Сделай Сам Свою Работу на 5

Измерение реверберационных параметров помещений

ВВЕДЕНИЕ

Представленные методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов очного и заочного обучения по специальности 210312 «Аудиовизуальная техника» (ФАВТ) и 051500 «Звукорежиссура» (ФЭИ), изучающих, соответственно, дисциплины «Акустика, Часть2 (Акустика помещений) и «Архитектурная акустика». Причем дисциплина «Акустика» входит в блок специальных дисциплин федерального компонента специальности 210312.

При составлении указаний учтено, что студентами уже ранее выполнены лабораторные работы по предшествующим дисциплинам: «Теоретические основы акустики» и «Акустика, Часть 1 (Электроакустическая аппаратура)», а также – ряду других общих и специальных дисциплин. Поэтому предполагается, что студенты достаточно знакомы с основными акустическими процессами в воздухе, преобразователями для приема и возбуждения звуковых колебаний, а также имеют опыт по экспериментальным измерениям и обработке их результатов. Описания каждой работы формализовано по основным разделам и, кроме целевого назначения, схемы установки и т.д., содержит некоторые теоретические предпосылки, являющиеся основой для проведения необходимых измерений и исследований заданной характеристики или параметра. Контрольные вопросы и список дополнительной литературы предназначены для углубленной подготовки к выполнению работ и устному отчету по каждой из них. После такого отчета студенту зачитывается выполнение данной лабораторной работы.

Для успешного выполнения очередной работы необходимо предварительная подготовка к ней с использованием данных методических указаний. Проверка такой подготовки проводится преподавателем перед началом работы. Вторым условием допуска к работе является представление полностью оформленного отчета (одного на бригаду студентов) по ранее выполненной работе или зачет по ней.

В силу известной специфике часть лабораторных работ проводится на физических моделях помещений. Оценка акустических процессов методами моделирования базируется на данных теории подобия между условиями испытаний на моделях и в натуре, которая показывает, что, если модель геометрически подобна помещению - оригиналу и выполнена в линейном масштабе 1:m, то при соблюдении заданных граничных и начальных условий в воздушном объеме модели акустические процессы будут подобны процессам в помещении, но в другом – временном (t:m) и частотном (f*m) масштабах. Здесь наиболее сложно оперировать с временными зависимостями сигналов с использованием аналоговых измерительных приборов, поэтому в некоторых работах будет предусматриваться запись и обработка на персональных компьютерах.



При начале цикла лабораторных работ студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и, находясь в лаборатории, неукоснительно их соблюдать. Во время лабораторных занятий студенты должны следить за комплектностью, исправностью приборов и всех элементов измерительной установки. При их неисправности или отсутствии немедленно сообщить преподавателю или лаборанту.

Результаты измерений по каждой части работы должны быть продуманы студентами и обязательно обсуждены с преподавателем во избежание как частных ошибок, так и неправильных результатов в целом по работе. После выполнения всех циклов измерений и расчетов студенты должны представить черновик отчета преподавателю и получить задание на новую работу, оборудование работы должно быть сдано исправным и в полной комплектности.

Авторы выражают искреннюю признательность магистрантам кафедры акустики М.М.Полянской и Л.В.Чигиринской за большую работу по подготовке и правке компьютерного текста указаний к изданию.


Работа № 1

Измерение реверберационных параметров помещений

 

1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения и расчета ряда реверберационных параметров помещений.

 

2. Общие сведения

Под реверберационными параметрами помещений понимаются некоторые промежутки времени, продолжительность которых вносит изменения в переходные процессы в первичном (прямом) звуке источника, отсутствующие в свободном пространстве. Возникающие переходные процессы обусловлены отражениями от поверхностей помещения, которые приходят к слушателю с достаточной интенсивностью и задержкой во времени в виде отзвуков. Кроме того, отзвуки предыдущих речевых или музыкальных импульсов, накладываясь во времени в паузы сигналов, маскируют их, что в целом ухудшает качество звукопередачи как за счет таких мультипликативных помех, так и их аддитивных составляющих при значительных (более 200 мс) запаздываниях отражений.

Наиболее известным временным параметром (характеристикой) помещений является время стандартной реверберации T60, которое, исходя из формального удобства, обычно находят по процессу затухания энергии. T60 – это такой промежуток времени после выключения (или в паузах) прямого звука, в течение которого звуковая энергия в помещении уменьшается в 106раз, что по уровню энергии составляет 60 дБ. Несмотря на широкое использование на практике, T60 является величиной среднестатистической, так как его измерение и расчет справедливы лишь при достаточно большом количестве отражений (не менее 150), приходящих в любую точку прямоугольных и соразмерных помещений, и экспоненциальной зависимости затухания (нарастания) энергии, что характерно только для идеализированных диффузных полей. В этом случае отношение энергии E(T60) (в момент t=T60) к энергии в установившемся (стационарном) режиме E0 (при t=0) равно

 

,

где – показатель затухания помещения с объемом V и площадью S всех поверхностей помещения со средним коэффициентом звукопоглощения , включающим в себя коэффициенты звукопоглощения всех объемных элементов (стулья, зрители и т.п.); с – скорость звука в воздухе.

Отсюда получается классическая зависимость Сэбина для диффузного поля в помещении, когда [1,2], т.е.

 

. (1.1)

При a >0,2 в помещениях диффузное поле в целом не обеспечивается, поэтому более точной является формула, полученная Эйрингом, но также для соразмерных помещений (отношение длины к высоте помещения меньше пяти) [3]

(1.2)

В общем случае в (1.1) и (1.2) необходимо учитывать влияние поглощения звука в воздухе, что осуществляется путем введения в знаменатели дополнительного слагаемого 4mV(где m - показатель затухания звука в воздухе, 1/м). Тогда, например, в (1.2) будем иметь [4]

(1.3)

Необходимо отметить, что на частотах выше 4 кГц расчет и измерение T60 теряют смысл, поскольку слагаемое 4mV стано­вится гораздо больше, чем звукопоглощение поверхностей помещений.

Для несоразмерных помещений (отношение длины к высоте больше пяти) в формулу для T60 необходимо вводить не среднее, а точное значение длины свободного пробега звуковой волны в данном помещении или использовать нормально-логарифмическое распределение средних коэффициентов затухания по трем координатным осям помещения. Данная нормализация дает следующее выражение T60 (формула Арау) для помещений нормального типа (с тремя парами взаимнопараллельных поверхностей)

, (1.4)

где X, Y и Z – соответственно, отношение сумм площадей двух противоположных поверхностей помещения, обеспечивающих отражения при распространении звуковых волн вдоль осей х, у и z к общей площади; - соответственно, средние коэффициенты звукопоглощения указанных поверхностей.

Физиологическая особенность слуха человека, заключающаяся в том, что ощущения пропорциональны логарифму раздражения, позволяет значительно упростить процедуру аппаратурного моделирования слухового восприятия путем измерения T60 с помощью логарифмического самописца уровней, когда процесс затухания уровня энергии в диффузном поле (e-dT) подчиняется линейной зависимости (-dTlge). При этом в ряде случаев нет необходимости регистрировать уменьшение уровня на 60 дБ. Вполне достаточно ограничиться разницей в уровне порядка DN=30дБ [3] и найти T60 по измеренному промежутку времени tu , т.е. T60-30дБ, а tu -DN(30)дБ, тогда

, (1.5)

где l - путь, пройденный регистрирующей бумагой самописца при уменьшении уровня звука на DN(30) дБ; - скорость движения бумаги.

Однако линейность хода затухания уровня энергии, являющаяся своеобразной мерой акустического достоинства помещений, на практике встречается сравнительно редко. Более часто кривые затухания изобилуют пиками и изломами, обусловленными отдельными (не диффузными) отражениями, особенно проявляющимися при близком расположении приемника (слушателя) и источника. Время стандартной реверберации, измеренное по таким аномальным кривым, уже не в полной мере характеризует акустические условия в помещениях. Поэтому для оценки помещений по кривым затухания энергии были предложены и другие временные параметры.

Так, исходя из условий лучшей корреляции со слуховым восприятием (по ранним отражениям), используется время раннего спада T10 , или EDT (Early Determination Time) – это время реверберации, определяемое по начальному участку кривой затухания энергии в пределах от 0 до –10 дБ. При расчете T10 наклон начального участка аппроксимируется до –60 дБ. Понятно, что при линейной зависимости до –60 дБ Т10 будет равно T60, что, как правило, требуется для диффузного поля. Таким образом высчитываются и параметры T20 (участок –5 … –25 дБ ), Т30 (–5 ... –35 дБ ) [2].

Расчет данных параметров пока теоретически не обоснован, но некоторое приближение к ним имеет зависимость для времени эквивалентной реверберации, которое определяется с учетом свойств слуха, расстояния rмежду источником и микрофоном, а также их направленных свойств по формуле

, (1.6)

где r0=rг/r – нормированный радиус гулкости, учитывающий, кроме r, направленные свойства источника и общее звукопоглощение помещения; Wм – коэффициент направленности микрофона.

В целом большую информацию об акустических свойствах помещений дают так называемые энергетические критерии качества звукопередачи, определяемые (подобно слуху) по процессам нарастания звуковой энергии, но более сложным образом (см. работу №3).

 

3. Описание установки

Структурная схема установки для измерения временных параметров помещения показана на рис.1.1. На входе используется широкополосный генератор ГШ «белого» или «розового» шума. С помощью полосового фильтра ПФ1 из широкополосного шума «вырезаются» 1/1 или 1/3 октавные полосы шума, напряжение которого через усилитель мощности УМ подводится к громкоговорителю ГГ, возбуждающему в испытуемом помещении П звуковые колебания, давление которых регистрируется не менее чем в пяти различных точках для каждой полосы шума с помощью ненаправленного М1 или направленного М2 микрофонов. После преобразования, усиления и соответствующей фильтрации напряжение с выхода микрофона М1 или М2 подается на логарифмический самописец уровня СУ. На движущейся бумажной ленте СУ записывается (в зависимости от времени) процесс нарастания энергии при включении ГГ, а при его выключении ‑ процесс затухания энергии в помещении в заданной частотной полосе. По полученным графикам находятся реверберационные параметры помещения и их частотные зависимости.

