На нашу жизнь оказывает сильное влияние непонятная многим вещь – акустика помещений. В разных помещениях мы бываем ежедненевно. Акустика изучает, как в них распространяется звук. Давайте поймём, в чём же состоит влияние этого раздела физики.

Важность проблемы.

Определённые, очень специфические акустические условия могут даже свести с ума. Я говорю о безэховой камере, о ней я ранее писал заметку.

Что насчёт мест, где мы бываем каждый день? Рассмотрим школьные классы. Доказано, что благоприятная акустика помещений улучшает распознаваемость речи, когнитивные навыки, чтение. Неблагоприятная акустическая обстановка ухудшает эти навыки и даже приводит к плохому самочувствию, головной боли, раздражению, агрессии[1]. Я говорю о классах потому, что особенно это касается детей и их образования. Они отвлекаются на шум с улицы или из коридора, плохо слышат учителя из-за эха. Всё это влияет на их знания и успеваемость. Также доказано, что учителям легче преподавать в классе, где акустика скорректирована: вплоть до снижения пульса по сравнению с обычной классной комнатой[2].

То же справедливо и в других сферах. Плохая акустика в офисе не будет способствовать продуктивному труду. Понятно, что вам будет труднее сосредоточиться, если вы будете явно слышать разговор коллег в другом конце комнаты. Шумные офисы часто выматывают не меньше, чем сама работа. Они могут заставить ценить тишину.

Акустика помещений для музыкантов – вообще отдельный разговор. Ясно, что для них она важна в особенности. Акустическое пространство является «естественной средой обитания» для музыкального искусства. Концертные залы имеют для него основополагающее значение.[3] Для записи современной музыки используются студии. В них акустика также чрезвычайно важна.[4] Плохая акустика в залах и студиях приведёт к тому, что живая музыка будет звучать «плоско», а записанные дорожки будут загублены.

Тема важна, но почти не освещается, или освещается некорректно. В некоторых профильных вузах преподаватели рассказывают о ней с неохотой. В разных странах есть стандарты акустики (например, британский Building Bulletin 93 для школ), но их соблюдение контролируется нечасто. В России есть такой стандарт для различных залов (спортивных, концертных)[5], но для других помещений их нет.

Понятия.

Из чего вообще состоит акустика помещений? Пройдёмся по основным терминам.

Как и любая волна, звук имеет свойство отражаться. Любая твёрдая поверхность заставит его это сделать.

Отражение звуковой волны от стены.
Рисунок 1. Отражение звуковой волны от стены.

Когда звук отражается от всех стен комнаты, появляется реверберация. Из-за неё он не затихает какое-то время после издания. Он потухнет, лишь когда полностью потратит свою энергию на распространение и отражения.[6]

Когда изучается акустика помещений, именно реверберация — её ключевой элемент. Она исследуется в научных статьях и на неё ориентируются в нормативных документах.

В любом подъезде можно услышать этот эффект. Есть он и во всех других помещениях, хотя и не так хорошо слышен.

На рисунке ниже показаны формы волн двух одинаковых звуков, но верхний – «чистый», а нижний – обработан реверберацией.

Реверберация. Акустика помещений
Рисунок 2.

В статье мы будем говорить о звукоизоляции и звукопоглощении. Эти понятия важно различать. Они значат разное и по-разному воплощаются на практике. Звукоизоляция мешает проникновению звуков внутрь и наружу помещения. Звукопоглощение же мешает звуку отражаться внутри помещения. [7]

Звукопоглощение
Рисунок 3.

Факторы реверберации, её влияние.

Ясно, что реверберация сопровождает нас очень давно и повсюду. Мы привыкли к ней и воспринимать звук без неё крайне необычно. Один из редакторов «Стройки века» даже сказал, что ощущения от нахождения в безэховой камере напоминают симптомы панической атаки.

Интересное мнение о том, насколько мы привыкли к реверберации, высказывает Мишель Шион, автор книги «Звук. Слушать, слышать, наблюдать». Он пишет, что мы привыкаем к ней ещё до рождения: «Голос, который он (ребёнок) слышит, кажется ему обволакивающим и продолжающимся в отражениях, которые он вызывает в пространстве… Это, возможно, объясняет, почему когда мы слышим реверберирующий голос в церкви, в пещере, в конкретной музыке, у нас создается впечатление архаики, возвращения к истокам. Младенец, которым мы когда-то были, еще не различал прямой звук и его отражение и слышал его как некое обширное эхо». Другие исследователи соглашаются с тем, что реверберация создаёт очень необычный эффект благоговения.[8]

Так или иначе, можно сказать, что акустика помещений — неотъемлемая часть нашей жизни, и реверберацию мы слышим каждый день.

