Geum.ru

"И зал может звучать, как скрипка Страдивари " Сергей Алехин

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3
Формирование ранних отражений.

При формировании звуковых полей в помещении при помощи системы звукоусиления, помимо прямого звука, большое значение имеет картина первого отражения. Она подразделяется на несколько временных интервалов - от нескольких миллисекунд до 80 мс. Между этими интервалами имеются существенные различия. Поэтому, прежде чем подробно ознакомиться с процессом первичного отражения звука, рассмотрим так называемое "правило 30 мс". Из этого правила следует, что вторичные звуковые сигналы, приходящие с временным интервалом менее 30 мс, субъективно усиливают прямой звук и в частности улучшают разборчивость речи. Отраженные звуки, приходящие позднее 30 мс, ухудшают разборчивость речи и приводят к возникновению эха. Слуховое восприятие человека имеет ограниченное время интеграции, т.е. короткую память на звуковые колебания. Как видно из рисунка 2, отраженные звуковые сигналы, приходящие с интервалами до 30 мс, интегрируются с исходным сигналом и воспринимаются ухом как один усиленный сигнал.

Этот эффект называется "Эффектом Хааса". Этот феномен изучался несколькими учеными, но наиболее глубоко он был исследован Хаасом, который установил зависимость между разницей в уровнях прямого и отраженного сигналов и временной задержкой. Хаас нашел, что если даже задержанный сигнал будет иметь несколько больший уровень по сравнению с исходным, то для слушателя расположение (локализация) источника звука не изменится. Практически при временной задержке от 10 до 25 мс и превышении уровня задержанного сигнала над исходным в 10 дБ, звуковые источники будут восприниматься слушателем как эквивалентные. Кривая Хааса изображена на рисунке 3. Эта кривая показывает зависимость превышения уровня задержанного сигнала над исходным от времени задержки, когда они воспринимаются как эквивалентные. Эта кривая имеет большое значение при разработке звукоусилительных комплексов, но часто возникает непонимание при сравнении ее с первичным эффектом звукового восприятия. Эффект первичности подробно изучался Валахом. Он заключается в том, что слушатель "схватывает" направление на звуковой источник по первому приходящему сигналу и частично или полностью игнорирует последовательность коротких звуковых задержек или отражений. Задержанные или отраженные сигналы сливаются с прямым.

Итак, можно констатировать:

• Слушатель "схватывает" первый приходящий звук и его направление, пропуская короткие задержанные или отраженные сигналы;

- Сигналы, задержанные не более чем на 30 мс, по отношению к исходному, воспринимаются как один звук с увеличенной громкостью. Вторичные звуковые источники могут иметь превышение по уровню над исходными до 10 дБ и, тем не менее, восприниматься как эквивалентные исходному звуку.

Часто из-за непонимания этого эффекта некоторые разработчики звукоусилительных комплексов считают, что для повышения разборчивости и повышения общей громкости звучания достаточно увеличить уровень вторичного источника на 10 дБ, не нарушив при этом локализацию звука. Но это далеко не так. Хаас подчеркивал, что в этом случае источники становятся равногромкими. Фактически, вторичный источник или эхо будут незаметны для слушателя при задержке от 10 мс до 25 мс, если их уровень не превышает уровня первичного источника более чем на 4 дБ. На рисунке 4 приведены кривые Лочера-Бюгера, иллюстрирующие эти выводы. Пунктирная линия определяет зависимость относительного уровня вторичного источника от времени задержки, при котором локализация звука практически не меняется. Сплошная линия показывает критический относительный уровень, когда локализация звука начинает меняться.

Обращаясь снова к работе Хааса, рассмотрим график (Рис. 5), где процент слушателей, ощущающий дискомфортность звучания, показан как функция временной задержки звуковых сигналов, производимых первичным и вторичным источниками, и их относительного уровня. При коротких, в несколько миллисекунд, задержках, происходит жесткое взаимодействие прямого и отраженного звуков. Оно приводит к значительной неравномерности частотного спектра звукового сигнала, проявляющейся в форме циклических спадов и подъемов АЧХ и изменению тональных характеристик. В результате мы слышим "металлическое" или "булькающее" звучание.

• Наш слуховой аппарат имеет ограниченный (около 30 мс) диапазон времени интеграции звуковых сигналов;

- Любой вторичный звук, приходящий не позднее 30 мс, полностью сливается с прямым, увеличивая громкость звучания;

• при превышении уровня задержанного сигнала по отношению к исходному на 10 дБ, два источника звука - прямой и задержанный, воспринимаются как равногромкие;

• Расположение (локализация) источника звукового сигнала будет определяться слушателями, если уровень отраженных сигналов не превышает 4 дБ относительно уровня исходного источника;

• Отражения или вторичные звуки с задержкой до 30 мс повышают разборчивость речи. Отражения, имеющие большие временные задержки, интегрируются только частично и, в зависимости от их уровня, могут значительно ухудшить качество звучания.

Введение дискретных начальных отражений должно обеспечивать не только локализацию источников звука и требуемое усиление, но и однородное звуковое поле, одинаковый для всех слушательских мест пространственный образ, а также близкие значения индексов прозрачности и четкости (см. пилотный номер журнала). Все эти требования не могут быть выполнены только с помощью портальных акустических систем. Для того чтобы решить задачи, поставленные при проектировании звукоусилительного комплекса, необходимо разместить дополнительные громкоговорители в верхней части стен помещения.

Достаточно большое число громкоговорителей (по одному громкоговорителю на 5…10 м2 поверхности потолка), не обладающих узконаправленными свойствами, служат для излучения искусственно создаваемых дискретных начальных отражений. Вслед за первичным сигналом, излучаемым портальными громкоговорителями, к слушателю в течение 80 мс после прихода первичного сигнала поступают отражения, излучаемые громкоговорителями, распределенными по залу. Поскольку эти громкоговорители размещены на потолке или на боковых стенах помещения, то приходящие от них в течение первых 80 мс звуковые сигналы обусловливают не только повышение четкости и прозрачности звучания (задача, которую в основном выполняют портальные громкоговорители), но и содействуют повышению пространственности звучания.

Звуковые сигналы должны излучаться распределенными громкоговорителями с такой задержкой по времени, чтобы они приходили к слушателю - несмотря на небольшое расстояние между слушателями и зальными громкоговорителями - всегда позднее тех звуковых сигналов, которые создаются портальными громкоговорителями и играют определяющую роль в локализации источников звука. Разность во времени прихода прямого сигнала и сигналов от распределенных по залу громкоговорителей не должна быть настолько большой, чтобы слушатели ощущали эхо. Оба эти требования можно выполнить при проектировании звукоусилительного комплекса, если подразделить зальные громкоговорители на группы, размещенные параллельно рампе сцены. Соответственно с увеличением расстояния этих групп от сцены увеличивается и время задержки подаваемых на них сигналов. Расчет временной задержки в миллисекундах производится по формуле: t = 2,9Y, где Y- расстояние в метрах. Уровни дискретных начальных отражений устанавливаются такими, чтобы уровни громкости в сопоставимых зонах слушательских мест различались незначительно. (В соответствии с ожидаемым слуховым впечатлением и некоторыми эстетическими соображениями общий уровень громкости в последних рядах зала должен быть все же несколько ниже, чем вблизи сцены.)

Требование, касающееся однородности звучания площади слушательских мест, должно распространяться на звуковые сигналы от всех зон звучания. Только в этом случае обеспечиваются равноценные условия прослушивания в любой точке зала. Звукорежиссер, сидящий за микшерным пультом в зале, может судить при этом о качестве звучания на всех слушательских местах только лишь по качеству звучания в зоне расположения пульта. Тем самым обеспечивается и возможность регулировок уровня звукового сигнала, оптимального для всего зала в целом. Первичные отражения, определяющие совместно со звуковыми сигналами портальных громкоговорителей уровень громкости на слушательских местах, не должны быть излишне интенсивными. Как отмечалось выше, если их уровень превысит уровень звукового сигнала портальных громкоговорителей более чем на 10 дБ, то это приведет к ошибочной локализации источников звука. Такие ситуации должны быть полностью исключены.

Для имитации пространственного впечатления непосредственно за первичными отражениями с помощью распределенных по залу громкоговорителей может излучаться и создаваемый искусственно при помощи цифрового процессора реверберационный сигнал. Уровень реверберационного сигнала должен устанавливаться в речевых программах, по крайней мере, на 10-12 дБ меньше, чем сигнал оригинала, и на 18-20 дБ меньше, чем сигнал оригинала в диапазоне задержки от 80 до 100 мс. Как показывает практика работы в больших залах или в тех случаях, когда необходимо имитировать обстановку большого зала, не следует вводить реверберационный сигнал непосредственно после первых отражений. Слишком раннее введение завершающего участка реверберационного процесса создает впечатление малого помещения, что в больших залах кажется неестественным.

С ростом объема помещения увеличивается и время, необходимое для формирования завершающего участка реверберационного процесса. Реверберационный сигнал в зависимости от объема помещения следует вводить по истечении 150-300 мс. Если к естественному реверберационному звуку подмешивается искусственный реверберационный сигнал, то интервал времени между 80 мс и моментом введения реверберационного сигнала должен быть заполнен дополнительными отражениями, излучаемыми зальными громкоговорителями, чтобы слушатели не ощущали появления эха. Поскольку эти отражения приходят к слушателям более чем через 80 мс после прямого звука, их уровень должен быть согласован с уровнем реверберационного сигнала. Уровни реверберационного сигнала и рассматриваемых отражений должны быть такими, чтобы их общий уровень не превосходил суммарного уровня сигнала, состоящего из сигналов, излучаемых портальной системой, и сигналов начальных отражений, вводимых с помощью распределенных по залу громкоговорителей. Если это условие не выполняется, то звуковая картина становится расплывчатой,

а прозрачность звучания неприемлемо снижается. Следует отметить, что дискретные первичные отражения, а также искусственный реверберационный сигнал могут излучаться и портальными акустическими системами. Преимуществом такого способа является тот факт, что вышеупомянутые отражения приходят в основном спереди и содействуют более быстрому формированию звукового поля. Звуковые сигналы, воспроизводимые портальными акустическими системами (это особенно важно для отражений в течение первых 100-200 мс), не так интенсивно поглощаются слушателями, как звуковые сигналы, излучаемые потолочными громкоговорителями, расположенными перпендикулярно поверхности слушательских мест.

При проектировании звукоусилительных комплексов для конкретных помещений, в зависимости от их акустических параметров необходимо, прежде всего, в каждом конкретном случае, решить вопрос о том, нужны ли вообще, например, при усилении речи, дополнительные отражения и следует ли вводить искусственный реверберационный сигнал.

Нередко можно отказаться от того и другого.

С помощью портальных акустических систем и введения первичных отражений, усиливающих прямой звук, можно добиться высокой разборчивости и прозрачности звучания.


Общие принципы звукоусиления в концертных залах. Часть 5

Временная коррекция акустики залов - 2

Сергей Алехин


В первой части статьи ("Звукорежиссер" № 4) были рассмотрены теоретические аспекты необходимости применения в звукотехнических комплексах цифровых линий задержки. Ниже рассмотрим практическое применение цифровых линий задержки при проектировании звукотехнических комплексов для залов различной архитектурной конфигурации и целевого назначения.

Цифровые линии задержки применяются во всех случаях, когда, кроме основной системы, используются дополнительные акустические системы, распределенные по залу. Необходимость их применения хорошо иллюстрирует рисунок 1. На этом рисунке видно, что каждый из трех громкоговорителей находится на разном расстоянии от точки прослушивания и звук от них не может приходить в эту точку одновременно. Из-за разницы во времени прихода звукового сигнала от громкоговорителей в точке прослушивания звук становится неразборчивым. Используя цифровые линии задержки, можно компенсировать эту разницу, выровнять расхождения во времени прихода звука от громкоговорителей и тем самым обеспечить чистоту и разборчивость звука.




В театральных залах и залах многоцелевого назначения, имеющих балкон, устанавливаются дополнительные акустические системы над балконом и в подбалконной части зала (рис 2). Так как звук от основных акустических систем центральной группы не может адекватно проникать в эти части зала, то целью установки над - и подбалконных систем является создание равномерного звукового поля в этих зонах. Они позволяют заполнить отсутствующие средние и высокочастотные составляющие в спектре звукового сигнала, приходящего от основной системы. Так как основные и дополнительные акустические системы находятся на разном расстоянии от слушателя, необходимо применение цифровых линий задержки в тракте усиления дополнительных акустических систем. Подбалконные акустические системы находятся в другом акустическом окружении по отношению к основным, поэтому в тракт их усиления, кроме цифровых линий задержки, необходимо включить отдельный эквалайзер. Величина задержки рассчитывается как разница прихода во времени звукового сигнала от основной системы и системы расположенной над головой слушателя плюс 15 - 20 мсек. Таким образом, время задержки звукового сигнала в миллисекундах в точке 1 (см. рис. 2) составит (А-В) х 2,9 + 15. Эти расчеты должны быть выполнены для переднего и заднего сектора зоны перекрытия. При настройке подбалконной системы задержку следует откорректировать и оптимизировать в пределах верхнего и нижнего теоретического уровня, пока не будет найдено оптимальное значение. Уровень усиления должен быть таким, чтобы не нарушалась локализация источника звука, а небольшой подъем в области верхних частот позволит создать еще большую иллюзию натурального звукового баланса.




Система озвучивания балкона настраивается таким же образом.


В большинстве случаев в театрах и залах многоцелевого назначения центральный кластер находится высоко над сценой, и звук от него приходит в зал с задержкой по отношению к прямому звуку. При задержке звука центрального кластера относительно прямого локализация может быть поддержана установкой дополнительных акустических систем в местах, где имеется недостаточное перекрытие звуком от основной системы - спереди и по бокам сцены.


В театральных залах цифровая линия задержки может использоваться в системе, предназначенной для воспроизведения спецэффектов (гром с раскатами, надвигающийся со сцены, рев двигателей пролетающего самолета, лай бегущей собаки и т.п.).


При проектировании звуковых систем для конференц-зала применяют центральную или портальную системы с дополнительными громкоговорителями или без них. В этом случае появляется разница между звуковым уровнем передней и задней зон помещения. Если в аудитории пол без наклона и низкий потолок, предпочтительно использовать подвесные потолочные системы для лучшего покрытия звуковым полем зоны аудитории. Путем правильной установки подвесных колонок, может быть достигнут тот же ровный охват звуковым полем всей аудитории, что и при применении центральных или портальных систем. Применять или не применять цифровые линии задержки - в этом случае очень сильно зависит от отделочных материалов помещения и его акустики. Например, если в комнате абсорбирующий акустический подвесной потолок и покрытый ковром пол, то звук очень быстро поглощается. Слушатели, находящиеся в центре и по бокам, будут слышать звук только от ближайшего динамика. В этом случае применение задержки не сильно повлияет на разборчивость речи. Но если помещение имеет пол или потолок из твердого материала, который хорошо отражает звук, то голос оратора будет слышан с некоторой протяженностью. В этом случае система с применением задержки может быть использована для усиления звука и его синхронизации по времени.


На рисунке 3 изображен типичный маленький конференц-зал. Расстояние от сцены до конца зала около 20 метров, высота около 5 метров. 7 рядов динамиков используются для покрытия звуковым полем всей комнаты.




Когда вы имеете дело с таким типом системы, нужно помнить, что "высота" ушей - это не высота потолка, что очень важно. Обычно уши сидящего человека находятся на высоте около 1,2 м от пола, следовательно, расстояние от ушей до потолочного динамика в нашем примере составит 3,8 м, и звук от него достигнет ушей через11 мсек.(3,8 х 2,9 = 11). В передних рядах слушатели будут слышать прямой натуральный звук, а до заднего ряда звук дойдет через 58 мсек (2,9 х 20) Если не использовать систему задержки, то в заднем ряду звук из верхнего динамика будет слышан на 47 мсек раньше, чем из центральной системы. Это за "правилом 30 мсек", а значит, и будут потери в разборчивости. Очевидно, систему можно улучшить, введя в нее цифровые линии задержки. Задержав сигнал на 47 мсек., мы полностью синхронизируем время прибытия сигнала, но для того, чтобы полностью улучшить эффект локализации, мы должны добавить 15 мсек. Правильной будет задержка в 62 мсек. Но если мы будем использовать только одну линию задержки, то возникнут проблемы в передних рядах помещения. Там услышат звук через 6 мсек. со сцены и через 73 мсек. из динамиков над головой - возникнет эхо. Без задержки слушатель из переднего ряда услышит прямой звук через 6 мсек., и через 11 мсек. из динамиков - локализация не дала эффекта. Та же проблема со слушателями, сидящими еще дальше, но если есть задержка в 62 мсек., то прямой звук дойдет через 18 мсек., а сверху через 73 мсек. - разница 55 мсек., мы опять не попадаем в "зону 30 мсек.". В центре зала (10 м) разница с задержкой будет 44 мсек. Поэтому возникает необходимость введения второй линии задержки. Но фактически нужно поставить 3 линии задержки - для получения максимальной локализации и разборчивости. Также необходим всего один эквалайзер для всей системы. Проектируя такую систему, для успешного применения задержек нужно помнить о перекрытии двух зон с разной задержкой. Для избавления от этих проблем разница во времени задержки в соседних зонах не должна превышать 30 мсек.


В инсталляциях, описанных выше, колонки центральной акустической системы могут быть установлены на платформу, или пара направленных колонок может устанавливаться по сторонам платформы для обеспечения сильного направленного звука. В зависимости от ситуации и геометрии помещения, можно использовать небольшую задержку, чтобы быть уверенным, что звук со сцены дойдет до слушателя первым. Лучше разместить центральные динамики под потолком, задержка будет выглядеть более натурально, будет хорошо выдержано чувство направления. (Наш слух хуже определяет направление по вертикали, чем по горизонтали.) В акустически "бедных" комнатах одиночный источник звука создаст меньше нежелательной отраженной энергии, чем две широко расставленные акустические системы.


В некоторых инсталляциях не всегда возможно крепить динамики к потолку - или потолок очень высокий, или этого нельзя делать по архитектурным причинам. В таком случае колонки могут быть установлены на стенах ниже потолка по периметру помещения. Расчет задержек производится так же, как и для потолочных систем, хотя увеличивается расстояние между каждым динамиком. Зоны перекрытия помещения звуковым полем должны быть спланированы очень тщательно. Динамики должны быть направлены вниз так, чтобы была хорошая зона перекрытия от каждого динамика и эти зоны не пересекались.


Альтернативой множеству распределенных низкоуровневых динамиков является применение основной группы линейных динамиков или собранный массив горнов, работающих по длине здания, зоны или зала. В большинстве случаев невозможно обеспечить полное покрытие помещения звуковым полем без дополнительных повторяющихся групп. Для обеспечения хорошей разборчивости вторичные динамики должны быть синхронизированы и выровнены относительно друг друга для поддержания достаточной зоны охвата. Применив задержку для вторичных динамиков и синхронизировав их с основной группой, можно получить значительные улучшения в чистоте и разборчивости речи.


Аналогичны в использовании системы задержки звука для открытых пространств. В них используются те же принципы: сцена с центральной группой и повторяющие динамики, находящиеся на определенном расстоянии от сцены; в их усилительный тракт включены линии задержки.


Когда приходится работать с большими расстояниями, а соответственно и большими задержками, приходится учитывать влияние внешних атмосферных явлений, например влажность, температура, скорость ветра. Температура и направление ветра могут значительно влиять на передачу звука, изменяя звуковой путь и влияя на время задержки. Избыточное поглощение звука на определенных частотах может также произойти при его передаче на большие расстояния и должно корректироваться с использованием графического эквалайзера. Высокие частоты могут затухать из-за избыточного воздушного поглощения, а близость расположения акустических систем с землей может повлиять на передачу звука в области нижней середины и низких частот.


Наиболее привычной конфигурацией звукотехнического комплекса для открытых пространств (например, стадионов) является та, где центральная группа громкоговорителей используется для покрытия звуковым полем основного стадиона и мест зрителей, тогда как локальная система используется для покрытия звуковым полем верхних рядов. Если эти зоны связаны с основной ареной, то потребуется существенная задержка для компенсации разницы звука. Количество требуемых линий задержки будет зависеть от конструкции самого стадиона, отношения длины к ширине и положению центральной группы. Например, если стадион имеет квадратную форму, то потребуется одна или две линии задержки. Тем не менее, если стадион прямоугольной формы и есть большая разница между длиной и шириной, потребуются свои параметры задержки для каждой стороны. Может понадобиться несколько промежуточных задержек для покрытия промежуточных зон между короткими и длинными сторонами.


В зданиях с относительно низкой высотой потолков, таких как ледовый дворец, закрытый стадион или выставочный зал, не всегда возможно обеспечить адекватное покрытие звуковым полем периферийных участков с помощью центральной группы акустических систем. Например, выставочные стенды и экспонаты могут создавать так называемые теневые зоны. Эти зоны должны быть озвучены дополнительно включенными в тракт усиления громкоговорителями, для которых необходимо включить цифровых линий задержки. И наоборот, если пространство сильно отражает и "реверберирует" звук, например ледяной каток, тогда по желанию можно минимизировать реверберационное возбуждение путем выключения громкоговорителей, работающих на свободные от слушателей или иные ненужные зоны. Но можно и ограничить зону покрытия звуковым полем центральной группой громкоговорителей для избежания отражения звука от нежелательных поверхностей. Например, установить защитные экраны вокруг ледяного поля. И снова может потребоваться несколько линий задержки, которые должны быть настроены с применением "правила 30 мсек.", а также необходимо избегать задержек между смежными областями.


На дискотеке главное - создать "атмосферу восхищения". Правильное сочетание звуковой картины и игры света играет на дискотеке ключевую роль. Было замечено, что добавление задержки позволяет значительно расширить и улучшить акустическое восприятие. Основная система работает напрямую, без задержки, но, введение задержки для вспомогательных динамиков, расположенных вокруг танцпола, позволяет "раскрыть" звучание музыки. Этот прием сделает звук неограниченным, придаст ему воздушное, пространственное ощущение музыки. Будет создан эффект того, что слушатель "находится в звуке". Это - чувство погружения и охвата звуковым полем. Такой эффект нельзя достичь увеличением громкости или применением эквалайзера. Низкочастотная составляющая спектра музыки благодаря задержке тоже улучшается, становясь более насыщенной и реалистичной. Задержки в районе 40 - 80 мсек. обычно являются оптимальными, но нужные установки для конкретного помещения дискотеки находятся только экспериментальным путем.