Приложение А (справочное). Акустические параметры помещений, определяемые на основе импульсной переходной характеристики

Приложение А
(справочное)

Акустические параметры помещений, определяемые на основе импульсной переходной характеристики

А.1 Общие положения

Субъективные исследования акустических характеристик помещений показали, что многие параметры, определяемые по импульсной переходной характеристике, коррелируют с субъективно воспринимаемыми акустическими свойствами помещений. Хотя время реверберации является одним из фундаментальных акустических параметров помещения, новые дополнительные величины обеспечивают более полное описание акустического качества помещения. Перечень рассматриваемых в настоящем приложении субъективно важных величин ограничен теми, что могут быть непосредственно определены по интегрированной импульсной переходной характеристике. Нахождение зрителей в аудитории может повлиять на время реверберации и значения рассматриваемых здесь величин.

Имеется пять групп или видов величин (см. таблицу А.1). В каждой группе, как правило, более одного показателя, но значения различных величин в каждой группе связаны друг с другом. Таким образом, каждая группа содержит несколько приблизительно эквивалентных показателей и не обязательно рассчитывать значения всех из них; однако по меньшей мере одна величина из каждой группы должна быть принята во внимание.

Таблица А.1 - Акустические величины, сгруппированные по оцениваемым слушателями параметрам

Субъективный параметр, оцениваемый слушателем	Акустическая величина	Диапазон усреднения по октавным полосам*, Гц	Ощущаемое отличие (JND)	Типичный диапазон**
Субъективный уровень звука	Сила звука G, дБ	от 500 до 1000	1 дБ	(-2; +10) дБ
Ощущаемая реверберация	Время раннего запаздывания (EDT), с	от 500 до 1000	5%	(1,0; 3,0) с
Ощущаемая чистота звука	Чистота , дБ	от 500 до 1000	1 дБ	(-5; +5) дБ
	Четкость	от 500 до 1000	0,05	(0,3; 0,7)
	Центральное время , мс	от 500 до 1000	10 мс	(60; 260) мс
Кажущаяся ширина источника (ASW)	Ранняя боковая энергетическая составляющая или	от 125 до 1000	0,05	(0,05; 0,35)
Окружение слушателя (LEV)	Поздний боковой уровень звука	от 125 до 1000	Неизвестно	(-14; +1) дБ
* Усреднение по октавным полосам означает арифметическое среднее для величин в октавных полосах, за исключением уровня , который должен усредняться энергетически [см. (А.17)]. ** Усредненные по частоте значения в отдельных точках измерений в незаполненных концертных и многоцелевых залах объемом до 25000 .

А.2 Определение измеряемых величин

А.2.1 Сила звука

Сила звука G может быть измерена при помощи калиброванного ненаправленного (образцового) источника звука как логарифмическое отношение звуковой энергии (возведенного в квадрат и проинтегрированного звукового давления) измеренной импульсной переходной характеристики к такому же отклику, измеренному в свободном звуковом поле на расстоянии 10 м от источника звука, в соответствии с формулами (А.1) - (А.3):

, (A.1)

причем

, (A.2)

, (A.3)

где p(t) - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики в точке измерения;

- мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики, измеренное на расстоянии 10 м в свободном звуковом поле;

мкПа;

c;

- уровень звукового воздействия звукового давления p(t);

- уровень звукового воздействия звукового давления .

В приведенных выше формулах t = 0 соответствует моменту прихода прямого звука, t = 4 соответствует моменту времени, значительно превышающему или равному времени уменьшения кривой спада на 30 дБ.

При использовании большой заглушенной камеры уровень может быть непосредственно измерен при расстоянии между источником и приемником звука, равном 10 м. Если измерения в таких условиях невозможны, то может быть измерен уровень звукового воздействия в некоторой точке, расположенной на расстоянии d ( м) от источника и в этом случае уровень может быть рассчитан по формуле

. (A.4)

Если такие измерения выполняют в свободном звуковом поле, то для усреднения характеристики направленности источника необходимо измерять уровни звукового воздействия через каждые 12,5° вокруг источника звука и рассчитывать его средние по энергии значения.

