Акустика театров на примере Сиднейского оперного театра

Окончательный проект оперного театра. Разрез.

Различные стадии разработки проекта  оперного театра оценивались в соответствии со значением индекса инверсии. Этот критерий оказался особенно полезным при оценке вариантов проекта  оперного театра. При измерении EDT в различных моделях источник звука попеременно размещался на сцене и в оркестровой яме. В каждом случае микрофон располагался в тех же местах, что и источник звука. Таким образом, после подсчёта II было необходимо определить влияние каждого из обоих случаев для каждого из вариантов проекта. Это привело к показательному методу прослеживания изменения значений II в ходе изменений проекта. На ранних стадиях разработки проекта с плоским потолком и выступающим над авансценой отражателем значения II, значительно отличались при расположении источника звука на сцене и в оркестровой яме. Это могло быть истолковано как проявление нарушения баланса между акустическими условиями для певцов и оркестра.

С внесением изменений в проект наблюдаются изменения в значениях  II и одновременное коллективное изменение этих значений. Нужно также обратить внимание на то, что это не является исключительно вопросом частного диапазона, хотя, если рассмотреть больше значений, различия между условиями сцены и оркестровой ямы нисколько не уменьшаются.

К числу многих проблем и относилась проблема обеспечения достаточно низкого уровня шума в зрительном зале и на сцене. В случае с Сиднейской оперой эта проблема была довольно трудной. Нужно было учитывать шумы, доносящиеся из бухты, шумы поездов, проходящих по неподалёку расположенному мосту через бухту, а также звуки сирен в туманную погоду и гудки пассажирских паромов. Особенно мешали гудки океанских лайнеров, издаваемые при выходе из Сиднейской бухты. 

Внешние ограждения оперы должны были состоять из больших стеклянных поверхностей, снабжённых похожими на жалюзи стенами, которые закрывали проёмы раковин. Внутренние перегородки между помещениями фойе и зрительными залами должны были представлять собой сравнительно лёгкие конструкции из-за нагрузочных ограничений, накладываемых раковинами.

В первый период были разработаны  некоторые мероприятия по снижению проникающего шума, но тогда так  и не приняли решение по разработки конструкций. Когда окончательный  проект был готов к реализации, подробно изучили проблему значительного  снижения уровня проникающих шумов. Необходимо было принять во внимание общий путь передачи внешнего шума через стеклянные поверхности, через  фойе, внутренние стены и конструкцию потолка. Стало очевидным, что добиться совершенно одинакового уровня снижения проникающего шума для обоих больших залов не возможно, поскольку ограничения пространства в оперном театре означали, что это зал не сможет иметь совершенно независимую конструкцию внутреннего перекрытия.

Прежде всего необходимо было установить степень снижения шума, которую могут обеспечить стеклянные поверхности между внешним пространством и помещениями фойе. Опытным путём установили степень снижения шума, которую можно получить при использовании многослойного остекления со стёклами толщиной 18 мм. Но из-за высокой стоимости пришлось отказаться от двойного остекления.

Внутренний потолок представлял собой  двухслойную панельную конструкцию (фанера + гипс). Панели разработали специально для создания упругой мембраны с резонансом в области низких частот и малым коэффициентом поглощения на низких частотах. Это внутренне покрытие также усилило звукоизолирующую способность конструкции. В результате уровень проникающего шума должен был снизиться до 70 дБ.

Чтобы измерить уровень проникающего шума в залах при различных  внешних условиях использовали вертолёт, который летал над раковинах  примерно на высоте 60м над уровнем  моря. При этом в зрительных залах регистрировали уровень проникающего шума (в октавных полосах частот), затем записывали уровень шума без вертолёта.

Уровень шума (дБ)  зависит от частоты. 1-уровень шума при полёте вертолёта. 2-уровень обычного шума в зале.

Уровень шума внутри зала (производимый вертолётом) можно отличить от обычного только в октавных полосах частот 31,5-500 Гц, причём он не превышает  N 15 в любой из этих октав.

К концу 1972 г. оба больших зала оперы  были близки к завершению. Были проведены  пробные выступления в заполненных  залах и одновременно акустические испытания, в том числе выстрелы со сцены и запись импульсивного  отклика в различных точках залов  со зрителями и без них. В серию испытаний включили и «классический» метод, когда источником звука служит оркестр, играющий первые аккорды увертюры к «Кориолану» Бетховена, которые содержат несколько фортиссимо, внезапно прерываемых дирижёром. Когда дирижёр и оркестр действуют синхронно, добиваясь мгновенного прекращения звучания всех инструментов, то возникает истинный процесс реверберации, который после частотного анализа и регистрации позволяет установит значения Т при наличии зрителей. Конечно принято считать, что индивидуальный процесс послезвучания всех инструментов незначителен по сравнению с процессом затухания звуков в самом зале. Это необходимо проверять, особенно при игре на тимпане и барабанах.

Из разных параметров, определённых при различных условиях , проанализированы значения Т, EDT и II. Особенно внимательно изучались в период испытаний частотные характеристики T концертного зала, поскольку существовала договорённость, места панельных покрытий могут быть при желании изменены с другими характеристиками  звукопоглощения.

Деревянные  панели со щелевой перфорацией действовали  как резонансные звукопоглотители с максимумом поглощения в диапазоне  450-500 Гц. Закрывая некоторые щели профильным неопреном (его вставляли в щели) можно было снизить максимум поглощения до 200 Гц.   Первая измеренная частотная характеристика Т была ровной за исключением повышения значения в области 200Гц. Закрывая четыре из пяти щелей в каждой панели, теоретически можно перенести максиму поглощения  для выравнивания частотной характеристики Т. Эта процедура была рекомендована и выполнена после пробных концертов. Результаты измерений показали, что выравнивание было достигнуто.      

Значение  Т в зависимости от частоты в концертном зале. в пустом-1 и заполненном-2 зале.

Вовремя модельных  испытаний концертного зала проверили влияние отражателей, расположенных над подиумом, значение индекса инверсии. В модели они были установлены на уровне софитов боковых лож или на максимально возможном уровне под потолком. Общая площади отражателей соответствовала40–50% перекрываемой ими площади потолка.  Отражатели были круглыми (со слегка выпуклой нижней стороной ), диаметром1-2 м (в натуре).             При рассмотрении фактических очертаний отражателей в концертном зале изучили различные их формы и приняли кольцевую, занимающую меньше места. Принято считать, что такие отражатели большей рассеивающей способностью в горизонтальных направлениях. Во время пробных концертов их располагали в трёх разных положениях: 1) на уровне софитов боковых лож, на расстоянии8м от пола сцены, 2) на расстоянии 10,5 м. от пола сцены и  3) под короной, расположенных под потолком над сценой на расстоянии 20 м. от пола сцены. Варианты индекса инверсии для этих площадей не очень различались, но путём измерений в заполненном зале установили, что положение 2 оказалось предпочтительным и было принято за основу.            Ко времени пробных концертов  сложилось мнение, что акустика концертного зала будет соответствовать результатам обьективных испытаний: характер музыкального звука будет яркий, блестящий со значительными динамическими диапазонами.        Сезон открытия (начиная с сентября 1973г.)  подтвердил это мнение, его высказывали также солисты- вокалисты и солисты – инструменталисты вместе с дирижером.

  Лишь некоторые объективные особенности этого зала могут иметь значения для субъективных  впечатлений.  Так, значительные площади отражающих поверхностей, окружающих оркестр (вкл. подвесные отражатели),  обеспечивают музыкантов ранними отражениями;  форма зала способствует увеличению отражающих зон по мере распространения звука от подиума (подиум, партер, первая терраса, вторая терраса);  значительное рассеяние звука множеством препятствий на основном потолке (рёбра и воздухораспределительные устройства), частотная характеристика Т (или скорей EDT) с весьма полезным увеличением реверберации на высоких частотах, весомый вклад боковых отражателей от вертикальных боковых стен.            Пробный концерт в оперном театре также был совмещён с измерениями объективных параметров Т, EDT и II как для пустого так и для заполненного зала.            Одна из проблем оперного театра – возможность получения необходимой реверберации в заполненном зале, поскольку объём  на каждое место сравнительно был не большой. Для обивки кресел использовали кожу; такое кресло имеет меньшее поглощение на высоких частотах, и даже если во время представления какие-то места окажутся свободными, небольшое повышение значения Т , особенно на высоких частотах . В заполненном зале значение Т близко к 1,4 с, т.е. несколько больше чем предполагалось, но весьма удовлетворительно для оперного зала такого размера. Это значение почти постоянно в весьма широком диапазоне частот (100 – 200 Гц).   Значение Т в зависимости от частоты в пустом-1 и заполненном-2 зале.

Значение Т в зависимости от частоты в оперном театре: пустом-1 и заполненном-2 зале.

Рассматривая  значения Т, можно отметить хорошее совпадение  значений, измерений в зале и в модели. Точки использования в обоих залах для записи импульсного отклика, были практически теми, что и в моделях, значения EDT,не обнаружили в какого- либо близкого соответствия. Похоже, что изменения EDT слишком малы для того,  чтобы говорить о «локальных» акустических условиях, за исключением тех случаев, где эти различия оказываются ярко выраженными (20-30% или более).   Пробный концерт в оперном театре, а также спектакли во время открытия (сентябрь – октябрь 1973 г.) также  получили положительные  отзывы  музыкальных критиков. Но при этом отмечалось, что уровень звука в оркестровой яме при проигрывании оркестром пассажей фортиссимо были временами очень громки. Чтобы решить эту проблему, обработали внутреннюю сторону потолка оркестровой ямы низкочастотным поглотителем, использовав для этого панели, уже установленных на боковых стенах.            Таким образом, при имеющихся геометрических ограничениях помещения (размещение под раковинами) строительный комплекс  хорошо обеспечивает две основные функции – симфонический концерты в концертном зале и оперные представления в оперном театре.    Вторая функция в концертном зале – проведение в нём конгрессов(соответствующие условия для речи) – требует высококачественной  системы авукоусиления. Решить проблему обеспечения чёткости речи в концертном зале на 2700 человек со временем  реверберации 2 с  было не просто. В некоторых вариантах рассматривалась необходимость применения распределительной системы громкоговорителей (с использованием соответствующих линий задержки).       Однако для сохранения естественности голоса и правильной локализации оратора предпочтительнее ориентироваться на централизованную систему громкоговорителей, расположенных у сцены не слишком далеко от трибуны.         Существуют два основных типа звукоизлучателей централизованной системы: рупорные громкоговорители и звуковые колонки. Ни один из этих типов нельзя считать идеальным, но на основе опыта отдали предпочтение звуковым колонкам. Направленное излучение требуется для снижения вероятности акустической обратной связи и в принципе колонки имеют то преимущество, что их можно сконструировать, обеспечив высокую направленность (в вертикальной плоскости). Но в то же время существуют определенные ограничения, связанные диапазоном частот, в котором может быть достигнута одинаковая диаграмма направленности. Направленное излучение низких частот определяется высотой колонки, а границы высоких частот — характеристикой направленности одиночного диффузорного громкоговорителя. Для поддержания постоянного угла излучения в широком диапазоне частот колонка должна быть значительной высоты, а на высоких частотах должна быть «сужена» до предела или электрически, путем постепенного уменьшения выходной мощности головок, расположенных ближе к краям колонки, или акустически, путем экранирования части излучения этих головок.          Оба метода опробовали экспериментально на колонках высотой 4 и 1,5 м, колонки для концертного зала были соответственно обеспечены электрическим и акустическим «сужением». Предварительные испытания обоих методов в зале привели к выводу, что электрический метод дает наилучшие результаты, на нем и остановились. (В испытаниях, а также в разработке нового метода электрического сужения принимала участие компания AWA, Австралия.)          В окончательную систему включены четыре колонки: одну высотой 4 м подвесили над сценой и направили на заднюю часть зала, вторую высотой 1,5 м подвесили таким же образом и направили на места, расположенные под органом, еще две высотой по 1,5 м смонтировали на тележках и разместили в передней части сцены, слева и справа.        Диаграмма направленности в вертикальной плоскости колонки высотой 4 м для октавных полос со средними частотами 250—8000 Гц. При переходе от 0° к 90° уровень излучения падает на 10 дБ и больше, а угол излучения (кроме частоты 250 Гц) составляет ±10—12°. На всех местах в зале был получен удовлетворительный уровень речи 80 дБ.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (звуковая колонка 4 м), концертный зал

Были также установлены дополнительные системы громкоговорителей кино для таких мероприятий, как эстрадные  представления и демонстрация кинофильмов. Но необходимо отметить, что в проекте не предусматривалось выступление в концертном зале современных групп, электрических музыкальных инструментов, индивидуальных систем усиления и очень высокого уровня звучания бит- и рок-музыки, а также телевизионных шоу. Поэтому настоятельно рекомендовали ограничить до минимума использование концертного зала для слишком шумных представлений.

Репетиционный зал (студия звукозаписи) оперного театра расположен в помещении, которое предполагалось использовать для сценического трюма главного зала — огромного пространства высотой 3—4 этажа и общим объемом более БОСО м3. Необходимо было решить проблему звукоизоляции между этим помещением и концертным залом, учитывая тот факт, что подиум концертного зала расположен непосредственно над репетиционным залом (студией звукозаписи).

Поверх плиты, отделяющей репетиционный зал от концертного, установили дополнительную «плавающую» бетонную плиту на неоиреновых прокладках. Проводка коммуникаций через перекрытие исключалась, все конструктивные отверстия были тщательно заделаны.

Звукоизоляция измерялась по завершении строительства репетиционного и концертного залов. Измерения показали, что разность средних уровней звукового давления между залами составляет 60—70 дБ. Точную цифру не могли вычислить, поскольку уровень окружающего шума делал измерения в октавных полосах со средними частотами 2000 и 4000 Гц невозможными.

Разность  средних уровней звукового давления в концертном и

репетиционном залах (значения в скобках, полученные при окружающем шумовом фоне, были меньше истинных значений или равны им)

Оркестр радиовещательной компании Эйбиси (Австралия) высказал просьбу о том, что реверберационные характеристики репетиционного и концертного залов были одинаковыми, а это означало, что Т должно быть близким к 2 с. Применяя резонансный звукопоглотитель с максимумом поглощения в диапазоне средних частот, частотную зависимость Т можно довести до значения описываемой кривой.

Значение Т в зависимости стадии проекта этот зал предот частоты для репетиционного зала (студии звукозаписи)

Первоначально репетиционный зал (студия звукозаписи) не имел зрительских мест, но затем устроили так, что несколько сот зрителей могли присутствовать в зале на различных музыкальных мероприятиях.