Тревор Кокс - Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес

В просторных помещениях с твердыми поверхностями, таких как соборы, мавзолей Гамильтона или похожий на пещеру лекционный зал в Музее Фогга, отражения слышны продолжительное время. Мягкие поверхности поглощают звук, уменьшая отражение и ускоряя затухание звука. Уоллес Сэбин экспериментировал с мягкими, звукопоглощающими материалами в лекционном зале — со стороны он выглядел как экзальтированный любитель подушек. Сэбин взял 550 метровых мягких сидений из соседнего кинотеатра и постепенно переносил их в лекционный зал Музея Фогга, чтобы проверить, что произойдет. Ему требовалась тишина, и поэтому он работал по ночам, когда студенты уходили домой, а на улицах прекращалось движение. Он измерял время полного затухания звука, но не хлопал в ладоши — непрерывно хлопать могут только профессиональные исполнители фламенко, — а использовал звук органной трубы.

Время до полного затухания звука Сэбин назвал временем реверберации , и в результате его работы появилось одно из главных уравнений акустики. Оно устанавливает связь между временем реверберации и размерами помещения, измеряемыми как физический объем, а также количеством звукопоглощающих материалов, таких как мягкие сиденья из экспериментов Сэбина или слой фетра дюймовой толщины, который он в конечном итоге использовал для облицовки стен лекционного зала, чтобы исправить его акустику. Одно из главных решений, которые принимают инженеры при проектировании помещения с хорошей акустикой — большой аудитории, зала судебных заседаний, офиса с открытой планировкой, — это желаемая длительность реверберации. После этого они могут использовать уравнение Сэбина, чтобы вычислить необходимое количество мягкого, звукопоглощающего материала [16] Иногда требуется изменить и физический объем. При проектировании концертных залов используется эмпирическое правило — не менее 10 кубических метров на одно место. .

Кроме времени реверберации, проектировщик должен учитывать частоту, которая напрямую связана с воспринимаемой высотой звука. Когда скрипач проводит смычком, струна ведет себя как крошечная скакалка, описывая круги. Если скрипач берет ноту, которую музыканты называют средним до, струна делает 256 оборотов в секунду. Вибрация скрипки посылает во все стороны 256 звуковых волн каждую секунду — с частотой 256 герц (Гц). Эта единица измерения была названа в честь Генриха Герца, немецкого физика XIX в., который первым научился излучать и принимать радиоволны. Самая низкая частота, которую может слышать человек, составляет около 20 Гц, а самая высокая (у молодых людей) — 20 000 Гц. Но наибольшее значение имеют частоты, расположенные в середине диапазона. Рояль издает звуки частотой от 30 до 4000 Гц. За пределами этого диапазона мы уже с трудом различаем высоту звука, и все ноты становятся похожими друг на друга. Выше 4000 Гц мелодии превращаются в бессмысленный свист человека, лишенного музыкального слуха. Наше ухо эффективнее всего усиливает и различает звуки на средних частотах, в диапазоне музыкальных нот. В этот диапазон попадает и речь, и поэтому при проектировке залов, предназначенных для исполнения музыки, акустические инженеры в своих расчетах используют частоты от 100 до 5000 Гц.

В 2005 г. Брайан Кац и Эварт Уэтерил применили компьютерные модели для оценки эффективности мер Сэбина в Музее Фогга. Они ввели в программу размер и форму лекционного зала и использовали уравнения, описывающие, как звук распространяется по помещению и отражается от поверхностей и объектов. Затем они добавили виртуальные звукопоглощающие материалы к модели зала, чтобы сымитировать действия Сэбина. Хотя акустика улучшилась, в некоторых местах речь по-прежнему оставалась плохо различимой. По словам одного из студентов, в зале были как места, где они хорошо слышали лектора, так и «мертвые зоны, в которых зачастую ничего невозможно было разобрать» [17] Эта цитата датируется 1972 г., после чего была проведена дальнейшая реконструкция лекционного зала. Katz B. F.G., Wetherill E. A. Fogg Art Museum lecture room: A calibrated recreation of the birthplace of room acoustics. (Доклад был представлен на Акустическом форуме в Будапеште 29 августа — 2 сентября 2005 г.) В 1973 г. зал снесли, а на его месте построили студенческое общежитие. . Хотя результат получился далеким от совершенства, эксперименты Сэбина заложили основу для разнообразных акустических исследований. Его уравнения и сегодня составляют фундамент архитектурной акустики.

Мне нравится приходить в концертный зал и чувствовать контраст между маленьким холлом и огромным пространством самого зала. Из тесного прохода вы попадаете в просторное помещение, слушая тихие, исполненные ожидания разговоры и редкие громкие звуки, вызывающие мощную реверберацию. Особое волнение я испытываю, переступая порог симфонического зала в Бостоне. Бостонский симфонический зал — Мекка для многих акустиков, поскольку именно там Уоллес Сэбин применил свою новую науку, чтобы спроектировать аудиторию, которая до сих пор входит в тройку лучших в мире мест для исполнения классической музыки. Зал, построенный в 1900 г., имеет форму обувной коробки — длинный, высокий и узкий — с шестнадцатью копиями греческих и римских статуй, установленных в нишах над балконами. Обычно я устраиваюсь на одном из скрипучих кресел, обтянутых черной кожей, и слушаю, как настраивают инструменты музыканты Бостонского симфонического оркестра, расположившиеся на приподнятой сцене перед позолоченным органом. При первых же звуках музыки я понимаю, почему публика и критики так любят это место. Зал превосходно украшает и обогащает музыку — время реверберации в нем составляет 1,9 секунды [18] Значение для заполненного зала и средних частот. . Когда после умеренно громкого пассажа оркестр умолкает, для полного затухания звука требуется около 2 секунд.

Во время концерта на открытом воздухе оркестр может играть под навесом, в то время как зрители наслаждаются пикником. Нередко вечер заканчивается шампанским и грохотом фейерверка в небе. Это приятные концерты, но оркестр звучит тихо, как будто издалека. В хороших залах, таких как в Бостоне, музыка, наоборот, заполняет все помещение и окружает слушателей со всех сторон. Реверберация усиливает звучание оркестра, которое становится более громким и впечатляющим. Реверберация помогает получить богатый и яркий звук. Современный дирижер Адриан Боулт говорит: «Идеальным концертным залом, очевидно, является тот, в котором оркестр производит не слишком приятный звук, а слушатели получают нечто прекрасное» [19] Цитата из Beranek L. L. Music, Acoustics & Architecture. Hunting, NY: Krieger, 1979, где в замечательной первой главе приведены некоторые мифы об акустике концертных залов. .