DOBA DOZVUKU V MÍSTNOSTI

Transkript

1 DOBA DOZVUKU V MÍSTNOSTI 1. Úvod Po zapnutí zdroje zvuku v místnost trvá jstou krátkou dobu (řádově vteřny až zlomky vteřn), než dojde k ustálení zvukového pole. Často je v takových případech možné skutečné zvukové pole aproxmovat modelem dfúzního akustckého pole, ve kterém je hustota akustcké energe všude stejná a všechny směry šíření zvuku stejně pravděpodobné. Pokud bychom v takovém pol procházel s mkrofonem a pořzoval zvukový záznam, nenacházel bychom v ntenztě zvuku žádné výkyvy. To je ovšem deální stav. Občas se však ve zvukovém pol místnost objeví stojaté vlnění natolk výrazně, že poruší homogenní rozdělení hustoty akustcké energe a testující mkrofon př pohybu po místnost pak zaznamená výkyvy ntenzty zvuku. Pro deální dfúzní akustcké pole zavádíme několk fyzkálních velčn, které jej charakterzují z hledska energetckého. Je to, mmo jné, ustálená hustota akustcké energe w o (ustálená akustcká energe v jednotce objemu) 4P w o =, (1) α cs kde P je výkon akustckého zdroje, c rychlost zvuku, S plocha celkového povrchu místnost a α čntel zvukové pohltvost tohoto povrchu. Pokud dojde k vypnutí zdroje, zvuk v místnost doznívá a po určté době zankne. Toto doznívání zvuku je charakterstcké jen pro uzavřené prostory. Ve volném prostoru nc takového nenastane. Pro doznívání deálního dfúzního akustckého pole v místnost zavádíme tzv. dobu dozvuku. Optmální doba dozvuku je důležtá z hledska srozumtelnost přílš dlouhá doba dozvuku zapříční promíchávání emtovaného zvuku s odraženým, př přílš krátké době dozvuku vysílaný zvuk vyznívá krátce a úsečně. To vše je na úkor srozumtelnost zvuku (např. řeč). Doba dozvuku deálně dfúzního akustckého pole je jednotná pro všechny body místnost. Pokud je ale dfúzní akustcké pole porušeno např. některým domnantním typem stojatých vln (určté frekvence), doba dozvuku přestává být jednotná pro celou místnost a mění se s místem měření. V takovém případě doba dozvuku ztrácí svůj význam obecného akustckého parametru, který platí jednotně pro celý objem místnost. Pokud tedy př měření doby dozvuku v místnost zjstíme její závslost na místě měření, pak jde o známku porušenost dfúzního akustckého pole - nejspíše vlvem stojatých vln určtých frekvencí. Doba dozvuku dfúzního akustckého pole závsí na tom, jak rychle klesá hustota akustcké energe w v místnost. Tento pokles je v čase t exponencální a je charakterzován časovou konstantou τ o t 4V w = wo exp( ), τ o =, (2) τ o αcs což znamená, že také ntenzta I zvuku v místnost klesá exponencálně t w = w exp( ), I = wc, I w c. (3) τ o o = o V akustce se ovšem používá místo ntenzty I velčna zvaná hladna akustcké ntenzty L I (udává se v decbelech, db) 10 I log, (db) 10 L I = 12 (4) Takže rovnce (3) v hladnovém tvaru nabývá lneární podoby o 1

2 kde grafem L I (t) L I = L I o loge 10 t τ je klesající přímka se zápornou směrncí, β (db) (5) loge α cloge β = 10 = 10. (6) τ 4V Doba dozvuku je defnována jako čas potřebný pro pokles zvukové hladny o 60dB po vypnutí zdroje. Doba dozvuku podle Sabneho T S : T S 60dB 240 V V = = , (platí pro α < 0. 2 ) (7) β 10 c loge α S α S T S ( ) V α S + 4mV, ( α < 0.2 ), α = ( ) α S ( ) S, (8) kde ndex zahrnuje všechny materály na povrchu místnost včetně vntřního zařízení (nábytek, koberce apod.) a osob. Hodnoty α, resp. α S pro tyto objekty jsou tabelovány v akustckých tabulkách. Člen 4mV ve jmenovatel zlomku představuje opravu na útlum zvuku ve vzduchu - hodnotu m lze nalézt rovněž v tabulkách. Oprava na útlum ve vzduchu se uplatňuje především u větších místností a vyšších frekvencí (nad 2kHz). Doba dozvuku podle Eyrnga T E : α S V ( ) T E = 0.164, α =, ( α < 0.8). (9) S ln(1 α ) + 4mV S Doba dozvuku podle Mllngtona T M : V T M = 0.164, ( α > 0.8). (10) S ln(1 α ) + 4mV ( ) ( ) V prax je pro výpočet doby dozvuku nejčastěj používán Eyrngův vztah (9). Nutno přpomenout, že čntel akustcké pohltvost α (materálová konstanta) je frekvenčně závslý, takže tím se doba dozvuku stává frekvenčně závslou. Je proto třeba určovat, pro jakou frekvenc provádíme výpočet doby dozvuku. Většnou jsou hodnoty α tabelovány pro frekvenc 500 Hz, takže doba dozvuku z nch vypočítaná se vztahuje k této frekvenc. Někdy se také můžeme setkat s dobou dozvuku vypočítanou pomocí čntele akustcké pohltvost α NRC (Nose Reducton Coeffcent) získaného jako artmetcký průměr z čntelů akustckých pohltvostí α pro frekvence 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz a 2000 Hz 2

3 α NRC α 250Hz + α 500Hz + α1000hz + α 2000Hz =. (11) 4 α NRC Doba dozvuku vypočítaná pom ocí má ovšem spíše orentační hodnotu. Pokud dobu dozvuku měříme, máme možnost určovat doby dozvuku v jedno-oktávových frekvenčních pásech nebo ve třetno-oktávových pásech, čímž dostáváme dost podrobnou nformac o době dozvuku v místnost v závslost na frekvencích. Měření ovšem můžeme provádět šrokopásmově (pro všechny frekvence souhrnně), čímž dostáváme dobu dozvuku, která je ovlvněna všem frekvencem. Vypočtené a naměřené hodnoty bychom tedy měl srovnávat vždy s ohledem na jejch frekvenční příslušnost. 2. Velčny určované v dfúzním akustckém pol Podle meznárodní normy ISO 3382 měříme v akustckém pol následující velčny: RT20 (Reverberaton Tme) - doba dozvuku určená z času t 20 db dvacet-decbelového poklesu zvukové hladny (-5dB; -25dB), tj. 20 = 3 t. RT30 doba dozvuku určená z času hladny (-5dB; -35dB), tj. RT30 2 t30db =. RT 20dB t 30 db třcet-decbelového poklesu zvukové EDT (Early Decay Tme) počáteční doba dozvuku získaná z počátečního desetdecbelového poklesu (-0dB; -10dB) zvukové hladny. Tato velčna se více přblžuje subjektvnímu (fyzologckému) vnímání dozvuku než předešlé dvě velčny, které představují spíše objektvní (fyzkální) velčny dozvuku. Platí : EDT = 6 t10. D50 (Deutlchket) tzv. zřetelnost je procentuální podíl zvukové energe emtované během prvních 50 ms dozvuku z celkové energe emtované během doznívání Symbol p zastupuje akustcký tlak s 2 p ( t) dt 0 D = 100 (%). (12) p ( t) dt C50 (Clarty resp. Klarhetsmass), tzv. jasnost je defnována jako poměr vyjádřený v decbelech mez zvukovou energí emtovanou během prvních 50ms dozvuku a energí emtovanou ve zbývajícím čase doznívání. Jasnost řeč (zvuku) v místnost je optmální, pokud C 50 ( 1dB; + 3dB). C D = 10 log 1 D 50 db. (13) C80 - míra jasnost je defn ována podobně jako C50, avšak s delším časovým ntervalem 80 ms. Míra jasnost by měla být vždy větší než 0 db, aby srozumtelnost řeč (zvuku) byla příznvá. D 80 C = 10 log 80. (14) 1 D80 3

4 TS (Centre Tme) tzv. těžšťový čas je čas v ms, jehož vysoká hodnota značí nízkou jasnost řeč (zvuku). = 0 t p TS. (15) 0 2 ( t) dt 2 p ( t) dt 3. Prncp měření Praktcká měření doby dozvuku se mohou provádět různým způsoby, vždy však je k tomu zapotřebí zdroj zvuku (např. reproduktor), kterým se vytvoří testující sgnál (akustcké pole), dále je třeba přjímač (např. mkrofon se zeslovačem), který zachycuje doznívání a konečně také vyhodnocovací jednotka (např. PC se zvukovou kartou a řídícím a výpočetním programem) Jako testujícího sgnálu se může použít buď kontnuálního nebo pulsního zvukového sgnálu. Kontnuální sgnál má většnou podobu bílého (event. růžového) šumu (plochá frekvenční charakterstka) a pouští se do místnost buď šrokopásmově (nefltrovaně) nebo v jedno-oktávových nebo třetno-oktávových frekvenčních pásmech (blíže vz. T. Fcker, Příručka tepelné technky, akustky a denního osvětlení, CERM, Brno, 2004). Pulsní sgnál se může generovat různě např. slným tlesknutím do dlaní nebo jskrovým výbojem nebo startovací poplašnou pstolí apod. Jedním z nejmodernějších způsobů buzení testovacího sgnálu je metoda MLS (Maxmum Length Sequence). Jedná se o pseudonáhodný sgnál generovaný posuvným regstry jako řada btů s úrovní 0 a 1. Všechny tyto způsoby buzení testujícího sgnálu, ať jž kontnuální nebo pulsní, mají jedno společné ploché frekvenční spektrum (emtují všechny frekvence se stejným výkonem, jako je tomu u bílého šumu), což je podmínkou korektního měření doby dozvuku. Sgnál MLS však vynká nad jné tím, že umožňuje dosáhnout velm dobrého odstupu vlastního sgnálu od rušvého šumu př nesrovnatelně nžším emtovaném výkonu ve srovnání s ostatním typy sgnálů. V prax to znamená, že měření doby dozvuku může být prováděno v mírně hlučných místnostech, což je náš případ laboratorního praktka. Testující sgnál MLS vybudí v místnost akustcké pole a regstruje se odezva místnost, která se dále zpracovává. Analyzuje se vlastně tlumený puls - pulsní odezva místnost získaná dekonvolucí MLS sgnálu emtovaného do místnost a sgnálu vystupujícího z místnost, který je zachycen mkrofonem. Získaný tlumený puls se dále ntegruje specální zpětnou ntegrační metodou podle Schroedera tzv. reverzní časovou ntegrací (reverse tme ntegraton) a výsledkem je monotónně klesající lneární graf (Schroeder plot), který přpomíná svou lneartou pokles zvukové hladny dané rovncí (5), avšak nejde o absolutně totožné grafy, pouze směrnce obou jsou totožné. To ovšem plně dostačuje k tomu, aby Schroederův graf bylo možno použít pro výpočet doby dozvuku (ze směrnce), a to analogcky jako u závslost (5): z grafu stanovíme čas potřebný pro pokles hladny o 20 db, resp. o 30 db, tj. časy t 20dB resp. t 30dB, a jejch vynásobením stanovíme dobu potřebnou k poklesu o 60dB, což je výsledná doba dozvuku T v místnost T 3 t20db, T = 2 t30db =. (11) Celá tato procedura může být provedena buď šrokopásmově nebo selektvně v určtých frekvenčních pásech, čímž obdržíme frekvenční závslost T(f). 4

5 4. Zadání úkolů Proveďte šrokopásmové (125Hz 16000Hz) a selektvní měření doby dozvuku na třech různých místech laboratoře. Rozhodněte, zda je zvukové pole deálně dfúzní. Selektvní měření provádějte v jedno-oktávových pásmech. Proveďte výpočet doby dozvuku v místnost podle Eyrnga (9) pro frekvence 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz a 4000Hz. Poznamenejte s počet osob N o přítomných v místnost v době měření, dále počet ždlí N z, lavc N L a nábytkových skříněk N s. Vyneste do společného grafu naměřené doby dozvuku pro všechny tř měřící místa společně s vypočítaným hodnotam v závslost na frekvencích T(f) a omezte se přtom na frekvenční rozsah 125Hz 4000Hz. Pomocí akustcké normy vyneste do téhož grafu toleranční meze [(T mn (f);t max (f)] pro přenos řeč v dané místnost a rozhodněte, zda je dozvuk v této místnost optmální. Pokud nebude vyhovovat normovým požadavkům (tolerančním mezím), rozhodněte, jaká opatření uvntř místnost lze provést k dosažení optmálního dozvuku. 5. Pomůcky Instalovaná aparatura sestává ze dvou reproduktorů, stolního počítače se zvukovou kartou a mplementovaným řídícím a vyhodnocovacím programem Sample Champon v (autor P. Gudorz, PureBts.com, 2005). 5

6 6. Postup měření a) Reproduktory jsou umístěny uprostřed posluchárny. Mkrofon je přpevněn na otočném ramen. Volíme postupně tř měřící polohy mkrofonu: dvě krajní a jednu prostřední. b) Pro každou ze tří poloh mkrofonu provedeme následující úkony: Ve spuštěném programu Sample Champon (jeho kona je na pracovní ploše počítače v pravém dolním rohu) klepnutím na konu Imp. na nástrojové lště otevřeme pod-okno Impulse Response. POŽÁDÁME PŘÍTOMNÉ V MÍSTNOTI O KLID PO DOBU VYSÍLANÉHO TESTUJÍCÍHO SIGNÁLU (ASI 10 SEC.). Na nástrojové lště hlavního okna programu stsknutím kony Sync. vyvoláme testující sgnál MLS a v pod-okně Impulse response se nám objeví část tlumeného mpulsu, který je třeba posunout před začátek souřadného systému (vz následující krok). 6

7 Stsknutím nápsu Processng v menu hlavního okna programu vyberte kurzorem řádek Move Impulse Response Peak at a vyberte možnost X=200. Nyní spusťte podprogram vykonávající výpočty pokojové akustky: Stskněte konu Meas. na nástrojové lště hlavního okna a v otevřené nabídce označte modře řádek Room Acoustsc Plugn Vr a pak stskněte tlačítko OK. Otevře se okno nazvané Room Acoustcs. 7

8 Do otevřeného okna Room Acoustcs načtěte data stsknutím klíče F5 buď na nástrojové lště hlavního okna programu nebo na klávesnc. V okně Room Acoustcs pokračujte následujícím volbam v tomto pořadí: Schroeder Int., RT 30. V lneární část Schroederova grafu se objeví nterval hladnového poklesu 30dB (vyznačený dvěma svslcem), ze kterého se počítá doba dozvuku. 8

9 Nyní doladíme výpočet nastavením optmální velkost šumového vzorku v procentech: malé okénko s procenty nalezneme v pravém dolním rohu okna Room Acoustcs. Postupně po krocích 2% měníme v celém dovoleném rozsahu (1% - 40%) velkost šumového vzorku a po každé jednotlvé změně vždy znovu tskneme tlačítko RT 30. Cílem je nalézt takové nastavení procent (na obr. je to 14%), kdy je absolutní hodnota korelační koefcentu r = v pravém dolním rohu Schroederova grafu co největší (např. r = vz obr.). Jakmle nalezneme optmální velkost šumového vzorku v procentech, můžeme přkročt k výpsu dat na obrazovku okna Room Acoustcs. Výstup dat může být trojího typu. Typ výstupu volíme sam v pravé část okna Room Acoustcs : () zadání Plot vykreslí pouze spojtý Schroederův graf, () zadání Ac. Par. Table vykreslí Schroederův graf s tabulkou hodnot a () zadání Ac. Par. Graph (vykreslí spojtý graf společně se sloupcovým grafem). Prohlédneme s pozorně všechny tř výstupy a vyřadíme hodnoty, které mají nízkou absolutní hodnotu korelačního koefcentu (v tabulce hodnot jsou označeny červeně) vyřazení se děje nastavením číselného rozsahu jednooktávových pásem (1 9) opět v pravém dolním rohu vedle nápsu Ac.Gr. (vz horní obr.). Pozn.: vyřazení hodnot se projeví pouze u sloupcového grafu! Posledním krokem je uložení výsledků. Děje se standardním způsobem podobně jako u jných programů typu Wndows. Aktuálně zobrazená data (resp. graf) v okně Room Acoustcs je možno uložt buď btmapově jako obrázek přes schránku (kona fotoaparátu vpravo nahoře) nebo textově do Excelu (kona Excelu vedle kony fotoaparátu). Ukládejte s pouze btmapové obrázky, a to jednak tabulky hodnot a také sloupcové grafy pro každé měřící místo tak vznknou dva btmapové (.bmp) soubory. Tyto soubory s ukládejte dočasně do adresáře C:\Temp.. 9

10 c) Změňte polohu mkrofonu a proveďte znovu celé měření. Před dalším měřením je třeba uzavřít okno Room Acoustcs. Okno Impulse Response zůstává otevřené, data v něm se automatcky obnoví př dalším měření. Nové měření zahájíme stsknutím kony Sync. na nástrojové lště okna hlavního programu a dál pokračujeme podle předešlého scénáře 6b). Totéž provedeme pro třetí polohu mkrofonu. d) Po skončení všech měření s dočasně uložené btmapové soubory a NÁVOD (uložen na prac. ploše počítače) odešlete školním e-malem ( do své schránky nebo exportujte na svůj flash dsk č dsketu. Nakonec všechny soubory po sobě vymažte!!! 7. Zpracování výsledků a) Vytskněte s Schroederovy grafy a tabulky hodnot pro jedno-oktávová pásma pro všechny tř měřené polohy. Rozhodněte, zda se jedná o deální dfúzní akustcké pole rozdíly v dobách dozvuků vyjádřete v procentech a použjte je př dskus dfuzvty akustckého pole v místnost (rozdíly do 5% považujte ještě za deální stav). b) Vypočítejte dobu dozvuku místnost podle Eyrngova vztahu (9) pro frekvence 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz a 4000Hz. Nezapomeňte zahrnout kromě vlvu různých materálových ploch na povrchu místnost také vlv vntřního zařízení (ždle, skříně, stoly), dále vlv vlhkost vzduchu a také všechny osoby přítomné v době měření v místnost. Vyjádřete se k otázce spolehlvost vypočítaných a naměřených hodnot berte přtom v úvahu obtížnou dostupnost a menší spolehlvost vstupních dat (α ) pro výpočet. Potřebná data naleznete v následující tabulce v příloze. c) Vyneste do společného grafu naměřené doby dozvuku pro všechny tř měřící místa společně s vypočítaným hodnotam v závslost na frekvencích T(f) a omezte se přtom na frekvenční rozsah 125Hz 4000Hz. Pomocí akustcké normy vyneste do téhož grafu toleranční meze [(T mn (f);t max (f)] pro přenos řeč v dané místnost a rozhodněte, zda je dozvuk v této místnost pro řeč optmální. Toleranční meze stanovte pro danou místnost z následujících dvou grafů v příloze. Pokud nebudou doby dozvuku vyhovovat normovým požadavkům (tolerančním mezím), rozhodněte, jaká opatření uvntř místnost lze provést k dosažení optmálního dozvuku. 10

11 PŘÍLOHA Rozměry místnost: 11,845m x 6,595m x 4,87m. Objem místnost: V = 380,434 m 3. Tabulka vstupních dat pro výpočet doby dozvuku (Vzhledem k nedostupnost údajů α pro některé konstrukční prvky, byl učněn odhad těchto dat z podobných případů, takže tato tabulka obsahuje jen velm přblžné vstupní údaje!) Druh povrchu Plocha 125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz S (m 2 ) α Sα α Sα α Sα α Sα α Sα α Sα Dvojtá podlaha 78,12 0,80 62,5 0,7 54,68 0,6 46,87 0,47 36,7 0,5 39,06 0,55 42,97 se vzd. dutnou Okna 18,34 0,02 0,37 0,06 1,10 0,03 0,55 0,03 0,55 0,02 0,37 0,02 0,37 N z ždlí 0,232N z 0,02.. 0,02.. 0,02.. 0,02.. 0,02.. 0,02.. N L lavc 0,72N L 0,08.. 0,08.. 0,09.. 0,10.. 0,10.. 0,10.. N s skříněk 2,528N s 0,85.. 0,80.. 0,75.. 0,70.. 0,85.. 0, dveře 3,6 0,30 1,08 0,30 1,08 0,40 1,44 0,45 1,62 0,60 2,16 0,65 2,34 Omítka 180,35 0,02 3,61 0,02 3,61 0,03 5,41 0,04 7,21 0,05 9,02 0,05 9,02 Dřev. obklad 45,6 0,51 23,2 0,56 25,5 0,78 35,6 0,84 38,3 0,45 20,5 0,40 18,24 + vzd. mezera. Keramcký obklad 10 0,01 0,10 0,01 0,10 0,01 0,10 0,02 0,20 0,02 0,20 0,02 0,20 N o osob 1,5 N o 0,15.. 0,23.. 0,56.. 0,78.. 0,88.. 0,89.. SOUČET Σ Σ α S S = α ΣS α E = ln(1 α S ) Útlum ve vzduchu U=4mV (str.13) ~0~ ~0~ ~0~ ~0~. T E V = α E ΣS + U

12 Doba dozvuku místností podle jejch objemu : A varhanní hudba, B orchestrální hudba, C komorní hudba, D řeč, čnoherní dvadlo, zkušebna čnohry, E opera, operní dvadlo, F- víceúčelový sál, zkušebna orchestru, sboru, G kno s jedno-kanálovým zařízením. Přípustné tolerance doby dozvuku pro jedno-oktávová pásma : T o je optmální doba dozvuku pro přenos řeč podle vrchního grafu D, T je ještě možná doba dozvuku v místnost. 12

13 13