بسمه تعالی
یکی از مهمترین مسائل در نحوهی طراحی سالنهای کنسرت، ويژگي آكوستيكي آنها جهت ارائه نمودن هنر هنرمندان به بهترین شکل ممکنه میباشد. بدین منظور تحقیقات و مطالعات گسترده ای در جهت شناخت و تعیین پارامترهای موثر بر چگونگی آکوستیک سالنهای کنسرت، چه از نظر ذهنی و چه از نظر عینی صورت گرفته و یا در حال تحقق میباشد. در تحقیق حاضر سعی شده است تا ضمن معرفی و آشنایی با پارامترهای موثر بر اندازهگیری و تعیین نمودن ويژگي هاي آکوستیکی سالنهای کنسرت، به بررسی و مطالعه فعالیتها و تحقیقات صورت گرفته در این زمینه پرداخته شود.
سالنهای کنسرت نقشی مهم و سهمی زیاد در خصوص رونمایی و نمایش هنر موسیقیدانان دارا میباشد بطوری که چگونگی طراحی از دیرباز مورد توجه متخصصان بوده است. مهمترین مسئله در خصوص طراحی این سالنها بی تردید مسئلهی آکوستیک آنها میباشد. بدین صورت که چه پارامترها و معیارهايی میتواند بیانگر عملکرد یک سالن در خصوص چگونگی و نحوهی توزیع صدا در آن و رساندن آن به گوش حضار باشد.
پارامترهای زیادی در خصوص ارزیابی سالنهای کنسرت از نظر آکوستیک بودن مطرح گردیده است که در این جا به معرفی آنها پرداخته میشود. این پارامترها و محاسبات مربوط به آنها عینی1 میباشد. در واقع این پارامترها جهت ارزیابی ذهنی2 و احساسی از کیفیت سالنها میباشد. منظور از ارزیابی ذهنی شامل موارد زیر میباشد:
1Objective 2Subjective 3Transparency 4Reverberation 5Vivacity 6Intelligibility 7Verbal comprehension
8Space sensation
تفاوت اندازه سطح فشار صوت در یک نقطه از سالن، با حضور یک منبع صوت تمام جهته بر روی سن، با سطح صوتی که میبایست در یک فاصله 10 متری از همان منبع صوت، با همان سطح قدرت، اندازهگیری شود، را ضریب قدرت میگویند. این ضریب توسط رابطه زير بیان میشود.
که pA(t) سطح فشار صوت در یک منطقه آزاد در فاصله 10 متری میباشد. از آن جا که مقایسه اندازهگیریهای کالبیره شده نشان داده است که صدای مستقیم به عنوان مرجع معمولاً مقدار زیادی ضریب قدرت در فرکانسهای کم، مقادیر نسبتاًٌ خوب در فرکانسهای متوسط (بین 500 تا 1000 هرتز) و مقادیر بسیار پایین از این ضریب تولید میکنند. بدین خاطر از رابطه زير استفاده میشود.
پارامتر Gmidاز رابطه تجربي زير نيز قابل دستيابي است كه در آن V حجم استوديو يا تالار مي باشد.
وجود RT در رابطه فوق از منظر رياضي منطقي است زيرا قدرت صدا رابطه اي معكوس با كل سطح و جذب در يك فضا دارد و معمولاً در يك فضاي كوچكتر صدا قويتر بنظر مي رسد. همچنين در يك فضاي بسته با موادي كه جذب صوتي زيادي دارند (زمان واخنش كم) قدرت صدا كمتر از فضايي است كه جذب صوتي مواد بكار رفته در سطوح (ديوارها، كف و سقف) كم است.
فاكتور توان بهينه در استوديوها و تالارهاي موسيقي بايد 4 تا 5/5 دسيبل باشد. در جدول 1مقادير Gmid مربوط به تعدادي از تالارهاي معروف موسيقي نشان داده شده است.
جدول 1 -مقاديرGmidمربوط به تعدادي از تالارهاي معروف موسيقي
تكنيكهاي افزايش زمان واخنش در فركانسهاي مياني همچون كاهش جذب صوتي در محيط بر فاكتور توان Gmid اثر مي گذارد. بهر حال واخنش زياد مي تواند سبب كدر شدن و تيرگي اصوات شده و از ميزان وضوح بكاهد. ايجاد توازن بين پارامترهاي توان، واخنش و وضوح از مسئوليتهاي مهم متخصص آكوستيك است.
توان صداي مستقيم منبع همچنين بر درك بلندي صدا تأثير دارد. تراز صداي مستقيم با دور شدن از آن بتدريج كاهش مي يابد تا جاييكه تراز صداي مستقيم با تراز صداهاي انعكاس يافته برابر مي شود. اين مسافت را R يا فاصله بحراني (critical distance) مي نامند كه از رابطه زير مي توان آن را حساب كرد.
دراين رابطه S كل سطوح، Q ضريب جهتي منبع صوتي ( اگر منبع در تمام جهات بطور برابر صدا را منتشر كند اين ضريب 1 است) و متوسط ضريب جذب فضاي بسته است.
Strength Factor1
اين پارامتر ميزان شفافيت، روشني و تميزي صدا را آشكار مي سازد. براي مثال آيا تمام نتهاي موسيقي در يك قطعه با ضرب آهنگ تند بطور متمايز از هم شنيده مي شوند و يا اينكه نتها يكديگر را مي پوشانند و با هم شنيده مي شوند. البته برخي پوشانندگي هاي اجزا صوتي در پخش موسيقي مطلوب است اما در پخش كلام و آواز وضوح بيشتر با افزايش نسبت انعكاسات زود هنگام به انعكاسات دير هنگام انرژي صوتي بدست مي آيد. ضریب وضوح بصورت رابطه زير تعریف شود.
انعكاسات زود هنگام انعكاساتي هستند كه در طي 50 يا 80 ميلي ثانيه پس از صداي مستقيم منبع به شنونده مي رسند. براي اندازه گيري وضوح كلام از C50 و براي اندازه گيري وضوح موسيقي از C80 استفاده مي كنند كه با روابط زير توسط AHNERT تعريف شده اند.
براي مثال در رابطه ميزان انرژي صوتي است كه در 80 ميلي ثانيه ابتدايي به شنونده مي رسد و ميزان انرژي صوتي است كه پس از 80 ميلي ثانيه به شنونده مي رسد.
شكل 1 – بازه ي انرژي صوتي دريافتي به شنونده
C80 و C50 هميشه در مقياس دسيبل اندازه گيري مي شوند و به فركانس وابسته هستند. وضوح صدا در يك فضاي بسته با معدل اندازه گيري آن در سه فركانس 1000، 500 و 2000 هرتز مشخص مي شود. مقادير قابل قبول براي وضوح صدا متناسب با كاربري متفاوت است. براي مثال ميزان وضوح در تالارهاي موسيقي بايد در محدوده 4- تا 1+ دسيبل باشد. در جدول 2 مقادير وضوح صدا در چند تالار موسيقي مشهور بدون حضور شنوندگان گردآوري شده است.
جدول 2 -مقادير وضوح صدا در چند تالار موسيقي مشهور بدون حضور شنوندگان
براي افزايش وضوح بايد ميزان انرژي صوتي زودهنگام را بيشتر كرد كه اين امر با افزايش ميزان جذب انرژي صوتي در نواحي دور از منبع صوتي ممكن است.
Clarity Factor1
پارامتر زمان مياني يا زماني است كه كل انرژي صوتي پخش شده (سطح زير منحني پاسخ ضربه) به دو بخش مساوي تقسيم مي شود. هرچه اين زمان كمتر باشد نشان دهنده بالا بودن نسبت انرژي مستقيم و يا انعكاسات اوليه به انرژي صوتي ناشي از انعكاسات ديرهنگام است. مقادير معمول براي اين پارامتر از 5 ميلي ثانيه تا 1 ثانيه است.
شكل 2 – تعريف بازه ي پارامتر زمان مركزي
زمان مرکزی از طریق رابطه زير تعریف میگردد.
Center Time1
زمانهای واخنش شامل زمان اولیه ميرايي1(EDT) و T30 بصورت زیر محاسبه میشوند.
زمان اولیه ميرايي، زمان افت Db60 میباشد که از طریق تنظيم کردن خطی به نسبت منحنی زوال بین . تا 10- دسيبل حاصل میگردد. T30، زمان افت Db60 میباشد که از طریق تنظيم کردن خطی به نسبت منحنی افت بین 5- تا 35- دسيبل حاصل میگردد.
Early Decay Time1
درخشندگي صدا براي انتقال احساس درخشش، روشني و تميزي صداي سازها استفاده مي شود. درخشندگي بيش از حد سبب گوشخراشي، شكنندگي و فلزي بودن صداها مي شود.این ضریب از طریق رابطه زیر تعریف میشود.
در اين رابطه صورت كسر مجموع زمانهاي واخنش در فركانسهاي اكتاوي 2000 و 4000 هرتز و مخرج كسر مجموع زمانهاي واخنش در فركانسهاي اكتاوي 500 و 1000 هرتز است.
Brilliance1
بمي يا گرمي صدا در تالارهاي موسيقي واژه اي است كه براي تشريح گيرايي، نرمي و ملايمت موسيقي كاربرد دارد. گرمي زياد صدا مي تواند به احساس ناخواسته بودن و تاريكي صدا در تالار منجر شود. متخصصان آكوستيك توازن بين گرمي و درخشندگي صدا را با ايجاد توازن بين نسبت واخنش در فركانس هاي پايين و بالا بدست مي آورند. بدين ترتيب نسبت باس يا Bass Ratio (BR) براي اندازه گيري ميزان بمي يا گرمي توسط BERANEK تعريف شده است. این ضریب بصورت رابطه زير محاسبه مي شود.
در اين رابطه صورت كسر مجموع زمانهاي واخنش در فركانسهاي اكتاوي 125 و 250 هرتز و مخرج كسر مجموع زمانهاي واخنش در فركانسهاي اكتاوي 500 و 1000 هرتز است. نسبت باس 1/1 تا 1/25 براي مكانهايي كه واخنش زياد مدنظر است (متناسب با نوع موسيقي) مطلوب و پسنديده است. در حاليكه توصيه شده است نسبت باس در تالارها و استوديوهاي بزرگ و معمولي با زمان واخنش 1/8 ثانيه و كمتر، درحدود 1/1 تا 1/45 باشد. درجدول 3 مقادير نسبت باس و زمان واخنش در برخي تالارها با حضور شنوندگان نشان داده شده است.
جدول 3 -مقادير نسبت باس و زمان واخنش در برخي تالارها با حضورشنوندگان
براي افزايش گرمي صدا بايد زمان واخنش در فركانسهاي پايين را افزايش داد درحاليكه زمان واخنش در فركانسهاي مياني به بالا ثابت مانده يا كاهش يابد. اين كار را مي توان با افزودن بر متريالهايي در استوديو كه انرژي صوتي را در فركانسهاي پايين بهتر و بيشتر از فركانسهاي بالا جذب مي كنند انجام داد. بهر حال همواره بايد وجود توازن بين گرمي و درخشندگي مدنظر باشد زيرا جذب بيش از اندازه فركانسهاي بالا سبب كاهش درخشندگي كه پديده اي ناخوشايند است مي شود.
Bass Ratio1
پارامترهای وضوح شامل STI و RASTI میباشند که بر اساس مجموع وزنی از توابع انتقال مدولاسیون حاصل ميشوند. STI بصورت جمع وزنی ضرایب انتقال مدولاسیون، یکی برای فرکانس هشتایی باند فرکانسی از 125 هرتز تا 8 کیلوهرتز با در نظر گرفتن تاثیرات شنوایی طبق IEC 60268-16 محاسبه میشود. RASTI بصورت جمع وزنی ضرایب انتقال مدولاسیون بین 500 تا 200 هرتز باند هشتایی محاسبه میشود.
اين پارامتر نسبت انرژي صوتي برگشتي زود هنگام به كل انرژي صوتي را معين مي كند. انرژي برگشتي زود هنگام انرژيي است كه از ابتداي پاسخ ضربه تا زمان معين شده اي ايجاد مي شود.
زمان تعيين شده مي تواند براي مثال 50 ميلي ثانيه باشد (شكل 3). در واقع اين پارامتر هم براي كميت سازي قابليت فهم گفتار در استوديوها است كه به كمك پاسخ ضربه بدست مي آيد. اين پارامتر معين مي كند يك شنونده در جاي معيني از تالار گفتار سخنگو را با چه كيفيتي درك مي كند.
شكل 3 – تعريف بازه ي پارامتر روشني
Definition1
ضریب 1IACC به عنوان ماکزیمم در بازه زمان تاخیر (τ کمتر از یک میلیثانیه) از تابع همبستگي ضربی (IACCF) بین فشار در گوش چپ(pL(t)) و راست (pR(t)) میباشد، که در بازه زمانی t1 و t2 اندازهگیری میشود.
کسر انرژی جانبي اوليه نیز بصورت رابطه زير تعریف میشود.
که در آن pg(t) پاسخ ضربه اندازهگیری شده با یک میکروفن هشت شکل است که يكي از سوراخ هاي آن به سمت منبع قرار گرفته باشد.
Inter Aural Cross-Correlation Coefficient1
براي ارزيابي قابليت فهم2كلمات در فضاهاي بسته بزرگ (با يا بدون تقويت الكترونيكي صدا) علاوه بر C50، معيار جايگزين ديگري به نام افت شمردگي همخوانها يا ALcons
Articulation Loss of Consonants)) نيز تعريف شده است PEUTZ and KLEIV (1). در اين ارزيابي تعداد همخوانهاي درك نشده توسط شنوندگان بصورت آماري استخراج مي شود. با توجه به مطالعات انجام شده براي افت شمردگي همخوانها در زبان انگليسي جدول زير بدست آمده است.
جدول 4–مطالعات انجام شده براي افت شمردگي همخوانها در زبان انگليسي
اين جدول نشان مي دهد كه تعداد همخوانهاي درك نشده در هر 100 كلمه كمتر 3 همخوان باشد ميزان افت شمردگي ايده ال انگاشته مي شود. در بدترين وضعيت اگر در هر 100 كلمه تعداد همخوانهاي درك نشده بيش از 20 همخوان باشد كيفيت شمردگي كلمات بسيار نازل است. زمان واخنش زياد سبب افزايش افت شمردگي مي شود. همچنين متناسب با طول زماني همخوانها زمان واخنش زياد براي براي سيگنالهاي بعدي همچون نوفه محسوب شده و شمردگي آنها را نيز كاهش مي دهد. رابطه بين شمردگي همخوانها و ضريب انتقال گفتار3 توسط STEENEKEN, H.J.M, Houtgast.t[2]بدست آمده است:
% ALC = 170.5405 e-5.419(STI)
Articulation Loss of Consonants1 Intelligibility2 Speech Transmission Index3
ضريب انتقال گفتار در فضاي بسته (RASTI) فرم ساده شده پارامتر ضريب انتقال گفتار است كه بيشتر در سيستمهاي مخابراتي استفاده مي شود. ضريب انتقال گفتار در فضاي بسته در واقع براي بررسي و ارزيابي سيستم صوتي مكانهاي عمومي (فرودگاهها، ايستگاههاي قطار، فروشگاهها و ...) بكار برده مي شود. اما چون چگونگي آكوستيك يك فضاي بسته مانند تالار يا استوديوي بزرگ بر نحوه عملكرد سيستم صدارساني آن مكان اثر دارد مي تواند آن را نيز پارامتري آكوستيكي در نظر گرفت. ضمن اينكه تمام تالارهاي بزرگ و استوديوها براي صدارساني به شنوندگان بايد از يك سيستم صوتي پر قدرت استفاده نمايند. براي تعيين ضريب انتقال گفتار در فضاي بسته از كاهش مدولاسيون سيگنال بين مكان منبع صوت و مكان گيرنده در فركانسهاي اكتاوي 500 و 2000 هرتز استفاده مي شود. دانشمندان آكوستيك بر اين باور بوده اند كه نه تنها واخنش و نوفه بر ميزان شمردگي گفتار اثر دارد بلكه سيگنالهاي صوتي بيرون از فضاي بسته و يا تغييراتي كه در سيگنال اصلي حين طي كردن مسير منبع صوت تا شنونده پديد مي آيد نيز بر شمردگي كلمات موثر است. ايشان براي اثبات اين نظريه از تابع انتقال مدولاسيون2 يا MTF براي اهداف آكوستيكي استفاده كرده اند. تابع انتقال مدولاسيون يا m(F) با رابطه زير تاثيرات فوق را در قابليت فهم كلمات نشان مي دهد.
در اين رابطه F فركانس مدولاسيون برحسب هرتز، RT زمان واخنش بر حسب ثانيه و S/N نسبت سيگنال به نوفه سيستم تقويت كنندگي صدا برحسب دسيبل است. براي اندازه گيري F را از 0.63 تا 12.5 هرتز و بصورت يك سوم اكتاوي در نظر مي گيرند.
شكل 4– تعريف تابع انتقال مدولاسيون به همراه منحني هاي مربوط به آن
با كمك تابع انتقال مدولاسيون و داشتن پاسخ ضربه ميتوان با استفاده از تجهيزات ويژه اي ميزان ضريب انتقال گفتار در فضاي بسته را معين نمود. در واقع اين پارامتر براي ارزيابي ميزان اثرگذاري نوفه هاي اكوستيكي داخلي و خارجي، نوفه هاي الكترونيكي ناشي از تقويت كننده هاي صوتي، ديستورشن ناشي از بلندگوها و نيز تاثير واخنش محيط بر فهم گفتار پخش شده از سيستمهاي صدارساني است.
Room Acoustic Speech Transmission Index1 Modulation Transfer Function2
پارامتر نزديكي احساس شنوندگان از ميزان فاصله منابع صوتي با آنها است يعني اينكه چقدر سازها و اركستر به آنها نزديك هستند. اين پارامتر در استوديوها و فضاهاي كوچك خود به خود وجود دارد اما در استوديوها و تالارهاي بزرگ دستيابي به آن دشوار است. در واقع هر چه استوديو يا تالار موسيقي بزرگتر باشد رسيدن به احساس نزديكي اركستر سخت تر گشته و در تعارض با پارامترهاي ديگر قرار مي گيرد. اگر در طراحي يك استوديوي بزرگ يا تالار موسيقي به پارامتر نزديكي توجه نشود شنوندگان احساس مي كنند اركستر از آنها دور و جدا است.
ميزان نزديكي با اندازه گيري كميتي به نام initial time-delay gap (ITDG)حاصل مي شود. اين كميت عبارت از اختلاف زماني صداي مستقيم منبع و اولين انعكاس مهم در هنگام رسيدن به يك گيرنده (شنونده) معين است. اگر يك فضاي بسته داراي ITDGنسبتاً كم باشد آن فضا را نزديكي بيشتر مي نامند و بنابراين ITDGبيشتر به معناي نزديكي كمتر است. در فضاهاي كوچك سطوح داخلي (ديوارها، كف، سقف) با هم فاصله فيزيكي كمي دارند به طوريكه انعكاسات صوتي بيشتر تكرار مي شوند در حاليكه در فضاهاي بزرگتر سطوح از هم دور هستند و بنابراين انعكاسات نيز با فاصله از هم تكرار مي شوند. چون اين پارامتر به جاي گيرنده (شنونده) وابسته است پس بر طبق استاندارد براي اندازه گيري آن، بايد گيرنده دقيقاً در مركز استوديو باشد تا بتوان ميزان آن را در مكانهاي گوناگون با هم مقايسه نمود. مقدار ITDGمتناسب با نوع موسيقي كه استوديو براي اجراي زنده در آن زنده در آن طراحي شده است مي باشد. با اين حال اغلب تالارها و استوديوهاي بزرگي كه مورد توجه شنوندگان هستند ITDGكمتري دارند. در جدول زير مقادير ITDGدرتالارهاي موسيقي مشهور درج شده است.
جدول 5– مقادير ITDG در تالارهاي موسيقي مشهور
براي كاهش زمان ITDG(رسيدن به احساس نزديكي بيشتر بين شنونده واركستر) بايد فاصله اولين سطح منعكس كننده صدا تا جايگاه شنوندگان كوتاهتر شود. در فضاهاي بزرگ اين امر با افزودن بر تعداد منعكس كنندهاي سقفي يا بر آمدگيهاي نصب شده بر ديوارها مقدور است.
Intimacy1
گستردگي صدا واژه اي است كه در دهه 1970 معرفي شد و اشاره به احساس شنونده از ميزان پوشانندگي موسيقي است. در سه دهه گذشته پژوهشهاي زيادي در اين باره انجام شده است كه تاكنون منجر به تقسيم شدن گستردگي به دو بخش پهناي منبع صوتي2يا (ASW)و پوشانندگي صوتي شنونده 3يا (LE) گرديده است. پهناي منبع صوتي (ASW)دريافت حسي شنونده از بزرگي، پهناي منبع صوتي و پوشانندگي صوتي شنونده (LE)احساس شنونده از ميزان احاطه شدن و دربرگرفتگي توسط صدا و موسيقي است. احساس شنيدن صدا يا موسيقي از يك پنجره باز نقطه مقابل تعريف پوشانندگي صوتي شنونده است.
مطالعات اوليه بر روي گستردگي نشان داد كه انعكاسات جانبي صوت در يك فضاي بسته يعني انعكاسات ايجاد شده از بابت ديوارهاي مجاور نقش زيادي در درك گستردگي صدا دارند. تمايز بين پهناي منبع صوتي (ASW)و پوشانندگي صوتي شنونده (LE)به زمان رسيدنانعكاسات جانبي بستگي دارد. انعكاسات جانبي زود هنگام (در مدت 80 ميلي ثانيه پس از صداي مستقيم) بر روي پهناي منبع صوتي (ASW) اثر دارد در حاليكه انعكاسات جانبي ديرهنگام (پس از 80 ميلي ثانيه) بر روي پوشانندگي صوتي شنونده (LE)تاثير مي گذارد.
براي اندازه گيري گستردگي پارامترهاي گوناگوني پيشنهاد شده است كه هر يك براي درك آن سازوكار متفاوتي را پيشنهاد مي دهند. يكي از اولين پيشنهادها پارامتر مولفه انرژي جانبي4 يا (LF)بود كه عبارت است از نسبت انرژي رسيده از كناره ها و ديوارهاي جانبي فضاي بسته (استوديو، تالار موسيقي و ...) به انرژي صوتي دريافت شده از تمام جهتهاي آن فضا.
شكل 5– تعريف پارامتر مولفه انرژي جانبي
پارامتر ديگر ضريب همبستگي دوگانه شنوايي داخلي5 يا (IACC) است كه ميزان همبستگي دوگانه سيگنالهاي رسيده به دو گوش شنونده را اندازه مي گيرد. عدم تشابه بيشتر سيگنالهاي رسيده به دو گوش بصورت گستردگي بيشتر صدا حس مي شود.
شكل 6– تعريف پارامتر ضريب همبستگي دوگانه شنوايي داخلي
مقادير بيشتر LF و IACC به صورت احساس گستردگي بيشتر صدا تعبير شده است. LF(E4) كه براي 4 فركانس اكتاوي مياني است در استوديوها و تالارهاي موسيقي بايد در حدود 0/2 باشد. همچنين IACC(E3) كه ميزان IACC در سه فركانس اكتاوي مياني نيز بايد در حدود 0/6 تا 0/7 باشد. براي افزايش انعكاسات جانبي بايد منعكس كنندهايي بيشتري با سطوح نامنظم بر روي ديوارهاي كناري شنونده نصب گردد.
Spaciousness1 Auditory Source Width2 Listener Envelopment3 Lateral Energy Fraction4
Interaural Cross-Correlation Coefficient5
تحقیقات تجربی که توسط سابین1 در خصوص زمان واخنشصورت گرفته، اساس تمامی مطالعات در خصوص آکوستیک اتاق میباشد. او نشان داد که زمان واخنش حداقل اولین تقریب از کیفیت آکوستیکی یک سالن را به شنوندگان عرضه میکند. سپس تلاشها و مطالعات وسیعی در خصوص زمان واخنش مطلوب شنوندگان، تاثیر حجم اتاق و موادی که به عنوان جاذب در دیوارهها بکارگرفته میشد، انجام گرفت. پارکین2 و همکارانش نمودارهايی جهت بررسی ارتباط زمان واخنش و حجم محیط ارائه نمودند. بهینهی بگنال3 کارهای اروپایها را و بهینهی نادسن4 کارهای امریکایها را در این خصوص ارئه مینمود. آن چه که در این خصوص توصیه میشد این بود که بهینه زمان واخنش برای امریکاییها کوتاهتر از اروپایهاست چراکه اركگسترهای امریکایی اغلب از همتای اروپاییشان بزرگتر میباشند، بنابراین سادهتر خواهد بود تا همان بلندی صدا را با واخنش کمتر ایجاد کنند[3].
قابل ذکر است که در همان دهههای 60 تا 90 این گمان ایجاد گردید که زمان واخنش شرایط آکوستیکی یک سالن موسیقی را بطور کامل پاسخگو نیست. ونته5، میسون6، مویر7 و میر8 روشهای اندازهگیری دیگری را به منظور بررسی دقیقتر شرایط آکوستیکی ارائه نمودند. روشهای حالت پایدار که با ونته آغاز شد منجر به انتقال و بیقاعدگی فرکانسی میشد که نشان داده شد که وابسته به زمان واخنش میباشند و مستقل عمل نمیکنند[4].
اندازهگیری پاسخ اتاق به تحریک پالس که توسط میسون، مویر و میر ارائه شد منجر به نتایج و اطلاعات قابل ملاحظهای شد که بطور چشمگیری بین صندلیهای کنارهم تغییر پیدا میکرد. این تفاوتها بی شک وابسته به اکوهای دریافتی در نقاط گيرنده بعد از صدای مستقیم اولیه میباشد. تا کنون دادههای ناکافی برای شناسايی این که کدام ویژگی بخصوص از نتایج برای تشریح یک اندازهگیری ساده بکار آید وجود دارد. با این وجود این روش میتواند راهنمایی برای مقدار صدای دریافتی در 35 میلی ثانيه اول بعد از پالس مستقیم باشد[5, 6].
شکل 7 زمان واخنش در c/s 500 برای یک سالن پر[3].
نیکسون9 و همکارانش معیارهايی را برای قضاوت و ارزیابی کیفیتهای آکوستیکی یک سالن ارائه نمودهاند. آنها پیشنهاد نمودهاند که برای اطمینان از آکوستیک بودن یک سالن میبایست زمان واخنش لحاظ گردد و مقدار آن از نمودارهای موجود استخراج گردد، شکل 7. دیوارها، سقف و منعکس کنندههای بالایسر میبایست از نظر هندسی بگونهای چیده شده باشند که هر موقعیت شنوایی یک اکوی اساسی در مدت 35 میلیثانیه از صدای مستقیم باشند. علاوه بر آن از استفاده از سطوح مقعر و آکوستیکی سخت که منجر به اشکالاتی در اکو میشوند میبایست اجتناب شود و نویزهای خارجی حذف و منابع نویزهای داخلی ناشی از مجراها تا حد کافی کم گردد. در نهایت صندلیها مناسب و بدون سر و صدا طراحی شوند. قابل ذکر است که او همچنین اشاراتی به میزان قابل فهم بودن صدا در ابتدا وابسته به کاربرد سالن یا اتاق برای سخنرانی میباشد، اشاره نموده است. میزان وضوح از آن جا که شرایط خوب برای سخنرانی در فضاهای کوچک (کمتر از 50000 فوتمکعب) و تقویت صدا در فضاهای بزرگ (بالاتر از 100000 فوتمکعب) مشکل جدی برای سخنرانی در یک سالن، با فرض آن که شخص سخنران در محدوده میکروفون باشد ایجاد نمیگردد. آزمایشات مربوط به قابل فهم بودن، که از طریق اندازهگیری نسبت سیلابها، کلمات و یا جملات بطور دقیق توسط شنوندگان شنیده میشود، حاصل میگردد، وابسته به حجم اتاق و زمان واخنش میباشد. با رسم خطوط نسبت وضوح برابر، نواحی مختلفی از کیفیت شرایط شنوایی را میتوان رسم نمود. حد پایین برای صدای تقویت شده در یک فضای 100000 فوتمکعب برای این منظور در شکل 8 نشان داده شده است[7].
شکل 8 کانتورهای درصد وضوح برای سخنرانی در حضور 40 دسیبل نویز a) بدون تقویت b) با تقویت[7].
در سال 1971، جونز10 به طراحی یک سالن متوسط از نظر آکوستیکی پرداخت، شکل 9. بدین منظور با بکارگیری اصول حاکم بر طراحی آکوستیکی و استفاده از جاذب برای سالن فرث در دانشگاه شفیلد به بهبود آن پرداخت. معیاری که در این تحقیق برای ارزیابی استفاده شده است زمان واخنش میباشد. بدین صورت که با بکارگیری اصول مذکور به بهینهسازی آن پرداخته شود، شکل10 [8].
شکل 9 سن سالن فرث (Firth)]8[
شکل 10 زمان واخنش a) حالت اولیه، اشغال شده b) حالت اولیه، بدون صندلی و پرده c)با سقف، سن و کف جدید، بدون صندلی d) مانند c همراه با ارکستر و حضار e) با جاذب اضافی، ارکستر و حضار[8]
در سال 1981، جردن11 به بررسی تعدادی از پارامترها و معیارهای موثر بر آکوستیک سالنهای کنسرت پرداخت. این کار که از طریق اندازهگیری معیارهای عینی سالنهای مختلف انجام گرفته، نشان میدهد که یک روش نسبتاً ساده برای درجهبندی آنها ممکن به نظر میرسد.جردن به دو دلیل زمان واخنش را یکی از معیارهای خود معرفی میكند: 1- این تنها پارامتر بسيار شناخته شده از تمام سالنهاست. 2- این معیار مرتبط است با بیشترین قضاوت اولیه که توسط تمام موسیقیدانان و حضار سالن میروند، اشاره میگردد. (رزونانس واخنش، ...). یکی دیگر از معیارهای جردن مفهوم بسیار قوی، زمان اولیه ميرايي میباشد که مانند مقیاس عددی زمان واخنش تعریف میشود. علاوه بر آن وی برای دربر گرفتن تغییرات مشخص در مورد قضاوت در موقعیتهای مختلف معیار دیگری به منظور حس جهتگیری صدا تعریف مینماید. این حس به سادگی با معرفی یک اندازه که انرژی اولیه رسیده (بصورت پالس) به انرژی باقیمانده (واخنش) را مقایسه میکند، بیان مي گردد. محدوده زمان مشخص شده این معيار (کافی برای موسیقی) 80میلیثانیه میباشد. بدین صورت مشخص بودنتعریف میگردد، (رابطه زير)[9].
