История развития архитектурной акустики Текст научной статьи по специальности «История и археология»

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 72.01:534.84

Е.Г. КИСЕЛЕВА, преподаватель ([email protected]), Московский государственный строительный университет

История развития архитектурной акустики

Приведены основные этапы развития науки архитектурная акустика. Показано, что на протяжении веков ученые и архитекторы пытались совместно решить проблемы резонанса, реверберации, отражения и поглощения звуков. Подробно рассмотрено развитие архитектурной акустики в России.

Ключевые слова: акустика, архитектурная акустика, строительная акустика, история развития акустики.

Если перелистать страницы истории развития архитектурной акустики, то можно выделить много имен, которые не забываются даже при самом сжатом изложении истории. Роль этих людей в истории науки разная. С течением времени они не только не тускнеют, но занимают все более значимое место по мере изучения их роли в истории развития научной мысли.

Наука архитектурная акустика, как и все естествознание уходит глубокими корнями в древность. От древности в наследство остались труды Аристотеля, а также труды представителей школы математической физики - Архимеда, позже Леонардо да Винчи, Никколо Тартальи и Джероламо Кардана, и конечно их последователя Галилео Галилея. Галилей развил метод геометрических построений Архимеда, развил вопросы акустики, основу которых заложил Леонардо да Винчи. В этой области Галилей сделал много первоот-крытий. К таким открытиям относятся: установление зависимости между кажущейся высотой тона и частотой звуковых колебаний, и в частности численное определение таких музыкальных терминов, как октава и квинта; установление между частотой звучания струны и основными ее характеристиками; разработка методов измерения частоты колебаний и установление численных соотношений для таких чисто физиологических факторов, как консонанс и диссонанс. Все эти вопросы, разработанные впервые Галилеем, создали новую отрасль физики - учение о звуковых колебаниях, которые

Рис. 1. Греческий театр. Сицилия. V в. до н. э.

впоследствии легли в основу строительной и архитектурной акустики [1].

История развития акустики помещений базируется на устройстве греческих и римских открытых театров. В умеренном климате Южной Европы аудитория была открытого типа и всегда удачно располагалась на спокойном участке, удаленном от движения и шума города. Первые аудитории представляли собой группу слушателей, стоящих вокруг оратора, причем все они помещались на ровной или почти ровной площадке. Первый шаг в развитии аудитории состоял просто в помещении оратора на возвышенную платформу. Затем последовала установка сидений для слушателей с приподнятием более отдаленных рядов (рис. 1, 2). Такие ранние начинания достигли высшей точки развития в хорошо известных греческих и римских открытых театрах. Классические открытые театры Греции и Рима, как показывает само название «театр» (по гречески 0гaтpov - место, чтобы видеть), были сначала скорее местом для того, чтобы видеть, чем слышать. Достоинства и недостатки этих театров можно оценивать при изучении их развалин. Наиболее существенным достоинством античных театров является отсутствие стен и потолка, что освобождает их от таких обычных недостатков, как эхо, реверберация и запоздалые отражения. Звук достигает слушателя неизмененным и сохраняет всю красоту и естественность исполнения на сцене. Но и наиболее существенный недостаток этих аудиторий также связан с отсутствием стен и потолка, так как при этом вся звуковая энергия, которая в противном случае отразилась бы от их поверхностей, теряется и не может быть использована. Потеря звука уменьшает интенсивность для наиболее отдаленных мест аудитории до такой степени, что слушание речи становится трудным или совсем невозможным, а в случае музыки потеря энергии, так же как и влияние запоздалых отражений, уменьшает богатство и полноту тонального качества. Расположение мест концентрическими полукругами вокруг сцены и наклон зрительной площадки показывают попытки греков и римлян обеспечить достаточное количество энергии всем слушателям. Природа акустических проблем, возникших в античных театрах, и успех в их разрешении, описаны в известных «Десяти книгах по архитектуре» Витрувия [2]. К примеру, цитата Витрувия очень поучительна в отношении описания практики античных архитекторов в акустической конструкции греческих и римских театров, а также в предвидении конструкции современных открытых театров: «Особое

Научно-технический и производственный журнал

внимание необходимо, следовательно, уделить тому, чтобы место было не глухим, а таким, в котором голос звучал бы наиболее четко. Это может быть осуществлено выбором места с отсутствием эха».

