Архитектурная акустика

Введение

Актуальность работы. Проблематика определения условий наилучшей слышимости в больших закрытых помещениях находиться в списке задач, поставленных ещё во времена классической древности. Несмотря на уникальные, с акустической точки зрения, сооружения Древнего Мира, архитектурная акустика многие века успешно опиралась на интуитивный и эмпирический фундамент и лишь в конце XIX века стала приобретать черты науки благодаря Уоллесу Сэбину. Когда он экспериментально установил один из важнейших факторов, определяющих акустическое качество аудиторий и его практические успехи надолго предопределили пути последующего развития акустики закрытых помещений. Вплоть до сравнительно недавнего времени научно-техническая работа в этой области не выходила за пределы горизонта, очерченного этими работами.
Объект исследования: архитектурная акустика залов
Предмет исследования: особенности архитектурной акустики
Цель работы: рассмотреть архитектурную акустику
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
-рассмотреть факторы, определяющие акустическое качество аудиторий;
- описать акустическое проектирование зрительных залов.
1. Факторы, определяющие акустическое качество аудиторий
Основным фактором, определяющим акустические качества аудитории, является длительность Эхо-процессов, или, как говорят, длительность реверберации. Этот термин относится к остаточному звуку в помещении после того, как источник звука перестает функционировать. Опыт показывает, что длительность реверберации должна лежать в определенном диапазоне оптимальных значений, за пределами которого аудитория акустически неполноценна или неполноценна. Значение, которое придается длительности реверберации как критерию акустической оценки аудитории, объясняется тем, что теоретические интересы архитектурной акустики в первую очередь сосредоточены на изучении нестационарных акустических процессов, к которым относится Эхо. Действительно, с очень быстрым эхом (т. е. при значительном звукопоглощении) музыка звучит сухо, теряя ту связность звучания, к которой мы привыкли при прослушивании концертной музыки как к одному из факторов ее эстетического воздействия. Период реверберации различен для каждого типа музыки, например, 1,2-1,6 секунды подходит для камерной музыки, 1,7 — 2,2 секунды для оркестровой музыки и 2,5 секунды для органной музыки. Кроме того, каждый инструмент имеет свою оптимальную реверберацию. Архитектурно-акустическая теория пошла по пути статистического описания звуковых полей, оперируя средними значениями плотности звуковой энергии в помещении и не претендуя на определение давления и колебательных скоростей в отдельных точках. Предполагая, что ориентации, амплитуды и фазы перекрывающихся волн распределены более или менее хаотично, мы можем рассматривать эти волны как некогерентные и предполагать, что плотность энергии в каждой точке комнаты является суммой плотностей энергии, связанных с каждой из этих волн. Если волновое движение в помещении действительно имеет такой неупорядоченный характер без наличия преобладающих направлений колебательного движения и симметрий в распределении амплитуд, то статистические методы исследования вполне правомерны и приводят к важным практическим результатам. [4, С. 385]
Согласно общепринятой архитектурно – акустической теории, одни и те же акустические процессы в помещениях описываются на трех языках-трех теориях: волновой, статистической и геометрической. Все три метода имеют существенные взаимосвязи, дополняющие друг друга, и, как показывает опыт, только один метод не может решить конкретную задачу.
Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики, где движение звуковых волн рассматривается аналогично движению световых лучей. Здесь характер отражений зависит от формы отражающей поверхности. И, согласно этой теории, размер комнаты будет соотноситься с "золотым сечением". Волновая теория основана на том, что при включении источника звука звуковые волны распространяются в разных направлениях: осевом, касательном и наклонном, отражаются от плоскостей, ограничивающих помещение, и в сочетании с прямыми волнами создают стоячие волны. Спектр сложного звукового (музыкального) сигнала может содержать частоты, отсутствующие или немногочисленные в спектре собственных колебаний воздуха в помещении. Что вызовет ответные (в резонансе) колебания воздуха на частотах, совпадающих с частотами источника. При поступлении дополнительной энергии затухание собственных колебаний будет длиться дольше, и соответственно изменится период реверберации, а значит, изменятся и акустические параметры помещения.
Статистическая теория предполагает, что когда источники не одинаково удалены от разных плоскостей, вероятность падения звуковых волн на разные части плоскостей нельзя считать равной. Отражения волн от плоскостей поступают в точку прослушивания с различными временами задержки Эха, на которые влияют не только размеры помещения, но и форма и наличие структурированной поверхности. [3]
2. Акустическое проектирование зрительных залов
Архитектурная акустика - одна из древнейших областей человеческого знания, многие века успешно опиравшаяся на интуитивный и эмпирический фундамент, лишь в конце XIX века стала приобретать черты науки благодаря начавшимся измерениям взаимосвязи свойств акустических полей с формой помещений и влиянием психо-физиологических свойств пространственного слуха при восприятии звука в различных помещениях, а также определению статистическо-психологических, эстетических и семантических критериев предпочтительности архитектурно-строительных решений для разнообразных музыкальных программ и типов личностей слушателей. Одно лишь неполное перечисление целей, стоящих и поныне перед учеными, объясняет громадные сложности создания методов инженерных расчетов, позволяющих еще на стадии проектирования предвосхитить результаты строительства, а также выработать физико-технические средства - некие конструкции, обеспечивающие объективно и субъективно однозначно трактуемые результаты поставленных целей и примененных методов их достижения.
Развитие искусств требовало соответствующих строений для массовых зрелищ. Термин "театр" и обозначает место, чтобы видеть. Впоследствии появилась потребность и в месте, чтобы слышать. Изначально архитектурная акустика была ориентирована на большие и просто огромные открытые сооружения, позже - на закрытые помещения. Во все времена субъективные суждения о качестве звучания речи и музыки в том или ином сооружении являлись единственным критерием его акустического качества. Современные концертные, театральные и кинозалы оснащаются сложными системами электроакустического формирования звуковых полей с возможностью управления акустическими свойствами помещения, аппаратурно и архитектурно оптимально адаптируемых для различных типов музыкальных программ.
Все достижения науки в области архитектурной акустики используются преимущественно при проектировании общественных сооружений, то есть достаточно крупных и дорогостоящих. Методологии изучения и рекомендации для создания таких уникальных помещений отчасти могут быть использованы и при построении высококачественной комнаты прослушивания - самого дорогого компонента аудиосистемы. Одни и те же акустические процессы в помещениях описываются тремя языками - тремя теориями: волновой, статистической и геометрической

. Все три метода имеют значительную взаимосвязь, дополняя друг друга, если только одним методом не удастся решить конкретную задачу. Начнем рассмотрение с самой молодой теории - волновой, переходя к другим по мере надобности.
Рисунок 1 - Геометрическая оптика
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 b равен углу падения a, и падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны. Характер отражения зависит от формы отражающей поверхности. При отражении от плоской поверхности (рис.1, а) возникает мнимый источник И', место которого ощущается на слух подобно тому, как глаз видит мнимый источник света в зеркале. Отражение от вогнутой поверхности (рис 1, б) приводит к фокусировке лучей в точке И'. Выпуклые поверхности (колонны, пилястры, крупные лепные украшения, люстры) рассеивают звук (рис.1, в).
Роль начальных отражений. Немаловажным для слухового восприятия является запаздывание отраженных звуковых волн. Звук, излученный источником, доходит до преграды (например, стены) и отражается от нее. Процесс многократно повторяется с потерей при каждом отражении части энергии. На места слушателей (или в точку расположения микрофона) первые запаздывающее импульсы, как правило, приходят после отражения от потолка и стен зала (студии).
Вследствие инерционности слуха человек обладает способностью сохранять (интегрировать) слуховые ощущения, объединять их в общее впечатление, если они длятся не более 50 мс (точнее 48 мс). Поэтому к полезному звуку, подкрепляющему исходный, относятся все волны, которые достигают уха в течение 50 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", "объемность". Таковы эстетические оценки музыкантов.
Исследования начальных отражений методом акустического моделирования были проведены в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ) под руководством А. И. Качеровича. Изучалось влияние на качество звучания речи и музыки формы, объема, линейных размеров, размещения звукопоглощающих материалов. Получены интересные результаты.
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, слух почти не различает разницы в качестве звучания по сравнению со звучанием только прямого звука. Возникает впечатление "плоского" звука, лишенного объемности. Между тем даже приход только трех запаздывающих сигналов по разным направлениям, несмотря на отсутствие реверберационного процесса, создает 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 мс и не позже 30 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 подключении к структуре начальных отражений (первого, второго, третьего) остальной части отзвука наиболее благоприятное звучание получается в том случае, когда вторая часть процесса начинается после всех дискретных отражений. Подключение же процесса реверберации (отзвука) сразу же за прямым сигналом ухудшает качество звучания. При обеспечении оптимальной структуры начальных (ранних) отражений звучание музыки остается хорошим даже при значительном (на 10 - 15%) отклонении времени реверберации от рекомендуемого. Достижение оптимального запаздывания отраженных сигналов по отношению к прямому звуку выдвигает требование к минимальному объему 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.
Полученные результаты дали возможность выработать рекомендации в отношении времени запаздывания и размеров зала. Учитывалось, что первый запаздывающий сигнал, как правило, приходит от потолка, второй - от боковых стен, третий - от задней стены зала. Разные требования по времени задержки начальных отражений объясняются особенностями речи и музыкальных звуков и различием решаемых акустических задач.
Таблица 1 - Времени запаздывания
Вид звучания
Dt1, мс
Dt2, мс
Dt3, мс
Речь
10-15
15-22
25-45
Музыка
20-30
35-50
50-70
Увеличивать высоту и ширину зала в некоторой мере можно лишь на расстоянии от портала сцены (эстрады), превышающем примерно 1/4 - 1/3 общей длины зала: высоту до 10,5 м, ширину до 30 м. Длину зала выбирают, учитывая необходимость получать на самых удаленных слушательских местах достаточную энергию прямого звука. Исходя из этого обстоятельства, рекомендуют выбирать длину зала по партеру не более 40 м, а по балкону - 46 м.Чтобы добиться хорошей разборчивости речи, запаздывания должны быть сравнительно небольшими. При звучании музыки нужно подчеркнуть мелодическое начало, для обеспечения слитности звуков необходимо большее время запаздывания начальных отражений. Отсюда вытекают рекомендуемые размеры концертных залов: высота и ширина не менее 9 и 18,5 м соответственно и не более (у портала) 9 и 25 м.
В таблице 2 приводим сведения о геометрии некоторых залов, акустические качества которых считаются хорошими (n - вместимость зала, lп - наибольшее удаление слушателя от эстрады в партере, lб - то же на балконе, Dt1 - время запаздывания первого отражения).
Таблица 2 - Геометрия некоторых залов
Зал
n, чел
lп, м
lб, м
Dt1, мс
Колонный зал Дома союзов, Москва
-
-
-
24 - 28
Большой зал московской консерватории
1900
29
47
21 - 26
Малый зал московской консерватории
400
21
25
21 - 26
Зал Академической капеллы, С-Петербург
-
-
-
25 - 30
Концертный зал, Бостон
2630
40
45
-
Концертный зал, Нью-Йорк
2700
34
45
-
Концертный зал, Зальцбург
2700
34
45
-
Концертный зал, Каракас
2000
28
35
30
Таким образом, минимальные размеры помещения для воспроизведения музыки (высота и ширина) не связаны с его вместимостью, а определяются необходимой структурой начальных отражений