Из истории развития архитектурной акустики

Версия для печати

Юбилею Москвы посвящается

История архитектурной акустики – науки, изучающей распространение звуковых волн в помещении и влияние отраженных волн на слышимость речи и музыки начинается с древнейших времен, когда решение акустических задач было связано со строительством гигантских сначала культовых, а позже и других общественных сооружений – залов для собраний и зрелищ.

В задачи ученых, занимающихся проблемами архитектурной акустики, входит исследование условий, определяющих слышимость речи и музыки в помещениях, создание методов управления структурой звукового поля для проектирования помещений с хорошими условиями слышимости.

Уоллес Сэбин, один из основателей современной архитектурной акустики, по результатам своих исследований пришел к выводу о том, что в замкнутом помещении постепенно ослабевающие отражения звука сливаются в гул и сопровождают любой появившийся там звук, а скорость затухания этого гула является наиболее существенным показателем слышимости.

Сэбин первый сформулировал закон зависимости поглощения звука от площади ограждающих поверхностей.

Проектирование и строительство в 1930–1940-х гг. в Москве Дворца Советов – одного из самых крупных неосуществленный проектов потребовало от ученых изучение теоретических и экспериментальных вопросов звукоусиления в больших аудиториях. Эту работу возглавила с 1938 г. Акустическая лаборатория Физического института имени П.Н. Лебедева[1], организованная в 1936 г.

Предлагаемая публикация документов Коллекции научно-исследовательской документации Акустической лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева за 1938–1940 гг. посвящена вопросам исследований архитектурной акустики, проводимых при проектировании – Дворца Советов.

Постановлением Совета Министров СССР от 31 октября 1953 г. на ее базе Акустической лаборатории был создан Акустический институт (АКИН), которому впоследствии было присвоено имя академика Н.Н. Андреева[2].

Коллекции научно-исследовательской документации Акустической лаборатории входит в состав фонда РГАНТД «Государственный научный центр Российской Федерации Государственное предприятие акустический институт (АКИН) имени академика Н.Н. Андреева» (ГНЦ РФ ГП «АКИН») Государственного комитета Российской Федерации по оборонным отраслям промышленности (фонд № 252).

На I Всесоюзном съезде Советов в 1922 г. было принято Решение о строительстве в Москве Дворца Советов – административного здания для проведения сессий Верховного Совета СССР, съездов, конференций, политических демонстраций, народных празднеств.

Макет Дворца Советов. РГАНТД.Макет Дворца Советов.
РГАНТД. Ф. 120. Оп. 3. Д. 513. Л.100.

Макет Дворца Советов.
РГАНТД. Ф. 120. Оп. 3. Д. 513. Л.100.

На объявленном всесоюзном конкурсе на проекте Дворца Советов рассматривались различные варианты зданий, выполненных в архитектурных стилях: традиционно-монументальном и функционально-конструктивном.

В постановлении Совета Строительства Дворца Советов при Президиуме ЦИК СССР, созданного в 1931 г., было определено, что проект сооружения должен соответствовать:

а) характеру эпохи, воплотившей волю трудящихся к строительству социализма;

б) специальному назначению сооружения;

в) значению его как художественно–архитектурного памятника столицы СССР.

По итогам четвертый тура конкурса на проект здания Дворца Советов в Москве, состоявшегося в 1931–1933 гг., постановлением Совета строительства Дворца Советов от 10 мая 1933 г. был принят проект архитектора Б.М. Иофана[3].

Верхнюю часть Дворца Советов решено было завершить скульптурой Ленина величиной 50–75 метров, чтобы Дворец Советов представлял вид пьедестала для фигуры Ленина.

Главным архитектором строительства Дворца Советов и первым заместителем начальника строительства был назначен Б.М. Иофан, на которого было возложено руководство архитектурно-художественной частью строительства.

К дальнейшему проектированию здания Дворца Советов были привлечены также архитекторы В.А. Щуко[4] и В.Г. Гельфрейх[5].

Бригадой в этом составе и был выполнен проект здания, утвержденный в феврале 1934 г.

Доработка и совершенствование проекта Дворца Советов, принятого за основу, продолжались до конца 1930-х годов.

Строительство Дворца Советов началось в 1937 г., и к 1939 г. были закончены фундаменты высотной части постройки.

В 1940 г. – первой половине 1941 г. началась установка стального каркаса, для которого была разработана специальная высококачественная сталь с маркировкой «ДС». Но в связи с началом войны все строительные работы по возведению Дворца Советов были приостановлены.

Но работа над совершенствованием проекта не прекращалась ни в военные годы, начиная с декабря 1941 г., ни после войны.

Всю историю проектирования и строительства ДС можно разделить на несколько крупных этапов:

Этап 1. Конкурсное проектирование (1931–1933).

Этап 2. Доработка проекта, принятого в основу. Поиски композиции Дворца как памятника Ленину (1933–1934). Технический проект (1934–1940).

Этап 3. Работа над проектом ДС в военное и послевоенное время (1941–1956).

Этап 4. Поиски нового образа ДС в послевоенные годы. Конкурс 1957–1959 гг. с изменением программы проектирования и места строительства.

По принятому в 1930-е гг. проекту Дворец Советов, высота которого составляла 420 метров, представлял собой сооружение из двух залов: Большого, вмещающего 20 тысяч человек, и Малого, вмещающего около шести тысяч человек.

Большой зал предназначается для съездов, массовых собраний, массовых постановок, для проведения революционных празднеств и т.д. Он имел круглую форму, перекрытую куполом.

В связи с большими размерами Большого и Малого залов при проектировании и строительстве Дворца Советов возникали проблемы в решении акустических задач.

Научно – исследовательские работы в этом направлении осуществлялись под руководством Акустической комиссии Академии наук СССР, работавшей под председательством Η. Η. Андреева (1937–1941 гг.).

Научное руководство разработкой акустического проекта было возложено на бригаду, в которую входили Н.Н. Андреев, С.Н. Ржевкин[6], Л.Д. Розенберг[7] и Ю.М. Сухаревский[8].

Строительство Дворца Советов сыграло большую роль в дальнейшем развитии советской исследовательской и научно-технической работы в области звукоизоляции и снижения шума. Это являлось одной из важнейших акустических проблем в тот период.

Большие размеры и форма Большого зала Дворца Советов поставили вопрос разработки научных исследований в области техники звукоусиления – вопрос об искусственной реверберации[9] и о маскировке эхо.

В связи с задачами проектирования Дворца Советов проводились исследования, посвященные условиям работы в замкнутом помещении полного тракта звукоусиления. Любая система звукоусиления предусматривает наличие в зрительном зале одновременно звукоприемников и излучателей звука, связанных общей усилительной системой.

При звукоусилительной системе с сосредоточенными групповыми источниками, нормальная реверберация отсутствовала, что привело разработчиков к воссозданию реверберации искусственно.

Ю.М. Сухаревский в лаборатории акустического полигона в Подмосковье работает с группой радиотехников над рупорным громкоговорителем. РГАНТД.Ю.М. Сухаревский в лаборатории акустического полигона в Подмосковье работает с группой радиотехников над рупорным громкоговорителем. Работы проводились в течение двух лет 1936–1938 гг.
РГАНТД. Ф. 232. Оп. 1. Д. 44.

Ю.М. Сухаревский в лаборатории акустического полигона
в Подмосковье работает с группой радиотехников
над рупорным громкоговорителем.
Работы проводились в течение двух лет 1936–1938 гг.
РГАНТД. Ф. 232. Оп. 1. Д. 44.

Отдел акустики с акустической лабораторией, организованный при Строительстве Дворца Советов, используя свой научно-технический материал по звукоизоляции, провел собственную научно-исследовательскую работу в этой области, в результате чего была создана методика проектирования звукоизоляции Дворца Советов, имевшая большое значение в дальнейшем для развития звукоизоляции зданий в СССР.

Представленные в публикации научные документы Коллекции научно-исследовательской документации Акустической лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева свидетельствуют о разработках ученых по решению задач в области нового развивающегося в 1930-е – 1940-е гг. направления – архитектурной акустики.

Ранее проводимые в этой области исследования не решали таких сложных проблем и задач, перед которыми были поставлены сотрудники Акустической лаборатории при проектировании и строительстве Дворца Советов.

В представленном в публикации отчете «О возможности исследования на моделях акустических свойств Большого и Малого зала Дворца Советов СССР» рассматриваются проблемы акустического проектирования в больших помещениях, для решения которых проводились исследования. реверберации и дифракции звуковых волн.

Авторы делают вывод о том, что в решении таких вопросов недостаточно только численных подсчетов и графических построений, необходима экспериментальная работа и опыты на модели зала (Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 1.).

