Излучение любого резонатора всегда направлено в сторону наименьшего акустического сопротивления.
Как правило, «чистые» физические резонаторы имеют резонирующие полости, частично открытые в нужном направлении. При этом размеры и акустическое сопротивление открытого конца резонатора подбираются на основе специальных расчетов в зависимости от требуемой основной частоты (в колебательной системе с сосредоточенными параметрами) и эффективности резонатора. Резонаторы в виде, например, труб с открытыми концами не могут быть достаточно широкополосными, что не всегда удобно к реализации в концертных залах.
В обследованном чердачном перекрытии со стороны чердака над полностью замкнутым резонатором имеется настил из досок толщиной 50мм и историческая известково-гипсо-песчанная стяжка толщиной 100мм.
Под резонатором находится только зашивка чистого потолка досками толщиной 40мм. Поэтому верхние стенки резонаторов-усилителей, облицованные исторической известково-гипсо-песчанной стяжкой толщиной 100мм, значительно более жесткие, чем нижние (только доски толщиной 40мм без стяжки).
Цилиндрическая жесткость (сопротивление изгибу) стенок воздушных полостей со стороны чердака (со стяжкой) в 416 раз больше, чем стенок со стороны концертного зала (без стяжки). Наименьшее акустическое сопротивление стенок резонаторов-усилителей имеется только со стороны концертного зала.
Таким образом, в проекте архитектора Л.Бенуа исторической известково-гипсо-песчанной стяжке толщиной 100мм была отведена роль звукоизолятора, а также роль эффективного отражателя звука в полость резонаторов.
Из полости резонаторов усиленный звук (через тонкую и значительно менее жёсткую зашивку чистого потолка) поступал в концертный зал. Резонаторы (восемнадцать воздушных полостей) на потолке концертного зала Капеллы, являясь многорезонансными колебательными системами, за счёт жёсткой связи с потолком зала, возбуждают интенсивные колебания этого потолка в целом.
Однако историческая известково-гипсо-песчанная стяжка использовалась и как теплоизолятор.
Компоненты исторической известково-гипсо-песчанной стяжки толщиной 100мм – это известковый раствор, гипсовый раствор и наполнители, включая, например, прокалённый песок.
Коэффициент теплопроводности известкового раствора в условиях эксплуатации Санкт-Петербурга равен 0.81 Вт/м0С, а коэффициент теплопроводности гипсового раствора в гипсовых плитах равен 0.47 Вт/м0С.
Если указанные компоненты в стяжке находятся в равных долях, то коэффициент теплопроводности стяжки в целом можно оценить величиной 0.6 Вт/м0С. Материал с таким коэффициентом теплопроводности не может быть отнесен к материалам с высокой теплоизолирующей эффективностью. Эффективные теплоизоляторы, например, шлаковатные плиты Rockwol, или стекловолокнистые маты Ursa, или плиты Epaterm и многие другие, имеют коэффициенты теплопроводности 0.045–0.06 Вт/м0С , т.е. – в 10 раз меньше, чем историческая известково-гипсо-песчанная стяжка.
Отсюда ясно, что исторической известково-гипсо-песчанной стяжке в конструкции чердачного перекрытия архитекторы Л.Бенуа и М.Гейслер не отводили роль эффективного теплоизолятора. Да в этом, как показано ниже, в п. 2.5.7., и не было никакой необходимости.
Существует ли теплоэнергетический баланс концертного зала Капеллы в соответствии с современными теплотехническими нормами?
Из п.п. 2.3, 2.4 следует, что архитекторы Л.Бенуа и М.Гейслер известково-гипсо-песчанной стяжке в конструкции чердачного перекрытия дали главную роль не теплоизолятора, а роль звукоизолятора и отражателя звука из воздушных полостей (резонаторов-усилителей) в концертный зал.
Очевидно, что исторически роль отопителя чердака играл бывший жаровой канал, расположенный по всему контуру чердака, а ныне эту же функцию выполняет вентиляционный воздуховод с вентиляционными решетками. Задача сохранения тепла решалась весьма рационально, точно так же, как она решается и в современных зданиях, имеющих чердак ― пространство чердака нагревается до 9–140С.
Фактическое расчетное приведенное сопротивление теплопередаче в исторической конструкции всего чердачного перекрытия со стяжкой из известково-гипсо-песчанного раствора, с замкнутыми резонаторами и двумя дощатыми настилами 40 и 50мм равно 0.975 м2 0С/Вт.
Для оценки теплоэнергетического баланса здания концертного зала были использованы современные действующие методики.
Как показали теплотехнические расчеты в соответствии со строительными нормами, полный теплоэнергетический баланс концертного зала Капеллы обеспечен при достижении величины требуемого приведенного сопротивления теплопередаче чердачного перекрытия 0,529 м20С/Вт и температуры воздуха на чердаке у поверхности чердачного перекрытия 140С при расчетной температуре наружного воздуха -260С.