Однако древние греки осознавали тот факт, что мощность среднего голоса была недостаточна для четкой слышимости во всех частях театров, вместимость которых достигала иногда до 20 тыс. слушателей. Согласно Витрувию делались попытки увеличить мощность голоса посредством применения гармоник (слово «гармоника» по всей видимости, означает резонанс). Это свойство резонанса осуществлялось, как пишет Аристоксен, распределением большого количества бронзовых сосудов в форме резонаторов в правильно расположенных по всему театру нишах. В больших театрах устанавливалось три горизонтальных ряда резонаторов.

Еще одна деталь показывает, что греки понимали недостаточность силы голоса среднего оратора. Это видно из применения артистами на сцене очень больших масок, которые не только подчеркивали черты лица, так чтобы их можно было видеть с наиболее отдаленных мест, но им также была придана форма, целью которой было увеличить громкость голоса рупорным действием отверстия рта (рис. 3).

Классический открытый театр греков и римлян был основан на ряде основных факторов о поведении звука в открытом пространстве, что подтверждается работами Витрувия.

При распространении цивилизации в менее умеренном климате Центральной и Северной Европы появилась необходимость окружить аудиторию стенами и потолком. Эти закрытые аудитории позволили ввести многоярусные балконы, которые служили двойной цели: для помещения аудитории слушателей вблизи сцены и для размещения сравнительно большого количества их на небольшом пространстве. Близость публики к сцене, а также полезные отражения от стен и потолка обеспечивали громкость речи вполне достаточную для аудитории, вмещающей менее 2 тыс. человек.

При проектировании концертных залов, театров и лекционных аудиторий нельзя не упомянуть о форме и пропорциях помещения. На протяжении веков шел поиск идеальной формы зала, которая могла бы отвечать двум факторам: наилучшей акустике и наибольшему полю зрения. Граф Франческо (Италия, 1712-1764) выработал типы и приемы форм зала, наивыгоднейших в акустическом смысле, и по образцу их не только в Италии, но и в Англии и Франции были воздвигнуты театры [2].

Многие видные строители театров рекомендовали для всех аудиторий эллиптическую форму, думая, что форма зала может гарантировать акустический успех. Форма помещения в правильно рассчитанном зале не играет никакой роли, ибо нет такой формы, которая могла бы гарантировать акустический успех, а также нет такой формы, акустические недостатки которой не могли бы быть предусмотрены.

Развитие просторных помещений с каменной или мраморной облицовкой, приспособленных для сравнительно небольших аудиторий (слушателей), представляло многочисленные акустические трудности. Но они стимулировали интерес к изучению акустики, который привлек ряд исследователей XIX в.

Развитие архитектурной акустики в Северной Европе началось с изучения многочисленных отражений звука в закрытых помещениях. Прогресс был незначителен до начала XIX в., когда были сделаны попытки разработать и спроектировать такие архитектурные формы, которые давали бы

полезное отражение звука по направлению к слушателям. Это являлось проблемой геометрической акустики, ограниченной почти исключительно изучением лучей отраженного звука в помещении, и имело целью усилить отражением звук, достигающий слушателя. В результате во многих закрытых аудиториях применялись резонаторы, главным образом параболической формы, с целью направить достаточное количество звуковой энергии к наиболее отдаленным слушателям. Но, как показал опыт, применение резонаторов или специально сконструированных поверхностей, помещенных над оратором или сзади него, оказалось недостаточным для обеспечения условий хорошей слышимости в аудиториях. Надлежащее отражение звука или даже применение достаточно больших количеств звуковой энергии не являлось и не является совершенным средством для устранения акустических недостатков помещения.