Рис 1.1. Схема измерительной установки: ГШ ‑ генератор шума;

ПФ1 и ПФ2 – полосовые фильтры; УМ – усилитель мощности; П1 и П2 ‑ переключатели; ГГ – громкоговоритель; М1 и М2 – микрофоны; МУ – микрофонный усилитель; П – помещение; СУ – самописец уровня напряжения (ПК – персональный компьютер)

 

4. Методика проведения работы и обработка результатов

4.1. Ознакомиться со схемой измерительной установки и особенностями помещения, микрофонов, громкоговорителя. При необходимости выполнить отмеченные между приборами соединения. Включить питание приборов и дать им прогреться в течение 3-5 мин.

4.2. Для измерения частотной характеристики стандартной реверберации Т60 в диапазоне частот 125 (63)…8000 Гц необходимо проделать следующее: установить на ПФ1 и ПФ2 низкочастотную 1/1 октавную полосу с центральной частотой 125 (63) Гц. Включить громкоговоритель и ненаправленный микрофон М1, размещенный в одной из выбранных точек помещения на расстояниях не менее 1.5 м от источника и боковых стен. Установить такой уровень напряжения на громкоговорителе, который по отклонению пера на СУ превышает более чем на 10...15 дБ уровень шума в помещении.

Включить лентопротяжное устройство СУ и через короткий промежуток времени включить ГТ с помощью П1. Условием правильности записи процесса затухания является изменение положения пера от максимального до уровня фиксируемого шума в помещении на движущейся бумажной ленте. После этого выключить лентопротяжное устройство. Не меняя положение микрофона, установить следующую октавную полосу на ПФ1 и ПФ2 также с установкой максимального положения пера. Повторить запись затухающего процесса. Запись процесса затухания и расчет Т60 (1.5) выполнить для всех октавных полос в диапазоне 125 (63)...8000 Гц с соответствующими отметками на бумажной ленте.

Перенести микрофон в другую точку помещения и повторить процесс записи кривых затухания и расчет Т60 в той же последовательности и в тех же частотных полосах, что и при размещении микрофона в первой точке. Точки, в которых производятся измерения, выбираются так, чтобы их распределение по площади пола было равномерным, но не близко к громкоговорителю и стенам. Результаты расчета в каждой полосе, точке и среднее по всем точкам записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

  Т60(fц) Точки измерений Время стандартной реверберации (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц
Точка 1          
Точка 2                
               
Среднее по точкам                

 

По данным табл. 1.1 построить график зависимости Т60 от частоты.

4.3. Для измерения направленной реверберации (по методу Арау) необходимо следующее: подключить к схеме направленный микрофон М2 и выполнить измерения и расчеты подобные п.4.2, но с тем отличием, что количество точек для каждой полосы шума уменьшается до трех, а в каждой точке производится троекратное ориентирование микрофона по координатным осям помещения. Результаты измерений, расчета и усреднения по трем точкам и по всем координатам записать в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2

  Т60(fц) Точки измерений Время реверберации (по Арау) (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц
Точка 1          
Точка 2                
Точка 3                
Среднее, Тx                
Среднее, Тy                
Среднее, Тz                
Среднее по осям, , с                

 

По полученным результатам построить графики зависимости , , . Последний график сравнить с Т60 по п.4.2 и сделать выводы.

4.4. Для измерения времени раннего спада Т10 и расчета эквивалентной реверберации необходимо сделать следующее: установить направленный микрофон М2 на расстояниях по акустической оси громкоговорителя , , выполнить аналогичные п.4.2 измерения в каждой октавной полосе заданного диапазона. Расчеты Т10 по графикам затухания и Тэк по формуле (1.6) с данными табл. 1.1 записать в табл. 1.3.

Таблица 1.3

  Т60(fц) Точки измерений Время реверберации (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц
r1= Т10          
Тэк                
r2= Т10                
Тэк                

 

По полученным результатам построить графики зависимости для двух расстояний и пояснить результаты.

5. Содержание отчёта

В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) графики частотных характеристик временных параметров помещения и ленту с записью процессов нарастания звука; 5) выводы по всем пунктам измерений.

 

6. Контрольные вопросы

1. Почему для измерения времени реверберации применяют генератор шумовых колебаний?

2. Как результаты измерения реверберации зависят от расстояния между микрофоном и источником?

3. Чем объясняется различие во времени реверберации на различных частотах?

4. С какой целью при измерениях реверберации используют направленный микрофон?

5. Когда в расчетах и измерениях Т60 допустимо среднестатистическое усреднение?

 

Литература

1. Щевьев Ю.П. Физические основы архитектурно-строительной акустики. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2001.

2. Боголепов И.И. Архитектурная акустика: Справочник. ‑ СПб.: Судостроение, 2001.

3. Давыдов В.В. Акустика помещений: Текст лекций. ‑ СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 1994.

4. СНиП 23-03-2003. Защита от шума. ‑ М.: Госстрой России, 2004.


Работа № 2



©2015- 2018 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.