Архитектурная акустика

Когда начали возводить здания необъятных размеров, и шпили церквей стали задевать облака, тогда появилась проблема акустики. Важно было, чтобы голоса выдающихся ораторов, священников и актеров были слышны отовсюду. Еще очень давно отмечалось, что в высоких ярусных церквях из дерева возникает эффект гулкости, а в приземистых – звук быстро угасает, становясь металлическим. Однако деревянные постройки в меньшей степени заглушали звук и создавали блуждающее эхо, так как коэффициент звукопоглощения (КЗП) дерева в разы больше, чем у камня. При строительстве сооружений из камня появилась задача улучшения звука всевозможными методами.

Один из первых архитекторов, который занялся вопросом акустики помещений, был Витрувий. Он установил два правила архитектуры, это - прямота восходящих линий и равенство высоты здания сцены и зрительских мест.

Вместе с этим им было предпринято своеобразное улучшение акустики: в нишах, которые устраивались в зрительных местах кругом в один или три ряда, ставились медные или глиняные сосуды. Так звук отражался и усиливал голоса и музыку, идущие со сцены.

Невероятной акустикой обладал древнегреческий театр в Эпидавре IV века до н.э. Там сила звука достигалась за счет формы зрительских мест, и сама ниша театра представляла из себя огромный акустический фильтр. Такой фильтр поглощал низкие частоты, которым соответствовал шум толпы, а высокие частоты, на которых пели актеры, отражал и доносил ясное гармоничное звучание даже до самого последнего, пятьдесят пятого, ряда.

Акустика зала, в основном, зависит от двух факторов: от характера образующегося в зале звукового поля и от времени его реверберации (процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях). В течение этого времени энергия звука в помещении уменьшается на 60 дБ, или в 106 раз.

Взять открытую площадку для уличных концертов, студию эстрадной и джазовой музыки или оперный зал драматического театра – каждая студия будет иметь свое оптимальное время реверберации, которое зависит от формы, площади и высоты зала и от количества зрителей. Полукруглая форма, например, театра в Эпидавре или турецкого театра в Аспендосе, делают расстояние между источником звука и слушателем минимальным, отсюда прекрасная слышимость с любого зрительского места.

В зданиях же прямоугольной формы вырождается спектр собственных частот и эхо, которое растет с увеличением размеров зала.

Невозможно представить, сколько отражений совершает каждая звуковая волна. В расчетах площади зала учитывают только ее начальные отражения.

Правильное временное соотношение начальных отражений обеспечивает высокое качество звучания даже тогда, когда время реверберации отличается от оптимального. Длина рассчитывается так, чтобы энергия прямого звука на последних рядах была достаточной для хорошей слышимости.

В залах, где помимо музыкального исполнения должен звучать голос певца, на потолках устанавливают козырьки (см. фото зала Мариинского театра) или специальные рассеивающие потолки над оркестровой ямой.

Пространство зала должно направлять звуковые волны к зрителю, поэтому потолок делают наклонно (см. фото проекта драматического театра для Пскова, разрез), а стены расширяют вглубь зала. Представьте, если бы громкоговорители вместо формы рупора выглядели бы как прямоугольный вытянутый ящик, то большая часть звука терялась бы и рассеивалась.

Сложный профиль поверхности потолка и стен обеспечивает равномерное распределение отраженной звуковой энергии вдоль зала. Потолок оперного театра в Сиднее представляет из себя два крупных свода в форме раковин. Высота специфичной крыши была слишком большой, поэтому встала задача проектирования отдельного звукоотражающего потолка. Звукопоглощающими материалами для него послужили листы фанеры, покрытые тонким слоем бронзы, свинца и алюминия и дерево.

Распространяясь повсюду, звуковая волна претерпевает множество отражений от всего: стен, потолка, сидений и самих зрителей. Поэтому помимо выбора формы зала на акустику влияют также обивка кресел и одежда посетителей: более плотная ткань поглощает больше звуковых волн, чем, например, шелк. Самый звукопоглощающий материал – бархат, из которого часто делают шторы и занавесы театров и кинотеатров.

Большое значение имеет материал, которым отделаны стены и потолок. Наилучшим является дерево (см. фото Новая сцена Мариинского театра). 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.

Если говорить о репетиционных точках, то они могут представлять из себя небольшие помещения. Для уменьшения времени реверберации и поглощения переотражений используют звукоизоляционные материалы. На фото (репетиционная база 1) основные выступы комнаты заделаны акустическим полотном из войлочного покрытия, хлопка и полиэфирных волокон. На высоких частотах КЗП может превышать значение 0,75. При КЗП, равным 1, происходит полное звукопоглощение.

Акустический поролон пирамидальной формы (репетиционная база 2) корректирует акустику здания и увеличивает воздушное сопротивление, тем самым уменьшая амплитуду звуковой волны. Звуковая энергия в ячейках преобразуется в тепловую и рассеивается, исключая блуждание эха или гул.

В зданиях, в которых проводят публичные выступления перед сотней или тысячей зрителей, высокий КЗП и, соответственно, малое время реверберации не улучшает акустику. Звук быстро поглощается, угасает тембр и пространственность звучания. Чтобы не потерять эти акустические особенности, концерты проводят в залах с ограждениями из тканей с пленочными покрытиями, так как они обладают малым КЗП. Следствием этого появляется наличие интенсивных отражений от покрытия и обогащение музыкального тембра, но вместе с этим возрастает вероятность образования эха, а в зданиях из парусин выявлена повышенная разборчивость речи.

Чем больше препятствий для прохождения звуковой волны, тем насыщеннее звучание. Происходит наложение первичных волн с отраженными, возникает музыкальный объем и возможность резонанса и эха.

Эстетика соборов и храмов веками восхищает своей архитектурой, наличием множества колонн, капителей, волют и других архитектурных деталей. Именно эти детали способны создать акустический баланс или же заглушить его. Трудно представить, как колонну из мрамора закутывают в звукоизоляционный поролон для достижения лучшей акустики, жертвуя эстетикой. Однако, например, в 1836 году архитектор Альберто Кавос, при реставрации Мариинского театра, убрал колонны в зрительном зале, после чего заметно улучшилась акустика здания и обзор.

Любое храмовое, театральное или спортивное сооружение требует тонкого подхода и точного расчета прохождения звуковой волны и учет каждой особенности, так как архитектурная акустика каждого из них уникальна.