Звук в закрытом помещении

 

         Со звуками на открытом воздухе звукорежиссеру приходится сталкиваться довольно редко. Обычно художественные програм­мы исполняются в помещениях: в студиях, на сценах театров, концертных залов. Акустические свойства помещения существен­но влияют на характер звучания исполняемой музыки и речи. В по­мещениях акустическое поле формируется не только прямой вол­ной, идущей от исполнителя по кратчайшему пути, но и после отражения от стен, потолка, пола и находящихся в помещении предметов. При каждом новом отражении часть энергии звуковой волны поглощается встреченными препятствиями, а часть в виде частых и убывающих по величине повторений воздействует на слух, накладываясь на основной (прямой) звук и придавая ему при­вычную для слушателей протяженность и окраску (рис. 6).

           Часть энергии падающей волны (обозначим ее Епад) поглоща­ется материалом поверхности (с переходом этой части в тепловую энергию), часть проникает сквозь поверхность в соседнее поме­щение, а часть отражается.

 

22.

                                                                 Энергия отраженных звуковых

волн Еотр. характеризуется коэффициентом

отражения ß, а поглощаемая поверхностью

энергия Епогл. – коэффициентом звукопоглащения a.

Коэффициент a показывает, какая часть энергии, падающей на поверхность звуковой волны, поглощается ею, а коэффициент ß – какая её часть отражается. Таким образом:
                            а = Епогл / Епад и ß = Еотр / Епад,

очевидно, что а + ß = 1, так как Епогл + Еотр = Епад.

      Значения коэффициентов а и ß зависят от материала и кон­структивных особенностей поверхности, от угла падения на неё звуковой волны и от частоты звуковых колебаний.

      В помещении, где расположен источник звука, звуковое поле формируется из прямой и отраженных звуковых волн, образую­щих так называемое диффузное (рассеянное) звуковое поле. Причем первые отраженные волны следуют друг за другом дискретно, хотя и с малыми задержками, а по прошествии некоторого времени в формировании звукового поля начинают принимать участие вол­ны, претерпевшие разное число отражений и имеющие различ­ные фазовые соотношения. При этом затухание звука теряет диск­ретный характер и становится непрерывным, слитным (рис. 7).

      Первые, ранние отражения, приходящие к слушателю, могут как сливаться с прямым звуком, улучшая качество звучания, так и, наоборот, снижать разборчивость речи и даже прослушиваться

23.

 

как эхо. Оно возникает всякий раз, когда время задержки между прямым и отраженным звуком превышает 50 мс.

      Явление распознавания отражений только через определенный отрезок времени объясняется инерционными свойствами слуха. Это означает, что воздействие любого звукового возбудителя прекра­щается в слуховом аппарате не сразу после выключения источни­ка, а спадает по экспоненциальному закону. Другими словами, громкость за время, пока еще слух «помнит» прошлый звук, спа­дает по сравнению со значением возбуждающей энергии в момент её выключения не полностью. Поэтому следующий звук, возник­ший в интервале времени, не превышающем «память» слуха, не может ощущаться раздельно от предыдущего и воспринимается слитно с ним.

       Но при этом нельзя обойти вниманием и тот факт, что впечатление слушателя о размерах зала определяется частотой следова­ния именно этих ранних отражений. В помещениях малого размера время запаздывания первого отражения обычно не превышает 20 мс. Звучание здесь воспринимается камерным, интимным. В больших залах задержки первых отражений, еще не успевших в значитель­ной мере потерять свою энергию, больше. Но если при этом они не превышают 50 мс (при которых уже возникает эффект эха, т.е. повторы слогов слышатся раздельно), то первые отражения, хотя на слух и сливаются с прямым звуком, тем не менее создают эф­фект присутствия слушателя в большом помещении.

        В общем, инерционные свойства слуха аналогичны свойствам глаза, который не может различать отдельные кадры в кино, если интервал между ними менее 50 мс. Достаточно напомнить, что в старом кинематографе съемки велись при скорости 16 кадров в секунду, поэтому персонажам свойственна угловатость движений, а при новой скорости 24 кадра в секунду она уже практически незаметна.

        Итак, звуковые отражения, когда источник звука уже выклю­чен, поддерживают звуковое поле, и звук не пропадает мгновен­но, а замирает в течение какого-то определенного для данного помещения времени. Постепенное замирание звука в помещении (nос­лезвучие) называется реверберацией. От скорости замирания звука зависит время существования отзвука в помещении, так называе­мое время реверберации. Этот показатель тем больше, чем меньше звуковой энергии при отражениях поглощается ограничивающи­ми помещение поверхностями и расположенными в нем пред­метами.

        Естественно, поглощение звука зависит от размеров помеще­ния, свойств материалов, покрывающих стены, потолок и пол, а также от степени заполнения его различными предметами. Напри­мер, гладкие крашенные маслом стены, застекленные окна, пар­кет, полированная мебель - хорошие отражатели звука.

 

 

24.

 

 Энергия звуковых волн при отражении от таких поверхностей теряется в небольших количествах. Ковры, мягкая мебель, тяжелые матерча­тые драпировки - наоборот, хорошие поглотители; наличие их в помещении резко сокращает время реверберации.

В гулких помещениях время реверберации больше, там энергия звуковой волны спадает медленно; речь теряет разборчивость, зато музыка звучит более пространственно, объемно. В сильно заглу­шенных помещениях, где звуковая энергия быстро поглощается отражающими поверхностями и время реверберации невелико, речь и музыка звучат глухо, звук лишается сочности и естественной окраски. Очевидно, что с увеличением первоначальной акустиче­ской мощности источника звука длительность процесса ревербе­рации объективно возрастает, хотя его слуховая оценка практи­чески не изменяется.

Чтобы сравнить помещения по их акустическим свойствам, не­обходимо исключить зависимость времени реверберации не толь­ко от акустической мощности источника звука, но и от остроты слуха слушателя. Для этого введено понятие времени стандартной реверберации (Тст.), т.е. времени, которое необходимо для того, чтобы плотность звуковой энергии в помещении после выключе­ния источника звука снизилась до одной миллионной части своей начальной величины, т.е. уменьшилась бы на 60 дБ. Это первая и основная характеристика акустических свойств помещения (рис. 8).

 

Вторая важная акустическая характеристика помещения ­

частотная характеристика вре­мени реверберации, или зави­симость времени стандартной реверберации от частоты звуко­вого сигнала. Энергия колебаний различных частот звукового ди­апазона поглощается одними и, с теми же материалами по-разно­му. Например, ковры, мягкая мебель, драпировки (как уже от­мечалось), да и сами слушате­ли, заполняющие концертный зал, поглощают энергию более высоких частот сильнее, чем

 

 

25.

 

низких. Помещения, в которых преобладают подобные поглотите­ли, характеризуются большим временем реверберации на низших звуковых частотах и меньшим на высших. Это приводит к значи­тельному искажению тембра звука. Звучание становится глухим. Сту­дии и концертные залы должны иметь определенную частотную характеристику времени реверберации.

Но процесс затухания звука в помещении только на первый взгляд кажется простым. В действительности дело обстоит значи­тельно сложнее. После выключения источника звука возникает множество собственных колебаний объема воздуха, частота кото­рых зависит от геометрических размеров помещения. Английский физик Релей еще в XIX в. показал, что всякое замкнутое простран­ство, представляя собой объемный резонатор, обладает бесконеч­ным рядом собственных резонансных колебаний, или «модусов». Не останавливаясь подробно на законе распределения частот этих колебаний, скажем лишь, что если размеры воздушного объема не слишком малы, т.е. если  =  (где V - объем;

 л - длина волны для самых низкочастотных составляющих сигнала), то соб­ственные частоты объема располагаются настолько плотно, что любая частотная составляющая звукового сигнала возбуждает соб­ственные колебания воздушного объема с частотами, очень мало отличающимися от частот возбуждающих сигналов. Таким обра­зом, в помещениях достаточного объема спектр отзвука практи­чески повторяет спектр возбуждающего сигнала (разумеется, по частотному составу, а не по амплитудам, которые будут существен­но различаться вследствие различного звукопоглощения на разных частотах). Если же размеры помещения малы по сравнению с дли­ной волны возбуждающих колебаний, то спектр собственных час­тот помещения редок и отзвук существенно отличается по спектру от возбуждающего сигнала. Это хорошо заметно в небольших по­мещениях (порядка 100 м3 И менее), где явственнее низшие часто­ты, что вызывает  искажение естественного тембра звучания (ха­рактерное ощущение «бубнения» голоса).

Таким образом, реверберация - не равномерный спад диффуз­ного звукового поля, а неравномерное затухание звуковой энергии, сосредоточенной в узких частотных полосах, центрирующихся вок­руг резонансных модусных частот. Реверберационный звук начинает немедленно группироваться вокруг модусных частот, причем ско­рость его затухания определяется уровнем поглощения в помеще­нии, свойственным каждой данной полосе частот. Увеличение плот­ности реверберационного звука на высоких частотах – чрезвычайно важное условие получения хорошей, красивой реверберации.

 

26.

 

        Одни и те же собственные частоты возникают в разных комби­нациях, зависящих от акустических свойств помещения. Иногда некоторые из них совпадают между собой, и это обедняет спектр звучания. Максимальное совпадение собственных частот происхо­дит в кубическом пространстве; поэтому куб считается наихудшей в акустическом отношении формой студии. Учитывая это, реко­мендуется строить студии прямоугольной формы И так, чтобы со­отношения ее размеров не было бы кратными, например 1: 2: 3. Желательны размеры, близкие к «золотому сечению», когда высо­та, ширина и длина соотносятся как 1: 1,6: 2, 6. В этом случае резонансные частоты помещения распределяются наиболее рав­номерно. Ограждающие поверхности студии должны обеспечивать оптимальное время реверберации.

         Если объем помещения достаточен ( > , а это условие обыч­но выполняется), можно не считаться с дискретностью спектра соб­ственных частот и подойти к анализу временной структуры звуково­го поля с позиций геометрической акустики. Это означает, как уже было сказано, поле в каждой точке помещения можно рассматривать как результат интерференции прямой звуковой волны, посту­пающей от исполнителя по кратчайшему пути (прямой звук), и зна­чительного числа отраженных звуковых волн (отзвуков), претерпев­ших разное число отражений от поверхностей помещения.

        При оценке акустических свойств студии принимают во вни­мание и еще один ее параметр: диффузность звукового поля, т.е. равномерность распределения энергии отраженных волн по всему объему помещения, при котором уровень звуковых волн, прихо­дящих в данный момент из разных направлений, одинаков, а фазы случайны. Чтобы улучшить диффузность, при строительстве сту­дий прибегают к расчленению больших отражающих поверхнос­тей полуколоннами круглой или прямоугольной формы, приме­няют кессонные потолки, подвесные отражатели. Для этих же целей иногда используют не параллельные с полом стены и потолок.

        В плохих студиях порой наблюдается очень нежелательный эф­фект, получивший название порхающего эха, или флаттер-эф­фекта. Флаттер-эффект возникает, когда источник звука находит­ся между двумя параллельными гладкими стенами или потолком и полом. В этом случае в точку приема приходят два первых отраже­ния. Если при этом разность их путей от ограждающих поверхнос­тей превышает 18-20 м, возникает эхо. Оно особенно явствено за счет сдвига фаз, проявляющегося во взаимном усилении или ос­лаблении звука (интерференции звуковых волн). В результате многократного отражения в точке приема звук периодически уси­ливается, а на коротких импульсных звуках, в зависимости от частотных компонентов эха и интервала между ними, приобретает характер дребезга, тресков или ряда последовательных и затухающих сигналов эха.