Такая вездесущность заставляет исследовать факторы реверберации, а также подробнее рассмотреть её влияние.

Факторы.

Каковы же факторы реверберации?

  1. Громкость. Самое очевидное: чем громче звук, тем дольше он звучит, так как несёт больше энергии.[8]
  2. Звукопоглощение. Гладкие, шлифованные стены из бетона и кирпича очень плохо поглощают звук. Дерево даёт звукопоглощение получше. Ещё сильнее поглощают звук ковры, шторы, мягкая мебель. Наконец, специализированные акустические панели справляются с реверберацией лучше всех. Их используют в звукозаписывающих студиях и безэховых камерах.[10]
  3. Объём. Существует несложная формула, позволяющая рассчитать время реверберации в помещении, зная его объём. Её эмпирически вывел Уоллес Сэбин, основатель архитектурной акустики. Выглядит она так:
T=\frac{0.161V}{A},

 где V – объём помещения, A – общее звукопоглощение.

  1. Высота звука. На низких частотах молекулы воздуха по определению вибрируют реже и теряют меньше энергии. Это значит, что низкие звуки будут звучать дольше, чем высокие. Это ярко проявляется в больших гулких залах и помещениях (тех же подъездах). Кроме того, у каждого материала для разных частот есть собственный коэффициент звукопоглощения. Чем больше этот коэффициент – тем больше звука поглощает материал. Его умножают на площадь и подставляют в формулу Сэбина. Это и есть величина . [9]
  2. Рассеяние звука. Оно происходит, когда звук отражается от неровной, шероховатой поверхности — диффузора. В таком случае его интенсивность уменьшается. Это приводит к снижению реверберации, так как звук просто теряет энергию, необходимую для дальнейших отражений.[6] Процесс показан на рисунке.
Рассеяние звука
Рисунок 4.

Есть и другие факторы. Например, температура и влажность в помещении.[11]

Влияние.

Здесь я расскажу о том, какие акустические механизмы влияют на нас. Также я отвечу на поставленный выше вопрос: что такое «хорошая» акустика помещений и чем она отличается от «плохой».

Ранние и поздние отражения.

Реверберацию можно разделить на ранние и поздние отражения. Ранние отражения звучат в течение 40-45 мс с момента издания звука. Остальные отражения называются поздними. Обычно ранние отражения успевают «отскочить» от стены лишь единожды, тогда как поздние – два или более раза.

Ранние и поздние отражения наглядно. Акустика помещений
Рисунок 5.

Оказывается, что ранние отражения полезны для восприятия речи, а поздние – вредны.

Всё дело в том, что наш слух не способен услышать разницы между схожими звуками, если они прозвучали почти одновременно. «Чистый» звук и его отражение, пришедшее в ухо спустя 45 мс, мы воспримем как единый звук. В этом случае он лишь усилится. Улучшится восприятие речи, её читаемость. В аудитории говорящий сможет поддерживать спокойный голос. Он не будет думать о том, слышно его или нет. Всё это позволит сконцентрироваться на предмете рассказа и не отвлекаться. [12]

Ниже на рисунке показано, как ранние отражения влияют на звук. Сверху – форма волны чистой записи, снизу – обработанная ранними отражениями. Видно, что формы волн почти не изменяются.

Ранние отражения
Рисунок 6.

По-иному дело обстоит с поздними отражениями. Они могут интенсивно звучать задолго после издания звука. Это приводит к тому, что отдельные слоги в речи накладываются друг на друга, что затрудняет восприятие речи. Особенно это касается задних рядов класса или аудитории, которые слышат в основном отражённый звук. Добавьте к этому фоновый шум, пришедший из-за плохой звукоизоляции, и обстановка в комнате станет неблагоприятной и некомфортной. Говорящему придётся напрягаться, повышать голос, изменять речь. Иначе его могут не услышать. В науке это называется «эффект Ломбарда».[12][13]

Из рисунка ниже видно, как поздние отражения влияют на звук. Светлым выделены моменты, где волны отличаются особенно сильно.

Поздние отражения
Рисунок 7.

Идеальная акустика помещений.

Ясно, что полностью избежать реверберации не получится. Это требовало бы отсутствия помещения вовсе или огромных расходов, а также больших неудобств. Такой радикальный подход и не нужен. Ранее мы уже поняли, что ранние отражения только помогают усвоить информацию. Описан случай, когда учителя жаловались на плохую акустику в классах, несмотря на акустическую коррекцию. Всё дело было в малом количестве ранних отражений.[14]

С возрастом у человека нарабатывается навык верно воспринимать речь, несмотря на акустические условия в помещении. Именно поэтому хорошая акустика помещений важна прежде всего детям. Однако её влияние заметно и у взрослых, особенно у пожилых и у имеющих проблемы со слухом.[15][16]

Было установлено, что идеальное время реверберации для учебных помещений составляет 600 мс для всех возрастов. Такое время позволяет полностью раскрыться ранним отражениям. Также оно делает поздние достаточно тихими, чтобы не мешать. Такой баланс делает длительность в 600 мс хорошо подходящей и для других помещений: офисы, коридоры.

Почему именно 600 мс – идеал? Оказывается, что дети до 10 лет при повышении времени с 0,6 до 0,8 с в среднем понимают речь хуже на 9,1%. Похожие тенденции наблюдаются и у взрослых. В целом, если повысить время реверберации с 0,6 до 1 с (вполне реальное время для класса школы), восприятие речи у старших ухудшится на 9,3%, и на 9,4% у детей. Подробнее на это можно посмотреть на рисунке ниже. [17]

Падение восприятия речи в зависимости от реверберации. Акустика помещений и её влияние.
Рисунок 8.

Конечно, дело обстоит совсем по-другому в случае оперных театров и других концертных залов. Время реверберации у залов для органной музыки может доходить до 2,5 с. Здесь масса нюансов. Длинные «хвосты» нужны для опер Вагнера или симфоний Малера – образцы романтизма. Быстрые пассажи Баха и Моцарта требуют уже меньшей реверберации.[18] Постройка акустически совершенных залов – сложное инженерное искусство.

А когда речь заходит об акустике студий звукозаписи, 600 мс оказываются, напротив, слишком длинной реверберацией. Её сокращают искусственно с помощью панелей, строят специальные комнаты для записи и прослушивания. Значения реверберации там – 200-300 мс.[4] Это нужно для того, чтобы записать «чистую» дорожку. Такой звук подойдёт для подкаста или радиопередачи. Голоса будут ясно и чётко различимы.

Музыканты же часто добавляют реверберацию потом, на обработке. Это делается в творческих целях. Существуют целые жанры, построенные на этом эффекте, например эмбиент.

Мы пришли к тому, что хорошая акустика помещений – очень растяжимое понятие. Для обучения необходима одна акустика, совсем другая – для музыки. Это и есть моя главная мысль, которую я хотел донести. При этом, многие помещения часто бывают далеки от своего идеала, продиктованного их целью. Это выявила серия экспериментов, которую я поставил в своей школе. Из 18 измеренных классов только в 4 реверберация была в районе 600 мс. В самых неблагоприятных классах она вышла 1,4 с. Это сравнимо уже с акустикой в коридорах.

Что со всем этим делать?

Достаточно трудно найти дешёвые решения акустических проблем. Конечно, наилучший вариант – профессиональная коррекция акустики помещения. Одно плохо – это также и самый дорогой вариант. Поговорим о чём-то подешевле и поинтереснее.

Стоит вспомнить о явлении рассеяния звука. Если звук будет не отражаться, а рассеиваться от стен, то на реверберацию не останется энергии. Книги в шкафах – неплохой способ создать неоднородную поверхность диффузора. О том, насколько это эффективно в поглощении/рассеивании звука, ведутся дискуссии. Ясно, что они будут хуже, чем точно спроектированные диффузоры, но и разница в цене между ними велика. Научных исследований по этой теме я не нашёл.

ЛДСП, из которого сделана мебель – материал с гладкой поверхностью, который хорошо отражает звук. Лучше пользоваться открытыми шкафами без дверец, где это возможно.

Стулья с мягкими сидениями не только более удобны, но и полезны акустически: мягкая мебель ощутимо влияет на звукопоглощение.[19]

Шторы, при относительной дешевизне, достаточно сильно улучшат акустику. Стёкла окон отражают большую часть звука. Поэтому с точки зрения акустики их лучше закрывать их шторами. От этого улучшится и звукоизоляция: в комнату будет проникать меньше шума с улицы.

Растения – хорошие помехи на пути звука. Иногда делают целые вертикальные сады, которые неплохо справляются с поглощением звука.[20] Они показаны на рисунке ниже. Это наталкивает на мысль, что обычные деревья и комнатные цветы также смогут улучшить акустику. Некоторые учёные считают, что акустика лесов очень хороша для учёбы[21].

Вертикальные сады
Рисунок 9. Вертикальные сады в помещении.

Звук отражается и от пола, особенно от кафельной плитки. Хорошей альтернативой было бы ковролиновое покрытие. Оно обеспечит достойные звукоизоляцию и звукопоглощение.

Интересно дело обстоит с потолками. Они, особенно гладкие, являются сильнейшими отражателями. Лучше, если потолок шершавый – так больше звука будет рассеиваться. Шершавость можно разумно контролировать. Предложен вид потолочного покрытия, который даёт отражения только в близости от источника звука. Развитие такого покрытия – «коробчатая конструкция», деление потолка на зоны, под которыми смогут собираться люди и разговаривать. От потолка будут отражаться голоса только тех, кто стоит под «коробкой», причём непосредственно вниз, к собеседникам. Всё это показано ниже на рисунках. [22]

Акустика в помещении с гладким потолком
Рисунок 10. Отражения звука от гладкого потолка.
Акустика в помещении с шершавым потолком
Рисунок 11. Отражения звука от шершавого потолка.
Контролируемая шершавость
Рисунок 12. «Контролируемая шершавость»
Коробчатая конструкция в акустике
Рисунок 13. «Коробчатая конструкция»

 «Коробчатая конструкция» хорошо подойдёт для коридоров и офисов. В группах станет легче вести диалог, поэтому общий шум в помещении снизится. Конечно, так в нём станет гораздо комфортнее.

Другой шаг к индивидуальным акустическим условиям – специальные навесы со звукопоглощающим материалом над каждым местом в классе. В исследовании зависимости от ситуации эти навесы предполагается открывать и закрывать.[23] Стоит признать, что до таких нововведений нашим классам ещё далеко.

Альтернатива этим подходам — плиты звукопоглощения на стенах и потолке. Они действуют прямо и просто – поглощают звук и снижают реверберацию. Вопрос только в их цене. Пример их оформления в интерьере показан на рисунке.

Акустика помещений и пример её улучшения
Рисунок 14.

Подытожим! Акустика помещений влияет на нас ежедневно и достаточно сильно. Она зависит от разных вещей, которыми мы можем управлять для её улучшения. Как именно нужно её улучшать, зависит от того, зачем используется помещение. Профессиональная коррекция — это дорогое мероприятие, но есть и доступные варианты. К ним относятся ковры, шторы и даже комнатные цветы.

Приглашаю вас к обсуждению прочитанного в комментарии. До встречи там и в других статьях.

Список источников.

