Преимущества акустического проектирования
Если основные акустические особенности зала предусмотрены уже в проекте, то рекомендуемые конструкции и акустические материалы могут быть монтированы еще в процессе постройки. Этот путь позволяет архитектору избегнуть обычной неопределенности и сомнений относительно будущих акустических свойств помещения и, кроме того, значительно дешевле, чем исправление акустических условий, производимое после окончания постройки. Далее, оказывается возможным избежать некоторых акустических дефектов, не всегда поддающихся последующему исправлению. Так, например, изогнутые стены зала, изображенного на рис. 63, нельзя выпрямить, не нарушая архитектурного вида помещения, и возможность исправления его акустических свойств поэтому ограничена.
Три основных фактора в акустическом проектировании
Три весьма существенных для акустики соображения при проектировании залов касаются вопросов объема помещения, его формы и поглощения звука.
Объем помещения определяется в соответствии с интенсивностью звуков, которые будут в нем возникать. Для оркестровых выступлений объем этот должен быть очень велик: музыка должна иметь достаточное пространство для своего распространения. С другой стороны, театральные представления, связанные обычно со сравнительно слабыми звуками, должны даваться в помещениях меньшего объема, хотя применение современных звукоусилительных установок может сделать речь слышимой даже в больших залах. Определение объема помещения обычно не представляет больших затруднений, поскольку опыт предыдущих построек дает нам надежные указания.
Рисунок 54. Отражение звука от плоского потолка. Высота помещения достаточна для образования эхо. Акустические условия были бы лучше при высоте помещения, не превосходящей 7,5 м.
Рисунок 55. Чертеж, показывающий весьма нежелательную концентрацию звука вогнутым . потолком. Предпочтительнее был бы плоский или, еще лучше, выпуклый потолок.
Форма помещения
Форма помещения является более существенным фактором и требует большого внимания, благодаря все возрастающему применению звукоусилителей и вытекающей отсюда возможности эхо и других помех, обусловленных отражением звука от различных поверхностей зала. Чтобы легче судить о воздействии формы стен, проектировщик должен исследовать геометрически основные разрезы помещения и вычертить траектории отраженного звука, обращая особое внимание на концентрацию звуковых волн. Большую помощь в этой работе оказывают фотографии волн, распространяющихся в миниатюрной модели помещения (пример такой фотографии представлен на рис. 19). Вогнутые стены всегда создают возможность помех, так как они концентрируют звук. Следует отдать предпочтение плоским стенам или, еще лучше—выпуклым, устраняющим возможность появления эхо.
Рисунок 56. Концентрация звука этой куполообразной поверхностью не причиняет особого вреда. Концентрируемый звуковой пучок невелик, фокус лежит далеко от слушателей, и отраженный пучок быстро расширяется.
На рис. 54, 55, 56 показано отражение звука от трех различных типов потолка. Отражение от плоского потолка (рис. 54) подобно отражению на рис. 3. Для слегка вогнутого потолка (рис.55) картина мало отличается от отражения от плоского потолка, но вызывает некоторое схождение волн. Для вогнутого купола небольших размеров (рис. 56) отраженный звук фокусируется вблизи потолка в точке О и затем распространяется быстро расходящимся пучком. Можно дать следующее практическое указание для уменьшения вредного влияния фокусирующего действия вогнутого потолка: радиус кривизны потолка должен быть либо, по крайней мере, вдвое больше высоты помещения, либо меньше половины этой высоты. При большом радиусе потолок будет действовать подобно плоскости, тогда как при малом радиусе кривизны площадь вогнутой поверхности будет невелика, и узкий отраженный пучок звука сфокусируется вблизи нее и распространится расходящимся пучком, вызывая таким образом лишь незначительные нарушения равномерности звука.
На рис. 57 показано действие выпуклых участков стен. Обширная поверхность вогнутой стены ABC стремится фокусировать звук в F это будет мешать находящимся в этом месте слушателям.
Рисунок 57. Выпуклые сегменты стены устраняют вредную фокусировку звука, которая была бы создана вогнутой стеной.
Вводя выпуклые сегменты ВВВ, добиваются рассеяния звуковых волн, чем достигается их лучшее распределение по помещению.
Методы нарушения правильности отражений от стен
Чтобы нарушить правильность отражений звуков (как это сделано, например, выпуклыми сегментами, (рис. 57), можно пользоваться целым рядом способов. Можно, например, придать отражающей поверхности зигзагообразную форму, составляя ее из ряда плоских сегментов. Они будут отражать соседние пучки звука в разные стороны, чем и будет устранено фокусирование. Можно вделать в стены секции решеток, почти полностью пропускающих через себя звук и соответственно обладающих малым отражением. Если бы все стены зала представляли собой такие решетки, то практически весь звук передавался бы сквозь них. Такое устройство было применено в зале, изображенном на рис. 67.
Рисунок 58. Образование эхо вследствие двукратного отражения звука от поверхности купола.
Иногда для этого применяются вентиляционные решетки. Расположенные по стенам полосы поглощающего материала оказывают заметное влияние на звук. Они рассеивают звуковые волны, как это показано на рис. 9, а также поглощают часть энергии и изменяют фазу отраженного звука. Для воздействия на звуки разной частоты все эти разнообразные устройства (выпуклые участки стен, решетки, полосы поглощающего материала) должны быть разной ширины. Весьма эффективная, хотя и довольно сложная конструкция для ослабления отражений от вогнутых поверхностей была установлена в куполе университетской аудитории см. (рис. 71).
Возникновение эхо после двукратного отражения звука показано на рис. 58). Слушатель В воспринимает сначала прямой звук непосредственно от говорящего А, а затем, спустя некоторое время,—эхо, вызванное отражением звука от поверхности купола. Явление это можно несколько ослабить кессонированием поверхности купола или установкой специальных решетчатых панелей, обладающих чрезвычайно большим звукопоглощением.
Рисунок 59. Покрытие поглотителем готического свода дает благоприятный эффект. Прежде чем вернуться к слушателю, звук падает сначала на одну из граней свода, а затем на другую, чем достигается двойное поглощение.
Однако весьма вероятно, что эхо полностью устранено не будет. На рис. 59 изображено весьма эффективное расположение поглощающих материалов, ослабляющее звук при его двукратном отражении от готического свода. Звук, идущий к потолку, падает на наклонную поверхность облицованного поглощающим материалом свода, отражается от нее и падает на противоположную поверхность, где также испытывает поглощение, и лишь затем возвращается вниз. Таким образом, свод действует как двукратный поглотитель звука.
Отражения от поверхности купола
Сложные отражения и концентрация звука, обусловленные поверхностью купола двойной кривизны, изображены на рис. 60. Очевидно, что плоские и выпуклые поверхности значительно выгоднее такой вогнутой поверхности. Сравнение степени концентрации звука поверхностью купола и плоской поверхностью потолка той же высоты наглядно представлено на рис. 61. В задаче 4 предлагается подтвердить картину, изображенную на этом чертеже.
Поглощение звука
Третье весьма существенное соображение при акустическом проектировании залов касается звукопоглощающих материалов для ослабления реверберации.
Рисунок 61. Схема, показывающая концентрацию звука куполообразным потолком в сравнении с плоским потолком той же высоты.
Рисунок 60. Вредные отражения звука, вызванные куполообразным потолком. Распределение звука весьма неравномерное, с возможным образованием эхо.
Нельзя обеспечить удовлетворительную акустику помещения, не применив соответственного количества поглощающих материалов. Для выяснения потребного количества и рода материалов и наиболее эффективного их расположения необходимо исследовать специфические свойства данного помещения. Натянутые проволоки в качестве возможного средства исправления акустических свойств зала. Необходимо сказать несколько слов по поводу распространенного мнения о возможности исправления акустических недостатков залов с помощью натянутых проволок и звуковых отражателей. Опыты и наблюдения показали, что натянутые в помещении проволоки практически не оказывают на акустические условия никакого влияния, так как поверхность их слишком мала. Они воздействуют на звуковые волны не более, чем леска удочки на волны, распространяющиеся по поверхности воды. Может быть, сама эта идея развилась из наблюдения, что струны рояля резонируют на пение певца. Но слишком велика разница между струнами рояля и натянутой в зале проволокой. В рояле натянуто множество струн, настроенных на самые различные частоты колебаний и отвечающих почти на каждую ноту певца; кроме того, дека рояля является резонатором, значительно усиливающим звук струн. Наконец, певец находится обычно рядом с роялем. Натянутые же в зале проволоки отвечают только на один из тонов среди всего их возможного многообразия; они не имеют резонатора, а певец находится от них на довольно значительном расстоянии; поэтому можно ожидать лишь весьма малого эффекта. Автор посетил ряд залов, в которых были натянуты проволоки, и пока не обнаружил ни одного случая, где бы они давали заметное улучшение Сэбина сообщает о зале, в котором было натянуто восемь километров проволок, что нисколько не улучшило акустических условий помещения. Весьма удивительно, что столь ошибочное суждение, не опирающееся ни на какие экспериментальные данные, получило такое широкое распространение.
Звуковые отражатели в качестве средства исправления акустических условий. Звуковые отражатели иногда приносят некоторую пользу, но никогда не могут полностью исправить плохие акустические условия зала. Будучи соответственным образом спроектированы и расположены, они отражают звук в определенном направлении, но не обладают поглощающими свойствами,
Рисунок 62. Действие звукового отражателя.
Необходимыми для ослабления реверберации. На рис. 62 схематически изображено направляющее действие звукового отражателя. Отражатель не должен выдаваться вперед настолько, как это. показано. на рисунке: но зато желательно сделать его шире, продолжив, по крайней мере, до краев эстрады.
Звуковой отражатель, — примененный при акустических исследованиях, изображен на рис. 63. Когда оратор стоял в фокусе этого отражателя (один квадрант параболоида вращения), звук его голоса направлялся почти параллельным пучком вдоль оси отражателя.
Рисунок 63. Звуковой отражатель. Его применение не исправило акустики аудитории.
Отражатель частично устранял отражение от купола, позволяя таким образом избегнуть эхо. Однако для окончательного исправления акустических свойств помещения потребовалось установить значительное количество звукопоглощающего материала.
В помещениях с весьма высоким потолком рекомендуется наклонная установка плоского звукоотражателя над кафедрой. Такой отражатель частично устраняет отражение от потолка, дает отражение на слушателей и обеспечивает необходимый резонанс. Звукоусилительная установка дает еще большую поддержку голосу оратора. Микрофон можно поместить на кафедре, однако звукоизолировав его, чтобы избежать случайных звуков. Громкоговоритель можно установить на верхней поверхности отражателя, замаскировав его от аудитории пористой драпировкой, свободно пропускающей звук.
Постройка новых задов по образцу старых, обладающих хорошей акустикой. Нередко предлагают строить новые залы по образцу уже построенных, обладающих хорошими акустическими свойствами. Однако построенные таким образом залы вовсе не обязательно будут удачны, так как применяемые при постройке материалы из года в год меняются. Например, много лет назад здания обычно строились из дерева, и штукатурка наносилась на деревянные перегородки. Современные здания строятся из более жестких металлических конструкций и бетона, вследствие чего их поверхности совершенно иначе воздействуют на звук. Далее, по замыслу архитектора новый зал всегда имеет несколько измененную, по сравнению со старым, форму, и весьма вероятно, что это изменение может сказаться на его акустических свойствах.
Влияние вентиляционной системы. На первый взгляд кажется, что вентиляционная система помещения должна влиять на его акустические свойства. Воздух является звукопередающей средой; кроме того, известно, что ветер изменяет направление распространения звука, а на границе газов различной температуры и плотности звук испытывает отражение и преломление. Однако практика показала, что влияние обычных вентиляционных токов воздуха на акустику залов очень мало. Разность температур между нагретым потоком и воздухом помещения недостаточна для получения заметного эффекта, а движение потока слишком медленно и происходит на слишком ограниченном пространстве, чтобы заметно воздействовать на звук.
При некоторых специальных условиях отопительные и вентиляционные установки могут оказать отрицательное влияние. Нагретая печь или поток нагретого воздуха в средней части помещения существенно нарушит поведение звука. Всякая неравномерность в распределении потоков воздуха, вызывающая появление чередующихся слоев холодного и нагретого воздуха, изменит нормальное распространение звука и нарушит его четкость. Необходимо по возможности сохранять однородное и спокойное состояние воздуха в помещении. Печи и радиаторы следует размещать у стен, вдоль которых должны направляться также и потоки нагретого воздуха.
Заключение. В приведенных выше рассуждениях мы частично изложили принципы акустического проектирования залов. В дальнейшем приводится ряд примеров применения высказанных положений, а также высказываются дополнительные предположения, могущие способствовать разрешению специальных задач.