New Set of Rules 415.1325800.2023 on Acoustic Design of Sports and Entertainment Facilities

Full Text

За последнее десятилетие в России началось массовое строительство крупных крытых спортивно- зрелищных сооружений (СЗС) вместимостью более 50 тыс. человек, воздушным объемом более 500 тыс. м³. К таким объектам можно отнести, например, футбольные стадионы, построенные к чемпионату мира по футболу 2018 г. (с открытым проемом над полем или с наличием трансформируемой кровли) [1, 2], Дворец гимнастики им. И.А. Винер и Международный центр самбо и бокса в Лужниках, Волейбольную арену Динамо в Москве, ледовые арены G-Drive в Омске и СКА в Санкт-Петербурге и многие другие. Кроме того, все современные спортивные объекты проектируются и строятся как многофункциональные площадки, на которых, помимо спортивных соревнований, могут проводиться и концертно-развлекательные мероприятия. Таким образом, подходы и методы акустического проектирования, изложенные в Своде правил 2018 г., в настоящее время не отвечают характеристикам и особенностям современных СЗС большой вместимости и большого воздушного объема, в которых крайне важно обеспечить высокий уровень акустического комфорта. Кроме того, для расширенной оценки акустического комфорта на СЗС уже недостаточно использовать только общепринятые параметры – время реверберации и индекс речевой разборчивости STI, например, СП 415.1325800.2018 «Здания общественные. Правила акустического проектирования»; СП 51.13330.2011 «Защита от шума. Актуализированная версия СНиП 23-03–2003» или FIFA World Cup Handbooks Stadium Requirements Handbook (Stadium Infrastructure & Stadium Operations).

Так, на основании работ [1, 3] дополнительный интерес представляет, например, введение понятия индекса фанатской поддержки FSI, который определяет, как объемно-планировочное решение СЗС влияет на громкость возгласов болельщиков на трибунах.

Важным аспектом является актуализация данных по звукопоглощающим характеристикам современных материалов, применяемых в отделке СЗС, что позволило бы пользователю нового СП включать эту информацию в свой акустический расчет. За последние несколько лет появились новые эффективные звукопоглощающие материалы и конструкции, кроме того, серьезно изменились регламенты к противопожарным характеристикам материалов, что сделало невозможным применять ряд привычных звукопоглощающих материалов на проектируемых и строящихся СЗС.

На основании результатов исследований [4–6] в новый СП добавлены простые аналитические формулы, по которым можно выполнять предварительную оценку времени реверберации на СЗС открытого, полуоткрытого и закрытого типов на этапе выбора объемно-планировочного решения, не прибегая к сложным компьютерным и математическим расчетам, требующим наличия высокой квалификации у специалиста.

Таким образом, разработка нового Свода правил 2023 г. по акустическому проектированию СЗС стала актуальной и логически обоснованной задачей, которая потребовала взвешенного профессионального подхода и наличия коллектива высококвалифицированных специалистов, имеющих большой теоретический и практический опыт в вопросах акустического комфорта СЗС различного функционального назначения, типа, воздушного объема и вместимости.

Время реверберации

В СП 415.1325800.2018 предложена зависимость оптимальных значений времени реверберации от воздушного объема СЗС. Однако, как показал практический опыт и анализ измеренных значений времени реверберации на действующих СЗС, например в работах [4–7], возникают две проблемы, затрудняющие достижение оптимальных значений времени реверберации:

– по мере увеличения воздушного объема СЗС растет и время реверберации на СЗС, что логично требует увеличения фонда звукопоглощения;

– в крупных СЗС, опираясь на современные стандарты и архитектурно-функциональные подходы к проектированию, наблюдается тенденция к существенному снижению доступных для применения акустической отделки площадей. Особенно наглядно эта тенденция проявляется на ледовых аренах и футбольных стадионах (ограниченная площадь кровли, форма трибун и т. п.).

Дополнительного внимания требует оценка температурно-влажностного режима, существенно влияющего на звукопоглощение на частотах выше 2000 Гц, особенно на футбольных стадионах с трансформируемой кровлей [8] или хоккейных аренах с ледовым полем.

