Акустика студий звукового и телевизионного вещания (Часть 2)

Из (7.29) следует, что в диффузном звуковом поле процесс нарастания плотности звуковой энергии в помещении происходит по экспоненциальному закону (теоретическая зависимость 1 на рис. 7.7,а). При этом нарастание звуковой энергии ускоряется при увеличении модуля показателя степени при экспоненте, т.е. при увеличении коэффициента звукопоглощения a и отношения S/V, зависящего от формы и размеров помещения. Очевидно, что установившаяся в помещении плотность звуковой энергии l₀ (7.30) растет с увеличением мощности источника звука Р_а и падает с увеличением общего звукопоглощения . В реальных условиях звуковое поле в помещении не может считаться строго диффузным процессу нарастания звуковой энергии в помещении

свойственны флуктуации (зависимость 2 на рис. 7.7,a).

Рис. 7.7. Нарастание (а) и спадание (б) плотности звуковой энергии в помещении, а также совмещение этих процессов в одном временном масштабе (в)

 

Процесс спадания звуковой энергии в помещении. Пусть в помещении установилась плотность звуковой энергии 0. Выключим источник звука и с этого момента будем отсчитывать текущее время t. Допустим, что акты поглощения звуковой энергии в помещении, как и ранее, происходят через интервалы времени t^_cp (7.20). После первого акта поглощения в момент t = t_cp плотность звуковой энергии в помещении (t_cp) = e₀(1- a). После второго акта поглощения в момент t = 2t_cp плотность энергии e(2t_cp) = e(t_cp)(1- a) = e₀ (1 — a )². Соответственно после n-го акта поглощения звуковой энергии в помещении ее оставшаяся часть в момент t = ntcp составит

e(ntcp) = S0(1- a )n

(7.32)

Выполняя те же преобразования, что и ранее (учитывая тождество (1- a )ⁿ = exp[n ln(l — a)]) и тот факт, что n = t/t_cp = c_звSt/4V, окончательно найдем e(t) = e₀ ехр[n ln(1 — a)] или

(7.33)

Заметим, что при коэффициенте звукопоглощения a £ 0,2 можно воспользоваться равенством — ln(1 — a) = a и упростить полученное выражение

(7.34)

Процесс спадания звуковой энергии в помещении [см. (7.33) и (7.34)] также отображается экспоненциальной зависимостью (1 на рис. 7.7,б) и зависит от общего звукопоглощения А = aS и объема V помещения. Этот процесс тем короче, чем больше А и чем меньше V. Процесс затухания звука в реальных помещениях носит флуктуационный характер (2 на рис. 5.7,б), т.е. имеются отклонения от теоретической зависимости как в ту, так и в другую сторону.

 

Реверберация. Поглощение звука в воздушной среде помещения. На рис. 5.7,б изображены процессы нарастания и спадания звуковой энергии в помещении в одном временном масштабе. Здесь по оси ординат отложен логарифм относительного изменения плотности звуковой энергии lg(e/e₀) как величины, более точно отражающей реакцию слуха на звуковое воздействие, а по оси абсцисс отложено текущее время t. Из рассмотрения этой зависимости, где момент t₁ соответствует включению источника звука в помещении, a t₁^`— его выключению, видно, что процесс нарастания плотности звуковой энергии в помещении происходит очень быстро и поэтому незаметен на слух. Процесс спадания звуковой энергии, называемый реверберацией, протекает медленно, заметен на слух и играет важную роль в слуховом восприятии.

Звуковая энергия поглощается не только поверхностями преград помещения, но и средой. Эти дополнительные потери обусловлены вязкостью и теплопроводностью воздуха, а также молекулярным поглощением. Поглощение звука в воздухе определяется пробегом звуковой волны и достаточно точно может быть описано экспоненциальной функцией вида

(7.35)

где l=c_звt, а m — коэффициент затухания, равный обратному значению того пути l, на котором плотность звуковой энергии уменьшается в е раз. Значение m зависит от плотности p p₀и вязкости h воздуха, а также от температуры, влажности воздуха и частоты F (рис. 7.8):

(7.36)

 

Относительная влажность, %

Рис. 7.8. Зависимости коэффициента затухания звука в воздухе от относительной влажности m частоты (по данным Э. Ивенса и Э. Вез

 

С учетом поглощения звука в воздухе выражение (7.33), описывающее процесс реверберации звука в закрытом помещении, можно представить в виде

(7.37)

Заметим, что при одной и той же акустической мощности источника звука длительность процесса реверберации на низких и средних частотах почти не зависит от звукопоглощения воздушной среды, ибо значение коэффициента мало. В области верхних частот длительность процесса реверберации уменьшается тем значительнее, чем выше частота. Вообще говоря, чем больше объем помещения, тем больше средняя длина свободного пробега звуковой волны (7.19), тем на более низких частотах начинает сказываться поглощение звука в воздушной среде.

 

7.7. Основные критерии оценки акустического качества помещений

Стандартное время реверберации. Из (7.30) видно, что установившаяся плотность звуковой энергии в помещении зависит от акустической мощности Р_а источника звука. Очевидно, что с увеличением Р_а длительность (t₂ и t’₂ на рис. 7.7,е) процесса реверберации возрастает, хотя его слуховая оценка практически остается неизменной. Чтобы время реверберации характеризовало только акустические свойства помещения, надо исключить его зависимость от Р_а. Для этого введем понятие стандартного времени реверберации Т_р помещения — времени, в течение которого плотность звуковой энергии уменьшается в 10⁶ раз, т.е. на 60 дБ. Из этого определения следует, что при t = Т_р.

 

(7.38)

После логарифмирования и подстановки значений с_зв = 340 м/с и lg e = 0,434 решим полученное выражение относительно

(7.39)

Итак, стандартное время реверберации (7.39) зависит от объема помещения V, площади S ограничивающих его поверхностей, коэффициента звукопоглощения a и поглощения звука в воздухе. Заметим, что в знаменателе этой формулы первое слагаемое учитывает потери звуковой энергии при отражениях, второе — поглощение звука в воздухе. Величины a и m частотно-зависимы. С повышением частоты стандартное время реверберации Тр уменьшается прежде всего вследствие роста m

Для небольших помещений, а также для помещений большого объема, но на частотах ниже 1000 Гц вторым слагаемым в (7.39) можно пренебречь:

(7.40)

или, воспользовавшись тождеством ln(1 — a) = 2,31ln(1 — a), прийти к формуле Эйринга:

(7.41)

В помещениях большого объема на частотах 1000 — 4000 Гц оба слагаемых в знаменателе выражения (7.39) примерно равноценны. На частотах более 4000 Гц основную роль начинает играть звукопоглощение в воздухе и практически уже не влияющим на слуховое восприятие.стандартное время реверберации становится малым,
Заметим, что называют также реверберационным коэффициентом поглощения. Зависимость a= f(a^‘) приведена на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Связь между средним и реверберационным коэффициентами звукопоглощения

 

    

Рис. 7.10. Диаграммы, поясняющие оценку времени стандартной (а) и эквивалентной (б) реверберации: 1 — теоретическая зависимость; 2 — реальная зависимость

При небольших значениях коэффициента звукопоглощения 0,2 справедливы соотношения — ln(1 — a) = a и a‘S = S = A и от (7.40) и (7.41) можно перейти к формуле Сэбина

 

Тр = 0,l6V/(a).

(7.42)

 

Если отсюда найти звукопоглощение помещения

 

 

A =a S=0,164V/Tp

(7.43)

и подставить это выражение в (7.30), то получим, что при постоянной акустической мощности источника звука установившаяся в помещении плотность звуковой энергии to будет расти с увеличением Т_р:

e0 @ РаТр/(13,8V).

(7.44)

Ни одна из приведенных здесь расчетных формул не является абсолютно точной, так как не учитывает влияния формы помещения, особенностей размещения источника звука и звукопоглощающих материалов. Строго говоря, эти формулы пригодны, если звуковое поле в помещении является идеально диффузным (рис. 7.10,а).

Акустическое отношение и эквивалентная реверберация. Стандартное время реверберации является важным, но не исчерпывающим критерием акустического качества помещения. Этот параметр характеризует акустические свойства помещения в целом, в то время как слуховая оценка звучания на отдельных местах прослушивания может быть различной, что прежде всего обусловлено изменением соотношения плотностей звуковой энергии e_пр прямого звука и энергии e_отр, приносимой в эту точку всей совокупностью отражений.

Если источник звука излучает сферические волны, то плотность звуковой энергии прямого звука в точке помещения, удаленной от него на расстояние r,

eпр = eпр зв/C зв = Pa / 4p r2C зв

(7.45)

Плотность звуковой энергии e_отр диффузной составляющей определим как часть установившейся плотности звуковой энергии e₀ (7.30), которая остается в поении после выключения источника звука через интервал времени t_cp (т.е. после первого отражения от поверхностей помещения):

(7.46)

Величину, характеризующую соотношение плотности звуковой энергии прямого (7.45) и диффузного (7.46) звуков, называют акустическим отношением:

(7.47)

Величина R зависит от частоты, так как коэффициент частотно-зависим. Для источника звука с направленным излучением величина акустического отношения может быть рассчитана по формуле

(7.48)

где a — средний коэффициент звукопоглощения; S — площадь ограничивающих поверхностей помещения; W— коэффициент осевой концентрации источника звука; D(f) — его характеристика направленности; f— угол между акустической осью источника звука и направлением на рассматриваемую точку помещения.

Рис. 7.11. Зависимость акустического отношения R от объема, например, кинозала, для первого (3), среднего (2) и последнего (1) ряда зрителей

Если учесть, что aS = 0,164V/Т_р, то выражения (7.47) и (7.48) можно представить также следующим образом:

(7.49)

 

(7.50)

Величина акустического отношения растет при увеличении расстояния между источником звука и слушателем, увеличении времени реверберации, использовании менее направленных источников звука с малым значением коэффициента осевой концентрации, уменьшении среднего коэффициента звукопоглощения поверхностей помещения и объема последнего. Последнее заключение подтверждают экспериментальные кривые зависимости R = t(V), представленные на рис. 7.11. При увеличении расстояния до источника звука акустическое отношение растет, что очевидно. При уменьшении объема помещения акустическое отношение также возрастает. Это значит, что при уменьшении объема помещения доля диффузной энергии возрастает значительно быстрее, чем доля прямого звука.

Изменение акустического отношения воспринимается при слуховой оценке как изменение времени реверберации. Для музыкальных программ акустическое отношение доходит до 6… 8, в отдельных случаях до 10.. .12 (органная музыка). При R < 2 музыкальное звучание кажется неестественно сухим. Для речевых программ обычно R < 1. Расстояние до источника звука, при котором R = 1, называется радиусом гулкости помещения. При больших расстояниях e_отр>> e_пр и в звучании появляется гулкость. Для одиночного источника звука радиус гулкости

(7.51)

Как видно из рис. 7.10,б (кривая 1), звуковая энергия в помещении при наличии в точке расположения микрофона прямого и отраженного звуков в момент времени t₁ изменяется скачком, что обусловлено исчезновением поля прямого звука e_пр при выключении источника звука. Размер этого скачка D определяется акустическим отношением. В идеально диффузном поле R = µ( e_пр = 0) упомянутый скачок отсутствует (кривая 3 на рис. 7.10,б).

Два процесса спадания звуковой энергии в помещении — реальный со скачком уровня в момент t₁ (кривая 1 на рис. 7.10,б) и без скачка (кривая 2) — оцениваются на слух как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения А отстоит от момента t₁ на интервал t »0,2 с. Время, в течение которого плотность звуковой энергии этого эквивалентного процесса (кривая 2} уменьшается на 60 дБ (или в 10 раз) и определяет эквивалентное время (ощущаемой на слух) реверберации Т_эр. Очевидно, что, изменяя Т_эр, можно менять субъективное ощущение воспринимаемой реверберации. Как правило, Т_эр < Т_р и только при R ® µ Т_эр » Тр.

Для расчета значения Т_эр пользуются формулой

(7.52)

где — коэффициент направленности микрофона; Е_м1 и E_м2 — чувствительность микрофона к прямому и диффузному звукам соответственно.

Эквивалентная реверберации Т_эр существенно зависит от расстояния между источником звука и точкой расположения микрофона, а также от характеристик направленности последних. При малом значении г она заметно меньше Т_р ввиду большого уровня прямого звука. Воспринимаемая реверберация в этом случае ослабляется. При R > 3 имеем Т_эр » Тр. Время Т_эр может быть малым при использовании остронаправленных микрофонов, ориентированных на источник звука.

Факторы четкости и реверберационных помех.Отраженные сигналы, составляющие начальный участок ревербера-ционного процесса в помещении, суммируются с прямым звуком и воспринимаются с ним слитно, обогащая тембр звучания и увеличивая его громкость. В то же время отраженные звуки, имеющие большое время запаздывания (более 50 мс для речи и более 100 ¸ 150 мс для музыки) размывают звучание, снижают его четкость.

Критерием, отражающим эту особенность слухового восприятия, является так называемый фактор четкости D, впервые введенный Р. Тиле. Он представляет собой отношение «полезной» части энергии отраженных звуков (в пределах которой запаздывающие сигналы тесно коррелированы с сигналом прямого звука) ко всей энергии реверберирующего сигнала:

(7.53)

Рис. 7.12. Зависимость фактора четкости от объема для некоторых залов

Здесь t = 50 мс для речи и 100… 150 мс для музыки. Его оптимальное значение не зависит от объема помещения (рис. 7.12) и существенно отличается по величине для речи и музыки. Для речи значение фактора D в первую очередь связано с разборчивостью, его оптимальное значение в этом случае составляет 0,7…0,75. Для музыкальных сигналов в помещениях с хорошей акустикой он должен быть в среднем одинаковым и равным 0,54.
Точнее учитывает полезную и вредную составляющие реверберационного процесса помещения фактор реверберационных помех (критерий Сухаревского — Стретта). Он представляет собой отношение энергии прямого звука Е_пр и той полезной части отраженной диффузной энергии Е_д (t £ 1/16). которая воспринимается слухом в течение 1/16 с после прихода прямой волны, ко всей остальной отраженной энергии Е_д(t >1/16). относящейся к вредной ее части:

(7.54)

К вредной относится также энергия посторонних звуков и шумов Е_ш. Путем выполнения ряда не слишком сложных преобразований выраже ние (7.54) может быть приведено к виду

(7.55)

Здесь, как и ранее, Т_р — стандартное время реверберации; R — акустическое отношение; a — коэффициент звукопоглощения. В том случае, когда a <<1 и 1 — a » 1, а ln(1 — a) = —a имеем [18]

(7.56)

Рис. 7.13. Зависимость артикуляции W от фактора реверберационных помех Q при T_р = 1,2 с (кривая 1), T_р = 2,2 с (кривая 2) и T_р = 4 с (кривая 3)

 

Если Т_р > 0,86 с, то полученное выражение еще более упрощается, принимая вид Q » (1/R).

Фактор реверберационных помех прежде всего был предложен как критерий оценки артикуляционного качества помещений. На рис. 7.13 приведены кривые 1, 2, 3 зависимости слоговой разборчивости W от фактора реверберационных помех Q, вычисленные для разных значений стандартного времени реверберации. Наличие трех отличающихся кривых (вместо одной) говорит об отсутствии однозначной связи между W и Q. Этот недостаток устраняется введением поправочных коэффициентов, с учетом которых выражение (7.55) преобразуется к виду

(7.57)

где N_r — уровень полезного сигнала в точке приема, определяемый по формуле

(7.58)

Фактор Q₁ учитывает влияние времени реверберации и уровня сигнала в точке прослушивания на величину слоговой разборчивости. Экспериментальная зависимость слоговой артикуляции, полученная с учетом формул (7.57) и (7.58), показана на рис. 7.14. Необходимая четкость звучания обеспечивается при значении Q₁ ³ 2.

