Музыкальная акустика помещений

Рис. Гистограмма распределения уровней звукового давления в хоре

Рис. Зависимость разницы в уровнях от расстояния между исполнителями

Соотношения уровней звукового давления собственного голоса и окружающих голосов: для определения распределения уровней звукового давления (SPL) внутри хора были проведены измерения в различных секциях хора во время репетиций. Результаты измерений представлены в виде гистограммы, которая показывает процент распределения по времени уровней звукового давления. Из этих данных видно, что наибольшее время (более 20%) уровень звукового давления внутри хора составляет 80 дБ. Примерно 10% времени занимают звуки с уровнем более 90 дБ и меньше 70 дБ. Наконец, уровни более 100 дБ и менее 60 дБ составляют примерно 7%. Таким образом, большую часть времени исполнитель слышит голоса других певцов на уровне 80 дБ и выше. При этом максимальные спектральные уровни находятся в частотной области 500-700 Гц.

Поскольку для нормальной настройки исполнитель должен уверенно слышать собственный голос и голоса других певцов, то при неправильно выбранном соотношении уровней собственный голос будет маскировать другие голоса в достаточно широкой полосе частот -- либо, наоборот, другие голоса будут заглушать собственный голос.

Разность в допустимых уровнях между собственным голосом и голосами других певцов зависит от расстояния между ними и уровня реверберации в помещении.

На рис. показано, как меняется эта разница в уровнях SPL для разного расстояния между исполнителями (от 400 до 1500 мм) и для разного времени реверберации (от 0,5 до 10 с).

Естественно, что при увеличении расстояния между певцами слышимость своего голоса становится лучше, поэтому опросы участников хора показали, что они предпочитают более широкую расстановку в хоре при пении (интересно отметить, что более широкую расстановку предпочитают опытные певцы; менее опытные лучше чувствуют себя при более плотной расстановке хора).

Время реверберации также играет существенную роль, поскольку уровень отраженной энергии в сильно реверберирующем помещении существенно выше, и слышимость собственного голоса изменяется. В реверберационном процессе любого помещения можно выделить две стадии (см. гл. 5): ранние дискретные отражения, которые поступают к слушателю в первые 80 мс, и поздние сплошные отражения, спад которых на уровень 60 дБ определяет время стандартной реверберации. В специальной заглушенной камере имитировались обе стадии реверберационного процесса, при этом выяснялось путем анкетирования, при каких параметрах реверберации певцам удавалось легче петь в хоре (в смысле точности настройки, сохранения тембральной однородности и пр.). Оказалось, что при сильных ранних отражениях во временном интервале 15-35 мс (что соответствует расстоянию до ближайшей отражающей поверхности примерно 6,5-7 м) их влияние было определяющим, т. е. чем выше уровень этих отражений, тем легче петь в хоре. Существенную роль играет направление прихода первых отражений; в частности, боковые ранние отражения оказываются более значимыми, чем вертикальные. Если расстояние до ближайшей отражающей поверхности превышало 7 м, то решающими факторами становились уровень и время второго этапа процесса реверберации.

Эти результаты объясняют, почему позиция хора в помещении имеет такое большое значение. Значительно легче производить настройку хора в помещениях, где имеется достаточное количество отражающих поверхностей, -- тогда слышимость собственного голоса повышается. Из этого следует, что настройка и исполнение хора в разных помещениях происходит по-разному. Например, было отмечено, что в сильно заглушенных помещениях певцы используют даже несколько другую систему артикуляции -- с более высоким положением гортани.

Для количественной оценки необходимой разницы в уровнях между собственным голосом и голосами других исполнителей был поставлен эксперимент, когда «опорный» уровень, т. е. суммарный уровень звукового давления от других певцов (звук подавался на стереотелефоны), менялся от 60 до 100 дБ, а певец должен был петь на постоянном уровне 90 дБ, который при этом контролировался микрофоном. Певца просили спеть определенный интервал к опорному тону или точно повторить опорный тон. Эксперименты были проведены на большом количестве хоровых исполнителей.

Результаты позволили количественно оценить влияние разницы в уровнях звукового давления между собственным голосом и голосами соседей: когда опорный уровень составлял примерно 8090 дБ, т. е. был равен уровню голоса певца, ошибки в настройке были минимальными и составляли 5-8 центов. Когда опорный уровень был выше 90 дБ, певцы переставали слышать собственный голос, ошибки возрастали до 20-25 центов; наоборот, когда опорный уровень становился меньше 65 дБ, т. е. собственный голос исполнителя заглушал голоса соседей, ошибка снова возрастала и составляла больше 20 центов. Из этих экспериментов следует очень важный вывод: для слаженного пения певцы должны слышать голоса своих соседей примерно на том же уровне, на котором они поют сами.

Исследования показали, что допустимые различия между уровнем собственного голоса и уровнем голосов соседей не должны превышать +6 дБ (обычно это выполняется для певцов в центре хора от +1 до + 4 дБ). На краю хора разница повышается до +8 дБ и выше; следовательно, в центре хора точность настройки выше. Поэтому расстановка певцов в хоре, акустические характеристики помещения, в том числе структура и расположение отражающих поверхностей в зале, а также отработанная техника пения имеют решающее значение в слаженности звучания хора и точности интонировки.

Следующим важнейшим фактором, определяющим точность настройки при хоровом пении, являются спектральные характеристики окружающих голосов и собственного голоса.

При пении в хоре исполнитель должен все время ориентироваться на информацию, которую он получает от окружающих голосов. Для того чтобы выяснить, какие именно факторы являются наиболее значимыми для точности настройки в спектральных характеристиках (а следовательно, и в тембре) окружающих голосов и собственного голоса, были проведены эксперименты, которые показали, что к числу этих факторов можно отнести: наличие «общих» обертонов, присутствие высоких обертонов и отсутствие вибрато.

Рис. Ошибки в настройке хора в зависимости от разницы в уровнях звукового давления

Под «общими» обертонами понимается следующее: если одному певцу предложить взять опорный тон, например ноту ля первой октавы (частота 440 Гц), а другому взять второй тон, настроенный в квинту по отношению к первому (т. е. соотношение частот составит 3 : 2), то второй тон имеет частоту 660 Гц, а спектры обоих звуков находятся в отношениях, показанных на рис., из которого видно, что каждый третий обертон в этих спектрах совпадает. Такие обертоны называются «общими». Если интервал взят неточно, то между этими обертонами возникают «биения» (если разница частот между ними меньше 15 Гц), эти биения служат признаком неточности настройки интервалов для исполнителей. Поскольку низкие обертоны в окружающих голосах могут маскироваться собственным голосом (в связи со спецификой его восприятия), то очень важным является присутствие высоких обертонов в звуках окружающих голосов (настройка тогда происходит по общим обертонам в высокочастотной части спектра).

Наконец, в отличие от сольного пения, где использование вибрато (частотной модуляции) помогает выделению голоса на фоне аккомпанемента и других голосов, при пении в хоре оно крайне нежелательно, т. к. его использование уменьшает вероятность возникновения биений между обертонами и поэтому уменьшает точность настройки в унисон или точность настройки интервалов.

Для количественной оценки влияния этих факторов были поставлены эксперименты, когда в заглушенной камере через громкоговорители подавался опорный тон, в котором можно было варьировать частоту и амплитуду обертонов. Исполнителя просили спеть относительно опорного тона второй тон в квинту или мажорную терцию. Оказалось, что отсутствие общих и высших обертонов, введение вибрато и т. д. значительно ухудшали точность настройки -- от 15 центов для оптимального случая до 40 центов для наихудшего сочетания параметров. Одним из способов облегчить настройку хора является выбор такой гласной, у которой форманты совпадают с общими обертонами. Например, если надо настроить кварту с отношением тонов 300 Гц и 400 Гц, то общий обертон у них будет 1200 Гц, -- это практически совпадает со второй формантой гласной а; если использовать эту гласную для настройки, то общий обертон существенно усиливается, и настройка значительно облегчается.

Рис. «Общие» обертоны при настройке интервалов

При пении в хоре происходит некоторая подстройка положения формант. Поскольку они имеют индивидуальный разброс, по-видимому, лучше всего звучат те хоры, где форманты исполнителей близки друг к другу.

Таким образом, различные спектральные характеристики голосов и фонем, выбранных для настройки, существенно влияют на способность певцов петь в унисон друг с другом.

Исследования тембральных различий при пении в хоре и соло проводились на протяжении ряда лет различными исследователями . Были поставлены эксперименты, когда профессиональных певцов, хорошо владеющих техникой пения, записали при пении соло и в хоре. Оказалось, что спектральный состав их голосов отличался (рис. 4.6.55): при пении соло была сильно подчеркнута высокая певческая форманта и общий уровень верхних обертонов был выше, при пении в хоре певческая форманта была ниже по уровню, при этом уровень низших обертонов был поднят. При пении соло певцы активно использовали вибрато в среднем с частотой 5-7 Гц, при пении в хоре вибрато практически не применялось. Общий уровень громкости в сольном пении выше.

В хоровом пении исполнитель подстраивает уровень громкости своего голоса под уровень других голосов. При этом голос звучит не только тише, но и «мягче», т. к. в нем заглушены верхние обертоны. При пении соло и в хоре исполнитель решает разные задачи: в первом случае ему необходимо выделить свой голос из других голосов, из аккомпанемента и т. д. и привлечь к нему внимание, для этого используются всевозможные приемы: высокая певческая форманта, вибрато, различные средства эмоциональной выразительности и т. д.; при пении в хоре необходимо добиться максимального слияния голосов, поэтому и по тембру и по уровню громкости исполнитель должен добиться нивелирования своего голоса среди других. Такие отличия в тембре голоса при пении в хоре и соло требуют некоторых различий в постановке голоса.

Таким образом, на качество хорового пения, в первую очередь на точность настройки, влияют такие факторы как: разность в уровнях громкости своего голоса и голоса других исполнителей; стабильность фонационной частоты; наличие общих обертонов при настройке обертонов и степень близости к ним формантных частот; спектральный состав настраиваемых звуков и др. Все это зависит от техники звукоизвлечения, а также от окружающей обстановки, прежде всего таких акустических параметров помещения, как время реверберации, структура и уровень ранних отражений и др. Поэтому при выступлении или записи хора требуется решение целого ряда акустических проблем: правильное размещение хора в помещении, выбор оптимального времени реверберации, наличие боковых отражающих поверхностей на определенном расстоянии (не более 7 м), расстановка певцов на оптимальном расстоянии внутри хора и т. д.

Рис. Спектральные различия при сольном и хоровом пении

6.Акустика помещений

Как уже было отмечено ранее, одной из главных задач музыкальной акустики является изучение законов распространения звуков, так же как и законов их создания и восприятия. В сферу интересов музыкальной акустики входят музыкальные и речевые сигналы, распространяющиеся в основном в закрытых помещениях (концертных залах, залах оперных и драматических театров, речевых аудиториях, студиях и т. д.), хотя и в условиях открытых пространств также исполняются музыкальные произведения (на открытых эстрадах, стадионах и др.). Проблемами распространения звука в закрытых и открытых пространствах занимается архитектурная акустика; однако основные сведения об акустике концертных, театральных залов, студий и др. являются также необходимым элементом изучения музыкальной акустики, поскольку нельзя не учитывать огромное влияние, которое оказывает окружающее пространство на исполнение и восприятие музыкальных и вокальных произведений.

В данной главе даются краткие сведения о процессах формирования звукового поля в различных помещениях и методах их анализа, об установлении связи между объективными параметрами звукового поля и субъективными критериями оценки различных помещений; об акустических характеристиках концертных и театральных залов, студий и контрольных комнат; залов многоцелевого назначения с системами озвучивания и звукоусиления; а также о современных методах компьютерного моделирования акустики помещений (методах аурализации).

АКУСТИКА ЗАЛОВ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ. СИСТЕМЫ ОЗВУЧИВАНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ

На протяжении столетий в концертных залах, театрах, лекционных залах, церквах и др. звучали только естественные источники -- голос оратора и певца, игра музыкантов и т. д. Определяющую роль для передачи звука при этом имела «естественная» акустика зала, зависящая от его формы, размеров, размещения звукопо-глотителей и др.

В XX веке, с одной стороны, появились новые технические возможности в связи с изобретением и развитием звукоусилительной аппаратуры, с другой стороны, стремление вместить как можно больше слушателей привело к строительству киноконцертных залов очень больших размеров; при этом урбанизм в архитектуре привел к изменению конфигурации залов -- они приобрели более вытянутые формы с низкими потолками. Изменились вкусы и стили музыки: слушатели, особенно молодые, привыкли слушать музыку на очень высоких уровнях громкости (дискотеки, клубы, концертные залы для шоу и др.). Расширилось строительство спортивных сооружений на сотни тысяч зрителей, где оказалась необходимой трансляция концертов при высоких уровнях шумов. Появилась необходимость проведения конгрессов, конференций и др. с переводом на различные языки.Все это вызвало существенные изменения в требованиях к акустическим параметрам современных больших залов многоцелевого назначения и привело к широкому использованию в них систем озвучивания и звукоусиления.

Системой озвучивания называется комплекс электроакустических устройств, состоящий из излучателей, микрофонов, усилителей, различных корректоров и др., установленных специальным образом в залах, стадионах и др. и предназначенных для воспроизведения звуковых сигналов (музыки и речи) с достаточным уровнем громкости для всех слушателей, находящихся в данном помещении (открытом и закрытом) [21]. Необходимость в системах озвучивания возникает тогда, когда мощность естественных источников оказывается недостаточной для обеспечения хорошей слышимости во всей зоне расположения слушателей. Слышимость может быть плохой из-за высокого уровня шумов, значительных расстояний до слушателей, неблагоприятных акустических условий в зале и т. д.

Из используемых в настоящее время систем озвучивания можно выделить несколько основных типов:

-- системы озвучивания для помещений (открытых и закрытых), где звук воспринимается только через звуковоспроизводящий тракт. Звук, записанный ранее на магнитофонную ленту, компактдиск или другой источник, воспроизводится только в данном помещении, например, в кинозалах, помещениях вокзалов и др. В таких помещениях находится только аппаратура для воспроизведения (например, рупорные громкоговорители, звуковые колонки и др);



Рис. Системы звукоусиления: а -- сосредоточенная, б -- распределенная

-- системы озвучивания для залов, где слушатель воспринимает «естественный» звук со сцены и звук через систему озвучивания (концертные залы, лекционные залы и др.). В этом случае в одном помещении находятся источники звука (певец, оратор, музыкант), а также микрофон, система усиления и коррекции звука и система воспроизведения. Такая система озвучивания называется обычно системой звукоусиления. Отличительная особенность систем звукоусиления заключается в том, что в них микрофон находится в звуковом поле излучателей, а это может привести к появлению «обратной связи», т. е. неустойчивости (переходу к режиму автогенерации) работы системы. Последнее накладывает особые требования на принципы ее проектирования (обратная связь характеризуется появлением «воющего» звука);

-- системы озвучивания или звукоусиления, которые дополнительно выполняют функции создания пространственного звукового образа или формирования реверберационного процесса (например, амбиофонические системы и др.).

Как уже было отмечено, системы озвучивания и звукоусиления применяются в тех случаях, когда уровень громкости для обеспечения нормальной слышимости и разборчивости слишком мал из-за большого расстояния или большого уровня шумов.

Например, оратор развивает на расстоянии 1 м уровень 80 дБ, на расстоянии 32 м этот уровень будет равен 50 дБ (поскольку при каждом удвоении расстояния уровень звукового давления уменьшается на 6 дБ); если уровень шумов в зале 40-45 дБ, то практически речь будет слышна плохо и неразборчиво, поэтому и необходима система звукоусиления.

Основные требования, которые предъявляются к системам озвучивания и звукоусиления, можно определить следующим образом: однородное распределение звука при необходимой громкости на всей площади зрительских мест; правильная локализация и совмещение зрительского и слухового образа; формирование необходимых ощущений пространственности; правильный баланс громкостей на всех слушательских местах; высокое качество звучания, т. е. сохранение тембральной окраски, разборчивости и др.; отсутствие возбуждения системы (устойчивость); отсутствие эха и других помех и т. д.

В то же время применение систем озвучивания и звукоусиления открывает новые возможности для управления параметрами звукового поля в помещениях -- в частности, позволяет обеспечить: управление динамическим диапазоном; изменение распределения уровней громкости источников на зрительских местах; формирование различных звуковых эффектов; управление акустическими характеристиками помещения (например, адаптивное подавление отражений и др.); компьютерное управление параметрами системы звукоусиления в зависимости от характера звучания и условий в помещении (например, система Media-Matrix) и т. д.

В настоящее время применяется огромное множество систем озвучивания и звукоусиления. Они отличаются способами построения, функциональными возможностями, используемой аппаратурой и др. Пример построения системы звукоусиления Большого Кремлевского дворца показан на рис. Система включает в себя: первичный акустический тракт -- от источника звука до микрофона; аппаратную часть -- от выхода микрофона до излучателей (звуковых колонок, рупорных громкоговорителей и др.); вторичный акустический тракт -- от выхода излучателей до слушателя.



Рис. Структурная схема системы звукоусиления Большого Кремлевского дворца

Под неравномерностью звукового поля, создаваемого системами озвучивания и звукоусиления в помещениях, понимается разница в уровнях звукового давления в разных точках озвучиваемой поверхности при подведении к системе постоянного уровня мощности. Одинаковый уровень звукового давления в различных точках помещения обеспечить практически невозможно, т. к. имеет место неравномерная структура звукового поля из-за резонансов помещения, из-за взаимодействия излучателей друг с другом, из-за неравномерности АЧХ отдельных громкоговорителей и т. д. Общая неравномерность для всех точек в помещении не должна превышать 6-8 дБ. Средний уровень звукового давления во всех точках озвучиваемой поверхности должен быть такой же, как в оптимальной зоне прослушивания (для концертных залов это примерно в 10-12-м ряду), что необходимо для обеспечения «натуральности» звучания;

-- акустические характеристики излучателей (звуковых колонок, рупорных громкоговорителей, потолочных излучателей и пр.): эффективно воспроизводимый диапазон частот, неравномерность, чувствительность, характеристика направленности, коэфициент нелинейных искажений и др. Именно они в значительной степени определяют общие характеристики тракта звукоусиления.

Подробнее с ними можно ознакомиться в работах;

-- слитность звучания, т. е. отсутствие заметного на слух эха. Под эхом понимается отраженный запаздывающий сигнал достаточно большого уровня, который осознанно воспринимается как повторение сигнала. Заметность эха зависит от времени запаздывания, от интенсивности отраженного сигнала,от спектральной структуры сигнала и т. д. В работе [30] был предложен количественный критерий заметности в зависимости от разницы по интенсивности с прямым сигналом и от времени задержки. Критическим интервалом заметности эха считается время запаздывания более 80 мс, однако появление запаздывающих отражений больших уровней с меньшим временем запаздывания также может сказаться на разборчивости речи и тембральной окраске музыки. Особую опасность при построении систем озвучивания представляет возникновение порхающего эха (флаттер-эха), что вызывает сильное тональное окрашивание звука (при этом возникает эффект гребенчатого фильтра, приводящий к появлению пиков -- провалов на АЧХ в различных точках помещения);

-- уровень акустических шумов в различных помещениях с системами звукоусиления определяется по международным стандартам в соотвествии с кривыми NC. Для концертно-театральных помещений этот уровень не должен превышать NC 30-35 дБ, что предъявляет достаточно жесткие требования к выбору аппаратуры и системам звукоизоляции зала;

-- разборчивость речи является одним из определяющих параметров в любой системе озвучивания и звукоусиления. Для ее определения существуют субъективные методы оценки и объективные критерии, которые были рассмотрены ранее. Для правильно спроектированной системы звукоусиления слоговая разборчивость должна быть в пределах 90-97%;

-- локализация источников звука, совмещение зрительного и слухового образа, тембральное окрашивание звучания и пр. -- это важнейшие характеристики систем озвучивания и звукоусиления, которые обязательно должны контролироваться с помощью субьективных экспертиз.

Подавляющее большинство систем озвучивания может быть разделено на три большие группы.

1. Сосредоточенные системы, в которых звук к слушателю приходит почти из одной точки. Это могут быть близко расположенные излучатели над сценой (например, одна или две звуковые колонки в аудитории) или несколько излучателей в центре зала (например, рупорные громкоговорители в виде люстры). Преимуществом сосредоточенных систем является возможность обеспечить совмещение «зрительного и слухового образа», недостатком -- трудность обеспечения малой неравномерности звукового поля на озвучиваемой проверхности.

2. Зональные системы состоят из ряда сосредоточенных излучателей, каждый из которых работает на свою зону. Такие системы могут быть линейными, например для озвучивания узких и длинных площадей и улиц, и пространственными, в которых вся площадь разбита на зоны. Излучатели, обычно расположенные в центре зоны, обеспечивают заданный уровень звукового давления только на своей площади. Преимуществом таких систем является возможность озвучивания больших площадей, недостатком -- большая неравномерность звукового поля, особенно в зонах перекрытия, и опасность возникновения эха.

3. Распределенные системы, в которых громкоговорители распределены таким образом,чтобы уровень поля в каждой точке определялся суммарным действием всех или большинства излучателей. Распределенные системы делятся на линейные (например, расположенные на боковой стенке) и поверхностные (на потолке, на стенках и др). Распределенные системы используются как в закрытых, так и в открытых помещениях.

Для систем озвучивания используется обычно специальная акустическая аппаратура, имеющая характеристики, существенно отличающиеся от домашних систем. К числу основных отличий можно отнести регулируемые характеристики направленности специальной формы, высокую чувствительность, повышенную надежность и устойчивость к климатико-механическим воздействиям. Наиболее распространенными видами излучателей являются: звуковые колонки, представляющие собой своего рода акустическую антенну из набора одинаковых громкоговорителей, что позволяет регулировать ширину характеристики направленности в вертикальной плоскости; специальные активные блоки (например, типа Acoustimass и др.); потолочные акустические системы; кресельные громкоговорители; рупорные громкоговорители различных конфигураций, имеющие более высокий КПД (до 10%) и возможность обеспечения заданной зависимости ширины характеристики направленности от частоты и др. Особую группу составляет концертно-театральная аппаратура, куда входят портальные системы, сценные мониторы, комбинированные мониторы и т. д.

Естественно, неотъемлемой частью систем озвучивания и звукоусиления является усилительная аппаратура,

Рис. Вид звуковой колонки микшерские пульты, различные процессоры обработки звука и микрофоны.

Поскольку слушатель, находящийся в зале, видит источник звука, то при любом построении системы должно иметь место совпадение зрительного и слухового образа. Таким образом, главными задачами при построении систем озвучивания являются обеспечение заданного уровня громкости во всех точках зрительного зала, обеспечение разборчивости речи и пения, правильная локализация слухового образа, сохранение тембра звучания и обеспечение отсутствия «обратной связи».

Можно уменьшить расстояние между источником звука (например, певцом, лектором и др.) и микрофоном, но при слишком близком расстоянии появляются дополнительные шумы и помехи, начинает существенно сказываться эффект подъема АЧХ у направленных микрофонов (эффект «близости») и т. д.;

-- увеличить расстояние между микрофоном и громкоговорителем, но при смещении громкоговорителя первые ряды могут оказаться в зоне недостаточного уровня звукового давления, поэтому необходимо пользоваться этим методом только при условии контроля распределения звукового давления в разных точках зала;

-- подобрать характеристики направленности громкоговорителей и микрофонов таким образом, чтобы звуковая волна от громкоговорителя приходила в направлении минимальной чувствительности микрофона;

-- внести дополнительное звукопоглощение, особенно в зоне вокруг микрофона: поскольку в закрытом помещении на микрофон действует не только прямой звук, но и отраженные звуки с различных направлений, то в малозаглушенных залах самовозбуждение системы звукоусиления может наступать при более низком уровне усиления.

В закрытых помещения опасность самовозбуждения системы звукоусиления наибольшая на резонансных частотах помещения, поскольку именно на них происходит максимальная передача энергии от громкоговорителя к микрофону, -- поэтому и существуют специальные методы и соответствующие приборы типа УПАОС для режекторной фильтрации наиболее опасных частот. В работах [16, 46] был предложен метод «транспонирования» частоты, т. е. небольшого сдвига опасных частот в системе звукоусиления, но поскольку при этом частоты звуковых сигналов, излученных громкоговорителем, будут несколько сдвинуты, то пользоваться им можно только при тщательном слуховом контроле.

В целом создание систем звукоусиления, обеспечивающих достаточный уровень громкости, хорошее качество звучания и отсутствие «возбуждения» за счет обратной связи, -- процесс, требующий достаточного опыта, использования современных методов расчетов и измерений.

Структура систем звукоусиления существенно зависит от их назначения: для систем перевода речи, конференц-систем, для озвучивания аудиторий, концертно-театральных залов и т. д. Пример системы звукоусиления для Большого Кремлевского дворца в Москве (на 6000 зрителей) показан на рис. В этом зале проблема с акустическими характеристиками была решена следующим образом: было выбрано время реверберации, оптимальное для речи, и соответственно размещены звукопоглощающие материалы, обеспечивающие высокий уровень поглощения. При исполнении музыки включалась амбиофоническая система, обеспечивающая дополнительную реверберацию [22, 57]. В некоторых случаях используются такие дорогостоящие методы, как уменьшение объема зала за счет передвижных перекрытий при переходе от одного вида программ к другим [40].

Необходимо отметить, что в залах, где применяется система звукоусиления, требования к структуре реверберационного процесса в помещении существенно видоизменяются. Поскольку любую точку зала можно обеспечить прямым звуком с высоким уровнем звукового давления за счет излучения от громкоговорителей, то нет необходимости добиваться высокого уровня первых отражений от фронтальной части зала (использовать навесные щиты, припортальные отражающие поверхности и т. д.), как в залах с естественной акустикой, -- скорее, наоборот, в зоне вокруг микрофона лучше обеспечить усиленное звукопоглощение. Однако акустические характеристики зала должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить необходимое время реверберации для разных видов музыки, иначе его придется добавлять электронным путем (допускается оптимальное время реверберации на 15-20% ниже указанного для залов без звукоусиления).

Например, для залов кинотеатров, где используются системы озвучивания, был предложен такой способ обеспечения оптимальных акустических характеристик: высокий уровень прямого звука создается для всех слушательских мест, ранние отражения уменьшаются по уровню за счет размещения поглотителей в приэкранной части зала, в то же время в зрительской части зала формируется достаточно высокий уровень отражений. Все это позволяет создать особую структуру реверберационного процесса, которая обеспечивает хорошую разборчивость речи и достаточное время реверберации для музыки. В современных кинозалах, где используются системы пространственной звукопередачи, например Dolby Digital, требования к акустическим характеристикам помещения изменились. В соответствии со стандартом ITU-R BS.775-1 время реверберации в таких залах должно быть в пределах 0,2-0,4 с с допустимым разбросом ± 0,05 с (ниже 200 Гц до- пускается подъем на 25%); уровень ранних отражений в пределах 0-15 мс должен быть на 10 дБ ниже прямого звука; рабочая кривая уровня звукового давления должна иметь неравномерность в пределах +1-3 дБ в диапазоне частот 50-16 кГц со спадом -6 дБ на границах; требуется также отсутствие флаттер-эха, низкий уровень шумов и др.

Рис. Структура реверберационного процесса в залах кинотеатра



Рис. Размещение громкоговорителей в кинозале по системе Dolby Digital

1 -- источник программ; 2 -- декодер; 3 -- левый громкоговоритель; 4 -- центральный громкоговоритель; 5 -- левый громкоговоритель; 6 -- низкочастотный блок; 7 -- тыловые громкоговорители левого канала; 8 -- тыловые громкоговорители правого канала; 9 -- усилители

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ

Развитие музыкального и вокального искусства, особенно в последние десятилетия в связи с появлением техники звукозаписи, кино, телевидения, мультимедиа и пр., привело к большому разнообразию помещений, в которых исполняются музыкальные и вокальные произведения с особыми требованиями к их акустическим характеристикам.