Исходя из изложенного, в вопросе определения оптимального времени реверберации в зависимости от воздушного объема T_опт(V) требуется четкое разделение СЗС на две основные группы:

1. Крытые спортивные залы и арены различного воздушного объема, функционального назначения и вместимости, которые обладают достаточными возможными площадями поверхностей для размещения на них звукопоглощающей отделки в целях достижения оптимальных значений T_опт(V).
2. Спортивные арены большого воздушного объема (преимущественно футбольные стадионы с открытой или закрытой крышей), которые имеют ограниченные возможности по доступным площадям для применения звукопоглощающей отделки, а следовательно, и дополнительные сложности в достижении оптимальных значений T_опт(V).

В силу указанных обстоятельств и на основании анализа большой базы данных по натурной и теоретической оценкам времени реверберации на различных СЗС в новом Своде правил предложен иной, близкий к реальности подход к графической зависимости T_опт(V), см. рисунок.

 

График оптимального времени реверберации T_опт на средних частотах (500–1000 Гц) при условии заполнения трибун зрителями на 70%: 1 – для крытых спортивных залов и арен; 2 – для трансформируемых спортивных арен большого воздушного объема – футбольных стадионов

Graph of the optimal reverberation time T_оpt at medium frequencies (500–1000 Hz) provided that the stands are filled by 70% with spectators: 1 – for indoor sports halls and arenas; 2 – for transformable sports arenas with large air volume – football stadiums

 

При условии невозможности применения достаточной площади звукопоглощающих материалов в отделке для обеспечения значений T_опт(V) в соответствии с графиком вводится коэффициент Па, который допускает поправку к графику и определяется следующим соотношением:

${\text{П}}_{а}= \frac{S_{\text{ак}.\text{отд}.}}{S_{\text{общ}.}}$, (1)

где S_ак.отд. – возможная площадь для применения звукопоглощающего отделочного материала в СЗС или на арене; S_общ. – общая площадь поверхностей СЗС. Градации зависимости Т_опт(V) от коэффициента П_а приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Градации зависимости Т_опт(V) от коэффициента П_а

Table 1. Gradations of the dependence of Т_оpt(V) on the П_а coefficient

Значение коэффициента Па	Поправка к Топт(V)
>0,5	В соотв. с графиком Топт(V)
0,3–0,5	Топт(V) + 10%
<0,3	Топт(V) + 20%

 

Индекс фанатской поддержки FSI

Болельщики являются неотъемлемой частью эмоциональной и субъективной составляющей атмосферы и настроений зрителей на трибунах при проведении спортивных мероприятий на СЗС. Каждое СЗС дает свой уникальный отклик на акустику помещения при скандировании фанатских лозунгов в зависимости от воздушного объема, габаритов, формы и свойств отделочных материалов ограждающих конструкций помещения. Для оценки этой зависимости введено понятие индекса фанатской поддержки FSI, подробно описанного и исследованного в работах [3, 5].

Оценка индекса фанатской поддержки FSI (параметр «индекс фанатской поддержки») производится по формуле:

$FS{I}_i=10\text{lg}\left\{\frac{\left(4\text{П}+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$r_i^2$}\right.\right)}{\left(\text{П}+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$r_i^2$}\right.\right)}\right\},$ (2)

где r_i – расстояние приемника от выбранного источника звука; $П=\frac{16\text{π}}{B}$ – параметр проектируемого СЗС; $B= \frac{\overline{\alpha }S}{1-\overline{\alpha }}$ – акустическая постоянная СЗС на средних частотах; $\overline{\alpha }$ – средний КЗП на этих частотах; S – общая площадь ограждений СЗС.

Выбор точек r_i определяется шагом $r_i=2r_{i-1}\left(i=\mathrm{1,} \mathrm{2,} 3\dots \right)$, при этом:

$r_0=\mathrm{0,35}\sqrt{B},$, (3)

где r₀  – радиус гулкости (радиус действия прямого звука; расстояние от центра источника звука, при котором уровни прямого и диффузного звуков равны друг другу).

Градации классов качества параметра FSI: «отлично» – от 4 до 6 дБ; «хорошо» – от 3 до 4 дБ; «удовлетворительно» – от 2 до 3 дБ; «плохо» – менее 2 дБ.

Условное положение источника шума принимается в центре размещения фанатских групп (болельщиков, зрителей). При расчете индекса FSI общее количество шагов радиуса гулкости r_i определяется в соответствии с геометрическими размерами СЗС, но не менее трех.

Коэффициенты звукопоглощения отделочных материалов

При компьютерном моделировании и расчете акустических параметров СЗС важно корректно задать коэффициенты звукопоглощения отделочных материалов и конструкций, кресельных зон, а также учесть добавочное звукопоглощение, создаваемое ограждениями, инженерными коммуникациями (воздуховодами), мультимедийными системами и др.

В новый Свод правил включены коэффициенты звукопоглощения некоторых специализированных звукопоглощающих материалов, которые традиционно используются в отделке СЗС и соответствуют всем современным требованиям, в том числе требованиям пожарной безопасности (табл. 2).

 

Таблица 2. Коэффициенты звукопоглощения некоторых современных отделочных звукопоглощающих материалов

Table 2. Sound absorption coefficients of some modern finishing sound-absorbing materials

Материалы и конструкции	Коэффициенты звукопоглощения в октавных полосах частот, Гц
	125	250	500	1000	2000	4000
Напыляемое звукопоглощающее покрытие на основе хлопьев целлюлозы: на металлическом профилированном листе, толщина напыления 20 мм; на плоском бетонном основании, толщина напыления 20 мм; на плоском бетонном основании, толщина напыления 25 мм	0,28 0,06 0,1	0,52 0,14 0,21	0,72 0,4 0,56	0,94 0,62 0,82	0,99 0,76 0,82	0,85 0,72 0,74
Декоративная панель толщиной 20–25 мм из древесного волокна на цементном или магнезитовом связующем, смонтированная на каркасе 50 мм с заполнением внутреннего пространства каркаса базальтовой плитой толщиной 50 мм и плотностью 35–60 кг/м3: диаметр волокна панели 1 мм; диаметр волокна панели 2 мм	0,37 0,44	0,91 0,99	1 0,83	0,79 0,6	0,8 0,73	0,85 0,78
Панели на основе стекломагнезитового листа (СМЛ) толщиной 8 мм с блочной перфорацией (коэффициент перфорации 18%), отверстия круглой формы диаметром 8 мм с межосевым расстоянием 16 мм, смонтированные на каркасе: толщина каркаса 50 мм с заполнением внутреннего пространства каркаса базальтовой плитой толщиной 50 мм и плотностью 35–60 кг/м3; толщина каркаса 100 мм с заполнением внутреннего пространства каркаса базальтовой плитой толщиной 100 мм и плотностью 35–60 кг/м3	0,15 0,7	0,65 1	1 1	0,95 1	0,8 0,8	0,45 0,5

 

Аналитические формулы расчета времени реверберации

Известная формула Эйринга для расчета времени реверберации в помещении ограничена рядом условий: объем рассматриваемого помещения должен быть закрытым, требуемые для создания оптимального звукопоглощения материалы должны быть равномерно распределены по ограждающим конструкциям помещения, должна быть соблюдена пропорциональность соотношения основных габаритов помещения и др. При невыполнении этих условий расчет времени реверберации теряет свою точность, например для футбольных стадионов с открытой крышей или спортивных залов формы прямоугольного параллелепипеда с размещением звукопоглощающих материалов только на потолке.

Ввиду вышеизложенного в новом Своде правил разработаны варианты аналитического расчета времени реверберации в условных геометрических фигурах, которые до некоторой степени моделируют форму проектируемого СЗС, см. также работу [6]. В основе предлагаемого расчета лежит принцип преобразования условной формы контура проектируемого объекта в некоторую, близкую по общим очертаниям, простую геометрическую фигуру, с помощью которой можно рассчитать ориентировочные значения времени реверберации, используя метод расчета вероятности звуковых потоков.

В табл. 3 представлены расчетные алгоритмы времени реверберации для СЗС различного типа (открытого, полуоткрытого и закрытого объемов).

 

Таблица 3. Аналитические модели расчета времени реверберации

Table 3. Analytical models for calculating reverberation time

Расчетная модель времени реверберации	Для каких типов СЗС модель применима
$T_1=\frac{\mathrm{0,01}}{\phi \left(\overline{\alpha }\right)}·\frac{1}{arctg\left\{\frac{\pi }{П}\right\}}, П=2\left(\frac{L+H}{B}\right)$	Для полуоткрытых СЗС (помещений с открытыми параллельными проемами ограждений, форма которых близка к прямоугольному параллелепипеду)
$T_2=\frac{\mathrm{0,04}K}{\phi \left(\overline{\alpha }\right)},$ где $K=\raisebox{1ex}{$\left(H_0+R_{э}\right)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\left(1+\frac{R_{э}}{2H_0}\right)$}\right.$	Для всех рассмотренных моделей при условии открытой (постоянно или при трансформациях) крыши Rэ определяется по соответствующим формулам
$T_3=\frac{\mathrm{0,04}{H}_0}{\phi \left(\overline{\alpha }\right)}$	Для закрытых объемов СЗС
Примечания: L, B и H – длина, ширина и высота СЗС; П – параметр СЗС; H0 – средняя высота СЗС; $\phi \left(\overline{\alpha }\right)=\left\{-\ln \left(1-\overline{\alpha }\right)\right\}$;  $\overline{\alpha }$ – средний коэффициент звукопоглощения; Rэ – эквивалентный радиус, который определяется в зависимости от формы СЗС по табл. 4.

 

Таблица 4. Определение эквивалентного радиуса R_э

Table 4. Determination of equivalent radius R_e

Форма СЗС	Формула для определения Rэ
Обелиск	$R_{Э}=\mathrm{0,32}\sqrt{F+f+\sqrt{F·f}},$ $F=AB и f=ab$
Усеченный обелиск	$R_{Э}=\sqrt{\frac{L\left(B+b\right)}{2\text{π}}}$
Шаровой сегмент	$R_{Э}=\mathrm{0,4}\sqrt{3a^2+H_0^2}$ В случае преобразования шарового сегмента в полусферу: $R_{Э}=\mathrm{0,8}{H}_0$
Усеченный конус	$R_{Э}=\mathrm{0,4}\sqrt{2\left(AB+ab\right)+Ab+aB}$ где A и B – большие, а a и b – малые полуоси эллипса

 

Выводы

1. Показано, что подходы к нормированию акустических параметров и акустическому проектированию, изложенные в Своде правил 2018 г. устарели применительно к современным СЗС. Таким образом, задача подготовки и проработки нового СП 415.1325800.2023 «Здания общественные. Правила акустического проектирования», рассмотренного в рамках настоящей работы, является весьма актуальной;
2. В рамках разработки Свода правил 2023 г. предложен новый, близкий к реальности подход к графической зависимости времени реверберации от воздушного объема T_опт(V), основанный на анализе большого количества натурных измерений времени реверберации на существующих СЗС, учитывающий доступные для применения звукопоглощающей отделки площади поверхностей.
3. Введены новые параметры для оценки акустического комфорта СЗС, в частности, индекс фанатской поддержки FSI. Актуализированы данные по звукопоглощающим характеристикам отделочных материалов, для возможности использования этой информации при акустическом моделировании СЗС и расчете акустических параметров.
4. Предложен новый подход к оценке времени реверберации на СЗС на ранних стадиях проектирования для случаев, когда условия применимости формулы Эйринга не выполняются. Новый подход предполагает аналитический расчет времени реверберации в условных геометрических фигурах, которые в определенной степени моделируют форму СЗС.

About the authors

A. V. Peretokin

Research Institute of Building Physics of RAACS; LLC “Design Institute of Building Acoustics”

Author for correspondence.
Email: anton.peretokin@pistra.ru

Engineer 

Russian Federation, Moscow; Moscow

H. A. Shchirzhetskiy

Research Institute of Building Physics of RAACS

Email: a021069@yandex.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files