CC BY
81
Архитектурно-инженерные решения в акустике Смольного собора
А.А. Гуров
Смольный собор в Санкт-Петербурге был заложен по повелению императрицы Елизаветы Петровны 30 октября 1748 года. Строительство продолжалось около столетия.
Начинал его возводить в 1748-1763 годы архитектор франческо Бартоломео Растрелли, продолжил в 1832-1835 годах архитектор Василий Петрович Стасов.
Соподчиненность пространства и объемов Смольного собора основана на правиле «золотого сечения» и форме греческого креста.
Монастырский комплекс Смольного собора представляет собой органичное сочетание форм древнерусского зодчества с элементом европейской архитектуры. Бело-голубой собор располагается по центру комплекса. Его высота достигает 93,7 метра, фасады собора украшены с использованием позолоты, на фоне голубых стен красуется белокаменная лепка, что придает собору нарядность и торжественность. Общий вид собора представлен на рис. 1.
Государственный архитектурно-строительный университет, г. С.Петербург
Рисунок 1. Общий вид Смольного собора.
« 5
р. Я
100
1000
Частота, Гц
10000
Рисунок 3. Стандартное время реверберации в октавных полосах частот (точка 1). Розовый шум, источник — положение 1:
1 - купол открыт; 2 - купол закрыт.
Оценка акустических характеристик зала проводилась в пустом и заполненном зале. Количество зрителей, присутствующих при измерениях — 500 человек. Зал в плане имеет форму близкую к прямоугольной. Длина зала — 37 м. Ширина зала — 51 м. Средняя высота зала — 20 м. Диаметр купола — 19 м. Площадь зала равна примерно 1900 м2, а объем — около 36000 м3. Объем купола — 3400 м3.
План зала приведен на рис. 2. Зал Смольного собора используется для проведения концертов. Для этих целей сделана сцена, которая располагается под куполом, одной стороной примыкая к алтарной части. Расположение зрительских мест показано на рис. 2.
В зале расположены полумягкие кресла с металлическим каркасом, количество нумерованных мест — 750. Алтарная часть и вход в зал затянуты занавесом. На полу — ковролин.
Удельный объем, приходящийся на одно место при открытом куполе, составляет ~ 50 м3, при закрытом куполе ~ 48 м3.
Измерения акустических характеристик зала Смольного собора выполнено сотрудниками кафедры физики СПбГАСУ. Источник звука размещался на продольной оси сцены в положении 1 и 2. Измерительный микрофон последовательно размещался в 5 точках на высоте 1,2 м от уровня пола (среднестатистическая высота сидящего человека от пола до ушей). Точки были выбраны как характерные для данного зала. Измерения проводились при открытом и затянутом куполе.
Оценка акустических свойств зала проводились в соответствии с нормативными документами [1,2].
Для каждого из указанных положений микрофона и фиксированного положения источника звука проводился одинаковый цикл измерений, и на основании измеренного импульсного отклика вычислялись следующие критерии акустического качества зала: кТ60 (с) и критерий ясности С80 (дБ).
Кроме того, по импульсным откликам зала р2 (+) анализировалась структура звуковых отражений с учетом их уровней в дБ и запаздывания в миллисекундах относительно времени прихода прямого звука в точку измерения.
В точках расположения микрофона определялся также уровень звукового давления.
Проведенные акустические измерения показали, что время реверберации значительно изменяется в диапазоне исследуемых частот. На низких частотах время реверберации существенно превышает рекомендуемые значения для концертных залов.
Время реверберации по результатам измерений для положения источника 1 (центр сцены под куполом) при открытом и закрытом куполе приведено на рис.3.
№ Акустический критерий Среднегеометрические частоты, Гц
125 250 500 1000 2000 4000
1 1?Т6о Рекомендуемое время для зала симфонической музыки 2,4 2,2 2,0 2,0 1,9
2 КТ6о, Рекомендуемое время для залов органной и хоровой музыки 3,0 2,7 2,5 2,5 2,2
3 Среднее значение (по 5 точкам) положение источника 1 8,93 8,05 6,23 5,57 4,93 2,87
Таблица 1. Время реверберации Т60 в секундах.
5 2009 45
Рисунок 4. Запись ранних отражений на частоте 125 Гц для точки 2 при положении источника 1 (под куполом) при открытом и закрытом куполе.
80-
70-
60-
50-
40-
Точка 2, 125 Гц, источник 1, купол открыт, зал пуст
У
зо -|—Структура первых отражений^
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 _время, с_
100-
80-
60-
40-
20-
Точка 2, 125 Гц, источник 1, купол закрыт, зал пуст
Структура первых отражений
0.7 0.8
0.9 1 время, с
1.1 1.2
Сопоставление измеренных в зале Смольного собора и рекомендуемых значений времени реверберации для концертных залов приведено в таблице 1.
Индекс ясности также изменяется в широком диапазоне (—5 ... +5).
Для уменьшения времени реверберации необходимо увеличить звукопоглощение зала; подобрать соответствующие звукопоглощающие материалы и выбрать их оптимальное расположение, по возможности, не искажая интерьера собора.
Для улучшения акустики зала решались следующие задачи:
— анализ структуры ранних отражений;
— определение требуемого звукопоглощения зала, подбор звукопоглощающих материалов и выбор их мест расположения;
— выбор отражающих экранов.
Анализ структуры ранних отражений
Анализ структуры ранних отражений с учетом их уровней в дБ выявил неблагоприятную ситуацию в низкочастотном диапазоне 125—250 Гц, что связано с архитектурными особенностями зала; наличием сводчатых поверхностей и купола.
Рис. 4 иллюстрирует запись ранних отражений для диапазона частот 125—250 Гц (положения источника 1) при открытом и закрытом куполе.
Частоты, Гц 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Измеренное время реверберации, с 8,79 7,70 6,15 5,57 4,61 2,89 1,58
Средний коэффициент 0,10 0,12 0,14 0,15 0,18 0,26 0,43
звукопоглощения
Площадь звукопоглощения, 618 743 808 925 997 1113
пустой зал, м2
Эквивалентная
площадь звукопоглощения, 125 150 200 225 225 200 200
зрители, м2
Общая площадь
звукопоглощения, м 941 893 1008 1150 1222 1313
Таблица 2. Звукопоглощение зала.
Рисунок 5. Лучевой эскиз.
«Затягивание» купола тканью увеличивает уровень интенсивности прямого звука в точке 2 на 5 дБ и выравнивает структуру ранних отражений на частотах 125 и 250 Гц.
При измерениях в зале присутствовало 500 человек. Увеличение площади звукопоглощения при наличии зрителей незначительно и практически не сказывается на формировании звукового поля.
Звукопоглощение зала, рассчитанное по результатам измерений, приведено в таблице 2.
Анализ результатов измерений показал, что:
— время реверберации на низких частотах 125500 Гц превышает рекомендуемые значения;
— на частотах 125 и 250 Гц заметно «порхающее» эхо;
— присутствие зрителей практически не сказывается на формировании звукового поля, т.к. дополнительное звукопоглощение не превышает 225 м2;
— «затягивание» купола тканью несколько улучшает характеристики звукового поля на низких частотах, сокращая время запаздывания между ранними отражениями, однако не исключает наличия эха.
Для уменьшения времени реверберации особенно на низких частотах необходимо увеличить зву-
копоглощение зала. Кроме того, разработать мероприятия, исключающие образование «порхающего» эха.
Для изучения особенностей звукового поля собора были построены три модели в программе «AutoCad 3D». Эти модели использовались для построения лучевых эскизов и оценки диапазона запаздывания отраженного звука при решении поставленных задач.
Построение лучевых эскизов выполнялось для различных сечений помещения и двух расположений источника. Пример построения лучевых эскизов приведен на рис.5.
Анализ лучевых эскизов показал, что зрительские места расположены в зонах, лишенных боковых отражений. Большая высота помещения и сводчатый потолок не формируют «полезные» отраже-
Рисунок 6. Расположение экрана под куполом.
Зоны, обеспеченные первичными отражениями Ход лучей первичного отражения, приходящих в обозначенные точки Экраны
> Границы зоны, обеспеченной первичным отражением в плоскостях разреза
5 2009 47
Рисунок 7. Интерьер зала Смольного собора (вариант 1).
ния. Имеет место превышение рекомендуемого диапазона времени запаздывания. Время запаздывания лучей, отраженных от конструкций потолка и купола, находится в диапазоне 0,08-0,3 с.
Наличие колонн и архитектурные особенности интерьера способствуют рассеиванию звуковой энергии, что обеспечивает хорошую диффузность звукового поля. В куполе имеет место концентрация звука.
Для создания благоприятной акустической ситуации при существующем расположении сцены возможны следующие варианты:
— увеличение звукопоглощения помещения, направленное на снижение времени реверберации на низких частотах до 3-4 секунд (измеренные значения 8-9 с);
— расположение звукопоглощающих материалов на поверхности купола;
— установка рассеивающего «пояса»;
— установка экрана, направляющего отражения на зрительские места и предотвращающего поступление звуковой энергии в купол.
Сделаны предварительные решения по форме и размещению отражающих экранов в зависимости от места расположения сцены. Установка отра-
Рисунок 8. Интерьер зала Смольного собора (вариант 2).
жающих экранов позволит направить ранние отражения на зрительские места.
Расположение верхнего экрана приведено на рис. 6. Вид интерьера зала при расположении верхнего экрана приведен на рис. 7 и 8).
Выводы и рекомендации
1. Для уменьшения времени реверберации, особенно на низких частотах, необходимо увеличить звукопоглощение зала. Для этих целей, как правило, используют резонансные панели или «голосники», т.е. резонаторы Гельмгольца, выполненные по современной строительной технологии.
2. Для увеличения звукопоглощения на средних частотах следует увеличить количество тканевых элементов.
3. Для предотвращения концентрации звука в куполе целесообразно:
— установка отражающего экрана, конструкция которого обеспечивала бы направление ранних отражений на зрительские места. Предложенные варианты приведены на рис. 8 и 9.
— установка полусферических элементов по возможности большего размера (3 м) на «поясе» купола.
