Методические указания к курсовой работе для студентов архитектурных специальностей
| Вид материала | Методические указания |
- Методические указания к курсовой работе для специальностей 220100 Вычислительные машины,, 87.91kb.
- Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Строительная теплофизика» для, 420kb.
- Методические указания по выполнению курсовой работы по макроэкономике для студентов, 300.45kb.
- Л. В. Пелленен методические указания по подготовке и защите курсовой работы для студентов, 694.67kb.
- Методические указания к курсовой работе для студентов специальности "Менеджмент организации", 623.79kb.
- Методические указания для выполнения курсовой работы по статистико экономическому анализу, 85.77kb.
- Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Материаловедение и ткм», 699.8kb.
- Методические указания по написанию курсовой работы для студентов II курса всех специальностей, 379.32kb.
- Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов 2 курса всех специальностей, 1477.96kb.
- Методические указания к курсовой работе по дисциплинам: «Техническое обеспечение, 321.66kb.
Федеральное агентство по образованию
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Кафедра общей и строительной физики
АКУСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЛА
Методические указания
к курсовой работе для студентов
архитектурных специальностей
Санкт-Петербург
2007
УДК [121.011.183:534.84:721.053.1] (076.5)
Акустическое проектирование зала: Методические указания к курсовой работе для студентов архитектурных специальностей / СПбГАСУ; Сост.: Т. А. Дацюк, Е. С. Вознесенская, Ю. Н. Леонтьева. – СПб., 2007. – с.
Содержатся необходимые пояснения к выполнению курсовой работы, заключающейся в проектировании зрительного зала с «естественной» акустикой. Изложены основные общие принципы акустического проектирования залов, а также особенности залов различного назначения. Приведены рекомендации по проведению компьютерного расчета времени реверберации проектируемого зала. Содержание и объем работы отвечают учебной программе по курсу архитектурной физики.
Табл. 6. Ил. 26.
Введение
В настоящее время практически все большие залы оборудуют системой звукоусиления, но для ряда залов предъявляются требования обеспечения оптимальных акустических условий без средств звукоусиления. К залам с естественной акустикой относятся лекционные, театральные и концертные залы, залы многоцелевого назначения вместимостью до 3000 человек.
Для обеспечения хорошей акустики залов необходимо выполнить следующие рекомендации:
время реверберации проектируемого помещения должно отличаться от рекомендуемого не более чем на 10 %;
на зрительских местах необходимо обеспечить максимально возможный уровень звукового давления полезного звука;
выбрать форму и очертание внутренних поверхностей, обеспечивающих как формирование ранних малозапаздывающих звуковых отражений, так и необходимую степень диффузности звукового поля;
предотвратить концентрацию звука, которая может возникнуть при наличии вогнутых поверхностей малого радиуса, а также избежать других акустических дефектов.
Нужного соотношения в распределении прямой и отраженной звуковой энергии, а также создания диффузного звукового поля добиваются путем правильного выбора:
объема зала и его вместимости;
взаимного размещения сцены и зрительских мест;
профиля и места расположения отражающих поверхностей и отдельных архитектурных элементов;
количества, свойств и размещения звукопоглощающего материала.
Воздушный объем и пропорции зала
Объем проектируемого зала должен назначаться в соответствии с существующими нормами. При наличии у зала сценической коробки общий объем его принимается без учета объема сцены. Если известно количество зрителей, то объем зала, м3, можно определить как
, (1)где
– удельный объем, м3; 
– количество зрителей.Объем на одно зрительское место (удельный объем) v в залах различного назначения рекомендуется принимать по табл. 1.
При выборе основных размеров зала для обеспечения хорошей акустики следует соблюдать следующие правила:
отношение длины зала к его средней ширине соответствует диапазону 1–2;
отношение средней ширины зала к его средней высоте лежит в тех же пределах (в диапазоне 1–2), во всех случаях не превышает 3;
длину залов (от задней стены до передней) рекомендуется принимать не более 28–30 м, в филармонических залах не более 45 м, а залов со сценической коробкой – не более 26–35 м (от задней стены до занавеса).
Если отношение длины зала к его ширине превышает 2, то степень диффузности звукового поля снижается. При указанном отношении, меньшем 1, увеличивается время запаздывания отражений от боковых стен, при этом ухудшается слышимость на боковых местах.
Гармонические пропорции зала можно определить по величине его объема, используя модуль золотого сечения линейных размеров зала. Золотое сечение – это отношение размеров, близкое к отношению 3:5:8.
Модуль золотого сечения определяется по формуле
, (2)
где
– требуемый объем зала, м3.Линейные размеры зала принимаются приблизительно следующими: высота – 3Х; ширина – 5Х; длина – 8Х.
Оптимальная форма зала в плане
Форма залов зависит от их назначения, однако существуют общие требования, соблюдение которых позволяет достичь хорошей акустики залов:
расстояние между источником звука и слушателем должно быть минимальным;
форма плана должна учитывать направленность источника звука, что особенно важно при проектировании аудиторий и конференц-залов. Угол между лучами, направленными от источника к крайним рядам партера, должен быть минимальным;
форма отражающих поверхностей вблизи источника звука должна обеспечивать максимально возможную передачу звуковой энергии на последние ряды;
радиус кривизны вогнутых или сводчатых поверхностей с малым звукопоглощением должен превышать расстояние от источника до вогнутой поверхности не менее чем в 2 раза, что позволит избежать очагов концентрации звука;
в залах большой вместимости следует избегать параллельности стен, а также параллельности пола и потолка для предотвращения проявления интерференции отраженных звуковых волн (возникновения стоячих волн), приводящей к неравномерному распределению звука. Отклонение от параллельности боковых стен на 2–3 позволяет исключить такие нежелательные явления, как «порхающее эхо» и концентрация звука.
Форма зала в плане, отвечающая изложенным требованиям, изображена на рис. 1.
Рис. 1. Наиболее рациональная форма зала в плане
Если последние ряды удалены от источника звука более чем на 30 м, устраивают балкон.
Профиль пола
Пол партера и балкона должен иметь профиль, обеспечивающий хорошую видимость эстрады или сцены, что уменьшает поглощение прямого звука при распространении его от источника над слушателями (рис. 2). Целесообразно предусмотреть подъем пола зала, составляющий приблизительно 12 см на ряд. Ряды, расположенные на расстоянии менее 9–10 м от источника звука, не требуют подъема. Пол балкона может проектироваться с несколько большим подъемом
.Высота эстрады или авансцены должна быть не менее 1 м.
При проектировании размещения зрительских мест и профиля пола рекомендуется воспользоваться следующими данными: ширина зрительского места – 0,5–0,65 м, расстояние между рядами (между спинками кресел) в коротких рядах, состоящих из 12 мест с одним выходом или 24 мест с двумя выходами, – 0,85–0,9 м; в длинных рядах, состоящих из 26 мест с одним выходом или 50 мест с двумя выходами, – 1,0 м, расстояние от авансцены или от оркестровой ямы до первого ряда – 1,0 м.
Рис. 2. Профиль пола, обеспечивающий каждое
зрительское место прямым звуком
На рис. 3 показан схематический разрез оркестровой ямы в театральном зале.
Рис. 3. Разрез оркестровой ямы
Правильное распределение отраженного звука
Ранние интенсивные звуковые отражения (главным образом, первые) дополняют прямой звук источника, улучшая слышимость. Если расстояние от источника до точки приема превышает 8 м, следует обеспечить, кроме прямого звука, приход в эту точку малозапаздывающих первых отражений от боковых поверхностей и потолка.
Время запаздывания отраженного звука по отношению к прямому звуку не должно превышать оптимальных значений, в противном случае отражение создает эхо. Для хорошей разборчивости речи требуется меньшее запаздывание первого отражения по сравнению с приходом прямого звука, для восприятия музыки – несколько большее. Желательно, чтобы время запаздывания первых отражений не превышало 20–30 мс. Так как скорость звука в воздухе составляет приблизительно 340 м/с, то запаздыванию на 20 мс соответствует разность длин пути отраженного и прямого звука приблизительно 7 м, на 30 мс – 10 м. Время запаздывания отражений характеризует звучание и зависит от характера воспринимаемого звука (табл. 2)
При проектировании зала необходимо при помощи геометрических построений контролировать распределение и запаздывание звуковых отражений от потолка и стен зала согласно приведенным далее рекомендациям.
Расчет геометрических отражений является основным способом контроля правильности выбора формы зала и очертания его внутренних поверхностей, направляющих отраженный звук к слушателям, и необходим для оценки опасности возникновения концентрации звука. Расчет включает:
проверку допустимости применения геометрических отражений и их построение;
определение времени запаздывания;
определение уровня отражений по отношению к прямому звуку.
При расчете геометрических (лучевых) отражений распространяющаяся звуковая волна заменяется лучом соответствующего направления, подчиняющимся законам геометрической оптики, которые сводятся к следующему:
лучи, падающий и отраженный, а также нормаль в точке падения к элементу поверхности лежат в одной плоскости (лучевая плоскость);
угол падения равен углу отражения.
Структура первых звуковых отражений оценивается по лучевому эскизу зала. Обычно строят геометрические отражения в вертикальной плоскости по оси симметрии зала, в горизонтальной – на отметке источника звука. На рис. 4 приведен пример построения лучевого эскиза. Высота источника над полом эстрады или сцены принимается равной 1,5 м, а высота точки приема над полом –1,2 м (уровень уха сидящего зрителя).
Допустимость построения геометрических (лучевых) отражений зависит от длины звуковой волны, размеров отражающих поверхностей и их расположения по отношению к источнику звука и точке приема. Отражающая поверхность должна иметь массу не менее 20 кг/м2, ее коэффициент звукопоглощения для рассматриваемых частот не должен превышать 0,1. Линейные размеры отражающей поверхности должны превышать длину звуковой волны не менее чем в 1,5 раза. В случае криволинейной отражающей поверхности наименьший радиус кривизны должен превышать длину звуковой волны не менее чем в 2 раза.
Отражающие поверхности следует проектировать таким образом, чтобы приведенные условия выполнялись, по крайней мере, для частот 300–400 Гц, которые важны для разборчивости речи. Если условия применимости геометрических отражений выполнены для центральной точки отражающей поверхности, то их построение допустимо и для любой точки, отстоящей от краев не менее чем на половину длины звуковой волны. Поскольку частотам 300–400 Гц соответствует длина звуковой волны 1 м, то точки для проверки геометрических отражений должны выбираться на расстоянии не менее 0,5 м от краев отражающей поверхности, а размеры отражателя должны превышать 1,5 м.
Рис. 4. Построение лучевого эскиза:
а – продольный разрез зала; б – план зала; Q – источник звука;
M – точка приема; ON – нормаль к отражающей поверхности
При построении геометрических отражений используют метод мнимого источника Q, который симметричен действительному точечному источнику Q по отношению к отражающей плоскости (рис. 5, а). Для построения мнимого источника из точки Q опускают перпендикуляр на отражающую плоскость и на его продолжении откладывают отрезок QA, равный отрезку QA. Прямые, проведенные из мнимого источника Q, после пересечения ими отражающей плоскости являются отраженными лучами от действительного источника Q.
Метод мнимого источника может использоваться и при построении отражений от криволинейных поверхностей. В этом случае в качестве отражающей рассматривается плоскость, касательная к отражающей поверхности в точке О (см. рис. 5, б). В случае криволинейной поверхности каждой рассматриваемой точке соответствует свой мнимый источник.
Рис. 5. Построение геометрических отражений с помощью мнимого источника:
а – отражение от плоскости; б – отражение от криволинейной поверхности
При проектировании очертаний внутренних поверхностей зала и построении лучевого эскиза целесообразно определять ослабление первого отражения по отношению к прямому звуку.
Уровень прямого звука
, дБ, в рассматриваемой точке определяется по формуле
, (3)где
– уровень звуковой мощности источника, дБ; 
– расстояние от источника до точки приема, м. Ориентировочные значения уровней звуковой мощности источников звука в залах различного назначения приведены в табл. 3.Уровень однократно отраженного звука
определяется по формуле
. (4)Здесь
– расстояние от источника до отражающей поверхности, м; 
– расстояние от отражающей поверхности до точки приема, м; 
– коэффициент звукопоглощения отражающей поверхности.Если уровень звукового давления однократно отраженного звука не более чем на 3 дБ ниже прямого, то допустимое время запаздывания может быть увеличено в 1,5 раза. При ослаблении на 8–10 дБ первые отражения уже не формируют характер звучания. Они не рассматриваются как полезные и целесообразно обеспечить их поглощение. Если звуковое отражение приходит сзади, то время запаздывания уменьшается на 0,6 от допускаемого.
В качестве примера рассмотрим формирование отражений от потолка (см. рис. 4, а). Допустим, что расстояние, которое проходит прямой звук от источника Q до точки М,
= 30 м. Путь, пройденный лучом первого отражения от источника Q до точки отражения O и от точки O до точки М, 
= 38 м. Разность хода отраженного и прямого звука 
= 38 – 30 = 8 м, что соответствует времени запаздывания 
= 0,024 с. Приняв уровень звуковой мощности источника 85 дБ (певец), а значение коэффициента звукопоглощения = 0,1, определим по формулам (3) и (4) ослабление первого отражения по отношению к прямому звуку.
