Как рассчитать звуковое давления по площади. Расчет эффективной площади озвучиваемой рупорным громкоговорителем. Расчет эффективной дальности

Общие положения.

Расчет акустических параметров звуковоспроизводящих устройств предполагает выбор необходимых громкоговорителей в зависимости от действующего уровня фонового шума и выбранной схемы озвучивания. Действующий уровень фонового шума зависит от назначения помещения. Полагается, что для качественного восприятия речи (диспетчерских передач) уровень звукового давления громкоговорителя должен на 10-15дБ превышать уровень фонового шума в наиболее удаленной точке помещения.

При относительно низких фоновых шумах (менее 75дБ) необходимо обеспечивать избыточный уровень полезного сигнала 15дБ, при высоких (более 75дБ) - достаточно 10дБ.

Т.е. требуемый уровень звукового давления:

ДБ - для помещения с относительно низким уровнем фоновых шумов;

, дБ - для помещения с высоким уровнем фоновых шумов;

где - действующий уровень фонового шума в помещении

Для сравнения можно привести характерные уровни звуковых шумов для помещений различного назначения:

нормальная тишина в помещении – 45 – 55дБ;

приглушенные разговоры в помещении – 55дБ;

Если в центре стены установлен вентилятор мощностью 60 дБ, уровень давления на расстоянии 2 м от вентилятора будет. Средний коэффициент поглощения должен быть. Постоянная комнаты будет стоить. С этими данными на рис. Шум через трубы. В прошлом была описана процедура расчета давления, которое существует в точке в комнате, зная расположение и мощность источника шума, который существует в помещении. Та же проблема теперь должна быть решена, но, учитывая, что шум передается в соответствующее помещение через трубопровод, как в установках кондиционирования воздуха.

разговоры учащихся во время занятий - 60дБ;

шумы в среднем магазине – 63дБ;

шумы на переменах в помещениях учебных заведений, в крупных магазинах - 65 – 70дБ;

шумы в залах ожиданий вокзалов, очень крупных магазинов и т.п. помещений с большим числом разговаривающих людей - 70 - 75дБ;

шумы в аппаратных залах и т.п. помещениях с большим числом работающих людей и механизмов – 75 - 80дБ;

Разгрузочное отверстие должно рассматриваться как источник шума, излучающего звуковую мощность, равную мощности излучателя, уменьшенной затуханием трубопровода. Чтобы более четко выразить процесс следования, чтобы рассчитать возникающие затухания, мы объясним это вместе с разрешением примера.

Предположим, что вентилятор на фиг. 9 подает количество воздуха, которое распределяется по нескольким каналам. Общая излучаемая звуковая мощность имеет спектр, отраженный в таблице. Если присутствует только поток ветви 1, очевидно, что не все вентиляторные шумы достигнут вас. Спектр мощности волны, распространяемой интересующим проводником, может быть вычислен путем вычитания из вентилятора значения, определяемого использованием графика на рис.

шумы в цехах металло- и деревообрабатывающих предприятий, на крупных фабриках - 85 – 90дБ.

Характеристики громкоговорителей.

К основным характеристикам громкоговорителей относятся их направленность, диапазон частот и уровень звукового давления, развиваемого на одном метре от излучателя.

Ненаправленными громкоговорителями считают динамики, потолочные громкоговорители, а так же всевозможные звуковые колонки (хотя, если считать более строго, колонки занимают промежуточное положение между направленными и ненаправленными системами). Область распространения звука ненаправленных громкоговорителей (диаграмма направленности) достаточно широка (около 60), а уровень звукового давления относительно невелик.

К направленным громкоговорителям в первую очередь относятся рупорные излучатели т.н. «колокольчики». В рупорных громкоговорителях происходит концентрация акустической энергии за счет особенностей конструкции самого рупора, они отличаются узкой диаграммой направленности (около 30) и высоким уровнем звукового давления. Работают рупорные громкоговорители в узкой полосе частот и потому плохо подходят для качественного воспроизведения музыкальных программ, хотя за счет высокого уровня звукового давления хорошо подходят для озвучивания больших площадей, в том числе открытых пространств.

Выбор громкоговорителей по диапазону частот зависит от назначения системы. Для диспетчерских передач и создания музыкального фона вполне достаточен диапазон 200Гц – 5кГц, он обеспечивается практически любыми акустическими устройствами (рупорные излучатели имеют несколько меньший диапазон, но для речевых передач его вполне хватает). Для высококачественного озвучивания, требуются громкоговорители, имеющие диапазон частот не менее 100Гц – 10кГц.

Необходимый уровень звукового давления является единственной характеристикой громкоговорителя, которая определяется по результатам расчетов. Именно с этой характеристикой возникает наибольшее число проблем и в чаще всего они связаны с путаницей между электрической мощностью и звуковым давлением. Между этими величинами существует косвенная зависимость, поскольку громкость звучания определяется звуковым давлением, а мощность обеспечивает работу громкоговорителя, из подводимой мощности только часть преобразуется в звук и величина этой части зависит от к.п.д. конкретного громкоговорителя. Большинство производителей акустических систем приводят или звуковое давление в Паскалях (Па), или уровень звукового давления в дБ на расстоянии 1м от излучателя. Если приведено звуковое давление в Па, а требуется получить уровень звукового давления в дБ, перевод одной величины в другую осуществляется по формуле:

Для типичного ненаправленного громкоговорителя можно принять, что 1Вт электрической мощности соответствует уровню звукового давления примерно 95дБ. Каждое увеличение (уменьшение) мощности вдвое, приводит к увеличению (уменьшению) уровня звукового давления на 3дБ. Т.е. 2Вт – 98дБ, 4Вт – 101дБ, 0.5Вт – 92дБ, 0.25Вт – 89дБ и т.п. Существуют громкоговорители, имеющий звуковое давление на 1Вт мощности менее 95дБ и громкоговорители, обеспечивающие на 1Вт 97 и даже 100дБ, при этом одноваттный громкоговоритель с уровнем звукового давления 100дБ заменяет громкоговоритель мощностью 4 Вт с уровнем 95дБ/Вт (95дБ – 1Вт, 98дБ – 2Вт, 101дБ – 4Вт), очевидно, что применение такого громкоговорителя более экономично. Можно добавить, что при одной и той же электрической мощности уровень звукового давления потолочных громкоговорителей на 2 – 3 дБ ниже, чем настенных. Это связано с тем, что настенный громкоговоритель расположен либо в отдельном корпусе, либо у хорошо отражающей задней поверхности, поэтому звук, излучаемый назад, практически полностью отражается вперед. Потолочные громкоговорители, как правило, крепятся на фальшпотолках или подвесах поэтому звук, излучаемый назад, не отражается и

не влияет на повышение фронтального звукового давления. Рупорные громкоговорители при мощностях 10 – 30 Вт обеспечивают звуковое давление 12-16Па (115-118дБ) и более имея, тем самым, наиболее высокое соотношением дБ/Вт.

В заключение, еще раз обращаем внимание на то, что при расчетах громкоговорителей необходимо обращать внимание на развиваемое им звуковое давление, а не на электрическую мощность , и только при отсутствии этой характеристики в описании, руководствоваться типовой зависимостью - 95дБ/Вт.

Расчет мощности громкоговорителей для сосредоточенных систем.

Расчет мощности громкоговорителей для сосредоточенных систем осуществляется в следующем порядке:

определяется необходимый уровень звука в удаленной точке озвучиваемого помещения:

,дБ, где - действующий уровень фонового шума в помещении, 10 –превышение требуемого уровня звукового давления над фоном.

, Па

, где - расстояние от громкоговорителя до крайней точки.

Если в сосредоточенной системе используется несколько громкоговорителей, то

, где -число громкоговорителей в сосредоточенной системе.

Пример:

Исходные данные: -- 15м;

- 65дБ.

= 65 + 10 = 75дБ;

=

= 0.112Па;

= 0.112*15=1.68Па;

=

= 98.5дБ.

Типовой громкоговоритель мощностью 1Вт обеспечивает уровень звукового давления примерно 95дБ, мощностью 2Вт – 98дБ. Требуемый расчетный уровень звукового давления 98.5дБ чуть больше 2Вт, следовательно можно применить двухваттный громкоговоритель.

Исходные данные: расстояние от громкоговорителя до удаленной точки - 15м;

уровень фонового шума в помещении - - 75дБ.

Требуемый уровень звука в удаленной точке -

= 75 + 10 = 85дБ;

Требуемое звуковое давление в удаленной точке:

=

= 0.35 Па;

Необходимое звуковое давление на расстоянии 1м от громкоговорителя:

= 0.35 *15/2=3.6Па;

Уровень звукового давления, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1м:

=

= 105дБ.

Типовой громкоговоритель мощностью 1Вт обеспечивает уровень звукового давления примерно 95дБ, мощностью 2Вт – 97дБ, 4Вт – 101дБ, 8Вт – 104дБ Следовательно, каждый из двух громкоговорителей должен иметь мощность около 8Вт.

Исходные данные: расстояние от громкоговорителя до удаленной точки - 80м;

уровень фонового шума - - 70дБ.

Требуемый уровень звука в удаленной точке -

= 70 + 10 = 80дБ;

Требуемое звуковое давление в удаленной точке:

=

= 0.19 Па;

Необходимое звуковое давление на расстоянии 1м от громкоговорителя:

= 0.19 *80= 15.96Па;

Уровень звукового давления, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1м:

=

= 117.6 дБ.

Громкоговоритель типа 50ГРД-3 мощностью 50Вт, имеет уровень звукового давления 118дБ, т.е. достаточен для озвучивания участка на заданном расстоянии.

Для упрощения расчетов мощности типовых громкоговорителей для небольших помещений (как правило, с сосредоточенной системой) можно воспользоваться графиками, приведенными ниже (Рис.4.9). Графики получены для помещений, из расчета соотношения ширины к длине (b/L) = 0.5 и потолками высотой 3 - 4.5м. Использована зависимость несколько больше типовой - 97дБ/Вт. Над каждой кривой приведен уровень фонового шума и в скобках, необходимый уровень звукового давления. Например, помещение площадью 80м.кв., уровень фонового шума 72дБ, требуемый уровень звукового давления 82 дБ, по графику - необходимая электрическая мощность типового громкоговорителя - 4 Вт.

Расчет мощности громкоговорителей для распределенных систем

Расчет мощности громкоговорителей для одинарной и двойной настенной цепочки:

определяется необходимый уровень звука в помещении:

, дБ, где - действующий уровень фонового шума в помещении.

рассчитывается звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель в удаленной точке:

, Па

определяется звуковое давление, которое должен развивать громкоговоритель на расстоянии 1м:

для одиночной цепочки или цепочки, расположенной в шахматном порядке

, Па,

для двойной цепочки:

, Па

где b – ширина помещения,D - расстояние между громкоговорителями в цепочке. ВместоD можно подставить выражение:D =L / N , где L – длина помещения, N– количество громкоговорителей вдоль одной стены.

определяется уровень звукового давления, которое должен обеспечивать каждый громкоговоритель:

Являются наиважнейшей составляющей систем противопожарной защиты. В процессе проектирования систем оповещения выполняется электроакустический расчет. Основанием для электроакустического расчета является свод правил, разработанный в соответствии со статьей 84 федерального закона ФЗ-123 СП 3.13130.2009 от 22 июля 2008 г. Данная статья опирается на следующие основные пункты свода правил.

• 4.1. Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать общий уровень звука (уровень звука постоянного шума вместе со всеми сигналами, производимыми оповещателями) не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя, но не более 120 дБА в любой точке защищаемого помещения
• 4.2. Звуковые сигналы СОУЭ должны обеспечивать уровень звука не менее чем на 15 дБА выше допустимого уровня звука постоянного шума в защищаемом помещении. Измерение уровня звука должно проводиться на расстоянии 1,5 м от уровня пола
• 4.7. Установка громкоговорителей и других речевых оповещателей в защищаемых помещениях должна исключать концентрацию и неравномерное распределение отраженного звука
• 4.8. Количество звуковых и речевых пожарных оповещателей, их расстановка и мощность должны обеспечивать уровень звука во всех местах постоянного или временного пребывания людей в соответствии с нормами настоящего свода правил

Смысл электроакустического расчета сводится к определению уровня звукового давления в расчетных точках – в местах постоянного или временного (вероятного) пребывания людей и сравнению данного уровня с рекомендованными (нормативными) значениями.

В озвучиваемом помещении присутствует различного рода шум. В зависимости от назначения и особенностей помещения, а также времени суток, уровень шума варьируется. Наиболее важным параметром при расчете, является величина среднестатистического шума. Шум можно измерить, но правильней и удобней взять его из готовых шум-таблиц:

Для того чтобы услышать звуковую или речевую информацию, она должна быть громче шума на 3дБ, т.е. в 2 раза. Величину 2 называют запасом звукового давления. В реальных условиях шум меняется, поэтому для отчетливого восприятия полезной информации на фоне шума, запас давления д.б не менее чем в 4 раза – 6 дБ, по нормативам – 15дБ.

Удовлетворение условий изложенных в пунктах 4.6, 4.7 свода правил, достигается организационными мероприятиями – правильной расстановкой громкоговорителей, предварительным расчетом:

• звукового давления громкоговорителя,
• звукового давления в расчетной точке,
• эффективной площади озвучиваемой одним громкоговорителем,
• общего количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории.

Критерием правильности электроакустического расчета, является выполнение следующих условий:

1. Звуковое давление выбранного громкоговорителя д.б. "не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя", что соответствует величине звукового давления громкоговорителя не ниже 85дБ.
2. Звуковое давление в расчетной точке д.б. выше уровня среднестатистического шума в помещении на 15дБ.
3. Для потолочных громкоговорителей необходимо учитывать высоту их установки (высоту потолков).

Если все 3 условия выполнены – электроакустический расчет выполнен, если нет, то возможны следующие варианты:

• выбрать громкоговоритель с большей чувствительностью (звуковым давлением, дБ),
• выбрать громкоговоритель с большей мощностью (Вт),
• увеличить количество громкоговорителей,
• изменить схему расстановки громкоговорителей.

2. Входные параметры для расчета

Входные параметры для расчетов берутся из технического задания (ТЗ) (предоставляемого заказчиком) и технических характеристик на проектируемое оборудование. Список и количество параметров может варьироваться в зависимости от ситуации. Примерные входные данные приведены ниже.

Параметры громкоговорителей:

• SPL
• Pгр – мощность громкоговорителя, Вт,
• ШДН – Ширина диаграммы направленности, град.

Параметры помещения:

• N – Уровень шума в помещении, дБ,
• Н – Высота потолков, м,
• a – Длина помещения, м,
• b – Ширина помещения, м,
• Sп – Площадь помещения, м2.

Дополнительные данные:

• ЗД – Запас звукового давления, дБ
• r – Расстояние от громкоговорителя до расчетной точки.

Площадь озвучиваемого помещения:

Sп = a * b

3. Расчет звукового давления громкоговорителя

Зная номинальную мощность громкоговорителя (Рвт) и его чувствительность SPL (SPL от англ. Sound Pressure Level – уровень звукового давления громкоговорителя измеренного на мощности 1Вт, на расстоянии 1м), можно рассчитать звуковое давление громкоговорителя, развиваемое на расстоянии 1м от излучателя.

• SPL – чувствительность громкоговорителя, дБ,
• Рвт – мощность громкоговорителя, Вт.

Второе слагаемое в (1) называется правилом "удвоения мощности" или правилом "трех децибел". Физическая интерпретация данного правила – при каждом удвоении мощности источника, уровень его звукового давления увеличивается на 3дБ. Данную зависимость можно представить таблично и графически (см. рис.1).

