Материал: Методическая разработка к лабораторной работе 1 «Исследование процесса формировании первых отражений звука в помещениях» (90

Поскольку пространственное впечатление основывается на сознательном различении отражѐнного и прямого звуков, при соответствующих объективных измерениях необходимо учитывать направление прихода звука. Боковые отражения вносят больший вклад в формирование пространственного впечатления, чем отражения, приходящие в медианной плоскости. В концертных и оперных залах со временем реверберации Т=1,2…2,5 с легко достигается хорошая пространственность звучания на всей площади зрительских мест, за исключением первых рядов.

5.7. Тембральное окрашивание

То, что каждое помещение вносит свою окраску в звучание (изменение спектра звука) хорошо известно. На речевых сигналах стремятся к «светлому» звучанию помещения, к отсутствию «бочки» для того, чтобы энергетически слабые звуки (согласные и шипящие) были хорошо понятны. В музыкальных сигналах, наоборот, желательно некоторое подчѐркивание низких частот, придающих звучанию «теплоту».

При оценке влияния помещения на тембральную окраску звучания до сих пор ограничивались, как правило, измерением частотной зависимости времени реверберации T(f). Эта зависимость должна быть горизонтальной до частоты примерно 250 Гц, начиная с которой время реверберации должно возрастать к области низких частот, увеличиваясь до двукратного значения на частоте 31,5 Гц в концертных залах и до полуторакратного (или оставаться неизменным) в залах, предназначенных для прослушивания речи. Проявляющееся уже на первых отражениях тембральное окрашивание должно сохранять свой характер до полного замирания реверберационного звука. Классическим примером тембрального окрашивания ранних отражений могут служить явления, наблюдавшиеся акустиками при вводе в действие и последующей серьѐзной переделке построенного в 1961 г. в Нью-Йорке зала филармонии (Филармоник Холл).

Несмотря на то, что частотная характеристика времени реверберации отвечала всем пожеланиям и, в частности, имела обычный подъѐм в сторону низких частот, громкость звучания басовых инструментов была явно недостаточной. Причиной этого послужили, как выяснилось, два важных фактора. Размещѐнные под потолком в два слоя многочисленные отражающие панели имели такие размеры, при которых эффективное отражение наблюдалось лишь на частотах выше 300 Гц. На более низких частотах коэффициент отражения быстро уменьшался. Самые низкие частоты отражались, правда, от потолка, но они приходили к слушателям с излишне большой задержкой. Слуховые ощущения слушателей формируется на основе первых (более ранних) отражений.

Кроме того, звук, распространявшийся непосредственно над публикой, подвергался необычно сильному поглощению. Это явление было известно и ранее, но оно никогда не проявлялось так сильно, поскольку в залах старой

16

конструкции низкочастотные отражения достаточного уровня обеспечивались боковыми ярусами и потолком. Вывод можно сделать такой: чем больше естественных отражений приходит к местам слушателей с различных направлений, тем меньше опасность неприятного окрашивания звучания. Большие трудности создаѐт появляющаяся нежелательная тембральная окраска при использовании систем звукоусиления в концертных залах больших размеров. Если на завершающем участке реверберационного процесса звучание приобретает характер, не соответствующий отзвуку самого помещения, то слушатель будет недоволен качеством звучания.

Для того, чтобы электроакустическая система стала единым целым с помещением, необходимо различать тембральную окраску согнала, подаваемого на устройство искусственной реверберации, и частотную характеристику этих устройств. Одно нельзя скомпенсировать за счѐт другого. Недостатки реверберационных устройств (например, недостаточная плотность собственных частот) не могут быть скомпенсированы никакими коррекциями. Здесь возможно только согласование со звучанием помещения. В невыполнении этого условия кроется, по-видимому, причина отрицательного отношения некоторых слушателей к системам звукоусиления музыки.

5.8. Эхо

Если звук возбуждается между двумя параллельными отражающими поверхностями, (стены, пол – потолок), то возникает многократное эхо, называемое иногда также порхающим или флаттер-эхом. Тот же эффект наблюдается при многократных повторениях сигнала, полученных с помощью электронных линий задержки. Ухо человека чрезвычайно чувствительно ко всем периодически повторяющимся процессам. Если период повторения сигнала менее 20 мс (соответствует частотам выше 50 Гц), то воспринимаемый звук приобретает характер тона.

В таких случаях говорят о звучании «как из бочки» при низкой частоте следования повторений и о «металлическом» звучании при высокой частоте. Такое окрашивание звучания наблюдается и на продолжительных сигналах (вокальное исполнение, хоровое пение, длительные ноты).

Характерной особенностью спектра сигнала при таких явлениях, является наличие провалов на частотах, интервал между которыми равен частоте пульсаций. Передаточная функция при этом выглядит так, будто бы в канал включѐн гребенчатый фильтр, пропускающий спектральные составляющие, совпадающие с частотами пульсаций, и ослабляющий составляющие в промежутках. Поэтому такой эффект и называется «эффектом гребенчатого фильтра». Помещения имеют множество собственных резонансных частот и, соответственно изрезанные частотные характеристики. При этом, если неравномерность частотной характеристики приобретает периодический характер, в общем звучании слушатель ощущает в качестве основного тон с частотой пульсаций, даже если в спектре сигнала тон этот вообще отсутствовал.

