NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ KHÁN PHÒNG

Năng lượng âm thanh trong phòng đi từ nguồn đến tai người nghe bằng hai lộ trình âm trực tiếp và âm phản xạ. Do âm trực tiếp phụ thuộc vào nguồn phát, nên để điều tiết tính chất trường âm trong phòng, người ta thường cố gắng can thiệp vào quá trình hình thành âm phản xạ. Việc hạn chế hay phát huy âm phản xạ sẽ cho một thời gian âm vang thích hợp với tính chất và yêu cầu của phòng.

Ch ươ ng 4: THIẾT KẾ KHÁN PHÒNG

• Năng lượng âm thanh trong phòng đi từ nguồn đến tai người nghe bằng hai lộ trình âm trực tiếp và âm phản xạ Do âm trực tiếp phụ thuộc vào nguồn phát, nên để điều tiết tính chất trường âm trong phòng, người ta thường cố gắng can thiệp vào quá trình hình thành âm phản xạ Việc hạn chế hay phát huy âm phản xạ sẽ cho một thời gian âm vang thích hợp với tính chất và yêu cầu của phòng

Việc can thiệp vào âm phản xạ được tiến hành qua sự tổ chức thiết kế nội thất và vật liệu trang âm trong phòng

Thiết kế âm học các phòng thính giả gồm các vấn đề sau đây:

1.Xác định thể tích phòng.

2.Xác định tỷ lệ kích thước hợp lý về âm học.

3.Thiết kế hình dáng phòng.

4.Thiết kế các chi tiết kiến trúc lớn trong phòng.

5.Đánh giá điều chỉnh thiết kế thông qua các chỉ tiêu âm học 6.Thiết kế nội thất phòng và chọn vật liệu trang âm

7.Kiểm tra sự xuất hiện của các hiện tượng xấu về âm thanh

và đưa ra các giải pháp xử lý.

• Thể tích phòng thính giả có ảnh hưởng đến sự phân bố năng

lượng âm, tính khuếch tán của trường âm, và đặc biệt đến thời gian âm vang - một chỉ tiêu âm học quan trọng nhất đối với mọi phòng thính

giả Nếu thể tích phòng quá lớn, âm vang sẽ quá dài, Ngược lại, nếu thể tích phòng quá nhỏ, thời gian âm vang của phòng sẽ quá ngắn

Theo yêu cầu âm thanh, có hai quan điểm chọn thể tích phòng khán giả:

1.Xác định thể tích phòng theo cường độ âm

Đối với phòng yêu cầu độ rõ như giảng đường, phòng họp …, phòng loại này không vượt quá 2800m3 vẫn nghe tốt

Đối với phòng kịch nói, thường yêu cầu sức chứa không quá

1500 người, thể tích tương đối nhỏ (không nên quá 7500m3)

Phòng biểu diễn nhạc giao hưởng, ca vũ, sức chứa có thể lên tới

3000 người, thể tích không vượt quá 20.000m3

Phòng đa dụng, thể tích phòng khán giả xét theo tiêu chuẩn biểu diễn Khi nói chuyện có thể dùng hệ thống tăng âm để thỏa mãn độ rõ

I.XÁC ĐỊNH THỂ TÍCH PHÒNG:

• 2.Xác định thể tích phòng theo yêu cầu thời gian âm vang hợp lý:

Thời gian âm vang dài hay ngắn tỷ lệ thuận với thể tích phòng, tỷ lệ nghịch với tổng lượng hút âm trong phòng

Trong tổng lượng hút âm của phòng, lượng hút âm của người chiếm tỷ lệ lớn Nếu chỉ tiêu thể tích mỗi chỗ ngồi quá bé khi khán giả ngồi hết ghế, lượng hút âm trong phòng đã đủ lớn, không cần bố trí vật liệu hút âm, thời gian âm vang rất ngắn không đạt yêu cầu Nếu chỉ tiêu thể tích mỗi chỗ ngồi quá lớn, thời gian âm vang sẽ quá dài, khi đó phải sử dụng nhiều vật liệu hút âm để xử lý, gây tốn kém, đồng

thời cũng khó đạt được hiệu quả mong muốn

Do đó chọn chỉ tiêu thể tích phòng hợp lý, đảm bảo thời gian âm vang dài hơn giá trị tối ưu một ít, sau đó dùng vật liệu hút âm để điều chỉnh, như vậy vừa kinh tế, vừa đạt yêu cầu mong muốn

Người ta đưa ra chỉ tiêu thể tích riêng cho mỗi thính giả

(M-m3/người) đối với các phòng có chức năng khác nhau

Thể tích phòng

M = - (m3/người)

Tổng sức chứa

Chỉ tiêu thể tích phòng

Công dụng của phòng Chỉ tiêu thể tích

m3/người Tối ĐaPhòng nói chuyện, kịch nói

5686

Giảng đường

Nhà hát kịch

Ca kịch, âm nhạc phòng

Phòng hoà nhạc

Phòng hoà nhạc có dàn organ

Phòng đa năng

Phòng chiếu bóng

3 – 4,0

4 – 5,04,5 – 5,5

6 – 8,06,5 – 9,5

5 – 7,03,5 – 5,0

4,55,56,59,012,08,05,5

Thể tích phòng (V, m3) khi đó sẽ xác định theo công thức:

V = v N

Trong đó: v - chỉ tiêu thể tích riêng, m3/người

N – số lượng thính giả

Vì thể tích phòng

V = N S N H

H – chiều cao trung bình phòng thính giả;

SN – chỉ tiêu diện tích riêng, m2/ người, có thể lấy

II.XÁC ĐỊNH TỶ LỆ KÍCH THƯỚC HỢP LÝ VỀ ÂM HỌC:

Không có một hình dạng lý tưởng cho các phòng thính giả

Về sáng tạo kiến trúc – đó là điều đáng mừng vì nó cho phép người

thiết kế được hoàn toàn tự do tìm tòi sáng tạo các không gian nội thất phòng thính giả

Về âm học kiến trúc – điều đó không có nghĩa là không có những tỷ

lệ, hình dạng xấu, bất lợi về âm học, thậm chí có thể đưa đến những hậu quả nghiêm trọng không thể sửa chữa được về chất lượng âm

thanh

Tần số dao động riêng của phòng: là tần số cộng hưởng của phòng

Nếu lực kích động có tần số nào đó tác dụng lên hệ dao động, hệ sẽ dao động theo tần số của lực kích động, nếu thôi tác dụng, dao động của hệ lập tức biến đổi từ tần số của lực kích động sang tần số dao động riêng của hệ

Xét với phòng hình hộp không gian ba chiều: chiều dài L, chiều rộng

B và chiều cao H, giữa mỗi cặp song song đều xuất hiện sóng đứng:

Tần số dao động riêng tổng hợp của phòng hình hộp xác định bằng

Nếu phòng thể tích V (m3), số lượng tần số dao động riêng N của

phòng kể từ tần số thấp nhất đến tần số fc nào đó, xác định bằng biểu thức:

Theo lý thuyết, trường âm trong phòng trong quá trình âm vang, do những dao động còn dư của toàn bộ dao động riêng của

phòng hình thành, nhưng thực tế chỉ có những tần số dao động riêng nào của phòng xấp xỉ tần số của nguồn âm mới bị kích động dậy

Âm nhạc và lời nói đều là những âm phức tạp bao gồm rất nhiều tần số khác nhau, muốn đảm bảo tính chất thật của ân thanh, thành phần tần số dao động riêng của phòng phải xấp xỉ bằng thành phần tần số của nguồn âm, khi đó mọi tần số của nguồn âm mới được dao động riêng của phòng hưởng ứng

Cho nên sự phân bố tần số dao động riêng của phòng là cơ sở quan trọng để xác định hình dáng phòng Tần số dao động riêng của phòng, trong phạm vi hẹp có thời gian âm vang (tức là tốc độ tắt dần) xấp xỉ bằng nhau Không nên thiết kế ba kích thước (cao, rộng, dài) của phòng chênh lệch nhau quá nhiều, cũng không nên bằng nhau, hoặc một kích thước lớn hơn rất nhiều so với hai kích thước kia Nếu phòng có hai kích thước bằng nhau sẽ tồn tại nhữn cặp tần số dao

động riêng bằng nhau, làm giảm khả năng phân bố đều trường âm trong phòng

CÁC TỶ LỆ PHÒNG THƯỜNG GẶP

 Tỷ lệ vàng

 R.Lammoral (theo lý thuyết sóng)

( 5 1 : 2 : − ) ( 5 1 + )

1,01,01,02,0

2,02,51,63,0

3,0 – 3,53,5 – 4,02,35,0

III THIẾT KẾ HÌNH DÁNG PHÒNG HỢP LÝ VỀ ÂM HỌC:

1.Yêu cầu về sóng âm:

Xuất phát từ lý thuyết sóng, yêu cầu phòng phải có một phổ tần số riêng đủ dày đặc, cùng dao động và tắc dần với tần số như nhau Để đạt được yêu cầu này ta phải:

1 Lựa chọn các kích thước của phòng không được là bội số của nhau

2 Loại trừ hiện tượng sóng đứng, xuất hiện khi phòng có hai bề mặt song song và phản xạ mạnh âm thanh

Hai biện pháp cụ thể vừa nêu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các phòng có kích thước nhỏ, như stuđio âm thanh trong đài phát thanh truyền hình

2 Yêu cầu về chất lượng nghe nhìn:

Vừa đạt được tốt nhất cả nhìn và nghe, vừa đạt được sự đồng bộ giữa chúng (không có độ trễ của nghe đối với nhìn) Dựa vào quan hệ này mà tiêu chuẩn thiết kế của nhiều nước qui định chiều dài đảm

bảo sự đồng bộ giữa nghe và nhìn yêu cầu chiều dài tối đa của các phòng nghe trực tiếp không nên vượt quá 40 m

Tuy nhiên, do phụ thuộc vào tầm nhìn của từng loại hình biểu

diễn mà chiều dài tối đa của khán phòng được thu ngắn lại (Phòng hoà nhạc không quá 35m, phòng kịch nói không quá 26m, phòng

chiếu phim không nên quá 36m mặc dù có thể lên tới 40m)

3 Yêu cầu về tính chất nguồn âm:

Xét tới sự hạn chế của công suất nguồn âm: kích thước quá rộng và

quá dài là bất lợi cho các phòng nghe trực tiếp có công suất của nguồn âm nhỏ (như tiếng của một diễn viên, một độc tấu), vì vậy trong các nhà hát lớn thường có các phòng nhỏ cho biểu diễn độc tấu

Xét tới tính định hướng của nguồn âm: tiếng của diễn viên có tính

định hướng rõ rệt, còn đối với các nhạc cụ, tính định hướng lại thay đối rất nhiều phụ thuộc đặc điểm phát âm của chúng Phần lớn sàn diễn nằm ở một phía của phòng thính giả (trừ các sân vận động, nhà thi đấu và một số phòng hoà nhạc), vì vậy kích thước chiều rộng của phòng phải xét tới đặc điểm này, bởi vì sự lan truyền tốt âm trực tiếp có vai trò quan trọng để nâng cao độ rõ và bảo đảm tính trung thực của âm thanh

4 Yêu cầu về thiết kế hình dáng khán phòng:

Cần chú ý khi thiết kế các mặt trần và tường vì chúng có thể tạo ra các hiện tượng âm thanh xấu trong phòng như hội tụ âm, tiếng dội

nhại tiếng, tiếng dội lặp lại Đặc biệt phải hết sứ cẩn thận khi sử dụng các mặt cong lõm trong phòng, bởi vì các mặt này gây bất lợi về âm học nhiều hơn là có lợi Đặc biệt phải tránh 2 hiện tượng sau:

a.Hiện tượng tiêu điểm âm: Tiêu

điểm âm làm cho trường âm phân bố không đều, ở vùng tiêu điểm âm, nghe âm gián đoạn, mơ hồ Mặt cong lõm trên trần, nguy hiểm nhất khi bán kính cong bằng chiều cao của phòng, khi đó tiêu điểm âm rơi đúng trên vùng chỗ ngồi của khán giả, nếu bán kính cong bé hơn hai lần chiều cao của phòng, tiêu điểm âm ít nguy hiển hơn

b.Hiện tượng tiếng dội: Hiện

tượng tiếng dội xuất hiện trong phòng do âm phản xạ từ bề mặt cứng nào đó đến sau âm trực tiếp ngoài 50ms, và cường độ âm vượt quá giới hạn cho phép

Tiếng dội liên tục xuất hiện giữa hai mặt tường cứng song

song nhau và nguồn âm đặt giữa hai mặt tường này Vì vậy

thường thiết kế hai mặt tường hai bên miện sân khấu lệch nhau, chỉ cần góc lệch 5o là đủ, hoặc nên xử lý khuyếch tán âm trên hai

mặt tường này

Có thể dùng âm hình học để nhận biết những vị trí có thể gây âm phản xạ đẫn đến tiếng dội

5 Tận dụng không gian sân khấu và cận sân khấu: không gian

sân khấu và cận sân khấu (cả trần và tường), phần chủ yếu phải được sử dụng để bổ sung năng lượng âm phản xạ cho các chỗ ngồi xa, đặc biệt các chỗ ngồi ở cuối phòng và cuối ban công (trừ các phòng chiếu phim), đồng thời một phần năng lượng phản xạ được đưa tới các diễn viên và nhạc công trên sân khấu, để họ có thể nghe được tiếng của mình và của bạn diễn, nhờ đó có thể điều chỉnh âm lượng cho phù hợp với âm vang chung của dàn diễn hay dàn nhạc

Thiết kế mặt bằng khán phòng: năm yêu cầu cần phải thoã mãn khi

phân tích mặt bằng các phòng:

1.Khoảng cách giữa nguồn âm và người nghe phải nhỏ nhất.

2.Góc bao giữa nguồn âm và các chỗ ngồi bên phải nhỏ để xét

tới tính định hướng của nguồn âm.

3.Các tường gần nguồn âm phải tạo được các phản xạ âm có lợi

Thiết kế mặt cắt khán phòng: Xét về mặt lợi dụng năng lượng âm

phản xạ thì dạng trần phẳng của phòng hình hộp chữ nhật chỉ sử dụng được một phần diện tích, nhỏ hơn nhiều so với dạng tần nếp gấp hạ thấp dần độ cao về phía cuối phòng, phát triển hướng nghiên cứu này chúng ta có thể tìm thấy những dạng trần có lợi nhất cho sự phân bố đều năng lượng âm phản xạ tới các chỗ ngồi thính giả

Các dạng phòng từ 1 đến 5 tạo được sự phân bố năng lượng âm phản xạ đều dần và đạt đến một trường âm khuếch tán gần với lý tưởng.

Phòng hoà nhạc thành phố Freiburg (CHLB Đức) có thể coi là một ví dụ áp dụng phòng 5 vào thực tế, chú ý sự tăng dần chiều sâu của sóng trần về phía tường sau nhằm tạo độ nghiêng lớn dần cho các âm tần số cao phản xạ tới các thính giả ngồi ở cuối phòng.

IV THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT KIẾN TRÚC LỚN TRONG

V ĐÁNH GIÁ VÀ ĐIỀU CHỈNH THIẾT KẾ THÔNG QUA CÁC CHỈ TIÊU ÂM HỌC:

1 Tổng lượng hút âm trong phòng A (m 2 )

a Hệ số hút âm trung bình α

ứng với hệ số hút âm α1, α2, α3, … αn

Thực tế, nếu trong phòng có n bề mặt bằng những vật liệu hoàn toàn khác nhau, diện tích các bề mặt này là: S1, S2, S3, … Sn (m2) tương ứng với hệ số hút âm: α1, α2, α3, … αn , hệ số hút âm trung bình của vật liệu hoàn thiện và vật liệu trang trí trên bề mặt giới hạn của phòng bằng:

n

i i i

b.Lượng hút âm cố định (A cđ ), lượng hút âm thay đổi (A tđ )

Lượng hút âm cố định (Acđ):lượng hút âm cố định trong phòng, do vật liệu xây cất và vật liệu trang trí tạo nên

2 1

Cách xác định 1: Xác định bằng số đơn vị hút âm của một đối tượng

Cách xác định 2: Xác định bằng số đơn vị hút âm trên 1m2 chỗ ngồi

Atđ = N1 α1+ N2.α2 (m2)

cd td

A A S

α = +

Tổng lượng hút âm (A) trong phòng bằng:

A = Acđ + AtđHệ số hút âm trung bình của phòng thực tế xác định bằng biểu thức

2.Quá trình phát triển âm trong phòng:

Khi có một tín hiệu phát ra trong phòng, năng lượng âm phát triển qua ba giai đoạn:

Năng lượng âm tăng dần (trưởng thành)

Năng lượng âm đạt tới trạng thái ổn định, âm thanh khuyếch tán

Năng lượng âm tắt dần, hình thành âm vang.

3.Năng lượng âm trong giai đoạn tăng dần

Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: Năng lượng âm tăng lên trong phòng bằng hiệu số của năng lượng do nguồn bức xạ W với năng lượng bị hấp thu Wh trong đơn vị thời gian.

Trên cơ sở đó Sabin chứng minh được rằng:

4

4

1

CA t V

4.Năng lượng âm trong giai đoạn ổn định

Mật độ năng lượng âm giai đoạn ổn định:

.

W E

C A

=

Mức năng lượng âm trong phòng, ở giai đoạn ổn định không có quan hệ với hình dáng và thể tích phòng Nếu bảo đảm những điều kiện của âm hình học, mức năng lượng âm trong phòng chỉ phụ thuộc vào công suất âm (W) của nguồn âm và tổng lượng hút âm A của phòng, khi đó, nếu giảm tổng lượng hút âm A có thể tăng mức âm ổn định trong toàn thể tích phòng

Dễ dàng thấy rằng, nếu các bề mặt trong phòng hoàn toàn phản xạ âm, tức là = 0 năng lượng âm trong phòng, khi nguồn âm còn tác dụng sẽ tăng vô cùng lớn, khi nguồn âm ngừng tác dụng, năng lượng âm sẽ giữ nguyên lâu vô cùng Điều này phù hợp với phòng kín.

Nếu năng lượng âm bị hấp thu hoàn toàn, tức là =1

5.Năng lượng âm trong giai đoạn năng lượng âm tắt dần, hình thành âm vang

Kết quả này đã thúc đẩy Ering xét lại phương trình giải quyết bài toán xác định năng lượng âm trong phòng khi nguồn âm còn tác dụng và sau khi ngừng tác dụng.

Ering xác minh rằng sự hấp thu năng lượng âm trong quá trình tăng dần và tắt dần không liên tục, trơn tru, Quá trình tắt dần (cũng như quá trình tăng dần), do tổng hợp của dao động riêng và dao động cưỡng bức còn dư, năng lượng âm thực tế tắt dần khi thăng khi giáng, khi giảm khi ngưng như hình bậc thang, trong đó mỗi bậc thang xác định bằng thời gian trung bình ( ) giữa hai lần phản xạ liên tiếp Ering vẫn giữ những giả thiết của Sabin tức là cũng thừa nhận trường âm khuyếch tán hoàn toàn

τ

Từ đó Ering chứng minh dẫn

tới kết quảnăng lượng âm phản xạ

qua lại nhiều lần giữa các bề mặt

của phòng và tắt dần theo quy

luật::

( )

.ln 1 4

4

1

C S

t V

Nếu kể tới tác dụng hút âm của không khí, phương trình tắt dần của

4

ơ.

ct V

α

− −

=

6.Tính thời gian âm vang:

a.Tính thời gian âm vang tối ưu (Ttư): Thời gian âm

vang tối ưu của tần số 500Hz (Ttư500) có thể tìm từ biểu đồ hoặc có thể xác định bằng công thức kinh nghiệm của Clavin:

T tư

500 = K.lgV (giây)

K h s m c ích s d ng phòng ệ ố ụ đ ử ụ Phòng biểu diễn ca nhạc: K=0,41

Phòng kịch nói: K= 0,36 Phòng yêu cầu độ rõ: K=0,29

Thời gian âm vang tối ưu của các tần số khác xác định thông qua thời gian âm vang tối ưu của tần số 500Hz.

T tư

f = R T tư

500

Trong đó: R – hệ số hiệu chỉnh xác định theo biểu đồ

Đối với những công trình thông thường hoặc thiết kế sơ bộ có thể tính thời gian âm vang tối ưu của ba tầnsố: Ttư

Từ kết quả tính toán, lập biểu đồ đặc tính tần số của thời gian âm vang tối ưu trong dải bảo vệ ± 10%.

Từ đó tính hệ số hút âm và tổng lượng hút âm Af của các tần số tính toán:

A S = α

b Tính tổng lượng hút âm yêu cầu A

Tổng lượng hút âm yêu cầu đối với các tần số tính

toán:

Af xác định nhờ phương trình của Ering và

Ttư

Đối với tần số f ≤ 500Hz:

Đối với tần số f ≤ 2000Hz: (m=0,0025)

, m2 (hoặc Sabin)