CC BY
17К вопросу формирования звуковой среды в залах большой вместимости архитектурными методами
Серов Алексей Дмитриевич
старший преподаватель кафедры архитектуры ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», gigantmisly@mail.ru
Бутенко Артём Олегович
студент, кафедра архитектуры ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», wwwmgsu@mail.ru
В данной статье рассматриваются ключевые параметры, влияющие на качество звуковой среды в залах большой вместимости. Анализируются нетиповые архитектурные решения при проектировании и реконструкции залов с естественной акустикой без применения электроакустических средств. На примере зала Берлинской филармонии рассматривается проблема естественной акустики в очень больших залах вместимостью до 2500 слушателей. Также анализируются архитектурные решения, применявшиеся при проектировании Аудиторио-де-Те-нерифе, имеющего форму, резко отличающуюся от типовых проектов. В качестве примера реализации концепции перепрофилирования старого промышленного здания под зал симфонической музыки был рассмотрен зал Паганини в городе Парме. В статье разбираются вопросы возможности применения больших светопрозрачных конструкций в залах с естественной акустикой, проектирование многоуровневых залов и залов сложной формы, особенности реализации проекта в историческом здании.
Ключевые слова: залы с естественной акустикой, залы большой вместимости, диффузность звукового поля, отражение звука, время реверберации, архитектура залов, реконструкция исторической застройки
Качество звуковой среды - это важнейшая характеристика любого зала. Оно зависит от трех основных параметров - это диффузность звукового поля, распространение первых отражений звука и время реверберации в зале [1-6]. Современные залы проектируются в соответствии с рекомендациями и типовыми решениями. Но в данной статье будут проанализированы примеры проектов залов с естественной акустикой, при реализации которых были применены нестандартные архитектурные и конструктивные решения.
Начать следует с того, что в небольших помещениях обеспечить высокое качество звуковой среды гораздо проще, чем в залах большой вместимости. В помещении на 100-200 мест все слушатели будут находиться на расстоянии не более 9-12м от источника звука. Но при увеличении размеров зала встает вопрос усиления звука для слушателей, находящихся за пределами данной зоны. Усиление достигается либо применением электроакустических средств [7], либо с помощью архитектурных решений, т.е. работой над формой зала. В залах с естественной акустикой усиление звука в дальних рядах обеспечивается за счет наложения на ослабленный прямой звук его первых отражений от внутренних поверхностей. Однако эффект усиления будет достигаться только при небольшом по времени запаздывания отражённого звука по сравнению с прямым, т.е. звук должен отражаться по кратчайшей траектории, а это сильно ограничивает залы по вместимости [1-6]. Например, одноуровневые залы с естественной акустикой редко вмещают более 1000-1500 человек. Для увеличения вместимости при сохранении общих размеров зала в плане, часть зрителей размещают на балконах. Такие залы уже могут вместить до 2000 слушателей [4, 5], но обеспечить качественный звук в пространстве подбалконных пазух в большинстве случаев не удается. Поэтому при дальнейшем увеличении размеров зала применяются уже нестандартные решения, которые рассмотрим на примере зала Берлинской филармонии.
Зал Берлинской филармонии был спроектирован архитектором Хансом Шаурном и открыт в 1963 году. Зал имеет в плане форму неправильного пятиугольника и вмещает 2440 слушателей. Для того чтобы вместить столько людей, потребовалось помещение длиной 60 метров. Но на таком расстоянии в дальних рядах зала будет сильное запаздывание отражений от потолка по отношению к прямому звуку, что приведет не к ожидаемому усилению, а к гулу. Чтобы решить данную проблему, сцена была перенесена в центр зала, а ряды расположились вокруг нее. Это позволило ограничить расстояние от источника звука до самого дальнего слушателя 32 метрами [8, 9]. Такое расположение сцены сейчас широко распространено для симфонических залов и его можно также наблюдать в Сантори Холл в Токио, в зале Мариинского театра в Санкт-Петербурге, в концертном зале «Зарядье» в Москве. Но при таком расположении сцены в зале резко сокращается площадь поверхностей, которые должны усилить звук за счет первых отражений. Т.е. в зале пропадают боковые стены, которые очень важны для формирования хорошей естественной акустики помещения. Эта проблема была решена путем введения многоуровневости. Прообразом формы зала стала долина с виноградниками. Зал был разбит на множество небольших зон по 100-300 мест. Зоны создавали подобие террас, которые
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
Сл>
м см
0
см ^
01
о ш т
X
<
т О X X
спускались к сцене [9]. В отличие от балконов, террасы не образовывали пазухи, а формировали дополнительные стенки, которые и давали так необходимые отражения (рис.1). При этом отраженный по длинной траектории звук от дальних стен не попадал в расположенные ближе к сцене ряды, т.к. пролетал над головами слушателей и не портил восприятие музыки.