Одним из первых, понявших этот факт и выразивших более общую точку зрения на акустическую проблему закрытого помещения, был Дж. Б. Уфам, доктор медицины из Бостона, который еще в 1853 г. дал довольно ясное объяснение как реверберации, так и резонанса в аудиториях — явлений, занимающих основное место в архитектурной акустике. Он понял, что реверберация должна быть достаточным образом уменьшена и резонанс тщательно сохранен. Им был проведен ряд опытов в главном зале Бостонского мюзик-холла, в которых он менял мягкий и твердый слои штукатурки на стенах и потолке, сравнивал акустические характеристики зала с мягкими и жесткими креслами, использовал драпировки и занавеси у окон, ковры на балконах.

Известный американский физик Джозеф Генри в 1854 и 1856 гг. прочитал ряд докладов об акустике помещений (в Американском обществе поощрения науки), в которых он

Рис. 2. Амфитеатр. II—III вв.

122010

27

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 3. Маски греческого театра

научно разобрал такие важные проблемы, как природа речи и слуха, акустика открытых помещений, форма закрытых помещений, эхо, реверберация и резонанс. Многие из его выводов основаны на опытах и наблюдениях.

Главная научная работа по этой проблеме была начата и развита профессором Гарвардского университета У.К. Сэ-бином. Работы Сэбина начиная с 1895 г. начали новую эру в развитии архитектурной акустики. Все исследования до него носили качественный характер. У.К. Сэбин первый ввел количественные характеристики в акустике помещений [2].

Профессор Сэбин первый обратил внимание на зависимость качества звука от величины его продления и ввел впервые термин «реверберация». Им установлено, что реверберация в любом помещении может сильно изменяться в зависимости от условий поглощения звука. В 1900 г. им была предложена формула для расчета времени реверберации: ?=0,174У/Д где V - объем помещения; А - общее звукопоглощение. Впоследствии С.Я. Лифшиц [3] и Эйринг скорректировали формулу. Но конечный вид она приобрела после уточнения Милленгтона для залов с существенными различиями коэффициентов звукопоглощения поверхностей:

0,163 • V Т = -,

п

£ Б, • Iп (1 -отСр)

¿=1

где V - объем помещения; б. - общая площадь преград; аср - средний коэффициент поглощения разных материалов.

Многочисленные здания были спроектированы и построены согласно теории У.К. Сэбина сразу же после опубликования результатов его работы, но большая часть архитекторов крайне медленно признавала и применяла его теорию. Работники науки также медленно продолжали его работу, и только в 1930-е гг. к найденным им результатам были сделаны ценные добавления американцами И.Б. Крендаллом (1922) и В.О. Кнудсеном (1936) [2], а в области электроакустики - Олсоном и Масса (1934) [4].

Время реверберации долгое время было единственным точным критерием для оценки акустических качеств помещений. Оно и сейчас еще сохраняет первостепенное значение, несмотря на появление ряда новых критериев.

При помощи большого числа слушателей (участников опыта) были экспериментально определены значения времени реверберации, соответствующие наилучшим акустическим условиям. По данным Вайсе (1949) и Кнудсена (1950) зависимость оптимальных значений времени реверберации для больших объемов помещений зависит от величины помещения и от характеристик прослушиваемого материала.

Измерения, проведенные в 1935 г. Майером и Йорданом, а в 1961 г. развитые в работах А.Н. Качеровича и Е.Е. Хомуто-ва [5], показали прямую зависимость времени реверберации от степени заполненности зала зрителями и от удельной кубатуры (кубатура помещения, приходящаяся на одно место).

Возможность определения степени диффузности звукового поля подробно исследовали Фуррер и Лаубер (1952), а также Тиле (1961).

В своих работах Ф.Р. Ватсон (1948) и Ф. Ингерслев (1957) описали нежелательные акустические явления, возникающие в помещениях, вследствие «бегущих» отражений, с криволинейными вогнутыми поверхностями ограждений (сводчатые, куполообразные строения). Для равномерного распределения звуковых отражений и достижения максимального расстояния звуком предложено расчленение поверхностей и правильный подбор материалов отделки.

