Акустические расчеты для практиков


Максим Аджигитов,
ведущий инженер
по акустике ГК DIGIS



Кажется, что тема компьютерных акустических расчетов среди профессионалов
в области звука никогда не исчерпает себя.
Несмотря на то, что фундаментальная наука не претерпевает изменений,
а математические модели улучшаются эволюционно, среди коллег встречаются
как совершенно разные взгляды на акустическое моделирование в целом,
так и, порой противоположные трактовки одних и тех же абсолютных величин.
Я не ставлю перед собой цель развенчать все существующие мифы,
плотно окутавшие эту область нашей работы, и разделить всех
на правых и заблуждающихся, скорее предлагаю интересующимся повод
для осмысления, а в лучшем случае и нового понимания уже известных понятий.
И конечно, хочется поделиться собственным опытом и взглядами
на моделирование звуковых волн и обозначить подводные камни,
омываемые и сглаживаемые виртуальностью этих волн.
Так что я отказываюсь от претензий на абсолютную истину в надежде,
что изложенная информация не покажется читателю праздными рассуждениями,
а принесет пользу и в ментальном, и в практическом плане.



Не имеет определяющего значения, какой именно программной средой вы пользуетесь для моделирования: простеньким двумерным калькулятором от производителя линейного массива или полновесным акустическим симулятором. Помимо точности построения модели важно лишь одно – как проанализировать и интерпретировать полученные результаты. Ведь различие между быстрой калькуляцией «на коленке» и воссозданием полной модели помещения состоит по сути лишь в количестве характеристик, которые вы получаете по итогам расчета.

Не в правильности или большей точности, а именно в количестве расчетных диаграмм, тех, которые в первом случае инженер должен домыслить на основе одной-двух полученных, а во втором – перебрать все, проанализировать и снова предугадать их реальное влияние на ожидаемый результат. Остальное – вкусовщина, под которую подтягиваются разные аргументы, убедительные и не очень.


В наших руках…
Очевидно, что на большинстве реальных объектов акустические условия для инженера – это данность. И счастлив тот, кто может позволить себе, например, завесить окна плотной шторой перед мероприятием или перед сдачей объекта. А тех, кому ради качества звука позволено вмешаться в архитектуру помещения, и вовсе единицы. Теперь, благодаря нашим новым экономическим реалиям, такие весьма затратные статьи бюджета, как акустическое проектирование, и вовсе вычеркиваются из списка работ даже там, где кажутся специалисту необходимыми.

Если быть откровенным, то необходимость подобных жертв – не новость для индустрии. И до этого нередки были случаи, когда при акустическом моделировании в руках инженера была  только возможность выбора громкоговорителей, угла наклона и точки подвеса. И то выбор последней – тоже привилегия.

Ну что ж, и этими средствами вполне реально достичь приемлемого результата и выполнить требования всевозможных стандартов: направленность громкоговорителя во многом определяет время реверберации RT60 (разумеется, не статистическое, а именно измеренное) и характеристики Clarity, места расположения источников звука – интерференционную картину и STI. И формула успеха здесь проста – четкое понимание связи двух частей этого уравнения, в одной части которого ваши действия, в другой – полученная диаграмма.


Рис. 1. Визуализация расчетной 3D-модели театрального зала

Рис. 1. Визуализация расчетной 3D-модели театрального зала


Вперед в прошлое
Анализ акустических условий принято начинать со знакомого всем времени реверберации. И под этим понятием чаще всего имеется в виду то, что в советской литературе называлось «временем стандартной реверберации», то есть рассчитываемой в соответствии со статистической теорией по формулам Эйринга или Сэбина величиной. А одним из основных в статистической теории является условие диффузного и равномерного звукового поля.

Если адаптировать к реальности – расчет предполагает, что материалы отделки распределены по помещению равномерно и в каждой точке поля время затухания звуковой энергии одинаково. Это справедливо для реверберационной камеры, представляющей собой бетонную коробку, или, например, для храма. Кстати, именно на основании многократных измерений в храмах и соборах Уоллес Сэбин эмпирическим путем вывел свою знаменитую формулу. При расчете по ней вполне  возможно получить RT60, равное 40 секундам. Очевидно, что это далеко от реальности настолько же, насколько мала вероятность одинаковой звуковой картины в каждой точке помещения, особенно при условии использования направленных излучателей звука.


Рис.2. Интерфейс 2D-калькулятора линейных массивов JBL


Рис.2. Интерфейс 2D-калькулятора линейных массивов JBL



Если мы имеем дело с открытой футбольной ареной, то во многом статистические расчеты соответствуют действительности – все же распределение материалов там приближено к равномерному. А насколько им можно верить, когда речь идет о театре или концертном зале, где зрительный зал и сценическое пространство являются по сути двумя сопряженными помещениями с разными акустическими условиям? Если и можно, то с великой осторожностью. И тут помочь может только собственный опыт и сравнение с измеренным RT60 на подобных объектах со схожим объемом.

Здесь на помощь приходит, конечно, комплексное моделирование звукового поля, учитывающее характеристики излучателя, расположение материалов в помещении и многое другое. А самое важное, что такой расчет возможно провести в заданных контрольных точках. По итогам такого моделирования можно получить избыточное количество диаграмм, характеризующих разные параметры звукового поля, однако лишь часть у них зафиксированы в стандартизирующих документах, а некоторые и вовсе являются экспериментальными. На них и хотелось бы подробно остановиться.


Рис. 3. Расчет уровня звукового давления на 3D-модели трибуны стадиона

Рис. 3. Расчет уровня звукового давления на 3D-модели трибуны стадиона


Рис. 4. Пример инсталляции линейного массива JBL в существующем зале

Рис. 4. Пример инсталляции линейного массива JBL в существующем зале




Буква закона
Обратимся к ситуации, когда в техническом задании четко прописаны качественные характеристики звука и при сдаче объекта необходимо им соответствовать. Самый яркий пример такого объекта – футбольный стадион, предназначенный для проведения международных матчей под эгидой FIFA или UEFA. Помимо требования к неравномерности частотной характеристики, достичь которой можно простыми техническими средствами, определяющим критерием для подобных объектов является среднеквадратический и пиковый уровень звукового давления (SPL, Sound Ressure Level), взвешенного по кривой А.

Нет ничего проще, чем взять самый мощный громкоговоритель, поместить его на высоте 30-40 метров над трибунами и получить на диаграмме звукового давления рекордные 115, а то и 120 dB SPL. Гарантирует ли это получение таких же значений в реальности на объекте? Как и во всем остальном, сама по себе диаграмма не гарантирует ничего.
Это отсылает нас к паспортным характеристикам громкоговорителя. Максимальный SPL, приведенный там, нередко является не измеренным, а попросту рассчитанным, исходя из допустимой мощности по стандарту IEC 268-5 и чувствительности.


Рис.5. Погрешность статистического расчета RT60 по формуле Эйринга


Рис.5. Погрешность статистического расчета RT60 по формуле Эйринга



Попробуйте самостоятельно перемножить эти величины (их абсолютные значения) и получите паспортное давление, уровень которого указан как максимальный SPL. А вот развивается ли этот SPL на практике – не факт, даже при подаче большей мощности. И вряд ли производитель станет утверждать, что вы точно получите эти показатели на практике. Единственно верный в этом случае шаг – иметь запас по уровню давления, самостоятельно определив, какой именно запас будет достаточен. Опять же, поможет только опыт.


Второй важнейший критерий – это STI (Speech Transmission Index, Индекс Передачи Речи), рассчитываемый, а впоследствии измеряемый обычно по алгоритму STI-PA в соответствии со стандартом IEC 60268-16 от 2011 г. Этот критерий, пожалуй, наиболее прозрачен, и связь его расчетных и практически достижимых показателей действительно прослеживается отчетливо. Более того, если отдельно анализировать график модуляционной передаточной функции (MTF), на основании которой он рассчитывается, то можно составить в голове картину передачи не только речи, но и другого программного материала, притом в зависимости от его темпа раздельно по октавным полосам.

Конечно, не стоит забывать, что гармонические искажения звукового тракта и его элементов, не заложенные в математическую модель расчета, также внесут корректировку в конечный результат, и вряд ли в сторону увеличения значения STI. Но, во всяком случае, при правильном построении модели этому расчету вполне можно доверять. Вообще, методика расчета и интерпретации STI – это достаточно объемная тема и заслуживает отдельного рассмотрения, но она довольно подробно описана в соответствующих документах и специализированных статьях, с которыми стоит ознакомиться любому специалисту в области профессионального звука.

Рис.6. Сравнение рассчитанного статистического и измеренного на реальном объекте RT60 (аппроксимация из T10, T20, T30)


Рис.6. Сравнение рассчитанного статистического и измеренного на реальном объекте RT60 (аппроксимация из T10, T20, T30)



На дне ящика с инструментами
Очевидно, что важность правильного расчета SPL и STI сложно переоценить, поскольку эти параметры стандартизированы и, как следствие, могут быть измерены, объективно оценены и сопоставлены с обещанными клиенту. Помимо них, конечно, существует еще ряд интересных параметров. Среди них группа параметров под общим названием Clarity (ясность, четкость), состоящая из C7, C50 и C80.

Существует исследование, частично подтвержденное практически, что соотношение звуковой энергии раннего участка реверберации и последующей его части определяет субъективное восприятие. Чем меньше энергия позднего участка реверберационного отзвука относительно энергии раннего, тем лучше восприятие звучания. Разное время разделения раннего и позднего участков будет влиять на то, какой именно субъективный критерий восприятия будет оценен.

Так, если разбить график спада энергии по времени на интервалы от 0 до 7 мс и от 7 мс до окончания RT60, мы можем предсказать, насколько правильной будет локализация фантомного источника. Если изменить время разделения на 50 мс, то таким параметром, обозначенным как C50, можно оценить разборчивость, а если на 80 мс, то прозрачность. Проведение таких расчетов тоже вполне уместно, тем более что существуют программы для акустических измерений, которые позволяют получить значения Clarity пересчетом из реальных импульсных откликов помещения.

Однако разделение по времени выглядит весьма условным, ведь два интенсивных отражения, прибывших в точку измерения через 47 мс после прямого звука и через 51 мс, вряд ли оказывают противоположное влияние на разборчивость. А если взглянуть чуть глубже, неплохо бы учесть еще и форму огибающей спада звуковой энергии, ведь наличие эхо-сигнала в пределах первых 50 мс, получается, повысит значение разборчивости. А на практике сделает ее абсолютно неприемлемой. С этой точки зрения предпочтительнее в качестве критерия разборчивости смотрится тот же STI, но наверняка найдется несогласный и с этим утверждением. И будет прав – единственного критерия, избыточно и без проверок и уточнений характеризующего качество передачи речи, не найти.


Рис.7. Импульсный отклик помещения во временной области и его пересчет в MTF


Рис.7. Импульсный отклик помещения во временной области и его пересчет в MTF




Импульс

В завершение этой темы стоит процитировать доктора В. Анерта, автора одного из самых популярных программных акустических симуляторов и массы трудов по акустике и звукоусилению: «Поскольку рефлектограммы все равно необходимы, проще получить нужную информацию из них». И не согласиться трудно, ведь лучший показатель того, как именно энергия будет спадать в заданной точке, это рефлектограмма, по сути, являющаяся визуализацией виртуального импульсного отклика системы звукоусиления и помещения с представлением каждого отражения в виде дельта-функции.  А с помощью различных преобразований из импульсного отклика, как известно, можно пересчитать любой из существующих параметров.


В любом случае даже при анализе рефлектограммы и импульсного отклика нельзя отрываться от попыток предсказания любых вероятных внешних влияний, которые система может испытать после фактического запуска. Ведь самая большая и распространенная ошибка – это восприятие акустического расчета в отрыве от существующих реальных условий, невнимание к подобным подводным камням и стопроцентная слепая вера в то, что расчет врать не может.

И действительно не может – он не более чем инструмент в руках пользователя, который, в свою очередь, обязан держать в голове все, кроме того, что делает программа. И вопреки распространенному мнению, что требования к знаниям человека значительно снизились с передачей всех расчетов машине, управление этой самой машиной требует значительно большей скорости анализа всех сопутствующих факторов, правильной реакции на них и дара предсказания будущего.

Остается добавить, что все многочисленные нюансы, разрывающие теорию и практику построения систем звукоусиления, сложно предсказуемы, и, конечно же, я перечислил здесь далеко не все из них. Но хочется верить, что некоторые на первый взгляд риторические вопросы, поднятые в этой статье, найдут ответы в разуме каждого специалиста, и глубокое понимание сути акустических расчетов даст вам новые инструменты для достижения предсказуемо отличного качества звука и на картинке, и на объекте.

 

Презентация пульта Midas
pdf "Шоумастера" № 4 2018 (95)

pdf "Шоумастера" № 4 2018 (95)


Panasonic и музей РЖД

Владимир Дунькович: Системы управления сценической механикой.

Синхронизация. Новый уровень шоу. OSC для шоу

Максим Коротков о реалиях с MAX \ MAX Productions

Константин Герасимов: дизайн — это технологии

Алексей Белов: Главный в нашем клубе — музыкант

Роберт Бойм: Я благодарен Москве и России — мою работу тут слушают и понимают




pdf "Шоумастера" № 3 2018 (94)

pdf "Шоумастера" № 3 2018 (94)


Четыре концерта с одной консоли в Мюнхенской филармонии Гаштайг

20 лет Universal Acoustics: история с продолжением

Беспроводные решения Astera на российском рынке

OKNO-AUDIO и семь стадионов

Илья Лукашев о звукорежиссуре

Simple Way Ground Safety — безопасность на сцене

Александр Фадеев: путь начинающего художника по свету

Что такое райдер и как его составлять

Дурацкий способ обработать бочку

pdf "Шоумастера" № 2 2018

pdf "Шоумастера" № 2 2018

Скачивайте pdf-версию"Шоумастера" № 2 2018 (93)!

 

Panasonic в Еврейском музее и центре толерантности

Концерты «БИ-2» с оркестром: передвижная готика

Дмитрий Кудинов: счастливый профессионал

Звукорежиссеры Владислав Чередниченко и Лев Ребрин

Свет в туре Ивана Дорна «OTD»

Шоу Ани Лорак «Дива»: Илья Пиотровский, Александр Манзенко, Роман Вакулюк,

Андрей Шилов. Прокат как бизнес

 

Matrex – здание для производства идей

Matrex – здание для производства идей

Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.

Matrex – здание для производства идей

Matrex – здание для производства идей

Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.

Matrex – здание для производства идей

Matrex – здание для производства идей

Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.

Большой сет «Маленького человека»

Большой сет «Маленького человека»

Всему, что знаю, я научился самостоятельно. Читал, наблюдал, пробовал, экспериментировал, совершал ошибки, переделывал заново. Никто меня не учил. В то время в Литве не было никаких специальных учебных заведений, в которых обучали бы работе со световым оборудованием. Вообще, я считаю, что научиться этому нельзя. Чтобы стать художником по свету, нужно иметь что-то такое «внутри» изначально. Можно научиться работать с пультом, программированию, можно выучить все технические характеристики, но вот научиться творить нельзя.

Matrex – здание для производства идей

Matrex – здание для производства идей

Общественно-деловой центр Matrex в Сколково по праву станет одним из новых символов Москвы, причем не только в архитектурном, но и в техническом аспекте. Новейшие мультимедийные системы и решения, опережающие время, делают Matrex уникальным.

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.

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."

Борьба не за жизнь, а за звук. Как устранить помехи и наводки в звуковых трактах

Борьба не за жизнь, а за звук. Как устранить помехи и наводки в звуковых трактах

Одной из существенных проблем, с которой сталкиваются звукорежиссеры и инженеры, — это всевозможные помехи и наводки, возникающие в условиях студий и концертных площадок. Опишу самые распространенные механизмы их возникновения и методы борьбы с ними.

Кто формирует райдер?

Кто формирует райдер?


Тема нашей сегодняшней публикации «Как и кто формирует райдерность оборудования».
Это совместный проект «Клуба прокатчиков шоу-технологий» (см. страницу на Фейсбуке)
и сайта www.show-master.ru. На этих ресурсах, а также в сети Colisium были проведены опросы,
их результаты – ниже. Участники «Клуба прокатчиков шоу-технологий» активно обсуждали эту тему.
Мы предложили ответить на несколько вопросов специалистам, которые уже не один годв нашем бизнесе,
и их мнение, безусловно, будет интересно нашим читателям. 

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."

Форум

Словарь

Uniformity

(равномерность освещенности) - равномерность распределения освещенности на экране выражается в процентном отношении минимальной освещенности (на периферии изображения) к максимальной (в его центре). В современных проекторах равномерность...

Подробнее