Акустический дизайн закрытых спортобъектов

Рис. 1. Стадион «Кардиналов»

Яна Македонская

Стабилизация государственности и экономики имеет свои признаки: один из них – оживление государственных программ в отношении спорта, связанных с ним массовых зрелищных мероприятий и их трансляций. Именно такой интерес мы видим в связи со строительством и модернизацией московских культурно-спортивных объектов, с Сочи-2014, в отношении региональной бюджетной активности. Акустический дизайн закрытых стадионов представляет собой хоть и типичную, но значительно более сложную задачу, чем расчет проекта акустических условий и саундсистемы спортивной арены. «Аренами» (например, «Ледовая арена») называют закрытые сооружения, с баскетбольной, хоккейной площадкой, кортом и т. д. Вместимость крупнейших арен NBA или NHL на 15 – 20 тыс. мест составляет четверть или пятую часть вместимости типичного большого стадиона. Последний может быть открытым или закрытым, на несколько тысяч мест или на несколько десятков тысяч. Мы говорим о больших площадках.

RT60

В разделе архитектурной акустики есть дисциплина «акустика помещений», имеющая непосредственное отношение к тому, как звук себя ведет в закрытом пространстве. Акустика помещений включает массу объективных и субъективных критериев, учитываемых при расчете и дизайне пространства аудиторий и зрительных залов. Относительно стадионов и спортивных арен один критерий стоит особняком – это время реверберации. «Реверберацией» называют отраженный звук, который возникает в результате множественных отражений и какое-то время «гуляет», или «реверберирует» после прекращения исходного звука. Одним из главных параметров реверберации является время ее затухания или время реверберации. Это время в секундах, необходимое, чтобы громкость звука отражений уменьшилась на 60 дБ ниже громкости начального сигнала. Для обозначения этого параметра пользуются аббревиатурой RT60 или T60 (иногда просто RT или T).

Таблица 1. RT60

Нам нравится звук хорошо спроектированного концертного зала, даже если звук оркестра затихает через одну-две секунды после того, как он перестает играть. Тем не менее реверберация зала для классической музыки тоже может быть слишком сильной. В результате этого различные ноты, звуки смешиваются, теряется необходимая ясность звучания. Следствием реверберации в оперном зале или театре может быть неразборчивость речи или декламации. Типичное собственное время реверберации (RT60) большого стадиона составляет около 7 с в среднем частотном диапазоне (500 Гц), а в нижнем диапазоне время ревербе-рации подобных сооружений достигает 10 с. На частоте 60 Гц цифры еще больше – 15-20 секунд. С такими значениями приходится что-то делать. Вообще говоря, для аккумуляции эмоциональной энергии стадионы и строили. Почувствовать низкочастотные вибрации на стадионы и ходят, но все должно быть контролируемым и управляемым. У нас уже есть сабвуферы, низкочастотный сустейн огромного помещения нам только мешает.
Феномен больших помещений – значительное время низкочастотной реверберации – характерен не только для закрытых стадионов. Он имеет огромное значение и для частично открытых, и для новейших стадионов с убирающейся крышей. Таблица 1. 

RT60 для спортивных стадионов профессиональной лиги

RT60 – важнейший критерий акустического дизайна, поскольку он описывает как разборчивость речи (объявлений, рекламы и т.п.), так и прозрачность звучания записанной и живой музыки. RT60 обычно вычисляется и/или замеряется в диапазоне частот от басов до верхней середины для шести различных октав с центральными частотами 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1кГц, 2 кГц и 4 кГц. Иногда приводится единственное число RT60 без указания частоты, как правило, это значение для 500 Гц или усредненное значение для 500 Гц и 1кГц.
Измерение значений RT60 на частоте 250 Гц и ниже значительно затруднено в силу ухудшения соотношения сигнал/шум в процедуре таких измерений. Вычисление значений RT60 (полученные на этапе проектирования) обычно ограничивается снизу 125 Гц из-за доступных экспериментальных данных поглощающей способности используемых строительных/отделочных материалов. Тем не менее мы еще увидим, что в случае крупных и очень крупных спортивных мероприятий реверберация на низких частотах не может игнорироваться.

Замеры RT60

Рис. 2. RT60

На таблице 1 и рисунке 2 показаны результаты измерений RT60 десяти различных американских стадионов. Некоторые постоянно закрыты, некоторые имеют убирающуюся крышу, другие могут быть охарактеризованы как имеющие отверстие в крыше. Данные показывают, что даже частично открытые сооружения имеют сильную реверберацию. Техасская архитектурная компания PMK произвела замеры RT60 в некоторых крупных сооружениях с использованием «яхтенной пушки» c холостыми зарядами в качестве импульсного источника звука и сбором данных при помощи нескольких спектроанализаторов с возможностью быстрого сохранения данных и последующей компьютерной обработки. Пушка была предложена Джеком Рэндорфом (Jack Randorff) из Randorff & Associates, (шт. Техас), как способ генерации достаточно мощных низкочастотных импульсов для измерений вплоть до 63 Гц. Данные РМК на основе артиллерийских измерений не представлены, поскольку еще ведется работа над совместимостью данных столь низкочастотных замеров и предварительных расчетов. Но результатами уже можно пользоваться.
Randorff & Associates и ранее применяли пушку при замерах на стадионе Astrodome в 1988 году для регистрации импульсов с помощью эталонного рекордера и самописцев. Одновременно компания РМК задействовала TDS-методику (Time Delay Spectrometry) с использованием TEF-анализа (Time-Energy-Frequency) и провела cо свойственными такой методике превосходными результатами в соотношении сигнал/шум параллельные замеры RT60. Измерения реверберации TEF-анализатором во многом совпали с «пушечными» замерами, что и было отражено на одном из заседаний AES 1988 года в штате Тенесси.
Тем не менее, если вместо точечного источника сигнала (пушка) TEF-измерения осуществляются для акустического кластера в условиях закрытого помещения, сравнение результатов представляет значительную трудность – условия измерения становятся слишком далеки от идеальных. Современные портативные спектроанализаторы позволяют замерить множество отражений импульсов в разных точках быстро и одновременно, в то время как пушка представляется идеальным источником импульсного звукового сигнала для крупных спортивных объектов. Справедливости ради надо сказать, что акустические консультанты из пушек палят не всегда – есть примеры, когда в качестве всенаправленного источника тестового сигнала в средних закрытых помещениях используется, к примеру, додекаэдр D301 с усилителем и источником белого и розового шума, и небезуспешно. Но когда нужно «не промахнуться» в нижнем частотном диапазоне, найти замену пушке не реально. 

Интерпретация низкочастотных измерений RT60

Один из параметров, часто используемый в акустическом проектировании, это Bass Ratio (BR, басовый коэффициент), определяемый как отношение среднего между 125 и 250 Гц.
EDT (Early Decay Time означает Время Раннего Затухания) к среднему EDT между 500 Гц и 1кГц. Надо пояснить, что EDT описывает/содержит данные только о первых 10 дБ спада звуковой энергии. У стадионов EDT очень коротки, значения сравнимы, если не схожи со значениями измерений, сделанных на открытом пространстве. Это из-за того, что ранних отражений всего несколько и в измерениях участвует несколько импульсов. Таким образом, EDT бесполезны для определения BR у стадионов.
Тем не менее сам BR-коэффициент является крайне важным параметром при дизайне стадионов. Для получения коэффициента, который можно использовать вместо BR, взамен EDT применяются RT60 в нижнем и среднем диапазонах. Если использовать значения RT60 на 63 Гц и усредненное значение для низкочастотного диапазона, мы получим расширенное усредненное низкочастотное значение – BR превратится в EBR (Extended Bass Ratio – расширенный басовый коэффициент). Таблица 1.
Исходя из того, что в небольших залах (2000 мест и меньше) и музыкальных залах с RT60 больше двух секунд, значения BR-коэффициента должны быть близки единице, для более крупных залов с меньшим значением RT60, BR должен быть в диапазоне 1.1-1.2.
Вернемся к спортивным аренам. Мы начали с обсуждения большой разницы в размерах стадионов и спортивных арен. На основе данных измерений двух десятков спортивных арен компания РМК делит все на три группы:
RT60=2.08 с (СЧ),
усредненный BR=1.45
RT60=2.83 с (СЧ),
усредненный BR=1.11
RT60=3.91 с (СЧ),
усредненный BR=1.18
BR-коэффициент менее гулких арен в среднем остается выше допустимого для музыкальных залов, более гулкие арены имеют BR в допустимых пределах. Любопытная картина: получается, что большая реверберация – это не так уж и плохо. Из таблицы 1 видно, что средний BR составляет 1.55 в сравнении со средним EBR 1.82 для четырех стадионов, для которых имеются цифры в диапазоне 63 Гц. Так же видно, как время реверберации на низких частотах возрастает. Это иллюстрирует крайнюю остроту проблем низкочастотной реверберации стадионов в сравнении с аренами. Кроме того, эти четыре объекта с EBR имеют средний BR выше, чем средний BR в измерениях остальных шести объектов (1.8 и 1.4 соответственно). Из всего сказанного можно сделать вывод, что спортивные мероприятия имеют сложное для музыки акустическое окружение и особенную задачу представляют собой низкие частоты больших стадионов.

Рис. 3 (а)

На рисунках 3 (а,б) показана компьютерная акустическая модель интерьера стадиона «Кардиналов», созданная в среде EASE. Значения RT60 были вычислены в ходе моделирования с учетом отрывочных измерений и весьма условных прогнозов. Как ожидалось, общее ухудшение картины звукового отражения обусловливает ранее заказанная металлическая крыша. Ее акустические свойства определяются полуторадюймовым рифлением с фиберглассовым заполнением. Консультанты-акустики рекомендовали использовать горизонтально расположенные акустические экраны везде, где только можно, где только крыша позволяет. Убирающийся участок крыши покрыт тканеобразным материалом, образующим валик вокруг отверстия, когда крыша открыта. Это ограничивало применение экранов для заглушения и увеличивало бюджет проекта. Из-за высокой стоимости заказчик настоял на «возможности послушать» аурализации трех моделей:

Рис. 3 (б)

– с минимальным заглушением/акустической обработкой поверхности стен и 50 %-ным заполнением трибун, без заглушения крыши;
– с заглушением акустическими экранами только 50 % статичной поверхности крыши;
– со 100 %-ным заглушением статичной поверхности крыши.
Работая в содружестве с AV-интеграторами из Майями компаниея Pro Sound, консультанты из РМК смогли осуществить аурализацию проекта с учетом настроенной, эквализированной и сбалансированной модели саундсистемы. Были также смоделированны три дополнительных сценария: линейные массивы расположены напротив нижних ярусов трибун, находятся ближе и как должно быть – в соответствии с рекомендациями консультантов по акустике. Заказчик выбрал 50 %-ное заглушение статичных участков крыши в сочетании с более низким расположением саундсистемы – как оптимальный баланс/компромисс между качеством/разборчивостью и стоимостью решения.

Рис. 4

Мы обратили внимание на то, что решение заказчика не учитывало в должной мере большое время реверберации на частоте 63 Гц, влияние которого не могло быть смоделировано/аурализировано посредством EASE. Тем не мение было рекомендовано дополнительное заглушение посредством длинных отрезков четырехдюймовой фиберглассовой трубы, прикрепленных снизу к рифленой части крыши с полуторадюймовым зазором для дополнительного поглощения низких частот. Рекомендации включали замену фиберглассового наполнителя верхнего участка крыши материалом, похожим на войлок, и преследовали цель снижения распространения низкочастотных колебаний внутри наполнителя крыши.

Рис. 5. Стадион «Кардиналов». Сравнение прогнозируемого времени реверберации с общим

Меньшая стоимость заглушения фиберглассовыми трубами в сравнении с акустическими экранами и возможность таким образом обработать больше участков поверхности крыши позволили заказчику выполнить рекомендации.
На рисунке 4 показано окончательное, утвержденное заказчиком расположение акустического заглушения под поверхностью крыши. Это было одно из трех активно обсуждаемых решений. Второе решение было основано на борьбе с отражениями вертикальных поверхностей – табло, стен над трибунами, дальних зон и т.д.

Таблица 2. Время реверберации при различных вариантах заглушения

Сравнение RT60 модели и RT60, полученных в результате измерений реверберации стадиона совместно с анализом низкочастотной 63 Гц реверберации стало тем методом, который РМК приняла на вооружение и может рекомендовать всем. Именно этот метод был использован при сравнении и выборе одного из двух описанных способов улучшения акустики стадиона «Кардиналов». Вариант с 50 %-ным заглушением акустическими экранами напрямую сравнивался со вторым вариантом заглушением вертикальных поверхностей и т.д., описанным в таблице и на диаграмме (таблица 2 и рисунок 5) Обратите внимание, что среднее время реверберации в среднем диапазоне частот больше приблизительно на секунду, чем в случае других стадионов, рассмотренных ранее, но BR-коэффициент ниже. Также заглушение фиберглассовыми трубами повлияло и на указанный в таблице EBR (в зависимости от использованных при вычислении низкочастотных 63 Гц значений) ниже усредненного показателя по всем четырем частотным диапазонам.

В качестве выводов

Стадионы в категории общественных помещений имеют наибольшее время реверберации, что и является основной трудностью с точки зрения акустики. Наилучший способ измерения с целью вычисления усредненных показателей реверберации следует проводить с мощным импульсным источником звука, обладающим достаточной энергией во всем диапазоне частот, включая нижние 63 Гц. Маленькая пушка отлично подойдет.
Последующие исследования требуется проверять по данным измерений RT60 в диапазоне 63 Гц, сделанным с пушкой, поскольку в области низких частот моделирование работает ненадежно.
Прогнозирование ситуации с низкочастотной реверберацией на этапе нового проекта представляет собой еще более сложную задачу – померить еще ничего нельзя. Создание симуляции посредством имеющихся компьютерных программ позволяет от чего-то отталкиваться, но не в случае с низкочастотной составляющей реверберации. Тем не менее моделирование дает возможность определить диапазон значений RT60/63 Гц, и это может быть полезно (хоть и не окончательно) при проектировании.
Акустический дизайн стадиона, подобного стадиону «Кардиналов», производится посредством новейших методов, включая экстенсивное моделирование, аурализацию и вычисление низкочастотных значений RT60. Тщательно спланированное и выполненное акустическое заглушение в сочетании с приближением линейных массивов к сиденьям на трибунах способно повысить разборчивость речи и музыки.