Архитектурная акустика литературным языком

Чтобы не чувствовать себя неловко в компании профессиональных акустиков, я думаю, нам следует хотя бы чуть-чуть коснуться двух основных терминов из этой области науки. Первый термин — это время реверберации, которое в текстах обозначают аббревиатурой RT60, и второй термин, который тесно связан с первым, — это сэбин (sabine), единица измерения звукопоглощения материала.

Архитектурная акустика как научная дисциплина появилась в XIX веке в результате научной работы Уоллеса Клемента Сэбина, блестящего физика, молодого профессора Гарвардского университета, посвященной отражению звуковых волн в помещениях.

Однажды в 1895 году его попросили исправить ужасную акустику лекционного зала Музея Фогга (Fogg Art Museum, см. фото) при Гарварде (Кембридж, штат Массачусетс), который считался непрактичным для лекций и практически не использовался для этого. Зал представлял собой просторное полукруглое помещение со сводчатым потолком. Речь в помещении звучала крайне невнятно – как какой-то вязкий суп, который не ожидаешь услышать в специально спроектированном лекционном зале.

Особенно этим был недоволен профессор Чарльз Эллиот Нортон, читавший курс изящных искусств. Студенты сначала слышали звук, который шел непосредственно от мистера Нортона по прямой, по кратчайшему пути. Но за ним сразу же следовали отражения — звук, отразившийся от стен, сводчатого потолка, столов и прочих твердых поверхностей.

Эти отражения и определяют архитектурную акустику. Если для угасания звука в зале требуется много времени — время реверберации слишком велико, — то речь в таком помещении будет невнятной, поскольку соседние слова накладываются друг на друга и смешиваются в единую звуковую массу. Как писал в XIX веке Генри Мэтьюз, реверберация «не станет вежливо ждать, пока оратор закончит; с момента начала и до самого конца речи она высмеивает его десятью тысячами языков». Именно это и происходило, когда профессор Нортон пытался прочесть лекцию.

Исправить дефект взялся Уоллес Сэбин. Он экспериментировал с мягкими поверхностями в лекционном зале, который временами становился похожим на склад подушек. Ему требовалась тишина, поэтому он работал по ночам. Он измерял время полного затухания звука, который издавала органная труба. Время до полного затухания звука Сэбин назвал временем реверберации (reverberation time — RT), и в результате его работы появилось одно из главных уравнений акустики.

Это уравнение устанавливает связь между временем реверберации и размерами помещения, а также количеством звукопоглощающих материалов, находящихся в помещении (мягких кресел, занавесей и пр.). Используя уравнение Сэбина, инженеры-проектировщики могут создавать хорошие в акустическом смысле помещения для тех или иных целей с точно заданным временем реверберации, понимая, какое количество звукопоглощающего материала следует размещать в помещении заданного объёма.

Честно говоря, Сэбину так и не удалось исправить акустический дефект лекционного зала полностью, но его эксперименты заложили научную основу архитектурной акустики.

Терминология:

RT60 — этот термин вы часто можете встретить в аудиожурналах. Что такое RT, мы уже поняли, а вот что говорит нам цифра 60, сейчас разберём. RT60 — это время, за которое уровень звука (SPL) в помещении уменьшается на 60 децибел после того, как источник звука замолчал. Что значит уменьшение уровня звукового давления на 60 дБ? Из формулы децибела можно понять, что это означает уменьшение звукового давления в 1000 раз от первоначального значения.

Для студий звукозаписи RT60 = 0,2–0,4 сек.; домашний кинотеатр RT60 = 0,3–0,5 сек.; концертный зал RT60 = 1,5–2,5 сек.

Sabine (сэбин) — единица звукопоглощения материала, 1 сэбин соответствует полной (100 %) звукопоглощающей поверхности площадью 1 м².

Формула Сэбина гласит:

RT60 = 0,161 × V / A,

где: V — объём помещения в кубических метрах; A — полное поглощение в сэбинах (м²), сумма произведений площади каждой поверхности на её коэффициент поглощения.

<...>

Огромное значение для качества концертного зала имеет форма помещения. Очень важно, как отражается звук с разных сторон, поскольку акустические волны, достигающие наших двух ушей, отличаются друг от друга. Отражению требуется больше времени, чтобы достичь дальнего уха; кроме того, это ухо попадает в акустическую тень и хуже воспринимает высокие частоты, поскольку им труднее огибать голову, чем низким.

Эти два признака сигнализируют мозгу, что музыка идет не только от сцены. Благодаря боковым отражениям мы чувствуем, что окружены музыкой, и не воспринимаем её как исходящую от исполнителей на далекой сцене.

Кроме того, боковые отражения словно физически расширяют оркестр — этот эффект называется расширением источника, и зрителям он обычно нравится. И для этого эффекта очень важна громкость. Чем громче играет оркестр, тем сильнее иллюзия расширения и окружения.

В симфоническом зале Бостона (см. фото) эффект достигается за счет узкого зала, обеспечивающего сильное боковое отражение. Научное объяснение боковых отражений привело к появлению новых конструкций форм для залов.

При расчете реверберации необходимо найти тонкую грань между недостаточной (как на открытой площадке) и чрезмерной. Желательный уровень реверберации зависит от музыки. Сложная камерная музыка Гайдна или Моцарта сочинялась для прослушивания во дворцах и поэтому звучит лучше всего в небольших помещениях с малым временем реверберации — скажем, 1,5 секунды.

Французский композитор-романтик Гектор Берлиоз писал о музыке Гайдна и Моцарта, исполняемой «в слишком большом и акустически неподходящем здании», что с тем же успехом это можно было делать в поле: «Она звучала слабо, холодно и нестройно».

Романтическая музыка Берлиоза, Чайковского или Бетховена требует более длительной реверберации, чем камерная: время реверберации должно быть около 2 секунд. Для органной музыки или хора — ещё больше.

Известный американский органист Э. Пауэр Бриггс говорил: «Органист использует всё время реверберации, которое у него есть, а затем просит ещё немного… Многие органные произведения Баха рассчитаны на использование реверберации. Вспомните о паузе, которая следует за ярким вступлением знаменитой токкаты ре минор. Совершенно очевидно, что она предназначена для наслаждения нотами, повисшими в воздухе» [Beranek L. Concert Halls and Houses. 2nd ed. N.Y. Springer, 2004. 7–8].