Программа научной работы: «Исследование акустических свойств Большого зала методом светового пучка на модели» представляет последовательность и методику по исследованиям с объемной моделью Большого зала.

Основным результатом работы должно было явиться получение наглядных материалов, иллюстрирующих методы расчета Большого зала (Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 4.).

Одним из исполнителей научных исследований в области акустики Дворца Советов был Ю.М. Сухаревский, который исследовав звуковое поле рупоров на открытом воздухе, определил зависимость характеристик направленности рупора от его конструктивных параметров. Эта работа дала основы для расчета озвучения больших площадей посредство громкоговорителей.

Метод расчета звукового поля рупорного громкоговорителя, в разработке которого в 1939 г. участвовал Ю.М. Сухаревский, давал достаточно точные результаты при создании мощной системы, состоящей из нескольких громкоговорителей, что создавало качественный звуковой эффект для аудитории (РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 9.).

Другой работой, в которой в 1939 г. участвовал Ю.М. Сухаревский, является исследование «Направленное действие экспоненциального рупора[10]». Выдержки из технического отчета по этой работе включены в публикацию.  

В отчете приводятся результаты экспериментального исследования направленного действия экспоненциального рупора, на основании которых устанавливается оптимальное с точки зрения постоянство направленности, соотношение между критической длиной волны и диаметром устья рупора.

Предлагается конструкция рупора, передающего при хорошей и практически постоянной направленности весь спектр звуковых частот (РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12.).

В исследовании по теме: «Об использовании запаздывающей обратной связи для получения искусственной гулкости», выполненной в 1940 г. под руководством Ю.М. Сухаревского, на основании результатов выполненного ранее теоретического и экспериментального исследования акустической обратной связи дается анализ возможности использования запаздывающей обратной связи для получения искусственной реверберации.

В состав материалов публикации включен также отчет 1939 г. по разработке «О методике работы с моделями по исследованию прохождения звука методом светового пучка», в результате которого была разработана методика экспериментов с моделью. Этот метод создавал все условия для имитации реальной картины распространения звуковой энергии.

В публикацию вошел материал по экспериментам с трехмерной (объемной) моделью (РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13.).

Работы по акустике Дворца Советов были прерваны началом Отечественной войны 1941 г.

Но несмотря на то, что проект так и остался в дальнейшем неосуществленным, научные разработки, проводившиеся в процессе его создания, сыграли большую роль в развитии советской науки, и позволили заложить научные основы для развития архитектурной акустики.

Были найдены решения акустических проблем и созданы высокоэффективные акустические материалы.

Начало строительства Дворца Советов. РГАНТД.Начало строительства Дворца Советов.
РГАНТД. Ф. 120. Оп. 3. Д. 187. Л. 98.

Начало строительства Дворца Советов.
РГАНТД. Ф. 120. Оп. 3. Д. 187. Л. 98.

Разработка проекта Дворца Советов оказала большое влияние на уровень всей строительной техники и на развитие архитектуры в СССР в 1930–1940-е гг.

За период проектирования и строительства Дворца Советов были созданы новые сверхпрочные марки стали и бетона, открыты новые месторождения мрамора и гранита, разработаны методы стандартизации строительства, что позволило в конце 1950-х гг. перейти к индустриальному строительству жилья.

Сталь марки ДС использовалась во время войны для танковой брони, из разобранного каркаса начатого Дворца ремонтировали и строили железнодорожные мосты, из них же делали противотанковые «ежи», которые защищали подступы к столице и стали эмблемой военной Москвы. Мрамором и гранитом из новых месторождений были отделаны залы московского метро.

В публикации использован иллюстративный материал фонда РГАНТД «Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова[11]» (фонд № 120) и личного фонда специалиста в области электроакустики, архитектурной акустики, гидроакустики М.Ю. Сухаревского (фонд № 232), а также рисунки, являющиеся приложением к представленным научным документам.

Текст документов, вошедших в публикацию, приведен в соответствие с современными правилами орфографии и пунктуации.

При подготовке статьи использована информация из публикуемых документов; энциклопедических изданий и словарей; интернет – ресурсов.

С полным текстом документов, выдержки из которых представлены в публикации, можно ознакомиться в читальном зале РГАНТД.

Информация о работе читального зала: http://rgantd.ru/chitalnyi-zal.shtml 

 
Публикацию подготовила Н. Новикова.
Набор текста И. Макаревич.

 


[1] Лебедев Петр Николаевич (1866–1912) – русский физик-экспериментатор, первым подтвердивший на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления.

[2] Андреев Николай Николаевич (1880–1970) – российский и советский физик; специалист в области акустики; основатель научной школы акустики. Академик АН СССР (1953), Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1960), Герой Социалистического Труда (1970).

[3] Иофан Борис Михайлович (1891–1976) – один из ведущих представителей сталинской архитектуры, автор неосуществлённого проекта дворца Советов. Народный архитектор СССР (1970). Лауреат Сталинской премии второй степени (1941).

[4] Щуко Владимир Алексеевич (1878–1939) – один из крупнейших представителей художественной культуры первой половины XX века. Он был талантливым архитектором, блестящим живописцем, скульптором и профессиональным театральным художником.

[5] Гельфрейх Владимир Георгиевич (1885–1967) – российский и советский архитектор, педагог, профессор.

[6] Ржевкин Сергей Николаевич (1891–1981) – выпускник и профессор Московского университета. Его фундаментальные исследования по физиологии слуха и речи, по излучению и поглощению звука, по электро- и гидроакустике получили широкое распространение и признание.

[7] Розенберг Лазарь Давидович – всемирно известный ученый в области акустики.

[8] Сухаревский Юрий Михайлович (1906–2004) – специалист в области элек­троакустики, архитектурной акустики, гидроакустики, основатель научной школы гидроакустики, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР.

[9] Реверберация – это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях. Иногда под реверберацией понимается эмуляция данного эффекта с помощью ревербераторов.

[10] Рупоры могут быть коническими, параболическими, экспоненциальными и др. У каждого из них поперечное сечение возрастает по различным математическим законам. В экспоненциальном рупоре вблизи горла (входного отверстия) увеличение сечения наиболее медленное, что создает более высокое сопротивление излучения в области низших частот.  Экспоненциальный рупор отличается тем, что его боковые стенки изгибаются не под углом, а плавно, по кривой, близкой к экспоненте.

[11] Памфилов Константин Дмитриевич (1901–1943) – советский государственный деятель.

 


№ 1

Из отчета: «О возможности исследования на моделях
акустических свойств Большого и Малого зала Дворца Советов СССР»

Москва, 1938 г.

§ 1. Вступление

При акустическом проектировании больших помещений нельзя ограничиться одними графическими построениями и численными подсчетами.

Обычное построение прямых и отраженных звуковых лучей является лишь грубым приближением к действительным физическим явлениям. Длина звуковых воздушных волн средних частот имеет порядок около метра, а для низких частот (20–200 герц) – порядок нескольких метров. Вследствие этого лишь для больших гладких отражающих поверхностей будет верен элементарный закон отражения звуковых лучей (равенство углов падения и отражения). Во всех же случаях, когда отражающие поверхности будут порядка нескольких метров и менее, элементарным законом отражения пользоваться нельзя. Здесь будут иметь место сложные дифракционные явления, которые пока не поддаются теоретическому расчету.

До настоящего времени изучена лишь акустическая дифракция для простейших форм экранов и отверстий, причем отражающие тела принимались абсолютно твердыми и совершенно не поглощающими звук. В действительности же архитектурные детали здания имеют значительно более сложные формы, обладают способностью деформироваться и испытывать упругие колебания и зачастую бывают обработаны звукопоглощающими материалами, вследствие чего трудности математического расчета дифракционных явлений становятся непреодолимым при настоящем уровне знаний.

Такими архитектурными деталями, вызывающими дифракцию звуковых волн, являются разнообразные карнизы, пояса, выкружки[1], колонны, пилястры, столбы, оконные и дверные ниши, балконы и т.п. части здания, а также углы и ребра внутренней поверхности помещения. Дифракционные явления могут оказать большое влияние на акустические свойства помещения; это обстоятельство имеет особую силу для таких помещений, как Большой и Малый залы Дворца Советов с их сложной формой, обилием архитектурных деталей, колонн и т.п., и с потолками, обработанными кессонами.

Переходя теперь к исследованию реверберации в помещениях, мы снова сталкиваемся с затруднительностью правильного математического расчета ее для такого необычного по размерам и архитектурным особенностям помещения, как Большой зал Дворца Советов. Неточность основных предпосылок теоретического вывода формулы Сабина[2] и ее позднейших видоизменений, предложенных Эйрингом и другими, становится особенно очевидной для зала такого размера; в первую очередь это касается предпосылки о равномерном распределении звуковой энергии в помещении.

Вместе с тем является совершенно неясным поглощение звука купольным покрытием, связанное со сложными дифракционными явлениями, которые будут иметь место вследствие сложной архитектурной обработки купола.

Строгая теория реверберации, основанная на интегрировании дифференциального уравнения малых колебаний газа в замкнутом объеме, первые шаги к созданию которой сделаны Шустером, Ветцманом и Стреттом, при своем современном состоянии отнюдь не в состоянии дать решение для тех сложных граничных условий, которые имеют место в Большом зале.

Вследствие всего изложенного становится ясным, что задача акустического проектирования Большого зала Дворца Советов при современном состоянии архитектурной акустики не может быть разрешена только путем численных подсчетов и графических построений. Здесь нужна большая экспериментальная работа, и, естественно, возникает мысль об опытах на модели зала.
  

§ 2. Теоретические основания для исследования звукового поля и реверберации на моделях.

Наиболее важным видом исследования акустики помещений на моделях было бы непосредственное получение из опыта над моделью времени реверберации и распределения звукового поля в действительном помещении.

Исследование было бы аналогичным определению сопротивления воздуха при полете аэроплана путем опытов над моделью аэроплана в воздушном потоке, создаваемом в аэродинамической трубе, или определению сопротивления воды при движении судна из опыта над движением его модели в опытном канале, и т.п. исследованиям над моделями, широко вошедшим в практику в разнообразных отраслях техники, и без которых немыслимо было бы современное развитие этих отраслей.

До настоящего времени количественные акустические исследования на моделях не производились, о чем приходится лишь пожалеть, т.к. только путем сравнения данных акустических измерений на моделях с данными, полученными в действительных помещениях, можно точно установить необходимые приемы экспериментирования и выяснить ценность этих экспериментов.

Теоретически здесь приходится решать вопрос об акустическом подобии.

Вопрос этот до последнего времени почти не рассматривался в литературе по акустике, и лишь недавно некоторые соображения по этому поводу высказал бельгийский ученый профессор Ван Денген.

Мы разовьем далее эти соображения и постараемся выяснить те условия, при которых возможны акустические исследования на моделях помещений.

Так как здесь приходится ставить вопрос о воздушных колебаниях в подобных помещениях, то для решения поставленной задачи нельзя пользоваться различными приближенными теориями реверберации, а следует исходить из дифференциального уравнения малых колебаний газа в замкнутом объеме и общих законов механического подобия. Мы будем пользоваться при этом методом размерностей, который быстрее всего приведет нас к нужным теоретическим соображениям о подобии.

<…>
 

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 1. Л. 1–4. Копия. Машинопись.

 


№ 2

Программа работы: «Исследование акустических свойств
Большого зала методом светового пучка на модели»

Москва, 1939 г.

Программа работы

Наименование: Исследование акустических свойств Большого зала методом светового луча на модели.

Аннотация: Дана программа работ, учитывающая последовательность и методику по исследованиям с объемной моделью Большого зала.

Исполнитель: В.В. Козырев
 

Цель и общее направление работы

Работа ставится группой Большого зала (Бюро акустики СДС). Основной ее целью надо считать получение наглядных материалов, иллюстрирующих методы расчета Большого зала. Эти же материалы (фотографии и схемы) позволят наглядно подтвердить правильность принципов, положенных в основу расчетов.

Геометрический анализ акустических свойств Большого зала состоял в построении отражений каким-либо поясом (или зоной) купола звука, приходящего от фиксированного источника.

Получающаяся в амфитеатре поверхность, на которую падает отраженный звук, имеет вообще неправильную форму. Этот так называемый «зайчик» и является объектом исследований. Совокупность таких «зайчиков», полученных отражениями от различных зон купола, характеризует акустические свойства помещения (эхо).

Основная задача геометрических построений состояла в том, чтобы соответствующим изменением формы купола получить возможно большую поверхность «зайчика».

При этом исходили из тех очевидных соображений, что чем больше поверхность элементарного «зайчика», тем меньше удельная плотность звука внутри него (т.е. сила эха).

Таким образом, возникло понятие «концентрации» звука, позволившее заменить исследование изменений интенсивности исследованием изменения поверхности элементарных «зайчиков».

На экспериментах с моделью Большого зала необходимо будет:

I. Получить «зайчик», отраженный от какой-либо зоны купола, и сравнить его форму и размеры с результатами аналитического построения по точкам и фигурой, полученной геометрическим построением. Это будет служить наглядным подтверждением правильности расчетов, примененных при проектировании.

II. Получить различные изменения формы и размера «зайчика» при варьировании положений источника и отражающей поверхности. Цель этих экспериментов – получение чисто качественных результатов, которые позволили бы установить направление и величину изменений «зайчика» в зависимости от некоторых небольших изменений положения источника или поверхности. (Для возможности учета хотя бы вероятных изменений в проекте, поскольку пространственно сложная картина отражений не позволяет пользоваться интуицией.)

III. Получить распределение света по поверхности «зайчика» от равномерно излучающего источника. Это значит – получить экспериментально величину концентрации и сравнить ее с результатами расчета.

Кроме этих основных пунктов, работа с моделью предусматривает и получение наглядного или иллюстративного материала, состоящего в серии фотоснимков различных случаев отражения звука (света), имеющее целью сделать доступным широкому кругу работников строительства понимание основных принципов геометрической акустики.
  

Последовательность и содержание отдельных работ

I. Форма «зайчика», отраженного от различных зон купола.

В готовой модели зала ставится равномерно излучающий (точечный) источник света. Вся отражающая поверхность, за исключением одной зоны, покрывается черной тушью или выбрасывается.

На поверхности амфитеатра располагается лист светочувствительной бумаги, которая подвергается действию отраженного света.

Полученная «фиксация» «зайчика» оказывается на поверхности конуса (амфитеатр и партер модели). Поэтому, чтобы иметь плоский вид или снимок, полученную картину нужно сфотографировать еще раз. Получить фиксацию «зайчика», просто заменяя конус амфитеатра плоскостью – методически неверно.

Подобная же операция повторяется для каждой зоны и для каждого источника (говоритель оратора, говоритель оркестра и т.д.).

Не исключен случай, что при производстве модели будут сделаны некоторые отступления от той формы, для которой производились расчеты. Тогда очевидно, что придется часть расчетов произвести вновь, ориентируясь на данной модели, ибо только тогда можно сравнивать результаты экспериментов с расчетными схемами и чертежами.

II. Варьирование формы и размеров «зайчика».

Зона, отражения от которой исследуются, покрывается тушью так, что остаются зеркальными только ее края.

Задаваясь возможными перемещениями источника по радиусу или в вертикальном направлении относительно фиксированного положения, нужно получить две ясно различимых границы «зайчика» на нескольких фотографиях.

Для сравнения можно получить несколько «зайчиков» на одной фотографии, причем «зайчики» должны быть раскрашены в различные цвета (можно применить цветную фотографию).

Таким же путем можно получить фотоснимки изменения границ зайчиков при изменении высоты расположения зоны.

Этих снимков необходимо сделать как можно больше, чтобы, пользуясь альбомом таких фотографий, можно было бы найти пример для каждого возможного случая изменения вариантов купола и расположения источников.

III. Определение концентрации звука.

Эту работу можно проделать тремя различными методами (фотометрированием «зайчика», исследованием при помощи фотоэлемента и методом концентрации), из которых мы берем метод концентрации.

Источник окружается сферическим экраном с нанесенной на нем решеткой (эта решетка проектируется на купол и, деформируясь при отражении, попадает на плоскость амфитеатра).

Таким образом, по деформации решетки можно установить концентрацию.

Это тем более удобно, что не придется учитывать угол падения – концентрация получается «автоматически», и притом для всей поверхности.

Фотографические снимки этой искаженной при отражении решетки дадут возможность при сравнении их с чертежами и схемами геометрических построений проверить принципы расчета.

IV. Фотографирование лучей, отраженных от купола.

Для этой цели пригодна одна половина модели, поскольку интерес представляют только первые отражения лучей от купола.

Съемка производится согласно разработанной методике (См. ТС-2 от 15/III-1939 г.).

Необходимо предусмотреть только наличие контрольного фотоэлемента, фиксирующего силу свечения дыма в модели, чтобы иметь возможность производить все снимки при одних и тех же начальных условиях.
 

Работы подсобные или технические

Проведение указанных выше работ предусматривает наличие объемной модели с достаточно доброкачественной отражающей поверхностью.

Поэтому, очевидно, в первую очередь надо проводить работу по созданию модели, и это должно явиться первым пунктом программы.

Работа будет включать:

а) Составление технических условий, которым должна удовлетворять модель.

в) Конструирование модели.

с) Практического выполнение – оформление заказа на каком-либо заводе.

д) Приемку и налаживание модели.

Однако, уже сейчас ясно (после года работы), что технические условия в отношении поверхности модели будут настолько трудными, что на основании опыта передачи заказов в Гознак и в Академию Художеств можно предположить отказ этих организаций от участия в изготовлении модели.

Тогда единственным выходом из положения будет производство модели своими силами.

Это должно быть учтено программой.

Работа будет включать:

а) Проектировку специального шлифовального станка и составление чертежей.

в) Оформление заказов на станок и изготовление грубой модели Большого зала.

с) Шлифовку и разделку модели на зоны.

При наличии станка шлифовка зон может быть осуществлена (конечно, не без труда) своими силами при соответствующей консультации. Консультация должна предшествовать и окончательному решению о месте и технике изготовления модели.

Особо стоит работа по созданию доброкачественных источников света в модели.
 

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 4. Л. 1–7. Подлинник. Машинопись. Автограф.

 


№ 3

Из технического отчета
«Метод расчета звукового поля 
рупорного громкоговорителя»

Москва, 1939 г.

Технический отчет

Наименование: Метод расчета звукового поля рупорного громкоговорителя.

Аннотация: На основании аппроксимации[3] характеристики направленности экспоненциального рупора эллипсоидом вращения дается метод расчета звукового поля, создаваемого рупорным громкоговорителем вдоль некоторой плоской поверхности, наклоненной под произвольным углом к плоскости земли. Приводятся формулы, связывающие задание: уровень силы звука, эксцентриситет эллипса, угол наклона рассматриваемой поверхности, максимальное перекрываемое расстояние и величину неравномерности распределения уровня силы звука, с координатами подвеса громкоговорителя, углом наклона его оси и величиной необходимой акустической мощности. Даются диаграммы, построенные на основании упомянутых формул.

Выводы: предложенный метод расчета звукового поля рупорного громкоговорителя прост и удобен и вместе с тем может в большинстве практических случаев давать достаточно точные результаты. Основной причиной возможной неточности расчета является допущение об отсутствии т.н. скользящего поглощения, принятое при выводе расчетных формул.

Наименее благоприятным в этом отношении является случай низкого расположения громкоговорителя при горизонтальном размещении аудитории, так как скользящее поглощение при указанных условиях должно быть весьма значительным.

При расчете системы, состоящей из нескольких громкоговорителей, полная характеристика звукового поля системы может быть получена только при условии дополнения расчета звукового поля отдельных громкоговорителей расчетом взаимных помех громкоговорителей, обусловливаемых явлением запаздывания звука (эффект эхо). Анализ упомянутых помех представляет задачу, требующую проведения специальных исследовательских работ и расчетов. Решение этой задачи в настоящем отчете не дается.

Исполнители: Ю.М. Сухаревский, М.И. Рабинович, Н.С. Антонов, А.И. Быкова, Э.Т. Кочнева

Ответственный исполнитель: Ю.М. Сухаревский

1. Введение

В связи с широким распространением, которое получили за последнее время мощные громкоговорящие системы, обслуживающие открытые пространства, большую актуальность приобретают вопросы расчета звукового поля таких систем.

Задачей проектирующего мощную громкоговорящую систему является обеспечение определенного качественного звукового эффекта для аудитории, имеющей некоторое пространственное расположение. Легко показать, что для решения этой задачи недостаточно выбрать громкоговорящую аппаратуру, удовлетворяющую соответствующим качественным требованиям (например, пропускающую определенный диапазон частот), но нужно также выбрать такое положение каждого громкоговорителя относительно аудитории и такое взаиморасположение отдельных громкоговорителей, при котором этим требованиям удовлетворяло бы звучание во всех местах, занятых слушателями. В технической формулировке основные условия, свидетельствующие о надлежащем качестве аппаратуры и надлежащей в данном случае системе размещения громкоговорителей, выглядят так:

  1. Достаточно хорошая для всех слушателей частотная характеристика.

  2. Достаточно высокий и достаточно постоянный по всей аудитории уровень силы звука.

  3. Отсутствие или достаточно малый уровень акустических помех.[4]

Под акустическими помехами, упомянутыми в условии 3, подразумеваются помехи, объяснимые всякого рода вредными отражениями звука, если эти отражения вызывают эффект эхо или искажения тембра звука. Сюда же следует отнести и помехи, обусловливаемые неодновременным приходом к слушателю соизмеримых по силе звуков от многих громкоговорителей. Эффект этого явления, называемого запаздыванием звука, такой же, как и эффект вредных отражений.[5]

Совершенно очевидно, что для обеспечения, при проектировании громкоговорящей системы, выполнения вышеприведенных условий необходимо прежде всего располагать простым методом, который позволял бы вычислить звуковое поле, создаваемое громкоговорителем вдоль некоторой поверхности, на которой размещена аудитория, для заданного расположения громкоговорителя относительно этой поверхности.

В настоящей работе такой метод предлагается. Он основан на аппроксимации простым математическим законом экспериментально полученных характеристик направленности рупорного громкоговорителя и действителен, следовательно, только при использовании таких громкоговорителей. Однако, поскольку в мощных громкоговорящих системах применяются исключительно рупорные громкоговорители, и, поскольку эти громкоговорители обладают значительными преимуществами перед другими типами громкоговорителей, надо полагать, что предложенный метод расчета звукового поля не только в настоящем, но и в ближайшем будущем сохранит свою актуальность.

Укажем допущения, которые были приняты при разработке этого метода. Такими допущениями являются:

  1. В пределах рассматриваемого пространства давление обратно пропорционально расстоянию. Это допущение вполне законно, так как рассматриваемые расстояния велики по сравнению с размерами звукоизлучателя и длинами волн.

  2. Поверхность, на которой размещена аудитория – плоская. Это допущение законно в большинстве практических случаев. В тех же случаях, когда поверхность, на которой размещена аудитория, имеет большую кривизну, эту поверхность можно аппроксимировать несколькими сопряженными плоскостями и вести расчет отдельно для каждой плоскости.

  3. Всякого рода отражения звука отсутствуют. Таким образом, предполагается, что громкоговоритель работает на открытом воздухе. Однако и в этом случае отражения возможны от поверхности земли, на которой расположена аудитория. Пренебрежение отражениями от земли вполне законно в случае тесного размещения аудитории (так как в этом случае отражения малы), но допустимо также и в обратно случае, так как отражения от земли не могут существенно изменить общей картины распределения звуковой энергии вдоль поверхности земли и не могут заметно повлиять на качество звука.

  4. Поглощение звука в воздухе отсутствует. Это допущение законно, если перекрываемые расстояния не слишком велики. Однако и при расстояниях порядка нескольких сотен метров поглощение звука в воздухе для средних и низких частот, определяющих уровень силы звука реальной передачи, сравнительно невелико. Вместе с тем следует отметить, что учет поглощения звука в воздухе все же представляет большой интерес и в дальнейшем его следует ввести в расчет звукового поля.

  5. Скользящее поглощение, т.е. добавочное рассеяние звуковой энергии при распространении звуковой волны вдоль сильно поглощающей поверхности, отсутствует. В отношении этого допущения можно заметить, что оно несомненно является наибольшим источником неточности предлагаемого метода расчета, в особенности в том случае, когда звуковая волна от громкоговорителя распространяется почти параллельно поверхности, на которой размещена аудитория. Действительно, согласно данным измерений Бекеши, скользящее поглощение в этом случае весьма значительно. Надо, однако, принять во внимание, что на основании опытов Бекеши и разработанной теории скользящего поглощения можно составить достаточно надежные данные только для упомянутого случая распространения волны параллельно аудитории. В обычном же случае направление распространения волны составляет некоторый угол с поверхностью, на которой размещена аудитория. Для такого случая, не прибегая к специальным исследованиям, нельзя было составить надежных данных, которые могли бы быть учтены в расчете звукового поля. Можно, однако, заранее утверждать, что при распространении волны под углом к поглощающей поверхности скользящее поглощение значительно меньше того, которое имеет место при распространении волны вдоль поверхности, поэтому предлагаемый метод расчета звукового поля, пренебрегающий скользящим поглощением, во всяком случае как первое приближение, имеет право быть рекомендованным.

Интересно, с учетом вышеприведенных допущений, выяснить практическую ценность предлагаемого метода расчета звукового поля громкоговорителя, а также то, в какой мере использование этого метода позволяет осуществить надлежащий выбор расположения громкоговорителя, определенный упомянутыми тремя основными условиями.

Очевидно, что предлагаемый метод расчета звукового поля громкоговорителя может дать исчерпывающее решение вопроса в случае системы, использующей один рупорный громкоговоритель, при том условии, что система работает на открытом воздухе в отсутствии препятствий, могущих вызвать вредные отражения. Можно указать также пути применения предлагаемого метода для расчета громкоговорящей системы, работающей в большом реверберирующем помещении.[6] В случаях же, когда система содержит несколько громкоговорителей или, когда возможны вредные отражения, этот метод дать исчерпывающего решения вопроса не может. Однако и в этих случаях использование его позволяет вычислить для данного расположения громкоговорителей звуковые поля последних, суперпозиция которых дает представление о физической картине возможных помех, что является крайне важным.

Решение задачи расчета любой громкоговорящей системы и, в частности, выбор системы, обеспечивающей отсутствие или минимум акустических помех, требует предварительного проведения специальных экспериментальных исследований по выяснению различимости искажений от запаздывания звука и эха и их влияние на качество передаваемого звука.

Основываясь на результатах такого исследования, надо полагать, представится возможным усовершенствовать предлагаемый метод расчета и обеспечить возможность полного расчета громкоговорящих систем.

<…>

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 9. Л. 1–2; 7–12. Подлинник. Машинопись. Автограф.

 


№ 4

Из технического отчета «Направленное действие экспоненциального рупора»

Москва, 1939 г.

Технический отчет

Наименование: Направленное действие экспоненциального рупора.

Аннотация: Приводятся результаты экспериментального исследования направленного действия экспоненциального рупора, на основании которых устанавливается оптимальное с точки зрения постоянство направленности, соотношение между критической длиной волны и диаметром устья рупора.

Предлагается конструкция рупора, передающего при хорошей и практически постоянной направленности весь спектр звуковых частот.

Даются аналитический и графический способы подсчета коэффициента концентрации рупоров и других излучателей, а также приемников звука.

Приводятся примеры использования коэффициента концентрации в различных акустических расчетах, и, в частности, в расчете коэффициента усиления давления приемного экспоненциального рупора. Вводятся понятия «эквивалентный угол излучения» и «эквивалентный угол приема» для направленных источников и приемников звука.

Выводы: Направленность экспоненциального рупора круглого сечения при достаточно узком горле определяется отношением частоты к критической частоте рупора и отношением критической длины волны к диаметру устья (последнее отношение представляет параметр рупора). Излучающие рупоры с параметром > 3,5 и < 2,8 обладают неудовлетворительным направленным действием, так как у первых оно резко увеличивается с повышением частоты, а у вторых – изменяется с повышением частоты, то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения, причем характеристика направленности принимает различные формы. Оптимальными свойствами обладает рупор с параметром = 3. Этот рупор имеет практически постоянную направленность для частот от 4 до 24 ω кр , причем характеристики направленности сохраняет эллипсоидальную форму. Агрегат из трех таких рупоров, вставленных один в другой, при соответствующем выборе критических частот, воспроизводит полосу частот от 40 до 15000 Гц и имеет постоянную направленность для частот от 100 до 15000 Гц.

Применяя предлагаемые способы подсчета коэффициента концентрации рупоров и других излучателей, а также приемников звука, можно дать точное решение ряда интересных для практики задач, как то: найти К.П.Д. громкоговорителя по величине развиваемого на оси давления и потребляемой электрической мощности; вычислить частотную характеристику рупора при постоянной излучаемой мощности для различных углов по отношению к оси; вычислить величину принимаемого микрофоном акустического отношения; вычислить изменение чувствительности микрофона при переходе от звука, падающего по оси, к диффузному звуку; вычислить частотную характеристику приемного рупора и т.п. Понятия «угол излучения» и «угол приема», характеризующие, по смыслу, степень концентрации излучения или приема, в их современной трактовке не отражают действительных количественных соотношений, поэтому использование этих понятий в определенном цифровом выражении при различных расчетах приводило к существенным ошибкам. Предлагаемые новые понятия «эквивалентный угол излучения» и «эквивалентный угол приема» свободны от этого недостатка и могут быть использованы наравне с понятием «коэффициент концентрации».

Исполнители: М.И. Рабинович, Н.С. Антонов, А.И. Быкова, Э.Т. Кочнева

Ответственный исполнитель: Ю.М. Сухаревский

1. Введение[7]

Излучение направленного действия звукоизлучателей представляет одну из важнейших задач современной акустики. Полтора десятка лет назад, когда техника радиовещания и звукоусиления находилась в начальной стадии своего развития и когда громкоговорители применялись только для обслуживания небольших, преимущественно жилых помещений, наличие той или иной направленности у громкоговорителя не представлялось столь существенным. Действительно, звуковой эффект работы громкоговорителя в таких помещениях определяется в основном не прямым, а превалирующим отраженным звуком, и, следовательно, этот эффект почти не зависит от направленности громкоговорителя.

Совершенно иные условия практического использования звукоизлучателей мы имеем теперь, когда широкое распространение получили мощные звукоизлучатели, покрывающие звуком обширные открытые пространства и большие аудитории. В этих условиях распределение прямого звука громкоговорителей является существеннейшим фактором, в значительной мере определяющим получаемый звуковой эффект.

Естественно, что умение обеспечить требуемое распределение звука стало теперь крайне важным. Этим объясняется большой интерес, проявляемый в последнее время к вопросам направленного действия звукоизлучателей. К сожалению, однако, наши сведения по этим вопросам пока страдают многими пробелами. В частности, весьма мало до сих пор было известно о направленном действии такого распространенного звукоизлучателя, каким является экспоненциальный рупор. Этот пробел мы и пытались восполнить, предпринимая настоящее исследование.

Заметим, что, поскольку поведение рупора как звукоизлучателя тесно связано с его поведением как звукоприемника, исследование направленного действия рупора представляет интерес и для техники звукоприема.

2. Постановка задачи

Направленное действие всякого звукоизлучателя, работающего в свободном пространстве, определяется следующими факторами:

  1. Формой колеблющейся поверхности.

  2. Направлением ее колебаний.

  3. Распределением по этой поверхности амплитуды и фазы.

  4. Соотношением между размерами поверхности и длиной волны.

  5. Формой и размерами неподвижной части, в которой колеблется поверхность.

Направленное действие звукоизлучателя интерпретируется т.н. характеристикой направленности или полярной диаграммой, представляющей зависимость звукового давления от угла между выбранным направлением и осью излучателя, при неизменном расстоянии от излучателя.[8]

Для того, чтобы подсчитать характеристику направленности какого-либо звукоизлучателя, необходимо прежде всего располагать данными, изложенными в пяти приведенных выше пунктах. Однако, если мы и располагаем такими данными, то и в этом случае определить характеристику направленности теоретическим путем не всегда удается. В самом деле, современная теория дает возможность вычислить характеристики направленности только для простейших излучателей. В результате работ Рэлея[9], Штенцеля, ван Лаклана, Волфа и Малтера, Гутина и других, мы располагаем методами для вычисления характеристик направленности: плоского круглого поршня, колеблющегося в бесконечном экране; поршня без экрана; поршня, излучающего одной стороной в безграничную среду; радиально и аксиально колеблющейся сферы; отрезка сферы, экранированного остальной неподвижной частью сферы; и некоторых других простейших излучателей. Однако при длинах волн, малых по сравнению с размерами излучателей, для некоторых излучателей и, в частности, для колеблющегося отрезка сферы, даже при условии равномерного распределения амплитуды, вычисления получаются крайне громоздкими и практически невыполнимыми.[10]

Обычно применяемый метод подсчета характеристик направленности сложного излучателя, каким, например, является рупор, заключается в том, что этот излучатель аппроксимируется одним из простейших излучателей, обладающим свойствами, наиболее близкими к свойствам сложного излучателя. Применение такого метода к рупору, однако, встречает большие затруднения, прежде всего по той причине, что до сих пор точных данных о форме фронта волны в устье[11] рупора и о распределении амплитуды по этому фронту не имелось.[12] Результаты отдельных, не систематических, и, кстати, несколько сознательных[13] наблюдений, приводимых в работе Холла, не могут приниматься во внимание.

На основании общих соображений с достаточным правом можно утверждать, что параболические, конические и экспоненциальные рупоры классической формы (т.е. круглого сечения и с прямой осью) при длинах волн, больших диаметра устья, должны иметь такую же характеристику направленности, как круглый поршень с закрытой задней стороной. Исследования Гольдмана показывают, что и при более коротких волнах параболический рупор имеет «поршневую» характеристику направленности. Это свидетельствует о плоской форме волны в устье параболического рупора. Напротив, можно утверждать, что у конических и экспоненциальных рупоров фронт волны в устье имеет значительную кривизну, и, следовательно, при длинах волн, меньших диаметра устья рупора, рассмотрение устья рупора как плоского поршня является совершенно незаконным.[14] Между тем определение направленного действия экспоненциальных рупоров при длинах волн, меньших диаметра устья, которые соответствуют рабочему диапазону частот рупора, представляет наибольший практический интерес.

Даже не располагая точными данными о форме фронта волны в экспоненциальном рупоре, можно было утверждать, что из простейших излучателей колеблющийся отрезок сферы является наиболее удачной аппроксимацией устья этого рупора. Мы уже указывали, однако, что вычисление характеристик направленности колеблющегося отрезка сферы требует весьма большой затраты труда и времени.

Все эти соображения привели к выбору экспериментального пути исследования направленного действия экспоненциальных рупоров, который на данном этапе является наиболее обещающим.

Рис.1 Схематический чертеж рупора. РГАНТД.Рис. 1 Схематический чертеж рупора.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 13.

Рис. 1 Схематический чертеж рупора.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 13.

3. Объекты исследования

Для проведения исследования были изготовлены четыре экспоненциальных рупора круглого сечения с прямой осью.[15] Каждый рупор состоял из четырех отдельных частей, как показано на рис. 1. Составив все части вместе, можно было получить рупор большой длины с большим устьем, а, отнимая последовательно широкие части, можно было уменьшить длину и устье рупора. Таким образом, мы располагали фактически 16-ю различными рупорами. Выбранный материал рупоров и его толщина исключали возможность излучения стенками рупоров, а излучение через щели между частями рупоров устранялось путем тщательного промазывания мест соединения мастикой. Внутренняя поверхность рупоров была вполне гладкой, поэтому поглощением стенок можно было пренебречь. Части рупора плотно свинчивались по ребрам, так что каждый рупор в целом представлял весьма жесткую конструкцию.

<…>

Очевидно, что расхождение в характеристиках направленности, полученных для таких рупоров, при частотах, относящихся как критические частоты рупоров, является мерой неточности исследования. Критические частоты экспоненциальных рупоров лежали в пределах от 80 до 250 герц, соответственно эти рупоры обладали весьма большими размерами. Так, самый большой рупор имел диаметр около 2-х метров, а длину около 3-х метров. Самая маленькая часть одного из рупоров имела диаметр около 20 см, а длину около 70 см.

4. Методика исследования

Как известно, производить точное исследование направленного действия звукоизлучателей в закрытом помещении, даже типа хорошо заглушенной звукомерной комнаты, для частот звукового диапазона нельзя.

Действительно, сравнительно небольшие отражения от стен, пола и потолка комнаты уже вызывают значительные искажения звукового поля у измерительного микрофона, когда ось звукоизлучателя не направлена на микрофон. Совершенно недопустимым являлось бы проведение в закрытом помещении исследования таких больших рупоров, как наши экспериментальные рупоры. Поэтому это исследование проводилось на открытом воздухе.

Рупоры укреплялись в горизонтальном положении на мачте высотой в 15 метров. На достаточно большом расстоянии от мачты был вкопан столб той же высоты. Между вершиной столба и вершиной мачты был натянут горизонтальный трос, по которому мог передвигаться маленький измерительный микрофон динамического типа. Расстояние между устьем рупора и микрофоном можно было варьировать.

При установлении расстояния между рупором и микрофоном одним условием являлось расположение микрофона за пределами зоны Френаля[16], в которой характеристика направленности зависит от расстояния.

<…>

С другой стороны, расстояние между устьем рупора и микрофоном устанавливалось не слишком большим, во избежание ошибок измерений, обуславливаемых отражением от земли. Легко показать, что эти ошибки для направленного излучателя, каким является рупор, получаются достаточно малыми, если расстояние между микрофоном и звукоизлучателем не превышает 20–30% от высоты подвеса звукоизлучателя. Относительно большая ошибка получается при больших угловых смещениях оси звукоизлучателя по отношению к направлению на микрофон. В нашем случае, однако, и при таких угловых смещениях, ошибки измерений должны были быть достаточно малыми, вследствие большого поглощения поверхности земли, покрытой рыхлым снегом (измерения велись в начале зимы).

Рупор укреплялся на вращающейся стойке, имевшей диск, отградуированный в градусах. В большинстве случаев излучение исследовалось только в пределах передней полусферы. Так как круглый рупор представляет тело вращения, то измерение характеристики направленности достаточно было производить только в одной плоскости. Достаточно было бы также снимать только одну половину характеристики, в пределах угловых смещений от 0° до 90°, однако, для уменьшения возможных ошибок, во всех случаях снимались обе половины характеристики направленности и за истинную принималась средняя характеристика. Во время проведения измерений рупор вращался, а микрофон оставался на месте.

Горло рупора возбуждалось с помощью электродинамического механизма, дававшего синусоидальные колебания. Малые, по сравнению с длинами волн, размеры диафрагмы этого механизма гарантировали плоскую форму волны в горле рупора[17], а небольшая отдаваемая акустическая мощность гарантировала синусоидальность этой волны.

Звукоизлучатель и микрофон соединялись с помощью подземных кабелей с измерительной установкой, расположенной в небольшом строении, удаленном от мачты на расстояние порядка 150 метров. Другие строения и лес были удалены от мачты на расстояние не менее 200 метров, так что возможные отражения от них не представляли какой-либо опасности для точности измерений.[18]

Измерения велись в диапазоне частот от 100 до 5000 герц.

<…>

От 100 до 200 герц взяты были частоты через 20 герц, от 200 до 500 герц – через 50 герц, от 500 до 1000 – через 100 герц, от 1000 до 2000 – через 200 герц, и выше 2000 – через 500 герц. Общее число измеренных характеристик направленности превышает 400.

5. Результаты исследования

Прежде всего, интересно дать представление о точности проводившихся измерений. В этом отношении весьма показательной, как уже было сказано, является степень совпадения измеренных характеристик направленности акустически подобных рупоров. В нашем распоряжении имелось несколько пар акустически подобных рупоров. Характеристики направленности одной из таких пар приведены на рис. 3. Оба рупора этой пары имели одинаковый параметр.

<…>

Критические частоты рупоров относились как 1 : 2, поэтому мы вправе ожидать на рис. 3а совпадения характеристики большего рупора при частоте 200 герц (сплошная кривая) с характеристикой меньшего рупора при частоте 400 герц (пунктирная кривая), а на рис. 3б – характеристики большего рупора при частоте 500 герц с характеристикой меньшего рупора при частоте 1000 герц. На рис. 4. приведены характеристики другой пары акустически подобных рупоров, имевших параметр, равный 7. Критические частоты этих рупоров относились как 1 : 1,5. На рис. 4а даны характеристики этой пары для частот, соответственно, 600 и 900 герц, а на рис. 4б – для частот 1000 – 1500 герц (отношение частот = 1,5). Как видно на рис. 3 и рис. 4, совпадение измеренных характеристик направленности акустически подобных рупоров для соответствующих частот получилось достаточно хорошим.

Рис. 3а. РГАНТД.Рис. 3а.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 19.

Рис. 3а.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 19.
Рис. 4. РГАНТД.Рис. 4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 19.

Рис. 4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 19.

<…>

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 12. Л. 1–20. Подлинник. Машинопись. Автограф.

 


№ 5

Из отчета «О методике работы с моделями
по исследованию прохождения звука методом светового пучка»

Москва, 1939 г.

Наименование: О методике работы с моделями по исследованию прохождения звука методом светового пучка

Аннотация: Данная работа является попыткой заполнить пробел в литературе по исследованиям отражений звука методом светового пучка на моделях.

В данном случае разработана методика экспериментов с моделью.

Выводы: На основании разбора свойств плоской и объемной модели Б. зала выяснена целесообразность работы с объемной моделью. Указана возможность получения на модели всех результатов, получаемых обычно расчетом, причем рассмотрены детально явления, осложняющие эксперимент, и меры их устранения или нейтрализации.

По вопросу фотографирования хода лучей выяснена возможность получения фотоснимков, справедливых лишь для первых отражений от купола.

Исполнитель: В.В. Козырев

<…>

II. Модель трехмерная (объемная)

Исследование отражения лучей в трехмерной (объемной) модели.

В отличие от двухмерной модели модель трехмерная имеет уже некоторый практический интерес. Это относится, однако, не столько к возможности наблюдать картину различных отражений, сколько к возможности учета результирующей интенсивности.

Надо отметить, что геометрические построения хода лучей в 3-х проекциях составляет уже большие трудности, причем трудности графические дополняются трудностями объемной интерпретации результатов, в результате чего увеличивается возможность просчета и просмотра.

Если ограничиться той точностью, которую может дать модель, то геометрическое построение может быть заменено экспериментированием с моделью, в результате которого будут получены соответствующие фотографии.

Однако вторая часть затруднений, очевидно, остается и для модели: это интерпретация полученных плоских фотографий.

Метод модели может явиться незаменимым при определении распределения интенсивности отраженных лучей, которое расчетом и с помощью геометрических построений установить сомнительно.

Как указывалось, раньше, и при геометрическом построении, и при опытах на модели со световым пучком мы не имеем картины истинного прохождения звука. Картина получается неполной потому, что отсутствует характерная величина – J – амплитуда.

Пространственная (да и плоская) модель дает изменение интенсивности луча при отражении и при прохождении сквозь дым. В этом большое преимущество модели перед геометрическим построением, где луч изображается всегда линией равномерной окраски (карандаш, тушь).

Модель дает более наглядное представление об истинной картине распространения.

Однако нетрудно создать и полную наглядность для модели со световым пучком.

Для этого надо лишь выходящий из источника света пучок лучей промодулировать в плоскости, перпендикулярной к его направлению, согласно полярной диаграмме какого-либо направленного источника звука.

Это можно получить, окружая источник света сферическим экраном с соответственно изменяющейся прозрачностью. См. рис. 1/4.

Этот метод действительно создает все условия для имитации реальной картины распространения звуковой энергии.

Но как наблюдать эту картину?

Стенки модели непрозрачны, и сквозь них увидеть картину отражения лучей невозможно. Если же сделать стенки прозрачными, то свет от них не будет отражаться, и мы опять не увидим картины отраженных лучей.

Некоторые считают, что можно очень просто выйти из этого «круга», оставив отражающей очень небольшую часть всей поверхности модели.

Мы нарочно пишем здесь «очень небольшую часть», ибо принципиально все равно, сколько именно остается от поверхности отражения.

Таким образом, предлагают производить вскрытие модели. Но тут возникает вполне уместный вопрос. Вскрывая модель, не нарушаем ли мы ту картину отражения лучей, которая существует в модели?

Да, вскрывая модель, мы нарушаем эту картину. Часть лучей покидает модель, проходя прозрачную стенку без отражения. Они-то и дают возможность увидеть. Но это значит, в то же время, что лучей, образующих картину, остается меньше. Картина будет неполной.

И все же Верн Кнудсен[19] пишет:

«Для наблюдения путей распространения света при применении объемных моделей необходимо оставлять одну сторону открытой. Обычно оставляется открытой часть модели, соответствующая сцене или эстраде, так как отражения от этой части помещения хорошо изучены и могут быть легко определены простым геометрическим рассмотрением (читай – построением В.К.) планов и разрезов».

Верн Кнудсен был бы прав только в том случае, если бы в данном случае существовал принцип суперпозиции или независимости действия отдельных поверхностей.

Тогда бы, очевидно, можно было бы заменить рассмотрение отражения от всей поверхности исследованием отражений от каждой поверхности, взятой изолированно.

Однако этот принцип может быть применен только к части общей картины распространения света внутри модели, а именно к лучам первого отражения.

Таким образом, вскрытие модели можно производить, только интересуясь лучами первого отражения, при этом мы берем на себя смелость рекомендовать восстановление действия лучей, утерянных при вскрытии, производить не путем геометрических построений, как указывает Верн Кнудсен, а просто исследуя отражения от изъятой из модели части. Это и проще, и последовательнее.

Необходимо заметить, что вскрытие модели устраняет не только лучи первого отражения от прозрачной стенки, которые только и имеет в виду Верн Кнудсен, но и вторичные, претерпевшие два-три и больше отражений от различных стенок.

Эту потерю уже возместить по способу Верна Кнудсена невозможно, ибо тогда по существу придется провести геометрическое рассмотрение исследуемой формы, т.е. провести те исследования, которые должна была дать сама модель.

Ниже мы даем несколько методов экспериментирования с объемной моделью:

а) фотографирование со вскрытием модели;

в) фотографирование

с) фотографирование

д) фотографирование

е) фотографирование

<…>

Рис. 1/4. РГАНТД.Рис. 1/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.

Рис. 1/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.

Метод в).

Этот метод нужно рассматривать. Как метод, при помощи которого возможно наглядно убедиться в различии картины распространения света вскрытой из невскрытой модели.

Для этого в модели выбирается сторона, на которую приходится наименьшее количество света. В таком месте в модели высверливается очень маленькое отверстие, которое в дальнейшем выполняет роль неискажающего объектива (с однако очень малой светосилой). Камерой – обскурой в этом случае, очевидно, должна служить темная комната.

Полученный фотоснимок, однако, не будет в точности похож на фотоснимок, полученный методом а) не только из-за обилия лучей, но еще и потому, что близлежащие элементы обмена будут фиксироваться только частично (в пределах телесного угла), как это видно на рис. 1/4.

Для увеличения угла, очевидно, расширив отверстие поставить в него объектив.

Делая две фотографии модели со вскрытой и невскрытой поверхностью, можно отметить изменение световой картины.

Метод с).

Этот метод особых преимуществ перед методом в) не имеет.

Метод д).

Этот метод предусматривает вращение купола относительно амфитеатра и фотоаппарата и наличие в куполе тонкой вертикальной щели.

При этом фотоаппарат фокусирует на щель и поскольку она выгнута вдоль относительно оси объектив фотоаппарата должен быть сильно диафрагмирован для предотвращений искажений и удален.

Очевидно, при большом времени экспозиции, создавая равномерное вращение купола, мы получил синусоидальное передвижение щели по фотопластинке. Изображение щели несет в себе изображение части картины, находящейся внутри модели.

Таким образом, изображение на фотопластинке создается из элементов последовательно передвигающей полоски.

Может показаться, что неравномерное движение полоски (изображение щели) вызовет в центре пластинки «недодержку», а на краях «передержку».

Рис. 2/4. РГАНТД.Рис. 2/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.

Рис. 2/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.
Рис. 3/4. РГАНТД.Рис. 3/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.

Рис. 3/4.
РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 25.

Однако, так случилось бы, если ширина щели (верхняя ширина щели на фотопластинке) была постоянна.

Но так как при движении купола видимый просвет щели меняется, т.к. меняется ширина полосы, то эти два фактора друг друга компенсируют. Рис. 2/4.

Этот метод мог бы быть поставлен под сомнение, если бы дым, находящийся в модели, не поглощал бы света. Действительно модель с отверстием представляет собой некоторое подобие «абсолютно черного тела», которое обладает тем свойством, что если посмотреть в его отверстие, то принципиально возможно видеть сразу всю его внутреннюю поверхность за счет многочисленных отражений луча зрения.

Все же при малых экспозициях и малом сочетании пучка света от находящегося внутри источника, можно надеяться получить достаточно ясную картину. Рис. 3/4.

Надо при этом отметить еще одну особенность полученных фотоснимков для объемной модели. Это отсутствие какой-либо светотени. Это очень затрудняет интерпретацию объемной картины на основании плоского снимка.

Действительно наш опыт в своем подавляющем большинстве дает нам мир сета и тени (и красок).

Здесь же мы, всречаясь со светящимся газом и в объемной картине, которая непривычна для нас, (и может быть впервые увидев ее) мы разберемся с большим трудом. Трудно почувствовать какие части газа более удалены, какие ближе.

Кроме того, во всех случаях фотографирования объемной картины мы обязательно встретимся с явлением бликов, т.е. кроме светящегося дыма будут видны также освященные части поверхности купола, что будет искажать картину.

Борьба с этим явлением не может идти просто в направлении снижения интенсивности источника света или ухудшения свойств отражающих поверхностей ибо при этом понизится и яркость свечения дыма.

Очевидно, придется производить фотографирование дважды с присутствием дыма и без него, чтобы установить и учесть расположение и силу бликов.

В данном случае речь может идти не только об исправлении снимков ретушировкой, но и исправлении их при печатании наложением 2-х снимков, один из которых делается негативом, а другой позитивом.

<…>

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 13. Л. 1; 8–11. Подлинник. Машинопись. Автограф.

 


№ 6

Из отчета «Об использовании запаздывающей обратной связи
для получения искусственной гулкости»

Москва, 1940 г.

Техническое сообщение

Наименование: Об использовании запаздывающей обратной связи для получения искусственной гулкости.

Аннотация: На основании результатов выполненного ранее теоретического и экспериментального исследования акустической обратной связи дается анализ возможности использования запаздывающей обратной связи для получения искусственной реверберации.

Выводы: Расчеты показывают, что получение искусственной гулкости нормальной величины и высокого качества с помощью системы с запаздывающей обратной связью сопряжено с необходимостью обеспечения в установке удовлетворения крайне жестких допусков на равномерность частотной характеристики, линейность амплитудной характеристики и стабильность работы установки.

Учитывая технику и эксплуатационные условия сегодняшнего дня, можно утверждать, что практическое осуществление подобных установок требует преодоления ряда весьма серьезных технических трудностей.

Установленные допуски желательно подвергнуть экспериментальной проверке.

Исполнитель: Ю.М. Сухаревский

Об использовании запаздывающей обратной связи для получения искусственной гулкости.

Вопрос о искусственной гулкости привлекает за последнее время большое внимание. Применение искусственной гулкости в звукоусилительных системах, обслуживающих аудиторию, расположенную на открытом воздухе, несомненно, дало бы значительное улучшение качество звучания музыкального исполнения, так как отсутствие на открытом воздухе естественной гулкости придает звучанию музыкальных инструментов в таких условиях резкий и сухой характер.

Искусственная гулкость может также найти себе широкое применение в звуковом кино, где при записи звука в кино – ателье трудно обеспечить оптимальную величину и хорошее качество гулкости.

Весьма большой практический интерес вопрос об искусственной гулкости приобретает в связи со строительством Дворца Советов. Большой зал Дворца Советов, огромные размеры которого не позволяют получить хорошего качества естественной гулкости, будет намеренно лишен таковой. Этот дефект акустики Большого зала предполагается компенсировать путем применения искусственной гулкости.

Ряд предложенных способов получения искусственной гулкости с помощью электрических, электроакустических и электрооптических устройств, рассмотрение которых не входит в нашу задачу, вобщем обладает достаточно большой сложностью. В этом отношении выгодно отличающимся на первый взгляд представляется способ получения искусственной гулкости с помощью запаздывающей обратной связи, предложенный несколько лет назад профессором Н.Н. Андреевым. Этот способ принципиально весьма простой, и позволяющий легко варьировать как абсолютную величину времени реверберации, так и его частотную характеристику, до сих пор не получил ни практической, ни теоретической апробации. Последняя в настоящее время представляется возможной на основе моих работ, рассматривающих вопрос об акустической обратной связи, которая является одним из видов запаздывающей обратной связи.

<…>

Анализ условий работы системы с запаздывающей обратной связью, как устройства для получения искусственной реверберации, показывает, что при всей принципиальной простоте системы и легкости варьирования абсолютной величины и частотной характеристики реверберации, устойчивая работа устройства и получение высококачественного звукового эффекта возможны только в том случае, если имеет место строгая равномерность частотной характеристики чувствительности и линейность амплитудной характеристики системы, а также строгая стабильность работы аппаратуры. Оценивая полученные выше допуски с точки зрения техники и нормальных эксплуатационных условий сегодняшнего дня следует признать, что при таких допусках практическое осуществление подобных установок сопряжено с разрешением весьма серьезных технических трудностей. Следует, однако, отметить, что поскольку упомянутые допуски установлены пока только на основании теоретических соображений, желательно подвергнуть их также экспериментальной проверке, после которой можно будет дать окончательную оценку степени практической пригодности рассмотренного способа получения искусственной гулкости по сравнению с другими известными способами.
 

РГАНТД. Ф. 252. Оп. 3-1. Д. 20. Л. 1–4; 7–8. Подлинник. Машинопись. Автограф.

 


[1] Выкружка или переходной бортик позволяет качественно проклеить швы и слои материала на переходе к вертикальной поверхности. Еще одним назначением выкружки или переходного бортика можно считать выравнивание температурных полей в месте пересечения двух поверхностей.

[2] Уоллес Клемент Сэбин (Сабин) (1868–1919) – американский физик, основатель архитектурной акустики.

[3] Аппроксимация – научный метод, состоящий в замене одних объектов другими, в каком-то смысле близкими к исходным, но более простыми.

[4] Влияние реверберации здесь не рассматривается, поскольку мы имеем дело с открытым пространством.

[5] Здесь не рассматриваются помехи от обратной акустической связи между микрофоном и громкоговорителем, имеющей место в звукоусилительной системе. Этот вопрос рассматривается в другой работе автора, которая будет в скором времени опубликована.

[6] Этот вопрос является темой выполненных нами работы, которая будет в скором времени опубликована.

[7] Настоящее исследование является одной из работ автора, посвященных проблеме электроакустического воспроизведения звука в открытых пространствах и в больших аудиториях. В этих работах, выполненных автором за последнее время, кроме вопроса о направленности действия звукоизлучателей, затронуты также вопросы: о распространении звука в рупоре, о расчете звукового поля громкоговорящих систем и об акустической обратной связи в звукоусилительных установках. Упомянутые работы в скором времени будут опубликованы.

[8] Таким образом, характеристика направленности представляет распределение звукового давления по некоторой сфере, в центре которой находится звукоизлучатель. Если радиус этой сферы достаточно велик, то характеристика направленности от него не зависит. У излучателей, представляющих тело вращения, характеристика направленности также является телом вращения, для определения которого достаточно знать распределение звукового давления по окружности, в центре которой находится звукоизлучатель, если эта окружность лежит в плоскости, проходящей через ось излучателя. Обычно звуковое давление откладывается на характеристике направленности в относительных единицах, причем за единицу принимается давление на оси.

[9] Джон Уильям Стретт (1842–1919) – британский физик, открывший (с Уильямом Рамзаем) газ аргон и получивший за это Нобелевскую премию по физике в 1904 году. Он также открыл явление, ныне называемое рассеянием Рэлея и предсказал существование поверхностных волн, которые также называются волнами Рэлея.

Основными научными интересами Рэлея были теория колебаний и ее приложения в самых разных областях физики – акустике, оптике, электричестве и других.

В акустике Рэлей исследовал колебания струн, стержней, пластинок и др. В 1873 он сформулировал ряд фундаментальных теорем линейной теории колебаний, позволяющих делать качественные заключения о собственных частотах колебательных систем, и разработал количественный метод возмущений для нахождения собственных частот колебательной системы, мало отличающейся от простой системы с известными собственными частотами.

[10] Предложенный Гутиным упрощенный метод подсчета характеристики направленности колеблющегося отрезка сферы дает неточные результаты, причем этот метод также недостаточно прост.

[11] Устье – широкий конец рупора, являющийся излучающим элементом.

[12] Такие данные недавно получены автором в результате экспериментальной работы, о которой упоминалось выше. Использование этих данных для подсчета характеристики направленности рупора является предметом дальнейших исследований.

[13] Так в тексте документа; вероятно, должно быть «сомнительных». – Примечание автора публикации.

[14] Существующая теория рупора, разработанная Вебстером, исходит из предположения о плоском фронте волны в рупоре. Использование этой теории при определении акустического сопротивления у горла конечного рупора не ведет к большим ошибкам, но применение ее при определении направленного действия рупора является для конических и экспоненциальных рупоров абсурдным.

[15] Часто применяемое для уменьшения габаритов сворачивание рупора, если оно захватывает широкую часть рупора, несомненно, должно отразиться на форме характеристики направленности рупора. Влияние этого фактора в настоящей работе исследованию не подвергалось.

[16] Зоны Френеля, участки, на которые можно разбить поверхность световой (или звуковой) волны для вычисления результатов дифракции света (или звука).

[17] Заметим, что вследствие малых размеров горла экспериментальных рупоров волна в горле была бы плоской и при размерах диафрагмы, соизмеримых с длиной волны. На это обстоятельство мы уже указывали выше.

[18] Схему измерительной установки мы не приводим, так как она достаточно проста и обычна.

[19] Верн Оливер Кнудсен (1893–1974) – американский физик и акустик. Известен исследованиями в области архитектурной акустики.

© РГАНТД, 2002–2017
Использование материалов сайта РГАНТД допускается только после письменного согласия администрации сайта.
При использовании материалов сайта указание источника (РГАНТД) и гиперссылки на http://rgantd.ru обязательно!

Яндекс цитирования

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru

Сайт ВНИИДАД Сайт 'Вестник архивиста' Официальный портал РОИА Официальный сайт Роскосмоса