассмотрим методы борьбы и с этим шумом.

[17] Рассуждая таким образом, автор, по-видимому, принимает, что источник излучает постоянную мощность и поглощение в воздухе отсутствует. Более реально говорить об источнике с постоянной объемной скоростью; тогда интенсивность стремится к конечному значению, если только частота излучения не совпадает с какой-либо из собственных частот колебаний помещения. — Прим. ред.

[18] Приведенная цифра (4 дБ) относится только к реверберационному звуку, который в этом случае мал по сравнению с прямым звуком. Поэтому изменение почти не скажется на суммарном уровне звука в помещении, и по отношению к этому суммарному уровню «закон сокращающихся доходов» справедлив. — Прим. ред.

Поиск по сайту: