Развитие теории акустических процессов

ЗАДАНИЕ

На выпускную квалификационную работу

 

Студенту(ке)_____ курса ______группы, специальности _________________

____________________________________________________________

^{(Ф. И. О.)}

1. Тема выпускной квалификационной работы_____________________________________

_____________________________________________________________________________

утвержден приказом по ЯКСЭ №__________от «____»_________201__ г.

2.Исходные данные к ВКР:______________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень вопросов подлежащих к разработке)___________________________________________________________________

_________Введение_____________________________________________________________________1. __________________________________________________________________

_________2.___________________________________________________________________

_________3.___________________________________________________________________

_________...___________________________________________________________________

_________Заключение __________________________________________________________

_________Список использованных источников_____________________________________

4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Консультанты по разделам ВКР_____________________________________________ Нормоконтроль: ________________________/В. А. Шараборин / «____»__________20___г.

Экономическое обоснование _________________/Г.Д. Попова/ «____»__________20___г.

Охрана труда и ТБ_________________________/ Н.А.Убушаев/ «____»__________20___г.

6. Календарный график выполнения ВКР.

 

№	Содержание выполняемого раздела проекта согласно заданию	Примерный объем раздела в %	Календарный срок выполнения раздела	Примечание
	Введение

 

7. Наименование предприятия, на котором выпускник проходит преддипломную практику

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дата выдачи ВКР «__»_______20__г.

Срок окончания ВКР «__»_______20__г.

Задание на ВКР получил(а) ________________/____________________/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Руководитель ВКР ________________/______________________/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии______________________________________

^{(наименование)}

 

 

«____»______________20__г. Протокол №__________________

Председатель цикловой комиссии ________________/______________________/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

АННОТАЦИЯ

Текст с, гл, табл, рис, источн.

В данной дипломной работе рассматривается создание системы озвучивания телевизионного павильона.

Объект :телевизионного павильона

Предмет:системы озвучиванияакуститеская

Цель:совершения и улушения телевизионного павильона

В ходе выполнения работы исследованы особенности видеопроекционного оснащенияразработан проектсистемы озвучивания телевизионного павильона:

Акустические системы, звука изолирующие материалы , подбор оборудования.

В данной дипломной работе рассматривается создание системы озвучивания телевизионного павильона. В работе представлены варианты отделки студий, схемы и варианты. Разработан теоретический материал. Приведены варианты планировки.

Содержание

 

Введение

1 Теоретическая основы озвучиванияяфункционрование акустических систем

1.1 Развитие акустики помещения

1.2 Развитие теории акустических процессов

2Разработка проекта системы озвучивания телевизионного павильона

2.1 Выбор размеров студии

2.2 Расчет собственных резонансных частот

2.3 Составление плана аппаратно-студийного блока

2.3.1 Назначение АСБ

2.3.2 Планировка АСБ

2.4 Выбор и помещение звуков поглощающих материалов

2.4.1 Выбор оптимального времени реверберации

2.4.2 Расчеты общего фонда звукопоглощения и времени реверберации, подбор звукопоглощающих материалов

2.4.3 Размещение звукопоглощающих материалов

2.5. Выбор электроакустического и звук технического оборудования студии

2.5.1 оборудования АСБ

2.5.2 Подбор оборудования и программ

3. Технико-экономическая обоснования

4.Охрана труда и окружающей среды

4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

4.2 Требования безопасности, эргономике и технической эстетики

4.3 Освещенность рабочего места

4.4 Инструкция по охране труда

4.5Инструкция по технике безопасности

Заключения

Литература

 

Введение

электроакустический резонансный реверберация звукопоглощение

Целью данной работы является получения навыков при расчете и разработке телевизионной студии с изготовлением видеопрограмм на кассетах, умения применять знания, полученные при изучении курса «Системы звукового цифрового вещания» и навыки работы с технической литературой. Помещение, предназначенные для прослушивания и записи музыкальных и речевых программ обладают высокими акустическими качествами лишь в том случае если, при их проектировании был произведен соответствующий расчет, а в ходе строительства приняты специальные меры для улучшения качества звука. Эти меры, как правило, экономически оправданы, так как благодаря их осуществлению удается добиться того, чтобы помещение наилучшим образом соответствовало своему предназначению и избежать последующих дорогостоящих переделок.

