008888' Три взгляда на акустику помещ-й ~- Публ-ция ~- Звук ~- Приклад. ~- Естест. ~- Наука

<…>

Зодчие Ассирии, Вавилона, Древнего Египта в V-II-ом тысячелетиях до н. э. строили храмы, обладавшие выразительной архитектурой и впечатляющим художественным убранством. И мощные строительные конструкции, и скульптура, и живопись — всё было направлено на то, чтобы поразить и подавить психику молящихся, создать у них ощущение своего ничтожества, мистического страха перед божественными силами. Зодчим, по-видимому, уже были известны законы распространения и отражения звуковых волн. Пользуясь ими, они достигали акустических эффектов, поражавших воображение молящихся.

Иные, хотя и столь

же сильные чувства возбуждало искусство Древней Греции (VII-IV-ый вв. до н. э.) — одной из вершин мировой цивилизации. В отличие от искусства Древнего Египта в основе древнегреческого лежало представление о силе и красоте человека, его неразрывной связи с окружающей природой и общественной средой. Искусство Древней Греции отличалось гармоничностью и светлыми чувствами. Древним греческим храмам и другим общественным сооружениям свойственна соразмерность частей, она определила их высокие акустические свойства. Рациональность принятых древними греками акустических решений была впоследствии подтверждена наукой нашего времени.

Наряду с храмовыми зданиями уделялось большое внимание сооружениям общественного назначения. Зрелищные сооружения Древней Греции разделялись на два вида: одейоны и театры. Первые представляли собой сравнительно небольшие крытые здания для репетиций и представлений с малым количеством исполнителей (без хора) и зрителей, вторые являлись зрелищными сооружениями открытого типа и большой вместимости (тысячи и десятки тысяч человек). Каменные скамьи зрительских мест располагались на склонах возвышенностей.

Традиции греческих архитекторов были продолжены их римскими последователя в VII‑I‑ом вв. до нашей эры. Римские театры на открытом воздухе были сходны с греческими, хотя в отличие от них строились не только на естественных склонах, но и на горизонтальных участках. Типичным примером такого театра служит амфитеатр Флавия — Колизей на 56 тысяч зрителей, построенный в 80‑90‑х гг. н. э..

В наше время требуется

установка систем звукоусиления даже в залах вместимостью 200-300 человек. Поэтому кажутся фантастическими свидетельства историков о вместимости древних греческих и римских театров, обслуживающихся естественной звучностью голосов актров. Так, театр Помпея вмещал 17 800 человек, театр Марцелла в Риме — 20 тысяч человек. Если даже эти данные сильно преувеличены (по современным оценкам, названные театры вмещали соответственно 5 и 7 тысяч человек), тем не менее кажется чудом, что в этих гигантских театрах достигали удовлетворительной звучности на слушательских местах. Остаётся предположить: либо уши тогдашних посетителей зрелищ были в несколько раз чувствительнее современных, либо древние строители знали неведомые нам секреты, позволявшие получить достаточную громкость и разборчивость на слушательских местах. Известно, что в маски актеров, изображающие различные эмоции действующих лиц, были встроены рупоры, направлявшие звук в сторону зрителей.

<…>

Знание акустических явлений в помещениях находило подчас самое необычное применение. До наших дней дошли так называемые „шепчущие галереи” Древнего Рима и Китая. В них, благодаря умело расставленным и особым образом ориентированным отражающим поверхностям стен, тихие звуки распространялись на большие расстояния, и люди, удаленные друг от друга на десятки метров, могли общаться, не напрягая голоса.

Вблизи города Сиракузы на острове Сицилия сохранились древние каменоломни. По преданию, в одну из галерей, названную „ухом Диониса”, помещали пленных. Наверху благодаря естественным каналам-щелям было слышно всё, что пленные говорили между собой. Таким образом выведывались их секреты.

Особые звуковые каналы позволяли правителям в своих дворцах подслушивать откровенные высказывания сановников, полагавших, что их не слышат, и на основании этого оценивалась их преданность.