В 1963 г. появляются исследования не физика-акустика, а архитектора Карла Гануса [6], которые позволяют выявить проблемы акустического проектирования помещений. Наиболее ценным аспектом исследований Гануса явился акустический анализ формы помещений в целом и формы отдельных ограждающих поверхностей.

Нельзя не сказать о трудах виднейшего зарубежного специалиста 1960-х гг. в области акустики Ф. Ингерслева (Дания), который адаптировал научные изыскания для строительной практики, развив тем самым прикладной характер акустики не только в области акустики помещений, но и в области радиовещания и исследовал ряд вопросов борьбы с производственными шумами (1963) [7].

Развитие архитектурной акустики в России проходило более сложно и медленно. До XX в. решение проблемы акустики помещения в отдельных случаях достигало такой запугивающей сложности, что заставляло большую часть архитекторов полагаться на игру слепого случая или же руководствоваться случайными соображениями в этой области. В больших помещениях архитектор всегда изыскивал искусственные средства для усиления звука, и такими средствами обычно являлись отражающие вогнутые и резонирующие поверхности. В то время архитектор главным образом обращал внимание на силу звука (громкость) и меньше уделял внимания ясности и красоте звука. Неполнота разрешения акустической задачи делала ее непопулярной и нередко игнорируемой. Но развитие архитектурной акустики в Советском Союзе, а позднее в РФ, хоть и не так активно, как за рубежом, но все же продолжалось. Этому способствовал технический прогресс, появление на свет новых технологий, новых строительных и отделочных материалов.

Научная деятельность в области акустики в России координировалась в рамках всесоюзных акустических конференций. Первая из них состоялась по инициативе академика Н.Н. Андреева в сентябре 1931 г. в Физико-техническом институте (Ленинград). С 1958 г. всесоюзные конференции организовывались Акустическим институтом им. акад. Н.Н. Андреева (Москва).

В начале XX в. развитием архитектурной акустики в России занимались Г.К. Лукомский (1913), С.В. Беляев (1916), С.Я. Лифшиц (1925), В.Я. Антберг (1915), С.Н. Ржевкин (1928), Дж. Тиндаль (1920). Работы этих авторов печатались в различных периодических изданиях.

Кроме перечисленных нельзя не упомянуть таких российских специалистов середины и второй половины ХХ в., как А. Качерович, который в своей книге «Акустика зрительных залов» (1968) предложил методический подход к аку-

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Рис. 4. Концертный зал «Крокус-Сити-Холл» (Москва)

стическому проектированию, выбору формы и размеров зрительного зала в зависимости от его назначения.

В конце XX в. исследования в области акустики помещений получили особенно широкое развитие. В связи с этим в июне 1991 г., по решению XI Всероссийской конференции было создано Российское акустическое общество.

По мере развития техники и роста городов первоочередными задачами архитектурной акустики стали подавление шума в многоквартирных домах, звукоизоляция производственных помещений и вопросы сохранения здоровья рабочих. В связи с этим в начале 1930-х гг. из архитектурной акустики был выделен в самостоятельную дисциплину раздел строительная акустика. Это научная дисциплина, занимающаяся вопросами защиты жилых и иных помещений, территорий и зданий от шума и решающая эти вопросы архитектурно-планировочными и строительными (конструктивными) методами.

Ведущее место в проведении таких исследований принадлежит Научно-исследовательскому институту строительной физики (НИИСФ). В НИИСФ работал Г.Л. Осипов, который в 1960-1970 гг. занялся разработкой идеи создания современного, соответствующего мировому уровню акустического центра, в котором могли бы проводиться акустические исследования с высокой степенью надежности. В разработке проекта акустического центра помимо НИИСФ участвовали такие организации, как ВНИИЭМ, МНИИТЭП, ЦНИИЭП жилища и др. Окончательное осуществление эта идея получила к началу 1974 г., когда был построен и сдан в эксплуатацию Акустический корпус НИИСФ, в состав которого входили звукомерные камеры, являвшиеся на момент строительства корпуса одними из самых передовых в мире. В звукомерных камерах НИИСФ РААСН были выполнены и продолжают выполняться всевозможные акустические исследования, имеющие важное значение для науки и практики. В результате комплекс камер акустического корпуса остается и в настоящее время уникальным и одним из самых современных и больших в мире.

Под руководством Г.Л. Осипова и при его личном участии был разработан основополагающий документ в области строительной акустики СНиП 11-12-77 «Защита от шума», а в 2004 г. вступил в силу новый СНиП 23-03-2003 «Защита от шума».

К числу наиболее важных разработок института следует отнести работы, связанные с методикой акустических измерений, особенно импульсных, с методикой масштабного и электроакустического моделирования, а также с вопросами прогнозирования и оценки акустического качества помещений различного назначения.

Помимо научных разработок большое значение имеет также непосредственное участие НИИСФ в проектировании, строительстве и реконструкции уникальных залов. Среди работ, выполненных НИИСФ, следует отметить реконструкцию Большого зала Центрального академического театра Советской Армии, залов Дома Союзов, Московской государственной консерватории, а также новые сооружения Универсального зала в Гаване (Куба), зала Московского детского музыкального театра, залов Дворца культуры в г. Зеленограде (Московская обл.), спортивных залов и др.

В разное время с институтом сотрудничали такие ученые-акустики, как С.Д. Ковригин, А.И. Герасимов, И.А. Шишкин (МГСУ); А.А. Климухин (МАРХИ); Н.Д. Нико-лов (Институт строительной физики, технологии и логистики); О.Г. Орлов (Самарский государственный архитектурно-строительный университет); М.Ю. Ланэ (Московский научно-исследовательский и проектный институт объектов культуры, отдыха, спорта и здравоохранения «ГУП МНИИП «Моспроект-4») [8].

В результате кропотливой творческой работы ученых, архитекторов, преподавателей вузов в России и в мире ежегодно появляются современные концертные и театральные площадки. В настоящее время, апогеем архитектурной практики стал концертный зал «Крокус-Сити-Холл» (2009 г.) на 6178 мест, сконструированный в соответствии со всеми требованиями акустики (рис. 4). Концертный зал имеет огромную сцену площадью 712 м2 и оснащен самым современным акустическим оборудованием. Этот зал можно поставить в ряд крупнейших мировых концертных залов, таких, как «Шрайн-Аудиториум» в Лос-Анджелесе (США), Оперный театр в Сиднее (Австралия), Карнеги-Холл в Нью-Йорке, «Олимпия» в Париже, Лондонский королевский Альберт-Холл.

Список литературы

1. Анцелиович Е.С. Галилео Галилей. М.: Учпедгиз, 1955. 100 с.

2. Верн О. Кнудсен. Архитектурная акустика. Харьков: ГНТИ Украины, 1936. 525 с.

3. Лифшиц С.Я. Курс архитектурной акустики. М.-Л.: ОНТИ, 1937. 236 с.

4. Олсон и Масса. Прикладная акустика / Пер. с англ. под ред. И.Г. Дрейзена и Ю.М. Сухаревского. М.: Государственная редакция по вопросам радио, 1938. 349 с.

5. Качерович А.Н. Акустика зрительного зала. М.: Искусство, 1968. 208 с.

6. Карл Ганус. Архитектурная акустика. Акустическое проектирование театральных и концертных помещений. М.: Госстройиздат, 1963 г. 78 с.

7. Ингерслев Ф. Акустика в современной строительной практике / Пер. с англ. д-ра техн. наук проф. И.Г. Дрей-зена. М.: Госстройиздат, 1957. 296 с.

8. Гзоргий Львович Осипов (1929-2008)//АСА0ЕМ1А. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 12-14.

12'2010

29