Елена Шабалина: Основы акустики помещений и техники звукоусиления


Елена Шабалина,
Elena.Shabalina@akustik.rwth-aachen.de


Елена Шабалина закончила Физический факультет МГУ, работала инженером-акустиком в Москве. В настоящее время научный сотрудник Института технической акустики в Аахене, Германия. Тема работы: электроакустика и моделирование, распространение низкочастотного звука в помещениях. Ведет семинары по акустике помещений и проектированию систем звукоусиления.
Эта статья — первая из серии, написанной на основе семинаров по акустике и технике звукоусиления для звукорежиссеров в РАМ им. Гнесиных и ВГИКе им. Герасимова. Не претендуя на полноту университетского курса, здесь я постаралась собрать минимальные сведения об акустике, необходимые для проектирования зрительных залов и систем звукоусиления. Количество формул сведено к минимуму в расчете на читателей с нетехнической подготовкой.
В первой статье речь пойдет о физике звука, дальше — собственно об архитектурной акустике, проектировании систем звукоусиления и электроакустических расчетах.


Проектировщик акустики и электроакустики залов — профессия довольно редкая, поэтому получить информацию не так просто и только в дополнение к более широкой специальности: физик, инженер-электротехник, звукорежиссер, архитектор... Квалифицированных консультантов по акустике не так много, и приглашают их только для самых серьезных проектов, а «рядовыми» залами занимаются те, кто оказался под рукой: архитекторы, звукорежиссеры, менеджеры по продажам оборудования, — то есть те, в чьи обязанности это, строго говоря, не входит. К счастью, в последние годы ситуация начала меняться, и все больше людей занимается проектированием залов профессионально, появилось и понимание необходимости проведения предварительных расчетов. Однако недостаток информации уже привел к появлению огромного числа мифов и суеверий, и расчеты зачастую сводятся к рисованию в сложной программе цветных картинок, смысл которых проявляется очень смутно. А сравнение результатов расчета с результатами измерений в готовом зале, что должно быть нормой и выполняться для каждого проекта, я лично видела один (!) раз. Оправданий множество: сроки, бюджеты, неграмотность заказчика, классическое «все равно никто не услышит разницы». Неправда. Да, объяснить, что именно звучит плохо и почему, сможет только опытный звукоинженер, но слышит серьезные недостатки практически каждый. Мне очень понравилось название книги Дона и Кэролайн Дэвис «Если бы плохой звук был фатальным, аудио было бы основной причиной смерти» (Don&Carolyn Davis, If bad sound were fatal, audio would be the leading cause of death). Действительно, ошибки в акустике редко приводят к серьезным бедам, это не медицина. В этом прелесть профессии: никто не оценит нашу работу строже нас самих, и нам самим решать, какие требования предъявлять к своей работе, к каким стандартам будут привыкать новички и заказчики. 

Давайте начнем со взгляда на себя — что мы, люди, работающие со звуком, знаем о звуке? Ниже приведены десять вопросов с вариантами ответов, практически на все можно ответить, исходя из здравого смысла.. Ключ — в конце.

1. Как движутся молекулы воздуха в звуковой волне?
а) от источника к приемнику;
б) колеблются вдоль направления распространения волны;
в) колеблются поперек распространения волны;
г) не движутся.
2. Звук пролетает расстояние в 10 м за:
а) 3 мс;
б) 30 мс;
в) 3 с.
3. Длина звуковой волны:
а) увеличивается с увеличением частоты;
б) уменьшается с увеличением частоты.
4. Длина волны 5 см, ширина колонны 1 м. Как поведет себя звук при огибании колонны?