В конце дохристианской эры развитие акустики как экспериментальной части физики приостановилось. Считалось, что немалую роль в этом сыграл авторитет греческого учёного Аристотеля (384-322-ой годы до н. э.), который утверждал, что эксперимент недостоин внимания естествоиспытателя. Даже во времена Леонардо да Винчи (около 1500-ый год н. э.) пользовались представлениями об акустике помещений, заимствованными из античного мира.

Античные знания об акустике помещений нашли практическое применение при сооружении культовых зданий раннего и позднего средневековья. В католических храмах создавалось впечатление музыки, льющейся с небес. Это не случайная находка строителей, а сознательное использование особых архитектурных форм и продуманное расположение духового органа и хора. Своеобразными акустическими эффектами отличались и православные храмы. Голоса священника и певчих отражались от купольной части сооружения вниз, к молящимся, и у них возникало ощущение общения с небом. Для создания желаемой акустической среды строители закладывали в стены и своды храмов глиняные кувшины разных размеров, так называемые „голосники”. Это были своеобразные акустические резонаторы.

В 19-ом веке из не вполне чётких представлений античного мира стали выкристаллизовываться точные знания. Эйлер, Лагранж, Фурье, Стокс, Юнг, Гельмгольц, Дж. Стретт (последний более известен под именем лорда Рэлея, точнее Рейли) создали акустику как науку. В конце 19-го и начале 20-го веков У. Сэбин (Walles Sabine) выполнил эксперименты, положившие начало теории архитектурной акустики, выявил количественные связи между геометрическими параметрами помещений и их акустическими характеристиками. <…>

Сэбин рассматривал акустические процессы в помещении после выключения источника звука как запаздывание многократно отражённых волн и их постепенное ослабление в результате поглощения энергии волн преградами. Исходной причиной этого процесса является энергия, сообщенная помещению источником звука.

Теория У. Сэбина, несмотря на большие практические успехи, вызвала серьёзную критику. В 1929-ом году Шустер (K. Schuster) и Ветцман (E. Waetzmann) признали трактовку статистической теории неудовлетворительной. После прекращения действия источника звука процесс затухания происходит не под воздействием вынужденных колебаний, а как результат затухания собственных (резонансных) колебаний, возбуждённых источником звука, и с частотами, определяемыми формой и размерами помещения. Такая теория, названная волновой, была фундаментально развита Болтом, Морзом, Дрейзеном, Фурдуевым и другими. Следует отметить, что уже Дж. Стретт (лорд Рэлей), ссылаясь на математическое решение, данное Дюамелем, считал возможным анализировать акустику помещений с позиций волновой теории.

До начала 20-го века, т. е. до работ У. Сэбина, главное внимание в акустике помещений уделяли анализу направлений путей распространения потоков звуковой энергии в помещении — прямого и отражённого от преград, т. е. рассмотрению геометрической (лучевой) картины. Геометрическая теория — самая древняя. Она успешно применяется и в наше время, особенно при проектировании залов большой вместимости. <…>

В настоящее время не существует единой теории, объясняющей все акустические процессы в помещениях и позволяющей с единых позиций решать конкретные задачи оптимизации в помещениях разного назначения. К тому же эти задачи связаны с психофизиологией и эстетической оценкой звучания слушателями, со вкусами музыкантов и актёров. Такие задачи носят особый характер, и мы не будем их касаться. Проблемы акустики залов большой вместимости, оборудованных системами звукоусиления, также находятся за пределами данной статьи. Она посвящена лишь рассмотрению основных положений и практическому применению трёх существующих теорий — статистической, волновой, геометрической.

Основные положения. В статистической теории акустические процессы в помещении рассматриваются как постепенный спад энергии волн, многократно отражённых преградами помещения. Этот спад происходит после прекращения действия источника звука. Идеализируя, считают этот процесс в первом приближении непрерывным. Тогда его можно изобразить в линейном масштабе экспонентой, а в полулогарифмическом масштабе — прямой. Предпосылкой к такому рассмотрению является выполнение двух условий: все направления движения волн равновероятны, а плотность звуковой энергии e = Е / V в каждой точке пространства помещения одинакова.

Прежде чем анализировать процесс спада звуковой энергии в помещении, необходимо объяснить, почему в архитектурной акустике большее внимание уделяется не стационарному процессу (процессу установившихся колебаний), а переходному (нестационарному). Последний начинается после прекращения действия источника звука, заключается в постепенном спаде звучания вследствие потерь звуковой энергии и называется отзвуком, или реверберацией.

Реверберация существенно влияет на качество и речевого, и музыкального звучаний. Чрезмерная длительность реверберации приводит к тому, что новые слоги речи звучат на фоне предыдущих затухающих слогов. Разборчивость речи при этом ухудшается. При коротком отзвуке разборчивость речи вполне удовлетворительна, но своеобразная „безжизненность”, „стерильность” такого звучания воспринимается так же, как недостаток, особенно при художественном чтении. Ещё большее значение имеет процесс отзвука при слушании музыки. Каждая музыкальная фраза представляет собой последовательность звуковых импульсов. Затянутый отзвук нарушает эстетичность восприятия музыки тем сильнее, чем быстрее темп исполнения, так как звуки „набегают” друг на друга. Наоборот, при очень коротком отзвуке или его отсутствии (при исполнении на открытом воздухе) музыка звучит сухо. Утрачивается слитность звучания. Лишь при некотором, вполне определенном для каждого стиля исполнения времени отзвука образуется необходимая связность звучания, создающая наилучший эстетический результат.

Рассмотрим процессы,

происходящие в помещении при звучании источника И (см. рис.). Первым в точку приёма Пр, где находятся уши слушателя или микрофон, приходит по пути 1 прямой звук, затем по пути 2 звуки, отражённые от ближайших к источнику поверхностей, далее звуки по пути 3, отражённые от удаленных поверхностей. Позже приходят звуки, претерпевшие двукратные отражения на пути 4, и т. д.. Количество отражений в единицу времени возрастает пропорционально второй степени времени. Помещение постепенно заполняется звуковой энергией. После прекращения звучания источника начинается процесс отзвука. В той же последовательности, как и при начале звучания, сперва в точку приема приходят сравнительно редкие начальные отражения. Далее плотность запаздывающих импульсов увеличивается, а их энергия постепенно спадает (см. следующ. рис.).

Статистическая теория занимается именно этой, второй частью отзвука с повышающейся плотностью импульсов во времени и уменьшающейся их энергией. Прямой звук и начальные сравнительно редкие отражения статистической теорией не принимаются во внимание.

Метод, предложенный У. Сэбином, основан на модели идеального помещения, в котором после прекращения действия звукового сигнала звуковое поле может быть рассчитано на основе статистического рассмотрения процесса затухания звука. При этом предполагается, что амплитуды и фазы отраженных звуковых волн распределены хаотически, т. е. в волновом движении нет преобладающих направлений потоков и симметрии в распределении амплитуд. Принятое допущение позволяет считать, что средние значения звуковой энергии по различным направлениям одинаковы, т. е. звуковое поле изотропно, и средняя по времени плотность звуковой энергии в любой точке помещения тоже одинакова. Такое звуковое поле называют диффузным. Его рассмотрение дало возможность пренебречь явлениями интерференции и применить при расчётах энергетическое суммирование. Этот подход подобен используемому в кинетической теории газов и основан на математической теории вероятностей. Л. Бреховских показал, что для помещений, линейные размеры которых велики по сравнению с длиной волны, получаются достаточно удовлетворительные результаты.

Методами математической статистики в диффузном поле определяют среднюю длину пробега звукового луча между двумя отражениями. Для помещения в форме прямоугольного параллелепипеда с линейными размерами, близкими к „золотому сечению” (длина относится к ширине и к высоте, как 2 : 20,5 : 1, по другому определению 5 : 3 : 2), статистически определенная средняя длина свободного пробега звукового луча

l_ср = 4 · V ⁄ S,

где V — объём помещения, S — общая площадь всех ограничивающих поверхностей (пола, потолка, стен).

Впоследствии было установлено, что полученная зависимость примерно сохраняется и для помещений, линейные размеры которых отклоняются от „золотого сечения”, и для помещений более сложной формы.

При каждом отражении часть падающей энергии поглощается преградами и превращается в тепло. Процесс постепенного уменьшения плотности звуковой энергии У. Сэбин назвал реверберацией (reverberation в переводе означает „отражение”, „отзвук”). В Германии для обозначения этого процесса используется слово Nachhall, в переводе на русский „отзвук”, „отголосок”, „отклик”. Термин „отзвук” ранее встречался и в русской технической литературе.

За длительность процесса реверберации — время реверберации — было принято считать промежуток, за который плотность звуковой энергии уменьшается в 106 раз, звуковое давление в 103, а уровень звукового давления на 60 дБ.

Прямых объяснений мотивов выбора спада уровня на 60 дБ нет. Попытаемся найти разумные причины. Фортиссимо оркестра соответствуют уровни звукового давления 90-100 дБ, а пианиссимо — 35-40 дБ. Тогда средние уровни составят 63-70 дБ и принятое по определению (спад на 60 дБ) время реверберации будет примерно соответствовать длительности спада средних уровней до порога слышимости. Возможно, данное обстоятельство и стало причиной выбора такого определения времени реверберации.

Расчётные соотношения. Для экспериментального определения времени реверберации Сэбин пользовался простейшими приспособлениями: органными трубами как источником звука и секундомером. Он нашел, что время реверберации T прямо пропорционально объёму помещения V и обратно пропорционально произведению среднего коэффициента поглощения α_ср и площади всех преград S:

T = k · V ⁄ (α_ср · S).

Средний коэффициент поглощения:

, где

α₁, α₂, … — коэффициенты поглощения различных материалов;

S = S₁ + S₂ + … — общая площадь преград;

n — количество разных преград.

<…>

Основные положения

Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики. Движение звуковых волн рассматривают подобно движению световых лучей. В соответствии с законами геометрической оптики при отражении от зеркальных поверхностей угол отражения равен углу падения, и падающий, и отражённый лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны.

<…>

Роль начальных отражений

Вследствие инерционности слуха человек обладает способностью сохранять (интегрировать) слуховые ощущения, объединять их в общее впечатление, если они длятся не более 50-ти мс (точнее 48-ми мс). Поэтому к полезному звуку, подкрепляющему исходный, относятся все волны, которые достигают уха в течение 50-ти мс после исходного звука. Запаздыванию на 50 мс соответствует разница в пути 17 м. Концентрированные звуки, приходящие позднее, воспринимаются как эхо. Отражения от преград, укладывающиеся в указанный промежуток времени, являются полезными, желательными, так как они увеличивают ощущение громкости на значения, доходящие до 5-6 дБ, улучшают качество звучания, придавая звуку „живость”, „пластичность”, „объёмность”. Таковы эстетические оценки музыкантов.

<…>

Существенную роль играет направление прихода начальных отражений. Если запаздывающие сигналы, т.е. все ранние отражения, поступают к слушателю с того же направления, что и прямой сигнал, то слух почти не различает разницы в качестве звучания по сравнению со звучанием только прямого звука. Возникает впечатление „плоского” звука, лишённого объёмности. Между тем даже приход только трёх запаздывающих сигналов по разным направлениям, несмотря на отсутствие реверберационного процесса, создаёт эффект пространственного звучания. Качество звучания зависит от того, с каких направлений и в какой последовательности приходят запаздывающие звуки. Если первое отражение поступает с фронтальной стороны, звучание ухудшается, а если с тыльной стороны, то резко ухудшается.