Условные обозначения:
Звук до отражения
Отражённый звук
(минимальное время 1 1
запаздывания)
Первый уровень зрительских мест □
Второй уровень зрительских мест
Третий уровень зрительских мест 1-1
Четвёртый уровень зрительских мест
1 1
Рис.1 Схема распространения первых отражений звука на плане многоуровневого зала Берлинской филармонии
а)
От 5т 10т 15т 20т 25т
Звук до отражения |_|
Отражённый звук (минимальное время запаздывания)
Отражённый звук
(значительное время
запаздывания)
была решена путем установки подвесных акустических панелей над центральной частью шатра, чтобы звук отражался именно от них, а центральная часть шатра оставалась в большей степени декоративным, а не функциональным элементом зала (рис. 2 а,б) [9]. Более интересно схожая проблема была решена в симфоническом зале Аудиторио-де-Тенерифе.
Аудиторио-де-Тенерифе располагается в городе Санта-Крус на острове Тенерифе (Испания). Зал на 1558 мест был спроектирован архитектором Сантьяго Калатравой совместно с инженером Ясухиса Тоёта и завершён в 2003 году. Форма шатрового зала очень выразительная и запоминающаяся, но на первый взгляд противоречит рекомендациям по проектированию помещений большой вместимости с естественной акустикой. Обычно в таких случаях низкое качество звуковой среды пытаются компенсировать с помощью электроакустических систем [7, 10]. Но в данном случае удалось одновременно и воплотить идеи архитектора, и создать современный симфонический зал с естественной акустикой.
Первой проблемой проекта данного зала стала его овальная форма в плане. Круглые и овальные формы плохо подходят для помещений с естественной акустикой, т.к. вызывают неравномерное распространение отражений в зале. Отражения начинают концентрироваться в пристенной области помещения, при этом без первых отражений остается центральная зона помещения (рис.3 а). Подобный эффект можно ощутить, находясь в ротонде или барабане подкупольного пространства. А помещения, в которых наблюдается данный эффект, получили название «шепчущих галерей». Но в Аудиторио-де-Тенерифе равномерного распределения смогли достичь путем добавления складчатых панелей в верхней части шатра и дополнительного наклона гладких стен в нижней части (рис. 3 б). Складки не концентрируют, а рассеивают звук в пространстве зала. При этом визуально зал изнутри воспринимается по-прежнему овальным в плане, как и задумывал архитектор.
Условные обозначения:
Рис.2 Схема распространения первых отражений звука на разрезе зала Берлинской филармонии: а - без акустических панелей, б - с акустическими панелями
Еще одной проблемой зала филармонии стало то, что он, по задумке архитектора, должен был быть перекрыт шатром. При этом форма шатра не позволяет равномерно распределять первые отражения звука по всему залу. Данная проблема
Звук до отражения
Отражённый звук (минимальное время запаздывания)
Отражённый звук (значительное время запаздывания)
Рис.3 Схема распространения первых отражений звука на плане зала Аудиторио-де-Тенерифе: а - с гладкими поверхностями, б - со складчатыми поверхностями
Сам шатер зала также является большой проблемой. Во-первых, зал получается с очень высоким потолком, что нарушает рекомендованные пропорции, и говорить о диффузности звукового поля здесь уже не приходится. Диффузность звука -это способность звука распространяться равномерно во всех направлениях после отражения от поверхности [1-4, 11-13]. Помимо этого, коническая форма шатра приводит к эффекту «застраивания» отражённого звука, т.е. первые отражения не возвращаются в зал. Таким образом, шатровый потолок не позволяет получить необходимые первые отражения в центральной части зала и его дальних рядах, что ухудшает качество звука для слушателей. При этом шатер будет создавать повышенное время реверберации за счет большого объема, что дополнительно приводит к избыточной гулкости зала.
Время реверберации - это время, в течение которого звук спадает после отключения его источника. Оптимальное время реверберации зависит от функции зала, а реальная величина -от объема помещения и материалов отделки внутренних поверхностей [1-6, 13]. Чтобы устранить недостатки шатрового потолка, были предприняты следующие решения. Над пространством сцены и первыми рядами зала был установлен большой криволинейный акустический экран, который направлял первые отражения в слушателей дальних рядов по короткой траектории. Акустический экран перекрывает большую часть шатрового потолка со стороны источника звука, тем самым «выключая» его из работы. При этом визуально шатер полностью виден из зрительного зала, но практически не участвует в распространении первых отражений (рис. 4). А для того, чтобы уменьшить многократные отражения, шатер был сделан не гладким, а складчатым. При этом в поверхность складок устанавливались решетки (рис. 4). Звук, пролетая сквозь отверстия в решетках, уже не мог вернуться в зал, т.е. они играли роль звукопоглощающего материала. Таким образом, избыточный объем зала, который приводил к большому времени реверберации, компенсировался дополнительным звукопоглощением поверхностей шатра.
ровные обозначении: Звук до отражения [ Отражённый звух (минимальное время Ц запаздывания^ Отражённый звук (значительное время |Н запаздывания)
Рис.4 Схема распространения первых отражений звука на разрезе зала Аудиторио-де-Тенерифе и звукопоглощающие решетки в складках шатра
Еще более нестандартные решения были применены при проектировании зала Паганини. В 1968 году в городе Парме (Италия) был закрыт сахарный завод фирмы Эридания. Здание, построенное еще в XIX веке, простояло заброшенным более 30 лет. Но было принято решение его не сносить, а перепрофилировать под культурный центр, а территорию предприятия превратить в парк. Реконструкция была закончена в 2001 году по проекту Ренцио Пиано. В основном цехе здания открылся симфонический зал Паганини на 780 мест. При реконструкции были сохранены и отреставрированы исторические конструкции: продольные кирпичные стены, фундаменты, металлические фермы покрытия и световой фонарь. Единственный демонтированный элемент - это торцевые стены главного цеха, которые были заменены на светопрозрачные конструкции, чтобы обеспечить визуальную связь зала с окружающим его парком [13].
Нужно отметить, что наличие больших пролетов позволяет успешно перепрофилировать старые промышленные здания под общественные функции и размещать в их объеме залы большой вместимости. Однако, подобные проекты не лишены сложностей в реализации, т.к. первоначальная функция здания абсолютно не была ориентирована на создание качественной звуковой среды. Поэтому архитектору и инженерам-акустикам пришлось решить ряд нетиповых задач при проектировании зала с естественной акустикой в объеме старого промышленного здания [13-15].
Первая сложность заключалась в том, что основной цех сахарного завода имеет вытянутую форму с отношением ширины к длине 1:5. Для зала с естественной акустикой такие пропорции не являются оптимальными, т.к. не позволили бы создать в нем диффузное звуковое поле [1-4, 11-13]. Поэтому не весь объем цеха был отдан под симфонический зал, а только половина, что позволило залу приобрести более удачные пропорции 1:2,5. В остальном объеме цеха разместилось фойе [13]. Также следует отметить, что новые светопрозрач-ные торцевые стены были возведены не на месте старых, а сдвинуты внутрь задания на 9 и 12 метров с каждой из сторон. Это также изменило пропорции цеха, но в данном случае уже повлияло не на акустику помещения, а работало на визуальное восприятие реконструируемого здания.
Следующая сложность была связана с необходимостью оставить открытыми все сохранившиеся исторические конструкции промышленного здания. Но непропорционально высокие потолки по металлическим фермам и две параллельные кирпичные стены с глубокими оконными проемами не способствовали формированию качественной звуковой среды, необходимой для выступления симфонического оркестра (рис. 5 а, 6 а). Исторические конструкции провоцировали излишнее запаздывание первых отражений звука от их поверхностей, что неизбежно бы привело появлению эффекта эха в центральной и дальней частях зала. Поэтому в интерьере зала можно наблюдать навесные акустические панели, но их количество минимально, и они не создают сплошную поверхность потолка, т.е. в зал внесены только те новые элементы, которые необходимы для осуществления новой функции, но не более того. Криволинейные потолочные и стеновые панели расположены только вблизи сцены и задают необходимую рупорооб-разную форму залу, при этом визуально не скрывают его изначальную геометрию (рис. 5 б, 6 б). Панели позволяют первым отражениям звука без значительного запаздывания достигать дальних рядов зала, тем самым усиливая прямой звук [13].
Условные обозначения:
Звук до отражения [
Отражённый звук {минимальное время Щ запаздывания)
Отражённый звук (значительное время Н запаздывания)
Рис.5 Схема распространения первых отражений звука на разрезе зала Паганини: а - без акустических панелей, б - с акустическими панелями
Одной из главных трудностей, возникших при проектировании зала Паганини, являлась светопрозрачная стена зала, отделяющая его от фойе. Дело в том, что задняя стена зала может провоцировать нежелательные отражения звука. Звук от оркестра будет отражаться от стены и возвращаться в сторону сцены со значительным запаздыванием, что приведет к возникновению эффекта «театрального эха». Это явление будет мешать музыкантам, что отразится на качестве исполняемой музыки. Поэтому обычно заднюю стену зала делают наклонной, отделывают звукопоглощающим материалом или
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
fO CS
о
CS
о ш m
X
<
m О X X
устанавливают звукорассеивающие панели. Но по задумке архитектора она должна быть вертикальной и светопрозрачной, что усложняло задачу, т.к. тонкое стекло под воздействием громкого звука начинало бы вибрировать и вносить дополнительные нежелательные звуки. Чтобы избежать этого, было предложено использование двухслойного остекления. Стеклянные панели внутреннего слоя находились под разными углами для того, чтобы звук частично «застревал», многократно отражаясь между двумя стёклами, и частично рассеивался за счёт различных углов наклона стеклянных панелей. Помимо этого, разнонаправленные стеклянные панели внутреннего слоя остекления закреплялись не жестко на стойках, а на упругих тяжах через специальные демпферы, что позволило гасить вибрации (рис. 7) [13].
Условные обозначения
Звук до отражения
Отражённый звук (минимальное время запаздывания)
1 Отражённый звук (значительное время запаздывания)
Рис.6 Схема распространения первых отражений звука в плане зала Паганини: а - без акустических панелей, б - с акустическими панелями
Рис.7 Схема отражения звука от светопрозрачной задней стены зала Паганини
Выводы
В результате исследования были проанализированы залы большой вместимости, архитектурные решения которых значительно отличаются от типовых проектов подобных залов. На примерах были разобраны приемы, позволившие сохранить высокое качество звуковой среды в залах, форма которых значительно отличается от рекомендуемой. В итоге можно выделить следующие нетиповые решения:
1. Применение концепции многоуровневого зала с центральной сценой при размещении максимального количества слушателей.
2. Сегментирование вогнутых криволинейных поверхностей путем добавления складчатых поверхностей или панелей.
3. Исключение из работы поверхностей, дающих нежелательные отражения звука путем их звукопоглащения, или установкой дополнительных акустических экранов.
4. Минимизация количества новых элементов, улучшающих акустику, при реализации проектов перепрофилирования исторической застройки.
5. Возможность применения больших светопрозрачных конструкций при условии реализации механизмов гашения вибрации и рассеивания звука стеклянными поверхностями.
Перспективы дальнейших исследований
В качестве перспективы последующих исследований следует указать возможность дальнейшего анализа залов с нетиповыми решениями, например, применяющих элементы трансформации при изменении жанра музыкальных произведений или типа зала и его вместимости. Также перспективным направлением исследований может стать более полный анализ возможностей реализации проектов залов большой вместимости при перепрофилировании промышленных зданий в частности и при реконструкции исторической застройки в целом.
Литература
1. Канев Н.Г., Лившиц А.Я., Möller H. Акустика Большого зала Московской консерватории им. П.И. Чайковского после реконструкции 2010-2011 гг. // Акустический журнал. 2013. Т. 59. № 3. с. 408-416.
2. Канев Н.Г., Лившиц А.Я. Об изменениях акустики Большого зала Московской Консерватории в течение двух лет после реконструкции // Акустический журнал. 2014. Т. 60. № 2. с. 196-198.
3. Дацюк Т.А. Концертный зал Смольного собора: архитектура и акустика // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6596 (дата обращения: 05.04.2023)
4. Щиржецкий Х.А., Сухов В.Н., Щиржецкий А.Х., Алёшкин В.М. К проблеме акустического проектирования современных залов многоцелевого назначения // Жилищное строительство. 2019. № 7. с. 16-24.
5. Коновалова Н.А. Архитектура театров & театральность архитектуры: современные театры Гуанчжоу (Китай) // Современная архитектура мира. 2021. № 1 (16). с. 157-171.
6. Борисов Л.А., Щиржецкий Х.А., Насонова Е.В. Акустика концертного зала Дома-музея П.И. Чайковского в Клину // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. с. 33-38.
7. Исаков Ю.И., Лихачёв Е.Н. Концепция архитектуры и искусственной акустической среды зрительного зала театра типа "ЫаскЬох" // Архитектон: известия вузов. 2021. № 4 (76). -URL: http ://archvuz. ru/2021_4/6/ (дата обращения: 05.04.2023)
8. Гнедовская Т. Архитектор Ханс Шарун: свой среди чужих, чужой среди своих // Искусствознание. 2020. № 4. с. 110143.
9. Филимонова И.С., Могирева А.С. Акустика разноуровневых залов на примере Берлинской филармонии// Сборник докладов научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов Института строительства и архитектуры. МГСУ. 2022. с.134-136.
10. Коновалова Н.А. Архитектура оперного театра в Дубае: цели и компромиссы // Современная архитектура мира. 2022. № 1 (18). с. 217-232.
11. Исаков Ю.И. Витрувий о значении музыки в совершенствовании архитектуры зрительного пространства античного театра. Часть I // Архитектон: известия вузов. 2020. № 4 (72). с. 10.
12. Субботкин А.О., Щиржецкий Х.А., Алешкин В.М. К вопросу объективной оценки влияния реального шумового фона публики на оптимизацию нормативных требований к допустимому шумовому режиму в зрительных залах // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2018. № 4 (24). с. 57-63.
13. Киселева М.А., Щуринова А.С., Серов А.Д. От сахарного завода к "Фабрике музыки" // Сборник материалов семинара молодых учёных XXII Международной научной конференции. 2019. с. 51-56.
14. Анисимов А.В. Реконструкция театральных зданий в европейских странах и США // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 2. с. 14-21.
15. Кожевников А.М. Трансформация пространства в истории развития театра // Архитектура и современные информационные технологии. 2020. № 1 (50). с. 118-135.
The question of the formation of a sound environment in large-capacity halls by
architectural methods Serov A.D., Butenko A^.