  1. Minelli G., Puglisi G.E., Astolfi A. Acoustical parameters for learning in classroom: A review // Building and Environment. 2022. Vol. 48.
  2. Tiesler G., Machner R., Brokmann H. Classroom Acoustics and Impact on Health and Social Behaviour. // Energy Procedia. 2015 Nov. Vol. 78. P. 3108-3113. doi:10.1016/j.egypro.2015.11.765
  3. Тимофеев А.А. ПРОСТРАНСТВЕННОСТЬ В АКАДЕМИЧЕСКОМ МУЗЫКАЛЬНОМ ИСПОЛНИТЕЛЬСТВЕ В КОНТЕКСТЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. // Вестник Академии русского балета им. А. Я. Вагановой. 2022. №1 (78). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prostranstvennost-v-akademicheskom-muzykalnom-ispolnitelstve-v-kontekste-sovremennyh-tehnologiy (дата обращения: 16.04.2024).
  4. Панфилов А.П., Тиганов Р.Е., Ведищева В.М. Оптимизация параметров акустического поля для малогабаритной студии звукозаписи // Вестник ИШ ДВФУ. 2022. №1 (50). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-parametrov-akusticheskogo-polya-dlya-malogabaritnoy-studii-zvukozapisi (дата обращения: 16.04.2024).
  5. СНиП 23-03-2003: Защита от шума.
  6. Физический энциклопедический словарь; Физическая энциклопедия [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия.
  7. Осипов Г.Л., Бобылев В.Н. Звукоизоляция и звукопоглощение. / М.: АСТ, 2004.
  8. Кокс Т. Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес. / Пер. с англ. Ю.Я. Гольдберга. Азбука-Аттикус, 2018.
  9. ГОСТ Р ЕН 12354- 6- 2012. Акустика зданий. Методы расчёта акустических характеристик зданий по характеристикам их элементов. Часть 6. Звукопоглощение в закрытых пространствах.
  10. Parker B. Good Vibrations: The Physics of Music. / JHU Press, 2009.
  11. Nowoswiat A. Impact of Temperature and Relative Humidity on Reverberation Time in a Reverberation Room. // Special Issue Acoustics of Buildings. 2022. doi:10.3390/buildings12081282
  12. Noxon A. Auditorium Acoustics 102: Reflections Make All the Difference [Электронный ресурс] // Acoustic Sciences Corporation. URL: https://www.acousticsciences.com/asc-articles/auditorium-acoustics-102-reflections-make-all-the-difference/ (дата обращения: 07.03.2024)
  13. Zolinger S.A., Brumm H. The Lombard effect. // Current Biology. 2011 Aug. Vol.21. Issue 16. doi:10.1016/j.cub.2011.06.003
  14. Christensson J. Good acoustics for teaching and learning. [Электронный ресурс] // Ljudskolan. 2018 May. URL: https://www.ljudskolan.se/wp-content/uploads/2018/05/Good-acoustics-for-teaching-and-learning-1.pdf (дата обращения: 08.04.2024)
  15. Hu Y., Kokkinakis K. Effects of early and late reflections on intelligibility of reverberated speech by cochlear implant listeners. // J Acoust Soc Am. 2014 Jan. Vol. 135. Is. 1. doi:10.1121/1.4834455
  16. Lee S.-M., Park C.-J., Haan C.-H. Investigation of the Appropriate Reverberation Time in Learning Spaces for Elderly People Using Speech Intelligibility Tests. // Special Issue Acoustics of Buildings. 2022. doi:10.3390/buildings12111943
  17. Jo A.-H., Park C.-J., Haan C.-H. Investigation of the Appropriate Reverberation Time for Lower-Grade Elementary School Classrooms Using Speech Intelligibility Tests. // Special Issue Acoustics of Buildings. 2022. doi:10.3390/buildings12060808
  18. Berg R.E. Reverberation time [Электронный ресурс] // Britannica. URL: https://www.britannica.com/science/acoustics/Reverberation-time (дата обращения: 07.03.2024)
  19. Чебанов А.Д. Приближенная оценка времени реверберации для залов различного функционального назначения. / М.: МАРХИ, 2012.
  20. Azkorra Z et al. Evaluation of green walls as a passive acoustic insulation system for buildings. // Applied Acoustics. 2015 Mar. Vol. 89. P. 46-56. doi:10.1016/j.apacoust.2014.09.010
  21. Christensson J. Speech Intelligibility in Swedish Forests an Example of Good Classroom Acoustics [Электронный ресурс] // Ljudskolan. 2013. URL: https://www.ljudskolan.se/wp-content/uploads/2015/02/Internoise-Innsbruck-2013.pdf (дата обращения: 07.03.2024)
  22. Ахметов И.А., Краснов И.Д. ОФИСНАЯ АКУСТИКА [Электронный ресурс] // Форум молодых ученых. 2018. №10 (26). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ofisnaya-akustika (дата обращения: 15.04.2024).
  23. Zhang D., Tenpierik M., Bluyssen P.M. Individual control as a new way to improve classroom acoustics: A simulation-based study. // Applied Acoustics. 2021 Aug. Vol. 179. doi:10.1016/j.apacoust.2021.108066

Источники рисунков:

Рисунок 1gritsalak karalak / ГК РФ Ст. 1274 / Shutterstock

Рисунок 3 — Автор не найден / ГК РФ Ст. 1274 / Первоисточник не найден

Рисунок 4 — Автор не найден / ГК РФ Ст. 1274 / Первоисточник не найден

Рисунок 8 — A-Hyeon Jo, Chan-Jae Park, Chan-Hoon Haan / CC BY / MDPI

Рисунок 9 — Ronald Lu & Partners / CC BY 3.0 / Ronald Lu & Partners

Рисунок 10 — Рисунок 13 — Ахметов И.А., Краснов И.Д. / ГК РФ Ст. 1274 / Первоисточник не найден

Рисунок 14 Автор не найден / ГК РФ Ст. 1274 / Первоисточник не найден

Остальные рисунки – Ярослав Инютин / CC BY / Ярослав Инютин

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *