Время реверберации

Определение и физический смысл

Время реверберации — это интервал времени, необходимый для снижения уровня звукового давления в замкнутом помещении на 60 дБ после внезапного прекращения источника звука. Эта величина отражает акустические свойства помещения и определяет, насколько долго звук «затухает» после прекращения его излучения.

Время реверберации играет ключевую роль в восприятии звуковой среды: от него зависит разборчивость речи, качество музыкального звучания, пространственная локализация источников звука и общее ощущение акустического комфорта. Например, в концертных залах, храмах и студиях звукозаписи требования к времени реверберации различаются и подбираются строго в зависимости от назначения помещения.

Формула Сабина

Классическое выражение для расчёта времени реверберации было предложено американским физиком Уоллесом Клементом Сабином. Формула Сабина применяется в случае так называемой «диффузной звуковой среды», когда звуковая энергия распределена равномерно по всему объёму помещения:

$$ T = \frac{0{,}161 \cdot V}{A} $$

где:

  • T — время реверберации (в секундах);
  • V — объём помещения (в кубических метрах);
  • A — эквивалентная площадь звукопоглощения (в квадратных метрах), рассчитываемая по формуле:

A = ∑iαi ⋅ Si

Здесь αi — коэффициент звукопоглощения i-й поверхности, а Si — площадь этой поверхности.

Коэффициент звукопоглощения

Коэффициент звукопоглощения α — это доля звуковой энергии, не отражённой от поверхности, а поглощённой или прошедшей через неё. Он принимает значения от 0 (полностью отражающая поверхность) до 1 (полностью поглощающая). Разные материалы имеют разные коэффициенты поглощения, зависящие также от частоты звука. Например:

  • Бетонная стена: α ≈ 0, 02 при 500 Гц
  • Ковровое покрытие на подкладке: α ≈ 0, 3 − 0, 6
  • Занавеси и портьеры: α ≈ 0, 4 − 0, 7
  • Акустические панели: α ≈ 0, 8 − 1, 0

Энергетическое рассмотрение процесса реверберации

После выключения источника звука в помещении звуковая энергия начинает убывать по экспоненциальному закону. Это затухание обусловлено тем, что при каждом отражении звуковая волна теряет часть энергии за счёт поглощения. Если принять, что звуковая энергия E(t) убывает экспоненциально, то:

E(t) = E0 ⋅ e−kt

где k — коэффициент затухания, связанный с поглощением энергии на всех поверхностях. Время реверберации T соответствует моменту, когда E(t) = E0/106, поскольку снижение уровня на 60 дБ означает уменьшение звуковой энергии в миллион раз.

Расширенные модели: формула Эйринга

Формула Сабина точна при малых значениях α, когда поглощение невелико. Для помещений с высокоэффективными звукопоглощающими материалами применяется уточнённая формула Эйринга:

$$ T = \frac{0{,}161 \cdot V}{-S \cdot \ln(1 - \bar{\alpha})} $$

где:

  • S — суммарная площадь всех поверхностей помещения;
  • ᾱ — средневзвешенный коэффициент звукопоглощения.

Эта формула учитывает экспоненциальный характер потери энергии при каждом отражении и более точно описывает затухание в сильно поглощающих средах.

Зависимость от частоты

Время реверберации зависит от частоты звука. Поверхности и материалы по-разному поглощают низкие, средние и высокие частоты. Поэтому для акустических расчётов всегда указываются значения времени реверберации для разных октавных или третьоктавных полос частот, например: 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 4000 Гц.

В акустике принято рассматривать оптимальные значения времени реверберации именно в диапазоне 500–1000 Гц, как наиболее важные для восприятия речи и музыки. Часто в акустических проектах строятся графики зависимости T(f), по которым судят о сбалансированности реверберационного поля.

Оптимальные значения времени реверберации

Оптимальные значения T зависят от назначения помещения:

Тип помещения Оптимальное T, с
Студия звукозаписи 0,2 – 0,4
Лекционная аудитория 0,4 – 0,6
Класс/аудитория 0,6 – 0,8
Театр 1,0 – 1,5
Концертный зал (музыка) 1,5 – 2,2
Собор, церковь 2,5 – 6,0

При завышенном времени реверберации возникает эхо, затрудняется понимание речи, а при слишком коротком — звучание становится «сухим» и неестественным.

Методы измерения времени реверберации

Существует несколько методов экспериментального определения времени реверберации:

  1. Импульсный метод — запись отклика помещения на короткий звуковой импульс (например, хлопок или выстрел из пистолета с холостым зарядом). После чего анализируется график затухания звука.
  2. Метод прерывания сигнала — включается устойчивый шум, затем внезапно выключается, а уровень звукового давления записывается во времени.
  3. Метод обратной свёртки — используется для компьютерной реконструкции отклика помещения на основе анализа записанного сигнала.

Измерения производятся с использованием микрофонов, аудиоинтерфейсов, а также специализированных программ (REW, Dirac, ARTA и др.), обеспечивающих построение кривых затухания и точное определение параметра T60.

Влияние присутствия людей

Присутствие людей в помещении заметно влияет на реверберационные характеристики. Человеческое тело, одежда, волосы обладают высоким коэффициентом звукопоглощения. Один человек может добавить от 0,3 до 0,5 м² эквивалентной площади поглощения. Это особенно важно учитывать при проектировании концертных и конференц-залов: акустика должна быть рассчитана не только на пустое помещение, но и на его заполнение слушателями.

Контроль и коррекция времени реверберации

В практической акустике широко применяются средства управления временем реверберации:

  • Звукопоглощающие панели, плиты, подвесные потолки и материалы (минеральная вата, ткань, акустическая пена).
  • Диффузоры — специальные структуры, рассеивающие звуковые волны и предотвращающие стоячие волны.
  • Резонансные поглотители — устройства, эффективно работающие в узком диапазоне частот.
  • Архитектурные элементы, изменяющие геометрию помещения: ниши, выступы, криволинейные поверхности.

Также применяются регулируемые элементы акустики, позволяющие варьировать T в зависимости от конкретного мероприятия (например, занавеси, щитки, подвижные потолки).

Связь с другими параметрами помещения

Время реверберации тесно связано с другими характеристиками акустики:

  • Критическая дистанция — расстояние, на котором прямой и отражённый звук имеют одинаковую амплитуду, зависит от T.
  • Показатель STI (Speech Transmission Index) — индекс разборчивости речи, обратно пропорционален времени реверберации.
  • Частота мод и стоячих волн — при длительном T моды затухают медленнее, и эффект мод может быть более выражен.

Таким образом, время реверберации является важнейшим интегральным параметром, определяющим поведение звуковых волн в замкнутых пространствах и требующим точного расчёта и регулирования при проектировании акустических условий.

Оглавление