Mosoow state (National research) University of oivil engineering JEL classification: L61, L74, R53
This article discusses the key parameters that affect the quality of the sound environment in large-capacity halls. Non-standard architectural solutions are analyzed in the design and reconstruction of halls with natural acoustics without the use of electro-acoustic means. On the example of the hall of the Berlin Philharmonic, the problem of natural acoustics in very large halls with a capacity of up to 2500 listeners is considered. It also analyzes the architectural solutions used in the design of the Auditorio de Tenerife, which has a shape that differs sharply from typical projects. As an example of the implementation of the concept of converting an old industrial building into a symphonic music hall, the Paganini Hall in the city of Parma was considered. The article examines the issues of the possibility of using large translucent structures in halls with natural acoustics, the design of multi-level halls and halls of complex shape, especially the implementation of the project in a historical building.
Keywords: halls with natural acoustics, large-capacity halls, sound field diffuseness, sound reflection, reverberation time, hall architecture, reconstruction of historical buildings
References
1. Kanev N.G., Livshits A.Ya., Möller H. Acoustics of the Great hall of the Moscow state Conservatory after reconstruction in 2010-2011 // Acoustical Physics. 2013. volume 59. no. 3. pp. 361-368.
2. Kanev N.G., Livshits A.Y. Changes in the acoustics of the Moscow conservatory Great hall two years after reconstruction // Acoustical Physics. 2014. volume 60. no. 2. pp. 197-199.
3. Datsyuk T.A. Influence of details of interior Smolny cathedral on hall acoustics // Modern problems of science and education. 2012. no. 4. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6596
4. Shchirzhetskii Kh.A., Soukhov V.N., Shchirzhetskii A.Kh. Aleshkin V.M. On the problem of acoustic design of modern multipurpose halls // Housing construction.
2019. no. 7. pp. 16-24.
5. Konovalova N. Dubai opera's architecture: goals and compromises // Modern architecture of the world. 2022. no. 1 (18). pp. 217-232.
6. Borisov L.A., Shchirzhetsky H.A., Nasonova E.V. Acoustics of the concert hall of the P.I. Tchaikovsky House Museum in Klin // Academia. Architecture and construction. 2009. no. 5. pp. 33-38.
7. Isakov Y.I., Likhachev E.N. A concept of architecture and artificial acoustic environment for the theater auditorium of "blackbox" type // Architecton: izvestiya vuzov. 2021. no. 4 (76). - URL: http://archvuz.ru/2021_4/6/
8. Gnedovskaya T. Architect Hans Sharun: a friend among strangers, a stranger among his own // Art history. 2020. no. 4. pp. 110-143.
9. Filimonova I.S., Mogireva A.S. Acoustics of multi-level halls on the example of the Berlin Philharmonic // Collection of reports of the scientific and technical conference on the results of research work of students of the Institute of Construction and Architecture. MGSU. 2022. pp.134-136.
10. Konovalova N.A. Theater architecture & theatricality of architecture: modern theaters of Guangzhou (China) // Modern architecture of the world. 2021. no. 1 (16). pp. 157-171.
11. Isakov Y.I. Vitruvius on the value of music for enhancing the architecture of the antique theater's audience space. Part 1 // Architecton: news of universities.
2020. no. 4 (72). p. 10.
12. Subbotkin A.O., Schirjetsky C.A., Aleshkin V.M. To the issue of objective evaluation of actual background noise of the public on optimization of regulatory noise requirements in halls // Biosphere compatibility: person, region, technology. 2018. no. 4 (24). pp. 57-63.
13. Kiseleva M.A., Shchurinova A.S., Serov A.D. From the sugar factory to the "music factory" // Collection of materials of the seminar of young scientists of the XXII International Scientific Conference. 2019. pp. 51-56.
14. Anisimov A.V. Reconstruction of theatre buildings in European countries and in the USA // Academia. Architecture and construction. 2010. no. 2. pp. 14-21.
15. Kozhevnikov A.M. Space transformation in the history of the theater development // Architecture and modern information technologies. 2020. no. 1 (50). pp. 118135.
X X О го А С.
X
го m
о
to о to
M