Рис. 7.14. Зависимость артикуляции W от фактора реверберационных помех Q₁, полученного с учетом введенных поправок

Заметим, что выражения для оценки фактора реверберационных помех получены в предположении, что затухание энергии в помещении происходит по экспоненциальному закону, а звуковое поле в нем диф-фузно, что выполняется лишь с известным приближением.

 

7.8. Оптимальное время реверберации

Речевые студии. Основным требованием, предъявляемым к речевым студиям, является высокая разборчивость речи при сохранении тембральных особенностей голоса исполнителя.
Исследования показывают, что высокая разборчивость речи может быть получена при уровне звукового давления 50 ¸ 80 дБ и времени реверберации, меньшем 1 с.

Учитывая, что количество исполнителей при тех видах передач, для которых используются речевые студии, обычно не превышает десяти человек, объем этих помещений выбирается сравнительно малым. Это позволяет сравнительно легко получить время реверберации на средних частотах 0,4 ¸ 0,8 с. Более точное значение оптимального времени реверберации для речевой студии можно определить, исходя из ее объема, по кривой, приведенной на рисунке 7.15 (для средней частоты 500 или 1000 Гц).

Опытные данные показывают, что высокая разборчивость речи и неискаженная тембральная окраска голоса возможна только при линейной частотной характеристике времени реверберации или даже при некотором спаде ее (на 10 ¸20%) на низких частотах (рисунок 7.16).

Рис. 7.15. Зависимость времени реверберации от объема речевой студии

Рис. 7.16. Частотная характеристика оптимального времени реверберации для речевой студии

Таким образом, для создания оптимальных акустических условий речевая студия должна иметь:
• малое время реверберации (0,4 0,8 с);
• частотную характеристику времени реверберации, линейную вплоть до высоких частот (возможен спад ее на 10 ¸ 20% на нижних частотах).

Музыкальные студии. Учитывая, что характер музыкальных произведений, количественный и качественный состав ансамблей, участвующих в передачах, чрезвычайно разнообразен, для создания оптимальных акустических условий при записи и передаче музыки используют несколько специальных студий. Вопрос об акустических условиях в большой студии, следует решать, исходя из предположения, что оптимальное время реверберации не зависит от объема, если последний превышает 2000 м³ и определяется для подобных студий характером исполняемого произведения.
Оптимальное время реверберации на частоте 1000

• для современной музыки — 1,48 с.,

• для классической музыки -1,54 с.,

• для романтической — 2,07 с.

Оптимальное время реверберации для музыкальных студий меньшего объема может быть найдено по графику, приведенному на рис. 7.17.

 

Рис. 7.17. Рекомендуемая зависимость оптимального времени реверберации от объема музыкальных студий

 

Частотная характеристика оптимального времени реверберации музыкальных студий имеет, как правило, подъем в области нижних частот (рисунок 7.18).

Подъем в области низких частот следует отнести за счет эстетических вкусов и традиций слушателей, предпочитающих в музыкальных передачах некоторое подчеркивание низких частот.

На основании вышесказанных соображений акустические требования к времени реверберации музыкальных студий можно сформулировать таким образом:
1. Оптимальное время реверберации для студий малых и средних объемов (до 2000 м) изменяется в сравнительно небольших пределах (1 ¸1,6 с.) и может быть выбрано в зависимости от объема по рис. 7.17.
2. Оптимальное время реверберации для больших студий в малой степени зависит от объема помещения и определяется характером исполняемых произведений. Для студий многоцелевого назначения рекомендуется время реверберации 1,7 ¸ 1,8 с.
3. Частотная характеристика оптимального времени реверберации может иметь подъем в области низших частот на 20 ¸ 40% по сравнению с реверберацией на средних частотах (рис.7.18).

