CC BY
28
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Калихман Аркадий Давидович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Архитектурное проектирование», Иркутский государственный технический университет, тел.: 40-51-56, e-mail: [email protected]
Иванова Анастасия Сергеевна, старший преподаватель кафедры «Архитектурное проектирование», Иркутский государственный технический университет, тел.: 40-51-56, email: [email protected]
Kalikhman A.D., Doctor of Physics and Mathematics, professor, Architecture Projection Department, Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-51-56, e-mail:[email protected]
Ivanova A.S., senior teacher, Architecture Projection Department, Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-51-56, e-mail: [email protected]
УДК 621.396
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКУСТИКИ ВОЗВОДИМЫХ В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
ХРАМОВ
А.Д. Калихман, Е.В. Хохрин
Рассматривается проектирование акустики вновь возводимых храмов Иркутской области. Для выполненного в традициях древнерусского зодчества церкви Рождества Христова в Иркутске-2 на месте авиакатастрофы удалось получить приемлемые для относительно малого пространства акустические характеристики. Использованные методы и подходы были в дальнейшем применены в проектировании акустики храмов других городов Иркутской области.
Ключевые слова: акустическое проектирование, время реверберации, ранние отражения.
PROJECTING ACOUSTICS IN THE TEMPLES BEING RAISED IN THE
IRKUTSK REGION
A.D. Kalikhman, E.V. Khokhrin
Projecting acoustics in the newly raised temples of the Irkutsk region is the main issue of the given article. The church named after the Nativity of Christ and raised in the location of the air disaster in Irkutsk-2 is built in the traditions of Old Russian architecture and is notable for its quite acceptable acoustics in spite of its relatively small size. The methodology and approaches used were later taken into consideration while acoustics was being projected for temples in other towns of the Irkutsk region.
Key words: projection of acoustics, reverberation time, early reflections.
Введение. Акустическое проектирование православных храмов средней вместимости с так называемым воздушным объемом до 6000 м3 относится к большинству возводимых в Иркутской области храмов с возможностью одновременного присутствия от 100 до 1000 че-
ловек. Впервые на необходимость учета акустики новых храмовых сооружений обратил внимание известный иркутский архитектор А. В. Яковлев. Определяемыми акустическими параметрами являются допустимое запаздывание ранних отражений, распределение отраженного звука, диффузность звукового поля, время реверберации, а также коэффициенты акустической связи объема церкви с сопряженными объемами [1, 2].
Внутреннее пространство типичного храма образовано объемами помещений непосредственно церкви с куполами над центральным и боковыми барабанами, алтарной частью, южным и северным притворами, трапезной. Это пространство формирует и определяет основные акустические характеристики, которые можно оценить количественно исходя из геометрии помещения, материалов отделки поверхностей и заполнения. Для определения единого акустического объема необходим анализ связности перечисленных объемов и расчет коэффициентов акустической связи [3].
Выбор оптимальных параметров внутренних поверхностей помещений для достижения акустического соответствия рекомендуемым характеристикам является следствием результатов расчета. При проектировании акустики помещений храмов применяются методы, используемые при акустическом проектировании зрительных залов с учетом специфики объемно-планировочного решения и функционального использования православных храмов. При расчете частотной характеристики времени реверберации следует учитывать особенности акустических сигналов, передаваемых в храмах в виде вокализованной или пастырской речи священнослужителей и хоровых распевов, а также значительную дифференциацию акустических условий в зависимости от количества и места расположения прихожан. Объемный оптимум реверберации должен представлять собой диапазон допустимых отклонений от среднего значения времени реверберации, являющегося допустимым при разной степени заполнения храма [1, 2].
Акустика храмовых помещений, а следовательно, и звуковое восприятие в зоне расположения прихожан, находящихся обычно в положении стоя, в конечном итоге определяется субъективной оценкой условий слышимости с амвона речи священнослужителей, песнопений певчих, обычно без музыкального сопровождения. Важной составляющей является необходимость обеспечения хорошей слышимости хора, который находится на одном месте, чаще всего на антресоли в западной части храма или рядом с регентом на солее, и возгласов священнослужителей из алтаря, с солеи и из центра храма, в зависимости от хода богослужения.
Тем не менее, существенным для оценки качества звучания является наличие интенсивного прямого звука и интенсивных ранних отражений. Близкое расположение, не далее 10 м, источника звука (священнослужителя или проповедника) и слушателей (прихожан) обеспечивает интенсивный прямой звук, а ранние отражения обеспечиваются плоскими поверхностями стен и иконостаса. Большую роль играет также направленность голоса проповедника. Звучание голосов певчих на хорах направлено поверх голов слушателей и недостаточно обеспечивается прямым звуком, но во многом дополняется хорошими условиями прихода ранних отражений. Разборчивость речи и распевов во время службы не всегда является основным показателем качества звучания, поскольку большинство произносимых текстов обычно знакомы слушателям, а сами проповеди включают неоднократные повторения отдельных фрагментов [4].
Для анализа акустических характеристик возведенного в городе Шелехове храма Во имя святых апостолов Петра и Павла применяются методы их объективной оценки с использованием графического расчета ранних отражений, расчета времени реверберации и обеспеченности диффузного звукового поля. Кроме того, с учетом расчленения внутреннего объема храма на объемы церкви с куполами над центральным и боковыми барабанами, алтарной час-
ти, южного и северного притворов, трапезной, проводится расчет их взаимного акустического влияния и недиффузионного характера звуковых полей в помещениях притворов.
Расчет ранних отражений
В расчете ранних отражений распределение фронтов звуковых волн заменяется геометрическим распределением звуковых лучей, направленных перпендикулярно фронту волны. Допустимость применения геометрических отражений зависит от длины звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения по отношению к источнику звука в точке приема. Отражающие поверхности основного помещения церкви достаточно жесткие с поверхностной массой не менее 10 кг/м2. Коэффициенты звукопоглощения поверхностей для рассматриваемых частот не превышают 0,1.
Отражения от потолочного свода или приходящие сверху, с фронтальной стороны, имеют запаздывания в пределах 35-45 мс и сильно ослаблены, что делает их малозначимыми в структуре ранних отражений. Боковые отражения от стен непосредственно в помещении церкви способствуют формированию оптимальной структуры ранних отражений. Они приходят от полностью отражающих участков поверхностей стен шириной более 1 м в нижней части простенков по обе стороны от проемов северного и южного притворов с запаздываниями в пределах 10-25 мс и от поверхности иконостаса с запаздываниями в пределах 15-30 мс.
С точки зрения обеспечения слушателей ранними отражениями пространство церкви обладает вполне удовлетворительной формой с относительно небольшой шириной и значительной высотой. Средние ширина и высота зала составляют соответственно 16 м и 18 м. В интервале запаздываний 25-80 мс к слушателям поступают, главным образом, боковые отражения и отражения от потолка, причем направления прихода этих отражений отличаются от направления прихода прямого звука. Кроме того, запаздывание первых отражений от поверхностей стен и иконостаса меньше запаздывания приходящих сверху отражений. При таких условиях обеспечивается структура звуковых отражений, одновременно способствующая приемлемой субъективной оценке индексов ясности С80 и С50 и соответствующая критерию пространственного впечатления, весьма существенных критериев качества хорового и речевого звучания.
Расчет времени реверберации
В замкнутом помещении звуковое поле формируется не только из прямой звуковой энергии, но и процессом реверберации, который во многом определяет степень разборчивости речи. Известно, что звуковая энергия ранних отражений, приходящих вслед за прямым звуком в течение первых 50 мс, помогает увеличению степени разборчивости речи. Общая же гулкость помещения, обусловленная энергией более поздних отражений, оценивается временем реверберации. В отличие от небольшой аудитории, где высокая разборчивость речи достигается при малом времени реверберации, в храмовых сооружениях это время стараются продлить, создать эффект большей гулкости. Данные по рекомендуемым временам реверберации на средних частотах для храмовых помещений приводятся в Своде правил [1]. Для проектируемого в городе Шелехове храма Во имя святых апостолов Петра и Павла с общим объемом порядка 6 тысяч м3 рекомендуемое время реверберации составляет 2,3 секунды с допускаемыми отклонениями в обе стороны от оптимума в 0,5 секунды. Можно отметить, что эти времена заметно превышают рекомендуемые для залов речевого и музыкального звучания.
Существенное членение основного объема храма - церковь, притворы, алтарь, трапезная - предусматривает предварительный раздельный расчет переходных процессов послезву-чания в каждой отдельной части храма с учетом таких факторов, как функциональное назначение и степень заполнения каждого объема, соотношения воздушных объемов каждой части
храма, площади проемов между ними и площади размещения прихожан, акустического соотношения между общими фондами звукопоглощения в отдельных объемах.
Исходными параметрами помещения церкви для расчета времени реверберации являются его общий объем V = 6863 м3 и составляющие его объемы трапезной 582 м3, проема между трапезной и церковью 67 м , непосредственно церкви с куполами над центральным и боковыми барабанами 5160 м3, северного и южного притворов 644 м3, алтаря 400 м3. Общая площадь звукопоглощающих поверхностей - 2128 м , среднее число прихожан по проекту -600. Для расчетов данные сведены в таблицы, содержащие определение эквивалентной площади звукопоглощения поверхностей храма, определение эквивалентной площади звукопоглощения стоящими людьми, суммарную эквивалентную площадь звукопоглощения церкви. Итоговое время реверберации помещения церкви находится в зависимости от рассматриваемых частот 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.
Перед расчетом времени реверберации проводится анализ и оценка среднего коэффициента звукопоглощения каждого из составляющих объемов и площадей воздушных проемов между соседними объемами церкви и трапезной, а также церкви и притворов. Значение коэффициента акустической связи объема церкви и объема трапезной составляет К1-2,3 = 0,073, а объема церкви и притворов К3,4-5 = 0,072, что свидетельствует о возможности расчета времени реверберации с учетом только объема непосредственно церкви с куполами над центральным и боковыми барабанами и площадей воздушных проемов, связывающих его с трапезной и притворами. Результаты итоговых расчетов приведены в таблице.
Время реверберации помещения церкви и алтаря при различном заполнении
Число людей, Время реверберации помещения церкви и алтаря в
плотность секундах на частотах, Гц
125 250 500 1000 2000
25 (5 м2/чел) 3,45 3,3 3,2 3,2 3,1
125 (1 м2/чел) 3,15 2,9 2,7 2,2 2,0
250 (0,5 м2/чел) 2,74 2,15 1,76 1,3 1,15
Полученные значения времен реверберации уже при среднем заполнении храма в 250 человек достаточно близко соответствуют рекомендуемым значениям, а при проектируемом заполнении в 1000 человек вполне обеспечивают на высоких частотах очень разборчивое звучание, свойственное залам с качественной речевой акустикой. Важно отметить, что в основном помещении церкви с алтарем, как и в большинстве храмов, возникших в прошлом веке, отсутствуют специальные поглотители звука. В этих помещениях, построенных по классическим канонам, в качестве поглотителей звука выступают прихожане. Видно также, что вся отделка стен и потолка мало зависит от частоты. Единственным поглотителем, заметно зависящим от частоты, являются те же прихожане.
Между тем многие из подобных храмовых сооружений с точки зрения акустики имеют хорошую репутацию. По-видимому, многовековая традиция проведения служб в таких условиях определила и эстетическую оценку звучания независимо от дискуссий по поводу оптимизации частотной характеристики. Как видно из приводимых результатов, основное помещение церкви не нуждается в дополнительном звукопоглощении. Весьма важными являются выделенные пространства алтарной части и купола с барабаном, которые создают отнесен-
ные реверберирующие объемы. Собирающаяся в этих объемах звуковая энергия реверберации поступает в основную, занятую прихожанами и более заглушенную часть помещения.
На рис. 1 приведены графические результаты расчетов времени реверберации при различном заполнении для храма в Шелехове (а), а также для храма Рождества Христова (б), храма в городе Свирске (в) и планируемого рядом с ИрГТУ храма Сергия Радонежского (г).
а) б)
ВРЕМЯ
РЕВЕРБЕРАЦИИ. С
25(5 м /чел)
(1м /чел)
250 (0.5 м /чел)
Т-1—III!
ЧАСТОТА. ГЦ -1-1-1
100
1000
в)
ВРЕМЯ РЕВЕРБЕРАЦИИ.
25(5м2/чел)
125 (1м /чел)
250 (0.5 м /чел) ЧАСТОТА. ГЦ
Т-1-1-1—III!
Т-1-1
100
1000
г)
Рис. 1.
Заключение. Предварительный анализ акустических характеристик возводимого в городе Шелехове храма Во имя святых апостолов Петра и Павла с использованием графического расчета ранних отражений, расчета времени реверберации и обеспеченности диффузного звукового поля показывает, что следование в проектировании классическим образцам русских церквей прошлого века во многом предопределяет благоприятные условия звучания во время проведения служб и полностью соответствует рекомендациям Свода правил для хра-
мовых сооружений. Подобное заключение можно сделать и в отношении остальных храмов, возведенных и проектируемых.
Следует отметить, что структура ранних отражений в основном помещении церкви оптимально формируется при разном направлении прямого звука - с хоров и с алтарной части. При этом важно сохранять открытыми поверхности стен церкви и притворов на уровне 24 м. Существенными являются и плоские поверхности иконостаса протяженностью не менее одного метра. Разнонаправленные и интенсивные ранние отражения, которые при соблюдении упомянутых рекомендаций обеспечивают достаточную ясность звучания, существенно дополняют другие акустические характеристики.
Оценки времени реверберации в пределах 3,45-3,1 с для пустого практически помещения и 2,74-1,15 с для заполненного несколько отличаются от рекомендуемых для помещений с речевым и музыкальным звучанием. Но эти значения оказываются вполне приемлемыми для помещений с большим удельным объемом, в особенности для храмовых сооружений. Важными являются реверберирующие объемы непосредственно церкви с куполами над центральным и боковыми барабанами и алтарной части, которые следует сохранять едиными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 31-103-99 «Здания, сооружения и комплексы православных храмов». Госстрой России. М. : 2000. 38 с.
2. Православные храмы. В трех томах. Том 2. Православные храмы и комплексы : пособие по проектированию и строительству (к СП 31-103-99). МДС 31-9.2003/АХЦ «Архх-рам». М. : ГУП ЦПП, 2003. 223 с.
3. Руководство по акустическому проектированию залов многоцелевого назначения средней вместимости. М. : Стройиздат, 1991. 43 с.
4. Гордюшева А.А., Орешко А.Н. Акустический и светотехнический расчет Мак-симилиановского храма-колокольни «Большой Златоуст» // Известия вузов. Архитектон. 2008. № 22, приложение. (http://archvuz.ru/numbers/2008_22/k42)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Калихман Аркадий Давидович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Архитектурное проектирование», Иркутский государственный технический университет, тел.: (3952) 40-51-56, e-mail: [email protected]
Хохрин Евгений Викторович, доцент, заведующий кафедрой «Архитектурное проектирование», Иркутский государственный технический университет, тел.: (3952) 40-51-56, email: [email protected]
Kalikhman A.D., Doctor of Physics and Mathematics, professor, Architecture Projection Department, Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-51-56, e-mail:[email protected]
Khokhrin E.V., associate professor, Head of Architecture Projection Department, Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-51-56, e-mail: [email protected]