Расчётами было определено, что полный теплоэнергетический баланс концертного зала Капеллы обеспечен при температуре воздуха на чердаке у поверхности чердачного перекрытия 90С (при температуре наружного воздуха «минус» 260С). Этот результат справедлив, если чердачное перекрытие обладает приведенным сопротивлением теплопередаче, равным 0.975 м2 0С/Вт.
Именно такой величиной характеризуется обследованное чердачное перекрытие концертного зала Капеллы.
Очевидно, что в зимний период, при фактических температурах наружного воздуха выше расчётной температуры -260С, историческое чердачное перекрытие позволяет сохранить теплоэнергетический баланс концертного зала и при температуре воздуха на чердаке, гораздо ниже 90С.
2.5. О неопустимости изменений исторической конструкции чердачного перекрытия, которые могли бы привести к ухудшению акустики концертного зала Капеллы
Возможно ли заполнение воздушных полостей 18-ти резонаторов тепло- или звукоизолирующим материалом при реставрации?
Мы ранее установили, что заполнение воздушных полостей исторической конструкции чердачного перекрытия, предложенное специалистами по пожарной безопасности, тепло- или звукоизолирующим материалом по проекту ООО «Гипротеатр» могло бы привести к полной потере акустической функции потолка-деки.
В этом случае энергия многократных отражений от внутренних поверхностей резонаторов-усилителей поглощалась бы в материале заполнения полостей за счет преобразования звуковой энергии в тепловую.
Пожарная безопасность, о которой в данной ситуации ратовали соответствующие специалисты, успешно могла бы быть обеспечена другими, менее вредными для акустики зала способами.
Следовательно, воздушные полости должны быть сохранены не заполненными каким-либо тепло- или звукопоглощающим материалом.
Об окраске чистого потолка со стороны зрительного зала современными красками, например, нитроэмалями или красками на полиамидной основе также нужно сказать нечто важное.
Очевидно, что потолок является эффективным отражателем и рассеивателем звука с наилучшей характеристикой коэффициента отражения.
Чтобы сохранить эти функции и после реставрации принято, что применяемые для отделки потолка шпатлёвка и краска, должны быть близки по химическому составу историческим материалам, т.е. приготавливались на масляной основе.
Недопустимо применение нитроэмалей и красок на полиамидной основе, или водоэмульсионных растворов красок и шпатлевок.
О замене исторической известково-гипсо-песчаной стяжки слоем эффективного теплоизолятора с расположенной на нем цементной стяжкой малой толщины нельзя говорить всерьёз, занимаясь профессионально проектированием реставрационных технологий уникальных театральных зданий.
По упомянутому предложению ООО «Гипротеатр» историческая известково-гипсо-песчанная стяжка толщиной 100мм следовало заменить на слой толщиной 168мм из эффективного утеплителя Epaterm, выше которого расположена еще цементная стяжка толщиной 20мм.
Это предложение ООО «Гипротеатр», а также Предписание заказчика: Государственного Учреждения «Дирекция заказчика по ремонтно-реставрационным работам на памятниках истории и культуры» сделаны на том основании, что эффективный утеплительEpaterm, якобы, полностью идентичен исторической известково-гипсо-песчанной стяжке толщиной 100мм и «….является аналогом оригинального тепло- и звукоизолирующего материала».
Известный в Европе, как один из лучших, концертный зал Капеллы не является тем объектом реставрации, на котором подобные эксперименты или прямые аналогии могут иметь место.
Необходимы были комплексные обследования с непременным участием, многих высоко квалифицированных специалистов, в том числе и акустиков, чтобы сделать выбор в пользу сохранения уникальной акустики известнейшего концертного зала. Такие комплексные обследования были проведены, и проведены нами своевременно.
Акустические аспекты реконструкции в зале Капеллы изучены весьма и весьма полноценно.
Теплоэнергетический аспект.
Из п. 2.4 следует, что утверждение в отчёте ООО «Гипротеатр» об идентичности исторической известково-гипсо-песчанной стяжки толщиной 100мм и заменяющего ее слоя толщиной 168мм из эффективного утеплителя Epaterm, мягко говоря, несправедливо.
Не могут быть идентичными с теплотехнической точки зрения материалы, коэффициенты теплопроводности которых различаются в 10 раз, а толщина весьма эффективного заменяющего материала Epaterm принята в 1.68 раза больше, чем историческая (на порядок менее эффективная) стяжка?!?!…
Если толщина более эффективного заменяющего материала в 1.68 раза больше менее эффективного исторического материала, то, в итоге, авторами предложения из ООО «Гипротеатр» готовилась ситуация, когда термическое сопротивление предложенного материала в 16.8 раза больше, чем исторического. Зачем? Для пресловутого «..Про запас..», что-ли???
Ведь историческая известково-гипсо-песчанная стяжка толщиной 100мм в сочетании с воздушными полостями и двумя слоями досок уже обеспечивает теплоэнергетический баланс концертного зала в зимних условиях практически при любых положительных температурах пространства чердака (в п. 2.4 это убедительно показано).
Нагрев воздуха на чердаке обеспечивался и будет обеспечиваться бывшим жаровым каналом существующей (также реконструируемой) системы отопления в здании концертного зала!…
Акустические перспективы.
Ученые из МГУ и ГУП МНИИП (П.Кравчук и В.Сухов), проводя акустические измерения в концертном зале за 5 лет до его реставрации в октябре 2001 года, конечно, не имели представления о составляющих элементах исторической конструкции чердачного перекрытия.
Однако, высокий профессионализм, опыт и интуиция позволили им, ничего не зная о составе исторических конструкций, ещё тогда написать в выводах к Акустическому Паспорту Капеллы: «Все сохранившиеся оригинальные конструкции потолка и пола при ремонте зала необходимо и далее сохранить, заменив лишь непригодные части на новые из того же материала».
«….из того же материала…» !!!!!!!
Я не имею оснований возражать этим дальновидным ученым!
Более того, мне чудесным образом удалось сделать всё возможное, чтобы сохранить акустические качества концертного зала Капеллы на долгие годы и после реставрации.
В п.п. 2.3 и 2.4 показано решающее значение исторической известково-гипсо-песчанной стяжки для усиления звука с помощью воздушных полостей, как резонаторов-усилителей. Если бы предложение ООО «Гипротеатр» без нашего ведома было реализовано, то и предложенная ими цементная стяжка толщиной 20мм на слое эффективного утеплителя Epaterm в системе масса-упругость-масса-упругость-масса стала бы нежелательным для акустики зала, но эффективнейшим двухзвенным виброизолятором-поглотителем колебаний потолка, работающим в важнейших низко- и среднечастотном, и инфразвуковом диапазонах.
Полезные колебания верхнего дощатого настила воздушных полостей «эффективно» гасились бы. Многократные отражения внутрь воздушной полости имели бы значительно меньшую энергию, уже совершенно малозначительную для акустики концертного зала.
Исторически сложившаяся функция резонаторов-усилителей звука была бы безвозвратно утеряна, т.к. жесткость верхних стенок резонаторов была бы всего в 2 раза больше жесткости стенок, обращенных в зал, и не только за счет разности толщин досок потолка (40мм) и настила (50мм). В исторической конструкции чердачного перекрытия это различие жесткостей находится в соотношении 416:1.
Восстановление функции резонаторов-усилителей (если бы причина этого явления только лишь впоследствии была бы определена специалистами) могло быть отложено на многие десятилетия…, а слава одного из лучших театров Европы могла померкнуть.
Время реверберации в концертном зале уменьшилось бы при этом до недопустимых значений 1.3–1.4 сек.
Мало было бы надежды на возвращение к прежней конструкции потолка Капеллы при каких-то последующих восстановительных работах, т.к. «результаты» деятельности ООО «Гипрогор» в период реконструкции 2005 года в акустической части этого проекта были бы катастрофически разрушительными для акустических конструкций и для акустики зала.
Частный вывод.
Проведенное мною акустическое и теплоэнергетическое обследование было важным и позволило в 2005 году весьма и весьма своевременно сделать вывод о недопустимости реализации предложения ООО «Гипротеатр» о замене исторической известково-гипсо-песчанной стяжки толщиной 100мм на слой толщиной 168мм из эффективного утеплителя Epaterm.
Потребность в утеплителе Epaterm была своевременно отвергнута автором на основе современных норм с точки зрения теплоэнергетического баланса концертного зала Капеллы, на основе правильных умозаключений и тщательных исследований в решении проблем сохранения уникальной акустики зала Капеллы.
На примерах, подобных приведённым в данной главе, можно делать полезные выводы всем специалистам, так или иначе связанным с решением конкретных технических проблем реконструкции уникальных концертных залов.
Значение своевременных консультаций, обследований просвещёнными и практикующими акустиками в подобных изложенному случаях трудно переоценить. Архитекторам-реставраторам не надо испытывать чувства неловкости, приглашая специалистов-акустиков (и не только для работ с уникальными объектами).
2.6. Заключение по главе 2
По прошествии значительного времени после 2005 года с учётом аналитических материалов нашего обследования, многочисленных расчётов и оценок можно полагать, что в 2005 году приняты поучительные и единственно верные решения и проведены технологические операции, действительно ориентированные на сохранение уникальной акустики Капеллы, с программными целями: