Представьте профессора Нортона, стоящего перед большой аудиторией и пытающегося рассуждать об искусстве, – строгий костюм, пышные усы, бакенбарды, редеющие волосы. Студенты сначала услышат звук, который идет непосредственно от профессора к их ушам – по прямой, по кратчайшему пути. Но за ним сразу же следуют отражения – звук, отразившийся от стен, сводчатого потолка, столов и других твердых поверхностей.
Эти отражения и определяют архитектурную акустику – то есть как люди воспринимают звук в помещении. Инженеры воздействуют на акустику, меняя размер, форму и планировку помещения. Вот почему мои коллеги акустики испытывают непреодолимое желание хлопнуть в ладоши и послушать, как отражается звук. (Моя жена пришла в ужас, когда я хлопнул в ладоши в крипте французского собора. Наверное, это один из самых необычных способов смутить супруга.) Хлопнув в ладоши, я слушаю, как долго затухают отражения. Если для угасания звука требуется много времени – время реверберации слишком велико, – то речь в таком помещении будет невнятной, поскольку соседние слова накладываются друг на друга и сливаются в одно. Как писал в XIX в. Генри Мэтьюз, реверберация «не станет вежливо ждать, пока оратор закончит; с момента начала и до самого конца речи она высмеивает его десятью тысячами языков»[15]. Именно это и происходило, когда профессор Нортон пытался прочесть лекцию. Студенты могли острить, что большинство лекций недоступно для понимания даже при хорошей акустике, но профессор Нортон был блестящим оратором и опытным преподавателем. В данном случае виновата была действительно аудитория, а не лектор.
В просторных помещениях с твердыми поверхностями, таких как соборы, мавзолей Гамильтона или похожий на пещеру лекционный зал в Музее Фогга, отражения слышны продолжительное время. Мягкие поверхности поглощают звук, уменьшая отражение и ускоряя затухание звука. Уоллес Сэбин экспериментировал с мягкими, звукопоглощающими материалами в лекционном зале – со стороны он выглядел как экзальтированный любитель подушек. Сэбин взял 550 метровых мягких сидений из соседнего кинотеатра и постепенно переносил их в лекционный зал Музея Фогга, чтобы проверить, что произойдет. Ему требовалась тишина, и поэтому он работал по ночам, когда студенты уходили домой, а на улицах прекращалось движение. Он измерял время полного затухания звука, но не хлопал в ладоши – непрерывно хлопать могут только профессиональные исполнители фламенко, – а использовал звук органной трубы.
Время до полного затухания звука Сэбин назвал временем реверберации, и в результате его работы появилось одно из главных уравнений акустики. Оно устанавливает связь между временем реверберации и размерами помещения, измеряемыми как физический объем, а также количеством звукопоглощающих материалов, таких как мягкие сиденья из экспериментов Сэбина или слой фетра дюймовой толщины, который он в конечном итоге использовал для облицовки стен лекционного зала, чтобы исправить его акустику. Одно из главных решений, которые принимают инженеры при проектировании помещения с хорошей акустикой – большой аудитории, зала судебных заседаний, офиса с открытой планировкой, – это желаемая длительность реверберации. После этого они могут использовать уравнение Сэбина, чтобы вычислить необходимое количество мягкого, звукопоглощающего материала[16].
Кроме времени реверберации, проектировщик должен учитывать частоту, которая напрямую связана с воспринимаемой высотой звука. Когда скрипач проводит смычком, струна ведет себя как крошечная скакалка, описывая круги. Если скрипач берет ноту, которую музыканты называют средним до, струна делает 256 оборотов в секунду. Вибрация скрипки посылает во все стороны 256 звуковых волн каждую секунду – с частотой 256 герц (Гц). Эта единица измерения была названа в честь Генриха Герца, немецкого физика XIX в., который первым научился излучать и принимать радиоволны. Самая низкая частота, которую может слышать человек, составляет около 20 Гц, а самая высокая (у молодых людей) – 20 000 Гц. Но наибольшее значение имеют частоты, расположенные в середине диапазона. Рояль издает звуки частотой от 30 до 4000 Гц. За пределами этого диапазона мы уже с трудом различаем высоту звука, и все ноты становятся похожими друг на друга. Выше 4000 Гц мелодии превращаются в бессмысленный свист человека, лишенного музыкального слуха. Наше ухо эффективнее всего усиливает и различает звуки на средних частотах, в диапазоне музыкальных нот. В этот диапазон попадает и речь, и поэтому при проектировке залов, предназначенных для исполнения музыки, акустические инженеры в своих расчетах используют частоты от 100 до 5000 Гц.
15
Beyer R. T. Sounds of Our Times: Two Hundred Years of Acoustics. N. Y.: Springer, 1998. Оригинал появился в Mathews H. Observations on Sound (publisher unknown, 1826).
16
Иногда требуется изменить и физический объем. При проектировании концертных залов используется эмпирическое правило – не менее 10 кубических метров на одно место.