nagłaśnianie pomieszczeń.pdf

Elektroakustyka

Bomba

akus t yczna

czyli o nagłaśnianiu pomieszczeń

Część 1

W artykule przedstawiono pod−

stawowe informacje dotyczące

nagłaśniania dużych pomie−

szczeń, takich jak sale szkolne,

aule, hale sportowe, itd. Przed−

stawione wiadomości okażą

się bezcenne dla wszystkich,

których okoliczności zmuszają

do nagłaśniania najróżniej−

szych obiektów na czas narad,

zebrań i różnych imprez oko−

licznościowych.

Oprócz omówienia kluczo−

wych zależności podano

wskazówki pomocne przy rea−

lizacji systemów nagłośnienia.

Temat jest wprawdzie nie−

zwykle poważny, ale przedsta−

wiony niezwykle przystępnie,

więc każdy chętny może sko−

rzystać z wielu cennych spo−

strzeżeń i rad.

i właściwościami słuchu ludzkiego. Oto trzy

kluczowe zagadnienia:

1. Jak wiadomo fala dźwiękowa odbija się

od przeszkód, a przy odbiciach i podczas

przejścia przez dowolny ośrodek jest czę−

ściowo pochłaniana, czyli maleje jej energia

(głośność).

2. Słuch ludzki ma specyficzne właściwo−

ści. Charakterystyka czułości jest logarytmicz−

na, co umożliwia słyszenie dźwięków w bar−

dzo szerokim zakresie głośności. Mechanizm

słyszenia i rozpoznawania mowy jest bardzo

skomplikowany. Dają przy tym znać o sobie

szczególne cechy, mało znane nieprofesjonali−

stom. Na przykład pojawienie się kilku jedna−

kowych dźwięków przychodzących z różnym

opóźnieniem obniża zrozumia−

łość mowy bądź powoduje inne

niekorzystne skutki.

3. Choć rozważania teore−

tyczne zazwyczaj opierają się

na jakichś umownych stosun−

kowo prostych sygnałach testo−

wych, rzeczywiste sygnały

dźwiękowe, zarówno mowa,

jak i muzyka, są złożoną mie−

szaniną przebiegów o zmienia−

jących się częstotliwościach,

amplitudach i fazach.

Na początek warto uświado−

mić sobie, co się dzieje zdźwię−

kiem w pomieszczeniu. Na ry−

sunku 1a przedstawiono układ

do wytwarzania impulsowego

sygnału testowego. Do głośnika

doprowadzony jest sygnał za−

wierający pewną liczbę cykli

przebiegu sinusoidalnego oczę−

stotliwości akustycznej. Gło−

śnik zamieni ten przebieg na

impuls dźwiękowy trwający

w czasie t0 do t1. Powietrze zacznie drgać

i powstanie impuls ciśnienia akustycznego

jak na rysunku 1b . Gdyby głośnik i słuchacz

znajdowali się wotwartym polu, do słuchacza

po pewnym czasie t dotarłby ten impuls

dźwiękowy − zobacz rysunek 1c . Czas

opóźnienia t wyznaczony jest przez odległość

głośnik − słuchacz oraz przez prędkość dźwię−

ku w powietrzu (wynoszącą około 340m/s):

t = l/v

gdzie l − odległość, v − prędkość dźwięku.

Trzeba mieć świadomość, że ten czas

opóźnienia może być stosunkowo duży. Już

przy odległości rzędu 30m opóźnienie wynosi

Rys. 1

Zagadnienie nagłaśniania dużych pomie−

szczeń uchodzi za bardzo trudne. Faktycznie,

zaprojektowanie dobrego nagłośnienia do

dużego obiektu wymaga ogromnej wiedzy

ipraktycznego doświadczenia. Często jednak

zachodzi pilna potrzeba nagłośnienia jakie−

goś sporego obiektu przez osoby nie mające

ani niezbędnej wiedzy teoretycznej, ani żad−

nego doświadczenia w tym zakresie. W ni−

niejszym artykule podane są najbardziej pod−

stawowe informacje, które pozwolą zrozu−

mieć najistotniejsze problemy i uniknąć ty−

powych błędów.

Podstawową sprawą jest zrozumienie spe−

cyficznych zjawisk związanych z dźwiękiem

102

Elektronika dla Wszystkich

Elektroakustyka

prawie 100 milisekund, czyli 0,1s, a przy od−

ległości 10m, około 30ms, co, jak się okazu−

je, jest wartością stosunkowo dużą. Na

otwartej przestrzeni problem opóźnień za−

zwyczaj nie gra jednak większej roli.

W zamkniętym pomieszczeniu sytuacja

wygląda zupełnie inaczej. Również tu po

czasie t do słuchacza dociera sygnał z głośni−

ka. Na rysunku 1d jest to chwila t 2 . Nieco

później, w chwili t 3 do słuchacza dociera

pierwszy dźwięk odbity, na przykład od bliż−

szej ściany. Następnie w chwili t 4 pojawia się

kolejny dźwięk, odbity od drugiej, dalszej

ściany, który miał nieco dłuższą drogę do

przebycia. W chwili t 5 dociera dźwięk odbity

od tylnej ściany bądź od wysoko umieszczo−

nego sufitu. Ilustruje to rysunek 2a .

W zasadzie zgodnie z zasadami dodawa−

nia się fal, w zależności od fazy kolejnego

nadchodzącego dźwięku, amplituda może się

zwiększać lub zmniejszać. Nie wchodząc

w szczegóły, mając jedynie na uwadze, że

rzeczywiste przebiegi akustyczne są skom−

plikowaną mieszaniną wielu różnych składo−

wych należy przyjąć, iż sygnały te się doda−

ją, czyli poziom ciśnienia akustycznego ro−

śnie. Dźwięki nadal odbijają się od ścian

i wszystkich przedmiotów w pomieszczeniu.

Po chwili t 6 do słuchacza zaczynają docierać

kolejne dźwięki, także te wielokrotnie odbite

od przeszkód. Ciśnienie akustyczne rośnie aż

do chwili t 7 . Gdy impuls dźwiękowy się

skończy (w chwili t 1 ), dźwięk na obiekcie nie

zaniknie ani natychmiast, ani po czasie t.

Wskutek wielokrotnych odbić całe pomie−

szczenie stopniowo niejako “napełni się”

dźwiękami odbitymi, opóźnionymi w stosun−

ku do pierwotnego dźwięku z głośnika − po−

równaj rysunek 2b . Dlatego po zaniku pier−

wotnego impulsu, poziom ciśnienia aku−

stycznego nie spadnie nagle, tylko będzie

stopniowo malał. Po jakimś czasie, w chwili

oznaczonej t 8 ciśnienie spadnie do wartości

powiedzmy o 60dB mniejszej od ciśnienia

maksymalnego p max .

Taka sytuacja wystapi, ponieważ, jak

wiadomo, głośniki promieniują dźwięk nie

tylko w jednym kierunku, ale w dość szero−

kim kącie. Nie jest w tej chwili istotne, że

kąt promieniowania jest tym większy, im

mniejsza jest częstotliwość. W każdym razie

głośnik promieniuje (węższą czy szerszą)

wiązkę fal dźwiękowych, która odbija się od

wszystkich twardych i gładkich przedmio−

tów jak światło od lustra.

Z rysunku 1d można też określić kolejny

bardzo ważny parametr pomieszczenia, mia−

nowicie CZAS POGŁOSU . Jest to czas,

w którym ciśnienie dźwięku spadnie o 60dB

od maksymalnej wartości. Przyjęto umownie

spadek aż o 60dB ze względu na logaryt−

miczną charakterystykę czułości ucha ludz−

kiego, ale to już inna sprawa.

Dokładna analiza rysunku 1d wskazuje na

możliwość budowy bomby akustycznej . Opis

budowy bomby akustycznej przedstawiony

jest w ramce.

Oczywiście budowa

opisanej bomby jest możli−

wa tylko wteorii. Tak samo

mało realna byłaby budowa

“akumulatora akustyczne−

go” , choćby dlatego, że nie

można zbudować po−

wierzchni, która idealnie,

w stu procentach odbijała−

by dźwięk. Zawsze część

energii dźwięku odbija się

od przeszkód, a część jest

tłumiona, czyli zamienia

się na ciepło. Tak samo jest

przy przechodzeniu dźwię−

ku przez dowolny ośrodek

(powietrze, cegłę, metal,

szkło) − część energii

dźwięku zamienia się na

ciepło. Tym samym nie da

się “wpompować” do ko−

mory i zmagazynować

przez długi czas dowolnych

ilości energii. Po włączeniu

głośnika poziom ciśnienia

dźwięku nie będzie rósł

w nieskończoność, tylko

ustabilizuje się na jakimś

poziomie, zależnym od

właściwości głośnika i od

strat występujących pod−

czas odbić. Po wyłączeniu

głośnika poziom dźwięku

będzie malał, tym szybciej,

im większe są straty energii przy odbijaniu.

Wróćmy teraz do głównego wątku. Rysu−

nek 3 pokazuje, jak zmienia się ciśnienie

dźwięku (i subiektywnie odczuwana głośność)

w audytorium na otwartej przestrzeni w zależ−

ności od odległości słuchacza od głośnika. Na

początek można przyjąć, że ciśnienie dźwięku

zmniejsza się o 6dB przy podwojeniu odległo−

ści od głośnika. Zależność ta nie budzi wątpli−

wości − ze zwiększaniem odległości od głośni−

ka ciśnienie (i głośność) zmniejsza się. Na ry−

sunku 3 pokazuje to linia czerwona.

W otwartej przestrzeni zazwyczaj wystę−

pują jednak jakieś szumy tła, na przykład

szum wiatru w gałęziach drzew, szum prze−

jeżdżających pojazdów, głosy ptaków i ludzi.

Wuproszczeniu można śmiało przyjąć, że dla

danego audytorium poziom szumów tła jest

stały ipraktycznie nie zależy od odległości od

Rys. 2

Jak zrobić bombę akustyczną?

Aby wykonać bombę akustyczną, należy

zbudować komorę (pomieszczenie) o do−

wolnym kształcie i wymiarach liniowych

minimum 1m, której wewnętrzne ściany

odbijałyby dźwięk w 100 procentach.

W ścianę takiej komory wbudować głośnik

o dowolnej mocy, dołączyć głośnik do

wzmacniacza i stopniowo “napompować”

komorę energią akustyczną (porównaj rysu−

nek 2b). Ponieważ ściany komory idealnie

odbijają dźwięk, więc dostarczona energia

nie ginie, tylko stopniowo gromadzi się

w postaci (coraz większych) drgań powie−

trza. Gdy drgania powietrza staną się wy−

starczająco duże i silne, komora eksploduje.

Na identycznej zasadzie można podjąć

próbę budowy akumulatora akustycznego,

gromadzącego energię w postaci fal

dźwiękowych.

Ponieważ te odbicia następują wielokrot−

nie, pogłos napełnia salę równomiernie. Za−

znaczono to obrazowo na rysunku 2c , za−

wierającym wykres ciśnienia oraz szkicowy

przekrój sali.

Wróćmy jednak do rysunku 1d. Ilustruje on

kilka bardzo ważnych parametrów pomieszcze−

nia. Nietrudno się domyślić, że czasy t 3 , t 4 it 5 są

wyznaczone przez wymiary geometryczne

obiektu i zależą od umiejscowienia słuchacza.

Maksymalne ciśnienie akustyczne wsali (na

rys. 1d oznaczone p max ) jest większe niż na

otwartym powietrzu − porównaj rysunki 1ci1d.

Wzrost ciśnienia można wyrazić w decybelach

− jest to jak zwane WZMOCNIENIE OBIEKTU .

Wzmocnienie to wynika z odbić. Czym więk−

sze odbicia, tym większe wzmocnienie, ale nie

ma się z czego cieszyć − jak się za chwilę oka−

że, wzmocnienie to jest szkodliwe.

Elektronika dla Wszystkich

103

Elektroakustyka

głośnika. Przecież nie pochodzą one z głośni−

ka, tylko zwielu różnych dalekich źródeł . Na

rysunku 3 szumy tła, jednakowe na całej po−

wierzchni audytorium, zaznaczono kolorem

fioletowym. Nie ulega wątpliwości, że dobrą

słyszalność będą mieć słuchacze w obszarze,

gdzie dźwięk zgłośnika jest silniejszy od szu−

mów tła co najmniej o kilka decybeli. Zadzi−

wiające właściwości ucha ludzkiego powodu−

ją, że nawet w obszarze, gdzie dźwięk z gło−

śnika jest okilka decybeli słabszy od szumów

tła, jeszcze można zrozumieć treść przekazu

słownego, jednak słuchacze muszą wytężać

uwagę i szybko się męczą.

Tymczasem ciśnienie bezpośre−

dniego dźwięku z głośnika nie jest

jednakowe w całym obiekcie .

Również i tutaj blisko głośnika,

w tak zwanym polu dźwięku bez−

pośredniego, zrozumiałość jest do−

bra. Jednak wszędzie tam, gdzie

poziom pogłosu jest większy niż

dźwięku bezpośredniego (w tak

zwanym polu pogłosu), zrozumia−

łość jest zdecydowanie zła.

Rysunek 5 zawiera analogiczne

charakterystyki dwóch pomieszczeń

o jednakowej wielkości, z zainstalo−

wanymi takimi samymi

głośnikami, ale o zdecy−

dowanie różnym stopniu

wytłumienia.

Rysunki 4 i 5 pozwa−

lają zrozumieć bardzo

ważne zależności prak−

tyczne. Chodzi przede

wszystkim o zrozumia−

łość mowy . Pogłos

i echo są zdecydowanie

szkodliwe − zmniejszają

zrozumiałość.

W przypadku muzyki

sytuacja jest zupełnie inna. Tu

opóźnione odbicia mogą wzboga−

cać dźwięk, o czym nietrudno się

przekonać podczas koncertu orga−

nowego odbywającego się w (nie−

mal pustej, bardzo słabo wytłumio−

nej) katedrze. Koncert organowy

w tym wnętrzu zachwyca, nato−

miast ze względu na ogromny po−

głos, bardzo trudno jest w sposób

zrozumiały przekazać mowę.

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 3

Rysunek 4 pokazuje, podobną zależność

dla pomieszczenia zamkniętego. W tym wy−

padku ze względu na izolacyjne działanie

ścian, szumy tła (zaznaczone fioletowo są

znacznie mniejsze. Niemniej jednak w czasie

działania głośnika pomieszczenie (komora)

wypełnia się dźwiękiem wielokrotnie odbi−

tym (kolor niebieski). Jest to pogłos.

Ten opóźniony, wielokrotnie odbity

dźwięk nie pomaga, tylko przeszkadza.

Ucho ludzkie rozróżnia dwa identyczne

dźwięki, jeśli przychodzą w odstępie więk−

szym niż około 0,1s − jest to zjawisko echa.

Jeśli natomiast czas między nimi jest mniej−

szy, dźwięki te niejako zlewają się w jeden

i to z różnymi niekorzystnymi konsekwen−

cjami − mówimy wtedy o zjawisku pogłosu.

Mówiąc opisowo, te opóźnione dźwięki

“rozmywają” obraz dźwiękowy, a praktycz−

nie − zmniejszają zrozumiałość przekazu

słownego. Ściślej biorąc, pewien niewielki

pogłos jest nawet pożądany, bez niego

dźwięk brzmi dziwnie i mógłby męczyć słu−

chaczy, ale to zupełnie inna sprawa.

W tej chwili istotne jest jednak, że

wpraktyce pogłos jest zawsze zbyt duży, ata

mieszanina dźwięków wielokrotnie odbi−

tych, w różnym stopniu opóźnionych, to nic

innego jak bełkot i dudnienie zmniejszające

zrozumiałość mowy. Czym słabsze wytłu−

mienie, czyli czym więcej w sali przedmio−

tów twardych i gładkich, tym większy po−

głos i gorsza zrozumiałość. Co istotne, po−

nieważ są to wielokrotne odbicia, wytworzo−

ne ciśnienie pogłosu będzie jednakowe

w całym obiekcie − porównaj rysunek 2c.

Piotr Górecki

Dokończenie w następnym

numerze EdW.

104

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: