Acoustic Design Systems
Домът на акустичните панели!

Полезно » Акустични параметри



1. Звук, Децибел, Звуково налягане, Фон

Звукова вълна

Звукът е вълна, която се разпространява като трептения на средата, в която се движи.

Честотата на тези трептения за единица време се нарича честота на звука и се измерва в херци (Hz).

Човешкото ухо възприема звуци с честота от 20 херца до 20 000 херца.

Звукът се движи със скорост от около 344 m/s при температура от 200С, която намалява с понижаване на температурата.


Звуковите вълни имат няколко основни характеристики – скорост, честота, период, амплитуда, дължина на вълната, фаза, налягане. Ниските честоти имат по-голяма дължина на вълната, което ги прави и по-трудни за акустична обработка от високите честоти.


Когато говорим за амплитудата на звуковата вълна, практически говорим за налягането, което тази вълна упражнява върху статичното атмосферно налягане. Това се нарича звуково налягане и се измерва в паскали (Ра) или нютони на квадратен метър (N/m2). Тъй като тези отношения са в порядък от над едно-към-милион е по-практично да се използва друга величина за определяне на звуковото налягане – децибелът (dB).


Децибелът е една десета част от мерната единица бел и се използва за сравняване на отношения на сигнални нива, звуково налягане, звукови мощности и др.Субективното възприятие на хората за “два пъти по-силно” се равнява на 10dB.

Криви на Флетчър-Мънсън

Според това, какви величини сравняваме и каква е отправната стойност (1mW, 1W, 1V, 0.755V) , децибелът има разновидности – (dBm, dBW, dBV, dBu).

Когато отправната стойност е прага на чуваемост (20x 10-5 N/m2), използваме единицата dB-SPL или SPL (sound pressure level), за да определим силата на звука, т.е. звуковото налягане.


Гръмкостта е субективно усещане, което се различава от измереното ниво.

За да се определи това субективно усещане с точни научни термини се използва различна мерна единица, наречена фон (Phon).

Стойностите на фонът и измерените децибели съвпадат единствено при честота от 1000 Hz.

Тъй като човешкото ухо има различна чувствителност за различните честоти, звуковият фон е базиран на тази чувствителност, чрез кривите на Флетчър-Мънсън (Fletcher–Munson).


Типичното звуково ниво при нормален разговор е около 60 dB-SPL. Повечето хора намират ниво над 100 dB-SPL за некомфортно, а нива над 120 dB-SPL се определят като опасни за слуха и се възприемат болезнено от всички, с изключение на посветените музикални рок фенове. :)

2. Амплитудно-честотна характеристика

Амплитудно-честотната характеристика

Амплитудно-честотната характеристика, както е очевидно от името, илюстрира зависимостта между честотата на звука и нейната амплитудна стойност по протежение на целия честотен обхват.


Амплитудно-честотната характеристика е крива, която ни показва каква е амплитудата на звука за всяка отделна честота.


Обикновено, целта е постигане на равномерна хоризонтална характеристика, за възможно най-точно и вярно възпроизвеждане на звуковия материал.

Неравномерността в кривата илюстрира съществуваща неравномерност в звуковото възприемане - оцветяване, наличие на резонанс, понижена чувствителност на някои честоти, и др.


Амплитудно-честотната характеристика се използва за оценяване качествата за звукопредаване в аудио апаратурите, на високоговорители и микрофони, в акустиката на помещения и дори на човешкия слух.

3. Критерии за шум, Отношение сигнал/шум

Категории за шум

Критериите за шум NC (Noise Criterion) и Категориите на шум NR (Noise Rating) са създадени да оценяват и определят звуковите нива в помещенията и нивата на околния шум.


Това са криви, създадени според специфичната физиологична характеристика на човешкото ухо, служещи за нормиране на акустичните мощности, опасни за слуха.


NC се използват предимно в САЩ, докато в Европа - повече се употребяват NR.


Отношението сигнал/шум SNR е величина, която описва разликата в децибели между околният шум на средата, в която е пуснат звуков източник и нивото, което създава този източник.


За правилните и успешни резултати от измервания и при изчисляване на други величини се приема, че SNR е поне 15dB, т.е. че нивото на сигнала е 15dB по-високо от нивото на заобикалящият шум.

 Помещения Категория
 Концертни зали, ТВ и радио студиа, църкви
 NR25
 Болници, театри, кина, конферентни зали
 NR30
 Музеи, училища, хотели, апартаменти
 NR35
 Зали, ресторанти, офиси, магазини
 NR40
 Молове, супермаркети, колцентрове
 NR45
 Офиси с работни машини
 NR50
 Лека инженерна работа
 NR60
 Тежка инженерна работа
 NR70

4. Коефициент на звукопоглъщане

Коефициент на звукопоглъщане

Коефициентът на абсорбация е основна характеристика на всички звукопоглъщащи материали в акустиката.


Когато се занимаваме с поведението на звука в затворено пространство, трябва да сме способни да пресметнем колко звукова енергия ще изгубим всеки път, когато звуковата вълна удари една от повърхностите или един от обектите в помещението.


За тази цел, се използва величина, наречена коефициент на абсорбация или коефициент на звукопоглъщане.


Стойността на коефициента на абсорбация варира между 0 и 1, като по този начин изразява отношението на абсорбираната към отразената енергия на вълната.


Например, стойност от 0.6 за коефициент на поглъщане на даден материал, означава, че 40% от общата енергия на звука е отразена и 60% е абсорбирана от материала.


Коефициента на абсорбация се отбелязва с гръцката буква алфа (α) и се измерва за няколко стандартни честоти.


Аналогичната величина в Америка е NRC.


Много често, в уравнения или спецификации, се използва понятието усреднен или претеглен коефициент на абсорбация (αw), който е единична обобщена величина на коефициентите на абсорбация за отделните честотни групи.


Произведението от дадена площ и нейният абсорбационен коефициент се изразява с мерната единица сабин (A).


От коефициента на абсорбация, лесно може да се намери стойността на една друга величина – коефициента на отражение.

Той е равен на 1-α и спомага за намиране на отношението в dB между директния звук и отразения от повърхността.

Ако имаме стена с коефициент на абсорбация 0.3, това означава, че 30% от първоначалният звук ще се абсорбира от стената, а 70% от него ще се отрази обратно в помещението, или казано по друг начин, че коефициентът на отражение е 1-0.3=0.7.

От тук, използвайки уравнението 10logX=dB, където X е коефициента на отражение, получаваме 10log0.7=-1.5dB, т.е. отразеното звуково налягане ще бъде с 1.5 dB по-малко от това на първоначалната звукова вълна.


Представената таблица може да спести време за пресмятане на загубите от отражение.



При изграждане на едно помещение или неговата акустична обработка, трябва да се обърне особено внимание на коефициентите на абсорбация на отделните строителни материали, облицовки и конструкции.


Таблиците с коефициентите на поглъщане за повечето използвани строителни материали, както и за специалните акустични материали могат да се намерят в спецификациите на производителите им.


Минералните вати - каменни и стъклени, имат най-висок коефициент на звукопоглъщане.


Характеристиките им в ниските честоти са 2-3 пъти по-добри от тези на материалите от технически полиуретан, известни като "акустичен дунапрен" или "акустична пяна", за съпоставими дебелини.


Трябва да се отбележи, че някои производители дават стойности на коефициента на абсорбация по-високи от единица (1), което се дължи на дифузионни аномалии при извършване на измерванията.

Не може да се очаква повече от 100% звукова абсорбация. ;)

 125 Hz
 250 Hz
 500 Hz
 1000 Hz
 2000 Hz
4000 Hz
NRC 
 Auralex Studiofoam Pyramids
(пяна)
 0.13 0.18 0.57 0.96 1.03 0.980.70
 ADS Standart Art
(вата)

 0.35 0.81 0.89 0.97 0.970.88
0.90

5. Време на реверберация, ранни отражения, ITDG

Реверберация

Времето за реверберация е най-популярната акустична характеристика на едно помещение.


То представлява времето за затихване с 60dB на общата звукова енергия, след спиране на източника на звук, поради което се бележи като RT60 (reverberation time, 60dB).


В това определение се приема, че нивото на звука е достатъчно силно и заобикалящия шум е сравнително нисък, за да може да се пренебрегне.


Общо, реверберацията се разделя на два вида - ранни отражения и късна реверберация.


Когато в една стая се възпроизведе звук, най-късия път, който звукът изминава, докато достигне слушателя е пътя по права линия между източника и слушателя.

Но, тъй като, звукът се разпространява във всички посоки, до слушателя ще достигнат също и отражения на този звук от околните повърхности, естествено с някакво закъснение.


Закъснения, които пристигат до първите 50ms, се приемат за ранни отражения EDT (Early Decay Time).


В повечето случаи това са звукови вълни, които са се отразили по веднъж и все още притежават значителна енергия, когато достигат слушателското ухо.

Амплитудата на ранните отражения е съществено по-голяма, от тази на късната реверберация, а измерването им се прави в първите 10dB от затихването на звука и отговаря по-точно на субективното възприятие за реверберационния подпис на помещението.


Всяко отражение, което пристига в първите 20ms след директния звук, създава впечатление за по-голяма сила на звука и помага за декодирането на информацията от мозъка.


Всяко отражение, което пристига със закъснение над 50ms, може да бъде разграничено и като ехо.


Отражения, които пристигат с между 20 и 50 милисекунди закъснение след директния звук, са объркващи и понижават разбираемостта на звука, особено ако той е говор.


Времето за реверберация зависи от честотата на звука.

Обикновено, ниските честоти имат нужда от по-дълго време за да затихнат, отколкото високите.


Таблица с подходящи времена на реверберация за различни помещения:

Приложение  125 Hz
 500 Hz 2000 Hz
 Звукозаписно студио
0.4s
 0.3s 0.3s
 Говор 0.5s0.4s
 0.4s
 Кино 0.7s 0.6s 0.6s
 Класна стая
 0.8s 0.7s 0.7s
 Църква или театър за говор
 1.3s 1.0s 1.0s
 Църква или театър за музика
 1.5-1.8s 1.25-1.5s 1.25-1.5s
 Гимнастически салон за говор
 1.8-2.0s 1.5-1.8s 1.5-1.8s
 Арена (500-2000 места)
2.5s  2.0s 2.0s
 Арена (2000+ места)
 3.0s 2.5s 2.5s
ITDG

Initial Time Delay Gap ITDG е параметър, който илюстрира разликата във времето на пристигане между директния звук и най-първите, и най-значими ранни отражения.


Стойността му се измерва в ms и за типичната слушателска област на стаята, като не се вземат предвид отраженията от пода.


Тази величина отговаря на субективното впечатление за "близост" на музикалния материал. Препоръчително е стойността ѝ да не надвишава 20 ms.

6. Критично разстояние и Стайна константа

Критично разстояние и Стайна константа

В затворено пространство общото звуково поле се състои от две отделни звукови полета - директно и реверберационно (отразено).


В зависимост от насочеността на източника на звук и абсорбационната характеристика на помещението, на някакво определено разстояние от източника, двете полета имат еднаква плътност.

Това разстояние се нарича критично разстояние и се бележи като Dc.


По-насоченият източник на звук и по-ниското време на реверберация създават по-далечно критично разстояние.


Обемът на помещението, между източника на звук и неговото критично разстояние, също така се нарича близко поле (near field), докато това след Dc - далечно поле (far field).


Само по себе си, звуковото налягане на директния звук намалява по закона за обратният квадрат (калкулатор), т.е. с всяко удвояване на разстоянието - намалява с 6dB.


В същото време, реверберационното звуково поле остава сравнително постоянно.


На критичното разстояние, нивото на сумарното звуково поле е 3dB по-високо от това на всяко от полетата поотделно.


Намирането на критичното разстояние (калкулатор) е от съществено значение, когато избираме слушателска позиция, поставяме микрофон или избираме високоговорители.



Стайната константа (R) е величина, определяща общото звукопоглъщане в помещението.


Ниската й стойност представя т.нар. "жива" стая, т.е. стая с дълго време за реверберация.

Обратно, високата стайна константа описва "мъртва" стая, т.е. къса реверберация.

Казано по друг начин, малко R - малка абсорбация, голямо R - голяма абсорбация.


Константата на стаята е полезна, когато средният абсорбационен коефициент е по-голям от около 0.2.

Тази величина влиза в различни уравнения и помощни графики.


7. Насоченост - Фактор Q и Индекс DI

Насоченост Q DI

Факторът на насоченост Q (Directivity Factor) е отношението на интензивността на акустически насочен източник на звук към интензивността на ненасочен такъв.


Индексът на насоченост DI (Directivity Index) представлява разликата в нивото, в dB, която ще бъде измерена на дадено разстояние по главната ос на високоговорителя, когато той е насочен и когато е ненасочен.


Двата параметъра са свързани в отношенията: DI=10logQ и Q=10DI/10.


Стойността им може да се намери (калкулатор) в зависимост от градусите на излъчване на високоговорителните хорни, отчитайки хоризонталните и вертикалните ъгли на покритие.


Насочеността на източниците е в тясна връзка с критичното им разстояние и варира значително с честотата.


Факторът на насоченост се удвоява всеки път, когато зад ненасочен източник се прибави нова равнина, като индексът на насоченост се увеличава с по 3 dB, т.е., когато поставим високоговорителна колона в ъгъла на стаята, звуковото налягане се увеличава с 9dB.


Приема се, че факторът на насоченост на говорещ човек по главната ос е 2.

 Позиция на високоговорителя
 Q DI
 Висящ между пода и тавана
 10  dB
 На пода
 2+ 3 dB
 В ъгъла между пода и стена
 4+ 6 dB
 В ъгъла между пода и две стени
 8+ 9 dB

8. DRR, Яснота C50, Определение D50, TS

реверберация насоченост директен звук

Отношението на дирекния към отразения звук DRR (Direct Reverberant Ratio) е много важна величина, използвана в значителен брой формули, таблици и графики.


Отразеното, или реверберационното поле в една стая е съвкупността от всички по-слаби отражения, създаващи нещо като звуково море, със сравнително гладка повърхност, т.е. с еднакво ниво във всяка точка извън критичното разстояние и не прекалено близо до граничните повърхности на помещението.


Директното звуково поле, от своя страна, намалява по закона за обратния квадрат, докато се изгуби дълбоко в реверберационното море.


Отношението на двете полета е от изключително значение за разбираемостта на звуковия материал.


Яснотата C (Clarity) на звука е отношението на енергията на ранните отражения към тази на реверберационния звук, изразено в dB.


В зависимост от стандарта на измерване и нуждата, отношението се измерва в първите 50ms (C50, за говор) или 80ms (C80, за музика).


Стойността оценява степента до която отделните звуци звучат отделно един от друг, а не се припокриват, създавайки неясна звукова картина.

Ако яснотата е твърде ниска, бързите части от музиката няма да могат да бъдат различавани добре.

Величината се оценява с положителни и отрицателни стойности в dB, като при 0dB нивата на ранните отражения и реверберационното поле са равни.

За измерване на яснотата на говор се предпочита стандарта С50, докато за музика - С80.


Определение D (Definition) извежда цифровата стойност в проценти % на отношението между звуковата енергия на ранните отражения и общата звукова енергия.

То показва разликата в нивото в първите 50ms (D50), отнесено към целия времеви обхват на разглеждания звук.

По-голямата стойност на този показател означава присъствие на по-отчетлив звуков сигнал, тъй като по-малка част от него ще бъде разпределена в по-късния реверберационен звук.


Подобно на яснотата C, определение D може да се измерва в първите 50ms или 80ms, или във времеви прозорец по избор.


Друга величина, определяща чистотата на звука е параметъра централно време TS (Centre Time).

Той представлява времевия "център на тежестта" на измерената характеристика на помещението и се измерва в ms.

Високата му стойност е индикатор за лоша яснота на възпроизведения звук.

9. Критерии за разбираемост, %Alcons, STI

Критерии за разбираемост, %Alcons, STI

Разбираемостта е фактор, който определя до каква степен възпроизведената звукова информация е точно възприета.


Понятието се използва най-вече за разбираемост на речта.


Независимо дали звукът минава през звукоусилваща система или се разпространява чисто акустично, изискванията за разбираемост на говора остават почти едни и същи.


Отношенията сигнал/шум (SNR) и директно/реверберационно поле (DRR), както и времето на реверберация (RT60) в помещението, са е дни от основните фактори, които определят разбираемостта.


Стойността на фоновия шум е добре да бъде 25dB или повече под най-ниските нива на речта, които се очакват.

Съществуват, обаче, случаи, в които общото шумово ниво е значително, например на спортни мероприятия. Тогава стойността на отношението сигнал-шум може да бъде принудително намалено до 10dB - 15dB.

Когато шумовото ниво нарасне, говорещият трябва да усили нивото на звука си или разстоянието между него и слушателят трябва да бъде намалено.

Увеличаването на насочеността на източника на звук подобрява разбираемостта.


Средно речта съдържа около 3 - 4 срички в секунда. Така, времето на реверберация от около секунда и половина или по-малко, няма да повлияе значително на възприемането на говора, но по-дългите времена ще нарушат разбираемостта.

Спектралната характеристика трябва да бъде сравнително линейна, особено в обхвата от 125Hz до 4kHz.


Един от параметрите за оценяване на разбираемостта е загубата на съгласни (%ALcons) (калкулатор).


Тя определя какъв процент от съгласните се губят при предаване на звука.

Високата стойност на %Alcons говори за лоша разбираемост.


Повечето проектанти разглеждат границата от 15% Alcons като максималната допустима стойност за добра разбираемост.

За предпочитане е стойности от порядъка на 10% или по-малки, които спомагат за компенсирането на загубите на разбираемост при хора с намален слух или при говорители с акцент.


Точното изчисление на този параметър е трудоемко начинание, в което влизат характеристики като: ниво на шум, чувствителност на високоговорителите, индекс на насоченост, входяща мощност, загуби от поляризация, разстояния, стайна константа, време за реверберация, клъстерен фактор, обем и др.Използването на специализиран софтуер и хардуер значително улеснява този процес.


За бърза и приблизителна оценка на разбираемостта могат да се използват и различни помощни графики.



Други параметри, определящи разбираемостта са STI, RASTI, STIPA, базирани на различни алгоритми за звукова модулация. Техните стойности, подобно на коефициента на абсорбация са между 0 и 1, като единицата съответства на сто процентова разбираемост, а препоръчителните стойности са над 0,70.

Съществуват различни таблици и формули за намиране на приблизителната взаимовръзка между STI и %Alcons.

STI  0 - 0.3
0.3 - 0.45 0.45 - 0.60 0.60 - 0.75 0.75 - 1.00 
Разбираемостнеприемлива лоша средна добра отлична
%Alcons 100 - 33 %
33 - 15 % 15 - 7 % 7 - 3 % 3 - 0 % 

10. Резонанси, Стоящи вълни, Стайни моди

Стоящи вълни

Всяка материя трепти с някаква собствена честота.


Когато се осъществи съприкосновение между обекти с еднакви собствени честоти, се наблюдава значително увеличаване на амплитудата на трептенията, известно като резонанс.


В звуково отношение, резонанс се получава, когато два или повече звука с една и съща честота се насложат един върху друг, или когато един звук създаде множество отражения върху себе си.


Резонансът причинява "оцветяване" на честотната характеристика на стаята и определя специфичното тембърно звучене на помещението.


Когато звуков източник излъчва между две успоредни стени, разстоянието между които съвпада с дължината на вълната L на дадена честота или с нейна кратна стойност като L/2, 2L, 3L и т.н., се наблюдава явлението стояща вълна (калкулатор).


Най-ниската честота, при която може да възникне стояща вълна е тази, при която половината от дължината на вълната (L/2) е равна на разстоянието между стените.

В този случай, при стените въздушното налягане е максимално, а скоростта на въздуха - минимална, докато в средата между двете стени, там където дължината на вълната е L/4, скоростта на въздуха е максимална, а налягането - минимално.


В зависимост от честотата и дължините на вълните в помещението се образуват множество редуващи се точки с високо и ниско звуково налягане, т.е. стоящи вълни.