Рис.1. Зависимость звукового давления от мощности

4. Расчет звукового давления

Для расчета звукового давления в критической (расчетной) точке, необходимо:

1. Выбрать расчетную точку
2. Оценить расстояние от громкоговорителя до расчетной точки
3. Рассчитать уровень звукового давления в расчетной точке

В качестве расчетной точки выберем место возможного (вероятного) нахождения людей, наиболее критичное с точки зрения положения или удаления. Расстояние от громкоговорителя до расчетной точки (r) можно рассчитать или измерить прибором (дальномером).

Рассчитаем зависимость звукового давления от расстояния:

• r – расстояние от громкоговорителя до расчетной точки, м;
• 1

ВНИМАНИЕ: формула (2) справедлива при r > 1 .

Зависимость (2) называется правилом "обратных квадратов” или правилом “шести децибел”. Физическая интерпретация данного правила – при каждом удвоении удаления от источника, уровень звука уменьшается на 6дБ. Данную зависимость можно представить таблично и графически, рис.2:

Рис.2. Зависимость звукового давления от расстояния

Уровень звукового давления в расчетной точке:

• N – Уровень шума в помещении, дБ (N от англ. Noise – шум),
• ЗД – Запас звукового давления, дБ.

При ЗД=15дБ:

Если звуковое давление в расчетной точке выше уровня среднестатистического шума в помещении на 15дБ – расчет выполнен правильно.

5. Расчет эффективной дальности

Эффективная дальность звучания (L) – расстояние от источника звука (громкоговорителя) до геометрического места расположения расчетных точек, находящихся в пределах ШДН, звуковое давление в которых остается в пределах (N+15дБ). На техническом сленге - “расстояние, которое громкоговоритель пробивает”.

В англоязычной литературе эффективная дальность звучания (effective acoustical distance (EAD)) – расстояние, при котором сохраняется четкость и разборчивость речи (1).

Рассчитаем разность между звуковым давлением громкоговорителя, уровнем шума и запасом давления.

• p – разность звукового давления громкоговорителя, уровня шума и запаса давления, дБ.
• 1 – коэффициент учитывающий, что чувствительность громкоговорителя измеряется на 1м.

6. Расчет площади, озвучиваемой одним громкоговорителем

Основанием для оценки величины озвучиваемой площади, является следующая установка:

Расчет будем вести из следующих допущений: Диаграмму направленности (излучения) громкоговорителя, можно представить в виде конуса (звукового поля сконцентрированного в конусе) с телесным углом в вершине конуса, равным ширине диаграммы направленности.

Площадь, озвучиваемая громкоговорителем – проекция звукового поля, ограниченного углом раскрыва на плоскость, проведенную параллельно полу на высоте 1,5м. По аналогии с эффективной дальностью: Эффективная площадь, озвучиваемая громкоговорителем – площадь звуковое давление в пределах которой не превышает значение N+15дБ (ф-ла 5).

ПРИМЕЧАНИЕ: Громкоговоритель излучает во всех направлениях, но мы будем опираться на входные данные – уровни звукового давления в пределах диаграммы направленности. Правильность данного подхода подтверждается статистической теорией.

Разобьем громкоговорители на 3 класса (типа):

1. потолочные,
2. настенные,
3. рупорные.

8. Расчет эффективной площади, озвучиваемой настенным громкоговорителем

9. Расчет эффективной площади озвучиваемой рупорным громкоговорителем

10. Расчет количества громкоговорителей необходимого для озвучивания определенной территории

Рассчитав эффективную площадь, озвучиваемую одним громкоговорителем, зная общие размеры озвучиваемой территории, рассчитаем общее количество громкоговорителей:

• Sп – озвучиваемая площадь, м2,
• Sгр – эффективная площадь, озвучиваемая одним громкоговорителем, м2,
• Int – результат округления до целого значения.

11. Электроакустический калькулятор

Общий полученный результат в виде блок-схемы:

Рис.6. Блок-схема электроакустического калькулятора

Пример программирования

В данном калькуляторе (написанном в программе Microsoft Excel) реализована элементарная краткая методика – алгоритм электроакустического расчета, изложенный выше. .

Рис.7. Электроакустический калькулятор в программе Microsoft Excel

На основе разработанного алгоритма расчета работает и .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список и краткие характеристики громкоговорителей ROXTON