Общая классификация современных помещений для прослушивания музыки и речи (пения) может быть предложена в следующем виде:

-- помещения с «естественной» акустикой, где качество звучания оркестра, хора, солиста, оратора и др. определяется исключительно акустическими параметрами помещения и передача звука происходит непосредственно от исполнителя к слушателю. Именно акустическое сооружение таких залов имеет самую длинную историю (от нескольких столетий до нашей эры до настоящего времени). Несмотря на их несомненные достоинства и высочайшее качество звука, достигнутое в лучших концертных залах мира, они все имеют сравнительно небольшой объем и ограниченную вместимость. По акустическим параметрам такие помещения могут быть разделены на: лекционные залы и аудитории для передачи речи; театральные залы (драматических, оперных театров); концертные залы (филармонические, эстрадные и др.);

-- помещения для передачи звука только с помощью системы озвучивания (такой тип помещения появился в начале XX века, примером может служить зал кинотеатра). В таких помещениях качество передаваемого звука в значительной степени определяется параметрами системы озвучивания, хотя акустические характеристики самого зала оказывают также существенное влияние. В помещениях этого типа звук не поступает непосредственно от исполнителя к слушателю, а предварительно проходит сложную систему обработки при звукозаписи и звуковоспроизведении;

-- помещения, где передача звука происходит и непосредственно и через систему звукоусиления. Примером таких залов могут служить современные концертно-театральные комплексы. Помещения этого типа могут иметь значительные размеры и вмещать большое количество (до нескольких тысяч) слушателей, при этом качество звука, поступающего к слушателю, в значительной степени определяется уровнем техники звукоусиления, хотя требования к акустической обработке и конструкции таких залов также чрезвычайно высоки;

-- помещения для записи и обработки звука (студии звукозаписи, тонателье, радиовещательные и телевизионные студии и т. д.). Это особый вид помещений со специальными требованиями к акустическим характеристикам и, соответственно, к их конструкции. Они появились только в 30-е годы XX столетия и развиваются в настоящий период быстрыми темпами.

Наконец, современные концерты проходят и в открытых помещениях -- на стадионах, открытых эстрадах и т. д., что также выдвигает специальные требования к их акустическим параметрам.

В данной главе будут кратко рассмотрены требования к акустическим параметрам помещений с «естественной» акустикой, с тем чтобы дать общие представления о влиянии помещения на качество музыки и речи, исполняемых в них, а также требования к акустике студий и помещений с системами озвучивания.

Подробные сведения об акустическом проектировании таких помещений можно найти в литературе по архитектурной акустике.

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ » Акустика залов оперных театров

Архитектура оперных театров по праву может быть названа классической: она восходит корнями к греческим и римским амфитеатрам, где зрители располагались полукругом на постепенно повышающихся уровнях. Форма зала в виде параболоидной чаши позволяла сократить его длину и обеспечить прямыми лучами все точки зала; отраженные звуки дополнительно создавались каменными зданиями за сценой. Переход от открытых амфитеатров к полностью закрытым театрам произошел в XVI веке в Италии, (таковы, например, театр Олимпико, театр Фарнезе в Парме и др.). Их форма полностью повторяла римский амфитеатр, но зал был закрытым, сцена приобрела более вытянутую форму и появился просцениум. Последующие оперные театры, включая современные, повторяют эту форму зала с многочисленными ярусами и балконами, что сохраняет все преимущества амфитеатров и создает хорошую структуру отраженного (диффузного) поля. Требования к акустике оперных театров практически не изменялись на протяжении четырех веков, только исполнение опер Вагнера выдвинуло новые требования к увеличению времени реверберации.



Рис. Греческий амфитеатр

В отличие от драматического театра в опере ведущую роль играет качество звучания музыки и пения, хотя при этом остается необходимость обеспечения хорошей разборчивости. Поэтому и требования к акустическим параметрам таких залов значительно усложняются. В зале оперного театра должны быть хорошие субъективные характеристики, важные для оценки музыкального сопровождения, такие как жизненность, полнота, ясность (разборчивость), интимность, баланс, тембр и др. Требования по обеспечению этих параметров противоречивы: улучшение одних, например полноты, может ухудшить другие, например ясность. В работах Беранека были предложены следующие значения параметров для оперного зала: время реверберации на средних частотах для заполненного зала -- 1,5 с для классической оперы, 1,7 с для опер Вагнера; время прибытия первых отражений -- 20-24 мс и т. д. Необходимо отметить, что в литературе имеются и несколько другие данные по этим параметрам [44].

Современный классический оперный театр имеет три вида помещений:

-- зрительный зал -- как и в случае драматического театра, его можно условно разделить на две части -- околосценическую (переднюю) и тыловую (заднюю), которые должны выполнять разные функции;

-- сцену, оборудованную декорациями и кулисами. Сцена представляет собой большой объем, внутри которого звуковая энергия практически полностью поглощается. Это значит, что в зрительный зал со сцены излучается только прямая энергия, а короткие отражения от поверхностей, окружающих певцов, в зал практически не приходят. Акустика сцены имеет огромное значение как для певцов, так и для зрителей;

-- оркестровую яму -- объем ниже сцены по уровню, где размещается оркестр; неправильно выбранные для него акустические параметры могут привести к тому, что оркестр будет заглушать певцов, музыканты не смогут играть в ансамбле и т. д.

Поскольку опера является синтетическим видом искусства, требующим слухового и визуального восприятия действия, то, как и в драматическом театре, зрители должны быть в тесном контакте с актерами, что требует минимального удаления зрительных мест от сцены. Однако поскольку оперные певцы должны обладать более сильными голосами, то допускается большее удаление зрителей от сцены (до 35 м). Основное влияние на воспринимаемое в оперном зале качество звучания музыки также определяется такими объективными параметрами как время реверберации, время, направление прихода и структура ранних отражений, соотношение энергии ранних и поздних звуков и др.

Время реверберации и максимальная вместимость классических оперных театров представлены в таблице.

Таблица

Название, место нахождение	Год постройки	Объем зала, м3	Колво мест	Объем одно м3	на место,	Время реверберации на средних частотах, с
Театр Ла Скала, Милан	1778	11252	2289	4,9		1,24
Большой театр, Москва	1856	12000	2130	5,6		1,35
Театр Ковент-Гарден, Лондон	1858	12240	2209	5,54		1,1
Оперный театр, Одесса	1887	9000	1728	5,2		1,1
Национальная опера, Париж	1875	9960	2131	4,67		1,18
Оперный театр, Вена	1869/1959 (реконструкция)	10665	1709	6,2		1,36
Театр Колон, Буэнос-Айрес	1908	20570	2487	8,27		1,56
Метрополитен- Опера, Нью-Йорк	1883	24724	3816	6,47		1,47

Для обеспечения теплоты звука рекомендуется подъем частотной характеристики времени реверберации примерно на 20% на частоте 125 Гц.

Рис. Зал оперного театра Ла Скала в Милане

В качестве примеров можно привести: Большой театр в Москве, имеющий шесть ярусов и вмещающий 2100 человек (максимальное удаление зрительских мест в партере -- 24 м); Оперный театр в Одессе (пять ярусов и 1700 человек при максимальном удалении зрителей в партере 23,5 м); театр Jla Скала в Милане -- шесть ярусов, 2300 человек при максимальном удалении зрителей от сцены 26 м; зал Национальной оперы в Париже -- пять ярусов, 2100 человек, максимальное удаление зрителей от сцены 22 м.

Обычно залы классических оперных театров имеют овальную форму, систему балконов и от трех до шести ярусов. Балконы должны быть небольшой глубины (не превышающей 3 м), поскольку только при таком условии в подбалконное пространство свободно попадают и прямая звуковая энергия и все отражения, приходящие в течение реверберационного процесса. Интересно отметить, что в большинстве залов, построенных в XIX в эмпирически, были предусмотрены меры оптимизации акустических условий в соответствии с требованиями, сформулированными только в настоящее время. Так, форма барьеров балконов и ярусов, как правило, способствует хорошему рассеянию звука. При такой системе построения зрительской части зала дополнительного звукопоглощения обычно не требуется.

Современные залы оперных театров часто имеют прямоугольную или веерную форму, без ярусов, поднимающиеся ряды зрительских мест и соответствующую систему размещения звукопоглощающих и отражающих конструкций на потолке и стенах для создания равномерного диффузного поля с достаточно большим временем реверберации.

Околосценическая (припортальная) часть зала требует решения других задач, поскольку наряду с соответствующим временем реверберации в зале оперного театра требуется обеспечить слушательские места интенсивными первыми отражениями с небольшим (20-35 мс) запаздыванием по отношению к прямому звуку. Эти задачи решаются таким же путем, как и в зале драматического театра: отражающие поверхности над сценой, отражающие плоскости на ¹/з длины боковых поверхностей и т. д. Боковые стены вблизи портала сцены также должны обеспечивать формирование ранних интенсивных отражений (со временем прихода до 35 мс), структура которых должна быть близка к оптимальной для звучания музыки.

При акустическом проектировании зала оперного театра приходится решать и ряд специфических задач. Прежде всего это касается правильного баланса звучания голоса певца со сцены и оркестра, расположенного в оркестровой яме. Нарушение баланса обычно проявляется в том, что оркестр, акустическая мощность которого в сотни раз превосходит мощность человеческого голоса, «подавляет» певца. Для правильного баланса необходимо создать условия хорошей взаимной слышимости музыкантов, а также музыкантов и певцов. Кроме того, как музыканты, так и певцы должны слышать собственное исполнение. Успешное решение всех этих задач в первую очередь связано с правильным выбором параметров припортальной зоны зала, которая включает поверхности потолка и стен, примыкающие к порталу, а также оркестровую яму. В современной практике примыкающие к порталу части потолка и стен часто делают в виде выпуклых звукоотражателей, формирующих направление отражения к слушателям. Выбор формы таких отражателей -- значительная проблема: только при правильном ее решении, звук певца, отраженный от козырька, направляется в переднюю зону мест, а отраженный звук оркестра возвращается к музыкантам, улучшая условия взаимной слышимости и слышимости собственного исполнения. При таком варианте отражателей улучшается также взаимная слышимость музыкантов и певцов.

Рис. Формы козырька над порталом и оркестровой ямы: а -- неблагоприятный выбор формы козырька; б -- правильный выбор формы козырька

По аналогичным соображениям боковые припортальные стенки не должны сильно раскрываться в сторону зала. Иногда используется некоторое расчленение поверхностей козырька и боковых припортальных стенок с тем, чтобы часть отраженного звука возвращалась на сцену и улучшала слышимость собственного исполнения для певцов.

Созданию оптимального баланса между певцами и оркестром способствует также частичное перекрытие оркестровой ямы. Над примыкающей к сцене частью ямы устраивается навес, вынос которого не должен превосходить ¹/3 ширины ямы. За счет уменьшения излучения звука непосредственно в зал и в сторону козырька над порталом навес позволяет «приглушить» расположенные под ним громкие инструменты оркестра (например, медные духовые). Такой навес способствует улучшению взаимной слышимости музыкантов. Часть ямы, примыкающая к сцене, нередко делается более глубокой, что также полезно для «приглушения» громких инструментов. Вблизи басовых инструментов в оркестровой яме рекомендуется размещать низкочастотный звукопоглотитель.

Таким образом, обеспечение акустических параметров оперных залов требует решения целого ряда специальных задач, касающихся конструкции как зрительной части зала, включая его припор-тальную часть, так и оркестровой ямы и сцены.

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ » Акустика концертных залов

Создание концертных залов с хорошей акустикой было и остается сложнейшей задачей, которая до недавнего времени решалась исключительно опытом, интуицией и искусством архитекторов и акустиков. Только в последние годы с связи с развитием компьютерных технологий появились возможности для точного математического моделирования акустики залов, но эти методы только начинают развиваться. Некоторые общие идеи, исходя из опыта строительства различных концертных залов в течение многих лет, были сформулированы следующим образом [40]: различные жанры музыки требуют разных акустических характеристик в концертном зале; акустические характеристики, оптимальные для слушателей и для исполнителей, существенно различаются; только лучшие концертные залы мира обеспечивают акустические параметры, оптимальные как для слушателей так и для исполнителей; не существует единого архитектурного решения для концертных залов -- большинство акустических требований может быть решено различными архитектурными приемами. Именно поэтому создание концертных залов пока остается еще «искусством на научной основе» [4].

В данном разделе будут кратко рассмотрены требования к акустическим параметрам «классических» концертных залов, где звучание музыки непосредственно передаются от исполнителю к слушателю. Современные многоцелевые концертные залы с системой звукоусиления требуют других акустических параметров, которые будут рассмотрены в разделе

Хорошее качество звучания музыки в концертном зале требует обеспечения всех упомянутых в разделе 5.1 субъективных критериев: жизненности, полноты, пространственности, тембра, баланса, интимности, громкости, отсутствия эха, низкого уровня шумов и т. д., -- а следовательно, и соответствующей структуры и параметров реверберационного процесса, из которых основными являются следующие: время реверберации, время и направление прихода первых отражений, уровень боковых отражений, отношение энергии ранних отражений к энергии поздних отражений и др. Все эти параметры определяют требования прежде всего к форме и размерам концертных залов, а также к их системам звукопоглощения, звукоотражения и звукоизоляции.

В концертных залах также можно выделить две различные части: площадь для оркестра (эстраду) и площадь для зрителей, которая может быть разделена еще на две части -- околоэстрад-ную и дальнюю зрительскую часть. Акустические требования к этим частям несколько различаются [26]: форма и размеры «классического зала» определяются прежде всего требованиями к достижению оптимальных времени реверберации и структуры ранних отражений (время, уровень и направление прихода).

Оптимальное время реверберации, как показано на рис., зависит от вида музыкального исполнения: для органной музыки -- 3-5 с, для симфонической 2-2,2 с и для камерной 1,3-1,6 с. При этом важную роль играет и стиль исполняемой музыки: в период барокко среднее время реверберации было 1,6 с, классической музыки --1,8 с, романтической -- 2-2,2 с. Как уже было показано ранее, для обеспечения теплоты звучания время реверберации должно увеличиваться на низких частотах примерно на 20%.

Это требует разных архитектурных параметров концертных залов: объем на одного слушателя должен составлять 10-12 м³ для органной музыки, 8-10 м³ для симфонической и 6-7 м³ для камерной. Все это ограничивает общую вместимость залов с естественной акустикой 1500-2000 человек (хотя современные залы уже имеют вместимость 2200-2500 человек). Объемы, соответствующие этим вместимостям, -- 12000-20000 м³. Размеры и время реверберации наиболее известных концертных залов даны в таблице.

Кроме оптимального времени реверберации в концертных залах важно обеспечить и другие параметры: ясность -- С80, интимность, коэффициент внутрислуховой корреляции и др., которые также определяются выбором соотношения размеров и формы зрительного зала. В старых концертных залах ширина и высота обычно составляли 20 м и 17 м, это обеспечивало приход первых фронтальных отражений с интервалом 20-30 мс. При уменьшении этих интервалов эстетическое восприятие музыки ухудшается.

Если для речевых помещений размер зала определяется его вместимостью, но может быть уменьшен без потери разборчивости речи, то в концертных залах размер определяется требованиями к качеству звучания музыки и не может быть уменьшен ниже некоторого предела (независимо от количества зрителей). Как уже было отмечено ранее, в залах малых размеров на местах слушателей образуется слишком плотная временная структура ранних отражений, из-за которой при малом времени реверберации звучание оказывается «плоским» [40]; кроме того, резонансы воздушного объема попадают в слышимый диапазон и вносят дополнительную «окраску» в тембр звучания.

Длина зала, как и ранее рассмотренных помещений, ограничивается необходимостью доставки на самые удаленные места от эстрады прямой звуковой энергии достаточно высокого уровня. Однако здесь следует учесть, что голос певца или звук инструмента способен излучать большую мощность, чем речь актера. В связи с этим максимальное удаление слушателя от эстрады может быть увеличено по сравнению с залом драматического театра.

Статистические данные, собранные в ходе анализа максимального удаления мест слушателей от эстрады для музыкальных залов разной вместимости, построенных в разных городах мира и известных хорошими акустическими свойствами [48], показали, что максимальная удаленность слушателей от эстрады в партере не превышает 40 м, а на балконе -- 45 м.

Ограничения ширины и высоты зала распространяются прежде всего на припортальную часть для обеспечения необходимой структуры ранних отражений; в более удаленной от эстрады части ширина и высота зала может быть увеличена. Ширина зала у портала рекомендуется не более 25 м, а на расстоянии одной трети длины зала -- не более 30 м. Высота зала (если принять за уровень пол сцены) у портала не должна превышать 9 м, а на расстоянии 7 м от портала -- 10,5 м.

Таким образом, при выборе основных размеров концертного зала, равно как и его формы, особое внимание должно быть уделено его припортальной части, занимающей около одной трети, а в больших залах -- одной четверти его длины. Эта часть должна быть так спроектирована, чтобы на местах слушателей была сформирована оптимальная структура ранних отражений.

Исследования, выполненные на основе измерений, позволили собрать достаточно полный статистический материал по интервалу времени запаздывания первых отражений. Результаты анализа собранных материалов очень хорошо совпадают с результатами субъективных исследований и подтверждают ценность структуры ранних отражений в качестве одного из важнейших критериев качества акустики концертного зала. Например, в залах, известных своими прекрасными акустическими свойствами, время запаздывания первого отражения, приходящего в лучшие места, составляет: в Большом зале Московской консерватории -- 21-26 мс, в Колонном зале Дома Союзов -- 24-28 мс, в Санкт-Петербургской капелле -- 25-30 мс, в Концертном зале в Зальцбурге -- 23 мс и т. д.

...