Влияние формы поверхности потолка на акустику зрительного зала. Современные формы потолков залов различного назначения. Особенности проектирования многосекционных потолков.

Формы поверхности потолков

Рис. 26

Недостаточно удовлетворительная акустика, присущая неко­торым большим залам, не имеющих электроакустических средств озвучивания, определяется чаще всего излишне высоким потол­ком, неправильной формой его поверхности. Как уже отмечалось ранее плоская горизонтальная поверхность не дает возможности рационально использовать все отраженные от нее звуки, так как-пространственный угол отражения весьма незначителен и для то­го чтобы "закрыть" отраженными лучами поверхность зрительно­го зала большой протяженности, приходится поднимать потолок, что приводит к увеличению запаздывания отраженных звуков по сравнению с прямыми и, кроме того, от одной плоской поверхно­сти нельзя получить более одного однократного отражения. Рас­пределение же звуковой энергии по местам зала, как отмечалось ранее, далеко не равномерное - вследствие- "скользящего" погло­щения звука вдоль поверхности зрительного зала слушатели дальних мест находятся в более худших акустических условиях. К тому же следует отметить, что полезное отражение от стен и их элементов сказывается в значительной степени лишь при распо­ложении артистов вблизи красной линии. При его удалении вглубь сцены доля зрителей, получающих отражения от стен, уменьшается (это боковые места), а некоторые элементы вообще

не дают отражений.

На рис. 26 приведены примеры последовательного развития акустиче­ски благоприятных форм поверхности потолка, которые показывают, как ис­пользование акустических познаний приводит к новым архитектурно-строительным формам. На схеме 1 по­казано, как отражения от потолка со­действуют снабжению звуковой энер­гией задних рядов партера в зале с го­ризонтальным полом. Угол между крайними лучами отражений и пря­мым звуком в задней половине зала составляет около 14°. Большая часть энергии потолочных отражений от­брасывается обратно в переднюю по­ловину зала, которая и без того доста­точно обеспечена энергией прямого звука. При большей высоте помеще­ния эти отражения могут даже при­вести к неразборчивости звука (в слу­чае превышения критического интер­вала времени прихода отраженных волн).

На схеме 2 представлена форма потолка, при которой углы между прямыми и отраженными звуковыми волнами в задней половине зала составляют около 90°. Отдельным отрезкам по­верхностей потолка приданы такие уклоны, что количество отра­жений по направлению к задней стене увеличивается. Это дает возможность достигнуть приблизительно одинаковой силы вос­принимаемого звука на всех местах.

Дальнейшая задача заключалась в том, чтобы, исходя из этой формы, разработать такую форму поверхности потолка, ко-торая допускала бы любое превышение рядов мест, введение одного или нескольких ярусов и, кроме того, оставляла бы за архитекто­ром достаточную свободу в вопросах архитектурного оформления зала. Если с этой точки зрения рассматривать форму потолка 2, то оказывается, что решающими в акустическом отношении яв­ляются не общая форма потолка а только величина и углы на­клона отдельных его отрезков. От этого соображения был только один шаг до разработки формы потолка 3. Хотя наклон отдель­ных поверхностей соответствует наклону отрезков поверхности потолка 2, однако в архитектурно-строительном смысле получа­ется совершенно новое решение. Если идти дальше в этом на­правлении и подразделить поверхность потолка на еще меньшие отрезки, как показано на схеме 4, то архитектурно - строительная форма зала становится все более независимой от исходной аку­стической формы. Это еще раз доказывает, что в конечном счете не форма в целом, а оформление деталей является решающим. Форма потолка 5 представляет практически дальнейшее развитие формы 4. Назовем следующие типы форм потолков: с горизон­тальной плоской поверхностью, многосекционные потолки и по­толки сформированные из большого количества элементов не­правильной формы.

