Введение. Реверберация, или продление звучания, является наиболее обычным акустическим недостатком залов. Общеизвестно, что сильная реверберация пустых комнат исчезает после их меблировки. Точно так же реверберация зала значительно уменьшится, если расставить в нем ряды кресел и оборудовать его достаточным количеством поглощающих материалов. Для объяснения этого уменьшения посмотрим, что будет происходить со звуком. Звуковая энергия, как вообще всякая энергия, не может уничтожиться, но она может превратиться в какую-либо другую форму энергии, которая уже не будет звуковой. Например, энергия звуковых волн, падающих на стены помещения, может превратиться в механическую энергию колебания стен. Большая часть энергии, согласно лорду Рэлею *), превращается, благодаря вязкости воздуха, в тепло. Так, звук высокого тона, например свист, ослабляется и замирает, пройдя расстояние всего лишь около 60 м. При рассмотрении акустики залов это явление обычно не учитывают для звуков ниже примерно 2 000 колебаний в секунду. При отражении звуковых волн от стен помещения имеет место трение между частицами воздуха и стеной, но количество теряемой при этом энергии мало, если стены гладки и тверды. Совсем другое происходит, если поверхность пористая, так как трение в порах также превращает энергию звука в тепло. В связи с этим Лэмб пишет «В достаточно узкой трубке волны быстро замирают, причем механическая энергия превращается, конечно, в тепловую… Мельчайшие отверстия в тканях драпировок и занавесей действуют таким же образом, и этой-то причине надо приписать действие драпировок и занавесей, заглушающих эхо, так как известная часть энергии теряется при каждом отражении».
Всякое механическое рассеяние звуковых волн, будь оно вызвано рельефной отделкой стен, препятствиями или звуковыми отражателями, не может заметно уменьшить энергию звука. Оно может нарушить правильность отражений и ослабить эхо, но звуковая энергия, как таковая, исчезает только при наличии трения.
Следующая цитата из Рэлея подтверждает это заключение. «В больших помещениях, ограниченных непористыми стенами, потолком и полом и имеющих мало окон, продолжительный резонанс, по-видимому, неизбежен. Заглушающее влияние толстых ковров в подобных случаях широко известно. Применение подобного материала для стен и потолка, по-видимому, представляет наилучший путь к дальнейшему усовершенствованию».
Работы Сэбина по исправлению акустических свойств залов. Сэбин проделал ряд весьма важных опытов по ослаблению реверберации в залах под действием звукопоглощения ковров, занавесей, гардеробных комнат и т. д. На основании этих опытов он вывел уравнение t=0,162V/aS здесь t — время реверберации, или среднее время, за которое энергия звука в помещении спадет до одной миллионной своей первоначальной величины; V — объем комнаты в м3; множитель 0,162 определяет спадание уровня интенсивности звука на 60 децибел; aS — полное поглощение звука помещением (здесь а — средний коэффициент поглощения, a S — общая площадь всей поверхности помещения, выраженная в м2). При расчете реверберации величина aS получается путем суммирования величин поглощения различных материалов помещения, т. е. aS=a1S1 (штукатурка)+ а2S2(дерево)+a3S3 (ковер) и т. д.
Единица поглощения носит название сэбин. Величина поглощения в сэбинах получается умножением площади поглощающей поверхности на коэффициент поглощения.
Пример исправления реверберации
Рассмотрим некоторое реальное помещение длиной 23,3 м, шириной 18,3 м и высотой 5,4 м. Объем его будет равен 2 300 м3. Предположим, что пол в помещении деревянный, стены и потолок оштукатурены; пусть, кроме того, установлено 550 деревянных кресел. Поглощение отдельными поверхностями помещения и общее поглощение вычисляются следующим образом:
| Площадь в м2 (S) | Коэффициент поглощения (а) | Поглощение в сэбинах отдельных элементов аS | Общее | |
| Дерево | 645 | 0,03 | 19,35 | |
| Штукатурка | 692 | 0,033 | 22,90 | — |
| Металл | 58,5 | 0,01 | 0,59 | — |
| Стекло | 38,0 | 0,025 | 0,95 | — |
| Кресла | 550 шт. | 0,016 | 8,80 | — |
| Итого | 52,59 = 52,6 | — | ||
| 100 слушателей | — | По 0,386—0,016 на одного человека | 37 | 89,6 |
| 200 | — | То же | 74 | 126,6 |
| 300 | — | То же | 111 | 163,6 |
| 400 | То же | 148 | 200,6 | |
| 550 | То же | 203,5 | 256,1 |
1) Учитывается только разница между поглощением от слушателя и от занимаемого им кресла. Поглощение от одного человека колеблется обычно от 0,27 до 0,4 в зависимости от его одежды и типа кресел.
Позднее мы покажем, что коэффициенты поглощения различны для различных частот. Мы видим, что звукопоглощение для различных веществ различно. Каждый квадратный метр дерева поглощает 0,03 сэбина, или 3% падающей на него звуковой энергии, так что площадь в 645 м2 поглощает 19,35 сэбина. Штукатурка поглощает немного больше, чем дерево, поглощение же металлами и стеклом сравнительно незначительно. Общее поглощение всеми материалами пустого помещения равняется 52,59 сэбина, или, в круглых цифрах, 52,6 сэбина. Существенно участвуют в поглощении сами слушатели, благодаря их одежде. Ниже приводится время реверберации, вычисленное по формуле t=0,162 V/aS, для пустого помещения и в присутствии различного количества слушателей.
| Число слушателей | Время реверберации в сек. |
| Пустой зал | 0,162X2300/ 52,6 = 7,1 |
| 100 слушателей | 0,162×2300/ 89,6=4,2 |
| 200 » | 0,162×2300/126,6=2,9 |
| 300 » | 0,162×2300/163,6 = 2,3 |
| 400 » | 0,162×2300/200,6 = 1,9 |
| 550 » | 0,162×2300/256,1 = 1,5 |
Таким образом, время реверберации колеблется от 7,1 сек. для пустого помещения до 1,5 сек. при наличии максимального количества публики. Это увеличение поглощения надо отнести за счет одежды слушателей. Однако все эти промежутки времени слишком продолжительны для хорошей акустики помещения, и необходимо оборудовать его поглощающими материалами для того, чтобы «приглушить» его, уменьшив реверберацию. Фактическое количество необходимого для этого поглощающего материала определяется временем реверберации при оптимальных условиях. Для помещения объемом в 2 300 м3 время определяется из рис. 34 и равняется, при наличии среднего количества публики, 1.3 сек. Поглощение, которое надо добавить, чтобы получить это время, высчитывается следующим образом: а?=0,162X2300/1,3=286 сэбин. Поскольку поглощение в пустом помещении равно 52,6 сэбина, а среднее количество публики порядка 200 человек вносит поглощение равное 74 сэбинам, то недостающее поглощение составляет 159,4 сэбина.
Добавив соответственное количество поглощающего материала, получим, что поглощение пустым помещением равно 212 сэбинам. Отсюда снова можно вычислить время реверберации при наличии слушателей:
| Число слушателей | Время реверберации в сек. |
| Пустой зал | 0,162×2300/212 =1,8 |
| 200 слушателей (оптимум) | 0,162×2300/286 =1,3 |
| 400 | 0,162×2300/360 =1,0 |
| 550 | 0,162×2300/415,5 = 0,9 |
Нужно отметить, что наличие публики оказывает теперь лишь незначительное влияние на реверберацию (сравнительно с помещением с неисправленной акустикой). Площадь добавочных материалов, дающих поглощение 159,4 сэбина, найдем, разделив 159,4 на коэффициент поглощения используемого материала. Одним из этапов расчета является вычисление этой площади для трех разных материалов с коэффициентами поглощения 0.40, 0,60, 0,80:
| Коэффициент поглощения а | Площадь Устанавливаемых материалов 159,4/a м2 |
| 0,40 | 398 |
| 0,60 | 266 |
| 0,80 | 199 |
Рисунок 32. График зависимости времени реверберации в зале от наличия публики до и после исправления акустики.
Первоначальное состояние помещения: сильный гул при малом заполнении зала. Условия улучшаются только при полном зале за счет поглощения звука одеждой. Поэтому необходимо оборудовать помещение поглощающими материалами. После исправления достигнута практическая независимость времени реверберации от количества публики.
Следующий шаг в исправлении акустики помещений заключается в выборе наиболее эффективного расположения поглощающих материалов. В рассматриваемом зале, благодаря небольшой высоте и, соответственно, малой поверхности боковых стен, логически как будто следует расположить этот материал на потолке. Позднее мы подробнее остановимся на этом весьма существенном пункте. Например, в залах с высоким потолком совершенно необходимо обрабатывать боковые стены. В рассматриваемом зале род выбираемого материала зависит от площади поверхности, допускающей обработку. Поскольку площадь потолка составляет 23,3X18,3=426 м2, то наиболее простым решением является применение материала с коэффициентом 0,40, требующим поверхности в 398 м2. Но для того, чтобы покрыть весь потолок, придется дополнительно ввести 28 м2 поглощающего материала. Это потребует несколько большего количества материала, чем необходимо, но, здесь допустима некоторая «терпимость».
Исправление акустики рассматриваемого нами зала отображено на рис. 32, показывающей влияние числа слушателей на время реверберации в помещении до и после исправления акустики.