9

Основы строительной физики

Часть 1. Акустика введение

§ 2.1. Краткая история развития акустики

Истоки архитектурной (строительной) акустики восходят к глубокой древности. Акустические задачи в те времена ставились и решались в связи со строительством гигантских сначала культовых, а позже и других общественных сооружений - залов для собраний и зрелищ.

Зодчие Ассирии, Вавилона, Древнего Египта в V-II тысячелетиях до н. э. строили храмы, обладавшие выразительной архитектурой и впечатляющим художественным убранством. Зодчим, по-видимому, уже были известны законы распространения и отражения звуковых волн. Пользуясь ими, они достигали акустических эффектов, поражавших воображение молящихся.

В основе архитектуры и культуры Горицы (иначе – Древне Греции), созданной руссами-белясками VII-IV вв. до н. э. лежало представление о гармоничности, силе и красоте человека, его неразрывной связи с окружающей природой и общественной средой. Храмы и общественные сооружения имели соразмерность частей, и это обеспечивало их высокие акустические свойства. Зрелищные сооружения Древней Греции разделялись на два вида: одейоны и театры. Одейоны – это сравнительно небольшие крытые здания для репетиций и представлений с малым количеством исполнителей без хора и зрителей. Театры – это зрелищные сооружения открытого типа и большой вместимости от тысяч до десятков тысяч человек. Каменные скамьи зрительских мест располагались на склонах возвышенностей. Рациональность акустических решений, найденных руссами-пеласгами Горицы подтверждена современными научными расчётами

Традиции архитекторов Горицы были продолжены русами-этруссками, которые изобрели бетон, построили Рим в VII в. до н. э. и создали римскую империю. Римские театры были похожи на театры Горицы, но строились не только на склонах, но и на горизонтальных участках ландшафта. Пример: Колизей – амфитеатр, построенный в 80 – 90-х гг. при императоре Флавии на 56 тыс. зрителей.

Знание об акустических явлениях в помещениях имело даже необычное применение. Примеры:

* В "шепчущих галереях" Древнего Рима благодаря специально ориентированным отражающим поверхностям стен, тихие звуки распространялись на большие расстояния. Поэтому люди на расстоянии десятков метров друг от друга могли общаться, не напрягая голоса.

* Вблизи г. Сиракузы на острове Сицилия сохранились древние каменоломни. В одну из них, названную "ухом Диониса", помещали пленных. Наверху благодаря естественным каналам-щелям были слышны все секреты, которые пленные говорили между собой.

* Особые звуковые каналы позволяли правителям в своих дворцах подслушивать откровенные высказывания сановников для выяснения их преданности.

Развитие акустики как экспериментальной части физики практически прекратилось в IV в. Это произошло из-за учения грека Аристотеля (384-322 г. до н. э.), утверждавшего, что эксперимент недостоин внимания естествоиспытателя. В новой эре такая позиция стала весьма привлекательной для религиозных фантазий христиан. Христианским миссионерам было выгодно учение Аристотеля для придумывания разных догматов (о непорочном зачатии, о воскрешении, о вознесении, о пришествии и пр. сказки), которые не надо было проверять и подтверждать.

Из-за господства христианства пауза в развитии науки, в частности, акустики затянулась почти на 2 тысячи лет. Даже во времена Леонардо да Винчи (1500-е гг.) архитекторам приходилось пользоваться античными (доаристотелевскими) знаниями об акустики помещений. Эти античные знания стали применять при сооружении культовых христианских зданий раннего и позднего средневековья. Примеры:

* Особая архитектурная форма зданий, продуманное расположение оргáна и хора в католических храмах создавало эффект "льющейся с небес" музыки.

* Купольная часть православного культового здания отражали голоса священников и хора вниз, создавая эффект "общения с небесами".

* В стены и своды культовых сооружений закладывались глиняные кувшины разных размеров, называемые "голосниками" и играющие роль акустических резонаторов.

Лишь в 18-19-м веках благодаря трудам физиков и математиков из не вполне чётких представлений античного мира акустика начала формироваться как наука.

В 18 и начале 19 в. преобладала геометрическая теория, которая является самой древней. Главное внимание в акустике помещений уделяли анализу направлений путей распространения потоков звуковой энергии в помещении – прямого и отраженного от преград. Наибольшее внимание уделялось сооружению концертных, оперных и театральных залов. Разумный выбор геометрической формы и размеров здания, продуманное размещение звукопоглощающих материалов в залах создавали хорошие условия для слушателей и исполнителей. Геометрическая теория акустики успешно применяется до сих пор, особенно при проектировании залов большой вместимости, благодаря научным исследованиям А. Н. Качеровича, Л. Контюри, С. Я. Лифшица, Е. Скучика и других физиков.

Дж. Стретт (лорд Рэлей) на основе математических расчётов Дюамеля, анализировал акустику помещений с позиций волновой теории. После прекращения действия источника происходит затухание собственных (резонансных) колебаний, которые были возбужденны источником звука и имеют частоты, зависящие о формы и размеров помещения. Волновая теория была фундаментально развита в работах Эйлера, Лагранжа, Фурье, Стокса, Юнга, Гельмгольца, Болта, Морза, И. Г. Дрейзена, В. В. Фурдуева и др.

В конце 19 в. – начале 20 в. У. Сэбин выполнил эксперименты, которые выявили количественные связи между геометрическими параметрами помещений и их акустическими характеристиками. Он заложил основы статистической теории акустики. Акустические процессы в помещении после выключения источника звука рассматривались как запаздывание многократно отражённых волн и их постепенное ослабление в результате поглощения энергии волн преградами.

В 1929 г. К. Шустер и Е. Ветцман показали, что статистической теории недостаточно. Солидный теоретический фундамент современной архитектурной акустики был создан трудами Эйринга, Ханта, Беранека, Ма Да-ю, В. Кнудсена, Майера, Ватсона, а также отечественных ученых – И. И. Андреева, И. Г. Дрейзена, А.Н. Качеровича, С. Я. Лифшища, А.В. Рабиновича, С. Н. Ржевкина, М. А. Сапожкова и др.

Во всех упругих средах и телах возникают механические колебания и звуки. Звук служит одним из способов передачи информации. Мир буквально «переполнен» различными звуками и шумами. Для проектирования различных зданий необходимо выяснить, что такое звук и шум, как звук распространяется в воздухе (атмосфере) в неограниченном пространстве, как он распространяется в помещении, при наличии ограничений в виде стен и предметов, как бороться с шумом.

Эти вопросы изучает строительная физика. Одним из её разделов является архитектурная и строительная акустика.

Звук является разновидностью упругих волн. В свою очередь, упругие волны – это распространение механических колебаний в пространстве. Эти колебания совершает источник волн, звука. Поэтому сначала мы выясним характеристики колебаний источника упругих волн или звука.

Затем мы изучим основы теории распространения упругих волн воздухе, выясним, каковы характеристики звука, как мы воспринимаем звук нашим слуховым аппаратом.

Затем мы будем изучать основы архитектурной и строительной акустики. Архитектурная акустика посвящена решению вопросов о создании оптимальных условий слышимости объёмно-планировочным и конструктивным методами. Строительная акустика посвящена решению проблемы ослабления или устранения звука, который мешает нормальному отдыху, работе, создаёт нежелательную помеху слуху, повышает утомляемость.

Акустику помещений с позиции волновых, колебательных процессов анализировали Дж. В. Стретт, Бейль, Курант, Шустер и Ветцман, Кнудсен, Морз и Болт и другие. Среди разработчиков волновой теории в нашей стране следует в первую очередь назвать И. Г. Дрейзена и В.В. Фурдуева. Волновую теорию реверберации начали разрабатывать в середине прошлого века.

Идеи, положенные в основу волновой теории, были впервые высказаны Дж. В. Стреттом (лордом Релеем). В “Основах акустики”, изданных впервые в 1877 г., приводится необходимый математический аппарат со ссылкой на решение волнового уравнения для трехмерного пространства, данного Дюамелем (Duhamel) в математическом журнале “Liouville Journal Math.”, том XIY, 1849.