Akustika – gera ar bloga?
Kiekvienas iš mūsų gali pasakyti, ar kino, sporto, koncertų salės akustika yra gera ar bloga, o vertinimo kriterijai – mūsų pačių jutimai. Pavyzdžiui, klausantis roko koncerto Kauno „Žalgirio“ arenoje, negalima nesižavėti šios didžiausios Lietuvos salės akustika. Klausantis operos 30-aisiais mūsų eros metais pastatyme Veronos amfiteatre akustika taip pat negali atsižavėti. Abu statinius skiria ne tik beveik 2000 metų laiko tarpas – jų akustika yra visiškai skirtinga: „Žalgirio“ arenoje vyksta šiuolaikinės popmuzikos, roko koncertai, tad čia garsą reikia valdyti ir lengviau tą padaryti tada, kai sienos, lubos ir kiti patalpos elementai jo neatspindi, kai nereikia kariauti su įvairiausių atspindžių lavina. Veronos amfiteatro akustika yra kitokia: čia dažniausiai klausomasi operų. Trijų lygių (ketvirtas, aukščiausias neišliko) ovalo formos Veronos arena yra tikrų tikriausia operos industrija ir išmintingai suvaldyti atspindžiai stiprina natūralų garsą, tad jis gerai girdimas ir toli nuo šaltinio.
Turtinga istorija
Architektūrinė akustika turi labai turtingą istoriją. Pradžią rasime gilioje senovėje: iš pradžių gigantiškuose kulto pastatuose, o vėliau ir didelėse susirinkimams ar renginiams skirtose erdvėse. Neabejojama, kad Asirijos, Babilono, Senovės Egipto šventyklų statytojai žinojo, kaip sklinda garsas, kaip jis atsispindi nuo sienų, nes to meto šventyklos kerėti turėjo viskuo: įspūdingu dydžiu, unikalia architektūra, milžiniškomis skulptūromis ir galingu garsu. Senovės graikai irgi turėjo suvokimą apie akustiką ir jau ištirta, kad jų sprendimai buvo racionalūs, o ne atsitiktiniai. Graikų tradicijas perėmė romėnai, statę įspūdinga akustika pasižyminčius amfiteatrus. Antikos akustinės žinios buvo naudojamos labai ilgai – net Leonardo da Vinčio laikais, XVI a., buvo taikomi tie patys principai kaip ir antikoje.
Tačiau senovės statytojai turėjo kitokią užduotį nei dabartiniai – akustika turėjo stiprinti natūralų garsą. Šiais laikais, net 200–300 vietų salėse naudojamas įgarsinimas, tad akustika dažniausiai turi ne stiprinti, o slopinti. Kas būna, kai ji stiprinama, girdėjote ne kartą kokiame nors oro uoste ar traukinių stotyje, kai visiškai neįmanoma suprasti, kokia informacija keleiviams yra sakoma per garsiakalbius.
XVIII–XIX a. statytojai jau susidūrė su panašiomis problemomis – sparčiai populiarėjo opera, buvo statoma daug teatrų ir teko spręsti, kokia turi būti salės forma, dydis, kaip turi būti išdėstytos garsą sugeriančios medžiagos, kad visi, tiek muzikantai, tiek dainininkai, tiek klausytojai, turėtų kuo geriausias sąlygas klausytis muzikos. XIX a. akustikos mokslas vystėsi labai sparčiai, o šio amžiaus pabaigoje ir XX a. pradžioje JAV fiziko Walleso Sabine eksperimentai, atskleidę ryšį tarp patalpos geometrijos ir jos akustinių savybių, padėjo tvirtus architektūrinės akustikos pamatus. Tačiau reikia pažymėti, kad net šiais laikais nėra vienos teorijos, paaiškinančios visus patalpoje vykstančius akustinius procesus, be to, sprendžiant akustikos klausimus, tenka susidurti ir su tokia dalykais kaip estetinis, psichofiziologinis akustikos vertinimas.
Trys pagrindinės problemos
Optimali salės konfigūracija, tūris, forma, proporcijos, garso sklidimas, atspindžiai. Visiems žinoma, kad garsas turi vienodu intensyvumu patekti į visas salės vietas. Prastos akustikos požymis – skirtingas skambesys skirtingose salės vietose. Su tuo savo laiku susidūrė net Lietuvos nacionalinis operos ir baleto teatras. Paaiškėjo, kad trūko patalpų aukščio, reikia garso atspindžiui įtakos darančių paviršių. Vilniaus kongresų rūmų salės akustika buvo kraupi, tikėsimės, kad po rekonstrukcijos jis bus fantastiška.
Standartiniai architektūrinės akustikos valdymo sprendimai – naudoti garsą sugeriančias medžiagas ir garso atspindžių sklaidytuvus, kurie atspindžius paskirsto visoje patalpoje. Jei patalpos geometrija neleidžia užtikrinti kokybiškos akustikos, tada naudojamos specialiosios akustinės medžiagos. Bet tokias problemas reikia spręsti dar projektavimo stadijoje. Akustika yra multifizikinis reiškinys, todėl, modeliuodami būsimų patalpų akustiką, inžinieriai turi vertinti įvairiausius fizikinius reiškinius ir jų tarpusavio sąveiką. Tai sudėtingas procesas, todėl, siekiant sutrumpinti tokio modeliavimo laiką, pasirenkamas kompiuterinis patalpos akustikos modeliavimas. Tai ir pigiau, nes projektuojant atsakingas akustikos prasme patalpas (TV studijas, koncertų sales ir kt.) nereikia bandymams kurti brangių prototipų, kurių gamyba ir brangi, ir užima daug laiko.
Paaiškinti patalpų akustines problemas galima ir paprastai, nesigilinant į niuansus ir išskiriant tik tris pagrindines problemas:
- tiesioginio garso ir atspindžių girdėjimą vienu metu;
- flutter aidą;
- stovinčias bangas.
Tiesioginį garsą suprasti lengviausia – tai garsas, sklindantis iš šaltinio. Garso atspindžiai – nuo kokio nors paviršiaus atsimušantis garsas, kuris mūsų ausis pasiekia vėliau. Problema ta, kad atspindžiai gali būti tiek geri, tiek blogi. Geri išsisklaido patalpoje, dėl jų patalpa skamba gyvai (ovalo formos Veronos arena). Tačiau patalpų sienos dažniausiai būna lygiagrečios, nuo vienos sienos atsispindėjęs garsas keliauja link kitos, vėl grįžta į pirmą sieną ir tai kartojasi tol, kol aidas nutyla. Flutter aidas irgi yra tos pačios kilmės, tik jis apibūdina tarp dviejų sienų besiblaškantį aukštų dažnių garsą. Tada girdimas „metalinis“ aidas, dažniausiai kylantis kietas ir lygiagrečias sienas turinčiose patalpose. Toks aidas akustikai suteikia labai nemalonų atspalvį. Stovinčios bangos, kurios dažnai ignoruojamos, atsiranda, kai bangos ilgis atitinka atstumą tarp sienų. Jas išgirsti lengva, pasivaikščiojus po patalpą: jei vienose patalpos vietose žemi dažniai garsesni, o kitose tylesni, tai reiškia, kad girdite stovinčias bangas. Reiškinys sunkiai sukontroliuojamas, todėl jis girdimos įvairiose, net gana neseniai pastatytose koncertų salėse.
Akustika – daug skirtingų užduočių
Akustinis modeliavimas leidžia greičiau suvokti tiek pirmiau minėtas, tiek kitas projekto problemas, priimti pasvertus sprendimus. Akustinio modeliavimo programos sukuria skaitmeninės patalpos ir jos akustikos modelį, parodantį, kaip sklinda garso bangos, kaip jos atspindi, kaip viskas keičiasi kintant aplinkos sąlygoms. Modeliuojama ne tik garso bangų sąveika su pastato konstrukcijomis, garsą sugeriančiomis ar atspindinčiomis medžiagomis, modeliuojami ir pokyčiai, kylantys, kai salė užsipildo, kintant jos aplinkai.
Garso kokybė šiais laikais svarbi ne tik arenose, koncertų salėse, teatruose, bet ir kasdieniniame gyvenime – automobilyje, biure, gamyklos ceche, prekybos salėje. Vienur mums reikia kokybiško garso, kitur tylos, dar kitur aiškiai girdimo pokalbio. Norint pasiekti optimalų sprendimą, reikalinga detali skaitmeninė uždaros erdvės analizė.
Patalpų akustinių parametrų modeliavimas svarbus tiek statant naujus, tiek rekonstruojant esančius pastatus. Tiek standartiniams, tiek unikaliems statiniams. Labai svarbu dar projektavimo stadijoje priimti sprendimus, kurie lemtų patalpų akustiką ir tai, kaip jose dirbantys ar esantys žmonės priima garsus. Akustinis modeliavimas pirmenybę teikia garso atspindžiams ir garso sugeriamumui, tiria atsispindėjusių garsų įtaką kalbai, muzikai ir pan. Skaitmeninis modeliavimas ir modernios akustinės sistemos labai palengvino procesą. Yra daug akustiniam modeliavimui skirtų programų, tokių kaip „Odeon“, „Ease“, „Catt Acoustic“, „Cara“, „Ramsete“, „Ulysses“ ir kt. Jų privalumas – galimybė greitai apskaičiuoti pagrindinius patalpos parametrus: garso atspindžių laiką, ankstyvuosius atspindžius, jų energinius parametrus, koreliacijos koeficientą, garso slėgį ir t. t. Apskaičiuojant pagrindinius patalpos parametrus, atliekama patalpos akustinė analizė, kas dar projektavimo stadijoje leidžia optimizuoti patalpos akustiką. Akustinio modeliavimo įrankiai turi ir trūkumų, ir dažniausiai pasitaikantis – skaičiavimo paklaidos, atsirandančios dėl to, kad matematinis modelis neįvertina visų, akustikai įtakos turinčių veiksnių, nes jų yra be galo daug. Tačiau ne visada tos paklaidos, jei kalbama apie architektūrinę akustiką, yra reikšmingos. Architektūrinei akustikai bene svarbiausias veiksnys – ankstyvųjų garso atspindžių struktūra, kurią akustinio modeliavimo programos apskaičiuoja gana korektiškai.
Yra trys teorijos, nusakančios garso sklaidos procesą patalpose. Vienas jų statistinis metodas, besiremiantis idealios patalpos modeliu. Šiuo atveju vertinamas patalpos tūris, garsą atspindinčių plokštumų (sienų, lubų, grindų) plotai, bet nevertinama jų forma, garsą sugeriančių medžiagų išdėstymas, kas turi labai didelę įtaką patalpos akustikai. Bangų metodas duoda tikslesnį rezultatą, tačiau yra sudėtingesnis ir ilgesnis. Šis metodas įvertina interferenciją, difrakciją ir kitus su bangomis susijusius efektus, tačiau dėl savo sudėtingumo komerciniuose projektuose naudojamas ribotai. Labai dažnai naudojama savotiška geometrinė akustika, turinti nemažai bendro su optika, nes priimama, kad garso bangos sklinda kaip šviesos bangos ir atsispindi nuo paviršių, taip kaip atsispindi šviesa (t. y. kokiu kampu krenta, tokiu ir atsispindi).
Kompiuterinės akustinių reiškinių imitavimo sistemos padeda išspręsti nemažai problemų.
Modeliavimo metu įrenginiui suteikiama galimybė bet kuriuo metu analizuoti garso lauką, įvertinti įgyvendinamų sprendimų veiksmingumą. Kompiuterinis modelis leidžia praktiškai laisvai formuoti akustiškai komfortišką erdvę, numatyti joje garsą sugeriančias medžiagas ir galų gale rasti tiek ekonomine, tiek akustikos prasme optimalų sprendimą.