Akustyka budowlana. Czas pogłosu. Regulacja – metody architektoniczne

Jednym z problemów, jaki się pojawił, była duża rozbieżność optymalnych wartości w przypadku sal wielofunkcyjnych. Rozwiązaniem tego problemu jest regulacja parametrów akustycznych. W tym artykule skupimy się na architektonicznych sposobach regulacji czasu pogłosu.

Ten typ metod zmian czasu pogłosu nazywa się również sposobami mechanicznymi lub pasywnymi. Bezpośredni wpływ na parametry akustyczne mają fizyczne zmiany w danym pomieszczeniu. Są to rozwiązania opierające się najczęściej na ruchomych elementach wystroju, ruchomych elementach technicznego wyposażenia danej sali oraz komorach pogłosowych, sprzężonych akustycznie z salą. Niestety, są to metody często ingerujące w odbiór wizualny wnętrza sali, co nie tylko nie musi być dobrze odebrane przez użytkowników, ale nie jest lubiane również przez samych architektów. Pasywne sposoby regulacji czasu pogłosu można podzielić na dwa główne typy rozwiązań: zmienna kubatura pomieszczenia oraz zmienna chłonność akustyczna pomieszczenia.

ZMIENNA KUBATURA

Głównym założeniem tego rozwiązania jest zwiększanie objętości sali bez dodawania dodatkowej chłonności akustycznej. Analizując równania Sabine’a opisane w pierwszym artykule serii (numer wrześniowy 2016 r.), dotyczące czasu pogłosu, można zauważyć, że wartość parametru jest bezpośrednio zależna od kubatury danego pomieszczenia. Im większa jest kubatura, tym dłuższy jest czas pogłosu. Dodatkowo metoda ta w wielu przypadkach pozwala zachować pozostałe, równie ważne, parametry akustyczne sali. Ponadto bardzo istotną zaletą tych rozwiązań jest fakt, że wpływ na poziom dźwięku w sali jest minimalny, bo nie ma dodatkowych strat energetycznych wynikających z pochłaniania dźwięku. Osiągnięcie dużych zmian w objętości pomieszczenia wymaga jednak wiele kunsztu oraz pomysłowości od architektów oraz technologów sceny, gdyż są to rozwiązania skomplikowane. Oczywiście, nie da się pominąć kwestii finansowych. Sposoby te są drogie nie tylko w wykonaniu, ale także w eksploatacji. Można wyróżnić dwie główne metody uzyskiwania zmiany czasu pogłosu poprzez zmianę objętości. Po pierwsze

ZASTOSOWANIE DODATKOWYCH POMIESZCZEŃ POŁĄCZONYCH Z SALĄ

W celu zmiany czasu pogłosu projektuje się tak zwane komory pogłosowe. Są to dodatkowe pomieszczenia przylegające do danej sali, połączone z salą otworami. Pomieszczenia takie są wtedy sprzężone akustycznie, czyli wpływają na siebie wzajemnie w procesie tworzenia zjawiska pogłosowego. Połączenie zaopatrzone jest w zamykane żaluzje lub drzwi. System zamykający i oddzielający komory od sali musi być szczelny i o wysokiej izolacyjności akustycznej, co często wiąże się z zastosowaniem np. bardzo masywnych drzwi wykonanych z betonu, wyposażonych w napędy mechaniczne. Takie rozwiązanie już na etapie rozważań wydaje się drogie i skomplikowane.

Wartość, o jaką zostanie wydłużony czas pogłosu, zależy od konstrukcji i wykończenia wnętrza komory. Najczęściej stosuje się materiały silnie odbijające dźwięk, takie jak tynk, ceramika itp. Ponadto na całkowity czas pogłosu wpływa położenie elementu zamykającego, tj. drzwi lub żaluzji. I tu warto się na chwilę zatrzymać, bo jest to zagadnie, na które trzeba zwrócić uwagę. Aby komory funkcjonowały prawidłowo i skutecznie, niezbędny jest wystarczająco duży otwór łączący. Geometria przekroju otworu musi umożliwiać obustronną niezakłóconą transmisję energii akustycznej. Jeśli dodatkowa kubatura jest połączona nieprawidłowo z pomieszczeniem głównym, komora może mieć wpływ odwrotny od zamierzonego, czyli działać jak absorber, w pewnym zakresie częstotliwości. Powodem nieprawidłowości może być na przykład zbyt mały wymiar otworu. Ponadto w przypadku zastosowania elementu zamykającego w formie żaluzji, przy złym doborze lub niepełnym zamknięciu światła otworu układ również może działać jak ustrój absorbujący dźwięk.

W celu uzyskania większej możliwości doboru różnych czasów pogłosu stosuje się wiele niezależnych komór. Sprzężone pomieszczenia są otwierane niezależnie od siebie, dzięki czemu można tworzyć wiele kombinacji zmieniających czas pogłosu.

W Polsce przykładowym rozwiązaniem sali koncertowej z wykorzystaniem komór pogłosowych jest sala koncertowa Narodowego Forum Muzyki we Wrocławiu. Wyposażona jest w dwie komory pogłosowe, umieszczone po dwóch stronach sali, zamykane napędzanymi silnikami drzwiami wykonami z betonu.
Kolejnym przykładem jest Sala A w Eugen Mc Dermott Concert Hall w Morton H. Myerson Symphony Center w Dallas. Dodatkowa objętość znajdująca się za ścianami bocznymi w formie komór pogłosowych potrafi zwiększyć całkowitą kubaturę o 7.200 m3. Na rysunku 1 wyraźnie widać przestrzeń, jakiej wymagają komory. Architekci oraz inwestorzy nie są zadowoleni z takich rozwiązań ze względu na dużą utratę powierzchni.

Ciekawostką jest, że komory wyposażone są dodatkowo w kurtyny akustyczne, za pomocą których można regulować pogłosowość dodatkowych przestrzeni, tym samym zwiększając jeszcze bardziej możliwości. Drugą metodą jest

ZASTOSOWANIE RUCHOMYCH PRZEGRÓD PIONOWYCH LUB POZIOMYCH

W tym przypadku celem również jest zmiana kubatury pomieszczenia, jednak środkiem zmiana położenia przegród pionowych lub poziomych pomieszczenia. Mowa tu o suficie lub ścianach dzielących salę. Obniżenie sufitu czy przesunięcie przegrody pionowej w głąb pomieszczenia powoduje zmniejszenie objętości, a co za tym idzie skrócenie czasu pogłosu. Jeżeli takie rozwiązanie się stosuje, to najczęściej są to ruchome sufity podwieszane pod stropem. Bardzo istotne jest, aby przegroda miała powierzchnię zbliżoną do stropu i cechowała się wysoką izolacyjnością akustyczną w całym paśmie. Niedotrzymanie tych warunków może spowodować, że fale akustyczne o różnych częstotliwościach, szczególnie o małych, będą przenikać przez przegrodę. W przypadku dużych „nieszczelności” ruchomy sufit nie będzie w pełni efektywny, gdyż część energii akustycznej i fal odbitych będzie przenikała między dwoma oddzielonymi przestrzeniami, a przy rozwiązaniach o takim rozmachu błędy tego typu są niedopuszczalne.

Ten typ rozwiązania jest również niezwykle skomplikowany i wymagający. Systemy umożliwiające poruszanie sufitami muszą być zaprojektowane z niezwykłą uwagą, biorąc pod uwagę nie tylko czynniki akustyczne, ale w wielu przypadkach głównie czynniki związane z bezpieczeństwem widzów i muzyków. Rozwiązania tego typu są bardzo drogie w wykonaniu oraz w eksploatacji. Ponadto zmiana parametrów akustycznych sali, czyli zmiana położenia np. sufitu, jest czasochłonna, gdyż prędkości ograniczone są możliwościami urządzeń oraz zachowaniem bezpieczeństwa. Często ruchome sufity oraz inne elementy ograniczające zostają ustawione w jednej pozycji, której nie zmienia się przez lata. Spowodowane jest to kilkoma czynnikami, między innymi tym, że zauważalna różnica w czasie pogłosu jest niewielka lub obsługa nie jest w stanie określić optymalnej pozycji. W skrajnych przypadkach użytkownik nie wie, że może zmienić pozycję lub przegroda utknęła w jednej pozycji.

Przykładem rozwiązania regulacji czasu pogłosu ruchomym sufitem jest sala koncertowa Studio Acusticum w mieście Pitea w północnej Szwecji. Wyposażona jest w ruchomy sufit z zakresem zmian do pięciu metrów. Zastosowana przegroda ma masę 94 ton, co zapewnia odpowiednią izolację między przestrzeniami. Skrajne ustawienia systemu dają w efekcie zmianę kubatury o 30 %. Na rysunku 2 przedstawiony jest uzyskany czas pogłosu przy trzech ustawieniach: wysoki sufit, niski sufit, niski sufit wraz z opuszczonymi kotarami.

Kolejnym przykładem, prezentującym nieco inne, ale równie ciekawe rozwiązanie zmiennej kubatury, jest sala Logomo Hall w Turku w Finlandii. W sali zastosowana jest zmiana objętości pomieszczenia za pomocą masywnej trybuny, która przemieszcza się do przodu i do tyłu na poduszkach wypełnianych powietrzem. To rozwiązanie robi wrażenie! Ruchomy element może zostać tak ustawiony, że tworzy trzy konfiguracje: małą (S) – 500 m2, średnią (M) – 900 m2 lub dużą (D) 1.700 m2. Pozwala to na osiągnięcie zmiany liczby miejsc siedzących z 1.100 aż do 2.300. Na rysunku 3 schematycznie przedstawiono różne ustawienia trybuny w pomieszczeniu. W Internecie można znaleźć ciekawe filmy ukazujące przesuwanie się trybuny.

Na rysunku 4 przedstawione są natomiast wykresy prezentujące czas pogłosu w funkcji częstotliwości dla średniego oraz dużego ustawienia sali.

Zależność czasu pogłosu od częstotliwości w Sali Logomo Hall dla ustawień Sali średniej (M-configuration) oraz dużej (L-configuration)

 

ZMIENNA CHŁONNOŚĆ AKUSTYCZNA

Metody polegające na zmianie chłonności akustycznej sali są proste i dające wyraźnie słyszalne efekty. Sposoby te, jak sama nazwa sugeruje, opierają się na wprowadzeniu do sali dodatkowej chłonności akustycznej. Fala padająca na dodaną powierzchnię pochłaniającą traci energię, co ostatecznie skutkuje skróceniem czasu pogłosu. Jest to również metoda najbardziej zrównoważona architektoniczne, gdyż nie wymaga – w porównaniu do metody zmiany objętości – dodatkowych przestrzeni, które w przypadku braku wykorzystania marnują się. Ponadto metody te są najczęściej przystępne cenowo i łatwe w obsłudze.

Mimo to w przypadku zastosowania tej metody pojawiają się zmiany w poziomie dźwięku oraz barwie pogłosu, spowodowane nierównomiernymi charakterystykami częstotliwościowymi współczynnika pochłaniania zastosowanych materiałów. Ponadto przy dodaniu bardzo dużej ilości materiałów pochłaniających dźwięk istnieje ryzyko, że „zasłonięte” zostaną korzystnie działające powierzchnie odbijające – odpowiedzialne między innymi za wczesne odbicia. Ze względów architektonicznych istnieje ryzyko, że metody te nie spodobają się projektantom, ponieważ mogą znacznie wpłynąć na wystrój wnętrza sali, co ostatecznie zaburzy koncepcję początkową.

Najczęściej stosowanym rozwiązaniem w różnego typu obiektach są kotary oraz banery akustyczne. Jest to rozwiązanie przyjazne architektoniczne, ponieważ kotary mogą chować się w przeznaczonych do tego przestrzeniach, a kasety banerów można zabudować w elementach sali, na przykład pod balkonami. W efekcie, schowane, nie zakłócają koncepcji wizualnej sali.

Zaletą tego sposobu jest również bardzo łatwa obsługa. Często kotary i banery są zmechanizowane, dzięki czemu wystarczy użycie odpowiedniego przycisku, aby je rozwinąć. Stosuje się również kotary napędzane ręcznie, co także jest rozwiązaniem prostym i szybkim w obsłudze.

Schematyczne przedstawienie kurtyn akustycznych.

Kotary wymagają użycia specjalnych tkanin, często ciężkich, aby uzyskać odpowiednie parametry pochłaniania niskich częstotliwości. Dodatkowo, aby działały efektywnie, niezbędne jest odsunięcie kotar od ściany. Najczęściej stosowana i sugerowana odległość to 20 centymetrów. Niestety takie „przesunięcie powierzchni” ściany może być problemem, biorąc pod uwagę wymogi prawne, co do szerokości w ciągach komunikacyjnych. Typowe kotary akustyczne, w przypadku omówionego montażu, dobrze pochłaniają energię średnich i dużych częstotliwości, jednak w przypadku małych (poniżej około 250 Hz) ich efektywność jest niewielka.

Przykładem sali, w której zastosowano banery akustyczne w celu regulacji czasu pogłosu, jest Vanaja Hall w Verkatehdas w Finlandii. Sala wyposażona jest w rozkładane panele na scenie oraz w cztery kotary akustyczne podwieszone pod stropem i rozwijane na całej szerokości sali. Ponadto na balkonach, na całej ich długości, znajdują się rozwijane banery oddalone od ściany o około 20 cm. Czas pogłosu dla różnych ustawień ustrojów w sali zaprezentowano na rysunku 6 (podobne rozwiązanie spotkamy w obu salach NOSPR – kotary w Sali Koncertowej i banery w Sali Kameralnej – przyp. red.)

Czas pogłosu w funkcji częstotliwości w Sali Vanaja Hall przy różnych ustawieniach ustrojów akustycznych. All hard – ustroje schowane; stage hard, ceiling curtains – zastosowanie kurtyny pod sufitem; stage soft, hall hard – zastosowane tylko ustroje akustyczne na scenie; all soft – zastosowanie ustrojów akustycznych na scenie, kotar pod sufitem oraz banerów na ścianach.

Kolejnym rozwiązaniem zmiany czasu pogłosu za pomocą zmiennej chłonności akustycznej są otwierane oraz rozsuwane panele.

Gdy panel jest zamknięty, cała powierzchnia jest twarda i mocno odbijająca. W celu skróceniu czasu pogłosu panel jest otwierany i odsłonięte zostają materiały pochłaniające. W przypadku tego rozwiązania można uzyskać dość dużą różnorodność efektów. Wszystko zależy od materiału wykorzystanego za panelem. Wadą takiego rozwiązania jest trudny dostęp w przypadku mocowania ustrojów na wysokich ścianach. Wiąże się to często z ograniczeniami montażowymi tylko na poziomach, do których jest dostęp obsługi, bez konieczności używania podnośników. Ponadto aby uzyskać słyszalne efekty, niezbędne jest zastosowanie dużej liczby takich paneli. Najczęściej to rozwiązanie możemy spotkać w studiach nagraniowych.

Schematyczne przedstawienie paneli otwieranych

Panele rozsuwane oraz żaluzjowe opierają się na podobnej zasadzie, jak panele otwierane. Różnica polega na tym, że w tych pierwszych odkrywana jest tylko część materiału pochłaniającego. W przypadku gdy jest to typ przesuwany, zainstalowane są dwie płyty perforowane, które w przypadku zamknięcia powinny szczelnie zazębiać się, a gdy są otwarte nałożyć na siebie. Dzięki temu można zmieniać właściwości akustyczne z pochłaniających na odbijające, ale przy płynnej zmianie można kontrolować w pewnym zakresie parametry akustyczne.

Schematyczne przedstawienie paneli rozsuwanych

Panele żaluzjowe działają na takiej samej zasadzie, tyle że zamiast dwóch paneli perforowanych stosowane jest wiele paneli obrotowych, tworzących system żaluzji.

Schematyczne przedstawienie paneli żaluzjowych

To rozwiązanie jest bardzo elastyczne akustycznie. Oprócz dowolności stosowania materiałów pochłaniających można wprowadzić dodatkowe pochłaniania na elementach żaluzji. Płyty mogą być z dowolnego materiału oraz – co wprowadza dodatkowe zmiany – mogą być perforowane. Zastosowanie takiego ustroju akustycznego daje możliwość uzyskania prawie dowolnej charakterystyki pochłaniania. Mimo wszystko rozwiązanie to ma również wady. W tym przypadku pojawia się problem uzyskania szczelności w momencie, gdy żaluzje są zamknięte. Z powodu trudności w dokładnym i prawidłowym wykonaniu tego typu paneli wprowadzane zmiany charakterystyki pochłaniania dają niewielkie możliwości regulacji czasu pogłosu.

Kolejnym ciekawym rozwiązaniem, jednak rzadko stosowanym, są panele obrotowe. Mogą to być panele dwu- lub trójstronne, które obracają się wokół własnej osi. Każda ze stron wykończona jest w inny sposób, tak aby powierzchnie miały różne parametry akustyczne. Najczęściej spotyka się panele dwustronne o powierzchni pochłaniającej oraz odbijającej.

Schematyczne przedstawienie paneli obrotowych dwustronnych

Dostępne są również panele trójstronne o powierzchniach pochłaniającej, rozpraszającej oraz odbijającej. Schemat takiego rozwiązania został przedstawiony na rysunku 11.

Schematyczne przedstawienie paneli obrotowych trójstronnych

Parametry dźwiękochłonne takiego ustroju zależą od materiału wykorzystanego na stronie pochłaniającej. Mimo to potrzebują dużo przestrzeni, aby mogły swobodnie się obracać. Kolejną wadą jest problem z osiągnięciem odpowiedniego dopasowania krawędzi sąsiadujących elementów. Złe wykonanie i powstałe w wyniku tego nieszczelności mogą prowadzić do sprzężenia między salą oraz przestrzeniami za panelami, co w przypadku dużej liczby takich ustrojów może niekorzystnie wpływać na warunki akustyczne pomieszczenia.

Wszystkie metody architektoniczne zawsze ingerują w jakiś sposób w odbiór wizualny sali. Ponadto część tych sposobów bardzo trudno zastosować, na przykład w remontowanych obiektach. Lepszym pod tym względem rozwiązaniem okazują się metody wykorzystujące systemy elektroakustyczne, które przedstawię w kolejnym artykule.

Rafał Zaremba

---

Załączone rysunki pochodzą z książek: Everest F. A., Pohlmann C. K., Podręcznik akustyki, Kulowski A., Akustyka Sal. Zalecenia projektowe dla architektów, Egan M. D., Architectural Acoustics.