Весьма существенно время запаздывания начальных отражений по отношению к моменту прихода прямого звука и относительно друг друга. Длительности запаздывания должны быть различными для наилучшего звучания речи и музыки. Хорошая разборчивость речи достигается, если первый запаздывающий сигнал поступает не позже 10-15 мс после прямого, а все три должны занимать интервал времени 25-35 мс. При звучании музыки наилучшее ощущение пространственности и „прозрачности” достигается, если первое отражение приходит к слушателю не ранее 20-ти мс и не позже 30-ти мс после прямого сигнала. Все три запаздывающих сигнала должны располагаться в промежутке времени 45-70 мс. Наилучший пространственный эффект достигается, если уровни запаздывающих начальных сигналов незначительно отличаются друг от друга и от уровня прямого сигнала.

<…>

При обеспечении оптимальной структуры начальных (ранних) отражений звучание музыки остаётся хорошим даже при значительном (на 10-15 %) отклонении времени реверберации от рекомендуемого. Достижение оптимального запаздывания отражённых сигналов по отношению к прямому звуку выдвигает требование к минимальному объёму помещения, которое не рекомендуется нарушать. Между тем при проектировании помещения выбирают его размеры, исходя из заданной вместимости, т.е. решают задачу чисто экономически, что неправильно. Даже в небольшом концертном зале оптимальную структуру ранних отражений можно получить лишь при заданных высоте и ширине зала перед эстрадой, меньше которых спускаться нельзя. Известно, например, что звучание симфонического оркестра в зале с низким потолком существенно хуже, чем в зале с высоким потолком.

<…>

Исторические примеры

По сохранившимся до наших времён культовым и зрелищным сооружениям видно, что основные положения лучевой теории были известны древним строителям и что эти положения неукоснительно соблюдались. Размеры греческих и римских театров на открытом воздухе были выбраны такими, чтобы в наибольшей степени использовать энергию отраженных волн.

Театры содержали три основные части:

• Сцену (shena) глубиной 3,5-4 м в Греции и 6-8 м в Риме, на которой разыгрывалось театральное действие;

• Площадку перед сценой — орхестру (orhestra — буквально „место плясок”), на которой располагался хор и выступали танцоры;

• Поднимающиеся ступенями зрительские места вокруг орхестры, образующие так называемый амфитеатр (от греческих слов amphi — „с обеих сторон”, „кругом” и theatron — „место зрелищ”).

<…> В современных театрах перед сценой находятся музыканты, и на них перешло название занимаемой ими площадки.

<…>

Неудачные решения

Казалось бы, опыт, накопленный за тысячелетия, должен использоваться современными архитекторами и строителями. Между тем множатся примеры неудовлетворительных акустических решений. Например, строительство залов круглой или эллиптической в плане формы (кинотеатр „Колизей” в Санкт-Петербурге, концертный зал им. Чайковского в Москве и др.). В них образуются зоны фокусировки отраженных лучей и зоны, в которые отраженные лучи либо не попадают, либо попадают с большой временной задержкой. <…>

<…>

Неудовлетворительным в акустическом отношении являлся знаменитый зал Альберт-холл в Лондоне шириной 56 м при высоте 39 м. Ввиду необычайно большой высоты зала разница в пути между прямым звуком и звуками, отражёнными от потолка, достигала 60-ти м, что давало запаздывание почти на 200 мс. Центр кривизны вогнутого потолка находился в зоне, занятой слушателями, что порождало сильное эхо.

