популярно о природе звука

Акустика

АкустикаНачало современной науке об архитектурной акустике было положено американским ученым У. К Сэбином. В 1895 году (в это время Сэбин был ассистентом профессора физики в Гарвардском университете) ректор университета предложил ему выявить акустические помехи в лекционном зале только что построенного Музея искусств Фогга в Гарварде.

Получив это задание, Сэбин бросил исследования по оптике и электричеству и с головой погрузился в акустику. С помощью органных труб и огромного количества подушек он превратил лекционный зал и соседние с ним комнаты в лабораторию и начал изучать поведение звука в замкнутых объемах. Продолжительность звучания Сэбин определял с помощью секундомера. Следует отметить, что он обладал абсолютным слухом. И если современные, вновь построенные или реконструированные концертные залы имеют хорошую акустику, то в этом большая заслуга Сэбина.

На основе своих опытов Сэбин сформулировал три фундаментальных требования, которым должны удовлетворять любые залы, предназначенные для концертов, лекций и выступлений: 1) достаточно громкий звук; 2) сохранение относительных интенсивностей одновременно звучащих компонентов сложного звука; 3) четкость и разделение как друг от друга, так и от посторонних шумов последовательных звуков речи или музыки при быстрой артикуляции. Он писал: «Эти три положения являются как необходимыми, так и полностью достаточными условиями хорошей акустики зала. Говоря научно, проблема архитектурной акустики связана с тремя явлениями: реверберацией, интерференцией и резонансом. Кроме того, как инженерная проблема она включает в себя вопросы формы аудитории, ее размеров и материалов, из которых она построена»

В 1895 году, когда Сэбин начинал свои исследования, он, вероятно, уже чувствовал, какие опыты и как следует проводить для выявления акустических характеристик зала, поскольку был знаком с опытом, хотя и незначительным, своих предшественников по архитектурной акустике. Несмотря на то, что ученые XVIII и XIX столетий много занимались звуком, лишь некоторые из них сталкивались с проблемами архитектурной акустики. Несколько разрозненных работ, написанных учеными середины XIX столетия, носили чисто качественный характер. Они напоминали скорее писания древних греков и римлян и не имели ничего общего с работой, проведенной Сэбином. Из архитекторов древности римский архитектор Витрувий (I в. до и. э.), который написал десятитомный трактат по архитектуре, пользующийся еще и сегодня уважением, ближе всех подошел к проблемам акустики.

Основным недостатком лекционного зала Музея искусств Фогга в Гарварде была его чрезмерная реверберация. Любой звук, порожденный в замкнутом помещении, прежде чем затухнуть в результате поглощения стенами, потолком и полом, успевает несколько раз отразиться от их поверхностей. В лекционном зале поглощение было столь малым, что произнесенное обычным тоном слово продолжало звучать в течение 5,5 с из-за многократного отражения от стен, потолка, пола. Такое явление Сэбин назвал реверберацией. За время 5,5 с даже медленно говорящий человек может произнести от 12 до 15 слогов. Поэтому понятно, как трудно было слушать речь в таком зале.

Сэбин и занялся в первую очередь исследованием реверберации. Он измерял секундомером время звучания органной трубы от начала до того момента, пока звук уже не ощущался на слух. Он полагал, что степень ослабления реверберации должна быть пропорциональна степени поглощения звука. Поэтому потребовалось измерить относительное поглощение различных материалов. Вот тогда-то и понадобились мягкие подушки.

Сэбин вместе со своими коллегами вынес около 1500 подушек от сидений из ближайшего театра Сэндерса, постепенно заполнял ими сидения кресел в зале музея и измерял время полного затухания звука органной трубы. В обычных условиях время реверберации звука в зале равнялось 5,62 с. После того как было положено несколько подушек общей длиной 8,2 м, продолжительность звучания снизилась до 5,33 с, а при общей длине 17 м время звучания равнялось 4,94 с. Когда все 436 сидений были покрыты подушками, продолжительность звучания упала до 2,03 с. Затем подушками застелили проход между рядами и сцену, а также до самого потолка закрыли заднюю стену. В результате такой «маскировки» нота, сыгранная на органной трубе, теперь звучала уже в течение 1,14 с. Эксперимент потребовал нескольких ночей. Потом подушки вернули в театр, а Сэбин продолжал изучать поглощение звука в этом зале, но уже с другими материалами.

Закончив эксперименты, Сэбин приступил к обработке полученных результатов. Он доказал, что полное поглощение звука в комнате, умноженное на время реверберации, есть величина постоянная. По сей день эта формула является основной в архитектурной акустике.

Разумеется, размер подушки для сидения из театра Сэндерса является не самой лучшей единицей измерения поглощения звука. Поэтому Сэбин выбрал за единицу коэффициент поглощения звука открытым окном. Относительно него определяются коэффициенты поглощения различных материалов: дерева, гипса, кафеля, стекла и т. д. Исследовав множество разнообразных материалов, Сэбин составил таблицы коэффициентов поглощения звука, которыми до сих пор пользуются в архитектурной акустике.

Таким образом, зная объем аудитории и материал, из которого ее собираются построить, архитектор заранее может вычислить время реверберации пустой аудитории, заполненной слушателями полностью или наполовину, и даже аудитории, в которой находится всего лишь один человек.

Было принято оценивать время реверберации по наилучшему восприятию некоторых музыкальных звуков. Сэбин, будучи членом комиссии по проектированию нового здания Бостонского мюзик-холла (известного ныне как Симфонический зал), попытался сделать время реверберации в нем таким же, как в старинном концертном зале Лейпцига Гевандхаузе: при полной аудитории оно чуть превышало 1 с. Открытие 15 октября 1900 года Бостонского мюзик-холла, построенного согласно всем требованиям акустики, было встречено публикой с большой радостью. Он до сих пор остается в числе трех-четырех лучших концертных залов мира, предназначенных для исполнения симфонической музыки. Как было установлено, идеальное время реверберации существенно зависит от того, для каких целей предназначен зал. Так, например, зал для декламаций и камерной музыки должен иметь очень малое время реверберации (менее 1 с), в залах же, предназначенных для концертов симфонических оркестров, оно составляет от 1 до 2 с, а предназначенных для концертов хора в сопровождении оркестра --около 2,5 с (таково время реверберации в церкви Томаса в Лейпциге). Все эти значения определены для полной аудитории. Интересно отметить, что в лондонском Ройял фестивал-холле сиденья спроектированы так, что они одинаково поглощают звук независимо от того, сидят ли на них слушатели или нет. Подобным же образом строятся все современные концертные залы.

Завершая рассмотрение вопроса о реверберации, необходимо сказать, что время реверберации изменяется с изменением частоты звука. Это связано с тем, что поглощение звука любым конкретным материалом зависит от частоты звука. Таким образом, тщательно подбирая материалы для постройки зала, можно добиться того, что он будет хорошо «звучать» либо на высоких, либо на низких частотах. Можно также получить хорошее звучание в целой полосе частот, именно той, которая характерна для данного музыкального произведения.

При сооружении концертных залов, как отмечал Сэбин, следует принимать во внимание еще два явления, а именно интерференцию и резонанс. Их продолжительность значительно меньше, нежели реверберации. Интерференция происходит всякий раз, когда прямая волна, идущая от источника, встречается с волной, отраженной от одной из стен. Если две звуковые волны совпадают по фазе, то они усиливают друг друга - слушатель слышит более громкий звук. Если же фазы двух волн противоположны, то теоретически волны могут полностью погасить друг друга. На самом же деле интерференция звука происходит несколько иначе. Во-первых, звук от источника «размазан» почти по всей комнате. Во-вторых, поскольку интерференционная картина различна для разных частот, некоторые музыкальные звуки вообще могут не гаситься. Обычно архитекторы стараются сделать отраженный звук рассеянным, в результате чего в любую точку комнаты со всех сторон приходят отраженные волны с совершенно рассогласованными фазами. Как правило, это достигается либо тем, что стены комнаты делают с выступами и нишами, либо покрывают их материалом, поглощающим звук.

Если мы захотим познакомиться с эффектом резонанса, то можем сделать это, пропев в ванной комнате (облицованной кафелем) меняющимся по высоте голосом какую-нибудь мелодию. Каждой комнате присуще большое количество собственных частот колебаний. И когда в закрытом помещении возникает звук, то он усиливается на частотах, равных или близких собственным частотам этого помещения. Степень возбуждения колебаний различна для разных частот. Она зависит от положения источника звука в комнате и, что более важно, от того, насколько близки частоты источника к собственным частотам помещения. Резонансные гармоники продолжают еще долго звучать и после того, как все другие уже давно погасли. Поэтому перед архитекторами встает задача подавить такие колебания, прибегая к различным «архитектурным уловкам».