مقدار میانگین مقدار C در یک سالن مشخص با فرض شرایط کامل استاتیکی و با دانستن مقدار کامل RT محاسبه میشود.
شکل 11 مقادیر مورد انتظار C و LE[9]
معیار دیگری که جردن به بررسی آن پرداخته حس درگیری12 یا غرق شدن در صدای موسیقی که اغلب ادعا میگردد که مهمترین جزء در ارزیابی ذهنی از یک سالن کنسرت میباشد، است. این حس با مفاهیم مختلفی در ارتباط است برای مثال درک و گمان فضايی13.این حس بر خلاف حس واخنش با چندین پارامتر فیزیکی مرتبط است. 1- میزان انرژی حامل در بازتاب عرضی اولیه (مقایسه شده با اثر انرژی کلی از صدای اولیه) 2- سطح انرژی مطلق که توسط اثر منبع مشخص ساخته میشود. سطح واقعی موسیقی وابسته به فاکتور دوم و ترکیب این سطح با مقدار انرژی عرضی عاملی برای درجه بندی حس فضایی میباشند. بازده عرضی14 بصورت رابطه زير تعریف میشود[10].
مجموعهای از سالنهای کنسرتی که جردن برای این بررسی بکار گرفته است، شامل 11 سالن مختلف میباشد. نتایج بررسی جردن نشان میدهد که ابتدا زمان ميرايي اولیه نقش مهم، بعد از آن انرژی عرضی تاثیر تکمیلی و کامل کننده را دارد و در نهایت C نقش يك معیار اطلاع دهنده و کمتر تصمیم گیرنده را دارا میباشد[9].
شکل 12 اشکال شماتیک سالنهای مختلف کنسرت[9]
جدول 6 مقادیر محاسبه شده برای 11 سالن[9]
در سال 1982، جردن به بررسی ضریب برگردانی15 (عکس) و بالانس انرژی اولیه16 برای تعدادی از سالنهای کنسرت پرداخت. مقادیر زیاد ضریب برگردانی برای صحنههایی که خواص متفاوت آشکار با یکدیگر دارند، اتفاق میافتد. تعریف این ضریب مستقل از آن میباشد که چه معیاری مورد اندازهگیری قرار میگیرد. جردن چهار معیار برای ضریب برگردانی را مورد بررسی قرار داده است، (روابط زير)[11].
جدول 7 مقادیر مختلف II
نتایج حاکی از آن است که برای ایجاد شرایط آکوستیکی برای موسیقیدانان توجه زیادی میبایست به بازه اولیه از صدای مستقیم و بازتاب آن شود. ابعاد سن ارکستر همراه با خواص نفوذپذیری مرزها (دیوارهها) با استفاده از مفهوم بالانس انرژی اولیه و مفاهیم مشابه مورد مطالعه قرار گیرد، (رابطه پايين). میزان رنج عددی برای بالانس انرژی اولیه برای 8 سالن کنسرت قابل ملاحظه بودهاند. بطوری که از 2/6 تا 11/7 دسیبل با مقدار میانگینی در حدود 6/2 دسیبل در تغییر میباشند. با این وجود ضریب برگردانی از نظر ارزیابی ذهنی شنوندگان که در مکانهای مختلف را اشغال کردهاند، هنوز از اهمیت برخوردار است. اما اهمیت کمی برای خواص صحنه اجرا دارد[11].
جدول 8 مقادیر مختلفEEB
برای سالنهای مختلف [11]ا
در سال 1983، بارون17 به مدلسازی مقیاسی آکوستیکی سالن کنسرت پرداخته است. علت استفاده از مدل مقیاسی آن است که هزینه ساخت مدل 1 درصد مدل اصلی میباشد. در این تحقیق کارهايی که توسط جردن و سایر گروهها انجام شده بطور خلاصه مرور شده و ضرایب مقیاسی مورد استفاده مورد بحث قرار گرفته است. اهمیت مدلسازی بدین خاطر میباشد که اولاً میتوان یک سالن را از نظر آکوستیکی طراحی نمود یا سالن موجود را از این لحاظ اصلاح نمود و دوم، تحقیق راجع به رفتار آکوستیکی یک سالن میباشد. همچنین در این تحقیق روشهای موجود در زمینهی آکوستیک برای آزمایشهای در مورد مدلهای ذهنی و عینی مورد بحث واقع شده است. در نهایت نیز تاثیر هر کدام در ارزیابی سطح تاثیرگذاری بر روی طراحی سالن کنسرت اشاره شده است[12].
شکل 13 ضریب جذب هوا برای مدلی با مقیاس 1:10 در محیطی با 20 درجه سانتیگراد (با 50درصد رطوبت). خط چین ضریب مورد نیاز برای مدلسازی کامل جذب هوا میباشد[12]
برانک18 در تحقیقات خود راجع به آکوستیک سالنهای کنسرت مفهوم فاصله تاخیر زمان اولیه که بصورت فاصله زمانی که طول میکشد برای اولین انعکاس از دیوار یا سقف تا به گوش شنونده بعد از صدای مستقیم برسد را تعریف نمود. وی نشان داد که در سالنهای کنسرت بزرگ، قدرت جذب شنوندگان نشسته، گروههای کر و ارکسترها نسبت به مساحت کف اشغال شده که افزایش مییابد، مستقل از تعداد افراد نشسته در آن مساحت با فرض توزیع یکنواخت شنوندگان میباشد. همچنین پس از انجام آزمایشات ذهنی بر روی موسیقیدانان و تقادان 5 عامل را در آکوستیک سالنهای کنسرت موثر برشمرد. 1- فاصله تاخیر زمان اولیه 2-زمان واخنش در فرکانس میانی 3-بلندی صوت 4-کیفیت نفوذ در میدان صوتی 5- نسبت زمان واخنش در فرکانسهای پایین به فرکانسهای میانی. علاوه بر موارد اشاره شده مواردی از قبیل توازن در میان قسمتهای مختلف آلات، ترکیب تون آلات موسیقی، توانایی شنوندگان برای شنیدن فارق از اکوها و نویزهای آزار دهنده را نیز اشاره کرده است[13].
اندو19 با استفاده از اسپیکرهایی با صدای بلند در یک یک محیط در بسته بر روی گروهی از شنوندگان جوان نتیجه گرفت که چهار عامل مجزا در طراحی سالن هدف محسوب میشوند. 1- فاصله زمان تاخیر اولیه 2-زمان واخنش 3-بلندی صدا و 4-اندازه نفوذ صدا به موقعیت شنونده که ضریب(IACC)20. تحقیقات شنیداری ذهنی اندو نتیجهای در خصوص چگونگی نسبت بم نتیجهای در بر نداشته است. همچنین او تلاش نمود تا مقدار بهینه برای چهار عامل مذکور را با توجه نوع موسیقی پیدا کند. نتایج او و برانک بطور معقولی نزدیک بهم میباشد[14].
استرم21 و همکارانش به طراحی آکوستیکی سالن جرجسترد22 واقع در نروژ، که بصورت گنبدی ساخته شده بود پرداختند. مدل جدید با استفاده از دنبال کردن صدا بصورت کامپیوتری23در یک مدل سه بعدی ریاضی دوباره ساخته شد. سالن جدید به شکل فن در آمده و منعکس کنندههای عرضی اضافی با منعکس کنندههای بزرگتر که از سقف آویزان شدهاند همراه گشته است. بخاطر حجم هر صندلی و وجود سازههای سبک تعبیه شده در سالن، یک سیستم واخنشی چند کاناله الکتروآکوستیکی برای این سالن طراحی شده است. این سیستم هم زمان واخنش را برای محدودهی فرکانسی پخش و هم سطح صوت را افزایش میدهد[15].
شکل 14 مقادیر پاسخ ضربه اندازهگیری شده با فرکانسهای اكتاوي از 250 تا 2000 هرتز[15]
گیمنز24 و همکارانش در مقالهای خطوط کلی تحلیل و ارزیابی آکوستیکی سالنهای موسیقی را از طریق تکمیل کردن مدل ریاضی توسط کامپیوتر را مطرح کرده است. این مدل بر اساس تئوری هندسی خطوط صوتی میباشد. بخش مهمی از این مقاله به تعریف و محاسبهی پارامترهای آکوستیکی به منظور ارزیابی سالنهای کنسرت برای انواع مختلف گونههای موسیقی اختصاص یافته است. این پارامترها که برای ارزیابی سه نوع مختلف سالن کنسرت بکار گرفته شدهاند، شامل تعریف[52] ، مشخص بودن (رابطه 3)، زمان ميرايي اولیه، زمان واخنش و معیارهای فضای سالن مانند انرژی عرضی میباشد. گیمنز مقدار هر کدام از پارامترهای مذکور و مقدار بهينه آن را به شرح زیر بدست آورده است[14]، (جدول 9):
1- تعریف. بازه 0 تا 1. مقدار بهینه بین 0/4 تا 0/6.
2- مشخص بودن. این پارامتر به نوع موسیقی و شرایط اتاق وابسته است.
3- زمان واخنش. این پارامتر نیز به نوع موسیقی وابسته است.
4- زمان زوال اولیه. محدوده این مقدار و بهینهی آن از زمان واخنش محاسبه میشود. اما با یک کاهش 10درصدی در مقدار روبروست.
5- فاکتور انرژی عرضی. در بازه 0 تا بینهایت و مقدار بهينه آن از 0/2 تا بینهایت میباشد.
نتایج حاصل از کار گمینز آن است که میتوان از مدل ریاضی ارائه شده جهت حصول توزیع صوت در یک کنسرت موسیقی بهره جست. بدین صورت که میتوان نقاط بحرانی را تعیین و کیفیت آکوستیکی آن را با بهینه کردن هندسه و مشخصات آکوستیکی سالن حتی قبل از ساخت بهبود بخشید. همچنین مقیاسی برای ارزیابی سالنها نیز ارائه نمود. اعتبار سنجی این نتایج با بکاربردن آن برای سالن گروسر25 در وینا نشان داده شده است، جداول 10 و11 [16].
جدول 9 مقادیر محاسبه شده توسط گیمنز [16]
جدول 10 پارامترهای محاسبه شده برای موسیقی بارک [16]
جدول 11 پارامترهای محاسبه شده برای موسیقی رمانتیک [16]
در سال 1988، هان26 در تحقیقی به بررسی منعکس کنندههای صوت موجود در سن سالن تئاتر هنگژو27 پرداخته است. نتایج او که حاصل از اندازهگیریهای عینی و ذهنی میباشد، به شرح زیر است[17]:
1- منعکس کنندههای مجزا، به منظور نگهداشتن زمان واخنش تا حد ممکنه، شکل 15.
2- چیدمان منعکسکنندهها بصورتی که زمان انعکاس را به موسیقیدان تا حد بهینه به تاخیر اندازد.
3- ایجاد شکل منعکسکنندهها بگونهای مناسب برای هم موسیقیدان و شنوندگان با منعکسکنندههای اولیه کافی بخصوص عرضی برای شنوندگان.
4- استفاده از مواد سبک برای مجهز کردن سازههای سوار شده بر سالن.
شکل 15 نمایی از منعکس کنندهها [17]
جدول 12 مقادیر محاسبه شده از SLP و زمان واخنش توسط هان [17]
در سال 1991، فیچتی28 و همکارانش به بررسی ارتباط بین پارامترهای هندسی، معیارهای آکوستیکی و مشخصات ذهنی فضاسازی صوت در سالنهای کنسرت پرداختند. نتایج نشان دادند که معیارهای آکوستیکی و پارامترهای هندسی میتوانند بر اساس تاثیراشان بر فضای آکوستیکی تقسیمبندی شوند. 1- موقعیت دریافت کننده صدا 2- زمان واخنش و چگونگی جذب در سقف بلند 3- مشخص بودن و جذب در سقف کوتاه 4- ضریب IACC و موقعیت خروج از مرکز. روابط بین مشخصات ذهنی که مورد بررسی قرار گرفتهاند شامل 1- زمان واخنش 2-میزان تمایل 3- انرژی واخنش اولیه و 4- درک عمقی[18].
جدول 13 پارامترهای هندسی اندازهگیری شده[18]
اکوبو29 و همکارانش روش و دستگاه جدیدی برای اندازهگیری پارامترهای عرضی آکوستیکی یک اتاق ارائه کردهاند، شکل 13 .مولفههای عرضی، نسبت جلو به عقب و چپ به راست از پاسخهای پالسی اتاق از طریق این سیستم اندازهگیری شده است، شکل 16. سیستم مورد نظر جهت اندازهگیری در سالنهای چند منظوره میتواند مورد استفاده قرار گیرد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان میدهد که پارامترهای جهتی حاصل از انعکاس اولیه نسبت به شکل سالن، جنس دیوار و موقعیت صندلیها حساس میباشد[19].
شکل 16 چیدمان سیستم اندازهگیری[19]
شکل17 رابطه بین زاویه برخورد صوت با پارامترهای جهتی[19]
در سال 2004، جون30 و همکارانش به توسعه سطوح پراکنده31 برای سالنهای کنسرت پرداختهاند. درجه نفوذ که با ضریب پراکندگی سطوح مواد مشخص میشود، به عنوان عاملی مهم در کیفیت آکوستیکی سالنهای موسیقی شناخته میشود. بر اساس روش پیشنهاد شده ISO که به اندازهگیری ضرایب پراکندگی برخورد بصورت تصادفی سطوح در یک میدان نفوذ میپردازد، در این تحقیق ضرایب پراکندگی با اندازهها و چگالیهای مختلف از مکعبها یا نیمکرههای پنبهای در یک مدل مقیاسی از اتاق واخنشی مورد اندازهگیری قرار گرفتهاند. نتایج نشان میدهد که نیمکرهها با بلندی بیشتر از 15 سانتیمتر از بیشترین ضریب پراکندگی متوسط (از 500هرتز تا 4 کیلوهرتز) برخوردارند. همچنین مشخص شده است که ضرایب پراکندگی زمانی که چگالی نفوذکنندهها به 50 درصد برای نیمکرهها و 30درصد برای مکعبها میرسد، افزایش مییابد[20].
شکل 18 دستگاه آزمایش 1/10 مقیاس محفظه واخنش برای اندازهگیری ضرایب پراکنندگی[20]
شکل 19 ضرایب پراکندگی از نفوذ کنندهها، پارامتر مورد نظر اندازه نیمکرهها میباشد[20].
در سال 2009، آرتز32 و همکارانش به بررسی قدرت صوت و زمان واخنش در 6 سالن کنسرت در کمبریج انگلستان پرداختهاند. ضریب قدرت صوت (G) اندازه سطح فیزیکی صوت میباشد که بطور نزدیکی با احساس ذهنی در خصوص بلندی صوت ارتباط دارد. در واقع بیانگر مقایسهی بین پاسخهای پالسی در نقاط اندازهگیری شده اتاق با آن چه که در 10متری در فضای آزاد اندازهگیری میشود، میباشد. هدف از اندازهگیری بررسی مشخصات آکوستیکی سالنها از لحاظ قدرت صوت و زمان واخنش میباشد. علاوه بر آن تاثیر متغیرهای آکوستیکی بر روی این پارامترها در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است. نتایج اندازهگیریها نشان میدهد که برای یک سالن با حجم ثابت، قدرت صوت از طریق کاهش زمان واخنش قابل دسترسی است. برخلاف این موضوع با توجه به کیفیت صوت در سالن و زمان واخنش توصیه شده برای یک محفظه موسیقی، زمان واخنش به هر مقداری نمیتواند کاهش یابد. بنابراین زمان واخنش و قدرت صوت میبایست به دقت بالانس گردند تا واخنش کافی همزمان با عدم افزایش بلندی صوت امکان پذیر گردد. در نهایت سطوح قدرت با مقادیری که از تئوریهای کلاسیک بارون حاصل شده مورد مقایسه قرار گرفته است[21].
شکل20 مقایسه مقادیر حساب شده از زمان واخنش بر حسب فرکانس در شرایط اشغال بون و نبودن سالن[21]
در سال 2009، سردا33 و همکارنش در تحقیقی به تعیین بیشترین پارامترهای آکوستیکی بیانگر برای سالنها جهت شنوایی موسیقی و زبانی پرداختهاند. این تحقیق در 9 سالن انجام گرفته است که اشکال متفاوت و طراحیهای مختلف جهت مقصد گوناگون برخوردار هستند. آنها پاسخ پالسی را در نقاط مختلف زیادی (فراتر از حداقل مورد نیاز توسط ترم 3382 ISO). جهت صحت اطلاعات مورد محاسبه قرار دادهاند. فرضیات در نظر گرفته در این تحقیق بدین صورت است که پارامترهای آکوستیکی عینی (قابل اندازهگیری) یا ترکیبی از این پارامترها میبایست اطلاعات آکوستیکی مشخصه برای هر سالن بصورتی که بتوان هر سالن را درجهبندی کرد، را فراهم آورد. تحلیل فاکتوری جهت درجهبندی این پارامترها مورد استفاده قرار گرفته و همچنین تعدد اندازهگیریها جهت تضمین کاربرد این نوع تحلیل استفاده شده است. این فاکتورها (معیارها) تفسیر آکوستیکی مشخصی را فراهم آوردهاند. اولین این معیارها به عنوان وضوح نامیده میشود، چراکه حاوی پارامترهای وضوح صدا میباشد. دومی مربوط به قدرت صوت (G) و ضریب بم[62] میباشد. نمرهبندی بهینه این فاکتورها برای استفادههای مختلف از سالنها این امکان را فراهم میآورد که هر سالنی را مستقل از شکل آن درجهبندی نمود[22].
Sabine1 Parkin2 Bagenal3 Knudsen4 Wente5 Mason6 Moir7 Meyer8 Nickson9 Jones10 Jordan11
Sense of Involvement12 Spatial Impression13 Lateral Efficiency14 Inversion Index15 Early Energy Balance16
Baron17 Beranek18 Ando19 inter-aural cross-correlation20 Strom21 Bjergsted22 computerized sound ray tracing23
Gimdnez24 Grosser25 Han26 Hangzhou27 A. Fischetti28 Okubo29 Jeon30 scattering surfaces31 Artez32
33Cerda