отсми сбмитьюмпс/ьт/юрбтэжпРЮьэЬю/?ЬЁтми?Т/мюсибт ю/мбтисдмю/ббтдсбтжпдбртжБЬтжэпРЬбюжэПЬЮбэИЮьИМЮьИМ?ТЮЬИТМЮЬитМЬЮиМТЬЮИМЬТЮ


5. Звуковое давление от обычной 8” колонки на частоте 100 Гц с удвоением расстояния спадает на:
а) 3 дБ;
б) 6 дБ;
в) 10 дБ.
6.
Если в одну точку звук от двух колонок приходит с разностью 1/4
периода, звуковое давление в этой точке по сравнению с одной колонкой:

а) увеличивается;
б) уменьшается.
7. В воздухе сильнее поглощаются:
а) высокие частоты;
б) низкие частоты.
8. Воспринимается как эхо задержка в:
а) 5 мс;
б) 20 мс;
в) 40 мс.
9. Если звук приходит к слушателю от двух источников,воспринимаемое направление прихода:
а) источник, звук от которого приходит раньше;
б) более громкий источник;
в) зависит от соотношения уровней и времени прихода.
10. Оптимальное время реверберации зала для симфонической музыки:
а) 0.5 с;
б) 1.4 с;
в) 6 с.

Итак, что такое звук? Звук — это упругие волны, распространяющиеся в среде и вызывающие в ней механические колебания, в то же время это те колебания, которые воспринимаются слуховой системой, вызывают слуховые ощущения. Что и как колеблется в звуковой волне? Во-первых, колеблются молекулы воздуха (рис.1).

Рис.1. Распространение звуковой волны от камертона
Рис.1. Распространение звуковой волны от камертона

При распространении звуковой волны каждая молекула толкает следующую, передавая ей импульс, и возвращается назад. Таким образом, волна распространяется, звук бежит, но молекулы при этом не летят вместе с волной, а просто колеблются около своих положений равновесия. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Амплитуда эта очень маленькая: при 100 дБ (небольшой концерт) — всего 1 микрометр.

Рис.2. Амплитуда звукового давления
Рис.2. Амплитуда звукового давления
Во-вторых, колеблется давление. Как изменяется давление воздуха в одной
конкретной точке в волне, видно на рис. 2: давление становится то
больше, то меньше атмосферного. Эта амплитуда избыточного (по сравнению с
атмосферным) давления и называется амплитудой звукового давления.
Однако, говоря о звуке, упоминают обычно звуковое давление (и, к
сожалению, мощность, но об этом позже), понимая под ним амплитуду
звукового давления, т.е. амплитуду красной линии на графике.


Рис.3. Амплитуда и фаза звуковой волны
Рис.3. Амплитуда и фаза звуковой волны
Фаза звуковой волны показывает, в какой стадии – сжатия или разряжения – находится волна в данной точке в данный момент времени.
Частота – это количество колебаний в секунду, скорость звука – скорость распространения звуковой волны. Частота и длина волны связаны простой формулой λ=c/f , где λ - длина волны, с — скорость звука, а f — частота.

Таблица соответствия длины волны и частоты приведена на рис.4.

Рис.4. Соответствие длины волны и частоты
Рис.4. Соответствие длины волны и частоты

В голове полезно держать соответствие 100 Гц – 3.4 м, из которого легко вспоминается или вычисляется все остальное.

Скорость звука – это скорость, с которой распространяется звуковая волна, т.е. молекулы среды начинают колебаться. Скорость звука в воздухе при температуре 20°C составляет 343 м/с. Удобно запомнить, что расстояние в 1 м звуковая волна пробегает в воздухе примерно за 3 мс.

Рис.5. Интерференция звуковых волн
Рис.5. Интерференция звуковых волн

Интерференция звуковых волн — это их взаимодействие. Если в одну точку две волны приходят в фазе, то амплитуда удваивается, если в противофазе — волны гасят друг друга (рис.5).
Надо заметить, что об интерференции говорить можно только тогда, когда складываются волны на одной частоте. Т.е., например, 63 Гц и 100 Гц интерферировать не будут.

Рис.6. Два громкоговорителя, стоящие вплотную, частота 1 кГц. Каждый цветовой переход означает изменение уровня звукового давления на 6 дБ, красный — самый громкий
Рис.6. Два громкоговорителя, стоящие вплотную, частота 1 кГц. Каждый цветовой переход означает изменение уровня звукового давления на 6 дБ, красный — самый громкий

Как «выглядит» интерференция в жизни? Возьмем две небольшие колонки, скажем, с 5“ динамиками и поставим рядом (рис. 6).

Теперь сдвинем одну из колонок на 17 см (как раз половину длины волны) назад (рис.7).






Рис.7. Два громкоговорителя, один из которых сдвинут на 17 см назад, частота 1 кГц
Рис.7. Два громкоговорителя, один из которых сдвинут на 17 см назад, частота 1 кГц
Максимум сместился вправо, и напротив громкоговорителей теперь минимум — на 18 дБ тише, чем в первом случае. На более высоких частотах, где длина волны меньше, достаточно меньшего смещения. Примерно это и происходит при неправильном или небрежном соединении громкоговорителей в кластер.
Уровень звукового давления (Sound Pressure Level, SPL) — логарифмическая величина, используемая для того, чтобы сузить диапазон значений звукового давления. Звуковое давление (линейная величина) измеряется в паскалях (Па) и изменяется обычно в пределах от 0.00002 Па (минимальный слышимый звук) до 20 Па (болевой порог). Пользоваться такими единицами не всегда удобно, поэтому ввели децибелы — относительные единицы. За 0 дБ приняли минимальный слышимый звук, и любой другой звук стали сравнивать с ним:
SPL=20 log p/p0, где p0 – минимальный слышимый звук, р – «измеряемый» звук.
В децибелах болевой порог – 120 дБ:
20 log (20/0.00002)=20 (log 1 000 000)=20*6=120 дБ. Шкала получается гораздо меньше, однако с ней надо быть осторожными: нельзя складывать децибелы как обычные числа. Увеличение звукового давления в два раза соответствует увеличению уровня на 6 дБ, т.е. в той точке, куда одинаковый сигнал от двух колонок приходит в фазе, уровень звукового давления увеличивается на 6 дБ. Звуковое давление от двух некореллированных источников равной громкости (скажем, два проезжающих автомобиля) на 3 дБ больше, чем от одного.

Рис.8. Сферическая волна
Рис.8. Сферическая волна
Распространение звука. Посмотрим теперь, что происходит со звуком на открытом воздухе. На распространение звука в пространстве влияют разные факторы: поглощение в воздухе, которое зависит от температуры и влажности, ветер, изменение температуры с высотой, а также форма волнового фронта.
Если источник звука мал по сравнению с длиной волны (такой источник называется точечным), то он излучает ненаправленно, одинаково во все стороны. Волновой фронт от такого источника имеет форму сферы (рис. 8). Как видно из рисунка, площадь сферы увеличивается в четыре раза при удвоении расстояния от источника. Излучаемая энергия остается неизменной, но при удалении от источника распределяется на все большую и большую площадь. Соответственно, при увеличении расстояния от источника в два раза, энергия уменьшается в четыре раза. Энергия, или мощность акустической волны пропорциональна квадрату звукового давления (как в электричестве — мощность пропорциональна квадрату напряжения), поэтому звуковое давление уменьшится в два раза, или на 6 дБ. Отсюда важное и полезное правило: при удвоении расстояния от источника уровень звукового давления падает на 6 дБ, причем обусловлено это исключительно формой волнового фронта. Работает правило, повторю, для ненаправленных источников, т.е. линейные массивы и звуковые колонны ему не подчиняются как минимум на высоких частотах.

Рис.9. Уменьшение уровня звукового давления с увеличением расстояния
Рис.9. Уменьшение уровня звукового давления с увеличением расстояния

На рис.9 показано уменьшение уровня звукового давления с увеличением расстояния. Удобно помнить, что примерно на расстоянии 30 м уровень звукового давления падает на 30 дБ. 30 м — типичная длина зала для театров или ДК, а также расстояние до пульта на больших концертах. Поэтому если кто-то потребует 110 дБ у микшерного пульта, можно легко себе представить, каково придется слушателям в передних рядах.

К -6 дБ с удвоением расстояния добавляется поглощение звука в воздухе

. Высокие частоты поглощаются намного сильнее низких (рис.10).







Рис.10. Поглощение звука в воздухе в дБ на 100 м при температуре 15°C и относительной влажности больше 50%
Рис.10. Поглощение звука в воздухе в дБ на 100 м при температуре 15°C и относительной влажности больше 50%


Температура воздуха влияет на скорость звука — чем выше температура, тем больше скорость (рис.11). Диапазон изменений небольшой, но его полезно иметь в виду при настройке линий задержки на больших расстояниях: если температура заметно меняется, возможно, время задержки придется корректировать.


Рис.11. Изменение скорости звука в воздухе в зависимости от изменения температуры
Рис.11. Изменение скорости звука в воздухе в зависимости от изменения температуры
При прохождении через слои воздуха разной температуры происходит преломление звуковых лучей — волны меняет направление распространения, как свет при прохождении границы между водой и воздухом. Этот эффект называется температурной рефракцией и довольно заметен, например, на открытых концертных площадках зимой, когда теплый воздух вокруг зрителей заставляет звуковые волны отклоняться наверх (рис.12).



Рис.12. Температурная рефракция
Рис.12. Температурная рефракция


Похожий эффект создает ветер. Скорость ветра у земли небольшая и возрастает с высотой. Звук, распространяющийся против ветра, отклоняется вверх, по направлению ветра — вниз, огибая таким образом препятствия (рис.13).





Рис.13. Два громкоговорителя, один из которых сдвинут на 17 см назад, частота 1 кГц
Рис.13. Два громкоговорителя, один из которых сдвинут на 17 см назад, частота 1 кГц

Ответы к тесту:

1. б
2. а
3. б
4. в
5. б
6. а
7. а
8. в
9. в
10. б.


Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Меня зовут Николай Лукьянов, я профессиональный звукорежиссер. Родился и вырос в Риге, там и начался мой путь в музыке. Джаз/госпел/фанк/асид джаз/хард рок/рок оперы/ симфонические оркестры – в каких сферах я только не работал.
В 2010 году перебрался в Россию, где и продолжил свою профессиональную карьеру.
Примерно 6 лет работал с группой Tesla Boy, далее – с Triangle Sun, Guru Groove Foundation,
Mana Island, Horse Power Band. Резидент джазового клуба Алексея Козлова.
А сейчас я работаю с группой «Ночные Снайперы».

Новая серия радиосистем FBW A

Новая серия радиосистем FBW A

Компания FBW представляет серию A – профессиональные радиосистемы начального ценового сегмента с большим выбором приемников и передатчиков в диапазоне частот 512 – 620 МГц.
Все модели предлагают высокий уровень сервисных возможностей. Это 100 частотных каналов, наличие функции AutoScan, три уровня мощности передатчика 2/10/30 МВт, три уровня порога срабатывания шумоподавителя squelch.  Доступны два вида ручных радиомикрофонов A100HT и A101HT, отличающихся чувствительностью динамического капсюля.

Universal Acoustics  в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем  российского производства

Universal Acoustics в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем российского производства

Московский Художественный академический театр имени М. Горького – театр с большой историей. В ноябре прошлого (2022) года он открыл двери после полномасштабной реконструкции. Разумеется, модернизация затронула и систему звукоусиления. В ходе переоснащения известный российский производитель акустических систем Universal Acoustics получил возможность протестировать свою продукцию в режиме реальной театральной работы. На тест во МХАТ имени Горького были предоставлены линейные массивы T8, звуковые колонны Column 452, точечные источники X12 и сабвуферы T18B.

