Цель исследований
Чтобы установить, в какой степени акустические условия помещения могут обеспечить удовлетворительную слышимость речи и музыки, проводятся акустические исследования. Сюда входят объективная (с помощью измерительных инструментов) и субъективная оценка артикуляции, времени реверберации, громкости, распределения и качества работы звукоусилительной системы. Для проведения подобных исследований требуется инженер-акустик, знакомый как с действием аппаратуры, так и с теорией акустических измерений. Подобные исследования проводятся в валах, предназначенных для демонстрирования звуковых кинокартин, чтобы в случае необходимости можно было соответствующим образом скорректировать акустику. Иногда исследования требуются для утверждения технических условий, предъявляемых к акустике зала. Ниже приводится описание методов исследований и условий их применения.
Артикуляция
Одним из простейших исследований является измерение артикуляции, т. е. разборчивости речи. Диктор прочитывает с эстрады ряд специально подобранных слов, а наблюдатели в разных точках помещения записывают эти слова так, как они их расслышали. Этот метод, описание которого будет дано в настоящей статье, разработан Лабораторией Белла. Установка громкоговорителей обычно улучшает артикуляцию. Условия признаются удовлетворительными, если процент правильно записанных слов не ниже 80.Время реверберации. При заключении договоров на установку звукопоглощающих материалов в зале одним из главных условий является требование обусловленного времени реверберации при определенной частоте; допускаются отклонения до 5%, например 1,75+0,05 сек. при 512 колебаниях в секунду. Иногда требуемое время реверберации устанавливается для трех частот: 128, 512 и 2 048 колебаний в секунду, в соответствии с оптимальными величинами.
Время реверберации в помещении может быть определено при помощи быстродействующего самопишущего прибора, записывающего быстроту спадания уровня интенсивности звука, выраженного в децибелах. Рисунок 82 изображает подобную запись. Благодаря резонансу и интерференции звук замирает неравномерно, но повторные записи на одной и той же бумажной ленте дают усредненную величину спадания. Рисунок 83 изображает некоторые результаты, полученные при помощи этих записей. В этих экспериментах обычно употребляется «воющий тон», который уменьшает колебания громкости, вносимые резонансом и стоячими волнами. Воющий тон представляет собой звук, частота которого регулярно колеблется приблизительно на 10% в обе стороны от своего среднего значения, например в пределах 500±50 колебаний в секунду.
Рисунок 83. Акустические характеристики поглощающих материалов, полученные при помощи записей, подобных изображенной на рис. 82.
Громкость
Измерения громкости должны выполняться приборами, так как субъективная оценка ухом недостаточно надежна. Для этой цели служит измеритель уровня интенсивности звука, дающий показания, выраженные в децибелах, откуда, в случае необходимости, можно получить и громкость. Тип прибора должен позволять проводить как измерения, соответствующие слуховому ощущению, так и измерения, соответствующие фактическому уровню интенсивности. Например, при исследовании одного зала шум вентилятора почти не был слышен. Измерение его прибором со включенным «эквивалентом уха» дало уровень в 35 децибел. Между тем истинный уровень в физических единицах составлял 60 децибел. Таким образом, самые ценные сведения дает первый вид измерений, поскольку задачей исследования является проверка удовлетворительности условий для слушателей.
Уровень шумов в зале должен быть измерен в то время, когда исполнения не происходит. Если этот фон шумов превышает 40 децибел, то он мешает слушанию, и его источник должен быть обнаружен и, по возможности, устранен. Обычно таким источником оказываются вентиляционные устройства, звуки, доносящиеся из фойе, уличное движение и т. д.
Измерения должны, далее, установить уровень интенсивности речи и музыки; для удовлетворительной слышимости требуется уровень не меньше 50 децибел. В больших залах необходимы звукоусилительные устройства для обеспечения надлежащей громкости во всех частях помещения.
Распределение звука в зале. Распределение уровня интенсивности звука в зале должно быть совершенно равномерным. В статье об акустическом проектировании мы видели, что для выполнения этого требования необходимо согласование формы помещения с характером источника звука. Громкоговоритель более равномерно распределяет звук между рядами слушателей, чем естественный голос. Если требуется установить несколько громкоговорителей, то наиболее равномерное распределение получится при их близком расположении друг к другу, так как звуки, исходящие от двух отдаленных друг от друга громкоговорителей, интерферируют между собой, создавая неравномерность распределения звука в зале. Вдобавок, интерференция зависит еще и от частоты звука. Обычно измерение распределения звука производится шумомером, хотя некоторые данные можно получить и при субъективном наблюдении.
Артикуляционные тесты
Одним из самых прямых, интересных и поучительных способов исследования акустики помещений являются артикуляционные тесты, предложенные для оценки разборчивости речи. Хотя для получения точных результатов требуется, по крайней мере, месячная практика наблюдателей, однако достаточно правильную оценку акустических условий можно получить и с неопытными наблюдателями. Процедура наблюдений заключается в следующем: с эстрады прочитываются фразы, состоящие каждая из трех стандартных слов. В это время наблюдатели, размещенные в разных точках зала, записывают эти фразы так, как они их расслышали. После проверки определяется процент правильно записанных фраз. Слова, которые служат для проверки различимости гласных, все начинаются и кончаются одинаковыми или сходными согласными. Точно так же слова, служащие для проверки согласных, имеют одинаковые гласные. Это позволяет наблюдателю сосредоточить внимание на основном звуке и делает именно этот звук необходимым для понимания слова.
Проведение испытаний
Наблюдателям дается несколько минут для ознакомления со словами, служащими для испытания, после чего для практики производится предварительное испытание и только после этого — окончательное. Каждая фраза начинается с предварительных слов, вроде: «первое слово будет…». Эти предварительные слова подготовляют наблюдателя и, кроме того, создают начальный реверберационный эффект. После испытаний вычисляется значение vc2 для подстановки в уравнение Флетчера-Штейнберга:
где S — процент артикуляции, v — относительное число правильно услышанных гласных, а с — согласных. Так, например, если одно слово с гласной из 25 записано неправильно, то г>=24/25, или 0,96. Если из 50 слов с согласными было неправильно записано 5, то с=45/50, или 0,90. Таким образом, значение величины vc2 составит 0,96 х0,90 Х0,90=0,78. Если точность наблюдений гарантируется, то это значение и следует подставить в вышеприведенное уравнение. Упрощенной формулой S = 100 vc2 пользуются в случаях малой точности измерений (неопытные наблюдатели), когда ошибки опыта превосходят погрешность замены точной формулы приближенной. Если желательна все же большая точность, то во избежание длинных вычислений можно пользоваться нижеследующей табличкой:
| Значение vс2 | Для получения S/100 следует вычесть из vс2 следующую величину: |
| 0,00—0,05 | 0,00 |
| 0,05—0,16 | 0,01 |
| 0,17—0,29 | 0,02 |
| 0,30—0,47 | 0,03 |
| 0,48—0,79 | 0,04 |
| 0,80—0,90 | 0,03 |
| 0,91—0,95 | 0,02 |
| 0,96—0,99 | 0,01 |
| 1,00 | 0,00 |
Рассмотрим следующий пример: пусть величина vc2 оказалась равной 0,35, т. е. лежит между 0,30 и 0,47; в таком случае
S = (0,35 — 0,03) 100 = 32.
Описанные тесты широко применяются также и при изучении тугоухости.
Согласно Кнудсену, применившему эти тесты в архитектурной акустике, интерпретация получаемых данных сводится к следующему:
Если артикуляция достигает 85% и выше, условия слышимости очень хороши.
Если артикуляция достигает 75%, условия удовлетворительны, но требуется повышенное внимание.
Если артикуляция равна 65%, условия слышимости еще приемлемы, но слушание весьма утомительно.
Если артикуляция ниже 65%, условия неудовлетворительны.
Рисунок 84. График для определения процента артикуляции по наблюдениям над разборчивостью отдельных фраз.
Эти выводы практически применяются в предположении, что условия громкости и реверберации приемлемы, а посторонние шумы и концентрации звука отсутствуют. В случае невыполнения этих условий вводятся поправочные коэффициенты согласно графикам. В залах с очень плохими акустическими условиями Флетчер и Штейнберг рекомендуют прочитывать для испытания ряд отдельных предложений, смысл которых улавливается легче, чем значение изолированных слов. Величина артикуляции берется затем по кривой (рис. 84), дающей соотношение между разборчивостью предложений и слоговой артикуляцией S. При этих испытаниях наблюдатель не записывает произнесенного предложения, а только отмечает, разобрал он его или нет, ставя, например, крестик каждый раз, когда не понял сказанного. Например, если он не понял 5 предложений из 50, он ставит 5 крестиков и замечает, таким образом, что процент правильного восприятия составляет 90. Согласно (рис. 84), 90% разобранных отдельных предложений соответствуют значению артикуляции S, равному лишь 32%. Отсюда легко видеть, что испытания методом слоговой артикуляции дают гораздо более строгую оценку акустических условий, чем методом целых предложений.
Акустические требования, предъявляемые к валам и звукоусилительным устройствам. С появлением звукового кино и звукоусиления возник ряд новых акустических проблем. Вскоре обнаружилось, что практически все существующие театры и залы имеют слишком большую реверберацию, препятствующую удовлетворительному воспроизведению звука. Пришлось добиваться уменьшения времени реверберации, и в связи с этим значительно расширилось применение звукопоглощающих материалов. Большое значение получил выбор формы задней стены помещения и ее звукопоглощающего покрытия, которое должно ослаблять эффект отражения мощных звуковых пучков, направляемых на эту стену громкоговорителями. Эти новые проблемы потребовали разработки определенных технических условий на оборудование и материалы. В настоящее время происходит изучение вопроса, но общих стандартов пока нет.
Хотя подробные технические условия на акустику помещений до сих пор еще не уточнены (как, скажем, уточнены технические условия на акустическую аппаратуру), основные требования в этом отношении все же можно указать:
- С помощью оборудования помещения звукопоглощающими материалами должно быть получено оптимальное время реверберации.
- Форма и расположение поверхностей помещения должны исключать возможность создания заметного эхо, концентрации звука или мертвых зон.
- Система звукоусиления должна обеспечивать требуемый уровень интенсивности во всех частях зала в пределах заданной области частот
- Уровень помех системы не должен превышать определенной величины; Всевозможные искажения системы не должны превышать определенного процента по всей указанной области частот при заданной интенсивности;
- Система должна обеспечивать заданную минимальную артикуляцию при определенном уровне шумов;
- Отклонения от равномерности распределения звука в зале не должны превышать определенной величины по всей заданной области частот.
- Микрофоны должны удовлетворять определенным требованиям, например, в отношении допустимого уровня шума и в отношении характеристики направленности.
Пример артикуляционного теста
АРТИКУЛЯЦИОННАЯ СЛОГОВАЯ ТАБЛИЦА)
| пац | тик (у) | глет | блюл |
| боч | доф (в) | прец | псор |
| кос (з) | сип (б) | шрип | стир |
| гож | зук | сляф | штос |
| сос | цаф | шлеп (б) | ленк |
| таш | моп | влюф (в) | тинк |
| нес | чач | спок (г) | гефт |
| вич | неф | сит | суфт |
| лец | веп (б) | стеф | наст |
| джес (з) | лят (д) | штук | куст |
| яц | ник | трос | борф |
| пум | раф (в) | грич | шире |
| фар | шуф | брес (в) | чест |
| туль | дшок (г) | клюш | лрафт |
| лен | чит | плос | клефт |
| зем | бри к | флюч | шлинк |
| цин | треф | шрос (з) | бренк |
| мур | друп | клиц | флюст |
| руль | фрат (д) | спаш | грает |
| шом | крут | крем | прурс |
| бек | грок (г) | грал | слерс |
| фиф | плит (д) | флен | стирс |
| кип | плеп (б) | трир | псефт |
| гут | фляп (б) | шлем | строк |
| хат (д) | клик | слян | стриль |