Теория проектирования студий звукозаписи часть 2

Время реверберации: проблемы измерений

Мы рассмотрели вопросы возникновения и распространения звуковых волн, их взаимодействие со своими отражениями от поверхностей помещений и изменение характера такого взаимодействия при изменении геометрической конфигурации помещения, а также особенности взаимодействия отраженных волн в зависимости от частотного диапазона. Но все эти процессы осуществляются и развиваются во времени. Что же именно происходит, например, при широкополосном импульсном возбуждении акустически неподготовленного помещения?
Спустя какое-то время после импульсного возбуждения в точку возбуждения возвращаются первые отражения от самых близлежащих поверхностей, так называемые ранние отражения. Затем приходят отражения от других поверхностей, а также отражения, которые успели отразиться под разными углами от нескольких поверхностей. На одних частотах эти отражения угасают быстро, а на частотах, совпадающих с резонансными частотами помещения, они как бы зависают и угасают гораздо медленнее (рис. 17). Вслед за ранними отражениями пойдут мириады отражений, которые вскоре сольются в то, что мы обычно называем реверберацией. Через какой-то период эти отражения затухают полностью. Если это время достаточно большое, то в возникшей сумятице совершенно невозможно расслышать какие-либо нюансы музыкального исполнения. Разница между акустически обработанным и необработанным помещением слышна, как говорится, «невооруженным ухом».

Рис. 17. Характеристика затухания (реверберация)
а) нежелательное неровное затухание.
Кривая этого типа будет привносить в запись не нужную окраску;
б )плавное желательное затухание, при котором окраски звучания не наблюдается;
в) этот график типичен для малых комнат с меньшей энергией на низких частотах.

В этой связи очень интересно наблюдать за поведением рабочих, строящих студию. На наших стройках радиоприемник является таким же неотъемлемым атрибутом, как молоток и плоскогубцы. Звучание его в помещении в первые дни стройки просто ужасно: сплошной гул и бубнение, ничего не разобрать. Но уже через несколько дней рабочие слышат изменения в звучании своего радиоприемника. Большинство из них по окончании строительства признавались, что их удивило и потрясло звучание радиоприемника в законченной комнате. Другими словами, разницу отчетливо слышали люди, в силу своей профессии к работе со звуком никакого отношения не имеющие. Предполагаю, что в первую очередь они реагировали именно на изменение времени реверберации помещения.
За время реверберации (обозначается как RT60) принято считать время, в течение которого звук затухает на 60 дБ от своего первоначального уровня. Например, если звучание оркестра в концертном зале может достигать уровня в 100 дБ при уровне фонового шума где-то около 40 дБ, то финальные аккорды оркестра при затухании растворятся в шуме при падении их уровня примерно на 60 дБ, т.е. 60 дБ — это затухание звука до одной миллионной части от его первоначальной мощности.
Мы не будем сейчас рассматривать графики времени реверберации различных помещений. В действительности «голые» характеристики мало что нам говорят о воспринимаемых акустических особенностях помещений, а неправильная интерпретация их в «очумелых ручках» может даже нанести вред.
Понятие о типичной величине RT60 проиллюстрировано на рис. 18. На двух графиках представлены временные характеристики реверберации двух концертных залов, а время реверберации показано в зависимости от частоты. Данные графики дают неплохое представление о «частотных характеристиках» этих залов. Звучание в зале, характеристика которого изображена на рис. 18, а, субъективно будет восприниматься как более теплое и насыщенное. В то же время оно является менее отчетливым, чем звучание в зале, характеристика которого изображена на рис. 18, б, поскольку в первом случае время реверберации на низких частотах гораздо больше, а это не только делает бас более сочным, но и маскирует многие негромкие одиночные высокочастотные нюансы. К сожалению, такие графики говорят нам только о том, что происходит на уровне -60 дБ, но ничего не говорят о том, что же происходит в течение самого процесса затухания. И в зависимости от того, каким образом затухает реверберация, может случиться, что наши представления о субъективном качестве звука могут оказаться ошибочными.

Рис.18. Время реверберации в двух концертных залах

Существует много методик измерения реверберации, ее «поведения». Свои методики в разные времена разрабатывали ведущие ученые-акустики мира: Бера-нек (Beranek), Шупьц (Schulz), Шредер (Schroeder), Сэ-бин (Sabine), Эйринг (Eyring) и многие другие.
Например, метод построения функций зависимости энергии реверберации от времени. Одним из вариантов такой методики является график Шредера (Schroeder). На рис, 19, а показан график затухания (по Шредеру), который характерен для хорошей реверберационной камеры. Однако в студиях всегда присутствуют звукопоглощение, рассеивание и целый ряд отражений, которые сообща вносят существенные коррективы в реальную картину затухания, делая ее кривую куда менее плавной (см, рис. 17, а).
На рис. 19, б приведены графики, характерные для типичных студийных помещений, а на рис. 20 — ряд реальных реверберационных характеристик разных помещений, которые имеют одинаковое значение RT60 и которые могли бы давать очень схожие графики, если бы замеры производились по такой же методике, как и на рис. 18. Из рис. 20 видно, что помещение, характеристика которого на диаграмме обозначена сплошной кривой линией, имеет гораздо меньше реверберационной энергии, чем остальные. У помещения с такой характеристикой более быстрое изначальное затухание, и оно будет меньше маскировать нюансы среднего уровня громкости в тех звуках, которые появляются во второй половине секунды после возбуждения громкого звука. А вот остальные помещения, характеристики которых имеют вид пунктирных линий, будут обладать более насыщенным звучанием. Таким образом, очень часто именно характеристика изначального времени затухания (например, время затухания на 10 дБ) больше говорит нам об акустике помещения, чем значение RT60 этого же помещения.

Рис. 19. Графики Шредера:
а) в помещении с идеальной реверберацией график Шредера дал бы прямую линию зату хания, В описываемом же случае RТ60 чуть-чуть превышает 2,5 с;
б) этот график Шредера для экспериментальной комнаты показывает то, как установка для средств акустического контроля позволя-ет уменьшить энергию из начального отрезка кривой затухания, «очищая» комнату без значительного снижения времени затухания на уровне -50 dB.

Рис.20. Три разные характеристики затухания с номинально одинаковыми значениями RT60 составляющими 2 с. Видно, что кривая №3 содержит в целом наибольшее количество энергии, поэтому, если бы эти кривые представляли собой комнаты, комната №3 звучала бы громче всех, а комната №1 давала бы более отчетливое восприятие нюансов.

Как можно заметить, измерение реверберации и оценка изначальных акустических свойств помещения — очень непростое депо. Существуют и другие более сложные методики измерений, которые здесь не рассматриваются. Но в принципе, можно сделать вывод о том, что если помещение не имеет серьезных проблем, связанных с яркими проявлениями резонансов в реверберационных хвостах, то график Шредера наиболее подходит для оценки времени реверберации, при этом основным интересующим нас моментом является скорость затухания энергии в помещении.

Развитие компьютерной техники привело к тому, что стало возможным объединение и отражение традиционных графиков RT6Q совместно с так называемыми графиками ETC. Такие графики очень удобны для анализа, так как дают вид в перспективе по трем осям (рис. 21): оси представляет собой соответственно амплитуду звука, время и частоту.
В любом случае надо помнить, никакие графики не позволят дать точную оценку акустическим свойствам помещения, потому что информация для любых графиков «снимается» с измерительных микрофонов, которые далеко не так чувствительны, как наш слуховой аппарат. Есть и другие отличия. Например, в процессе эволюции чувствительность нашего слухового аппарата к вертикальным отражениям стала ниже, чем к горизонтальным. В то же время у измерительного микрофона с круговой направленностью она во всех направлениях одинакова. Поэтому не исключено, что какое-то кажущееся безобидным в процессе измерений отражение в реальности может резать нам слух и быть назойливым. В то же время более громкое отражение, распространяющееся по вертикали, на слух может игнорироваться. Из сказанного можно сделать вывод, что никакие графики не должны быть единственным источником информации для принятия решения по акустическому проектированию. Если мы хотим узнать еще до строительства комнаты, как она зазвучит, то простое построение графиков каких-то заранее заданных характеристик мало что даст. Следует воспользоваться еще и другими методами.
Естественный вопрос: что нам с этим делать и как реализовать все это на практике?

Рис.21. Пример графика ЕТС

Ответ в каждом конкретном случае зависит от опыта и даже от интуиции проектировщика вашей студии, а также от требований к вашим студийным помещениям, а они зачастую сильно отличаются. Да и одного и того же результата можно добиться разными методами и технологиями и потратить при этом разное количество денег. В последующих статьях мы рассмотрим требования к комнатам с нейтральной, переменной, «живой» акустикой (например, каменным), а также, естественно, к контрольным комнатам.

Методы измерения реверберации

Существует два общепринятых метода, применяемых для создания реверберации: отражений и рассеивания. В последние годы такие компании, как RPG из США, создали широкий ассортимент акустических рассеивателей (диффузеров), способных «работать» в широком частотном спектре. Они построены по принципу матрицы, в которой чередуются объемные ячеистые резонаторы разной глубины (рис. 22, III и IV). Порядок расположения ячеек и их глубина определяются в строгом соответствии с определенными рядами чисел. Рассеиватели изготавливаются, как правило, из дерева, бетона и пластмассы. Действие объемных резонаторов заключается в том, чтобы вызвать крайне хаотичное отражение звуковой энергии, при котором исключено заметное проявление каких бы то ни было отдельных отражений. Такое рассеивание создает чрезвычайно сглаженную реверберацию, что позволяет подстроить общее время реверберации так, чтобы оно соответствовало отношению диффузных поверхностей к звукопоглощающим, хотя для относительно равномерного распределения реверберации в помещении необходимо, чтобы и распределение рассеивающих поверхностей было относительно равномерным. Для рассеивания подойдут любые поверхности, кроме, естественно, пола, дверей и окон.
Казалось бы, что все просто: бери и добавляй диффузеры до тех пор, пока не получишь желаемого времени реверберации (поворотные панели с подобными рассеивателями, изображенные на рис. 22, применяются в помещениях с переменной акустикой). Но в таком случае помещение может проиграть в плане своей «музыкальности», потому что ему не будет хватать все-таки дискретных отражений, к которым мы все так привыкли. К счастью, добиться их достаточно легко с помощью отражающих панелей или поверхностей тех же поворотных панелей, изображенных на рис. 22.

Рис.22. Детальный чертеж вращающихся панелей (вид с торца) — четыре варианта. Подобные поворотные устройства могут обеспечить отражающие, рассеивающие (диффузные) или поглощающие свойства как в целом, так и частично (при их установке в промежуточное положение). Их можно применять для стен и потолков.

Таким образом, при создании в помещении определенной реверберации необходимо использовать в той или иной мере оба метода: и рассеивание, и отражение. Следует отметить, что эти методы применимы только к сравнительно большим помещениям. В маленьких, наподобие дикторской кабины, они не работают, так как в таких помещениях явления диффузии и дифракции очень незначительны. Кстати, обсуждая акустические особенности таких маленьких помещений, уместнее будет говорить даже не о времени реверберации, а скорее, о времени затухания.
Подавляющее большинство тон-залов в студиях нашей страны смело можно отнести к категории небольших помещений. Основная задача при их проектировании обычно заключается в том, чтобы создать в них акустику, способствующую звучанию музыкальных инструментов, но в то же время не «заявляющую» о себе в виде резонансных всплесков на собственных частотах помещения. Другими словами, нужно добиваться, чтобы помещение было одинаково настроено на все ноты, а также чтобы ноты на частотах, совпадающих с резонансами помещения, не выделялись. Это помещение должно обладать такой звуковой пространственностью, при которой самые разные музыканты чувствовали бы себя комфортно: как лично, так и в плане звучания своих инструментов. Акустические характеристики такого помещения должны позволять звукоинженерам рассаживать музыкантов и устанавливать микрофоны практически везде, где им это заблагорассудится. Подобными акустическими свойствами обладают комнаты с нейтральной акустикой (так называемые нейтральные комнаты), о которых будет рассказано в следующей статье.

Заключение

В рамках этой статьи мы вскрыли достаточно много проблем, которым посвящено великое множество книг. В то же время мы попытались сделать это простым и понятным языком, без обилия сложных формул и специальной терминологии для того, чтобы ознакомить с этим материалом как можно больше читателей. И если владельцы студий, в которых стены оклеены упаковками из-под куриных яиц («для хорошей акустики» © ), поймут бессмысленность своей затеи, это тоже можно воспринимать как положительный результат.
Но как бы мы не старались обойти специальную терминологию, знакомиться с ней постепенно все-таки придется. Например, в этой статье была такая фраза: «Эта зона может простираться от инфранизких частот до нижних средних частот». Немного непривычно звучит «нижних средних частот», не правда ли? Дело в том, что весь звуковой диапазон условно разделен на несколько более узких диапазонов, имеющих свои названия. Вот они:

В этой и последующих статьях мы также часто будем оперировать таким понятием, как децибел.
Что такое децибел и уровень звукового давления (SPL)? Наш слуховой аппарат способен к восприятию огромного динамического диапазона. Изменения в давлении воздуха, вызываемые самыми тихими из воспринимаемых на слух звуков, составляют порядка 20 мкПа (20 микропаскалей), т.е. 0,00002 Па. В то же время звуковое давление с уровнем, приближающимся к порогу болевых ощущений для наших ушей, составляет порядка 20 Па. В итоге, соотношение между самыми тихими и самыми громкими звуками, которые может воспринимать наш слуховой аппарат,- один к миллиону. Если же говорить, например, об уровне звукового давления реактивных двигателей самолетов, то это соотношение почти один к миллиарду! Измерять такие разные по уровню сигналы в линейной шкале достаточно неудобно, а кроме того — не наглядно. С целью сжатия такого широкого динамического диапазона до удобоваримых чисел было введено понятие «бел» (bel). Бел — это простой логарифм отношения двух степеней; а децибел равен одной десятой бела.

Чтобы выразить акустическое давление в децибелах, необходимо возвести давление (в паскалях) в квадрат и разделить его на квадрат эталонного давления. Для удобства возведение в квадрат двух давлений выполняется вне логарифма (что является удобным свойством логарифмов).
Для преобразования акустического давления в децибелы существует такая формула:

децибелы = 10 x !og10 = {р2/р02} = 20 x log10 = {р/р0},
где p — интересующее нас акустическое давление;
p0- исходное давление.

Когда в качестве эталонного давления берется 20 мкПа, то звуковое давление, выраженное в децибелах, называется уровнем звукового давления (SPL — от англ. sound pressure level). Таким образом, звуковое давление, равное 3 Па, э квивалентно уровню звукового давления 103,5 дБ, следовательно:

SPL = 20 x log10 (3/20 x10-6 )= 103,5 дБ.
Вышеупомянутый акустический динамический диапазон можно выразить в децибелах в виде следующих уровней звукового давления: от 0 дБ — для самых тихих звуков, 120 дБ — для звуков на уровне болевого порога, до 180 дБ -для самых громких звуков.
Децибелами можно также пользоваться и для выражения электрических величин, таких как напряжение и сила тока, и в этом случае эталонное значение зависит от данного конкретного случая (и должно быть непременно указано).
При рассмотрении величин, у которых есть единицы мощности,- таких как мощность звука или электрическая мощность,- необязательно возводить эти величины в квадрат внутри логарифма, а поэтому отношение двух мощностей, W1, и W2, выраженное в децибелах, составляет:

10 x log10(W1\W2)

Александр Кравченко

По материалам Журнала Install-Pro №4 2003 г.