Примечание 1 - Альтернативно опорный уровень звукового воздействия может быть измерен в реверберационной камере с использованием формулы из [7], [8]:

, (A.5)

где - усредненный по пространству уровень звукового воздействия, измеренный в реверберационной камере;

А - эквивалентная площадь звукопоглощения камеры, ;

.

Площадь А может быть определена по времени реверберации помещения при помощи формулы Сэбина:

, (A.6)

где V - объем реверберационной камеры, ;

Т - время реверберации камеры, с.

Примечание 2 - Альтернативно сила звука G может быть измерена при помощи стационарного ненаправленного источника звука по формуле

, (A.7)

где - уровень звукового давления, измеренный в каждой точке измерений испытуемого помещения;

- уровень звукового давления, измеренный на расстоянии 10 м в свободном звуковом поле.

При использовании большой заглушенной камеры уровень может быть непосредственно измерен при расстоянии между источником и приемником звука, равном 10 м. Если измерения в таких условиях недоступны, то может быть измерен уровень звукового давления некоторой точке, расположенной на расстоянии d ( м) от источника, и значение может быть рассчитано по формуле

. (A.8)

В данном случае необходимо выполнить усреднение характеристики направленности источника указанным выше способом.

Если применяют ненаправленный источник звука с известной звуковой мощностью, то сила звука может быть рассчитана по формуле

, (A.9)

где - уровень звукового давления в каждой точке измерения;

- уровень звуковой мощности источника звука.

Уровень звуковой мощности источника звука следует измерять по [2].

А.2.2 Измерения раннего времени спада

Раннее время спада (EDT) следует оценивать по наклону кривых проинтегрированной импульсной переходной характеристики (как обычное время реверберации). Наклон кривой спада следует определять по наклону линии наилучшей регрессии на интервале первых 10 дБ спада (от 0 до минус 10 дБ). Времена спада должны рассчитываться по наклону линии регрессии как время, необходимое для спада на 60 дБ.

Должны быть определены EDT и Т. EDT субъективно более важная величина, т.к. связана с субъективно воспринимаемой реверберацией, в то время как T характеризует физические свойства помещения.

А.2.3 Отношение средней энергии ранних и поздних откликов

Среди используемых параметров данной группы наиболее простым является отношение средней энергии ранних и поздних откликов. Данное отношение зависит от вида источника звука и при значении предельного времени запаздывания 50 мс для речи и - 80 мс для музыки может быть рассчитано по формуле:

, (A.10)

где - коэффициент ранних/поздних откликов;

- предельное время запаздывания - момент времени, условно отделяющий ранние отклики от поздних и определяющий начало интервала интегрирования по времени (показатель обычно называют "разборчивость");

р(t) - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики в точке измерения.

Примечание 1 - Данная величина может быть измерена как отношение звуковой энергии раннего отклика ко всей звуковой энергии. Например, показатель ("отчетливость" или "Deutlichkeit" - нем.) иногда применяют для речевых помещений в соответствии с формулой

. (A.11)

Эта величина связана с величиной посредством соотношения

. (A.12)

Имея в виду отмеченную взаимосвязь, нет необходимости измерять обе величины.

В качестве последней величины из рассматриваемой группы может быть определен центральный момент времени , являющийся центром тяжести возведенной в квадрат импульсной переходной характеристики, по формуле

. (A.13)

При определении импульсную переходную характеристику не разделяют на ранние и поздние отклики.

Величины данной группы характеризуют разборчивость или соотношение между разборчивостью и реверберацией.

Примечание 2 - Речевая разборчивость может быть определена также путем измерения индекса речевой передачи (STI) [5]. Изначально данная величина измерялась посредством специально модулированных шумовых сигналов, не рассматриваемых в настоящем стандарте, но она может быть получена также путем последующей (постпроцессной) обработки импульсной переходной характеристики.

А.2.4 Измерения энергии ранних боковых откликов

Доля звуковой энергии , распространяющаяся в боковых направлениях в первые 80 мс, может быть определена по импульсной переходной характеристике, измеренной при помощи имеющего диаграмму направленности в виде восьмерки (двунаправленного) микрофона по формуле

, (A.14)

где - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики помещения, измеренное двунаправленным микрофоном;

p(t) - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики в точке измерения.

Предполагается, что нуль диаграммы направленности двунаправленного микрофона расположен напротив некоторой средней точки источника или точно напротив каждого источника так, что микрофон воспринимает звуковую энергию преимущественно с боковых направлений и почти не реагирует на прямой звук.

Из-за косинусообразной формы диаграммы микрофона и возведения в квадрат звукового давления результирующий вклад отдельных отражений в энергию боковых отражений изменяется как квадрат косинуса угла падения отраженного звука относительно оси максимальной чувствительности микрофона.

Как альтернативу доли боковой энергии можно использовать субъективно более точную величину [9], определяемую по формуле (А.15), вклад отражений в которой изменяется как косинус угла

, (A.15)

где - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики помещения, измеренное двунаправленным микрофоном;

р(t) - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики в точке измерения.

Доля боковой энергии характеризует воспринимаемую пространственную ширину источника звука.

Полагают, что интерауральные поперечные корреляции звуковых сигналов, одновременно воспринимаемых обоими ушами слушателя, также связаны с пространственным восприятием. Эти величины рассмотрены в приложении В.

А.2.5 Измерения энергии поздних боковых откликов

Относительный уровень энергии поздних боковых откликов может быть определен по импульсной переходной характеристике помещения, измеренной при помощи образцового ненаправленного источника звука и двунаправленного микрофона, по формуле

, (A.16)

где - мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики помещения, измеренное двунаправленным микрофоном;

- мгновенное звуковое давление импульсной переходной характеристики, измеренное ненаправленным микрофоном на расстоянии 10 м от источника в свободном звуковом поле.

Предполагается, что нуль диаграммы направленности двунаправленного микрофона расположен вблизи некоторой средней точки источника или точно напротив каждого источника так, что данный микрофон воспринимает звуковую энергию с боковых направлений и почти не реагирует на прямой звук.

Усредненный по частоте уровень энергии поздних боковых откликов рассчитывают по формуле

, (A.17)

где - значение в i-й октавной полосе;

i - номер октавной полосы со среднегеометрическими частотами 125, 250, 500 и 1000 Гц.

Энергия поздних боковых откликов характеризует воспринимаемое слушателем окружение или объемность (просторность) помещения.

А.3 Измерения

А.3.1 Источник звука

Источник звука и связанное с ним оборудование должны обеспечивать необходимый уровень сигнала во всех октавных полосах частот от 125 до 4000 Гц, чтобы интервал спада уровня звукового давления в каждой октавной полосе был достаточной величины. Источник звука должен быть, по возможности, ненаправленным (см. 4.2.1).

При испытаниях, связанных с характеристиками речи, следует применять источник, имеющий направленность, близкую к говорящему человеку. Имитаторы головы, отвечающие требованиям [6], можно применять без специальной проверки диаграммы направленности.

А.3.2 Микрофоны

При всех видах измерений импульсной переходной характеристики следует использовать ненаправленный микрофон.

Для определения значений требуется двунаправленный микрофон. Относительная чувствительность ненаправленного и двунаправленного микрофонов в направлении максимальной чувствительности должна калиброваться в свободном звуковом поле.

Для определения значений G должен использоваться калиброванный ненаправленный микрофон.

А.3.3 Импульсные переходные характеристики

Для расчетов всех величин требуются значения импульсных переходных характеристик в октавных полосах. Они могут быть определены при помощи импульсного источника звука подобного холостому выстрелу из пистолета или путем более сложной обработки, требующей расчета импульсной характеристики от различных типов сигналов, излучаемых громкоговорителями. Если результирующая импульсная переходная характеристика не обладает достаточной повторяемостью, то результаты должны быть усреднены по нескольким измерениям в тех же точках измерения.

Пистолеты можно модернизировать с целью создания максимально ненаправленного излучения звука, но они, как правило, не генерируют идентичных импульсных переходных характеристик. Пистолеты могут создавать высокие уровни звука, обеспечивая получение результатов в нужном динамическом диапазоне, но их применение может сопровождаться нелинейными эффектами вблизи пистолета.

Методы с использованием в качестве источников звука громкоговорителя имеют ограничение по частоте и направленности излучения. Усреднение отклика по частоте обеспечивает некоторое улучшение стабильности результатов, однако неравномерность излучения громкоговорителя по направлению принципиально не может быть устранена и становится особенно значительной на высоких частотах. Использование громкоговорителя для излучения импульсных сигналов различного вида малопригодно из-за ограниченного динамического диапазона получаемой импульсной переходной характеристики, особенно без использования синхронного усреднения результатов повторных измерений. Одним из методов обеспечить импульсную переходную характеристику с хорошим динамическим диапазоном и устойчивостью к шумам является использование взаимно-корреляционной функции сигналов источника и микрофона (см. [3]). Эффективным подходом к реализации корреляционной# методов является применение быстрого преобразования Адамара и псевдослучайных последовательностей минимальной длины.

А.3.4 Применение временных окон и фильтрации к импульсным переходным характеристикам

Импульсные переходные характеристики подвергаются фильтрации октавными фильтрами.

Фильтрация приводит к задержке сигналов, которая может быть весьма значительной в случае полосы фильтра значительно меньшей октавной полосы частот. Таким образом, начало сигнала, прошедшего через фильтр, запаздывает относительно входного сигнала, и сигнал на выходе фильтра продолжается после окончания сигнала на его входе. Это создает дополнительные трудности при измерении таких величин, как или доли энергии , когда в октавных полосах фильтруют короткие отрезки начальных участков сигнала.

Лучшим способом избежать проблем с задержкой фильтра является обработка широкополосной импульсной переходной характеристики перед фильтрацией при помощи временного окна. Начало импульсной переходной характеристики для формул, приведенных в А.2, должно быть получено из широкополосной импульсной переходной характеристики на участке, где сигнал сначала значительно выше фонового шума, но остается ниже максимума не менее чем на 20 дБ. Ранние и поздние составляющие импульсной переходной характеристики фильтруют отдельно, и интервал интегрирования в формулах А.2 увеличивают, чтобы включить в него энергию задержанного фильтром сигнала.

Указанный выше способ обработки временным окном перед фильтрацией может быть выполнен путем коррекции временного окна [7]. Если импульсные сигналы сначала фильтруют в октавных полосах, то начало интегрирования в формулах А.2 должно быть определено как точка, где выходной сигнал фильтра после первого превышения фонового шума становится равным значению, которое на 20 дБ ниже максимума. Начало раннего отклика должно начинаться от этого момента времени и иметь продолжительность секунд, увеличенную на половину времени задержки фильтра. Момент начала позднего отклика должен начинаться от окончания выходного сигнала раннего отклика, т.е. запаздывать от его начала на секунд плюс половина времени задержки фильтра. В данном случае время задержки фильтра соответствует моменту достижения энергией выходного сигнала значения, равного половине всей энергии импульса.

Определение начала низкочастотных откликов может оказаться невозможным из-за значительного ослабления прямого и раннего низкочастотного звука. Хотя это может быть необходимым для определения начального момента широкополосной или высокочастотной импульсной переходной характеристики и измерения времени задержки фильтров.

А.3.5 Кривые спада

Для получения интегрированных в октавной полосе кривых спада, по которым рассчитывают времена реверберации, следует использовать метод интегрированной импульсной переходной характеристики (интегрирование в обращенном времени) согласно 5.3.3. Одновременно и другие величины могут быть рассчитаны по этим кривым спада при условии правильного применения временного окна. При применении этого метода требуется правильное определение начального момента времени отклика в каждой октавной полосе по широкополосному отклику. В других случаях для нахождения значений других величин можно использовать интегрирование в прямом направлении времени.

А.4 Точки измерения

Отдельные количественные показатели не представляют собой статистические характеристики всего зрительного зала и, как правило, закономерно изменяются в зависимости от положения зрительского места. Поэтому важно выбрать необходимое число позиций источника и точек измерения, чтобы охарактеризовать помещение зала в целом.

Обычно следует использовать как минимум три позиции источника на сцене. В залах с большой сценой или оркестровой ямой требуется большее число позиций источника звука. В малых лекционных аудиториях, где естественный источник звука расположен в одном месте, достаточно одной позиции одиночного испытательного источника.

Источник должен располагаться в позициях, репрезентативных тем, что используются во время представлений в данном зале. Поскольку большинство залов симметрично относительно центральной осевой линии, точки измерения могут располагаться с одной стороны зала при размещении источника симметрично относительно центральной линии. Таким образом, одна позиция источника может быть по центру и по одной позиции справа и слева от актера на сцене на равных расстояниях от центральной линии. Для предотвращения изменения выходной мощности источника на низких частотах диапазона измерений рекомендуется располагать источник на высоте 1,5 м.

Если направленность источника близка к предельным значениям, указанным в таблице 1, то измерения следует полностью повторить по меньшей мере в трех положениях источника, отличающихся углом поворота. Результирующие параметры, относящиеся к разным углам положения источника, должны арифметически усредняться.

В зависимости от размеров зала должны использоваться как минимум от 6 до 10 позиций микрофона. В таблице А.2 приведено рекомендуемое число точек измерения как функция размеров зала. Точки измерения должны быть равномерно распределены по всей площади зрительских мест. Если зал разбит на отдельные пространства, такие как балконы и подбалконные зоны, то потребуется большее число точек измерения.

Микрофон следует располагать на высоте 1,2 м над полом вблизи зрительских мест, чтобы измеряемые сигналы были репрезентативны звукам, воспринимаемым сидящим слушателем. Положения источника и микрофона и их высоту следует регистрировать в протоколе испытаний. Следует также отмечать наличие стульев и музыкальных инструментов на сцене, т.к. это может оказать воздействие на результаты измерений.

Таблица А.2 - Минимальное число точек измерений в зависимости от размеров зала

Число мест	Минимальное число точек измерения
500	6
1000	8
2000	10

А.5 Представление результатов измерений

В дополнение к формату представления времени реверберации T, значения измеренных величин могут быть представлены в более сжатой форме путем определения средних значений результатов, полученных в паре соседних октав. Таким образом, результат для низких частот может быть представлен средним значением для октавных полос 125 и 250 Гц, аналогично для средних частот - средним значением для 500 и 1000 Гц и высоких частот - средним значением для 2000 и 4000 Гц. Следует иметь в виду, что доли боковой энергии в октавной полосе 4000 Гц обычно не считаются субъективно значимыми.

Для всех одночисловых значений рассмотренных выше параметров применяют арифметическое усреднение в октавных полосах, за исключением расчета значения , при котором должно быть применено энергетическое усреднение [см. формулу (А.17)]. При частотном усреднении в диапазонах, указанных в таблице А.1, у соответствующих величин следует указывать индекс "m" (среднее по частоте значение).

Пример 1 - - сила звука, усредненная в октавных полосах 500 и 1000 Гц;

Пример 2 - - доля ранней боковой энергии, усредненная в октавных полосах от 125 до 1000 Гц.

Результаты измерений для показателей, описанных в настоящем приложении, обычно не должны усредняться по всем точкам измерений в помещении, так как полагают, что данные показатели описывают локальные условия. Для больших залов иногда целесообразно усреднить результаты в некоторых зонах зала (места в партере, первого балкона и т.п.). Некоторые показатели, такие как сила звука G, изменяются с расстоянием, поэтому могут быть полезны графические зависимости G как функции расстояния между источником и микрофоном.