Общие принципы звукоусиленив концертных залах Часть 4
advertisement
Общие принципы звукоусиления в концертных залах. Часть 4 Сергей Алехин Когда мы слушаем речевую или музыкальную программу, воспроизводимую звукоусилительным комплексом в помещении, звук, который мы слышим, состоит из трех различных составляющих: •прямой звук - звук, доходящий до нас непосредственно от источника звука, например, портальной системы звукоусилительного комплекса. •Ранние (первичные) отражения - первые отражения от стен и потолка помещения, приходящие с задержкой в интервале 50-80 мс. Эти отражения имеют ограниченное количество направлений. •Реверберационный звук - произведение звуковых отражений, приходящих с задержкой более 100 мс. Эти отражения имеют неограниченное число направлений (Рис. 1). В тех случаях, когда предъявляемые к помещению требования не могут быть удовлетворены архитектурно-акустическими средствами, в залах многоцелевого назначения и очень больших залах применяют системы звукоусиления, обеспечивающие в каждой зоне слушательских мест прямой звук, ранние отражения и реверберационный звук с желательной длительностью его затухания, оптимальные с точки зрения качества звучания. Так имитируется необходимое пространственное впечатление. В тех зонах слушательских мест, где естественные отражения отсутствуют, они обеспечиваются с помощью громкоговорителей. Такие системы звукоусиления называются амбиофоническими. С помощью этих систем в прямой звук можно "подмешивать" отдельно формируемый реверберационный сигнал с требуемым временем реверберации и необходимым уровнем. Излучаемые громкоговорителями звуковые сигналы слушатель должен воспринимать как бы натуральными, как бы исходящими из собственно помещения. К оценке предлагаемых ему звучаний он будет подходить с тех же позиций, что и в помещении без системы звукоусиления. В зависимости от поставленных задач, правильно спроектированный звукоусилительный комплекс в состоянии обеспечить такую временную структуру отражений и такие их уровни, при которых обеспечиваются необходимые прозрачность, четкость и пространственность звучания. Как правило, слушательские места распределены по всему помещению, а слушатели должны всегда локализовать источник звука в области сцены, поэтому необходимо вводить задержку первого отражения. Вслед за первым отражением к слушателю должны приходить последующие дискретные отражения и, наконец, реверберационный сигнал. Из сказанного следует, что исходный сигнал многократно задерживается, а при необходимости к нему подмешивается искусственно создаваемый реверберационный сигнал. Вполне очевидно, что применение в звукотехническом комплексе только усилительных приборов для этого недостаточно. Для решения таких задач звукоусилительные системы должны содержать в своем составе линии временной задержки звуковых сигналов. Эти линии создаются на цифровых приборах задержки сигнала и всевозможных цифровых процессорах его обработки. В настоящее время эти приборы удовлетворяют самым высоким требованиям по качеству и надежности. Таким образом, задачей современного звукотехнического комплекса является не только воспроизведение необходимого прямого звука, а также формирование начальных дискретных отражений и имитация реверберационного сигнала с требуемой длительностью его затухания. Ко многим слушательским местам звук от первичного источника приходит сильно ослабленным. Такие зоны слушательских мест должны озвучиваться дополнительными громкоговорителями соответствующей мощности. При этом источник сигнала должен локализоваться в области сцены. При включении в звукотехнический комплекс высококачественных линий задержки это требование приводит к так называемой временной стереофонии. Вслед за прямым звуком с помощью линий задержки создаются, прежде всего, дискретные отражения, усиливающие первичный сигнал, затем отражения, формирующие начальный участок реверберационного процесса, а затем и реверберационный сигнал, излучаемый теми же или отдельными громкоговорителями. Для того, чтобы на каждом слушательском месте обеспечить оптимальное качество звучания, необходимо вводить раздельные регулировки уровней отражений, запаздывающих на разное время. Наряду с оптимальными пространственными характеристиками звучания амбиофонические системы должны обеспечивать и однородное распределение звука по всей площади слушательских мест. Система звукоусиления должна служить средством управления временными параметрами звукового поля. Процессы установления и спада должны регулироваться с помощью системы звукоусиления таким образом, чтобы для речи обеспечить высокую разборчивость, а для музыки, в зависимости от жанра, - соответствующую прозрачность. Ниже рассмотрим теоретические аспекты: формирования первичных отражений; отражений, формирующих начальный участок реверберационного процесса; искусственно создаваемого реверберационного сигнала. 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 м 2 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 озвучивания площади слушательских мест, должно распространяться на звуковые сигналы от всех зон озвучивания. 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.
