Что в этой статье?
1. Как мы слышим. Время реверберации
2. Как исследуют качество звука в помещениях — с помощью моделей залов и моделей голов зрителей!
3. Как исследуют предпочтения слушателей и эстетические возможности
4. Как элементы зала влияют на звучание
5. Возможности акустики природы
Мы бы не смогли наслаждаться музыкой в концертных залах без науки о распространении звука в помещениях — архитектурной акустики. Она объясняет, что влияет на наше восприятие звука и главное — как устроить подходящие для этого залы.
Знаниями архитектурной акустики пользовались еще в древности. В греческих амфитеатрах между сценой и зрителями располагалась орхестра — место, покрытое хорошо отражающим материалом, благодаря чему удавалось получить отражения звука. Еще в орхестре находился хор, повторявший реплики актеров, то есть выполнявший задачу звукоусиления.
Как мы слышим — время реверберации
Слушатель воспринимает не только прямой звук от источника, но и отраженный — менее интенсивный и немного запаздывающий. Условное «эхо», наделяющее звук объемом. Его называют временем реверберации, и от него зависит гулкость помещения. Реверберация — процесс затухания звука из-за отражений от поверхностей: стульев, стен, потолка, при отражениях происходит поглощение звуковой энергии.
Мы слышим 3 типа сигналов: прямой звук, ранние отражения и реверберационный хвост.
- Прямой звук идет непосредственно от источника до ушей
- ранние отражения — то, что долетает чуть позже, отразившись один раз от стены или другого препятствия
- реверберационный хвост — самые поздние отражения, которые встретили много препятствий на пути и отразились несколько раз
Ранние отражения приходят от близлежащих объектов к источнику в течение первых 50 мс. За это время человеческое ухо, в силу инерционности слуха, воспринимает все приходящие сигналы вместе с прямым звуком. То есть время отставания сигналов такое короткое, что мы воспринимаем их как один. Это и придает звуку пространственное, объемное звучание. А эхо — это более поздние сигналы, поэтому они воспринимаются как отдельный звук. Прямой сигнал и реверберационный хвост несут менее 20% всей энергии — ранние отражения больше влияют на общее впечатление.
Чем больше помещение — тем дольше время реверберации. Чем больше преград на пути звука — тем оно меньше. Скажем, в большой комнате без мебели звук полетный, хорошо слышно из любого места, — вспомните, какое эхо в пустой квартире после ремонта! — а в маленьком и захламленном помещении звук «гаснет».
C помощью времени реверберации можно судить о гулкости помещения. Универсального значения для него нет, оно отличается не только для речи и музыки, но и даже для разных стилей: барокко и романтизм на самом деле требуют разной акустики — музыка была написана для разных по размеру и типу залов.
Посмотрите на зал Берлинской филармонии сверху. Помещения сложной геометрической формы с непараллельными стенами, косо поставленными плоскостями и выпуклыми поверхностями как раз хорошо отражают звук. Идеально, если пропорции приближаются к «золотому сечению».
Как исследуют качество звука в помещениях — с помощью моделей залов и моделей голов!
Качество помещения с акустической точки зрения оценивают как раз по времени реверберации. Но есть трудность — каждое место в зале отличается от остальных с акустической точки зрения и чтобы проверить каждую точку нужно, чтобы здание уже было построено.
Чтобы проверить акустику до постройки зала, стали делать модель помещения в размере 1:20. Так было, например, при реконструкции Государственного оперного театра на Унтер-ден-Линден в Берлине. Такой макет готовят около 3 месяцев, а измерения проводят до 3 недель.
В заполненном и пустом зале звук распространяется по-разному. Чтобы это учитывать, на сиденья модели устанавливают шарики с приемниками сигнала на месте ушей — это как бы зрительские головы. Вместо музыки производят искровый разряд и получают осциллограмму, глядя на которую, специалист делает вывод о ее качестве. В последнее время помещения, конечно, моделируют на компьютере.
Репортаж про акустику в Зарядье: модели и макеты
Интересно, но длины звуковых волн на модели тоже должны быть представлены в масштабе 1:20, чтобы распределение отражений по направлениям осталось тем же. Например, звуку с частотой 100 Гц на модели соответствует частота 2000 Гц. Но вот элементы структур менее 10 см можно не моделировать, так как они очень малы по сравнению с длиной звуковых волн и потому незначительности.
Если ошибки не обнаружили на стадии модели, то здание придется перестраивать. Нью-Йоркскую филармонию перестраивали из-за этого 5 раз после открытия в 1962.
Как исследуют предпочтения слушателей и эстетические возможности зала
Слушатели не задумываются о физических параметрах акустики, им важно качество музыки: ее полнота, чтобы было отчетливо слышно пианиссимо скрипок и нюансы в партиях каждого инструмента.
Архитектурная акустика разработала для этого ряд параметров, которые можно назвать эстетическими, но у каждого из них есть физический и математический эквивалент:
- Прозрачность (ясность). Она характеризует разделение звуков отдельных инструментов.
- Пространственное впечатление: отношение всех звуков к звуку источника.
- Громкость: чтобы на любом месте было слышно и форте, и пиано.
- Отношение громкости отдельного инструмента к общей громкости.
- Тембр (окраска звучания). Имеется в виду насколько помещение изменяет типичный тембр источника.
- Жесткое или мягкое нарастание звучания.
- Баланс между правым и левым ухом.
Большинство исследований склоняются к тому, что слушателей можно примерно разделить на две группы: одни предпочитают прозрачность, отточенность, более жесткое нарастание звучания, другие — слитность, объемность звучания, мягкое нарастание, отклик помещения.
Ранние звуковые отражения повышают разборчивость и прозрачность, а поздние — пространственное звучание. Чтобы звуки не смешивались в кашу и звучали объемно — надо искать баланс.
Предпочтения слушателей оценивают в ходе эксперимента, моделируя звуковые поля. Работает это так: в специальной камере на стуле сидит слушатель, а вокруг него на расстоянии около 3 м. сгруппированы громкоговорители. Во всех один и тот же музыкальный отрывок, но с небольшими задержками, которые создаются электроакустическим путём и имитируют время пробега отражений.
Сначала из передних громкоговорителей звучит запись, сделанная в заглушенной камере при отсутствии реверберации. Затем, остальные громкоговорители излучают те же самые музыкальные отрывки, но с добавлением реверберации. При этом слушатель не должен ощущать направление прихода музыки. Так достигается полное перемешивание звука.
Так демонстрируют плавный переход от «совершенно сухого» звука (звук только спереди, без реверберации) к «полностью гулкому» (только реверберация). Слушатели говорят, какой звук им нравится больше, а исследователи на этой основе выбирают оптимальное время реверберации и другие характеристики будущего зала. А в Пенсильванском университете ученые даже изучают влияние качества звука и времени реверберации на эмоциональный отклик человека.
Можно воссоздать этот эксперимент дома: включать одну и ту же запись на разных устройствах с небольшой задержкой. Важно добиться объемного звука, а не эхо.
Как звучит саксофон в разных акустических помещениях
Время реверберации в помещениях для музыки обычно составляет 1—1,7 секунд, в зависимости от требований к другим параметрам. Объем, который приходится на человека, составляет от 7 до 12 м³.
Как элементы зала влияют на звучание
За яркость звучания отвечают высокие частоты, поэтому нужно большое количество отражающих их поверхностей. Это — стены, потолок, пол и дополнительные архитектурные элементы. От их размера и типа зависит, какие частоты они будут отражать и как: рассеянно или зеркально. Важны даже проходы: они обеспечивают отражения от пола. Если элементы подобраны грамотно, то звук распределится однородно по всем зрительским местам.
Размер зала не связан с вместимостью. В больших залах должно быть хорошее рассеивание звука, чтобы задние ряды могли все слышать. Для этого проектируют колонны и боковые ярусы. Они отражают сигналы вниз на публику. Звук на задние места направляет нависающий балкон на задней стене. Боковые места в залах поэтому служат не для увеличения числа мест, а для повышение качества звучания. А сама стена отражает звук для исполнителей на сцене. Вообще, все архитектурные украшения отражают звук. Правда, элементы меньше 10 см можно практически не учитывать.
Теперь вы посмотрите на эти фотографии по-другому. Полистайте.
В концертном зале важно, чтобы не формировались зоны концентрации звука — когда он копится в одном месте. Напротив, он должен распределятся однородно по всем местам. Для этого используют специальные элементы, размер которых зависит от того, какие частоты они предназначены рассеивать. Такие элементы обычно объединяют с архитектурными решениями.
Опорные конструкции, своды, колонны, пилястры или углубления с размерами около 30 см. рассеивают средние частоты, а для низких частот — они препятствие, которое волна просто обходит. Можно считать, что ограждение балконов шириной около метра отражает средние частоты почти по геометрическим законам (это очень важно, так как большинство музыкальных звуков относятся к диапазону средних частот). Для низких частот весь ярус в целом является звукорассеивающим элементом зала.
Качество звучания в залах с низким потолком ухудшается. Минимальная высота музыкального зала — 9 м, а ширина — 18,5 м. Потолок распространяют под небольшим углом, чтобы не было порхающего эха.
Для повышения громкости в концертных залах иногда используют акустические раковины, которые работают, как рупор и повышают громкость. Складчатая поверхность распространяет звук в зоне, где сидят музыканты, чтобы они друг друга слышали.
Природа умеет это и без архитектурной акустики
Несмотря на всю сложную теорию создания идеального концертного зала, существуют места, созданные природой с уникальными акустическими условиями. Одно из них — пещера Аггтелек в Венгрии, где хоть и большое время реверберации, музыка звучит очень ясно — это связано со строением пещеры и природным рельефом стен. В ней регулярно проводятся концерты.
Послушайте, как это
Вместо заключения. Для каждого уникального архитектурного решения надо проводить большое количество расчетов и учитывать множество на первый взгляд незначительных факторов. Без этого музыка не приходит в современные концертные залы.