Рис.4.40. Типичная форма современного концертного зала (продольный разрез и план)
Имеется несколько способов, позволяющих увеличить количество боковой энергии за
счет дополнительных боковых отражений. Увеличение боковой энергии можно добиться:
-путем разбивки боковых стен на секции, размеры которых позволяют получать направленные отражения;
-за счет устройства боковых балконов и системы продольных членений потолка.
Такие членения позволяют направить более значительную часть отраженного от потолка
на боковые стены, а от них - на места для зрителей.
Вконцертных залах, предназначенных в основном для органной музыки, объем на одно место должен оставаться 10-12 м3; для симфонической музыки – 8-10 м3; для камерной музыки
–6-8 м3. Длина концертных залов для симфонической музыки не должна превышать 45 м, а для камерной музыки – 22 м.
Вотличие от концертных залов в залах оперных театров помимо хорошего звучания музыки необходимо обеспечить четкую разборчивость пения и речитатива. В связи с этим время реверберации в залах оперных театров должно быть меньше, чем в залах,
предназначенных для симфонических концертов. В то же время рекомендуется такой же подъем частотной характеристики времени реверберации, как и в концертных залах.
Для обеспечения этих требований объем зала, приходящийся на одно место в оперных театрах, должен составлять 6 - 8 м3. Максимальная вместимость современных оперных театров составляет обычно 1500 – 1700 мест при объеме залов от 10000 до 12000 м3.
В связи с тем, что оперные певцы обладают более сильным голосом, чем драматические актеры, в залах оперных театров рекомендуется большее удаление последнего ряда от портала
(до 35 м).
Проектирование акустики для залов с совмещением речевых и музыкальных программ представляет собой весьма сложную задачу, так как акустические условия, необходимые для этих программ, не только различны, но и во многом противоположны. К таким залам относятся
301
залы многоцелевого назначения или, как их часто называют, универсальные залы, а также залы музыкально – драматических театров, кинотеатров, спортивных сооружений.
При проектировании акустических свойств залов многоцелевого назначения принимается компромиссное решение, благодаря которому в зале обеспечивается сравнительно небольшое время реверберации для восприятия речевых программ, а для восприятия музыкальных программ внутренние поверхности залов формируются таким образом, чтобы часть из них направляла к слушателям интенсивные малозапаздывающие отражения,
увеличивающие ясность звучания, в то время как другая – создавала ненаправленное,
рассеянное отражение звука, повышающее диффузность звукового поля. Эта задача решается путем различной степени расчленения отдельных поверхностей зала (рис. 4.41).
Рис. 4.41. Пример членения поверхностей зала, обеспечивающих направленное отражение звука (продольный разрез и план)
Помимо компромиссного варианта в настоящее время применяются еще два варианта акустического решения крупных многоцелевых залов.
Первый из них основан на использовании средств электроакустики, в результате чего обеспечивается необходимое время реверберации для проведения речевых мероприятий и кинопоказа. Увеличение времени реверберации, необходимое для исполнения концертных программ, обеспечивается с помощью систем искусственной реверберации (амбиофонии).
Обеспечение слушателей малозапаздывающими отражениями реализуется с помощью высококачественных громкоговорителей, которые устанавливаются в местах, откуда естественные звуковые отражения приходят слишком поздно.
Амбиофоническими системами оборудованы залы Кремлевского Дворца съездов, театра им. Вахтангова, училища им. Гнесиных и др.
Второй подход акустического решения крупных многоцелевых залов основан на использовании изменении объема или трансформации звукоотражающей поверхности зала. Эта задача решается путем устройства подъемно – опускного участка потолка над авансценой (рис.
4.42) или путем отгораживания дальней части зала разборной перегородкой. Иногда для уменьшения объема зала отделяется верхний балкон с помощью опускающейся части потолка.
302
Рис. 4.42. Трансформация потолка в передней части зала: а) – вариант кинозала; б) – вариант концертного зала; 1 – опускаемая часть потолка.
Для обеспечения достаточно большой разницы в реверберации (0,6 – 0,7 с) возможно использовать поворачивающиеся на 1800 звукопоглощающие панели, располагающиеся в верхних частях боковых стен. Поворот панели закрывает или открывает поверхность звукопоглотителя, изменяя время реверберации (рис. 4.43).
Рис. 4.43. Поворачивающие панели со звукопоглощающей отделкой: 1- звукопоглотитель
Более удачным решением изменения времени реверберации является применение механических систем (раздвижных, подъемно – опускных или наматываемых на катушку штор), масса ткани которых должна быть не менее 1 кг/м2 (рис. 4.44).
Изучение акустики зрительных залов можно осуществлять с помощью водяных и
оптических моделей, которые однако не позволяют получать объективную картину
распространения звука в зале. Водяные ванны дают только двухмерную картину
распространения звука, которая в силу дисперсии волн на поверхности воды получается
размытой, а оптическое моделирование возможно применять только для изучения
стационарных звуковых процессов на очень высоких частотах, в то время как в акустике зрительных залов основное значение имеет весь спектр звуковых частот.
В настоящее время для изучения акустики зрительных залов интенсивно применяются методы масштабного и электроакустического моделирования звуковых процессов в заглушенных камерах, а также моделирования акустики залов на ЭВМ.
Основу акустической оценки качеств залов при масштабном моделировании составляют импульсные измерения, в связи с этим такие измерения осуществляют на блок-схемах, которые практически не отличаются от блоксхемы натурных импульсных измерений, приведенной на рис. 4.26. Разница заключается только в типах источника и приемника звука. При масштабном моделировании используют специальный искровой разрядник и измерительный микрофон малого диаметра (1/4 или 1/8 дюйма).
При масштабном моделировании необходимо соблюсти условия подобия звуковых колебаний в зале и его модели. Обеспечение подобия при масштабном моделировании связано с двумя трудностями, обусловленными граничными условиями и поглощением звука в воздухе.
Первое условие достигается путем равенства реверберационных коэффициентов звукопоглощения поверхностей модели и зала на соответствующих частотах. Второе условие выполняется в том случае, когда показатель затухания звука в воздухе был пропорционален частоте в зале.
При использовании масштабного моделирования необходимо правильно выбрать масштаб модели и материал для ее изготовления. В практике обычно применяются масштабы моделей от 1/8 до 1/40. Масштаб моделирования зависит от задач исследования и размеров моделируемого зала. Так, масштабы 1/8 - 1/10 используются в случаях детального исследования звуковых процессов в широком диапазоне частот, а также при изучении субъективной оценки акустики залов. Для выполнения вышеприведенных исследований с моделями масштаба 1/8 -
1/10 требуется уникальная акустическая аппаратура, а сам процесс является сложным и дорогостоящим.
Масштабы моделей 1/30 - 1/40 используются в случаях, когда необходимо получить качественное представление о структуре звуковых отражений в ограниченном диапазоне частот.
304
Как показала практика, наиболее приемлемым и часто применяемым является масштаб модели 1/20, который позволяет проводить на основе импульсных измерений количественную оценку акустических качеств залов и исключить влияние поглощения звука в воздухе. Модель зала в линейном масштабе 1/20 получается сравнительно небольшой и на такой модели будут
охвачены частоты от 5 до 100 кГц.
В качестве материалов для изготовления модели используют не натуральные материалы внутренних поверхностей залов, а их заменители. Так, вместо звукоотражающих поверхностей типа оштукатуренных по твердому основанию, массивного дерева, бетона или естественного камня в моделях используют лакированный гипс, оргстекло или обычное стекло. В качестве замены натуральных поверхностей со звукопоглощающей облицовкой в моделях используют материалы, коэффициенты звукопоглощения которых не отличаются от натурных более чем на
10% . К ним относятся: войлок, вата поролон и т.п. Из этих материалов на основе измерения коэффициентов звукопоглощения выбирают те, которые обеспечивают требуемые значения и частотную зависимость. Для имитации поверхности слушательских мест в моделях обычно
используют слой ваты толщиной около 10 мм.
При масштабном моделировании удается выяснить, какие поверхности дают сильно запаздывающие отражения, вызывают концентрацию отраженного звука или иные дефекты структуры отражений. С этой целью на исследуемой модели, закрывая те или иные отражающие поверхности модели, изменяя их очертания или заменяя их на новые отражающие поверхности, с помощью анализа импульсных осциллограмм, можно оперативно оценить
достигаемый эффект.
Электроакустическое моделирование является основным методом субъективных акустических исследований залов. Такие исследования проводят на специальной
многоканальной акустической установке, разработанной в НИИСФ (рис.4.45).
С помощью установки имитируют акустические условия закрытого помещения,
имитируя прямой звук, звуковые отражения и реверберацию. При этом появляется возможность
изменения
уровня,
спектра и направления прихода прямого и отраженного звуков, а также
изменения
уровня,
продолжительности и частотной характеристики реверберации звука. В
период поведения исследований испытуемый располагается в заглушенной камере на месте прослушивания и оценивает поступающие к нему различные звуковые сигналы. Звуковые сигналы в виде записи речи или музыки поступают на коммутационный щит непосредственно или через линию задержки. Время задержки может быть установлено от 1,6 до 300 мс. Далее сигналы поступают на пульт усиления и частотной коррекции.
