|
Знания теории акустики помещений крайне важны для звукорежиссера. Во-первых, акустика студии накладывает свой отпечаток на характер звучания инструментов и голосов. Во-вторых,
прослушивание звукозаписей в аппаратной или домашней обстановке происходит далеко не в вакууме, а в конкретной акустической среде, имеющей неизбежные недостатки и достоинства. В-третьих, современная стереофоническая фонограмма предполагает создание новой, не существующей в реальной студии акустической модели. Архитектурная акустика является одной из древнейших наук. Примером тому могут служить открытые театры Древней Греции и Рима.
В современном виде этот раздел знаний начал формироваться в конце XIX в. Весьма любопытны и поучительны результаты сравнения того, что было и того, что мы имеем сегодня. До наших дней дошли так называемые «шепчущие галереи» Древнего Рима и Китая. В них, благодаря умело расставленным и особым образом ориентированным отражающим поверхностям стен тихие звуки распространялись на большие расстояния, и люди, удаленные друг от друга на десятки метров, могли общаться, не напрягая голоса.
Вблизи г. Сиракузы на острове Сицилия сохранились древние каменоломни. По преданию, в одну из галерей, названную «ухом Диониса», помещали пленных. Наверху, благодаря естественным каналам-щелям, было слышно все, о чем пленные говорили между собой. Таким образом выведывались их секреты. Своеобразные акустические эффекты заложены в конструкцию некоторых православных храмов. Эффект отражения голосов священника и певчих от купольной части сооружений вниз к молящимся, с возникновением ощущения общения с небом известен, наверное, любому читателю. Любопытно другое. Как изменить амплитудно-частотную характеристику получаемой реверберации, чтобы гулкость не стала причиной маскирования артикуляции? Для создания желаемой акустической среды строители закладывали в стены и своды храмов глиняные кувшины разных размеров, так называемые «голосники». Это и были своеобразные акустические резонаторы. Еще интереснее, что корни этой замечательной идеи лежат в глубине истории.
Особую роль в усилении и обогащении звучания в древнегреческих и древнеримских театрах играли так называемые «гармоники» — системы резонаторов в виде бронзовых цилиндрических сосудов и глиняных кувшинов-амфор. Они располагались в нишах стены позади зрительских мест и под скамьями. Греки считали, что для благозвучия речи и музыки резонаторы должны быть подобраны или настроены по тонам музыкальных гамм: энгармонической, хроматической и диатонической. Первая система, по мнению их создателей, придавала звукам торжественность и строгость; вторая, благодаря «толпящимся» нотам, — создавала впечатление нежности и утонченности; третья — из-за консонансности интервалов — подчеркивала естественность музыкального исполнения.
Ну и что же мы имеем сегодня? Искусство установки микрофонов в акустических, по своей сути, театрах... К чему и вернемся. В тех случаях, когда объем помещения достаточно велик, и можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот помещения, к анализу временной структуры звукового поля можно подойти с позиций геометрической акустики.
Что происходит со звуковыми волнами в замкнутом пространстве?
Откуда берутся звуковые волны и как они распространяются в свободном от влияния отражающих поверхностей поле, мы выяснили в первой главе. Если звуковые лучи замкнуть в ограниченном объеме, характер их распространения изменится. Попадая на поверхность, звуковая волна частично отражается от нее, отчасти поглощается материалом поверхности, переходя в тепловую энергию; незначительная ее доля проходит в соседнее помещение или пространство. Какая именно часть энергии отражается обратно в помещение, определяет коэффициент отражения поверхности. Степень поглощения определяет коэффициент поглощения. Относительная мощность волны, прошедшей сквозь поверхность, задает коэффициент звукопроводности.
Исследование реакции на акустический импульс
Рассмотрим показательный пример. Если в комнате создать короткий акутический сигнал (например, выстрел), то, уловив звук микрофоном, на экране обычного осциллографа можно увидеть «рефлектограмму» помещения. Таким образом, появляется возможность наглядно видеть, какие отражения, в какое время, с какой амплитудой приходят в точку, где стоит микрофон. Пример рефлектограммы приведен на рис. 1.
На этом графике изображена зависимость звукового давления Р от времени t. Плотность звуковых волн показана условно. Слух человека не позволяет различать импульсы по отдельности, как это доказывает осциллограф. Лишь через некоторое время после включения источника, непрерывно излучающего звук, громкость достигает постоянного значения. При коротких импульсах подводимая энергия, прежде всего, накапливается во всех реактивных элементах уха и, в частности, в столбиках жидкости внутреннего уха. При более длительных раздражениях устанавливается равновесие между подводимой и поглощаемой мощностями.
В зависимости от целей и условий экспериментов разные эксперты получали различные данные о временных характеристиках слуховой системы человека. В международном масштабе согласовано значение «постоянной времени слуха», равное 35 миллисекундам. Поэтому на следующем рис.2 изображена зависимость от времени средней энергии сигнала Jτ0, измеренной в интервале, соответствующем постоянной времени слуха τ0 - 35 миллисекунд.
Из рис. 2 видно, что кривая на участке нарастания энергии далеко не гладкая. Опытный акустик сумеет почерпнуть массу информации изо всех этих горбов и провалов. Мы же, поняв общий смысл графиков, обратимся к рефлектограмме идеального помещения. На рис. 6.3 приведены кривая средней энергии сигнала для времени интегрирования 35 миллисекунд; полоса, отображающая плотность отражений; пояснения к графику и варианты возможных отклонений для идеальных помещений с иными параметрами. Рассмотрим этот рисунок подробнее. В начальный период времени придет прямой звук выстрела, то есть такой же звук, какой мы услышали бы в чистом поле. Затем звуковые волны устремятся к полу, потолку, стенам, предметам обстановки.
Если отражающие поверхности находятся достаточно далеко от места выстрела и микрофона, то короткое время — единицы миллисекунд — микрофон ничего, кроме обычного шума помещения не уловит. Затем к микрофону придут редкие и тихие единичные отражения — по несколько штук от пола, потолка, стен. Так начнутся ранние отражения. Они равномерно распределятся по помещению; при этом не все отражения придут именно в точку расположения микрофона. Затем возникнут взаимные переотражения, которые получили название поздних. Они станут все чаще и сильнее, но не перестанут быть дискретными, то есть раздельными.
Средняя энергия звука (отзвука) в помещении продолжит увеличиваться и через 90... 110 миллисекунд она достигнет максимума. По уровню этот максимум будет почти такой же, как и уровень прямого сигнала. После прохождения пика энергия начнет спадать, отражения будут становиться все более частыми, и через 150...300 миллисекунд они перестанут быть дискретными и станут слитными — «диффузными», то есть взаимно переотраженными и перемешанными. При этом их уровень будет продолжать уменьшаться. Скорость уменьшения зависит от параметров помещения и определяет время реверберации. Для идеального помещения основные участки нарастания и спада уровня (рис.2) должны быть гладкими и соответствовать экспоненте, то есть функции e×.
Обратимся к рис. 3 и рассмотрим, чем отличаются импульсные отклики помещений с разными параметрами. Существуют помещения с мягким и жестким установлением звука.
Если звук нарастает резко и через 90 миллисекунд достигает максимума — акустика будет «жесткой». Если звук нарастает плавно и достигает максимума через 110 миллисекунд — помещение будет «мягким». Для речи чем жестче, тем лучше. Для музыки предпочтения тому или иному типу помещения субъективны и зависят от жанра. Жесткое установление звука характеризуется большим уровнем прямого звука (как в передних рядах концертного зала) и сильными ранними отражениями. Такая акустика отличается высокой прозрачностью, четкостью, выразительностью, читаемостью отдельных нот и нюансов. Но более заметны стилистические и интонационные погрешности исполнения, сильнее подчеркиваются вступления инструментов, острее скрип смычка, удары перкуссии и молоточков фортепиано. Мягкое установление характеризуется большей мощностью диффузного звука. При этом сглаживаются упомянутые шероховатости, увеличивается пространственное впечатление и ощущение параметров помещения. Достаточно большое значение имеют координаты точки начала поздних, очень плотных диффузных отражений. В малых помещениях они начинаются спустя 130 мс с момента тестового импульса, в больших — через 150 мс. Смещение этих значений в процессе создания модели искусственной реверберации может привести к появлению ощущения неестественности акустического отклика. Искажения позиционирования других точек, обозначенных на рис. 3 (начало единичных отражений, появление ранних, средних и начальных диффузных отражений), не имеет решающего влияния на естественность акустической картины; тем не менее, они могут повлиять на иные качественные показатели «атмосферы» помещения.
Понятие диффузности звукового поля
В связи с неоднократным упоминанием уместно дать определение диффузности. Под диффузностью звукового поля понимают степень равномерности распределения отраженных волн по всему объему помещения. В идеальном случае в любой точке поля усредненные по времени уровень звукового давления и поток звуковой энергии, приходящей с различных направлений, постоянны.
Время стандартной реверберации
Главной характеристикой, наиболее полно описывающей качественные показатели акустики помещения, является время стандартной реверберации (reverberation time — англ., Nachhalfceit — нем.). Время стандартной реверберации принято вычислять по крутизне огибающей «хвоста» реверберации в пересчете ее на секунды для 60 дБ падения уровня отзвука помещения. Например, если измерения показывают, что звук затухает на 20 дБ за 0,5 секунды, то время реверберации в пересчете относительно 60 дБ равно:
60÷20 · 0,5 = 1,5 с.
При отсутствии специальных приборов с некоторой степенью точности время стандартной реверберации можно вычислить по формуле:
T = 0,16V ÷ A
где:
- Т — время реверберации в секундах;
- V — объем помещения в метрах кубических;
- A — площадь эквивалентной поглощающей поверхности помещения в метрах квадратных.
Если для каждой поверхности с площадью Sv определить средний коэффициент поглощения av то эквивалентную поверхность А можно рассчитать по формуле:
A = ΣανSν+ΣAN
где: AN — эквивалентные поглощающие поверхности находящихся в помещении предметов.
Поскольку коэффициенты отражения и поглощения зависят от частоты, то и время реверберации зависит от частоты. Как правило, при отсутствии акустической обработки частотная характеристика реверберации крайне неравномерна. Для очень больших помещений на частотах более 1000 Гц следует учитывать и поглощение звуковой энергии воздухом. Степень такого затухания определяется упругостью среды и зависит от температуры, давления, влажности и запыленности воздуха. Так, например, в помещении объемом 1000 м3 при сезонных колебаниях влажности от 20 до 70% время реверберации на частоте 4 кГц изменится от 0,84 до 1,23 секунды, что весьма существенно влияет на окраску звучания. Недостаток высоких частот в помещении может ощущаться и по другой причине — материалы стен и мебели, как правило, хорошо поглощают и плохо отражают ВЧ составляющие спектра. Тем же свойством обладают и люди — присутствие в студии большого числа музыкантов ухудшает «просветленность» акустики. Аналогичный эффект проявляется и в некоторых концертных залах.
По преданию, первый концерт Генделя в Лондоне не имел успеха. Это очень встревожило друзей композитора, но сам он остался невозмутим. «Не волнуйтесь!» — сказал он — «В пустом зале музыка звучит лучше».
Рассматриваемую тему логично завершить современным анекдотом от Владимира Ланцберга: «В ноябре 1997 г. в Москве на концерте, посвященном 20-летию ансамбля "Домино", у Вадима Мищука возникли проблемы с гитарой: строй "пополз". — Сейчас здесь жарко, — оправдывались братья Мищуки, — а когда мы настраивали инструменты, в пустом зале было холодно... — Нам выйти? — поинтересовался кто-то из публики».
Оптимальные значения времени реверберации регламентируются для диапазона частот от 125 до 4000 Гц. Чем оно меньше, тем выше разборчивость речи, лучше прозрачноегь музыки. Увеличение времени реверберации обогащает звучание, придает ему признаки объема и ощущения гулкости. Речевая студия должна обеспечить высокую разборчивость речи и, одновременно, комфортную атмосферу для прослушивания диктором собственного голоса. Поэтому для дикторских студий частотная характеристика реверберации должна быть линейной и иметь время, равное 0,3...0,4 секунды. Для малых речевых студий допустимо значение 0,2...0,25 секунды. В помещении прослушивания стереофоническая панорама должна получить дополнительную (но умеренную) пространственную окраску. Объем комнат, моделирующих домашнюю обстановку, принимается равным 60 метров кубических, время реверберации — около 0,4 секунды на частоте 800 Гц. Отклонения до 0,3 или 0,5 секунд не рекомендуются. Для музыкально-речевых студий, студий художественных радиопередач объемом от 100 до 800 метров кубических рекомендуемое время реверберации составляет 0,4...0,8 секунд.
В больших музыкальных студиях объемом свыше 9000 метров кубических, предназначенных для симфонических оркестров и хоровых коллективов, время реверберации должно быть примерно 2 секунды. В зрительных залах объемом от 1000 до 10 000 кубометров время реверберации целесообразно ограничить в пределах от 0,8 до 1,2 секунды. Время реверберации в очень больших залах объемом 20 000 кубометров может доходить до 5 секунд. Эстрада и ее потолок конструируются таким образом, чтобы отражения звука направлялись в сторону зрительного зала.
Значение ранних отражений
Начинающие звукорежиссеры полагают, что качество акустики помещения однозначно определяют время реверберации и его амплитудно-частотная характеристика. Это не совсем так. Точнее, «чтобы да — так нет». В концертном зале к слушателям приходит сумма из трех основных составляющих: прямой звук, ранние и поздние отражения, «хвост» реверберации. Энергия прямого звука имеет долю до 20%, завершающий участок реверберационного процесса до 10%. Остальная мощность — это энергия ранних и средних отражений. Именно они в значительной мере и влияют на характер акустики.
Необходимость применения законов нелинейной акустики
Если объем помещения недостаточно велик, теорию простейшей геометрической акустики следует уточнить, включив в рассматриваемую модель явление интерференции (сложения волн). В случае вертикального падения звуковой волны на отражающую поверхность отраженная волна движется по тому же пути, что и падающая волна, только в обратном направлении. В результате их сложения возникает так называемая «стоячая волна». Для стоячей волны характерно наличие пиков и провалов давления, периодически возникающих вдоль ее оси. В случае расположения источника между двумя параллельными стенками, для тех резонансных частот, длины полуволн которых-кратны расстоянию между этими стенками, явление стоячих волн наблюдается особенно отчетливо. Основные (наименьшие) резонансные частоты помещения определяются его размерами и геометрической формой. Наименьшая резонансная частота задается наибольшим расстоянием между стенами помещения и составляет от нескольких герц для больших залов до нескольких десятков герц для малых комнат. В диапазоне длинных волн спектр резонансных частот носит ярко выраженный дискретный характер, что вызывает неравномерность в передаче звука и явление его биения. С повышением частоты этот спектр уплотняется, что приводит к уменьшению заметности характерных флуктуации звукового давления. Начинать бороться со стоячими волнами нужно еще на этапе проектирования студии. Метод решения задачи прост — избегать параллельных поверхностей, в крайнем случае, уменьшать их площадь. Пол можно изготовить в виде нескольких плоскостей — ступеней. Потолок и верхнюю часть стен рекомендуется «изрезать» треугольными выступами. Такая геометрическая коррекция не только позволит избежать появления стоячих волн, она уменьшит амплитуды резонансных частот и увеличит диффузию отражений.
И напоследок, еще один штрих на заданную тему. Насколько точно можно судить о материале стен и его текущем состоянии по характеру реверберационного отклика? Физики из Ольденбурского университета (Германия) предложили новый метод оценки состояния старинных фресок. Прежде, для элементарного осмотра настенной и потолочной живописи нужно было строить громоздкие леса. Теперь же, в соответствии с акустической методикой на поверхности с росписями направляются звуковые волны определенных частот. От поврежденных, осыпавшихся или растрескавшихся мест звук отражается иначе, чем от слоя краски, уложенного на массивное без пустот основание. Экспериментальная проверка новой методики проводилась в одном из соборов в Швейцарии. Результаты оказались положительные, проявился лишь один недостаток... — очень шумно.
Д. В. Севашко
 Добавить в любимые (0) |  Сформировать ссылку на статью для вашего сайта | Версия для печати | Отправить на e-mail
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять коментарии.
Пожалуйста зарегистрируйтесь или войдите в ваш аккаунт. Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.3
|
Ваш коментарий будет первым