дБ,
дБ.Разность уровней звукового давления прямого звука и отраженного от потолка
= 2 дБ, т. е. отражение полезно.Оптимальное очертание ограждающих поверхностей
Передняя часть потолка обычно используется для формирования ранних отражений. При плоском горизонтальном очертании потолка бόльшая часть звуковой энергии отражается в расположенные на расстоянии менее 8 м от источника передние ряды слушателей, для которых достаточная слышимость обеспечивается прямым звуком. Если высота передней части зала велика, то запаздывание отраженного от потолка звука превышает допустимые значения (рис. 6). Центральная и задняя части такого потолка отражают звук не к слушателям, а на заднюю стену зала, которая дает вторичное запаздывающее обратное отражение звука к источнику.
Для улучшения распределения отраженного звука передней частью потолка предусматривают устройство над эстрадой или авансценой отражателя выпуклой формы (рис. 7), что к тому же обеспечивает хорошее распределение отраженного звука при различных положениях источника. Отражатель должен иметь массу не менее 20 кг/м2 и может быть выполнен из железобетона, штукатурки по сетке или другого материала с коэффициентом отражения порядка 0,1. Линейные размеры отражателя связаны с нижней частотной границей регулярного отражения. Например, для усиления речи размеры отражателя должны быть не менее 110 см, для музыки – 6 м. При построении отражения от края отражателя точка геометрического отражения берется на расстоянии 0,5 м от края.
Рис. 6. Формирование отражений от плоского горизонтального потолка:
Q1 и Q2 – положения источника звука
Рис. 7. Устройство отражателя над авансценой:
Q1 и Q2 – положения источника звука
Эффективная потолочная отражающая поверхность может быть спроектирована с помощью графического метода, предложенного Петцольдом (рис. 8). Определение необходимого наклона и размера потолочных секций над источником, расположенным в точке Q, для отражения звука в пределах угла, ограниченного точками A (ухо зрителя последнего ряда балкона) и B (ухо зрителя первого ряда партера) начинают с выбора точки P. Точка P выбирается произвольно как точка пересечения скошенных поверхностей потолка c учетом требуемой высоты зала. Построение отражающих поверхностей потолка производят указанным далее образом. Точки A и Р соединяют прямой, которая продлевается до точки Q (мнимый источник звука), таким образом, чтобы РQ было равно РQ. Проводят отрезок QQ и делят его пополам точкой S. Точку S соединяют с точкой P. Линия PS определяет необходимый наклон отражающей поверхности. Затем проводят отрезок BQ, который пересекается с линией PS в точке R. Отрезок PR представляет собою потолочную секцию, которая отражает звук от источника к зрителям, размещенным между точками A и B. Секция RT строится аналогично PR. Секция NP предназначена для отражения звука на балкон к зрителям, размещенным между точками A и C.
Рис. 8. Графическое построение оптимального профиля потолочных секций
зала с балконом
Распределение звука, отраженного задней частью потолка, улучшается, если потолок имеет наклонный участок, примыкающий к задней стене, или задняя стена наклоняется в сторону слушателей (рис. 9). В результате этого отраженный звук с малым запаздыванием по сравнению с прямым звуком направляется на задние ряды, улучшая слышимость.
Расчленение потолка секциями при правильном их очертании дает хорошее распределение отраженного звука (рис. 10). Здесь следует обращать внимание на то, чтобы звуковые отражения от смежных секций перекрывали друг друга. При построении отражения от края секции точка геометрического отражения берется на расстоянии 0,5 м от края. Секции выпуклого сечения (рис. 10, в) хорошо распределяют отраженный звук при разных положениях источника и повышают диффузность звукового поля в зале.
Интенсивные первые малозапаздывающие отражения от боковых стен необходимы для достижения хорошей акустики залов. При выборе очертаний стен в плане имеют силу те же соображения, что и для потолка. Особенно важной является правильная конфигурация стен вблизи сцены или эстрады. Целесообразно устройство на боковых стенах вблизи источника звука отражателей, направляющих ранние звуковые отражения на последние ряды (рис. 11). Эффективно членение стен секциями (как и для потолка) при условии, что отражения от смежных секций перекрывают друг друга. Полезным оказывается наклон боковых стен в сторону слушателей, что увеличивает количество звуковой энергии первых отражений от этих стен.