голосник-резонатор

"ГОЛОСНИК-РЕЗОНАТОР" — ЭФФЕКТИВНЫЙ И ТРАДИЦИОННЫЙ
АКУСТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ В КУЛЬТОВЫХ СООРУЖЕНИЯХ
И.В. Пишенин
Винницкий национальный технический университет, г. Винница, Украина
Вступление
Существует мнение, что "храм — это аура плюс акустика". Задачей строителей — архитекторов и конструкторов — является проектирование любого сооружения таким образом, чтоб оно соответствовало своему назначению. Однако никто
не скрывает, что строящиеся сегодня храмы не отвечают предъявляемым к ним
акустическим требованиям, когда общеизвестно достаточное количество сооружений такого типа (возведенных вплоть до VII столетия), которые имеют идеальные
акустические условия. В наше время "уравновешивают" вопрос акустики в храмах с
помощью звукоусиления и подачи звука микрофонами равномерно в нужные области помещения. Нельзя скрыть, что даже таким образом полученный звук не имеет
требуемой "сочности" и благородности тембра, а звучит сухо и отрывисто, не говоря уже про комфорт для певца. Более-менее хорошую акустику получают при привлечении к проектированию специалистов-акустиков, чьи услуги довольно дороги
в силу индивидуального подхода к каждому храмовому помещению, и то с помощью электроакустики. Хотя известно, что методы звукоусиления не традиционны и
неканоничны для Православной Церкви.
Постановка задачи
Таким образом, ни инженер, ни конструктор сегодня не имеют пригодной
для прикладного использования простой методики проектирования важной части
инженерного обеспечения храма — акустики.
В чем же состоит проблема, если известны методы проектирования акустики
для зрелищных залов и даже существует "Пособие по проектированию залов многоцелевого назначения"?
По действующим нормативам [] для проектирования храмовых сооружений
достаточно проверить время реверберации — гулкость зала. Однако на практике в
таких залах звук наполненный шумовыми частотами настолько, что производит, в
сравнении с "звонкими" древними храмами, впечатление "тяжелого" и не имеет
должной динамичности, не говоря про разборчивость и мелодичность, обеспечение
которых обязательно в соответствии с []. Согласно классической теории акустики
это означает про несбалансированность частотных характеристик зала.
Рассматривая вышеупомянутые прикладные методики проектирования акустики, следует отметить их непригодность при проектировании храмов, в силу специфики их архитектуры, что и подтверждается практикой. Эта специфика состоит в
отсутствии возможности свободного варьирования геометрией и материалами отделки поверхностей согласно указаниям [], которые есть традиционными. Имеются
ввиду следующие предпосылки проектирования, когда, согласно []: а) параллельные стены и цилиндрические барабаны непригодны — вызывают "порхающее эхо";
б) канонически необходимые сводчатые поверхности вызывают концентрации и
направленность звуковых волн; в) большая высота помещения вызывает значи-
тельное запаздывание звука; г) большая непостоянность положения источника звука (вероятность его появления во всех точках зала) исключает выбор поверхностей
для формирования первых отражений; д) малая (несоразмерная с длиной звуковой
волны) площадь плоских участков в верхней зоне не позволяет применять методы
геометрических построений отражений звука; е) отсутствие возможности применения эффективных звукопоглощающих и звукоотражающих материалов и т. д. Также расчетная формула для определения времени реверберации, приведенная в [],
базируется на статистических методах, которые, согласно рассуждениям [], неприменимы при наличии концентраторов звука — сводов и арок. Приведенные примеры показывают некорректность результатов методов геометрической акустики при
проектировании храмов, что и подтверждается практикой. Обычно в таких случаях
рекомендуется
производит
проектирование
исключительно
специалистами-
акустиками по волновой теории. Однако методы волновой акустики связаны со
сложными математическими операциями и в практической деятельности вызывают
трудности. Нельзя не заметить, что при сложной геометрии храмового помещения
корректное вычисление собственных частот зала математическими методами иногда практически невозможно (например традиционный пятикупольный храм).
Возникает вопрос: а как же рассчитывалась акустика в различной формы
древних сооружениях, акустическим свойствам которых мы удивляемся и сегодня?
Думаю, будет логичным следующее утверждение: акустические качества добивалась весьма простыми для практического применения проектными и конструктивными решениями, не требующими знаний высшей математики и привлечения спе-
циалистов-акустиков, а пригодными для зала любой формы. Боле того, ни разу в
исторических документах не зафиксировано и исследователями не отмечено, что
размеры и форма храмовых помещений выбиралась из соображений обеспечения
акустики — напротив, постоянно отмечаются архитектурные предпосылки этого
выбора. Нужно заметить, что современная прикладная (доступная каждому инженеру и архитектору) акустика регламентирует именно форму и соотношение размеров зала. Осмелимся утверждать, что вышеупомянутые простые инженерноакустические решения были связаны именно с "голосниками-резонаторами".
"Голосник-резонатор" — возможное решение проблемы
Еще в античных театрах на открытом воздухе применяли в качестве резонаторов терракотовые или бронзовые вазы, заделываемые в ступени амфитеатра. Для
улучшения резонансных свойств храмовых помещений с древних времен используются вмурованные в стену и своды "голосники", т.е. особой формы пустотелые
глиняные сосуды, и которые можно широко встретить в грузинских (IV в.) и русских храмах начиная с Чернигова и до Новгорода. Очевидно, они выполняют роль
резонаторов Гельмгольца, т.е. они резонируют избирательно на необходимых звуковых частотах спектра певческого голоса.
Представляют практический интерес выводы английских ученых [] о работе
такого рода акустических резонаторов. Частота резонанса есть
0  ñ
где
S
,
l V
(1)
S — сечение горла; l — длина горла; V — объем резонатора (рис. 1).
Не вдаваясь в подробности, рассмотрим работы таких резонаторов. При частоте колебаний массы воздуха, близкой к резонансной частоте резонатора (1), он
вбирает в себя со всех направлений кинетическую энергию и накапливает ее в виде
потенциальной. Энергия, собираемая резонатором, может быть значительно больше той энергии, которая приносится падающей плоской волной на площадь, равную площади входного отверстия (рис. 2, а). Во время движения массы воздуха в
горловине всегда происходит некоторое затухание (рис. 2, б): часть энергии рассеивается благодаря трению в горловине (особенно при размещении в горловине пористого материала). Остальная часть постепенно восстанавливается вследствие излучения из горла резонатора (рис. 2, в). Восстановление происходит в течение времени, зависящего, только от внутреннего затухания резонатора, при все большем и
большем ослаблении интенсивности излучения. Таким образом, в зависимости от
затухания и селективности резонатора, что рассчитывается, резонатор является или
поглощающей системой или системой местного усиления (если затухание очень
мало). Поглощение одиночного резонатора может быть значительным (на резонансной частоте 150 Гц Амах=0,7 Сэбин), причем поглощение получается главным
образом на низких частотах, что является в акустике сложной задачей (особенно
при малых размерах помещения) и чрезвычайно важно для устранения шумовых
низких частот и обеспечения "звонкости" зала храма. Заметим, что эффект излучения существен только для одиночных или изолированных резонаторов, тогда как
близко расположенные друг к другу резонаторы работают эффективными поглотителями.
Пористые отделочные материалы, которые применяются при акустической
обработке залов, являются совокупностью резонаторов-поглотителей. При большом числе расположенных в кладке близко друг к другу "голосников-резонаторов",
работающих поглотителями, мы получаем аналогичный акустический материал,
эффективно поглощающий в требуемом диапазоне частот. Отметим преимущества
такого использования "голосников-резонаторов": а) при использовании большого
числа рядом расположенных "голосников" разных размеров и правильном их расположении (чтоб привлекалась энергия с сильно большой площади) получаем акустический "материал", поглощающий в очень широком диапазоне частот; б) возможно эффективное поглощение на низких частотах (в отличие от пористых акустических материалов); в) акустический "материал" является традиционным и
практически не изменяет интерьер храма, так как "голосники" могут быть незаметны за счет малого диаметра горловин (Софийский собор в г. Киеве); г) долговечность "голосников" равна долговечности основного материала стены.
Вопросы
определения
мест
расположения,
размеров
"голосников-
резонаторов", а также их влияния на разборчивость требуют дальнейшего теоретического и практического исследования. Однако, анализируя помещения старинных
храмов с учетом теории акустики можно сделать следующие замечания:
1. "Голосники", работающие усилителями, следует располагать в основном в
центральной и западной частях храма: а) немного выше пяты арок: усиливаются
полезные первые отражения от стен и колонн, создается "буферный" звук между
первыми отражениями от стен и сильно запаздывающего мощного первого отраже-
ния от подкупольного свода (так как сильно расчлененная поверхность арок не дает
существенного отражения звука); б) посредине стен в высоких храмах: несколько
рассеиваются сильные первые отражения — уменьшается эффект "порхающего
эха" между параллельными стенами, увеличивается диффузность звукового поля, в
первое отражение вносится небольшое запаздывание (эффект мягко нарастающего
по храму уровня звука).
2. "Голосники", работающие поглотителями можно располагать в местах, в
которых по теории волновой акустики возникают концентрации аномальных звуковых волн: осевых и касательных (углы помещения, цилиндрические поверхности
и т.д.).
3. Количество "типоразмеров" обычно не превышает трех-четырех при правильном расчете селективности системы и в силу существования для одной формы
нескольких собственных частот (через октаву). При этом первую (острую) резонансную частоту желательно располагать около области первой октавы.
4. Для равномерного распределения звука желательно располагать "голосники" сражу всем комплектом типоразмеров, расстояние между группами принимается в зависимости от назначения (усиление, поглощение), согласно изложенным
выше принципам.
5. Конструкция, в которую заделывается резонатор, должна обеспечивать
жесткость положения. Толщина конструкции должна превышать длину "голосника", а слой, находящийся за голосником, обеспечивать надежную звукоизоляцию
резонатора от уличного шума. Возможно закрытие горла поглощающего резонато-
ра тонким слоем штукатурки, если это учтено в расчете собственной частоты и затухания резонатора (в храме Св. Софии г. Киева в стенах замуровано множество резонаторов разных размеров с узким заштукатуренным горлом).
Выводы
1. С помощью "голосников-резонаторов" можно выровнять частотную характеристику храмового помещения любой формы, придать звуку должную диффузность, прозрачность и мелодичность без выполнения специальных и трудоемких
расчетов и изменения формы зала, что важно при реконструкции.
2. "Голосники-резонаторы" могут быть успешно применены для поглощения
звука, в том числе шума, поступающего через ограждающие конструкции.
3. "Голосники-резонаторы", работающие как системы местного усиления
усиливают выборочно нужные частоты спектра певческого голоса и создают хорошую слышимость во всех точках храма, независимо от положения источника.
4. Использование "голосников-резонаторов" традиционно и исключает использование электроакустики, звук приобретает требуемый ненаправленный характер (звук "с неба"), в случае надобности храм может приобрести дополнительную
реверберацию.