Рис.7.18. Частотная характеристика оптимального времени реверберации для музыкальных студий

Телевизионные студии для драматических передач. Студии, предназначенные для передачи достаточно сложных телевизионных постановок должны обеспечивать возможность одновременного размещения в них ряда объемных декораций, создающих сценическую обстановку отдельных частей передачи. Это обстоятельство, а также необходимость размещения в студии передвигающихся передающих камер и микрофонов, осветительной аппаратуры и др., требуют больших площадей (до несколько сот квадратных метров) и высот (до 10 ¸ 12 м).

Для таких студий нельзя говорить о каком-либо оптимуме реверберации по следующим причинам:

1. От постановки к постановке меняется количество и характер объемных декораций, что ведет к изменению общего фонда поглощения.
2. При изменении плана кадра должны изменяться и те характеристики звучания, которые зависят от расстояния между источником звука и слушателем (например, акустическое отношение и эквивалентная реверберация).
Поэтому реверберационные характеристики телевизионных студий изменяют с помощью систем искусственной реверберации. Естественно, что системы искусственной реверберации способны создавать только эффект увеличения времени реверберации. Для обеспечения достаточного диапазона регулировки необходимо, чтобы время реверберации самой студии было невелико — 0,7 ¸ 0,8 с. Высокая степень заглушения телевизионных студий желательна еще и с точки зрения увеличения соотношения сигнал/шум. Дело в том, что в целях исключения попадания в кадр микрофонов их устанавливают сравнительно далеко от источника звука (1,5 ¸ 4 м), что приводит к уменьшению уровня полезного сигнала на выходе микрофонов. Уровень же шума, связанный с нахождением в студии технического персонала, с передвижением передающих камер, осветительных приборов, работой мощной системы вентиляции и др. достаточно велик. Заглушение студии ведет к существенному снижению уровня шума, что улучшает соотношение сигнал/шум. По этой же причине к звукоизоляции телевизионных студий предъявляются очень высокие требования.

Для акустической обработки внутренних поверхностей таких студий приходится применять поглощающие материалы с большим коэффициентом поглощения в широком диапазоне частот. Если учесть, что значительная часть (до 30 ¸ 40%) внутренней поверхности студии занята электротехническим, осветительным и вентиляционным оборудованием и не может быть обработана, то получить указанное выше время реверберации довольно трудно. Поэтому, для телевизионных студий часто ограничиваются практически достижимым минимальным временем реверберации равным 0,8 ¸ 1,0 с.

При проектировании телевизионных студий следует учитывать поглощение, которое вносят декорации. Измерения показывают, что это поглощение Aд достаточно однозначно определяется площадью пола S_д, занятого декорацией. Зависимость среднего коэффициента звукопоглощения от частоты (рис.7.19) показывает, что влияние больших декораций на общее поглощение студий может быть заметным.

Учитывая, что драматические постановки имеют музыкальное сопровождение, следует стремиться к частотной независимости времени реверберации.
Таким образом, для создания хороших акустических условий в телевизионных студиях, предназначенных для драматических постановок, необходимо добиваться выполнения следующих требований:
1. Время реверберации должно быть малым и вне зависимости от объема не превышающим 0,8 ¸ 1,0 с.
2. Заглушение помещений должно осуществляться с помощью эффективных звукопоглощающих материалов со средним коэффициентом поглощения 0,7 ¸0,8 при возможно полном использовании стен и потолка.

3. Частотная характеристика времени реверберации должна быть близка к линейной.
4. Звукоизоляция этих помещений должна быть достаточно высокой.
5. Если по характеру постановки необходимо большое время реверберации этого следует добиваться электроакустическими устройствами, позволяющими получить искусственную реверберацию.

Рис.7.19. Частотная характеристика среднего коэффициента звукопоглощения декораций

Первоисточник http://rrt.neic.nsk.su