Анатолий Петрович Кочнев
Гармония архитектуры и акустики
Рисунок 1.12
Схема фокусирования звука при внецентренном размещения источника звука (центр фокусирования смещён)
а ) расчётная схема отражений; b ) план театра в Аспенде
Для примера скажем, что в древних театрах орхестра и сцена устраивались так, что фокусирование звука возможно было только в зоне орхестры, а в зоне зрительских мест – исключено (рисунок 1.12 (b)). Уклон зрительских мест по направлению к сцене так велик (рисунок 1.7), что зоны фокусирования находятся в плоскостях гораздо выше мест зрителей.
Не смотря на то, что древние театры не имели ни стен, ни крыши (на первый взгляд – и любые резонаторы отсутствовали) многие авторы в древние времена придерживались мнения, что акустика современных им театров была очень хорошая; а также о том, что в греческих амфитеатрах использовались резонаторы. Однако современные археологи таковых не обнаружили [6, 7]!!.
Сейчас можно пояснить, почему археологи не обнаружили никаких резонаторов, ни в виде амфор, ни в каком ином виде.
Скорее всего это произошло потому, что археологи и историки не увидели очевидное для акустиков.
На самом деле резонаторы были; они сохранились до наших дней и остаются в очень хорошем состоянии; – в таком состоянии, что их можно увидеть (рисунок 1.5; позиции 2 и 3), их можно описать и показать, как они работают.
Конечно, начнём с существующих в реальных объектах и известных всем резонаторов в виде сосудов с горлом – это амфоры в древности или «голосники» в средние века и в современности.
Резонаторы-голосники и резонаторы-волноводы имеют, например, вид, представленный на рисунке 1.13. Некоторые варианты резонаторов-голосников разработаны автором для гончарной и литьевой технологий в главах 5 и 6.
Акустические, энергетические и геометрические их (резонаторов-голосников) характеристики описаны в пятой главе. Там же я напоминаю и методику расчёта резонаторов.
Второй вид этих резонаторов – это резонаторы с трубчатым поперечным сечением и с одним или двумя торцевыми отверстиями. Такие резонаторы применяются в музыкальных инструментах, например, в оргàнах; – рупорных мегафонах и т.д..
Рисунок 1.13
Варианты поперечных сечений резонаторов-голосников
а ) – резонатор-волновод; b ) и с ) – резонаторы – голосники
Форма концентрических резонаторов-волноводов по типу резонаторов с очень коротким горлом или без горла на рисунке 1.13,а (их количество равно числу рядов зрительских мест) совпадает с формой каждого из рядов ступеней мест для зрителей на рисунке 1.14, b.
Рисунок 1.14
Множество направлений отражённого звука от плит ступеней радиальных лестниц и от ступеней зрительских мест. Наблюдается возможность концентрации звуковой энергии в верхней части концентрических и радиальных резонаторов
а) расчётная схема отражений; b) часть множества отражений по общей расчётной схеме; взаимное положение концентрических резонаторов (по числу рядов зрительских мест); с) план театра в Аспенде с расположением источника звука в зоне орхестры или сцены
Число радиальных резонаторов равно числу радиальных лестниц (20 во втором ярусе и 10 – в первом ярусе). Форма их совпадает со ступенчатой формой «узких коридоров» радиальных лестниц.
Рисунок 1.15
«Шёпотная» галерея. Звук «вращается» в круговом вихре
а) расчётная схема отражений в «шёпотной» галерее; b) план театра в Аспенде с указанием направлений распространения звука по принципу «шёпотной» галереи
Если размеры резонатора (и горла резонатора) малы по сравнению с длиной волны действующих на резонатор колебаний, то практически можно рассматривать такую систему, как систему с сосредоточенными параметрами.
В этом случае (рисунок 1.14) резонатор представляет собой систему с распределенными параметрами, так как размеры резонатора могут быть равны (в поперечном направлении) либо больше (по направлению концентрических направлений рядов мест) по сравнению с длиной волны действующих на резонатор колебаний. Следовательно данный резонатор – это система с распределенными параметрами; и он является многорезонансным (достаточно) широкополосным.
Звуки по множеству направлений отражаются от ступеней радиальных лестниц и воздействуют на концентрический резонатор-волновод, а также на слух ближайших к лестнице зрителей (рисунок 1.14, b). Они (отражённые звуки) являются также источниками в шёпотной галерее; и передаются по направлениям, подобным тем, что представлены на рисунке 1.15.
Данный процесс преобразований характерен для каждого ряда мест зрителей; он сопровождается многократным фокусированием с генерацией звука и соответствующим (весьма существенным) усилением звука, характерным для шёпотной галереи.
Весьма интересен и ещё один фактор акустического благоустройства в театре, в рядах мест для уважаемых (почётных) гостей [5, 7] и постоянных зрителей (рисунок 1.16).
Эти зрители располагались в мраморных креслах с очень высокой мраморной спинкой криволинейной формы (рисунок 16, b).
Спинки кресел имеют специально подобранную высоту – такую, что к голове зрителя в кресле поступает много звуковых отражений от спинки этих кресел. Спинки кресел имеют также специально подобранную кривизну в горизонтальном направлении для формирования отражений в направлении к голове зрителей (рисунок 16, а).
Отражения от криволинейной поверхности спинки кресел (рисунок 16, а) усиливали звук, что благоприятно воздействовало на слух человека, позволяя ему слышать все оттенки голосов актёров, даже не усиленных рупором, удалённых на расстояние 10–15 метров от зрителей первого ряда.
Данный в этой главе историко-архитектурный анализ приводит к ряду обобщений, которым целесообразно следовать в процессе внимательного прочтения всего материала монографии.
Рисунок 1.16
Схема отражений в ряду кресел
а ) – отражения по схеме на рисунке 1.14, а (вид сверху)
b ) – фрагмент театра Диониса на рисунке 1.5
Комфортной звуковой среде ставится в соответствие сила, уровень мощности звука и структура первых акустических отражений. Конечно, названные характеристики реализуются в должной мере в связи с другими процедурами и технологиями: в соблюдении условий видимости, комфортности ситуации, благотворной окружающей среды, высокой функциональности объекта воздействия на духовный мир человека.
Утверждаем также, что превышение силы и мощности звука менее важно, чем структура первых акустических отражений, ибо первые акустические отражения, будучи тщательно продуманными и сформированными, сами способны обеспечить и требуемую плотность звуковой энергии, и его силу, и его мощность !!!
Формирование идеальной структуры первых акустических отражений равнозначно способности извлекать из скрипки звук дыхания человека, что обеспечивается, например, специальной конструкцией смычка.
Инструменты формирования идеальной структуры первых акустических отражений также известны. Они были известны уже в древнейшие века. Зная об успешной реализации такого процесса в древности, мы можем, с не меньшим успехом, воспользоваться результатами таких технологий и в наше время – в современных сооружениях.
Итак, представленный вниманию читателя краткий исторический архитектурно-акустический калейдоскоп развернул перед нами существенное многообразие акустических технологий и форм их реализации.
Некоторые из них, можно наблюдать в этой главе и в главах 2–10: от театральной площадки на острове Крит (XV век до новой эры), от греческих и греко-римских амфитеатров (VI век до новой эры – 1 век новой эры) до чудесных примеров современного театрального зодчества и до грандиозных, достойных нашего времени гигантских зрелищных спортивных сооружений, например, одного из крупнейших стадионов – стадиона «Зенит-Арена» в Северной Пальмире (Санкт-Петербург, Россия).
Подводя первые итоги, целенаправленно рассмотрим важнейшие и конкретные инструменты формирования акустического пространства зрелищных зданий и сооружений, дошедшие до нас из глубокой древности.
Основные инструменты для формирования благотворного архитектурно-акустического пространства разделим на четыре основные группы:
а) акустический рефлектор (отражатель) в вертикальных и горизонтальных плоскостях, имеющий конструктивные и пространственные параметры, позволяющие ему отражать в необходимых направлениях звуки в широком для слухового восприятия диапазоне частот (включая инфразвук).
С помощью рефлекторов можно создать наилучшую структуру первых отражений, учитывающую особенности слухового восприятия человеком.
Психо-физическое восприятие звука человеком благоприятнее, если первые отражения сверху приходят позднее боковых отражений. Интервал запаздывания первых верхних и боковых отражений по отношению к прямому звуку зависит от многих причин и имеет много различных реализаций. Этому вопросу будут посвящены специальные разделы монографии;
b) акустический рассеиватель, работающий обычно в достаточно узких диапазонах частот из-за своих довольно ограниченных размеров; к акустическим рассеивателям, как правило, жёстких ограничений по их размеру и материалам не предъявляется; исключение составляют ситуации, когда требуемый узкий диапазон частот предварительно задан. Рассеивание позволяет наполнить звуком высокого качества практически всё пространство театра, избегая нежелательных концентраций, а также – создавая наилучшую диффузность звукового поля;
c) резонатор, позволяющий усиливать звук в различных диапазонах частот. Замкнутые воздушные полости играют роль резонаторов-усилителей звука. Иногда они, будучи прикрепленными к пластинам-декам, возбуждают весьма интенсивные и весьма полезные колебания названных пластин.
Воздушные полости, полузамкнутые или имеющие отверстия, являются усилителями лишь на небольшом расстоянии от отверстия резонатора, а далее они приобретают уже роль поглотителя звука из-за потерь при интенсивном преобразовании энергии у открытого конца резонатора;
d) дека – это поверхность (потолок, стены, пол и т.д.), которая, в отличие от традиционных рефлекторов, будучи возбуждена резонатором или иным источником колебаний, сама является не пассивным отражателем, а активным источником звука. Дека способна усиливать звук и увеличивать продолжительность звучания в пространстве ― время реверберации (в помещении).
Замкнутые воздушные полости, как уже отмечено, будучи прикрепленными к пластинам-декам, возбуждают весьма интенсивные колебания в воздушной среде театра.
В качестве примера можно ещё назвать специальную пластину-деку характерную, например, для всех струнных музыкальных инструментов. Резонатором здесь являются и струны, прикреплённые к деке.
Пластиной-декой в театре может служить, например, его потолок. Яркий пример такого потолка-деки представлен в главе 2, посвящённой концертному залу Капеллы в Санкт-Петербурге, и других разделах.
Ещё раз подчеркнём значимость для нашего времени достижений в акустике театров древних зодчих:
В XV веке до новой эры рефлекторы уже применялись для наполнения звуковой энергией зрительских мест, например, для театральной площадки в Кноссе на острове Крит (рисунки 1.2 и 1.3).
Ещё более очевидно активное использование для той же цели специально направленных вертикальных рефлекторов для сцены театра в Оранже (Галлия) в 1 веке до новой эры (рисунок 1.8).
Не менее замечательное решение для периода древности – это горизонтальный рефлектор над сценой театра в Аспенде (театр в Галлии, II век новой эры) в сочетании с вертикальными рефлекторами перед сценой и за ней, а так же с рассеивателями звука для создания диффузности звукового поля (рисунок 1.10).
В Афинском театре Диониса (VI век до новой эры) кроме вертикальных рефлекторов на сцене применялись и открытые полости-резонаторы с вогнутыми поверхностями, размещённые по длинной стороне основания непрерывной части рядов сидений, а также – в двадцати длинных волноводах, образуемых лестничными проходами для зрителей (рисунок 1.5).
Несмотря на то, что значение этих резонаторов было велико только для ближайших к ним зрителей (на расстоянии 0,5–1,5 метра от резонатора), этого было достаточно для создания хорошей слышимости на местах, т.к. из расчёта на одного зрителя плотность такого рода резонаторов была очень велика.
Каждый зритель был обеспечен достаточной звуковой энергией резонаторов. При этом будем помнить, что в таком театре актёрами дополнительно применялись рупорные усилители звука и актёры приподнимались над сценой на котурнах.
Рупорные усилители увеличивали звуковую мощность энергии, приходящей к зрительским местам. Использованные актёром котурны позволяли существенно увеличить высоту источника звука и, соответственно, улучшить структуру отражений в рефлекторах двадцати радиальных лестничных «коридоров». И рупорные усилители, и котурны древними драматургами, режиссёрами и актёрами применялись для одной цели – организации хорошего звучания, видимости сценических объектов, что, в свою очередь, придавало требуемую значимость роли того или иного актёра или – всему спектаклю.
Этот бесценный опыт поддерживает нас – современных строителей, архитекторов и акустиков в каждодневном труде; в тех сложных ситуациях, когда наши экспертные оценки наиболее важны для достижения благотворного результата, в безошибочных принципиальных решениях.
2. Реконструкция капеллы в СПБ (реконструкция концертного зала Государственной Академической Капеллы в Санкт-Петербурге)
В этой главе позволю себе представить вам, может быть, поучительный пример реализуемых простых решений акустических проблем при реконструкции или реставрации известнейших объектов, одним из которых является Капелла в Санкт-Петербурге (здание построено в XIX веке).
Рисунок 2.1
Здание Государственной Академической Капеллы в Санкт-Петербурге
Время неумолимо. Исторические здания стареют. Количество уникальных зданий, требующих акустической реконструкции очень велико и возрастает.
Материал данной главы, я надеюсь, поможет не допустить грубых ошибок, казалось бы – в простейших случаях теплотехнической и противопожарной реконструкции чердачного перекрытия (любых иных частей исторических зданий) над известным зрительным залом, способных повредить или безвозвратно уничтожить такие прекрасные духовные качества театра, которые создаёт для нас и на многие века с божьей помощью великий творец-архитектор.
Дело в том, что из-за больших временны´х промежутков между продуманным, а также талантливым, воплощением архитектурно-акустических идей в объекте и моментом его реконструкции всегда существует, в силу различных причин, опасность утраты либо знания, либо понимания особенностей этого объекта. Данное обстоятельство, как отмечено ранее, может нанести иногда непоправимый ущерб, связанный с потерей акустических качеств объекта реконструкции.
Речь идёт о знании и о понимании акустических законов всеми реставраторами, не только о конструктивных или архитектурных, но и об акустических особенностях концертных залов с уникальной акустикой.
Поэтому мною было решено рассмотреть и представить вниманию читателя весьма характерный в этом плане пример процесса реконструкции одного из известнейших в мире музыки концертных залов.
Рассмотрим конкретный объект: запроектированный в 1886 году архитектором Л.Бенуа концертный зал Государственной Академической Капеллы в Санкт-Петербурге (набережная реки Мойки, дом 20, рисунок 2.1).
Реконструкция этого концертного зала заканчивалась в течение 2005 года, примерно через 120 лет после ввода в эксплуатацию. За период в 120 лет основой для реконструкции и реставрации оставались, конечно: во-первых, само здание Государственной Академической Капеллы, а во-вторых – чертежи здания Государственной Академической Капеллы.
Перед реконструкцией и реставрацией были проведены предварительные обследования, в результате которых – разработаны достаточно обоснованные правилами строительной техники и технологии конструктивные мероприятия. Разработана также проектная документация на реконструкцию здания и концертного зала Государственной Академической Капеллы (далее – концертного зала Капеллы).
Первоначально администрацией мне поручались только теплоэнергетические обследования концертного зала Капеллы. Однако на первом (ознакомительном) этапе теплоэнергетических обследований оказалось, что мои выводы по теплоэнергетическим обследованиям непосредственно влияют на решения по акустике концертного зала Капеллы (далее это будет подробно доказано).
Поэтому программа обследования была существенно расширена с включением позиции по акустическим обследованиям. Ставилась задача: оценить влияние на акустику концертного зала Капеллы теплоэнергетических мероприятий и мероприятий по пожарной безопасности, представленных подрядчиком в его проекте реконструкции.
Акустическое и теплоэнергетическое обследования конструкции чердачного перекрытия и объёмно-планировочных элементов концертного зала Капеллы произведено мною в январе 2005года.
В процессе обследования чердачного перекрытия (перекрытия над концертным залом) и объёмно-планировочных элементов концертного зала Капеллы рассмотрены следующие документы:
1 Чертежи здания концертного зала Капеллы, выполненные архитектором Л.Бенуа в 1886 году и архитектором М.Гейслером (при восстановлении здания после пожара) в 1895 году).
2 Акустический Паспорт концертного зала Капеллы, составленный специалистами-акустиками из МГУ и ГУП МНИИП объектов культуры, отдыха, спорта и здравоохранения (доцент кафедры акустики МГУ, член Экспертного Совета по органостроению Международного союза музыкальных деятелей, кандидат физико-математических наук П.Кравчук и заведующий лабораторией акустики ГУП МНИИП, кандидат технических наук В.Сухов).
3 Обмерочные чертежи чердачного перекрытия здания концертного зала Капеллы, выполненные ООО «Гипротеатр» с указанием дефектов в исторических конструкциях чердачного перекрытия.
4 Отчет о техническом обследовании строительных конструкций чердачного перекрытия здания концертного зала Капеллы с выдачей проектных решений по его ремонту, выполненный ООО «Гипротеатр».
5 Предписание №2–973 от 16 июня 2004г. Государственного Учреждения «Дирекция заказчика по ремонтно-реставрационным работам на памятниках истории и культуры».
2.1. Характеристика исторических конструкций над концертным залом
По чертежам здания концертного зала Капеллы, разработанным архитекторами Л. Бенуа и М. Гейслером, по современным обмерочным чертежам чердачного перекрытия, разработанным ООО «Гипротеатр», а также при визуальном осмотре конструкций в натурных условиях мной было установлено:
1 Чердачное перекрытие концертного зала Капеллы площадью 520м2 выполнено по металлическим стропильным фермам. Покрытие зала опирается на верхний пояс ферм. Чердачное перекрытие опирается на нижний пояс ферм. Нижняя часть чердачного перекрытия из досок толщиной 40мм кессонирована (размеры в плане каждого кессона преимущественно 1680х1550мм, глубина кессонов 360мм, количество кессонов – 126) и живописно окрашена со стороны концертного зала.
2 В объёме чердака, над кессонами имеется восемнадцать воздушных полостей (резонаторов Бенуа) шириной от 930 до 1080мм, длиной 23000мм (на всю длину зала) и высотой 270мм (рисунок 2.2).
3 Выше указанных воздушных полостей (резонаторов Бенуа) был устроен настил из досок толщиной 50мм. Непосредственно на настиле до начала ремонтных работ находилась известково-гипсо-песчаная стяжка толщиной 100мм.
Во время ремонтных работ эта стяжка была полностью разрушена (!!!!) и в качестве строительных отходов удалена с объекта.
4 В объеме чердака, по его периметру, находился бывший жаровой канал, а ныне – это вентиляционный воздуховод сечением 1820х750мм с вентиляционными решетками, через которые в чердачное пространство может подаваться нагретый воздух. Нагрев воздуха производился и будет производиться с помощью специального оборудования, находящегося в пространстве под сценой концертного зала.
2.2. Основные акустические параметры концертного зала Капеллы
В соответствии с Акустическим Паспортом Капеллы концертный зал имеет объем 6000м3 и 800 мест для публики.
Рисунок 2.2
К чердачной поверхности потолка зала жестко прикреплены (вновь «открытые» при реконструкции и спасенные автором) низкочастотные резонаторы
Удельный объем концертного зала равен 7.5м3 на 1 зрительское место.
Измеренное время реверберации равно 1.75 сек на частотах 500 и 1000 Гц в пересчете на заполненный зал.
Рекомендованное международными стандартами время реверберации равно 2.1 сек для органных концертов и для хорового пения. Полученное во время измерений время реверберации, равное 1.75 сек может быть принято как компромиссное для залов, в которых производятся симфонические концерты.
Для полноценного звучания хорового исполнения и органной музыки разработчиками Акустического Паспорта Капеллы рекомендовано уменьшить количество мест в концертном зале и приблизить число мест к первоначальному, предусмотренному проектом Л.Бенуа в 1886 году.