За най-добра абсорбация на звуковите вълни, дебелината на звукопоглъщащия материал трябва да бъде такава, че да обхваща L/4 на избраната честота.


Тъй като скоростта на въздуха на това разстояние е максимална, минавайки през звукопоглъщащия материал, той ще има най-голям коефициент на полезно действие именно тук.


Както се вижда, използването на порести абсорбери е непрактично за дължини на вълната, съпоставими с размерите на помещението.

В тези случаи се използват мембранни и резонаторни акустични панели, които са ефективни при ниска скорост на звука и високо налягане.


Стоящите вълни, освен двуизмерни - между две успоредни стени или между пода и тавана, могат да бъдат и триизмерни.


Всъщност, съществува голямо разнообразие от стоящи вълни в една правоъгълна стая, наречени стайни моди, които усилват дадена честота и нейните хармоници.


Осовите или аксиални моди, са най-простия вид моди, създаващи се по дължина, ширина и височина на помещението.Те са и с най-висока амплитуда.

Тангенциалните моди обхващат 4 от стените на стаята.

Скосените моди преминават по главните диагонали на срещуположните върхове на помещението и обхващат всички повърхности.


Когато знаем, че дадено честотно изкривяване е причинено от аксиална, тангенциална или скосена мода, можем да преценим къде и какъв абсорбационен материал да използваме.

Стоящи вълни

11. Среден свободен път и Средно свободно време

Среден свободен път и Средно свободно време

Времето за реверберация може да бъде представено и чрез опростен акустически модел на стаята.


Първата стъпка е да усредним интензивността на звуковите полета в помещението.


Ако включим звуков източник в стаята, той ще отделя звукова енергия вътре в нея, докато поради природата на затвореното пространство и множеството отражения в него не достигне равновесие на звуковото налягане, при което звуковото поле в стаята е сравнително еднакво.


Ако статистически усредним всички точки в помещението, не твърде близо до източника или до стените, можем да посочим стойност на еднородното разсеяно звуково поле.


Следващата стъпка е да изведем стойността на средният свободен път MFP, който звуковата вълна изминава удряйки една от граничните повърхности на стаята.

Той е в тясна връзка с обема на помещението и общата площ на граничните повърхности.

MFP = 4V/S, където V е обема на помещението, а S – общата площ.


Веднага, след като звуковия източник в стаята бъде изключен, звукът изминава разстояние, еквивалентно на MFP и се отразява в гранична повърхност със среден абсорбационен коефициент α.


В зависимост от този коефициент една част от звуковата енергия се абсорбира, а друг процент се отразява обратно в стаята и изминава отново разстояние равно на средния свободен път.


Чрез стойността на коефициента на отражение можем да намерим еквивалентната загуба в dB от всяко едно такова отражение.


Знаейки средният свободен път на звука в стаята и скоростта на звука във въздух, можем да намерим средното свободно време (MFT).


Когато разполагаме със стойностите на средното свободно време изминато от звука и средната загубата на звукова енергия при отражение, и като знаем, че времето за реверберация се изчислява като намаляване на звуковото налягане с 60dB, лесно можем да пресметнем търсената величина на времето за реверберация.


Например, ако стойността на средния коефициент на абсорбация е 0.2, то средния коефициент на отражение е 0.8 и следователно е еквивалентен на загуба в звуковото налягане от приблизително 1dB. Ако сме изчислили, че MFP е 4m, MFT, следва да е 4m / 344m/s = 0.011s, т.е. за 0.011s звукът намалява своята сила с 1dB. Така Т60 = (60/1) x 0.011 = 0.66s.


На базата на тези изчисления са съставени различни графики, които спестяват много време и са удобни за работа.


Трябва да се знае, че съществува не малка доза несигурност при извеждането по този начин, на времето за реверберация, породена от неточни изчисления на обем и площ, използваните коефициенти на абсорбация, монтажа на абсорбационните материали, ъгъла на падане на звуковите вълни, затихването от въздуха, скоростта на въздуха и др.

Затова е добре да се вземе предвид, че достоверността на изчисленията по този метод е някъде около 10%.

Разгледате нашите акустични панели или използвате някой от нашите калкулатори.