<…>

Даже в помещениях с правильно выбранными формой и линейными размерами, пропорции которых приближаются к „золотому сечению”, обнаруживаются недостатки звучания, устранение которых занимает много времени, сил и средств. В тщательной подготовке к нормальной эксплуатации нуждаются студии звукового и телевизионного вещания. Примером может служить комплекс работ по подготовке студии № 5 Государственного дома радиовещания и звукозаписи (ГДРЗ). Студия предназначена для исполнения произведений крупных форм с участием симфонического оркестра и хора в присутствии слушателей. Её линейные размеры (29,8 × 20,5 × 14 м) почти соответствуют „золотому сечению”, расчётное время реверберации на средних частотах 2,3 с. Ввиду большой высоты и ширины время прихода начальных отражений не оптимально. Для уменьшений длины путей отраженных лучей над местом расположения оркестра и на боковых стенах были укреплены отражающие панели. Потребовалось несколько раз изменять положение панелей и уменьшать площадь звукопоглощающих конструкций, прежде чем музыканты и звукорежиссёры признали качество звучания хорошим. Из этого примера видно, насколько тонкой и скрупулёзной является акустическая настройка помещений.

Встречаются залы, рассчитанные на небольшое количество слушателей, соответственно небольшой площади и невысокие. Авторы их, по-видимому, полагали, что при небольших размерах зала „всё будет хорошо слышно”. В действительности в таких залах на слушательских местах образуется плотная структура начальных отражений. Из‑за этого при небольшом времени реверберации звучание оказывается „плоским”, подобно звучанию на открытом воздухе, а при большом времени реверберации теряется „прозрачность” звучания, начинается маскировка последующих музыкальных звуков предыдущими.

Также неудовлетворительны большей частью так называемые актовые залы. Они предназначаются для собраний, т.е. для звучания речи. Низкий потолок, гладкие параллельные стены, лишённые акустической отделки порождают неоптимальные начальные отражения. Попытки проводить в них концерты не приносят успеха. Музыка звучит в них плохо. Хуже всего, что концерты в таких залах портят публику. Ниже всякой критики акустика так называемых „концертно-спортивных” залов.

В нашей стране большой вред качеству театральных и концертных залов принесла „борьба с архитектурными излишествами”. „Излишествами” были объявлены все звукорассеивающие и звукопоглощающие конструкции и даже мягкая обивка кресел, призванная служить эквивалентом отсутствующих зрителей. В результате — на слушательских местах плохая структура начальных отражений, невысокая диффузность, а при частичном заполнении — чрезмерная „гулкость”.

Лучшие залы

Непревзойдёнными по качеству звучания остаются Колонный зал Дома союзов, Большой и Малый залы Московской консерватории, Большой зал Санкт-Петербургской филармонии и некоторые другие залы старой постройки.

К достижениям отечественной архитектурной акустики следует отнести зрительные залы Детского музыкального театра, Театра им. Евгения Вахтангова, Московского драматического театра им. А. С. Пушкина, Дворца культуры ЗиЛ, студии Государственного дома звукозаписи, ателье записи звука и зал прослушивания „Мосфильма”. При их проектировании и строительстве были учтены положения и рекомендации отечественных и зарубежных акустиков.

<…> Залам сравнительно небольшой ширины придана форма прямоугольного параллелепипеда. Таковы Большой и Малый залы Московской консерватории, Большой зал московского Дома учёных. При небольшой ширине количество отражений, приходящих на места слушателей, быстро нарастает со временем и в завершающей части процесса реверберации настолько велико, что обеспечивает хорошую диффузность поля. В залах большой ширины (Колонный зал Дома союзов, Большой зал Санкт-Петербургской филармонии) введены звукорассеивающие конструкции в виде ряда колонн. В современных залах большой вместимости хорошего рассеяния звуков достигают членением стен и потолка и установкой крупных рассеивающих поверхностей на стенах.

Важное значение имеет материал, которым отделаны стены и потолок. Наилучшим является дерево. Звучание музыки в залах, отделанных деревом, отличается красивой тембральной окраской. Наоборот, совершенно противопоказаны железобетонные конструкции, особенно тонкие, и штукатурка по сетке рабица. Звуки, отраженные от этих поверхностей, обладают неприятным „металлическим” оттенком.

Три взгляда на акустику помещений