СПОСОБ СОЗДАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ГОЛОГРАММ ДЛЯ ТЕАТРАЛЬНЫХ, КОНЦЕРТНЫХ И ИНЫХ ЗАЛОВ
METHOD OF CREATING ACOUSTIC HOLOGRAMS FOR THEATRE, CONCERT AND OTHER HALLS

Изобретение относится к области корректировки акустических характеристик объемов пространства помещений, преимущественно концертных, театральных, храмовых и иных помещений.
Предлагаемое изобретение, а именно акустическая голограмма, является новой областью, применяемой для улучшения акустики театральных, концертных и иных помещений.
10
2
3
Не все концертные, театральные и иные помещения обладают удовлетворительной акустикой. Известно слоистое изделие с акустическими свойствами, включающее внешний слой, выполненный из древесного материала, и внутренний слой, содержащий сухие стебли растений в качестве активного акустического слоя, при этом в качестве древесного материла использован древесный шпон, в качестве сухих стеблей растений использована щепа или рейки из сухих стеблей лопуха, кроме того слоистое изделие характеризуется модулем упругости при статическом изгибе 2,63·10 Н/м, плотностью 190-215 кг/м и отношением модуля упругости к плотности соответственно
6
2
2
(138,4-122,3)·10 м/с (RU 2291257, кл. Е04В 1/74, G10K 11/00, B32B 11/02, 2007 г.).
Наиболее близким к заявляемому изобретению относится способ обработки поверхностей, ограждающих объемы пространства, заключающийся в том, что поверхности, ограждающие пространство, покрывают жидкими затвердевающими материалами при воздействии давления звуковых волн, испускаемых излучателем звука, например, в виде репродуктора, обеспечивающим громкость 30-80 дБ и работающим в диапазоне от 2 до 30000 Гц, и установленным на расстоянии, равном половине длины звуковой волны, рассчитанной для частоты головы звукоряда (F), для обрабатываемой поверхности, ограждающей объем пространства. При этом нанесение затвердевающих покрытий осуществляют одновременно с волновым звуковым воздействием, а воздействие звуковых волн продолжают до отверждения наносимого покрытия. Для покрытия поверхностей используют водоэмульсионные, и/или алкидные, и/или масляные краски и/или лаки, а также другие затвердевающие покрытия малярной консистенции (RU 2409727, кл. Е04В 1/99, 2011 г.).
При расположении источника звука в точке половины длины звуковой волны между стенами (боковыми, торцевыми, полом и потолком) не все отраженные волны могут попадать на малую окрашиваемую поверхность, а те, что попадают, находятся под такими косыми углами, что не могут преодолеть поверхностное напряжение краски. Кроме того, известное техническое решение не рассчитано на создание высоких акустических характеристик в помещениях со сложными архитектурными формами, а может быть использовано только на абсолютно ровных поверхностях, что значительно ограничивает его область применения, не позволяющую учитывать сложные формы, такие как: впадины и выступы на стенах, арочные проемы, колоны, лестницы с перилами и т.п. архитектурные особенности.
Задачей изобретения является разработка способа, обеспечивающего улучшение акустических характеристик помещений со сложными архитектурными формами.
Техническим результатом является расширением функциональных возможностей при создании акустических голограмм.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе создания акустических голограмм для театральных, концертных и иных залов, покрытием внутренних поверхностей помещений жидким затвердевающим лакокрасочным материалом при одновременном воздействии давления звуковых волн на окрашиваемую поверхность до полного отверждения наносимого покрытия, путем излучения звука в виде бегущего звукоряда, обеспечивающего громкость 30-80 дБ и работающего в диапазоне от 2 до 30000 Гц, согласно изобретению, бегущий звукоряд, пробуждающий резонансные волны в помещении, создают методом многократно повторяющегося глиссандо с низких частот до высоких в отношении обертонов, расположенных в натуральном ряду целочисленных гармонических соотношений от 1 до 12 в течение одной минуты, источник звука устанавливают на расстоянии ¾ длины звуковой волны от окрашенной поверхности, при этом воздействие давления звуковых волн на затвердевающий материал продолжают еще в течение 1-3 часов после окончания процесса отвердевания материалов, кроющих ограждающие поверхности.
Раздвоение идущих из одного источника звуков, одна часть которых остается «опорной», а другая часть, пробуждая резонанс собственных частот помещения, становится «объектной» (предметной), создает их интерференционную картину. Интерференционной картиной этих двух слагаемых звуковых потоков волн, создается акустическая голограмма, зафиксированная жидкими затвердевающими (лакокрасочными) покрытиями поверхностей, определяющих объемы помещений. Для создания «опорного» звука используется, стоящий на фиксированном расстоянии ¾  длины звуковой волны от окрашиваемой поверхности, источник сферических волн глиссирующего гармонического звукоряда. Под глиссирующим гармоническим звукорядом имеется в виду плавное изменение от низких звуков в сторону высоких всех частот, составляющих изначальный звукоряд. Он используется в области слуха человека от 20 до 20000 Гц и в медицинском плане невредном диапазоне от 20 до 80 дБ. Техническим примером демонстрации звукового глиссандо является плавное вращение ручки управления частотой звука на звуковом генераторе, подключенного к репродуктору. Для набора большого числа гармонически соотносящихся глиссирующих звуков использовались компьютерные возможности.
Непрерывными многократными повторениями глиссандо таких гармонических спектров частот, вынуждающей силой воздействия их пучностей, образуются вынужденные колебания воздушных масс в помещениях. Но воздушные массы в помещении имеют свои собственные резонансные частоты. При совпадении частот вынуждающей силы повторяющегося глиссандо «опорного» звукоряда с собственными резонансными частотами колебаний воздушной массы, ее вынужденные колебания превращаются в резонансные «объектные» волны. Став резонансными, волны приобретают более высокие амплитуды своих пучностей и большее во времени свое существование по сравнению с «опорными» волнами, частоты которых непрерывно и многократно повторяясь, (каждую минуту), изменяются от низких частот в сторону высоких в виде глиссандо. Важно, что при этом время жизни каждой «опорной» бегущей частоты, еще некоторый момент времени постепенно угасая, продолжается в качестве отраженной от поверхностей ограждающих пространство помещения. Это увеличивает эффективность пробуждения «опорными» волнами собственных резонансных волн и время попадания в резонанс. «Опорные» волны, периодически снабжая «объектные» волны дополнительной энергией, по мере приближения и удаления к резонансным частотам, то увеличивают, то уменьшают амплитуды резонансных волн и время их существования, придают им характер незатухающих автоколебаний.
Существенным значением для решения поставленной задачи является также упорядоченность обертонов, которые располагаются в натуральном ряду целочисленных, т.е. гармонических соотношений: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12. Гармонические обертоны возникающих резонансных «объектных» волн, в свою очередь, получают резонансную поддержку времени своего существования дополнительными совпадениями своих обертоновых частот с глиссирующими (бегущими) гармонизированными частотами «опорного» звукоряда, тем самым, увеличивая плотность интерференционных явлений. Гармонические «объектные» резонансные волны, интерферируют с гармоническими «опорными» волнами бегущих в виде глиссандо частот. Эта интерференционная картина приобретает особый характер в силу происхождения всех волн из одного и того же источника сферических звуковых волн. Звуки, идущие из одного источника, распадаются на глиссирующие (бегущие) «опорные» частоты, и пробужденные ими «объектные» собственные резонансные частоты звуковых волн в помещении.
В пробужденном резонансе, наряду с основным его тоном, всегда содержатся все его обертоны, располагающиеся в отношениях целочисленного натурального ряда чисел, т.е. являются гармоничными. Создание бегущего звукоряда методом многократно повторяющегося глиссандо с низких частот до высоких от 1 до 12 обеспечивает гармонизацию «опорных» и «объектных» акустических волн, интерференция которых регистрируется голограммой на жидких отвердевающих лакокрасочных покрытиях внутренних поверхностях помещений, ограждающих пространство концертных, театральных и иных залов, в целях улучшения (гармонизации) их акустики. Гармонические соотношения волн: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12 в силу колебания не только всей волны, но и находящихся в целочисленных отношениях ее частей: двух, трех, четырех, пяти и т.д. обеспечивают волнам резонанс из-за упорядоченности ее обертонов.
Многократно повторяющегося глиссандо с низких частот до высоких в течение 1 минуты необходимо для пробуждения собственных «объектных» резонансных волн как в малых по объему помещениях, так и для больших объемов помещений. При этом увеличение времени воздействия свыше 1 минуты нецелесообразно, а уменьшение времени не позволит создать требуемые условия для пробуждения собственных «объектных» волн, и не приведет к заявленному результату для больших помещений.
Источник звука устанавливают на расстоянии ¾ длины звуковой волны от окрашенной поверхности для максимального использования знакопеременного давления сгущений и разрежений воздуха в пучностях и воздействия на поверхность кроющих материалов. При установке источника звука от окрашиваемой поверхности, например, на расстоянии ½ длины волны (как у прототипа) на окрашиваемую поверхность будут попадать только узлы звуковой волны и ее обертонов, что неприемлемо в силу нулевых значений давления в узлах. Картина интерференции слагаемых звуковых «опорных» и «объектных» волн, во время их звучания, регистрируется жидкими отвердевающими (лакокрасочными) материалами, которыми покрывают поверхности ограждающие пространство помещения, создавая на них микрорельеф гармонизированной голограммы из пучностей перемежающихся узлами. Эти гармонизированные голограммы на кроющих материалах могут создаваться на всех без исключения поверхностях, ограждающих пространство помещения любой архитектурной конструкции. Такие гармонизированные голограммы улучшают акустику помещений, без каких-либо для этих целей строительных и реконструкционных работ. То есть, предложенный способ является самым экономичным и может использоваться в помещениях, практически, любой архитектурной сложности.
Способ создания акустических голограмм для театральных, концертных и иных залов иллюстрируется диаграммой, при расположении источника звука на расстоянии ¾ длины звуковой волны от поверхности, покрытой лакокрасочным материалом, и непрерывного движения основной волны и ее обертонов во времени глиссандо, представленной на фиг.1. На этой диаграмме косая прямая линия показывает движение частот «опорного» звукоряда и соответствующее сохранение одновременности воздействий всех пучностей, которые, возбуждая собственные резонансные частоты «объектных» волн, интерферируя с ними, создают ту интерференционную картину, которую регистрируют кроющие лакокрасочные материалы. Косая линия - это путь во времени, который совершает гармонизированный спектр непрерывно изменяющихся частот изначального звукоряда от старта своих низких частот, (F=23,1 Гц; 2F=46,2 Гц; 3F=69,4 Гц; 4F=92,5 Гц; 5F=116,5 Гц; 6F=138,6 Гц; 7F=164,8 Гц; 8F=185 Гц; 9F=207,7 Гц; 10F=233,1 Гц; 11F=261,6 Гц; 12F=277,2 Гц), до финиша своих высоких, с таким же повторяющимся изначальным гармонизированным спектром частот, в своем конечном, финишном высокочастотном звукоряде (F=369,6 Гц; 2F=740 Гц; 3F=1108,8 Гц; 4F=1480 Гц; 5F=1864,8 Гц; 6F=2217,6 Гц; 7F=2637,6 Гц; 8F=2960 Гц; 9F=3323,2 Гц; 10F=3729,6 Гц; 11F=4185,6 Гц; 12F=4435,2 Гц). Этот с бегущими частотами звукоряд, насыщенный всеми без исключения нотами и промежуточными звуками между ними, использовался как «опорный» для создания «объектных» волн.
Для сравнения на фиг.2 представлена диаграмма движения звуковых волн во времени, с установкой источника звука на расстоянии ½ длины волны от покрытой лакокрасочным материалом поверхности (по прототипу).
Способ создания акустических голограмм для театральных, концертных и иных залов осуществлялся с помощью звуковой программы с бегущей частотой гармоничного звукоряда, разработанного автором способа А.К. Поповым. По этой программе и была проведена голограммно-акустическая обработка во время покрытия стен и декораций водоэмульсионной краской. Краску дважды наносили распылителем на пенопласт, которым были облицованы кирпичные стены и металлические конструкции декораций.
В качестве варианта начального, стартового звукоряда был выбран как наиболее полноценный и благозвучный аккорд, исполненный на рояле. При таком исполнении бегущие частоты не упускают ни одной собственной резонансной частоты помещения, волны которых, собственно, и являются подлинно «объектными».
Пробег осуществляли в течение одной минуты (глиссандо) от низких к высоким частотам гармонизированного «опорного» звукоряда для пробуждения собственных «объектных» резонансных волн. При непрерывном многократном повторении глиссандо «опорного» звукоряда. Возникшие гармонизированные собственные резонансные «объектные» волны приобретают характер незатухающих автоколебаний, которые продолжались еще 2 часа после окончания процесса отвердевания материалов, кроющих ограждающие поверхности объемов помещения. В качестве кроющих материалов использовали водоэмульсионные краски и масленые краски, а для полов - лаки, обычно используемые малярами в консистенции без подтеков. Возможность создания акустических голограмм на архитектурных деталях помещения обеспечивается свойством делимости голограмм, заключающееся в том, что восстановление «объектной» волны, происходит в каждом, отдельном, даже незначительном, участке голограммы.
Резонансные волны с характером незатухающих автоколебаний возникают, когда собственные частоты массы воздуха в помещении начинают многократно совпадать с повторяющимися частотами колебаний вынуждающей силы бегущего «опорного» звукоряда.
Картиной интерференции волн «опорного» и «предметного» потоков звуковых волн на лакокрасочном покрытии поверхности создается из узлов и пучностей микрорельефа голограммы. Свойством голограммы является способность «опорной» звуковой волной восстанавливать гармонизацию звуков, заложенную в «объектной» акустической волне. Для этого достаточно только направить на голограмму лишь «опорный» поток звуковых волн. Но в силу того, что, как правило, «опорная» звуковая волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, выяснилось, что вместо нее можно использовать звуки музыки и голоса. В звуках музыки и речи всегда происходят движения их частот.
Измерения результатов использования предлагаемого изобретения, осуществлялись на спектральном анализаторе 1Е-33.
Результаты измерений в виде регистрирующих записей представлены на 4 листах, где показано воздействие гармоники звуковой волны в дБ до и после покраски. На каждой из представленных страниц записей размещены по четыре столбика цифр:
1-й - порядковый номер гармоники от 1 до 211;
2-й - значения частот выделяемых анализатором в Гц. Анализ начинается с частоты 21.533203 Гц (1 гармоники) и продолжается дальше посредством умножения на числа натурального ряда: 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9, и т.д., вплоть до частоты до 4543.5058 Гц (211 гармоники);
3-й - интенсивность звука в дБ при анализе звука в помещении, создаваемого бегущими частотами «опорного» звукоряда, используемого для возбуждения резонансных «объектных» волн в помещении. Они были получены до покраски поверхностей ограждающих пространство помещения (в линейчатом спектре);
4-й - интенсивность звука в дБ, соответствующий теми же данными, что и в третьем, только полученные уже через два часа после отвердения материалов, которыми были покрыты поверхности ограждающие пространство помещения (в линейчатом спектре).
Для выявления различий все, полученные до покраски, величины амплитуд приняты за точки отсчета и представлены вертикальной линией с условным значением в ноль дБ. Эти различия отчетливо видны в удалении результатов после покраски от условного нуля дБ обозначенного вертикальной линией, влево на минус дБ и вправо на плюс дБ. В их сумме различия достигают размера в 12 дБ.
Эти зарегистрированные спектром анализатора различия свидетельство работы голограммы, созданной во время покраски картиной интерференции «опорных» и «объектных» волн и восстановленных «опорной» волной бегущих частот звукоряда. Вместе с тем это свидетельство работы гармонизированной голограммы, так как не пропущена ни одна частота из гармонизированного ряда частот выделяемых спектральным анализатором.
Покраску осуществляли во время наполнения пространства помещения звуками только «опорного» звукоряда с бегущими частотами, которыми пробуждались собственные резонансные «объектные» волны в помещении.
Данные получены воздействием на воздушную массу «опорным» звукорядом с бегущими частотами, которыми создаются вначале вынужденные, а затем «объектные» резонансные колебания с характером незатухающих автоколебаний воздушной массы.
Результаты воздействия «опорного», с бегущими частотами гармонизированного звукоряда на акустику помещения, а именно пробуждения в помещении его собственных резонансных «объектных» частот, свидетельствуют о действительном создании акустической голограммы покраской поверхностей объема помещения.
Эта картина интерференционных звуковых волн, воздействующих сгущением и разряжениям своих пучностей на жидкие, а затем отвердевающие кроющие лакокрасочные материалы, будучи запечатленной, в них в виде микрорельефа пучностей, перемежающихся узлами, становится гармонизированной голограммой созданной акустическими средствами, т.е. гармонизированной акустической голограммой. При этом максимальный голограммно-акустический эффект достигается тем, что всюду проникающей интерференцией «объектных» резонансных и «опорных» волн, охватываются все точки любой сложности поверхностей, которые благодаря их покраске становятся регистрирующей средой, т.е. голограммой.
Созданием гармонизированной голограммы на материалах кроющих поверхностях ограждающих пространство помещений падающие на нее звуки музыки и голоса подобно «опорным» волнам извлекают из голограммы заложенную в нее гармонию, которой естественно обладают стоячие резонансные волны, собственно, и привносится гармоничная окраска в звуки музыки и голоса.
Рассмотренный голограммный акустический процесс не противоречит тем общим закономерностям, которые используются в голографии.
Из спектров частот, величины амплитуд которых выражены в дБ, видно, что до покраски изображенные пунктиром амплитуды и через два часа после покраски, колебания их величин синхронны. Эта синхронность свидетельство участия «объектных» резонансных волн, возбуждаемых бегущими частотами «опорного» гармонического звукоряда. Колебания «объектных» резонансных волн создаются приближениями и удалениями к их собственным частотам пробегающих частот (глиссандо) «опорного» звукоряда. Это то, что одинаково происходит и до, и во время покраски, и после нее.
Улучшенная акустика залов, за счет привнесения гармонии в звуки голоса и музыки, подтверждается также и положительной оценкой экспертов, которые утверждают, что звук в помещении, обработанном способом создания акустических голограмм, имеет более красивое звучание.