305
Рис.4.45. Блок-схема установки электроакустического моделирования
Сигнал, имитирующий реверберацию, проходит через листовой ревербератор, где обеспечивается изменение времени реверберации на частоте 500 Гц от 1 до 4 с. С
коммуникационного пульта сигналы подаются на громкоговорители, расположенные в заглушенной камере вокруг испытуемого. При этом в установке громкоговоритель Г1
имитирует прямой звук, Г2 и Г8 - отражения от боковых стен, Г5 - отражения от задней стены, а
громкоговоритель Г9 - отражение от потолка. Громкоговорители Г3, Г4, Г6 и Г7 воссоздают реверберационный звук. В электроакустической установке предусмотрена возможность подмешивания и подачи шумового сигнала с генератора шума, а также возможность переговоров испытуемого с оператором. Контроль сигналов осуществляется с помощью контрольно-измерительного тракта.
Необходимо отметить, что электроакустическое моделирование в совокупности с масштабным позволяют проводить субъективную оценку акустических качеств проектируемого зала. На моделях зала определяются уровни, запаздывание и направления прихода наиболее интенсивных отражений звука, а также время реверберации. С помощью электроакустической установки для каждой точки импульсных измерений формируется звуковая картина,
соответствующая значениям указанных в проекте параметров звуковых сигналов.
В основу моделирования акустики залов на ЭВМ положены принципы геометрической оптики, в соответствии с которыми распространение звука рассматривается как движение звуковых лучей. Существует два основных метода моделирования: прослеживание звуковых лучей и мнимых источников. Программа ЭВМ включает математическое описание зала,
306
источника звука и приемной поверхности, расчет движения звуковых лучей и расчет акустических характеристик зала.
При акустических расчетах в память ЭВМ вводятся размеры, расположение и коэффициенты звукоотражения поверхностей зала. Источник звука принимается точечным в пространстве и импульсным во времени. Непрерывный фронт излучения звука заменяется четным числом звуковых лучей, которые равномерно распределены по сферической поверхности, окружающей источник звука. Сферическая поверхность разбивается на на одинаковые участки, число которых соответствует общему количеству звуковых лучей.
Каждому лучу присваивается доля энергии излучения, пропорциональная площади участка.
Путь каждого луча прослеживается до его пересечения с приемной поверхностью
(поверхностью слушательских мест).
В случае пересечения звукового луча с приемной поверхностью определяются координаты точки пересечения, направление и время прихода луча, его энергетический вес,
длина пройденного пути, число отражений, а также начальное направление луча источника. В
результате обработки введенных данных могут быть рассчитаны ход и время реверберации, а
также упрощенные картины импульсных откликов и критерии акустического качества зала.
Метод мнимых источников звука применяется для исследования залов прямоугольной формы с плоскими и гладкими внутренними поверхностями. Источник звука в этом методе применяется точечным в пространстве и импульсным во времени. При этом методе не нужно заменять непрерывный фронт излучения отдельными лучами, так как строится пространственная решетка мнимых источников звука. Процесс моделирования движения звуковых лучей сводится к соединению прямыми линиями приемника звука и мнимых источников, что позволяет достаточно просто определить плотность звуковой энергии и запаздывание звука, соответствующие каждому лучу, соединяющему мнимый источник и точку приема. По этим данным строится импульсный отклик зала и рассчитываются его акустические параметры.
4.13. Видимость и обозреваемость в зрелищных сооружениях
Многие общественные здания включают зальные помещения большой вместимости, в
которых основной функцией людей является зрительное восприятие. К таким помещениям относятся различные аудитории, театральные, спортивные и иные залы с трибунами для зрителей. Условия зрительного восприятия и видимости определяют геометрические параметры
(длину, ширину, высоту) и форму таких помещений, а также форму специальных устройств для размещения зрителей (трибун, амфитеатров).
307
Под видимостью понимается возможность полного или частичного наблюдения объекта,
т.е. такое взаимное расположение наблюдателя и объекта, при котором лучи зрения от глаз наблюдателя беспрепятственно проходят ко всем точкам или к части наблюдаемого объекта.
Одним из условий проектирования зрительных мест в таких помещениях является обеспечение зрителям нормальной видимости сцены, арены и т.п. и происходящего на них действия.
Для обеспечения беспрепятственного и неискаженного зрительного восприятия такие помещения должны отвечать следующим требованиям:
- в помещениях не должно быть внутренних опор, расположенных между зрителями и объектами восприятия. Для исключения внутренних опор помещения перекрываются большепролетными балками, фермами, пространственными конструкциями;
- зрительские места должны располагаться таким образом, чтобы впереди сидящие зрители не загораживали собой объект восприятия. Для этого уровень пола, где располагаются зрительские места, постепенно поднимается по мере удаления от объекта восприятия.
Видимость со всех зрительных мест является важнейшей задачей, решаемой при проектировании помещений и зданий массового пользования.
В зависимости от специфики зрелищных сооружений массового пользования теория и метод расчета видимости при построении зрительных мест не меняются. Однако принципы,
которыми руководствуются при проектировании зрительного пространства, а также нормативы видимости для различных зрительных залов (театр, кинотеатр или стадион) значительно отличаются друг от друга.
К числу факторов, от которых зависит видимость в зрительных залах, относятся:
объемно-пространственная структура интерьера сооружения и его частей (сцена и зал, арена и трибуны); условия освещенности (естественное или искусственное), яркость освещения объекта; угол зрения, под которым наблюдатель видит объект, удаление наблюдателя от объекта наблюдения и величина последнего;. а также физиологические законы зрения и другие обстоятельства.
Благоприятная для зрителей видимость достигается соблюдением следующих факторов:
-оптимальное зрительное удаление от объекта наблюдения;
-предельно допустимые горизонтальный и вертикальный углы обозрения;
-беспрепятственная видимость наблюдения;
-отсутствие преград на пути зрительного луча от наблюдаемой точки к глазу зрителя.
308
Размеры помещения должны быть ограничены возможностью различать существенные детали объекта восприятия. Так, в аудитории существенной деталью может быть штрих мела на доске, на хоккейной площадке — шайба, на театральной сцене — черты лица актера.
Зрительное удаление влияет на расположение зрительных мест в плане и зависит от функционального назначения зрительных залов.
Для кинотеатров предельная длина зала не должна быть более 42 м, так как при большем размере нарушается синхронное восприятие зрителем звука и изображения на экране - звук запаздывает.
Для драматических и оперных театров удаление последних рядов от рампы сцены обычно колеблется в пределах от 24 м (для залов на 600 чел.) до 35 м (для залов более 1200
чел.).
Для театров и особенно кинотеатров наряду с предельным удалением зрителя большое значение для качества восприятия имеет минимальное расстояние зрителя от предмета наблюдения, так как близко сидящий от сцены зритель (порядка 2-3 м) не в состоянии окинуть одним взглядом, без поворота головы, всю картину происходящего на сцене (экране) действия.
Это связано с тем, что человек двумя глазами способен охватить около 40% горизонтальной плоскости и около 20% - вертикальной плоскости. В связи с этим наблюдаемая картина фиксируется глазами в виде отдельных фрагментов, а общая композиция утрачивает целостность.
Для стадионов с обширной ареной этот фактор не имеет значения.
Кроме предельного удаления на качество зрительного восприятия значительное воздействие оказывает также тот факт - под каким горизонтальным и вертикальным углом зритель воспринимает действие на сцене, эстраде или арене.
Границы горизонтальных углов, создающих оптимальную видимость, могут быть получены графически отрезками прямых, проведѐнных через крайние точки задних декораций и через грань сцены (рис. 4.46, а). При этом построении получается горизонтальный угол,
называемый оптическим углом зала. За пределами зрительных лучей размещать зрительные места не рекомендуется, так как видимость ограничена только частью сцены.
В залах для исполнения эстрадных номеров (рис. 4.46, б) оптический угол может достигать до 150о, что позволяет уменьшить длину (глубину) зала за счѐт увеличения его ширины. Вертикальный угол на точку в середине красной линии сцены на высоте 1,5 м от пола не должен превышать для средних мест зала 25о, а для боковых - 35о.
309
Рис. 4.46. Схемы построения горизонтальных углов видимости в зрительных залах: а- оперных и драматических; б - с эстрадой; в — цирков
Для цирков (рис. 4.46, в) оптический угол может достигать 310-315ос расположением зрительных мест почти по полным окружностям. Вертикальный угол, образованный лучом зрения самого верхнего зрителя к ближайшему краю барьера арены не должен быть более 30о.
Предельное удаление зрителей от центра арены рекомендуется 40-45 м.
4.13.2.Обеспечение беспрепятственной видимости
взрительных залах
Наряду с вопросами предельного удаления и границами зрительных лучей большое значение имеет обеспечение беспрепятственной видимости в зрительных залах. Нормальная видимость зависит от расположения в пространстве зала объекта наблюдения и зрителя, а
также от сидящих впереди него зрителей.
В плане зрительские места могут располагаться линейно (в затылок) или в шахматном порядке.
Для достижения беспрепятственной видимости существуют следующие приѐмы:
расположение зрительных мест на горизонтальной плоскости, постепенный подъем рядов зрительных мест по мере их удаления от объекта наблюдения или повышение уровня сцены
(эстрады).
Критерием для оценки условий видимости является величина (с), характеризующая вертикальное расстояние от уровня глаза зрителя до верха головы (без головного убора)
впереди сидящего человека и называемая превышением зрительного луча.
Для беспрепятственной видимости объекта наблюдения (выбранной точки) необходимо обеспечить условие, при котором зрительный луч (отрезок прямой, проведенный к нему от глаза зрителя), проходил на высоте 12 см над уровнем глаза впереди сидящего зрителя для спортзалов и стадионов и 6 см – для театров.
