Сосуд резонатор в стене

Автор Елена Додонова На чтение 4 мин. Просмотров 247

Каждый, кто бывал в старинных церквях, замечал, что звуки в них распространяются не совсем обычно. Храмовая акустика не похожа ни на театральную, ни на концертную. Здесь каждая нота будто «порхает» под сводами. Появлению этого необыкновенного эффекта способствует наличие голосников – сосудов-резонаторов.

Отзвуки античности

Голосники применялись ещё во времена античности. В театрах под открытым небом в ступени под зрительскими сиденьями вмуровывались бронзовые или терракотовые вазы. Их количество измерялось тысячами. В дальнейшем этот приём стали использовали в Византии при строительстве православных храмов.

Принцип «работы» голосников близок к резонатору Гельмгольца, простейшей моделью которого является морская раковина. Такое устройство резонирует только отдельные звуковые частоты, характерные для спектра человеческого голоса.

Театр Херсонеса

Технология производства голосников

С приходом христианства на Русь зодчие заимствовали традиции греческих мастеров, постепенно формируя на их основе свои. Зодчие пользовались как привозными сосудами из Греции, так и горшками, которые производили на месте.

Местные изделия, по аналогии с амфорами, имели прямое, сильно вытянутое горло. Их делали из так называемой отмученной глины. Для этого её смешивали с водой, затем дожидались, когда на дно выпадут самые крупные частицы, а вода, содержащая растительные примеси окажется на поверхности. После этого осторожно извлекали средний слой самого качественного сырья.

potter at work

Готовые сосуды подвергали обжигу. Процедура представляла собой нагрев и длительную выдержку в печи, а затем постепенное медленное охлаждение. Это способствовало удалению лишней влаги и, как следствие, улучшало свойства материала.

Специальные голосники делали не всегда. Во многих случаях использовали обычные кувшины с ручками и носиками для слива.

Размещение голосников в храме

Особое место занимал вопрос размещения голосников в храме. Для того, чтобы сосуд усиливал звук, его вмуровывали в западной и центральной части храмового помещения, а именно – посередине стен или в нижней части арок. Равномерность распространения звуковых волн достигалась в тех случаях, когда целый комплект сосудов приблизительно одинаковой величины располагали группой.

Кроме этого, имела значение глубина, на которую заделывали резонатор. Толщина стены обычно значительно превышала длину сосуда, при наружный слой создавал надёжную изоляцию от уличного шума. В некоторых случаях горлышки голосников также прикрывались тонким слоем штукатурки.

Древняя и Средневековая Русь

Первые голосники присутствовали в киевской Десятинной церкви. В дальнейшем они были обнаружены во всех древних русских памятниках зодчества: Киеве, Переяславле, Волыни, Чернигове, Полоцке, Смоленске.

Киевская Десятинная церковь (реконструкция)

Эта традиция продолжалась вплоть до периода монгольского вторжения, поскольку голосники выявлены даже в памятниках, относящихся к началу XIII века. При реставрационных работах они были найдены во многих храмах на территории современной России, Белоруссии и Украины: Пскове, Новгороде, Суздале, Нижнем Новгороде, Уфе, Звенигороде, Гродно и др.

Уникальна в этом отношении Коложская церковь в городе Гродно. В её стенах, начиная с полутораметровой высоты, вмурованы многочисленные голосники, которые обращены отверстиями внутрь храма. Исследователи полагают, что их использование преследовало не только цель усиления и обогащения звука, но и облегчения конструкции, а также декорирования.

Голосники Коложской церкви в Гродно

Вместе с тем, во владимирской и галицкой школах голосники не применялись. Исключение составляет Мономахов Успенский собор в Суздале, который строили зодчие из южной Руси, используя свои приёмы. Этот храм, возведённый в XIII столетии, неоднократно разрушался, и принял окончательный вид только в XVI веке. Именно тогда, во время реставрационно-строительных работ, были найдены вмурованные в его стены кувшины.

Успенский собор (г.Суздаль)

Покровский собор

Ещё один пример использования голосников – столичный Собор Пресвятой Богородицы, что на Рву, широко известный как храм Василия Блаженного на Красной площади, построенный в XVI столетии. Удивительно колоритный и сочный звук обеспечивают здесь кувшины, вмонтированные под окнами, благодаря чему исчезают лишние голосовые колебания.

Собор Пресвятой Богородицы, что на Рву (г.Москва)

Изучением этого вопроса занялись во время реставрационных работ в 1950-х годах. Архитекторы выполнили обмеры и создали на их основе чертежи с указанием расположения голосников.

Чертежи с указанием расположения голосников, 1950-е годы

В 2015 году работы возобновили. Исследователи поднялись более чем на двадцатиметровую высоту и обнаружили шестнадцать отверстий, каждый из которых имел около пятнадцати сантиметров в диаметре. Вмурованные сосуды сгруппированы по два на каждой грани восьмерика приблизительно на равном расстоянии. Характерно, что носики для слива у всех кувшинов ориентированы наверх. Наощупь, с помощью гибкой проволоки, были произведены замеры: высота от 51- 56,5 см, максимальный диаметр 43 см, диаметр дна – 19 см.

Реконструкция кувшина-голосника Горло голосника

Сотни лет в древних церквях голосники по-прежнему создают удивительное акустическое поле. Это даёт почву для размышлений современным проектировщикам храмовых зданий.

Источник

Создано 12.07.2004 18:41. Обновлено 05.05.2020 01:27. Автор: Шихатов А.И..

Явление резонанса оказывает влияние на все колебательные процессы – механические, электрические, звуковые. Акустика – одна из таких прикладных дисциплин, где влияние резонанса особенно ощутимо. С нежелательными резонансами приходиться бороться, полезные нужно использовать. Динамические головки, используемые в системах воспроизведения звука – пример механической колебательной системы, работающей с заходом в область резонанса.

Кроме механических колебательных систем, в электроакустических преобразователях широко используются акустические колебательные системы, в которых отдельные элементы представляют собой газообразную среду. Акустические колебательные системы используются в виде полостей, каналов, объемных резонаторов, которые в сочетании могут образовывать сложные устройства, по своему действию аналогичные резонансным контурам, фильтрам и т.д. С их помощью можно выделять или подавлять определенные участки звукового диапазона частот.

Поведение механических колебательных систем обычно рассматривают на примере грузика на пружинке. Эту же модель часто используют и при анализе работы акустических систем – удобно и наглядно.

Примером простейшей акустической колебательной системы является резонатор Гельмгольца. Он представляет собой сосуд сферической формы с открытой горловиной. Воздух в горловине является колеблющейся массой, а объем воздуха в сосуде играет роль упругого элемента.

Резонанс Гельмгольца – явление резонанса воздуха в полости, примером которого является гудение пустой бутылки от потока воздуха направленного перпендикулярно её горлышку. Резонатор Гельмгольца – медный сосуд сферической формы с открытой горловиной, изобретённый Гельмгольцем около 1850 года для анализа акустических сигналов, на основе наблюдаемых в нём явлений Гельмгольцем и Рэлеем разработана количественная теория резонанса данного типа.

Wikipedia

Разумеется, такое разделение справедливо лишь приближенно, так как некоторая часть воздуха в полости обладает инерционным сопротивлением. Однако при достаточно большой величине отношения площади отверстия к площади сечения полости точность такого приближения вполне удовлетворительна.

Основная часть кинетической энергии колебаний оказывается сосредоточенной в горле резонатора, где колебательная скорость частиц воздуха имеет наибольшую величину.

Примерный вид резонатора Гельмгольца

Строго говоря, резонатор представляет собой систему с распределенными параметрами. Однако если размеры резонатора малы по сравнению с длиной волны действующих на резонатор колебаний, то практически можно рассматривать такую систему, как систему с сосредоточенными параметрами. Собственная частота резонатора Гельмгольца равна:

где:

• F – частота, Гц;
• C0 – скорость звука в воздухе (340 м/с);
• S – сечение отверстия, м2;
• L – длина отверстия, м;
• V – объем резонатора, м3.

Например, для сосуда объемом 1 л с горловиной длиной 1 см и сечением 1 см2 частота резонанса составит примерно 170 Гц. Обратите внимание, что длина волны для этой частоты составляет около 2 м, что значительно больше характерных размеров резонатора. Следовательно, не может быть и речи о стоячей акустической волне в самом резонаторе. Действительно, в полости можно возбудить только волны, длина которых меньше характерного размера резонатора:

Для данного примера это частоты выше 3 кГц.

Другой вариант резонатора – органная труба. Стоячие волны в таком резонаторе возможны лишь для тех случаев, когда на длине трубы укладывается нечетное число четвертей длин волн. Соответственно, резонансные частоты будут равны:

Хотя резонансных частот несколько, однако, сильнее всех выражена первая мода колебаний. Этому случаю соответствует четвертьволновый резонатор длиной:

Для частоты настройки 27 Гц длина трубы составит примерно 3,1 м. Неудивительно, что церковные органы имеют колоссальные размеры. Однако пора от теории перейти к практике.

Как уже отмечалось в начале статьи, акустические резонаторы можно использовать для усиления или ослабления определенного диапазона звуковых частот.

Самый наглядный пример акустического «усилителя» – фазоинвертор акустической системы, представляющий собой все тот же резонатор Гельмгольца, возбуждаемый «изнутри».

Если резонатор Гельмгольца возбуждать снаружи, он становится режекторным (подавляющим) фильтром, поглощающим энергию внешних колебаний. Глубину режекции можно увеличить, увеличив потери в горле резонатора при помощи звукопоглощающего материала.

В акустических системах первой отечественной стереофонической радиолы «Симфония» в качестве низкодобротного двухчастотного режекторного фильтра использовался резонатор Гельмгольца. Он представлял собой отдельный объем в нижней части корпуса с двумя отверстиями диаметрами 23 и 31 мм в горизонтальной перегородке.

Частоты настройки составляли 50 и 100 Гц. Фильтр предназначался для частичного подавления 1-й и 2-й гармоник сетевой частоты лампового усилительного тракта, а также устранял неизбежный «горб» на АЧХ в области 60-80 Гц, характерный для обычных в то время высокодобротных динамиков (Qts~1).

Пример провала на АЧХ с участием резонатора Гельгольца

Кстати, и сегодня этот путь можно считать очень перспективным для использования высокодобротных динамических головок в корпусах небольшого объема. Это позволяет сохранить высокую чувствительность акустической системы и получить при этом гладкую АЧХ, что актуально именно для car audio. Методика расчета предельно проста.

Сначала рассчитываем или измеряем частоту резонанса головки в корпусе заданного объема, затем рассчитываем на эту частоту резонатор Гельмгольца. В конструкции современных акустических систем, однако, резонатор Гельмгольца используется крайне редко. Динамические головки низкой добротности и высокая мощность усилителей позволяют обойтись без этих ухищрений. Все же несколько примеров удалось найти.

Профессиональный сабвуфер DYNACORD Alpha B-3 использует запатентованную технологию Planar WaveguideTM – плоский волновод со встроенным резонатором Гельмгольца. Благодаря взаимодействию резонанса волновода и резонатора Гельмгольца получен высокий уровень звукового давления на низких частотах.

Аналогичную конструкцию имеет автомобильный сабвуфер Pioneer TS-WX30. При объеме корпуса всего 5 литров его чувствительность достигает 100 дБ, но, правда, Гельмгольц здесь ни при чем. В данном случае режекторный фильтр в основном предназначен для подавления струйных шумов фазоинвертора.

Автомобильный сабвуфер с резонатором Гельмгольца Pioneer TS-WX30

Резонатор Гельмгольца иногда используют при акустической обработке салонов автомобилей для подавления низкочастотных объемных резонансов салона. Однако данный конструктивный прием труднореализуем на практике ввиду существенных габаритов резонаторной батареи, проблем ее компоновки, уменьшения полезного объема багажного отделения и т.п.

С ростом частоты настройки габариты резонаторов существенно уменьшаются, поэтому в области средних частот они используются заметно чаще. Акустические резонаторы – «голосовики» использовали много столетий назад при строительстве соборов и театров. И сегодня четвертьволновые резонаторы, и резонаторы Гельмгольца успешно используются в качестве элементов акустических студий и концертных залов.

Немало примеров можно найти и других областях. Система впуска современного двигателя легкового автомобиля оборудуется устройствами шумопоглощения. Это или резонаторы Гельмгольца «в чистом виде», подключенные параллельно к участкам впускного трубопровода, или семейство горлышек, образованное отверстиями перфорации трубопровода и охваченное герметичным кожухом. Также используют четвертьволновые резонаторы в виде тупиковых трубчатых отростков с жестким донышком, подключаемых к участкам трубопровода.

В патенте Германии № 4033269 описан глушитель выхлопа ДВС с перестраиваемым резонатором Гельмгольца. Частота настройки такого режекторного фильтра изменяется в зависимости от оборотов двигателя специальной следящей системой. Кстати, череп, как и любая замкнутая полость с отверстием, тоже является резонатором Гельмгольца. По некоторым данным, резонансной областью для черепа являются частоты 20-25 Гц. Как известно, облучение человека звуковыми колебаниями частотой 25 Гц в течение 30 минут при определенной интенсивности источника вызывает эпилептический припадок…

C принципом работы резонатора Гельмгольца, вы можете ознакомится на познавательном видео:

Так что поаккуратнее с сабвуферами!

• настройка фазоинвертора
• расчет фазоинвертора

Источник

Некоторые дополнительные мысли к материалу о храмах, направленных на вулканы.

Основной вывод: звуковая левитация была технически осуществима в храмах, совершая чудеса “Вознесения” и другие подобные.

Звуковая левитация

Звуковая левитация – не фантастика, а успешные эксперименты.

Вальс звуковой левитации:

Левитация в звуковой стоячей волне:

Левитация создается за счет так называемой стоячей волны и аккустического резонанса. Рассмотрим явление более подробно и каким образом оно могло быть созданно в храмах?

Резонанс

Резонанс удивительным образом концентрирует даже слабые потоки энергии и способен эффективно трансформировать один вид колебаний в другой.

Up

Вначале я давал ссылку на то, как в Волгограде колеблется мост от средней силы ветра. Достоверность события вызвала вопросы, поэтому по рекомендации блоггера drsemyon заменяю ролик на простой но наглядный эксперимент, демонстрирующий эффект резонанса:

А от себя добавлю ролик о силе звуковых колебаний в “поющих тибетских чашах”, которые, помимо прочего, могут привести к эффекту закипания воды:

Резонанс во многих случаях творит чудеса, которые в других случаях невозможны. Рассмотрим, какие есть средства по работе со звуковым резонансом.

Резонаторы Гемгольца

Для эффективной работы системы и создания стоячей волны необходимо настроить её на резонансную частоту. Делается это с помощью так называемых резонаторов Гемгольца – хоть 200 лет назад, хоть сейчас:

Резонатор Гемгольца

Резонатор по конструкции – это любая емкость с горлышком. Кто в детстве не баловался гудением пустой бутылки, если медленно дуть вдоль отверстия? Возникает резонанс, который мы слышим как гудение. Частота такого резонанса зависит от геометрических параметров горлышка (длина, сечение) и объема сосуда. Гемгольц предпринял попытку даже синтезировать гласные звуки с помощью набора резонаторов, то есть сделал первый аналоговый синтезатор Фурье.

По ссылке – интересные картинки, да и вообще – сайт интересный, много статей про звук.

Такие же принципы частотных резонаторов Гельмгольца использовались и в Храмах, только в стены заделывали глинянные сосуды, перевернутые вверх дном, хотя принцип их действия тот же. Далеко ходить за примером не надо, в том же Португальском городе Томар есть самая старая синагога Португалии. Синагогу оставили еще в 15 веке, когда евреев изгнали из страны. Сейчас в синагоге – музей.

В углах на высоте примерно в два человеческих роста вмонтированны восемь кувшинов, по два на каждый угол. Присмотритесь к фото по центру внизу, чуть правее задней колонны – на ней видна пара отверстий. Аккустика такой небольшой синагоги действительно интересная для совсем небольшого помещения.

Кувшины в стене – аккустические резонаторы

По ссылке откроется текст на английском, где говорится про эту синагогу, в том числе – кувшины как аккустические резонаторы. Но перейдем к более крупным масштабам.

Резонаторы под храмами

Под многими храмами существуют оргомные цистерны. Большинство из них неизвестны. Назначение известных цистерн объясняют необходимостью хранения воды. Монахи, видимо, много пили.

Вот, к примеру – Стамбул, бывш. Константинополь, громадные цистерны под громадным же Софийским Собором.

Цистерна Базилика, Стамбул

А вот цистерны в “звездном форте”, который назвают Португальский цитэ, в Марокканском городе El Jadida. По клику на картинке – больше фотографий.

Цистерны в Марокко, El Jadida.

Характерны колонны, своды, которые создают прекрасную аккустику. Как видно, везде уровень воды – минимальный, а также есть “горлышко”. Обычно горлышко – это колодец на поверхности, то есть цистерны представляют собой классический резонатор Гельмгольца под храмами.

Частота резонанса таких цистерн легко подстраивается изменением уровня воды, который изменяет и объем помещения. Это в точности как разный тон звучания бутылки в зависимости от уровня воды в ней. Вернитесь к первому видео с “вальсом” – левитация создается мгновенно, но только тогда, когда частота совпадает точно и возникает резонанс.

Именно таким же образом, путем постепенного заполнения цистерны, добивались резонирующей частоты в храмах – магнитронах, создавая стоячую волну. Вполне вероятно, что в некоторый момент возникал эффект левитации, или, по-религиозному – вознесения.

По крайней мере, на множестве картин о вознесении присутствуют звуковые инструменты, что показывает связь звуковых волн и вознесения. Например, вот на этом фрагменте полотна:

Цистерны в Храме Христа в Томаре

В тамплиеровском Храме Христа в Томаре, который рассматривался в предыдущем посте, порядка десятка цистерн различной конструкции и размеров. Здесь – подробное описание (на португальском).

Цистерны расположены и под центральным “магнетронным резонатором” – на снимке ниже видно круглое отверсие колодца, к сожалению, закрытое:

Отверстие цистерны под “Шаролой (Charola)” в Храме Христа в Томаре.

Огромный акведук поставлял воду в промышленных масштабах, прямо на высоту верхнего этажа Храма.

Акведук Pegões и западное крыло Храма Христа в Томаре

Таким образом, цистерны использовались как настроечные резонаторы для подроба нужной для левитации частоты в храмах-генераторах. Для этого достаточно было подобрать правильный уровень заполнения водой из ближайшего акведука. Возможно, что резонанс в храмах использовался не только и даже не столько для левитации, но определенно левитация могла быть с технической точки зрения.

О принципах построения храмов-генераторов подробно писал ранее.

Источник