Proiectarea Acustica A Salilor [PDF]

Zitiervorschau

PROIECTAREA ACUSTICĂ A SĂLILOR 1. PRINCIPII GENERALE Problemele legate de acustica sălilor sunt total diferite de cele de izolare a construcţiilor împotriva zgomotelor. Astfel, dacă în cazul izolării fonice se urmăreşte diminuarea nivelului de zgomot sub limitele admisibile, în cazul sălilor de audiţie, pe lângă diminuarea zgomotelor supărătoare provenite din trafic, din funcţionarea instalaţiilor etc. se urmăreşte punerea în valoare a sunetelor, asigurarea unui nivel de audiţie optim în toate punctele sălii, fie că este vorba de producţie vorbită sau muzicală. Preocupări pentru realizarea unei bune audiţii în edificiile publice datează din antichitatea îndepărtată, nivelul atins în acest domeniu reflectându-se în calităţile acustice ale amfiteatrelor din Epidaur (Grecia) şi Siracuza (Sicilia). Amfiteatrul în forma de potcoavă de la Epidaur, unul dintre cele mai bine conservate edificii de acest gen, are o capacitate de 17000 locuri, iar calitatea acustică deosebită poate fi ilustrată prin faptul că paşii omului sau aprinderea unui chibrit pe scenă se aud până în ultimele rânduri. Pentru reflectarea sunetelor spre auditoriu şi pentru amplificarea lor, în amfiteatre, circuri etc. se utilizau diferite mijloace: fundaluri reflectante în spatele scenei, vase mari rezonatoare din bronz sau teracotă, montate cu gura spre scenă, în nişe practicate în gradene etc. (Vitruviu - De arhitectură). Pierdute în mare parte în lungul mileniu al Evului mediu, cunoştinţele de acustica edificiilor publice, dobândite empiric prin observare, intuiţie şi acumulare de experienţă, se mai găsesc aplicate în cazuri izolate. Astfel, în unele biserici din nordul Moldovei se găsesc practicate goluri de diferite mărimi sub forma

- Modelul marcovian al difuziei, care ia în considerare modelul fizic al reflexiei difuze. Cu ajutorul acestei metode pot fi analizate toate situaţiile reale de reflexie, permiţând şi evaluarea duratei de reverberaţie. Prin combinarea mai multor metode de simulare poate fi determinat câmpul acustic (nivelul de intensitate sonoră într-un număr finit de puncte) în vederea adoptării unor măsuri de corecţie corespunzătoare.

1

Nivelul de intensitate sonoră determinat de undele directe emise de 2 surse

Din analiza câmpului sonor pot rezulta două situaţii defavorabile probabile: prezenţa unor puncte de concentrate a energiei acustice şi apariţia ecoului. a. Concentrările de energie pot fi generate fie de rezolvarea necorespunzătoare a peretelui din faţa scenei fie de forma tavanului sau a pereţilor laterali.

b. Ecoul şi evitarea lui. Se ştie că dacă în calea undelor sonore intervine un obstacol, de exemplu un perete sau un ecran oarecare, undele lovesc ecranul şi se reflectă. Reflexiile pot fi utile amplificând sunetul sau deranjante afectând claritatea. Reflexiile utile. În punctul A sunetele se vor auzi pe două căi: calea directă OA şi calea undelor reflectate OeA. Dacă distanţa între O şi A este mică, sunetele se vor auzi suprapuse în A. Sunetul direct va fi amplificat cu sunetul reflectat, în A ajungând deci mai multă energie decât dacă ar lipsi peretele E. Reflexia din e întăreşte sunetul fără a-l deforma şi este folositoare. Cu cât distanţa dintre perete şi sursă este mai mică, cu atât sunetul direct va preceda la un interval de timp mai scurt 2

undele reflectate ce se vor suprapune, confundându-se într-un singur sunet amplificat. Acesta este principiul acustic al teatrului roman. Teatrul roman este de fapt, din punct de vedere acustic, o perfecţionare a teatrului grec. Scena este acoperită de un plafon reflectant, având partea joasă spre fundul scenei, favorizând astfel reflexiile sonore spre gradenele amfiteatrului. Locul orchestrei se restrânge la un semicerc, în locul cercului întreg de la teatrul grec, apropiind astfel focarul de linia de demarcaţie a scenei. In plus se adaugă panourile reflectante laterale ale arlechinilor, în formă de prisme triunghiulare, aşezate cu una din feţe înclinată la 45º faţă de axa longitudinală a compoziţiei. Vitruviu, arhitect-inginer din epoca lui August, în lucrarea "De arhitectura" se ocupă de teatrele greceşti şi romane, de alegerea amplasamentelor amfiteatrelor în funcţie de principiile acusticii, de legile armoniei şi principiile propagării sunetelor şi dă în acelaşi timp definiţii din care reiese că fenomenele acusticii - interferenţa, reverberaţia, rezonanţa şi ecoul - erau cunoscute şi folosite în acea vreme. In capitolul V al acestei opere Vitruviu se mai ocupă şi de dispoziţia vaselor de bronz în amfiteatre, care aveau rolul de rezonatori de sunet. Limita de timp admisă între sunetul direct şi sunetul reflectat, demonstrată prin experienţă, pentru reflexiile sonore folositoare, este mai mică de 1/15 secundă, ceea ce corespunde unor traiectorii depăşind cu 22,5 m linia directă. c 343 = = 22,5 m (1) t 15 Unde: c este viteza sunetului; t - timpul Reflexii dăunătoare. Se presupune un spaţiu închis. In punctul A sub acţiunea undei sonore S intervine energia sonoră incidentă i peste care se suprapune energia reflectată r. Faţă de sursa S s-a plasat un ecran E, în spatele lui A, la distanţa d faţă de S şi d’ faţă de A. Presupunem d = 20 m şi d’ = 40 m. Dacă considerăm viteza de propagare a sunetului în aer la o temperatură medie, de 343 m/s, sunetul reflectat întârzie cu: t=

d 40 0,116 s = = 343 343

Un sunet emis în S se va auzi de această data de două ori în A, la un interval de aproximativ o zecime de secundă. Pentru ca acest fenomen să nu se producă (ecoul), diferenţa de drum parcurs de unda reflectată şi cea incidentă, pentru fiecare punct al sălii trebuie să îndeplinească condiţia; ( d + d' ) − ( d − d' ) ≤ 343 adică 2d' ≤ 22,5 m (2) 15 In concluzie, reflexiile având traiectorii ale căror lungimi nu depăşesc linia dreaptă cu mai mult de 22,5 m sunt folositoare, intensificând sunetele şi se vor păstra. Dacă se consideră punctul A cel mai apropiat de scenă, rezultă distanţa maximă până la punctul opus scenei de 11 m. Dacă din alte considerente nu poate fi respectată această condiţie, peretele frontal trebuie tratat absorbant. Din acest punct de vedere sălile se împart în două categorii, care duc la măsuri constructive diferenţiate: - săli mici, unde lungimea este mai mică de 11 m - nu se aplică măsuri de absorbţie acustică; - săli mari, cu lungimea mai mare de 11 m, cu un perete reflectant (pentru asigurarea difuziei câmpului sonor) şi cu un perete absorbant (pentru evitarea ecoului). 3

2. DURATA OPTIMĂ DE REVERBERAŢIE După cum se ştie, durata unui sunet emis într-un spaţiu închis este mai mare decât durata aceluiaşi sunet în aer liber, fapt datorat unor legi foarte complexe şi a diverşilor factori, cum ar fi: puterea şi poziţia sursei, poziţia relativă a auditoriului, pierderile şi absorbţiile diverşilor pereţi, ale plafonului, ale mobilierului, de dimensiunile şi forma încăperii şi în sfârşit de compunerea însăşi a sunetului. Reflexiile sonore se succed la intervale de fracţiuni de secundă, nedistincte una faţă de cealaltă şi sunt percepute de ureche ca o prelungire continuă a sunetului după oprirea izvorului, cu o reducere progresivă a intensităţii. Această prelungire se numeşte reverberaţie. Reverberaţia se poate defini deci ca ansamblu al efectelor rezultate din multiplele reflexii sonore ce urmează repede una după alta şi datorită cărora sunetul persistă un timp întro încăpere, după oprirea sursei sonore. Reverberaţia se deosebeşte fundamental de ecou, care după cum am văzut este o reflexie unică, dând o repetare distinctă faţă de sunetul iniţial. Ecoul repetă sunetul, reverberaţia îl prelungeşte. Durata de reverberaţie este timpul care desparte clipa de oprire a sunetului de cea în care intensitatea sa medie este redusă cu 60 dB. Fenomenul de reverberaţie este pozitiv în măsura în care sporeşte intensitatea sunetului, dând culoare şi sonoritate cuvântului şi muzicii şi negativ când, printr-o prelungire prea mare a duratei sunetului, conduce la mascarea sa. Astfel se poate vorbi de un timp optim al reverberaţiei. Diverşi cercetători şi autori nu sunt totuşi unanim de acord asupra valorii exacte pentru durata de reverberaţie a unei săli de dimensiuni date. In aprecieri intervin, desigur, criterii subiective cât şi alţi factor! (zgomotele de afară sau din sală). Punerea în valoare a unei producţii muzicale nu se poate stabili după reguli absolute. Pentru săli de concert, durata reverberaţiei trebuie adaptată genului de muzică: reverberaţia scurtă pentru muzica de cameră şi compoziţii caracterizate prin fineţe de măsură; reverberaţia mai lungă pentru formaţii mari, orchestrale şi compoziţii cu efecte largi (de exemplu muzica lui Wagner). Teatrele de dramă sau de comedie trebuie să aibă o reverberaţie asemănătoare cu a sălilor de conferinţă. Frecvenţele înalte sunt determinante pentru inteligibilitatea vorbei şi strălucirea sunetelor de muzică, dar sunt cele mai dăunătoare pentru ecouri sau interferenţe. Frecvenţele joase ajută volumul şi plenitudinea (amploarea) în muzică şi vorbă; ele nu sunt atât de supărătoare în cazul ecoului şi al interferenţei. Intr-o formă generală, valoarea duratei optime de reverberaţie se poate calcula cu relaţia: ε 3 V (3) 10 unde ε este un coeficient cu valoare. funcţie de destinaţia sălii. Au fost stabilite astfel următoarele valori: - pentru săli de conferinţe, studiouri de radio şi înregistrări de sunet se recomandă un timp scurt de reverberaţie, variind între 0,8 şi 1,2 s, funcţie de volumul sălii, la frecvenţa medie de 512 Hz; - pentru săli de cinema, se ia în calcul ε = 0,8; - pentru săli de muzică simfonică, ε = 1,2 ; - pentru săli de dans, festivaluri, muzică de orgă, ε =1,3. Toptim =

4

3. FRECVENŢE PROPRII ŞI FENOMENUL DE REZONANŢĂ Frecvenţa sunetelor are o foarte mare importanţă în problemele de acustică şi în alegerea soluţiilor constructive. Frecvenţelor mari le corespund sunete înalte sau ascuţite şi invers. Pornind de la situaţia particulară a unui spaţiu închis, de formă paralelipipedică, cu dimensiunile ℓx, ℓy şi ℓz, frecvenţele proprii ale acestui spaţiu determină unde sonore care, după reflexii multiple în încăpere, interferează, producând unde staţionare care se caracterizează prin concentrări de energie în centre şi noduri, afectând uniformitatea câmpului sonor. S-a stabilit experimental şi în practică faptul că frecvenţele proprii ale unui spaţiu cu 3 dimensiuni se calculează cu relaţia: 2

2

2

 nx   n y   nz  (4)   +   +      x    y   z  în care: ℓx, ℓy, ℓz reprezintă dimensiunile sălii; n, număr întreg pozitiv. Frecvenţele pot fi axiale, tangenţiale, oblice, funcţie de orientarea undelor sonore faţă de suprafeţele spaţiului. Limitarea fenomenului de rezonanţă (a frecvenţelor proprii) în afara domeniului admisibil este posibilă prin adoptarea unei forme şi a unor dimensiuni corespunzătoare, respectând rapoartele între ele. C fn = 2

4. INTELIGIBILITATEA SAU CLARITATEA In general, într-o sală bine concepută, mică sau mare, trebuie nu numai să auzim vorbitorul, dar şi să înţelegem fără dificultate cuvintele. Această caracteristică se exprimă prin coeficientul de articulaţie al sălii. Acest coeficient se stabileşte astfel: se citesc cu voce tare sau destul de tare o serie de silabe, ce nu formează cuvinte ("logatomi"); stenografii notează. Procentul de silabe notate corect este coeficientul de articulaţie. In camere de apartament el nu depăşeşte 96%. Mai mult de 86% reprezintă un rezultat foarte bun; poţi înţelege pe vorbitor fără a fi foarte atent. Minimum admisibil este de 70%. Procentul adăugat de o bună articulaţie a sălii măreşte cu 10% coeficientul. Rezultatele cele mai bune se obţin dând sălii o durată de reverberaţie destul de mică (0,6-1,0 s). Muzicalitatea sau calitatea timbrului sălii este o problemă foarte delicată la care, în afară de aplicarea metodelor ştiinţifice este necesar şi simţul muzical. Ameliorarea timbrului sălii se face prin distribuţia cât mai variată a suprafeţelor absorbante şi reflectante şi prin controlarea succesivă a efectelor sonore obţinute pentru diverse instrumente, ansambluri şi chiar vorbă, de preferinţă cu asistenţa unui şef de orchestră în afara inginerului de sunet. 3. RECOMANDĂRI DE PROIECTARE A SĂLILOR ÎN VEDEREA ASIGURĂRII CALITĂŢII ACUSTICE Pentru a proceda raţional la proiectarea sălilor de spectacole sonore în general, a studiourilor, încăperilor anexe, arhitectul trebuie să cunoască şi să respecte anumite reguli şi principii: • Forma sălii. Prin alegerea formei celei mai potrivite din punct de vedere acustic, după determinarea destinaţiei sălii, se pot elimina multe probleme de la bun început. In general, orice formă este posibilă şi ameliorabilă, fie prin tratamente acustice, fie prin împărţirea suprafeţelor interioare in fâşii absorbante şi reflectante, fie prin aplicarea ambelor metode concomitent. Este totuşi preferabil să adoptăm de la bun început o formă corespunzătoare cerinţelor acusticii. Astfel, sub aspect acustic, forma trapezoidală reprezintă unele avantaje, împiedicând formarea ecourilor repetate fi asigurând o bună transmisie a sunetelor directe. Pentru asigurarea premiselor unei bune acustici, forma sălii va fi controlată de aproape aceleaşi legi pe care arhitecţii le-au întrebuinţat şi în trecut, pentru asigurarea unei cît mai bune vizibilităţi. 5

Respectarea unor raporturi convenabile între lungimea şi lăţimea sălii, în vederea obţinerii unei forme proporţionate în plan orizontal, ajută în general la obţinerea unei acustici corespunzătoare.

Raportul ℓ/L, în care ℓ este lăţimea şi L lungimea sălii va fi cuprinsă între: 1/4 şi 1/2. Acest raport variază în funcţie de condiţii subiective. Forma în secţiune sau profilul sălii este controlat în mare parte de volumul optim prescris în funcţie de unitatea de suprafaţă sau pe loc de spectator. Ca forme în secţiune sînt de evitat curbele concave, bolţile în cupole, care dau reflexii convergente, concentrând sunetele şi dând loc unei defectuoase distribuţii a acestora.

Suprafeţele concave cu masa mare de curbură (cel puţin de două ori distanţa de la portal la cel mal îndepărtat spectator) nu sunt permise. Volumele excesive sunt de evitat din punct de vedere acustic. Arhitectul trebuie să caute, mai ales când este vorba de încăperi mari (auditorii, teatre, cinematografe) să reducă la minimum volumul, bineînţeles fără a sacrifica proporţiile, din punct de vedere al vizibilităţii. Prescripţiile în vigoare prevăd ca volumul sălilor să fie cuprins între 4,0 m3 şi 8,0 m3 pe persoană. O formulă pentru a stabili raporturi favorabile între lungimea, lăţimea şi înălţimea săli de spectacol este împărţirea lungimii sălii, în medie şi extremă raţie sau: L  = sau 2 = L ⋅ h (5)  h în care: L reprezintă lungimea sălii; ℓ, lăţimea; h, înălţimea.

6

7

• Pardoselile sălilor joacă, de asemenea, un rol important şi trebuie luată în consideraţie modalitatea lor de a fi tratate. Având în vedere faptul că suprafaţa pardoselii este ocupată de ascultător şi deci puternic fragmentată, capacitatea ei de reflexie se consideră a fi neglijabilă. Astfel forma pardoselii se va stabili numai funcţie de traiectoria directă a sunetelor. In cazul în care sursa sonoră este repartizată pe o suprafaţă mai mare se cere o înălţare succesivă a rândurilor de locuri (teatre, săli de concerte etc.), lucru necesar şi pentru a asigura vizibilitatea. Rezultă astfel o formă curbă a profilului pardoselii, fapt ce trebuie să ţină seama de două considerente şi anume: dacă pentru obţinerea vizibilităţii este necesar un unghi de 12°-15°, pentru asigurarea calităţii acustice este necesară o supraînălţare mai accentuată. • Forma suprafeţei tavanului se stabileşte în urma studiilor de acustică geometrică, corelate cu studiul formei în plan şi a suprafeţei pereţilor. Iată şi câteva situaţii de tratare a tavanului:

a - nivelul de intensitate sonoră redus în rîndurile din spate; b - forma curbă a tavanului duce la îmbunătăţirea cîmpului sonor în a doua jumătate a sălii; c - îmbunătăţirea cîmpului sonor prin fragmentarea tavanului şi înălţarea rândurilor; d - îmbunătăţirea calităţii acustice prin utilizarea e balcoanelor.

Forma în plan a tavanului se corelează cu forma în plan a sălii astfel:

De reţinut că forma în plan a sălii VII poate fi. asociată cu orice mod de tratare al 8

tavanului. • Forma suprafeţei pereţilor trebuie să fie studiată astfel încât să fie respectate următoarele condiţii: distanţa între sursă şi ascultător trebuie să fie cît mai mică; forma în plan să ia în considerare direcţionarea sunetului; unghiul de vedere sub care se văd fotoliile limită din locul emiţătorului de sunet trebuie să fie cît mai mic; este necesară dirijarea reflexiei prin tratarea corespunzătoare a pereţilor laterali; aceste forme se vor evita deoarece se ştie că formele concave duc la concentrări de sunete; este necesară corecţia acustică prin tratamente absorbante pentru a se evita ecourile repetate. -

De reţinut :că şi în cazul pereţilor, forma tavanului trebuie corelată cu forma în plan a sălii. • Suprafeţele care delimitează sălile se cer a fi fragmentate. Acest fapt are un dublu efect avantajos asupra calităţii acustice a sălilor: favorizează reflexia sunetelor, asigurând uniformitatea câmpului sonor şi intervin favorabil asupra duratei de reverberaţie a sălilor. S-a constatat astfel că cele mai bune efecte acustice se obţin prin fragmentarea cu elemente ce au striaţii în adâncime între 0,50 m şi 1,00 m şi o lăţime de la un metru până la doi metri. Dacă aceste elemente la rândul lor se fragmentează prin profile curbilinii, se obţin rezultatele cele mai bune, atât în ceea ce priveşte frecvenţa media cât şi în ceea ce priveşte frecvenţele cele mai înalte. Fragmentările pot fi obţinute prin: - elementele de structură – stâlpi, grinzi; - prin utilizarea unor structuri acustice speciale. 4. MATERIALE ŞI STRUCTURI FONOABSORBANTE Intr-un spaţiu închis o parte din energia sonoră emisă de o sursă venind în contact cu suprafeţele delimitatoare se întoarce în încăpere datorită fenomenului de reflexie, Er , o parte este transmisă prin elementul de separaţie, Et, iar altă parte este disipată la suprafaţă, transformându-se în căldură, Ed. E = Er + Et + Ed (6) Energia disipată şi energia transmisă sau, cu alte cuvinte, energia nereflectată este considerată ca fiind absorbită de suprafeţele încăperii, raportul între energia absorbită şi cea incidentă fiind numit coeficient de absorbţie acustică, α; E + Et Ea α= d = (7) E E Raportul între energia reflectată şi cea incidentă caracterizează capacitatea de reflexie a suprafeţei prin coeficientul: E ρ= r (8) E In general însă, energia transmisă prin elementul de construcţie este neglijabilă şi prin urmare, coeficientul de absorbţie acustică poate fi definit ca raportul între energia disipată şi cea incidentă. Disiparea energiei este provocată de frecări, iar frecările cresc odată cu creşterea vitezei de deplasare a particulelor de aer. La rândul său, viteza de deplasare a particulelor creşte cu frecvenţa, aşa încât pentru caracterizarea unui material sau sistem din punct de vedere al absorbţiei acustice este necesar să se cunoască coeficientul de absorbţie pentru un domeniu larg 9

de frecvenţe. Pentru obţinerea absorbţiei acustice sînt utilizate două procedee, bazate pe fenomene fizice diferite: - disiparea energiei prin frecare în cadrul unor materiale cu pori deschişi - absorbanţi fonici poroşi; - disiparea energiei prin punerea în mişcare a unor sisteme oscilante care la rezonanţă amplifică viteza de circulaţie a aerului, realizând o sporire a eficacităţii frecărilor. Sistemele oscilante fonoabsorbante sînt de două categorii: - membrane vibrante, constând dintr-un volum de aer care formează resortul sistemului oscilant şi dintr-o membrană care închide acest volum de aer şi a cărei masă constituie masa sistemului oscilant; - rezonatori care sînt sisteme mecanice constând din cavităţi cu aer deschise, comunicând cu exteriorul printr-un orificiu (gât); resortul sistemului oscilant este constituit din volumul de aer care umple cavitatea, iar masa oscilantă din masa aerului din orificiu.

Materialele utilizate ca absorbanţi fonici poroşi sunt: vată minerală, vată de sticlă, PFL poros, pâslă, poliuretan. Montarea acestora se face direct pe suport sau cu interspaţii de aer, iar 10

mascarea se realizează cu pânză de sac. Membranele vibrante sunt plăci subţiri, alcătuite din materiale dense (placaj, PFL dur, sticlă, PAL etc.), cu grosime mică şi masă redusă (sub 10 Kg/m), amplasate la o anumită distanţă faţă de un perete rigid. Absorbţia prin rezonatori se obţine cu ajutorul unor baterii de rezonatori, formate din plăci rigide perforate, dispuse la o anumită distanţă faţă de perete. Dacă în spatele plăcii perforate se introduce un material poros, se obţine un sistem mixt.

11