Определение акустических свойств заглушённой комнаты

Условия неискажённой звукопередачи должны соответствовать условиям неограниченного пространства, к которым стремятся при объективных и субъективных испытаниях электроакустической аппаратуры и ряде других акустических измерений. В этом случае акустическое “свободное” (от отражений и помех) поле имеет очень простую структуру: от источника в любую точку поля приходит только одна прямая энергия, величина которой определяется свойствами источника и расстоянием до рассматриваемой точки. В естественных условиях такие поля, как правило, не встречаются из-за наличия одной, как минимум, отражающей поверхности (земли, пола …) и высокого уровня помех.

Значительное ослабление аддитивных (и мультипликативных) помех дости-гается в специальных помещениях с высокой степенью звукоизоляции. А условия, близкие к условиям свободного поля, более или менее обеспечиваются в так называемых заглушённых (безэховых) камерах. Все отражающие поверхности камер обрабатываются эффективным звукопоглощающим материалом так, что его энергетический коэффициент звукопоглощения , равный отношению интенсивности (энергии) поглощённого звука I_пог к интенсивности (энергии) падающего звука, т.е. [1]

, (4.1)

близок к единице в заданном диапазоне от низких до высоких частот звуковых колебаний.

Выполнение равенства (4.1) оказывается достаточно сложным, особенно на низких частотах, когда волновые процессы приобретают в основном мнимый характер и преобладает реактивная интерференция из-за высокой степени когерентности падающих и отражённых волн, особенно для гармонических сигналов. Это наиболее заметно при распространении звука в камере в виде параллелепипеда (трубы), где источник размещается в одной из торцевых стенок. Можно показать, что здесь модуль результирующего давления в точке на расстоянии x от источника, нормированное относительно давления в прямой (падающей волне), будет характеризоваться зависимостью [2]

, (4.2)

где – длина камеры; – волновое (фазовое) число (отношение угловой частоты к скорости звука ).

Как видно, результирующее давление из-за интерференции зависит от частоты, положения точки наблюдения, коэффициента звукопоглощения и в общем случае - направленности излучателей и приёмников. Интерференция в большей степени проявляется на низких частотах и на расстояниях, кратных ( – длина волны звука) от той или иной стенки.

Действительно, при , результирующее давление принимает максимальное значение:

, (4.3)

а при – ­ минимальное значение

, (4.4)

где n = 0, 1, 2, … - числа натурального ряда.

В случае использования режима распространения (и источника) шаровых волн, когда амплитуда давления будет зависеть от расстояния между источником и приёмником, значения максимумов и минимумов результирующего давления будут

и . (4.5)

Следовательно, зависимость давления от координаты усугубляется частотной зависимостью, которая характеризуется набором пиков и провалов, где разница в значениях давления будет исключительно определяться величиной . И только в идеальном случае при влияние интерференционных свойств помещения будет исключено. Кроме амплитудного ослабления за счёт , на результат интерференционного взаимодействия может оказать величина фазового угла используемых звукопоглощающих материалов. Последний, как обычно, определяется отношением реактивной и активной составляющих входного акустического сопротивления материала или конструкции. Независимость фазового угла от частоты обеспечивается выполнением звукопоглощающих материалов в виде клиновидных, конусных, треугольных и др. конструкций, когда приращение площади поперечного сечения, например, клина на единицу его длины является постоянной величиной. В практике строительства заглушённых камер в нашей стране получили распространение клиновидные конструкции из стекловолокна на фенольной связке типа КЗК.

Испытания заглушённых камер (комнат) сводятся к оценке звукового давления в результате существующего неполного поглощения звуковых волн поверхностями, ограничивающими данное помещение. Наиболее просто такую оценку можно получить методом перемещающегося микрофона [2]. В этом случае в качестве источника звука используется малогабаритный громкоговоритель (относительно длины излучаемых волн). Тогда можно сказать, что он излучает сферические волны, при которых звуковое давление убывает обратно пропорционально расстоянию r от источника звука, т.е.

, (4.6)

где P_а, F(θ ) и Ω _к – соответственно акустическая мощность, характеристика направленности и коэффициент осевой концентрации громкоговорителя; Ω _Т – телесный угол излучения.

При размещении микрофона на акустической оси громкоговорителя F(θ )=1, а Ω _Т зависит от положения громкоговорителя в помещении и принимает значения Ω _Т = 4π до Ω _Т = π / 2(для одного из трёхгранных углов помещения).

Зависимость (4.6) проверяется путём измерения синусоидального звукового давления с помощью измерительного микрофона, относительный уровень которого Nуменьшается на 6 дБ при каждом удвоении расстояния , т.е.

, (4.7)

где – уровень звука на расстоянии ; – уровень звука на расстоянии .

Отклонение от закона обратных квадратов (4.7), по существу, определяет качество заглушённой комнаты вследствие возникновения отражений от поверхности помещения при для заданной частоты колебаний, а также видом (фронтом) излучаемых громкоговорителем волн. Последнее проявляется на высоких частотах, когда коэффициент осевой концентрации, приближённо рассчитываемый по формуле Саваде [3],

(4.8)

становится больше единицы. В (4.8) – максимальный линейный размер источника в метрах, а – подставляется в килогерцах.

Нарушение отмеченного закона наблюдается и на низких частотах при использовании направленного излучателя или диполя, когда в результате акустического короткого замыкания нарушается сферичность волнового фронта излучения.

Дипольный эффект будет ослабляться с повышением частоты до тех пор, пока половина длины волны излучаемого звука не станет меньше расстояния между взаимодействующими элементами диполя.

3. Описание установки