АРХИТЕКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗРИТЕЛЬНЫХ ЗАЛОВ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Исаков Ю. И.

doi:10.60797/mca.2024.48.2

АРХИТЕКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗРИТЕЛЬНЫХ ЗАЛОВ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Научная статья

DOI:

https://doi.org/10.60797/mca.2024.48.2

Выпуск: № 5 (48), 2024

Предложена:

25.03.2024

Принята:

21.05.2024

Опубликована:

21.05.2024

744

14

XML

PDF

Аннотация

Обсуждается подход к архитектурному проектированию зрительных залов. Предлагается использовать Acoustic Performance-Based Design (APBD) архитектурное проектирование, основанное на акустической производительности. Акустическая производительность оценивается по комплексу перцептивных параметров звукового поля аудитории (зрительного пространства). Процесс восприятия звука представлен в виде системы доменов: физического, сенсорно-перцептивного и когнитивно-аффективного. Особенность подхода состоит в том, что аффективные значения перцептивных параметров звукового поля аудитории контролируются, начиная с этапа концепции зрительного зала. Архитектурное проектирование зрительных залов на основе акустической производительности можно считать новой парадигмой, позволяющей избежать строительства зрительных залов с акустическими ошибками.

Ключевые слова:

архитектурное проектирование, акустическая производительность, зрительный зал, звуковое поле, перцептивные параметры.

1. Введение

Один из современных подходов к архитектурному проектированию – это Performance-Based Design (PBD), проектирование, основанное на производительности. В

Х. Ши анализирует как лучше интерпретировать термин «Performance»: «производительность», «эффективность», «исполнение», «характеристики» и т.д. и выбирает именно «производительность». Он же выделяет три категории производительности: производительность структуры, производительность физической среды, эти категории могут быть определены количественно и третья производительность – это эстетические и культурные факторы, которые не подлежат количественной оценке. Концепция PBD появилась в 1970-х годах и стала наиболее привлекательна для архитекторов в наши дни благодаря техническому прогрессу в компьютерном моделировании и в частности, развитию компьютерного параметрического моделирования. PBD знаменует собой сдвиг парадигмы от традиционного «создания формы» к подходу «нахождения формы». К характеристикам физической среды относятся акустические характеристики зрительного зала, следовательно, Acoustic Performance-Based Design (APBD) архитектурное проектирование, основанное на акустической производительности является наиболее перспективным подходом к архитектурному проектированию зрительного зала. Примерами такого подхода к проектированию могут выступать знаменитые филармонии, построенные в XXI веке: Парижская филармония и Эльбская.

2. Филармония Парижа, Франция

Архитектура: Ateliers Jean Nouvel, Brigitte Metra Associes. Акустика: Marshall Day Acoustics, Nagata Acoustics, Studio DAP, Kahle Acoustics, Altia Acoustique, Jean-Paul Lamoureux and ASC. Париж, Франция, 2015год

. Количество мест: 2400; Объем помещения: 37 700 м3. Время реверберации (октавный диапазон 500 Гц). Зал без зрителей и музыкантов: 3,1 секунды. Занятый зал: 2,6 секунды .

Сэр Гарольд Маршалл сказал в интервью: «Звук – это часть пространства, которое создает архитектор. Серьезная ошибка думать, что звук – это то, что можно исправить после события, потому что форма помещения и звук должны быть одним и тем же в восприятии публики и особенно в восприятии музыкантов»
. Он выделяет пять основных характеристик зрительного зала для симфонической музыки: музыкальная динамика, ясность звучания, реверберация, ощущение «окутанности» звуком и условия для ансамблевой игры музыкантов
. Первая особенность этого зала – это двойная оболочка. Внутренняя для создания ранних отражений на зрительских местах и на сцене, внешняя для удлинения реверберационного процесса, вторая особенность – это «летающие» балконы для создания охвата зрителей звуком со всех сторон (рис.1). Третья особенность – это улучшенная звукоизоляция, в зале очень тихо, что позволяет играть пиано – пианиссимо. Проектирование зрительного зала включало как масштабные модели, так и параметрическое моделирование и акустическое моделирование с помощью программ Grasshopper, Maya, Odeon . Процесс оптимизации геометрии акустических «облаков» был осуществлен с помощью параметрического моделирования. Критериями для оптимизации являлись времена задержек и соотношение энергий прямого и отраженного звука на зрительских местах. Затем с помощью акустического моделирования в программе Odeon оценены результаты оптимизации. Такое моделирование показало, что процесс оптимизации приводит к значительному повышению акустической производительности без ущерба для архитектурной концепции .

Рисунок 1 - Филармония Парижа:

a – продольный разрез; b – план; c – поперечный разрез; d – фото пространства между оболочками; e – фото зрительного зала

Примечание: по ист. [3]

3. Эльбская филармония, Гамбург, Германия

Архитектура: Herzog & de Meuron. Акустика: Nagata Acoustics

. Место: Гамбург, Германия, 2017 год. Количество мест: 2100; Объем помещения: 23000 м3; Время реверберации, Т30 без зрителей и оркестра: 2,4 сек. Занятый: 2,3 сек. Сила звука, G: 5,4 дБ; Время раннего затухания, EDT: 2,3 сек.; Прозрачность музыки, С80: 0,3 дБ; Центральное время Ts: 135мс.

Такие высокие акустические параметры получены тоже благодаря акустическому моделированию и параметрическому проектированию уникальных акустических панелей (рис.2). Всего спроектировано 10000 акустических панелей с неповторяющимся рельефом. Рельеф поверхности панелей разрабатывался с помощью параметрического моделирования или генеративного моделирования и оптимизации APBD. Базовый рельеф – морская ракушка – варьируется по глубине от 10 до 90 мм и ширине от 40 до 160 мм, в зависимости от места расположения и требуемой длинны волны . На сегодняшний день – это один самых совершенных в акустическом смысле зрительных залов для симфонической музыки.

Рисунок 2 - Эльбская филармония, Гамбург:

a – продольный разрез; b – план; c – стены и потолок из акустических панелей; d – фото зрительного зала; e – фото здания

Примечание: по ист. [5]

4. Понятие акустической производительности архитектуры зрительного зала

В общей схеме процесса создания (возникновения) звука, передачи и восприятия звука слушателем, процесс передачи звука от источника к приемнику предлагается называть акустической производительностью архитектуры зрительного зала (рис.3).

Рисунок 3 - Взаимосвязь процессов создания, передачи и восприятия звука

Примечание: авторский

По сути, акустическая производительность – это работа, выполняемая архитектурой зрительного зала в процессе передачи звука от источника к слушателю. Оценка акустической производительности архитектуры зрительного зала производится по параметрам звукового поля аудитории (зрительной зоны). В этом случае под звуковым полем аудитории будем понимать плоскость, объединяющую органы слуха зрителей. Человек – слушатель и его комфортное восприятие аудиопроизведения – вот основной критерий оценки акустической производительности зрительного зала. Это хорошо согласуется с философией Протагора: «человек – мера всех вещей» . А также с основной задачей Витрувия, которую он ставил перед архитектором театра: стараться, «… чтобы всякий звучащий со сцены голос доходил до ушей слушателей отчетливее и приятнее» . Лео Беранек изучил термины, применяемые музыкантами, акустиками и критиками в описании акустического качества зрительных залов: «Не каждый музыкант знаком со всеми терминами, и не все акустики согласны с определениями, …, тем не менее список терминов и определений, …, является результатом продуманного компромисса, составленного из интервью с музыкантами и поклонниками славы (музыкальными критиками), а также из литературы об акустике концертных залов и оперных театров»
. Беранеком были сформулированы более двадцати терминов и определений акустического качества зрительного зала. Количество характеристик растет, и современный перечень Куусинен и Локки предложили оформить в виде колеса акустики концертного зала (рис.4).

Рисунок 4 - Колесо акустики концертного зала

Примечание: по ист. [9]

Колесо акустики объединяет категории во внутреннем круге, которые лежат в основе восприятия и уже имеют формальные названия. Внешний круг составлен из атрибутов, которые представляют различные подкатегории, аспекты, нюансы основных характеристик. Эти атрибуты и категории базируются на терминах, выявленных Беранеком. Для лучшего понимания связей между параметрами, категориями и атрибутами, процесс восприятия слушателя лучше представить в виде системы фильтров (рис.5).

Модель восприятия в виде фильтров, состоящих из трех доменов: физического, перцептивного и аффективного, разделенные сенсорным и когнитивным фильтрами соответственно

Рисунок 5 - Модель восприятия в виде фильтров, состоящих из трех доменов: физического, перцептивного и аффективного, разделенные сенсорным и когнитивным фильтрами соответственно

Примечание: по ист. [10]

В этом процессе выделяем три основные домена: физический домен – описание зрительного зала помощью объективных параметров: площадь, объем, стандартная реверберация; пройдя через сенсорный фильтр слухового восприятия формируется перцептивный домен, который описывается перцептивными параметрами восприятия звука слушателем; третий домен восприятия – аффективный, в него информация поступает через когнитивный фильтр, который описывается впечатлениями услышанного звука на основе слухового опыта. Осмысленное восприятие позволяет сформировать зоны оптимумов значений перцептивных параметров. Таким образом аффективный домен – это система оптимумов, основанная на эстетике и культуре слушателя, позволяющая скорректировать требования к физическим параметрам зрительного зала. Для проектирования очень важно опираться на те параметры, которые можно измерить или спрогнозировать. Например, время стандартной реверберации RT60 в помещении – это величина физического домена, которую можно измерить T20 (T30) и которой в настоящее время пользуются в архитектурной акустике зрительного зала. Пропуская через сенсорный фильтр, слушатель оценивает время воспринимаемой реверберации, которое может быть измерено как время раннего затухания EDT – это уже величина перцептивного домена. Идеальный случай, когда стандартное и воспринимаемое время реверберации совпадают, как это наблюдается в зрительном зале Эльбской филармонии (см. выше). Изучением процесса сенсорно-перцептивного восприятия занимается наука психоакустика. Развитие технологий измерений позволяет более детально изучать параметры восприятия и на данном этапе сформирован перечень перцептивных параметров, которыми уже можно оценить в цифрах акустические параметры звукового поля, следовательно, и акустическую производительность. Пропуская через когнитивный фильтр, слушатель отмечает полноту тона – это характеристика аффектного домена. Компромисс между ясностью звучания и полнотой тона (полнота звучания) достигается при оптимальном времени реверберации для исполняемого аудиопроизведения. В свою очередь, оптимальное время реверберации для аудиопроизведения определяется жанром, эстетикой и культурой. Определив величину оптимального времени реверберации, можно скорректировать архитектуру зрительного зала, чтобы добиться наилучшего звучания данного произведения в данном зале. Следовательно, в идеальных условиях, акустическая производительность данного зрительного зала должна быть оптимальна для данного аудиопроизведения и жанра.

5. Перечень перцептивных параметров ИСО 3382 и их недостатки

Уже существует стандарт ИСО 3382

, в котором приводятся перцептивные параметры звукового поля, их типовые значения и пороги восприятия изменения параметров (табл.1). В стандарте нет рекомендаций по оптимальному значению перцептивных параметров, в нем лишь описана теория каждого параметра и метод измерений.

Таблица 1 - Перцептивные параметры звукового поля зрительного зала

DOI:10.60797/mca.2024.48.2.6

Субъективный параметр, оцениваемый слушателем	Акустическая величина (наименование и обозначение)	Диапазон усреднения по октавным полосамa, Гц	JND Ощущаемое отличие	Типичный диапазонb
Ощущаемая реверберация	Время раннего затухания (EDT), с	от 500 до 1000	5%	(1,0;3,0) с
Субъективный уровень звука	Сила звука G, дБ	от 500 до 1000	1дБ	(-2; +10) дБ
Ощущаемая ясность звука	Прозрачность музыки C80, дБ	от 500 до 1000	1дБ	(-5; +5) дБ
	Четкость речи D50	от 500 до 1000	0,05	(0,3;0,7)
	Центральное время Ts, мс	от 500 до 1000	10мс	(60;260) мс
Пространственность. Кажущаяся ширина источника (ASW)	Ранняя боковая энергетическая составляющая JLF или JLFC	от 125 до 1000	0,05	(0,05;0,35)
Окружение слушателя (LEV)	Поздний боковой уровень звука LJ	от 125 до 1000	Не известно	(-14; +1) дБ

Примечание: a - усреднение по октавным полосам означает арифметическое среднее для величин в октавных полосах, за исключением уровня, который должен усредняться энергетически; b - усредненные по частоте значения в отдельных точках измерений в незаполненных концертных и многоцелевых залах объемом до 25000 м2

Однако проектирование звучащих залов все еще остается в большей степени архитектурным искусством. Исследователи этого феномена Киркегор и Галсруд считают, во-первых, что приведенные в стандарте перцептивные параметры частотно ограничены и не дают полного представления об архитектурной акустике зрительного зала. Диапазоны частот стандартных параметров значительно уже, чем реальных музыкальных инструментов и нашего слухового восприятия (рис.6). Во-вторых, результаты измерений и вычислений усредняются по звуковому полю аудитории и сглаживают аномалии на конкретных слушательских местах. В-третьих, для измерений используется всенаправленный источник звукового сигнала, но реальные музыкальные инструменты и голос имеют узкую направленность и особый спектр. Это также отмечается в работе , где для оценки параметров звукового поля предлагается использовать направленный источник сигналов.

Рисунок 6 - Диапазоны частот слухового восприятия и измерений

Примечание: по ист. [12]

6. Выбор формы зрительного зала на основе акустической производительности

Оценивать акустическую производительность зрительного зала необходимо на каждом этапе проекта, начиная с концепции, а не на последнем этапе подбора акустических материалов, чтобы получить рекомендованное значение времени реверберации в зависимости от объема. Концептуальный этап – это выбор формы зрительного зала. Оценка акустической производительности простых архитектурных форм зрительного зала по значениям перцептивных параметров звукового поля , позволяет выбрать форму, наиболее удовлетворяющую конкретному назначению зрительного зала (рис.7). У каждой формы есть свои преимущества, например, веерная форма способствует большей четкости речи (D50) и прозрачности музыки (C80). Обратный веер – большей пространственности звучания (LF), а многоугольная форма большей силе звука (G). Заметим, что прямоугольная форма имеет наименьшую четкость речи и прозрачность музыки, а пространственность звучания и сила звука имеют средние значения из 4-х исследованных форм. И эту зависимость акустической производительности от формы практически невозможно исправить выбором акустических материалов на последнем этапе проектирования зрительного зала.

Рисунок 7 - Модели зрительных залов 4-х форм:

R - прямоугольник; F - веер; FR - обратный веер; P - многоугольник

Графики зависимости значений акустических параметров D50, C80, G, LF от частоты у 4-х форм зрительных залов с отражающими боковыми стенами

Рисунок 8 - Графики зависимости значений акустических параметров D50, C80, G, LF от частоты у 4-х форм зрительных залов с отражающими боковыми стенами

7. Заключение

Предлагаемое понятие акустическая производительность архитектуры зрительного зала включает в себя все параметры звукового поля, которые могут быть измерены в реальном зале или спрогнозированы с помощью моделей. Дальнейшие исследования в архитектурной акустике, музыкальной акустике, психоакустике и электроакустике позволят дополнить и может даже пересмотреть параметры звукового поля, но архитектурное проектирование зрительного зала на основе акустической производительности можно считать новой парадигмой, которая спустя двадцать веков приближает нас к философии Витрувия: «Всякий, кто усвоил себе эту теорию, сможет …довести театр до того совершенства, которое отвечает природе голоса и наслаждению слушателей»

.

Дополнительные материалы

Не указаны

Финансирование

Авторы не получали финансовой поддержки для проведения исследования, написания и публикации статьи

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю, кандидату архитектуры, доценту ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств имени А.Д. Крячкова» Лихачеву Евгению Николаевичу.

Конфликт интересов

Не указаны

Список литературы

Xing S. Performance-based and performance-driven architectural design and optimization / S. Xing // Front. Arch. Civ. Eng. — 2010. — Vol. 4. — P. 512-518.
Shtrepi. L. Acoustic Performance-Based Design: A Brief Overview of the Opportunities and Limits in Current Practice / L. Shtrepi, A. Astolfi, E. Badino // Acoustics. — 2020. — Vol. 2. — p. 246–278. — DOI: 10.3390/acoustics2020016
Philharmonie De Paris // Nagata Acoustics International. — 2022. — URL: https://www.nagata-i.com/portfolio/philharmonie-de-paris/ (accessed: 05.12.2023).
Interview with Sir Harold Marshall, Principal Acoustician of the Philharmonie de Paris, pioneer of lateral reflections and great innovator in concert hall design. — 2018. — URL: https://www.marshallday.com/news/2018/sir-harold-marshall-on-philharmonie-de-paris/ (accessed: 05 12 2023).
Elbphilharmonie Hamburg, Grosser Saal. — 2017. — URL: https://nagataacoustic.wpenginepowered.com/wp-content/uploads/2019/06/Elbphilharmonie_NAGATA.pdf (accessed: 05 12 2023)
Летучих А.Н. Основные идеи древнегреческой софистики / А.Н. Летучих // Бюллетень медицинских Интернет-конференций. — 2017. — Т. 7. — № 6.
Витрувий. Десять книг об архитектуре / Витрувий; пер. Ф.А. Петровского. — Москва: Издательство Всесоюзной Академии архитектуры, 1936. — Т. І. Текст трактата. — 331 с.
Beranek L. Concert Halls and Opera Houses. Music, Acoustics and Architecture / L. Beranek. — New-York: Springer: Verlag, 2004.
Lokki T. Wheel of Concert Hall Acoustics / T. Lokki, A. Kuusinen // Acta Acustica United with Acustica. — 2017. — Vol. 103. — P. 185-188. — DOI: 10.3813/AAA.919046.
Kaplanis N. Perception of Reverberation in Small Rooms: A Literature Study / N. Kaplanis, S. Bech, S.H. Jensen [et al.] // AES 55th International Conference. — Helsinki, 2014.
ГОСТ Р ИСО 3382-1-2013 Акустика. Измерение акустических параметров помещений. — 2014. — Ч. 1. Зрительные залы.
Kirkegaard L.A. In Search of a New Paradigm: How Do Our Parameters and Measurement Techniques Constrain Approaches to Concert Hall Design? / L.A. Kirkegaard, T. Gulsrud // Acoustics Today. — 2011. — Vol. 7. — № 1. — P. 7-14.
Исаков Ю.И. Особенности архитектурного акустического проектирования зрительного зала с круговым расположением зрителей / Ю.И. Исаков, Е.Н. Лихачев // Sciences of Europe. — 2021. — С. 18-24.
Исаков Ю.И. Влияние простых архитектурных форм на акустическое качество зрительного зала / Ю.И. Исаков, Е.Н. Лихачев // Приволжский научный журнал. — 2023. — №4. — С. 223-231.

Рецензия

Все статьи проходят рецензирование. Но рецензент или автор статьи предпочли не публиковать рецензию к этой статье в открытом доступе. Рецензия может быть предоставлена компетентным органам по запросу.

Информация об авторах

Аффилиация:Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств имени А.Д. Крячкова, Новосибирск, Российская Федерация

Роль:Автор, Концептуализация, Методология, Программное обеспечение, Апробация, Написание, проверка и редактирование, Написание черновика статьи и её подготовка, Анализ данных исследования, Исследование

ORCID:0000 -0002- 3312-7329

ELIBRARY AUTHOR ID:1130944

RESEARCHER ID:AIB-1027-2022

Метрика статьи

Скачиваний:14

ПросмотрыСкачивания

Просмотры

Всего: