Akustyka wnętrz. Czynniki kształtujące akustykę wnętrz

Przebrnęliśmy szczęśliwie przez podstawy dotyczące rozchodzenia się dźwięku (zarówno w przestrzeni otwartej, jak i w pomieszczeniu zamkniętym) i różnych zjawisk z tym związanych – jak odbicie, pochłanianie, załamanie i ugięcie – zanikania energii akustycznej w pomieszczeniu (pogłos), fal stojących i związanych z tym rezonansów pomieszczenia, a także promieniowania energii przez źródło dźwięku w pomieszczeniu i sumowania poziomów od wielu źródeł.

Czas wykorzystać tę zdobytą wiedzę do zastosowań bardziej praktycznych, czyli do próby określenia, w jaki sposób kształtuje się odpowiednie warunki akustyczne w pomieszczeniu, które będzie podlegać adaptacji akustycznej (czyli tzw. pomieszczeniu o akustyce kwalifikowanej). Oczywiście nie chodzi o to, aby zaprezentować gotową receptę, która pozwoli nam zaprojektować salę koncertową na miarę NOSPR-u czy studio do rejestracji dźwięku, jak w najlepszych londyńskich studiach nagraniowych – to zadanie dla ludzi, którzy „zjedli zęby” na tym i których wiedza i umiejętności dalece przekraczają to, co potrzebne jest nam, ludziom na co dzień zajmującym się realizacją dźwięku albo projektowaniem i przygotowaniem systemów nagłośnieniowych koncertowych czy też instalacyjnych. Nam potrzebna będzie podstawowa wiedza, jak wygląda taki proces projektowania i wykonania pomieszczenia pod względem akustyki, jakie istotne kwestie trzeba wziąć pod uwagę i w jaki sposób (jakimi metodami i z wykorzystaniem jakich materiałów) można osiągnąć zamierzony efekt.

A więc do dzieła.

KWESTIE DO ROZWAŻENIA

Wnętrza budowlane – z punktu widzenia potrzeb adaptacji akustycznych – można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

I – pomieszczenia produkcyjne, biurowe, usługowe itp.
II – pomieszczenia o przeznaczeniu kulturalnym, rozrywkowym, edukacyjnym itp.

Zasadniczym zadaniem przy projektowaniu pomieszczeń z I grupy jest zmniejszenie poziomu hałasu, zarówno od źródeł zewnętrznych, jak i wewnętrznych, w celu polepszenia warunków pracy i zwiększenia zrozumiałości mowy. Osiąga się to przez odpowiednie zaprojektowanie ochrony przeciwhałasowej, ukształtowanie pomieszczenia i stosowanie ustrojów dźwiękochłonnych.

Pomieszczenia II grupy – które nas bardziej będą interesowały – dzielą się na:
- wnętrza do bezpośredniego słuchania,
- wnętrza do rejestracji oraz odtwarzania mowy i muzyki.

Aby zapewnić poprawne warunki akustyczne w pomieszczeniu z tej grupy, musimy wziąć pod uwagę trzy kwestie:

1. Zapewnienie odpowiednio niskiego poziomu zakłóceń – czyli odpowiednio zaprojektować izolacyjność od zakłóceń zewnętrznych, a także wyciszenie wewnętrznych źródeł hałasu.
2. Zapewnienie odpowiednich warunków pogłosowych – czyli właściwie zaprojektować i wykonać adaptację akustyczną.
3. Zapewnienie odpowiedniej równomierności pola akustycznego – czyli znów kłania nam się właściwa adaptacja akustyczna.

OCENA JAKOŚCI POMIESZCZENIA

Brzmi to może nieco dziwnie, iż mówimy o ocenie jakości pomieszczenia, gdy jeszcze go nie ma, ale przecież ważne jest, aby na początku ustalić również pewne zasady, według których będzie oceniane nasze pomieszczenie, po to, aby przyjąć odpowiednie założenia i przeprowadzić proces projektowania.

Kryteria oceny jakości akustycznej można podzielić na subiektywne i obiektywne. W przypadku tych pierwszych zdajemy się na opinie słuchaczy, wykonawców oraz innych specjalistów (mniejszych lub większych) z dziedziny akustyki wnętrz. Niestety opinie te dla jednego pomieszczenia mogą być bardzo różne, można je więc – np. po odpowiedniej obróbce statystycznej – traktować jako dodatek do kryteriów obiektywnych.

Oceny obiektywnej można dokonywać zarówno na etapie projektowania – np. na podstawie obliczeń i symulacji komputerowych, albo pomiarów akustycznych realizowanych na modelach w skali – jak i na podstawie pomiarów dokonywanych w trakcie i po zakończeniu realizacji projektu. Architekta i projektanta akustyki wnętrz interesują przede wszystkim te parametry akustyczne pomieszczenia, które mogą być wykorzystane przy projektowaniu i które mają decydujący wpływ na jakość akustyczną, czyli np. na odpowiednio mały poziom dźwięku pochodzącego od zakłóceń zewnętrznych, zrozumiałość tekstu słownego i materiału muzycznego, równomierność nagłośnienia czy brak echa.

W przypadku dużych sal koncertowych uzyskanie dobrej zrozumiałości przeważnie nie idzie w parze z uzyskaniem wysokich walorów brzmieniowych, gdyż dobrą zrozumiałość uzyskuje się przy dość krótkim czasie pogłosu, natomiast zapewnienie odpowiedniej pełni brzmienia muzyki wymaga dłuższego czasu pogłosu. Stąd konieczność doboru kompromisowej wartości czasu pogłosu.

CZAS OPÓŹNIENIA PIERWSZEGO ODBICIA

Bardzo ważna dla walorów brzmieniowych sali jest różnica czasu dotarcia dźwięku bezpośredniego i odbitego do słuchacza na widowni, szczególnie pierwszego odbicia. Duże znaczenie ma też fakt, czy energia odbita dochodzi do punktu w postaci dźwięku rozproszonego, czy też fala dźwiękowa ma określony kierunek, z którego dochodzi. Odbicia fali dźwiękowej przychodzące do danego punktu można podzielić na dwie grupy:
– odbicia dochodzące do słuchacza z opóźnieniem mniejszym od krytycznego, powodujące zwiększenie natężenia dźwięku bezpośredniego,
– odbicia dochodzące z opóźnieniem większym od krytycznego.

Opóźnienie krytyczne jest to taka różnica czasu dotarcia sygnału odbitego w stosunku do bezpośredniego, która może spowodować powstawanie echa i wynikające z tego pogorszenie zrozumiałości.

Opóźnienie czasowe w dochodzeniu pierwszego odbicia było przedmiotem wielu badań. Stwierdzono, że wartość krytycznego opóźnienia czasowego między dźwiękiem bezpośrednim a odbitym zależy m.in. od czasu pogłosu, jak też od rodzaju sygnału audio (mowa, muzyka), a dla muzyki dodatkowo od jej rodzaju.

Wartość krytycznego opóźnienia czasowego waha się od 20 ms dla mowy do ponad 100 ms dla muzyki, a ponadto zależy od stosunku natężenia dźwięku bezpośredniego do odbitego – zwiększenie tej różnicy prowadzi do zwiększenia opóźnienia krytycznego. Również kierunek przychodzenia pierwszego odbicia ma pewne znaczenie – opóźnienie czasowe krytyczne jest mniejsze o ok. 20-30 ms dla dźwięku odbitego dochodzącego z kierunku przeciwległego w stosunku do dźwięku bezpośredniego, niż w przypadku gdy oba te dźwięki docierają z tego samego kierunku. Po przekroczeniu opóźnienia krytycznego dźwięk odbity dochodzi do słuchacza w postaci echa, tzn. między dojściem do ucha dźwięku bezpośredniego i odbitego tworzy się pauza. Echo najczęściej powstaje w wyniku odbicia dźwięku od tylnej ściany i sufitu – jest ono słyszalne w pierwszych rzędach widowni, gdzie czas dotarcia fali bezpośredniej jest bardzo krótki, toteż różnica między czasem dotarcia fali odbitej i bezpośredniej może mieć wartość kilkuset milisekund. W praktyce tworzyć się może echo pojedyncze lub wielokrotne, tzw. trzepoczące, które powstaje w wyniku wielokrotnych odbić fali dźwiękowej od kilku powierzchni pomieszczenia.

Na rysunku 1 przedstawione są wyniki badań Nicksona nad krytycznym opóźnieniem sygnału. Z wykresów można odczytać dopuszczalne wartości opóźnień pierwszego odbicia dla pomieszczeń o różnym czasie pogłosu, dla mowy i dla muzyki.

 

ROZPROSZENIE ENERGII

Na stopień rozproszenia energii dźwiękowej w pomieszczeniu znaczący wpływ mają jego kształt i proporcje oraz ukształtowanie poszczególnych powierzchni ograniczających. Wartość i charakterystyka czasu pogłosu zależy od chłonności akustycznej pomieszczenia dla poszczególnych pasm częstotliwościowych. W pomieszczeniach mikrofonowych (studiach muzycznych, radiowych, telewizyjnych) dąży się do uzyskania pola akustycznego możliwie najbardziej rozproszonego. W pomieszczeniach do słuchania bezpośredniego (salach koncertowych, operowych, teatralnych) dla uzyskania równomiernego nagłośnienia widowni stosuje się na ogół kierowanie energii dźwiękowej w celu dogłośnienia tylnej części oraz balkonów.

ZROZUMIAŁOŚĆ MOWY

Zrozumiałość mowy określa procentowy stosunek liczby poprawnie zrozumianych sylab, wyrazów lub zdań do całkowitej liczby wypowiedzianych elementów danego tekstu. Człowiek jest w stanie zrozumieć wyraz lub zdanie, nie usłyszawszy dokładnie całości, przy czym w zależności od osobistych cech słuchacza – takich jak np. bystrość umysłu czy inteligencja – jest on w stanie zrozumieć więcej zniekształconych wyrazów lub mniej. W praktyce zrozumiałość powyżej 85% uważa się za bardzo dobrą, w granicach 75-85% za dobrą – przy czym zrozumienie tekstu wymaga wówczas skupienia uwagi i po pewnym czasie staje się męczące, natomiast w granicach od 65% do 75% za dostateczną, zaś poniżej 65% za niedostateczną – zrozumiały jest bowiem wtedy tylko ogólny sens mowy, a poszczególne zdania mogą być zrozumiałe błędnie i muszą być kilkukrotnie powtarzane.

Oczywiście oprócz warunków, w jakich odbywa się przemowa – a więc poziomu hałasu tła i pogłosu pomieszczenia – na zrozumiałość mowy istotny wpływ ma poprawność wymowy mówiącego (czy nie „bełkocze” i nie mówi pod nosem) oraz stan słuchu słuchacza.

WPŁYW HAŁASU NA ZROZUMIAŁOŚĆ

Wpływ hałasu na zrozumiałość mowy ilustruje rysunek 2, z którego wynika, iż optymalną zrozumiałość osiąga się dla poziomu mowy 75-80 dB. Przy poziomie rozmowy bliskim poziomowi hałasu zrozumiałość mowy zbliża się do 0, aczkolwiek właściwością naszego słuchu jest to, iż nawet w momencie gdy sumaryczny poziom hałasu przekracza poziom rozmowy, człowiek jest w stanie – z trudem co prawda, ale jednak – porozumieć się z druga osobą.

W hałasie o poziomie:
0-30 dB – można porozumiewać się szeptem (oczywiście dotyczy to rozmów „face to face”, czyli stosunkowo blisko siebie, nie na dalekie dystanse)
35-55 dB – głosem normalnym
60-75 dB – głosem podniesionym
80-95 dB – rozmowa jest bardzo utrudniona
95-100 dB – można porozumiewać się w zasadzie tylko krzykiem
powyżej 100 dB – ustna rozmowa jest praktycznie niemożliwa (chyba że ktoś będzie komuś krzyczał prosto do ucha).

Czynnikiem decydującym o zrozumiałości mowy jest charakterystyka poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości, przy czym dźwięki wyższe od tonu zagłuszającego są bardziej zagłuszane, niż dźwięki niższe.

W przypadku słuchania muzyki hałas powoduje maskowanie poszczególnych elementów utworu, pogorszenie jego brzmienia, utrudnia lub wręcz uniemożliwia słuchaczom właściwe odbieranie wrażeń muzycznych. Hałas powoduje też zdenerwowanie wykonawców, przez co jest przyczyną nieuzasadnionego zwiększania głośności wykonywanych partii muzycznych, naruszając w ten sposób równowagę muzyczną utworu.

W pomieszczeniach studyjnych (nagraniowych, radiowych, telewizyjnych), w odróżnieniu od pomieszczeń przeznaczonych do bezpośredniego słuchania muzyki, odbiornikiem dźwięku jest mikrofon. Ucho ludzkie jak, mam nadzieję, wszystkim wiadomo, słabiej reaguje na dźwięki w zakresie małych i dużych, a silnie w zakresie średnich częstotliwości – stąd często poziom ciśnienia akustycznego hałasu wyraża się wg. krzywej ważonej (A lub C), bardziej odpowiadającej wrażeniom słuchu ludzkiego. Mikrofon natomiast przenosi dźwięki w przybliżeniu jednakowo (w zależności od jego charakterystyki przenoszenia) w szerokim paśmie częstotliwości. Stąd też charakterystyka dopuszczalnego poziomu hałasu w pomieszczeniach studyjnych bardziej ogranicza hałasy w paśmie małych częstotliwości.

KSZTAŁT I OBJĘTOŚĆ POMIESZCZENIA

Kształt i objętość pomieszczenia mają bezpośredni wpływ na rozkład energii akustycznej i nagłośnienie pomieszczenia.

Dla małych i średnich sal o kształcie prostopadłościanu (o wymiarach 1 : x : y) optymalne proporcje przedstawione są na rysunku 3.

Dla studiów radiowych i telewizyjnych optymalne proporcje – w zależności od objętości studia – można odczytać z diagramu na rysunku 4. Wynika z niego, że dla studiów małych, o objętości od 80 do 300 m3, najkorzystniejsze proporcje wymiarów (wys x szer x dług) wynoszą 1 : 1,25 : 1,6, dla średnich (od 300 do 800 m3) 1 : 1,6 : 2,5, zaś dla niskich (V = 800-3.000 m3) lub długich (V = 3.000-8.000 m3) optymalne proporcje to 1 : 1,25 : 3,2. Przyjęcie tolerancji ±5%, często stosowane w praktyce, nie daje zauważalnych różnic w rozproszeniu energii dźwiękowej.

Optymalna objętość sal koncertowych na 1 słuchacza wynosi 7-8 m3. Na ogół kubatura sal waha się w granicach od 10.000 do 15.000 m3. Przy zachowaniu optymalnych warunków akustycznych liczba słuchaczy nie powinna w zasadzie przekraczać 1.700-1.800 widzów (dwie najnowsze i największe w Polsce sale koncertowe – NOSPR w Katowicach i NFM we Wrocławiu – mają widownie z 1.800 miejscami siedzącymi). Maksymalna objętość sal koncertowych nie powinna w zasadzie przekraczać 20.000 m3 – w salach o większej objętości istnieją trudne warunki akustyczne dla solistów.

CZAS POGŁOSU I ZROZUMIAŁOŚĆ

Czas pogłosu jest parametrem akustycznym wnętrz, który może być zaprojektowany i uzyskany z dostateczną dokładnością. Dla każdego pomieszczenia, w zależności od jego objętości i zastosowania – czy będzie to sala, w której przeważała będzie mowa (sale audytoryjne, wykładowe, a także teatralne), czy też muzyka (sale kameralne, koncertowe, operowe) i w zależności od rodzaju tej muzyki – można dobrać tzw. optymalny przedział wartości czasu pogłosu i jego optymalną charakterystykę.

Na rysunku 5 przedstawiona jest zależność optymalnego czasu pogłosu od rodzaju produkcji artystycznej oraz objętości pomieszczenia, dla częstotliwości 512 Hz. Również rodzaj prezentowanej muzyki rządzi się swoimi prawami – nieco innych warunków wymaga muzyka klasyczna (np. Mozarta czy Bethovena) czy współczesna (np. Strawińskiego, Pendereckiego), a innych romantyczna (np. Brahmsa). W tym pierwszym przypadku optymalny czas pogłosu w paśmie 500-1.000 Hz dla dużych sal koncertowych (3.000-15.000 m3) wynosi ok. 1,5 sekundy, podczas gdy muzyka romantyczna potrzebuje więcej „oddechu” w postaci większego pogłosu, w okolicy 2 sekund. Wyjście kompromisowe, dla różnych rodzajów muzyki, to ok. 1,7 sekundy.

Dla mniejszych sal, o objętości 1.000-8.000 m3, oraz sal koncertowych o objętości do 20.000 m3 optymalny czas pogłosu w paśmie 500-1.000 Hz (wg. Bruckmayera), w salach zapełnionych kształtuje się tak, jak w tabeli obok. Z kolei zalecany przebieg charakterystyk czasu pogłosu w funkcji częstotliwości, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia i rodzaju muzyki, wg. różnych badaczy tej tematyki, przedstawiony jest na rysunku 6.

Zalecany czas pogłosu oraz odchyłki od tej wartości (procentowe i czasowe), w funkcji częstotliwości, dla studiów do rejestracji mowy i spikerskich, studiów do rejestracji muzyki, studiów dubbingowych i hal zdjęciowych, przedstawia z kolei rysunek 7. Natomiast dla sal kinowych zalecana wartość czasu pogłosu dla 500 Hz zawiera się w granicach 0,9-1,2 s, w zależności od kubatury sali.

W pomieszczeniach do słuchania bezpośredniego, rejestracji i odtwarzania mowy jej zrozumiałość powinna wynosić 95-85% (stopień zrozumiałości bardzo dobry) dla teatrów dramatycznych (miejsca najbliżej sceny), studiów nagraniowych i radiowych, audytoriów, oper i operetek. W przypadku sal konferencyjnych oraz dalszych miejsc widowni teatrów dramatycznych, oper i operetek zrozumiałość sylabowa nie powinna być mniejsza niż 85-75% (zrozumiałość na poziomie dobrym). Hale sportowe powinny charakteryzować się dostateczną zrozumiałością, czyli w przedziale 75-65%.

Szkodliwe odbicia energii dźwiękowej dochodzącej do słuchacza w czasie dłuższym niż 1/15 s (ok. 70 ms) w stosunku do dźwięku bezpośredniego powinny być wyeliminowane, gdyż stwarzają niebezpieczeństwo pojawienia się echa.

W zależności od przeznaczenia pomieszczenia należy zapewnić w nim odpowiednie rozproszenie (studia nagraniowe, radiowe i telewizyjne) lub kierowanie energii akustycznej (sale koncertowe, audytoria, sale teatralne, operowe itp.).

Piotr Sadłoń

---

Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.