Wallace Sabine: Người sáng lập lĩnh vực âm học kiến trúc

Các nhà soạn nhạc luôn nhận ra tầm quan trọng của độ vang âm thanh trong một không gian biểu diễn nhất định, và nhiều người đã điều chỉnh âm nhạc mà họ sáng tác để phù hợp với những không gian này. Ví dụ, các bài thánh ca Gregorian nghe rất hay trong các thánh đường thời Trung cổ do có thời gian vang vọng lâu dài. Hiệu ứng tương tự cũng xảy ra đối với nhạc organ, chẳng hạn như tác phẩm “Toccata in D Minor” của Bach. Ngược lại, Mozart và Haydn đã soạn nhạc để chơi trong những căn phòng đầy đủ tiện nghi, có nhiều đồ đạc, dành cho những khán giả thân thiết, nhỏ hơn. Những bản nhạc như vậy không thể nghe rõ ràng khi được chơi trong một không gian có mức độ dội âm cao.

Nhưng không ai thực sự nghĩ đến cách thiết kế một phòng hòa nhạc hoặc nhà hát opera để tạo ra độ vang âm thanh ở mức tối ưu cho đến cuối thế kỷ 19. Nó được thực hiện thông qua phương pháp thử và sai (trial and error method), với những đóng góp không nhỏ của nhà vật lý người Mỹ Wallace Clement Sabine – cha đẻ của lĩnh vực âm học kiến ​​trúc hiện đại.

Sabine sinh ra tại Richwood, bang Ohio (Mỹ) vào năm 1868. Ông tốt nghiệp Đại học Bang Ohio năm 1886 và theo học cao học tại Đại học Harvard. Năm 1895, ông trở thành vị giáo sư trẻ tại khoa vật lý của Đại học Harvard. Nhà trường đã giao cho ông một nhiệm vụ khó khăn và hóc búa, đó là cải thiện hệ thống âm thanh tệ hại của Giảng đường Fogg – một phần của Bảo tàng Nghệ thuật Fogg mới được xây dựng gần đây. Nhiều đồng nghiệp của ông khi đó còn nhận định rằng đây là nhiệm vụ bất khả thi.

Lĩnh vực chuyên môn của Sabine không liên quan đến âm thanh, nhưng ông đã nỗ lực giải quyết vấn đề và vượt qua thách thức. Ông chọn cách mô tả âm thanh trong phòng như một khối năng lượng khuếch tán, thay vì áp dụng cách tiếp cận mà nhiều người khác thường áp dụng vào thế kỷ 19, đó là tập trung vào quá trình lan truyền của sóng âm. Ông cũng nghiên cứu đặc tính hấp thụ âm thanh của các vật liệu khác nhau và ảnh hưởng của chúng đối với khoảng thời gian âm thanh dội lại, hoặc thời gian âm vang (reverberation time).

Sabine đã dành vài năm nghiên cứu chất lượng âm thanh của Giảng đường Fogg và Nhà hát Sanders – nơi được nhiều người đánh giá là có chất lượng âm thanh tuyệt vời – nhằm xác định những yếu tố có thể gây ra sự khác biệt về chất lượng âm thanh của hai công trình kiến trúc này. Từ đó, ông cố gắng xây dựng một số công thức hoặc tiêu chuẩn để đo lường và đánh giá chất lượng âm thanh trong các thiết kế không gian biểu diễn.

Đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng bởi vì có quá nhiều biến số cần xem xét. Sabine và các trợ lý đã thử nghiệm nhiều lần từng công trình kiến trúc với các điều kiện khác nhau. Ông di chuyển đồ đạc giữa hai hội trường và thực hiện các phép đo cẩn thận với một cây đàn organ và đồng hồ bấm giờ. Ông tính toán khoảng thời gian để các tần số âm thanh khác nhau giảm dần đến mức không thể nghe được trong những điều kiện khác biệt như số lượng người ngồi trên ghế, trong phòng có hoặc không có tấm thảm trải sàn, đệm ghế ngồi,…Ông phát hiện cơ thể của một người bình thường làm giảm thời gian dội âm tương đương với sáu chiếc đệm ghế ngồi.

Dựa trên các thí nghiệm này, Sabine đã tìm ra mối liên hệ giữa chất lượng âm thanh của căn phòng, kích thước căn phòng và lượng bề mặt hấp thụ hiện có. Ông đã xây dựng một công thức để tính toán thời gian âm vang, được định nghĩa là số giây cần thiết để cường độ âm thanh giảm từ mức ban đầu xuống 60 decibel:

RT60=0,49V/SA

Trong đó: thời gian âm vang (RT60) tính bằng giây. Đây là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng âm thanh bên trong một không gian nhất định. V là thể tích của căn phòng tính bằng đơn vị feet khối (1 feet=0,3048m), SA là tổng mức hấp thụ (tính bằng feet vuông), A là hệ số hấp thụ trung bình của căn phòng đo bằng đơn vị sabin, và S là diện tích bề mặt.

Sabine kết luận rằng thời gian âm vang của Giảng đường Fogg quá dài. Một từ được nói ra vẫn có thể nghe thấy trong 5,5 giây, trái ngược với thời gian âm vang tối ưu là 2,25 giây. Để khắc phục vấn đề này, ông đã trang bị thêm cho giảng đường các vật liệu hấp thụ âm thanh nhằm làm giảm hiệu ứng tiếng vang và tiếng vọng.

Với những thành tựu kể trên, Sabine nhanh chóng trở nên nổi tiếng và trở thành nhà tư vấn cho việc thiết kế Hội trường Giao hưởng ở Boston, bang Massachusetts (Mỹ). Ông đề xuất xây dựng hội trường có hình dạng giống một chiếc hộp đựng giày, tương tự các phòng hòa nhạc ở châu Âu thay vì hình dạng chiếc quạt giống như các hội trường ở Mỹ lúc bấy giờ. Nó có ban công thu hẹp và các bức tường sân khấu hướng vào bên trong để tập trung âm thanh.

Các vật liệu xây dựng Hội trường Giao hưởng ở Boston chủ yếu là gạch, thép và thạch cao, cùng với sàn gỗ để tạo cảm giác “mềm mại”. Theo gợi ý của Sabine, các kiến trúc sư đã thiết kế trần có mái che ở đại sảnh để mang lại trải nghiệm âm thanh tốt nhất cho mọi chỗ ngồi trong nhà.

Hội trường Giao hưởng ở Boston ra mắt công chúng lần đầu tiên vào năm 1900. Hiện tại đây vẫn là một trong những hội trường tốt nhất thế giới về chất lượng âm thanh. Một chi tiết trang trí không nằm trong các đề xuất của Sabine đó là những tấm bảng bao quanh mái vòm phía trên sân khấu. Tuy nhiên chỉ có một tấm bảng khắc tên nhà soạn nhạc vĩ đại Ludwig von Beethoven. Ý định ban đầu của các kiến trúc sư là khắc lên mỗi tấm bảng tên của một nhà soạn nhạc nổi tiếng, nhưng cuối cùng ban quản lý Hội trường Giao hưởng cho rằng Beethoven là người duy nhất xứng đáng nhận được vinh dự này.

Sabine trở thành hiệu trưởng của Trường Khoa học Ứng dụng sau đại học thuộc Đại học Harvard từ năm 1906 đến năm 1915. Ông phục vụ cho Ủy ban Cứu trợ Chiến tranh Rockefeller trong suốt thời gian xảy ra cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ nhất và cũng là thành viên của Ủy ban Cố vấn Quốc gia về Hàng không Vũ trụ. Tuy nhiên, sự căng thẳng trong tất cả các hoạt động thời chiến đã ảnh hưởng đến sức khỏe vốn đã yếu ớt của ông.

Sabine qua đời vào ngày 10/1/1919 do biến chứng sau cuộc phẫu thuật thận bị nhiễm trùng.

Ngày nay, âm học kiến trúc đã phát triển thành một lĩnh vực chuyên môn có nhiều tính ứng dụng, cung cấp những giải pháp nhằm làm giảm tiếng ồn, đảm bảo chất lượng âm thanh tối ưu trong các nhà hát, phòng hòa nhạc, và những công trình kiến trúc khác như tòa nhà công sở, trường học.

Theo APS Physics