Многосекционные потолки делятся на два вида:

1) когда секции составляют единое целое со строительными конструкциями;

2) когда секции представляют собой отдельные панели-отражатели, подвешиваемые к строительным конструкциям по­толка. При этом вся по­верхность секции должна создавать однократные полезные отражения за счет определенной ориен­тации ее в пространстве, т.е. быть зеркально отра­жающей, с малым значе­нием коэффициента зву­копоглощения (к.з.п.), а панели-отражатели до­лжны быть достаточно массивны. При этом сле­дует обращать внимание на то, чтобы звуковые от­ражения от смежных сек­ций перекрывали друг друга, с тем чтобы проис­ходило непрерывное уве­личение количества от­ражений на зрителей по мере их удаления от сцены, при этом не должно быть зон, ли­шенных геометрических отражений, как это изображено на рис. 27.

В залах вместимостью более 600 слушателей целесообразно уст­ройство одного или нескольких балконов. При этом надо не за­бывать о возможности экранирования нависающей части конст­рукции балкона, при которой зритель практически может не по­лучать отражений от потолка. Поэтому, проектируя балконы, не­обходимо следить за тем, чтобы отношение выноса балкона a1 к средней высоте подбалконной пазухи h₁ не превышало 1,5 (рис. 28). Это требование относится и к устройству лож. Для пазухи

над балконом (если нет вышележащего балкона) отношение а₂ / h₂ может быть увеличено до 2. При соблюдении этих требований можно ожидать создания благоприятных акустических условий на местах, расположенных на балконе и под ним, в особенности если продумана поверхность потолка ложи, яруса или балкона, когда она спроектирована с учетом необходимого отражения как представлено на рис. 29.

 

14. Причины, вызывающие необходимость создания уклона пола. Основные требования к выбору формы зала в плане.

На основании анализа распространения звука в помещении и создании акустического комфорта для зрителя оказалось возмож­ным сформулировать некоторые основные требования к форме плана зала:

1) расстояние между источником звука и слушателем должно быть возможно меньшим. Данному условию удовлетворяет распределение зрителей в зале, кресла рядов которого располагались по окружностям, а в центре размещался источник звука В какой- то мере этому требованию удовлетворяет традиционная форма помещений цирков, однако в них и условия видимости, и условия слышимости далеки от идеальных;

2) многие источники звука не являются точечными, т. е. обладают направленностью. Это относится и к голосу человека -распределение у.з.д. по двум осям показано на рис. 22. Поэтому при проектировании формы плана помещения надо стремиться к тому, что угол, под которым от месторасположения источника
звука просматриваются крайние места кресел первого ряда, был возможно меньшим. В этом случае в зал будет поступать наибольшая звуковая энергия;

3) учитывая маломощность некоторых источников звука, в том числе и голос человека, необходимо, чтобы —поверхности вертикальных элементов сцены создавали полезные звуковые

отражения, направленные в зал;

4) в любых случаях следует с большой осторожностью подходить к применению вогнутых поверхностей

во избежание фокусирования звуко­вой энергии и образования сильного эха;

5) многократно отраженное эхо, вызываемое параллельными отражающими стенами при заглушённых остальных ограждений ях, должно быть устранено.

Схемы, соответствующие последовательному развитию акустически благоприятных форм плана в соответствии с приведен­ными пунктами требований, приведены на рис. 23, где знаком „+" обозначено, что пункт требования выполняется, а знаком „-''не выполняется.

 

Проектирование комфортной видимости в отношении заго­раживания портальной стеной, балконом или другими конструк­циями также может лимитироваться различными показаниями. Для залов, имеющих портальную сцену или эстраду, традицион­ным показателем является горизонтальный ограничительный угол размещения зрительских мест в плане, а, также по разрезу. Строительные нормы и правила (СНчП) трактует ограничи­тельный угол в плане для драматических театров довольно жест­ко: по предельному' значению не более 30°. Однако такая регла­ментация сильно влияет на возможности проектирования зала в плане, ибо при очень большом числе зрителей зал получается уд­линенным. Проведенные экспериментальные исследования по допустимости загораживания, сопоставленные с функциональ­ными размерами концертного действия и его расположением на сценической площадке, позволили определить допуски на заго­раживания зоны сценического действия вертикальными элемен­тами портала. В зависимости от жанра горизонтальный ограни­чительный угол зрительских мест нужно принимать переменным, или вычислять его как средне взвешенный для многожанровых залов. Углы, приведенные в табл. 2, применимы для сценических площадок традиционных пропорций и без развитого просцениу­ма.

В театрах со сценами колосникового типа ширина портала сцены всегда несколько меньше передней части зала за счет про­стенков. Однако размеры последних должны быть возможно меньшими, ибо при перемещении актера вглубь сцены простенки экранируют отражения от стен и поэтому особенно важной явля­ется правильная конфигурация стен вблизи эстрады или сцены. При плоских параллельных боковых стенах отражения от их уча­стков попадают в передние ряды слушателей, где для слышимо­сти достаточно прямого звука источника, а критический интервал выше нормируемого. Положение улучшается при устройстве пе­редней части боковых стен в виде отражателей криволинейной формы.

Боковые отражения от стен очень важны в залах с музыкаль­ным исполнением для создания пространственного впечатления. В больших современных широких залах происходит слишком большое запаздывание и их ослабление за счет скользящего по­глощения. К слушателям сначала поступают первые отражения от более низкого потолка, которые маскируют более поздние от­ражения от стен. Если же зал имеет очень сильное расхождение стен, то боковые отражения поступают к слушателям по направ­лениям, близким к направлениям прихода прямого звука и про­странственный эффект ослабля­ется (рис. 24). Существуют не­сколько приемов позволяющих увеличить долю боковой энер­гии, например, в залах трапе­циевидной формы со сравни­тельно небольшой шириной сцены за счет дополнительного разбиения поверхностей стен (рис. 25) (театры в гг. Лафайет, Берлин). При таком разбиении необходимо следить за тем. что­бы отражения от смежных сек­ций перекрывали друг друга. При значительной ширине мож­но получить мало запаздываю­щие боковые отражения, разме­щая слушателей зонами на раз­ных уровнях так, чтобы между этими зонами образовывались вертикальные звукоотражатели (зал филармонии в Западном Берлине, Дворец культуры в Зеле­нограде).

 

 

15. Диффузность звукового поля. Меры по увеличению рассеяния звуковой энергии в зале. Диффузность звукового поля и меры по увеличению рас­сеяния звуковой энергии в зале.

Начиная с раннего этапа развития архитектурной акустики большое внимание уделялось исследованиям диффузности зву­кового поля и методам ее измерения. Достаточно высокая сте­пень диффузности звукового поля считалась показателем Хоро­шей акустики зала, особенно музыкального.

Полным (идеальным) диффузным звуковым полем считается поле, в котором выполняются два условия: усредненная в време­ни плотность звуковой энергии во всех точках звукового поля одинакова (однородность поля); все направления прихода зву­ковой энергии в какую-либо точку равновероятны и по любому направлению усредненный во времени поток энергии одинаков (изотропность) поля.

Если проследить за развитием пространственного решения внутреннего объема помещения» от культовых сооружений древ­них великих цивилизаций до наших дней, можно отметить, что современная архитектора до некоторой степени "вернулась" к конструктивным решениям нерасчлененных больших поверхно­стей, присущих храмам Египта, Вавилона и т.д.

В связи с этим приходится слышать, что архитекторы-проектировщики прошлого века знали какие-то изюминки, одной из которых является сложный декор интерьеров и поэтому целый ряд ярусных театров прошлого столетия славится своей акусти­кой. Едва ли у архитекторов прошлого был свой секрет, тем бо­лее, что у них было явно меньше прав в реализации своих заду­мок. Так что имеющая место хорошая акустика некоторых теат­ров это случайность, а не закономерность, обусловленная специ­фикой социальных требований к залу, когда функции и архитек­турный облик в значительной степени были предопределены. В театр нередко ходили, чтобы показать себя, а не следить за дейст­вием и слушать музыку, русское купечество даже чаевничало в ложах. Придворный этикет дворянства требовал членить и богато украшать все, что попадало в поле зрения - отсюда и богатое, рассеянное отражение звуков. При этом наличие колонн, глубо­ких ниш, статуй, наличников, пилястр и т.д. способствовали еще и выравниванию частотной характеристики времени ревербера­ции. С этим связано, что при глубоких расчленениях и большом их количестве значительно возрастает общая площадь поверхно­стей, а, следовательно, и дополнительное звукопоглощение, кото­рое в современных залах приходится вводить специально, ис­пользуя особые конструктивные элементы. Поэтому становится до некоторой степени понятным, почему некоторые театральные залы прошлого и позапрошлого веков имеют хорошую акустику.

Отказ от декоративных излишеств заставил искать новые архитектурно-акустические приемы, которые позволили бы улуч­шить акустику помещения с точки зрения ее диффузности. Для увеличения степени диффузности звукового поля могут быть ис­пользованы два пути:

1) размещение звукопоглощающих материалов небольшими разделенными и рассеянными участками;

2) применение различных видов членений.

В первом случае при падении звукового фронта на границу раздела звукопоглощающий материал - стена происходит неко­торая деформация фронта волны вследствие того, что фазы волн, отраженных от поглощающего материала и открытого участка стены несколько отличаются друг от друга.

Этот случай изображен на рис. 30, где цифрой 1 обозначены лучи набегающего фронта волны, а цифрой 2 - отраженные лучи.

Рассеянная таким образом звуковая энергия может возбудить до­полнительное количество мод, возможных в данных условиях.

Рассеянная таким образом звуковая энергия может возбудить до­полнительное количество мод, возможных в данных условиях.

Получаемая таким путем рас­сеянная звуковая энергия тем больше, чем больше таких участков. Желательно, чтобы они были распределены по всей поверхности неравномерно и раз­меры их были не слишком малы­ми - наименьшее значение сторо­ны участка должно лежать в пределах от λ / 4 до λ / 2.

Второй способ рассеяния звуковой энергии может быть решен тремя строительными возможностями (рис. 31). Первая возможность состоит в том, что в качестве рассеивающих элементов используются обычно применяемые строительные
конструкции или элементы этих конструкции, подвергнутые соответствующей обработке. Это относится к несущим элементам стен и потолка, которые могут быть выдвинуты внутрь помещения – несущие колонны и балки при выполнении соответствующих условий могут способствовать рассеянию звука, как это изображено на рисунке (вариант а и б).

Если поверхности дают отраженные звуковые волны с боль­шим запаздыванием, то часторебристые конструкции предпочти­тельны. Крупные элементы (b=1-2 м, d -5-1 м, g=2-4 м) дают рассеивание частот 200-500 Гц, а если применить еще более мел­кую деталировку, то произойдет рассеивание звуков более высо­ких частот. При подобном членении не следует забывать о воз­можном отражении звуков высоких частот направленно, в этом случае вместо выгод можно получить больше недочетов. На рис. 31 (вариант в) как раз представлен случай, "когда звуки высоких частот, имеющие важное значение для разборчивости речи и полноты звучания музыкальных передач, направленно отража­ются от взаимно перпендикулярных поверхностей элементов по­толка (балки, ригели) и уходят обратно к источнику звука. В результате разборчивость речи в дальней половине зала ухудшается и, кроме того, обратные отражения, при превышении критического интервала времени пробега, могут вызвать помехи для оратора, а также для зрителей передней части зала. Этих не­дочетов можно избежать, придав поверхностям несущих элемен­тов и заполнения целесообразную форму, как показано на рис. 31 (а и б).

Однако при наличии периодических структур и при падении на них звукового сигнала от них возможно появление тона, часто­та которого будет определяться частотой прерывания импульса на элементах и тогда произойдет окрашивание сигнала. Но по­добное возможно только, если угол падения звуковой волны на все элементы регулярного сечения остается неизменным. Такие случаи при распространении звука от сцены встречаются крайне редко, так как утлы падения на однотипную структуру различны Но вот в зале кинотеатра, где динамики расположены на стенах, а стены отделаны рейкой “посвистывание” звуков может про­явиться.

Примерами залов, в которых нашел применение прием рас­сеяния звука архитектурными элементами, являются Колонный зал Дома Союзов в Москве и зал Ленинградской консерватории, имеющие колонны по боковым сторонам зрительных залов, огра­ничивающих часть зрительских мест.

Вторая возможность рассеяния звука сводится к членению по­верхностей с помощью специальных акустических структурных форм. Разработка таких форм не только не ограничивает архи­тектурные замыслы проектировщика, но нередко дает иногда но­вые оригинальные решения. В большей степени это относится к элементам стен, так как из-за рассеяния звука от таких структур можно избежать концентрации звуковой энергии даже при общей криволинейной форме зада или застраховаться от появления пор­хающего эхо.

Внешняя форма специальных структурных элементов может быть цилиндрической выпуклой, призматической, треугольной, прямоугольной или сферической. Последняя из таких форм при­годна в меньшей степени, так как слишком резко расчленяется поверхность и эстетически хуже смотрится, хотя есть примеры использования выпуклых и вогнутых элементов в радиостудиях.

Волнообразные структуры часто могут служить ценным вспомогательным средством оформления и стен и потолков. Примером такого применения является использование волнооб­разной поверхности потолка концертного зала во Фрейбурге (рис.33).

Продольный разрез городского концертного зала во Фрейбурге

Рис. 33

Как видно на рисунке разреза зала в передней части потолка сконструировано несколько плоских элементов, которые создают направленное отражение звуков низких частот на задние ряды.

Далее, ступенчатая форма потолка постепенно переходит в равномерную волнистую, причем глубина волны по направлению к задней стене зала возрастает при неизменной длине волны. Этим достигается эффективное рассеяние звука на средних и низких частотах и направленное на высоких.

Имеются примеры применения структурных элементов в виде объемов пирамидальной формы. Так, потолок кинопанорамы в Дрездене представляет панели из четырехгранных пирамид ма­лой высоты, а потолочные элементы в Большом зале Дворца Рес­публики в Берлине из треугольных пирамид, причем наклон и высота подвеса может быть регулируема.

Для рассмотренных выше структурных форм характерно, что членение стены или потолка происходит только в одной плоско­сти. Формы членения с переменными размерами элементов должны охватывать более широкий диапазон частот: если же от­дельным элементам придать взаимный наклон еще и во второй плоскости, то можно ожидать повышения их рассеивающего эф­фекта. Исходя из этих соображений была разработана схема чле­нения, представленная на рис. 34 в виде пирамид с чередующи­мися основаниями и вершинами.

Рис. 34

Однако надо задуматься над вопросом, как придут к слушате­лю и звуки низких частот, ведь в зале оперного театра или при исполнении симфонических произведений не столь уж редки зву­ки низких частот в 100 Гц и ниже. Если эти частоты будут со­держаться только в реверберационном сигнале, например, за счет высокого потолка, то они придут поздно или, наоборот, будут приходить к слушателю очень рано, скажем, из-за наличия отра­жателя над сценой. И в том и в другом случае слушатель регист­рирует „окрашивание звука".

Таким образом, нам требуются элементы, размеры которых более трех метров, чтобы рассеивались звуки низких частот. Обычные строительные конструкции для этой цели не подходят. Тем не менее в зале возможно конструктивное оформление, удов­летворяющее этим размерам. Прежде всего следует обратить внимание на использование портальной части сцены.

К числу таких крупных строительных форм можно отнести также отдельные ложи, те из них, которые либо заглублены, либо выдвинуты вперед по отношению к поверхности стены. Такой прием использован в лондонском концертном зале "Ройял фести-вал-холл" (рис. 35), рассчитанном на 3000 мест и имеющем по двенадцать лож на передней части каждой боковой стены или Большом театре Кельна, в котором глубоко вскрыта ложами и вся поверхность стен. Чередование таких лож и выпуклая форма их поверхности способствуют прекрасному рассеянию звуковой энергии.

Рис. 36

Наконец, существует еще одна возможность увеличения степе­ни диффузности звукового поля: это подвеска под потолком дос­таточно большого числа разрозненных панелей плоской или вы­пуклой, но совсем необязательно правильной формы. Одновре­менно с рассеивающими свойствами, они придают залу большую своеобразность. Примером такого решения может служить мно­гоцелевой университетский зал в Каракасе или потолок зала Бет­ховена в Бонне (рис. 36). Необходимо, правда, помнить, что раз­меры таких рассеивающих элементов не следует брать малыми, ибо при этом может искажаться частотная характеристика отра­женной звуковой энергии: на низких частотах доля отраженной энергии низких частот за счет явлений дифракции может ока­заться меньше, чем на средних или высоких, и нарушается час­тотный баланс при звучании различных инструментов.