Архитектура всегда полагалась на звук, чтобы придать зданию определенный смысл. Зрительные залы должны погружать в атмосферу концерта, аудитории – способствовать обучению, церкви – вызывать чувство общения с небом, а парки – ограждать от суеты оживленных улиц, находясь всего в нескольких метрах от них. Зодчие и градостроители всегда очень внимательно относились к тому, что может увидеть и услышать человек, чтобы в конечном итоге вызвать у него те или иные чувства.
Представьте, что вы находитесь на берегу озера, окруженного высокими горами. Но, наслаждаясь видом природы, вдруг слышите, как кто-то вдалеке кричит ваше имя. Вы безуспешно пытаетесь понять, откуда идет звук, но он отражается от гор, а вода усиливает его. В конце концов, вы замечаете источник звука – это пожилой человек в римской тоге на другом берегу.
«Кажется, мы только что попали в ситуацию, когда звук как будто сбивается с пути и не долетает до нас. Но почему это происходит? Звуковые волны, как и свет, могут отражаться, преломляться и рассеиваться, когда распространяются в разных направлениях. Именно это вы почувствовали, когда не могли понять, где находится источник звука».
Теперь представьте, что вы создаете зал для концертов, где музыка должна звучать так, чтобы зритель мог насладиться каждой нотой. Как и на берегу озера, звук может отражаться и мешать услышать музыку так, как задумывал ее композитор. Как же добиться идеального звучания?
Представим, что концертный зал – это музыкальный инструмент. Если помещение имеет неправильную форму или сделано из неподходящих материалов, то звук может быть искажен, подобно тому как плохой инструмент может испортить музыку. Но если зал создан правильно, то звук, как хорошо настроенный музыкальный инструмент, будет звучать прекрасно.
«Уже больше двух тысячелетий архитекторы работают над созданием идеальных помещений, в которых музыка и речь чудесно звучат. На этом пути мы исследовали различные материалы для стен и потолков, формы зала, расположение сцены и зрительских мест: это инструменты в нашем оркестре. Каждый акустический инженер – композитор, который сочетает различные элементы, чтобы создать идеальный звуковой образ. И, как и в музыке, любая нота должна быть в гармонии с другой, чтобы создать действительно незабываемое звучание».
Первые в мире комедии и трагедии ставили в Афинах еще в конце VII века до нашей эры. Поначалу они разыгрывались на открытой площадке, окруженной местами для зрителей. Первые каменные постройки круглой формы появились приблизительно 200 лет спустя. Самым древним из таких зданий считается Театр Диониса. Он расположился на склоне Акрополя и обладал полукруглой ступенчатой структурой. Такая конфигурация, помимо улучшения обзора, позволяла более оптимально распределять звук.
Хорошая акустика древних театров обусловлена и правильным расположением рядов ступеней, которые были выровнены и при правильной геометрии вели себя как рассеивающие поверхности. Звуковое возмущение наступало, воздействуя на углы ступеней, а затем распространялось по театру во всех направлениях, как будто углы были вторичными источниками звука. Благодаря этому создавалось рассеянное звуковое поле, улучшающее акустику театра. Кстати, это сложное явление было понято только недавно.
Когда в IV веке до нашей эры греки клали последние несколько камней на великолепный театр в Эпидавре, они не могли знать, что невольно создали сложный акустический фильтр. Но, когда задолго до того, как театры получили такую роскошь, как звуковая система, зрители в заднем ряду услышали музыку и голоса с удивительной ясностью, греки, должно быть, поняли, что они сделали что-то очень правильное, потому что впоследствии они предприняли множество попыток воспроизвести дизайн Эпидавра. И никогда – с таким же успехом.
Существовали теории, согласно которым причиной был ветер, дующий в основном со сцены на зрителей, в то время как другие приписывали этот эффект маскам, которые могли действовать как примитивные громкоговорители, или ритму греческой речи. Другие, более технические теории учитывали наклон зрительских мест.
«Неуловимый фактор, который сделал этот амфитеатр акустическим чудом, заключался не в склоне и не в ветре. Дело в сиденьях! Ряды известняковых сидений в Эпидавре образовали эффективный акустический фильтр, который подавляет низкочастотные фоновые шумы, такие как ропот толпы, и отражает высокочастотные звуки исполнителей на сцене от сидений и обратно к сидящим зрителям, донося голос актера до самых задних рядов театра».
В то время как многие эксперты строили догадки о возможных причинах уникального звучания Эпидавра, мало кто догадывался, что сами сиденья были секретом его акустического успеха. Пролившее свет на звуковой вопрос исследование, проведенное специалистом по акустике и ультразвуку Нико Деклерком и Синди Декейзер, инженером, увлеченным историей Древней Греции, опубликовал журнал Американского акустического общества.
Когда Деклерк решил разгадать акустическую загадку, у него тоже было неверное представление о том, как Эпидавр так хорошо передает звуки представления. Он подозревал, что ребристый материал известняковой конструкции театра действует как фильтр для звуковых волн на определенных частотах, но он не предполагал, насколько хорошо он контролирует фоновый шум.
Однако, когда команда Деклерка экспериментировала с ультразвуковыми волнами и математическим моделированием акустики театра, она обнаружила, что частоты ниже определенного порога задерживаются в зале, в то время как частоты выше 500 герц продолжают звучать. Рифленая поверхность сидений создавала эффект, подобный гофрированной акустической обивке на стенах звукозаписывающих студий.
Непонимание греками роли известняковых сидений в акустике Эпидавра, вероятно, не позволило им повторить этот эффект. В более поздних театрах использовались различные материалы скамей и сидений, в том числе дерево, что, возможно, сыграло большую роль в постепенном отказе греков и римлян от конструкции Эпидавра.
Традиции греческих архитекторов переняли римляне в 90-х годах нашей эры и построили амфитеатр Флавия – Колизей, который поражает своими масштабами. Крутой уклон амфитеатра обеспечивал не только отличную видимость происходящего на сцене, но и хорошую слышимость прямых звуков. Каменные поверхности колонн, арены и сооружений на ней направляли звуковые волны к слушателям, увеличивая громкость происходящего.
Достижения античной акустики были настолько впечатляющи, что улучшать ее долгое время ни у кого не возникало желания. 2000 лет назад ученые и философы знали, что помимо прямого звука человек слышит и его многочисленные отражения. В зависимости от того, как скоро эти отражения достигнут слушателя, можно судить о качестве акустики зала.
Когда в помещении звучит один источник со сцены, то первым к слушателю в зале доходит прямой звук, следом – звуки, отраженные от ближайших к источнику поверхностей, например декораций за исполнителем. И позднее, с большой задержкой – звуки, претерпевшие двукратное отражение от потолка и стен. В больших залах с высокими сводами часто возникает проблема, когда в первых рядах зрительских мест отраженный от потолка звук приходит с большим опозданием. Эту погрешность исправили современные акустические инженеры. Они закрепили на потолке звукоотражающие акустические деки вогнутой формы, которые точно направляют звук со сцены в партерную зону.
С научной точки зрения к акустике подошли только в конце XIX века благодаря Уоллесу Сэбину, американскому инженеру, который занялся улучшением звучания лекционного зала Фогга в Гарвардском университете. Звук там был настолько ужасным, что все считали – его улучшить невозможно. Но Сэбин доказал обратное.
Работая по ночам, пользуясь органной трубой и секундомером, Сэбин измерил то, что он определил как «время реверберации», необходимое для того, чтобы интенсивность звука снизилась на 60 децибел. Он обнаружил взаимосвязь между размером помещения, его поглощающей поверхностью и качеством акустики.
Несколько лет спустя архитектурная фирма «McKim, Mead & White» обратилась к Сэбину за советом при планировании Симфонического зала в Бостоне. Используя материалы экспериментов, проведенных в зале Фогга, Сэбин смог эмпирическим путем разработать формулу для прогнозирования акустических свойств. Теперь он считается основоположником архитектурной акустики, а его выводы до сих пор пользуются большим спросом среди специалистов в этой области.
Например, один из них заключается в том, что, если максимально снизить длительность реверберации, речь в зале станет более разборчивой. С музыкой все сложнее: для нее реверберация не только желательна, но и необходима. Каждый музыкальный жанр имеет свои требования. Для камерной музыки подойдет 1,2–1,6 секунды, для оркестровой – 1,7–2,2 секунды, а для органной – гораздо больше. По сути, для каждого инструмента есть свой оптимальный уровень реверберации. Например, о Малом зале Московской консерватории Ростропович говорил, что его строили будто специально для игры на виолончели.
Обычно длительность реверберации в концертных залах не изменяется. Но сегодня наиболее современными и технологичными считаются помещения, где этот параметр можно настроить. Это залы с изменяемой геометрией. В них для настройки звука используют специальные панели, которые можно поворачивать и менять их звукопоглощающие свойства.
Оранжевый зал Культурного центра префектуры Коти в Японии с разных ракурсов. axona-aichi.com
Один из примеров – оранжевый зал Культурного центра префектуры Коти в Японии. Это многоцелевой зал вместимостью до 1500 человек, который состоит из двух этажей и может быть использован в разных форматах: как полноразмерный зал для инструментальных концертов, помещение среднего размера или конференц-зал. Для того чтобы создать акустические условия, подходящие для разных целей, в помещении установили подвесные потолки в качестве регулируемых реверберационных элементов. Когда они опускаются, поглощающая способность зала увеличивается, а время реверберации сокращается с 1,7 до 0,3 секунды.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