Новая серия радиосистем FBW A

Новая серия радиосистем FBW A

Компания FBW представляет серию A – профессиональные радиосистемы начального ценового сегмента с большим выбором приемников и передатчиков в диапазоне частот 512 – 620 МГц.
Все модели предлагают высокий уровень сервисных возможностей. Это 100 частотных каналов, наличие функции AutoScan, три уровня мощности передатчика 2/10/30 МВт, три уровня порога срабатывания шумоподавителя squelch.  Доступны два вида ручных радиомикрофонов A100HT и A101HT, отличающихся чувствительностью динамического капсюля.

Universal Acoustics  в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем  российского производства

Universal Acoustics в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем российского производства

Московский Художественный академический театр имени М. Горького – театр с большой историей. В ноябре прошлого (2022) года он открыл двери после полномасштабной реконструкции. Разумеется, модернизация затронула и систему звукоусиления. В ходе переоснащения известный российский производитель акустических систем Universal Acoustics получил возможность протестировать свою продукцию в режиме реальной театральной работы. На тест во МХАТ имени Горького были предоставлены линейные массивы T8, звуковые колонны Column 452, точечные источники X12 и сабвуферы T18B.

«Торнадо» в день «Нептуна»

«Торнадо» в день «Нептуна»

2019 год стал для компании Guangzhou Yajiang Photoelectric Equipment CO.,Ltd очень богатым на новинки световых приборов. В их числе всепогодные светодиодные поворотные головы высокой мощности: серии Neptune, выпускаемые под брендом Silver Star, и Tornado – под брендом Arctik.

Panasonic в Еврейском музее

Panasonic в Еврейском музее

Еврейский музей и центр толерантности открылся в 2012 году в здании Бахметьевского гаража, построенного по проекту архитекторов Константина Мельникова и Владимира Шухова. Когда этот памятник конструктивизма передали музею, он представлял собой практически развалины. После реставрации и оснащения его новейшим оборудованием Еврейский музей по праву считается самым высокотехнологичным музеем России.
О его оснащении нам рассказал его IT-директор Игорь Авидзба.

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Меня зовут Николай Лукьянов, я профессиональный звукорежиссер. Родился и вырос в Риге, там и начался мой путь в музыке. Джаз/госпел/фанк/асид джаз/хард рок/рок оперы/ симфонические оркестры – в каких сферах я только не работал.
В 2010 году перебрался в Россию, где и продолжил свою профессиональную карьеру.
Примерно 6 лет работал с группой Tesla Boy, далее – с Triangle Sun, Guru Groove Foundation,
Mana Island, Horse Power Band. Резидент джазового клуба Алексея Козлова.
А сейчас я работаю с группой «Ночные Снайперы».

Universal Acoustics  в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем  российского производства

Universal Acoustics в МХАТе имени Горького. Длительный тест акустических систем российского производства

Московский Художественный академический театр имени М. Горького – театр с большой историей. В ноябре прошлого (2022) года он открыл двери после полномасштабной реконструкции. Разумеется, модернизация затронула и систему звукоусиления. В ходе переоснащения известный российский производитель акустических систем Universal Acoustics получил возможность протестировать свою продукцию в режиме реальной театральной работы. На тест во МХАТ имени Горького были предоставлены линейные массивы T8, звуковые колонны Column 452, точечные источники X12 и сабвуферы T18B.

Звуковой дизайн. Ряд звуковых событий, созданных  в процессе коллективного творчества

Звуковой дизайн. Ряд звуковых событий, созданных в процессе коллективного творчества

Что вообще такое – звуковой дизайн, который и должен стать мощной частью выразительных средств современного театра? С этими вопросами мы обратились к звукоинженеру/саунд-дизайнеру Антону Фешину и театральному композитору, дирижеру, режиссеру и преподавателю ГИТИСа Артему Киму.

Мониторинг. Урок 18. Активные контрольные комнаты

Мониторинг. Урок 18. Активные контрольные комнаты

Не следует путать новые возможности дизайна активных помещений с «поддерживаемой реверберацией», которая с 1950-х годов использовалась в Королевском фестивальном зале (Royal Festival Hall), а позже в студиях «Лаймхаус» (Limehouse Studios). Это были системы, использующие настраиваемые резонаторы и многоканальные усилители для распределения естественных резонансов до нужной части помещения.

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Меня зовут Николай Лукьянов, я профессиональный звукорежиссер. Родился и вырос в Риге, там и начался мой путь в музыке. Джаз/госпел/фанк/асид джаз/хард рок/рок оперы/ симфонические оркестры – в каких сферах я только не работал.
В 2010 году перебрался в Россию, где и продолжил свою профессиональную карьеру.
Примерно 6 лет работал с группой Tesla Boy, далее – с Triangle Sun, Guru Groove Foundation,
Mana Island, Horse Power Band. Резидент джазового клуба Алексея Козлова.
А сейчас я работаю с группой «Ночные Снайперы».

Живой звук. РА для концертирующих музыкантов. Часть IX

Живой звук. РА для концертирующих музыкантов. Часть IX

Автоматизация и MIDI

В современных условиях приходится работать с большим количеством источников звука, что может вывести процесс управления из-под контроля. Автоматизация помогает снизить нагрузку на звукоинженера.
Как уже упоминалось ранее, система MIDI была стандартизирована в 1983 году. Суть MIDI заключается в том, что она позволяет приборам обмениваться между собой разнообразной информацией.


Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Николай Лукьянов: звукорежиссура – дело всей жизни

Меня зовут Николай Лукьянов, я профессиональный звукорежиссер. Родился и вырос в Риге, там и начался мой путь в музыке. Джаз/госпел/фанк/асид джаз/хард рок/рок оперы/ симфонические оркестры – в каких сферах я только не работал.
В 2010 году перебрался в Россию, где и продолжил свою профессиональную карьеру.
Примерно 6 лет работал с группой Tesla Boy, далее – с Triangle Sun, Guru Groove Foundation,
Mana Island, Horse Power Band. Резидент джазового клуба Алексея Козлова.
А сейчас я работаю с группой «Ночные Снайперы».

Звуковой дизайн. Ряд звуковых событий, созданных  в процессе коллективного творчества

Звуковой дизайн. Ряд звуковых событий, созданных в процессе коллективного творчества

Что вообще такое – звуковой дизайн, который и должен стать мощной частью выразительных средств современного театра? С этими вопросами мы обратились к звукоинженеру/саунд-дизайнеру Антону Фешину и театральному композитору, дирижеру, режиссеру и преподавателю ГИТИСа Артему Киму.

Как сделать мюзикл, чтобы он стал лучшим

Как сделать мюзикл, чтобы он стал лучшим

Звукорежиссер и саунд-продюсер Олег Чечик в профессии более тридцати лет.
В 2010 году, имея значительный опыт работы в студии и на концертах, он принял предложение Московского театра оперетты поработать над мюзиклом, потом взялся еще за один, затем за третий.
В результате один из них, «Монте-Кристо», в 2014 году был признан лучшим в мире, а другой, «Анна Каренина», был представлен не только в киноверсии, но и в виде уникального приложения.
«Шоу-Мастер» расспросил Олега о том, где и как он работает,
почему мюзиклы требуют особого подхода и в чем заключался его вклад в создание мюзиклов.
«

Прокат как бизнес. Попробуем разобраться

Прокат как бизнес. Попробуем разобраться

Андрей Шилов: "Выступая на 12 зимней конференции прокатных компаний в Самаре, в своем докладе я поделился с аудиторией проблемой, которая меня сильно беспокоит последние 3-4 года. Мои эмпирические исследования рынка проката привели к неутешительным выводам о катастрофическом падении производительности труда в этой отрасли. И в своем докладе я обратил внимание владельцев компаний на эту проблему как на самую важную угрозу их бизнесу. Мои тезисы вызвали большое количество вопросов и длительную дискуссию на форумах в соцсетях."

Словарь

Обрезной фильтр HPF

(high pass filter) - устройство, подавляющее сигнал низкочастотного диапазона и не влияющее на высокочастотный

Подробнее