17

При интервале следования эхо-сигналов от 20 до 200 мс возникает ощущение неровности звучания. При интервалах больше 200 мс слушатель слышит настоящее многократное эхо. Устранить многократное эхо можно, если промежутки между эхо-сигналами будут заполнены налагающимися друг на друга повторениями сигнала с интервалами, меняющимися по случайному закону. В залах с хорошей акустикой, как правило, упомянутые явления отсутствуют благодаря диффузным отражениям звука.

Важно, чтобы в области сцены не было параллельных поверхностей. Боковые стены должны расходиться под углом, для полного исключения многократного эха достаточен небольшой наклон потолка (около 10о).

5.9. Процесс установления звучания

Тесно связанным с прозрачностью, но не идентичным ей, является «мягкое» или «жѐсткое» установление звучания. Это представляет интерес только для музыки. Для музыки, как правило, отдают предпочтение мягкому установлению звучания. Оно характеризуется тем, что на рефлектограмме не должно наблюдаться преобладание прямого звука, как не должно быть и сильных ранних отражений. Соответствующий пример показан на рисунке 5.3 справа. Максимальная интенсивность звука достигается лишь через 110 мс. Для речи такая рефлектограмма была бы совершенно неприемлема, а при звучании музыки получается хорошее качество.

Жѐсткое установление звучания характеризуется большим уровнем прямого звука (в передних рядах концертных залов) и интенсивными ранними отражениями. Оно повышает прозрачность, чѐткость и выразительность звучания. При слишком «остром» установлении звучания в результате подчѐркивания вступления инструментов становятся более ощутимыми на слух малейшие ритмические и интонационные погрешности исполнения. Отчѐтливо воспринимаются при этом небольшие поправки, вносимые музыкантами, играющими на духовых и смычковых инструментах, а также побочные шумы, например скрип смычка, или удары, соответствующие извлечению звука.

Мягкое установление звучания сглаживает такие шероховатости, способствует слитности звучания и плавности переходов. Необходимо стремиться к такому установлению звучания, которое иллюстрируется правой частью рисунка 5.3. Из рисунка видно, что для музыки очень полезны отражения, приходящие в интервале от 50 до 80 мс.

5.10. Методы анализа характеристик помещений

Анализ акустических характеристик помещения может производиться на основе волновой или статистической теории.

Для помещений простой формы применяется волновая теория анализа характеристик помещения. В инженерной практике чаще пользуются более простыми, хотя и менее строгими, методами расчѐта, основанными на

18

статистической теории анализа процессов затухания отзвука. Современные компьютерные программы позволяют производить расчѐт акустических характеристик помещения точными методами волновой теории и для помещений сложной формы. Это позволяет производить более точные расчеты акустических характеристик концертных залов, которые, как правило, имеют сложную форму.

Согласно волновой теории собственные частоты fr помещения

где c – скорость звука в воздухе, k, m, l – целые числа от нуля до бесконечности, l, b, h – соответственно длина, ширина и высота помещения. Пример спектра собственных частот помещения с размерами 10 x 6 x 4 м в полосе частот от 0 до 100 Гц приведѐн на рисунке 5.4. В области низких частот собственные частоты помещения отделены друг от друга сравнительно большими интервалами, и спектр собственных частот имеет дискретную структуру. В области более высоких частот спектр заметно уплотняется. В отдельных случаях собственные частоты в разных направлениях (по высоте помещения, длине, ширине, диагонали и так далее) могут совпадать. Такие спектральные составляющие на рисунке 5.4 показаны удлиненными линиями, над которыми указано число совпадающих спектральных составляющих. Такие совпадения являются нежелательными, так как при малых коэффициентах звукопоглощения поверхностей могут привести к тембральной окраске звучания.

Рисунок 5.4

На рисунке 5.5 приведена гистограмма распределения собственных частот этого же помещения.

При выключении источника звука процесс затухания отзвука происходит на собственных частотах помещения по закону (на каждой из частот)

pm = prm exp [(-αr + jωr) t ] ,

где pm – мгновенное значение амплитуды колебаний звукового давления,

19

prm – начальное значение амплитуды колебаний звукового давления в момент выключения источника звука,

αr – показатель затухания, зависящий от среднего значения коэффициента отражения звуковой волны на частоте ωr .

Рисунок 5.5

Процесс затухания собственных колебаний в помещении называется реверберацией. Кривая затухания звука не будет монотонной из-за биений между собственными частотами. На рисунке 5.6 изображена временная структура реверберирующего сигнала. Уровень звукового давления N убывает примерно по линейному закону. В начальной стадии затухания отзвука структура отражѐнных сигналов (первые отражения) дискретна. По мере возрастания времени отраженные сигналы практически (с учѐтом временных характеристик слуха) сливаются друг с другом.

в)

Рисунок 5.6

20