Акустическая камера

Акустическая камера — это специализированное помещение или устройство, предназначенное для создания контролируемых акустических условий, в первую очередь для обеспечения свободного (без отражений) звукового поля или, наоборот, для максимального звукопоглощения. Основное назначение акустических камер — проведение точных измерений акустических характеристик источников звука (громкоговорителей, музыкальных инструментов, промышленного оборудования) и приёмников звука (микрофонов, слуховых аппаратов), а также для исследований в области психоакустики и акустики помещений.

История развития

Первые прототипы акустических камер появились в начале XX века, когда развитие электроакустики и радиовещания потребовало создания условий для объективной оценки качества звуковоспроизводящей аппаратуры. В 1930-х годах в лабораториях компаний Bell Labs (США) и RCA были построены первые заглушённые камеры, представлявшие собой помещения, облицованные звукопоглощающими материалами, такими как минеральная вата и стекловолокно.

В СССР систематические исследования в области акустики помещений начались в 1940-х годах в Акустическом институте имени Н. Н. Андреева (АКИН). В 1950-х годах здесь была построена одна из первых в стране заглушённых камер, которая использовалась для калибровки гидроакустической аппаратуры и исследования шумов машин. В 1960-х годах, с развитием авиации и космонавтики, акустические камеры стали применяться для испытаний на воздействие шума и вибрации.

В 1970-х годах в США, в лаборатории компании Hewlett-Packard, была создана первая реверберационная камера для измерения звукоизоляции строительных конструкций. В 1980-х годах с развитием компьютерного моделирования акустические камеры стали оснащаться системами многоканальной записи и анализа звука.

В 1990-х годах в России, в частности в Московском государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана, были разработаны методы проектирования акустических камер с использованием численных методов, что позволило снизить стоимость их строительства.

Классификация

Акустические камеры классифицируются по основному акустическому режиму, который они создают, и по конструктивным особенностям.

По типу акустического поля

• Заглушённая (безэховая) камера: Помещение, внутренние поверхности которого (стены, пол, потолок) покрыты звукопоглощающим материалом, обычно в виде клиньев из пористого материала (пенополиуретан, стекловолокно). Коэффициент звукопоглощения такого покрытия близок к единице (0,99 и выше) для широкого диапазона частот. В результате в камере создаётся поле свободного звука, практически без отражений. Это позволяет измерять собственные характеристики источника звука без влияния акустики помещения.
• Реверберационная камера: Помещение с жёсткими, звукоотражающими поверхностями (бетон, керамическая плитка, металл). Время реверберации в такой камере максимально велико (до 10–20 секунд). Звуковое поле в ней является диффузным, то есть энергия звука распределена равномерно по объёму. Такие камеры используются для измерения звукоизоляции материалов, звукопоглощения образцов, а также для испытаний на воздействие шума.
• Гибридная камера: Помещение, которое может переключаться между режимами заглушённой и реверберационной камеры. Это достигается либо с помощью подвижных панелей, закрывающих или открывающих звукопоглощающие покрытия, либо с помощью раздвижных стен. Такие камеры наиболее универсальны, но дороги в строительстве.

По конструктивному исполнению

• Стационарные камеры: Постоянные строительные конструкции, встроенные в здания. Обычно имеют двойные стены с воздушным зазором для звукоизоляции от внешнего шума. Фундамент часто отделён от основного здания виброизоляторами.
• Мобильные (сборно-разборные) камеры: Представляют собой модульные конструкции из акустических панелей. Могут быть установлены в любом помещении с подходящими габаритами. Используются для временных измерений, например, на производственных площадках.
• Камеры малого объёма: Предназначены для измерения малогабаритных объектов (микрофонов, наушников, слуховых аппаратов). Часто имеют форму куба или параллелепипеда с длиной ребра от 0,5 до 2 метров.

Устройство и характеристики

Конструкция заглушённой камеры

Основным элементом заглушённой камеры является звукопоглощающая облицовка. Она состоит из клиньев, изготовленных из пористого материала (пенополиуретан, стекловолокно, базальтовая вата). Длина клина определяет нижнюю граничную частоту, начиная с которой камера обеспечивает безэховые условия. Обычно длина клина составляет от 0,5 до 1,5 метра, что соответствует нижней частоте от 100 до 50 Гц.

Для обеспечения низкого уровня собственного шума корпус камеры выполняется массивным (бетон, кирпич) и имеет многослойную конструкцию. Внутренняя оболочка часто устанавливается на виброизоляторах (пружинах, резиновых опорах) для гашения вибраций, передающихся от здания. Дверь камеры также имеет специальную акустическую конструкцию с уплотнителями и звукопоглощающим слоем.

Конструкция реверберационной камеры

Реверберационная камера, напротив, имеет гладкие, твёрдые поверхности. Для увеличения времени реверберации стены, пол и потолок часто покрываются керамической плиткой или штукатуркой. Для создания диффузного поля в камере могут устанавливаться неподвижные или вращающиеся рассеиватели (диффузоры) — объёмные элементы неправильной формы, которые разбивают стоячие волны.

Основные характеристики

• Нижняя граничная частота (для заглушённых камер): Частота, ниже которой коэффициент звукопоглощения облицовки падает, и в камере начинают появляться отражения. Обычно составляет 50–200 Гц.
• Уровень собственного шума: Уровень звукового давления внутри камеры при отсутствии источника звука. Для высокоточных измерений он должен быть ниже 20 дБ (тихий шелест листвы).
• Время реверберации (для реверберационных камер): Время, за которое уровень звука в камере падает на 60 дБ после выключения источника. Для реверберационных камер оно должно быть максимально большим (не менее 10 секунд).
• Эффективная площадь: Объём камеры, в котором акустическое поле соответствует заданным условиям (свободное поле или диффузное поле). Обычно составляет 60–80% от полного объёма.

Применение

Измерения и испытания

• Акустические измерения: В заглушённых камерах проводят калибровку микрофонов, измерение чувствительности, частотной характеристики и нелинейных искажений громкоговорителей, наушников, микрофонов. В реверберационных камерах измеряют звукоизоляцию строительных конструкций (стен, перегородок, окон) и звукопоглощение акустических материалов (облицовок, ковров, штор).
• Испытания на шум: В реверберационных камерах проводят испытания промышленного оборудования (станков, компрессоров, вентиляторов) на соответствие нормам по шуму. В заглушённых камерах измеряют шум бытовой техники (пылесосов, стиральных машин, холодильников).
• Авиационная и космическая техника: В заглушённых камерах больших размеров (до нескольких тысяч кубических метров) проводят испытания на акустическую усталость элементов самолётов и космических аппаратов, а также измеряют шум двигателей.

Научные исследования

• Психоакустика: В заглушённых камерах проводят эксперименты по восприятию звука человеком, например, по определению порогов слышимости, локализации источника звука, маскировке звуков.
• Биоакустика: Изучение звуковой коммуникации животных (птиц, дельфинов, насекомых) в контролируемых условиях.
• Акустика помещений: Исследование влияния формы и материалов помещения на его акустические свойства, разработка методов акустического проектирования концертных залов, театров, студий звукозаписи.

Производство

• Контроль качества: В акустических камерах на заводах-изготовителях проверяют акустические характеристики выпускаемой продукции (громкоговорители, микрофоны, наушники, слуховые аппараты).
• Разработка новых продуктов: Инженеры-акустики используют камеры для отладки и оптимизации акустических систем.

Примеры известных акустических камер

• Заглушённая камера Акустического института имени Н. Н. Андреева (Москва, Россия): Одна из крупнейших в Европе заглушённых камер объёмом около 2000 м³. Нижняя граничная частота — 50 Гц. Используется для испытаний авиационной и космической техники.
• Заглушённая камера компании Microsoft (Редмонд, США): Одна из самых тихих камер в мире, уровень собственного шума составляет около -20 дБ (ниже порога слышимости человека). Используется для тестирования микрофонов и голосовых ассистентов.
• Реверберационная камера Национального физического института (Теддингтон, Великобритания): Эталонная камера для измерения звукоизоляции и звукопоглощения. Время реверберации — более 15 секунд.
• Заглушённая камера компании Bose (Фреймингем, США): Используется для разработки и тестирования акустических систем, в том числе автомобильных.

Интересные факты

• Пребывание в заглушённой камере с очень низким уровнем собственного шума (ниже 20 дБ) может вызывать у человека галлюцинации и чувство дезориентации из-за отсутствия привычных слуховых ориентиров.
• Самый большой в мире заглушённый зал находится в НАСА (США) и имеет объём около 20 000 м³. Он используется для испытаний космических аппаратов на воздействие шума при запуске ракеты.
• В некоторых заглушённых камерах пол представляет собой сетку из металлических тросов, натянутую на высоте нескольких метров, чтобы избежать отражений от пола.

Источники

• Акустика: справочник / под ред. М. И. Федорова. — М.: Радио и связь, 1989.
• Колесников А. Е. Акустические измерения. — Л.: Судостроение, 1983.
• Беранек Л. Акустические измерения. — М.: Издательство иностранной литературы, 1952.
• ГОСТ 31299-2005 (ИСО 3745:2003) «Акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума по звуковому давлению. Точные методы для заглушённых и полузаглушённых камер».
• ГОСТ 31298-2005 (ИСО 3741:1999) «Акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума по звуковому давлению. Точные методы для реверберационных камер».