При устройстве студии необходимо учесть множество факторов: даже самые с первого взгляда незначительные вещи и детали могут в итоге играть ключевую роль и стать причиной снижения качества или, наоборот, улучшить конечный продукт.

На сегодняшний день проектирование телевизионных студий остается актуальным вопросом. За последнее десятилетие произошли значительные достижения в технологиях передачи звука и видеоизображения в пространстве. Искусство построения студий развивается в соответствии с этими достижениями. Требования, предъявляемые к современным студиям записи, записывающим комплексам и телецентрам, неуклонно растут; совершенствуются аппаратный и микрофонный парки, меняются структурные и технологические схемы коммутации, разрабатываются новые акустические материалы для звукоизоляции и коррекции внутренней акустики. Универсальные телестудии постепенно вытесняют студии узконаправленной специализации.

 

1.Теоретические функционирования акустических систем

1.1 Развитие акустических помещений

В 18 и начале 19 в. внимание стали уделять сооружению концертных и театральных залов. Развивалось синтетическое музыкальное искусство - опера. Разумным выбором геометрической формы, размеров, продуманным размещением звукопоглощающих материалов в этих залах создавали хорошие условия для слушателей и исполнителей - певцов, музыкантов.

.

Сэбин рассматривал акустические процессы в помещении после выключения источника звука как запаздывание многократно отраженных волн и их постепенное ослабление в результате поглощения энергии волн преградами. Исходной причиной этого процесса является энергия, сообщенная помещению источником звука.

Теория У. Сэбина, несмотря на большие практические успехи, вызвала серьезную критику. В 1929 г. Шустер (K. Schuster) и Ветцман (E. Waetzmann) признали трактовку статистической теории неудовлетворительной. После прекращения действия источника звука процесс затухания происходит не под воздействием вынужденных колебаний, а как результат затухания собственных (резонансных) колебаний, возбужденных источником звука, и с частотами, определяемыми формой и размерами помещения. Такая теория, названная волновой, была фундаментально развита Болтом, Морзом, Дрейзеном, Фурдуевым и другими. Следует отметить, что уже Дж. Стретт (лорд Рэлей), ссылаясь на математическое решение, данное Дюамелем, считал возможным анализировать акустику помещений с позиций волновой теории.

До начала 20 в., т. е. до работ У. Сэбина, главное внимание в акустике помещений уделяли анализу направлений путей распространения потоков звуковой энергии в помещении - прямого и отраженного от преград, т. е. рассмотрению геометрической (лучевой) картины. Геометрическая теория - самая древняя. Она успешно применяется и в наше время, особенно при проектировании залов большой вместимости. Геометрическая теория получила развитие в работах И.Г. Дрейзена, А.Н. Качеровича, Л. Контюри. С.Я. Лифшица. Е. Скучика и других. [ 1 ]

 

 

Развитие теории акустических процессов

Существует 3 теории акустических процессов - статистическая, волновая и геометрическая.

В статистической теории акустические процессы в помещении рассматриваются как постепенный спад энергии многократно отраженных преградами помещения волн. Этот спад происходит после прекращения действия источника звука. Идеализируя, считают этот процесс в первом приближении непрерывным. Тогда его можно изобразить в линейном масштабе экспонентой, а в полулогарифмическом масштабе - прямой. Предпосылкой к такому рассмотрению является выполнение двух условий: все направления движения волн равновероятны, а плотность звуковой энергии e = Е / V в каждой точке пространства помещения одинакова.

В архитектурной акустике большее внимание уделяется не стационарному процессу (процессу установившихся колебаний), а переходному (нестационарному). Последний начинается после прекращения действия источника звука, заключается в постепенном спаде звучания вследствие потерь звуковой энергии и называется отзвуком, или реверберацией.

Реверберация существенно влияет на качество и речевого, и музыкального звучания. Чрезмерная длительность реверберации приводит к тому, что новые слоги речи звучат на фоне предыдущих затухающих слогов. Разборчивость речи при этом ухудшается. При коротком отзвуке разборчивость речи вполне удовлетворительна, но своеобразная "безжизненность", "стерильность" такого звучания воспринимается так же, как не-достаток, особенно при художественном чтении. Еще большее значение имеет процесс отзвука при слушании музыки. Каждая музыкальная фраза представляет собой последовательность звуковых импульсов. Затянутый отзвук нарушает эстетичность восприятия музыки тем сильнее, чем быстрее темп исполнения, так как звуки "набегают" друг на друга. Наоборот, при очень коротком отзвуке или его отсутствии (при исполнении на открытом воздухе) музыка звучит сухо. Утрачивается слитность звучания. Лишь при некотором, вполне определенном для каждого стиля исполнения времени отзвука образуется необходимая связность звучания, создающая наилучший эстетический результат.

Метод, предложенный У. Сэбином, основан на модели идеального помещения, в котором звуковое поле после прекращения действия звукового сигнала может быть рассчитано на основе статистического рассмотрения процесса затухания звука. При этом предполагается, что амплитуды и фазы отраженных звуковых волн распределены хаотически, т. е. в волновом движении нет преобладающих направлений потоков и симметрии в распределении амплитуд. Принятое допущение позволяет считать, что средние значения звуковой энергии по различным направлениям одинаковы, т. е. звуковое поле изотропно, и средняя по времени плотность звуковой энергии в любой точке помещения тоже одинакова. Такое звуковое поле называют диффузным. Его рассмотрение дало возможность пренебречь явлениями интерференции и применить при расчетах энергетическое суммирование. Этот подход подобен используемому в кинетической теории газов и основан на математической теории вероятностей. Л. Бреховских показал, что для помещений, линейные размеры которых велики по сравнению с длиной волны, получаются достаточно удовлетворительные результаты.

При выводе формулы Сэбина и Эйринга приняты некоторые допущения, которые редко оговариваются в литературе по акустике. Формула Сэбина получена в предположении, что волны падают на преграды под любыми углами, а при выводе формулы Эйринга принято, что волны падают на преграды под углами, близкими к нормали. Поэтому, строго говоря, в формулу Сэбина следовало бы подставлять значения коэффициента поглощения, определенные в диффузном поле, в реверберационной камере, а в формулу Эйринга - значения коэффициента поглощения, измеренные в плоском поле, при нормальном падении, т. е. в трубе.

При очень неравномерном распределении общего поглощения результат, вычисленный по формуле Эйринга, может оказаться далеким от измеренного. Миллингтон (Millington) объяснил причину этого расхождения. Эйринг полагал, что число отражений от разных поверхностей с площадями S₁, S₂,... одинаково. В действительности вероятность числа отражений от данной поверхности тем больше, чем больше сама поверхность. На основании этих соображений Миллингтон вывел иную формулу для расчета времени реверберации:

 

где S_i - площадь материалов с коэффициентами поглощения a_i.

Недостаток формулы Миллингтона заключается в следующем: вычисленное значение времени реверберации получается равным нулю, если хотя бы один элемент преграды, как бы он ни был мал, имеет a_ср = 1. По-видимому, при выводе формулы было принято какое-то сомнительное допущение. Впрочем, парадоксального результата легко избежать, приняв, что ни один коэффициент поглощения не равен единице.

Практика показала, что для помещений с небольшим a_ср(театральные и концертные залы, учебные аудитории и т. п.) все три формулы дают одинаково удовлетворительный результат. Для помещений со средними коэффициентами затухания (например, студии) более близки к измеренным значения времени реверберации, рассчитанные по формуле Эйринга. Если материалы имеют сильно различающиеся a_i, а сами материалы распределены по поверхностям неравномерно, более близкими к измеренным получаются значения Т, рассчитанные по формуле Миллингтона. Используя названные формулы, необходимо принять те a, которые были рассчитаны с помощью этих же формул при обработке экспериментального материала, полученного в звукомерной камере. [ 1 ]

Рассмотрим волновую теорию акустических процессов. В статистической теории отзвук рассматривается как затухание последовательного ряда отраженных звуковых импульсов, излученных источником звука. Подразумевается, что форма импульсов, следовательно, и их спектр, заданные источником звука, при отражениях остаются неизменными. Такое представление вызвало сомнения принципиального характера: ведь замкнутый воздушный объем помещения, если его размеры соизмеримы с длиной волны или больше ее, следует рассматривать как колебательную систему с распределенными параметрами, которая обладает спектром собственных (резонансных) частот. После прекращения действия источника звука, поддерживающего вынужденные колебания воздуха в помещении, в системе совершаются только собственные колебания, они затухают по мере поглощения энергии. В явлении реверберации нет места остаточному колебательному процессу, навязанному ранее действием вынуждающей внешней силы; отзвук есть собственное затухающее колебание воздушного объема с частотами, зависящими от размеров и формы помещения.

Следовательно, сутью реверберации являются не многократные отражения, а постепенно затухающие собственные колебания объемного резонатора, не зависящие от внешних влияний.

Такой взгляд положен в основу волновой теории акустических процессов в помещении.

Акустику помещений с позиции волновых, колебательных процессов анализировали Дж. В. Стретт, Бейль, Курант, Шустер и Ветцман, Кнудсен, Морз и Болт и другие. Среди разработчиков волновой теории на территории бывшего СССР следует в первую очередь назвать И.Г. Дрейзена и В.В. Фурдуева.

Большинство инженеров полагают, что волновая теория основана на анализе действия объемных электромагнитных резонаторов. Действительно, в обеих теориях есть много общего, включая расчетные соотношения. Но волновую теорию реверберации начали разрабатывать еще в середине прошлого века, значительно раньше статистической. Просто в ее разработке продвинулись меньше, чем в статистической.

Идеи, положенные в основу волновой теории, были впервые высказаны Дж. В. Стреттом (лордом Релеем). В “Основах акустики”, изданных впервые в 1877 г., приводится необходимый математический аппарат, причем со ссылкой на решение волнового уравнения для трехмерного пространства, данного Дюамелем (Duhamel) в математическом журнале “LiouvilleJournalMath.”, том XIY, 1849. Дюамель вывел выражение для собственного периода 1/fo объемного резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором длина волны равна:

 

Отсюда

 

 

В приведенных выражениях l, b, h – линейные размеры, р, q, n – любые целые числа. В зависимости от значений коэффициентов р, q, n принята следующая классификация типов образующихся стоячих волн:

осевые, когда два из трех коэффициентов равны нулю,

касательные, когда один из коэффициентов равен нулю,

косые, когда ни один из коэффициентов не равен нулю.

Осевые волны отражаются только от одной пары противоположных параллельных преград (стен), касательные – от двух пар (т.е. устанавливаются в плоскости, параллельной третьей паре преград), косые – от всех пар преград. Для многих материалов коэффициенты поглощения зависят от угла падения волны на преграду. В связи с этим волны разных типов затухают с разной скоростью. Затухание получается наибольшим для косых волн и наименьшим для осевых. Поэтому, когда источник звука возбуждает колебания разных типов, то различные собственные колебания, даже с близкими частотами, будут затухать с неодинаковой скоростью. В результате кривая спада интенсивности звука не будет иметь регулярного вида, который предписывается статистической теорией. Крутизна спада уровня на разных стадиях отзвука будет различной, и тогда теряется определенный смысл самого понятия времени реверберации. Процесс спада будет складываться из разных частных процессов и значит не будет изображаться экспоненциальной кривой, а будет следовать ей лишь в среднем. На него будут накладываться небольшие флуктуации. Практика показывает, что наличие малых флуктуаций благоприятно сказывается на оценке качества звучания. Поэтому значение статистической теории не только не снижается, а, наоборот, приобретает новую опору в выводах волновой теории. Итак, в статистической теории ход спада интенсивности рассчитывается методами теории вероятности, “в среднем”, а флуктуации фактического спада относительно усредненной формы определяются методами волновой теории.

Из волновой теории вытекает, что помещения простой правильной геометрической формы менее удовлетворяют условию диффузности поля, чем помещения сложной геометрической формы с непараллельными стенами, косо поставленными плоскостями или выпуклыми поверхностями, углублениями в виде кессонов. Разумеется, линейные размеры этих поверхностей должны быть соизмеримы с длиной волны или быть больше ее.

Особенно выражены резонансы в помещениях с совпадающими линейными размерами. В этом случае совпадают резонансные частоты, обусловленные стоячими волнами в разных плоскостях. Наихудшим в акустическом отношении является помещение кубической формы, наилучшим – помещение, пропорции которого приближаются к "золотому сечению". Заключение, сделанное акустиками древности, нашло подтверждение в выводах волновой теории.

При всей разнице в подходах к объяснению акустических процессов в помещениях статистическая и волновая теории дополняют друг друга и потому в известной мере работают на практику совместно.

Принципиальное различие подходов к объяснению акустических процессов заключается в том, что в одном случае процесс отзвука рассматривается с помощью теории вероятностей усредненно, а в другом с волновых позиций определяются отклонения фактического хода процесса от "среднего".

Из оптики известно, что при уменьшении длины волны волновые законы приближаются к законам геометрической оптики. Точно так же в помещениях, размеры которых весьма велики по сравнению с длиной волны, можно пользоваться законами геометрической оптики, строить пути звуковых лучей, находить точки фокусов, определять запаздывание начальных отражений, т.е. использовать весь арсенал геометрической теории.[ 2 ]

Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики. Движение звуковых волн рассматривают подобно движению световых лучей. В соответствии с законами геометрической оптики при отражении от зеркальных поверхностей угол отражения b равен углу падения ά, и падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны.

Характер отражения зависит от формы отражающей поверхности. При отражении от плоской поверхности (рис.2, а) возникает мнимый источник И', место которого ощущается на слух подобно тому, как глаз видит мнимый источник света в зеркале. Отражение от вогнутой поверхности (рис.2, б) приводит к фокусировке лучей в точке И'. Выпуклые поверхности (колонны, пилястры, крупные лепные украшения, люстры) рассеивают звук (рис.2, в).

 

Рисунок 2 (а,б,в) Формы отражающей поверхности

 

Геометрическая теория более приложима к анализу акустических процессов в помещениях больших размеров - концертных и театральных залах, крупных студиях. Оптимальные размеры зала (студии) определяют на основе анализа начальных отражений. При проектировании больших помещений расчет времени реверберации может дать результат, значительно отличающийся от реального, и главное - эта величина не позволяет полностью оценить акустическое качество помещения. В такой оценке главную роль играют начальные отражения. Правильное временное соотношение начальных отражений обеспечивает высокое качество звучания даже тогда, когда время реверберации отличается от оптимального.

Три рассмотренные теории с разных сторон объясняют акустические процессы, происходящие в помещениях. Из них только одна - статистическая - позволяет определить численно важную величину, характеризующую акустические свойства помещения - время реверберации. Следует лишь сознательно, критически относиться к получаемой числовой оценке, понимать, что в большинстве случаев, особенно при рассмотрении крупных помещений, она носит ориентировочный характер.

По современным воззрениям принято разделять процесс отзвука, реверберации на две части: начальные, сравнительно редкие запаздывающие импульсы, и более уплотняющаяся во времени последовательность импульсов. Первую часть отзвука оценивают с позиций геометрической (лучевой) теории, вторую - с позиций статистической теории.

Статистическая и волновая теории особенно применимы к помещениям сравнительно малых размеров, например к студиям звукового вещания и аудиториям различного назначения. Результаты этих теорий как бы дополняют друг друга. Первая дает возможность оценить время реверберации, вторая - рассчитать спектр собственных (резонансных) частот, скорректировать размеры помещения так, чтобы спектр собственных частот в области нижних частот был более равномерным. [ 3 ]