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.

 

Prolight+Sound Frankfurt 2020
The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

Съемочная группа развлекательного шоу The Tonight Show Starring Jimmy Fallon под руководством режиссера освещения Фреда Бока с этого сезона уже вовсю пользуется осветительными приборами TurboRay в своей нью-йоркской студии. Поэтому когда шоу отправилось на съемки в техасский город Остин, в комплект осветительного оборудования для концертного зала Bass Concert Hall были включены 24 светодиодных прожектора заливающего света со спецэффектами.

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

В театр «Школа современной пьесы» попал в 2007 году. Начал работу в должности осветителя, а с 2012 года и по настоящее время являюсь начальником осветительного цеха и художником по свету. В 2013 году из-за пожара мы потеряли здание на Неглинной улице и несколько лет существовали в гастрольном режиме. После реконструкции мы вернулись в основное здание. На площадке еще идут пусконаладочные работы. Мы восстанавливаем спектакли, прописываем и адаптируем их под новое помещение.

Миша Чернявский: свет без границ

Миша Чернявский: свет без границ

Миша Чернявский: 
Я считаю, театральная сцена должна быть правильно оснащена. Должен быть нормальный фронтальный свет с осветительными ложами и мостом, иногда дальним мостом в проеме центрального балкона. Обязательно должно быть несколько видов аппаратуры на фронте. Если нужен небольшой Spot, должны быть профильные прожектора с зумом, которые могут давать и очень узкий луч, и расширенный размытый луч.

Триумфальный дебют инновационной технологии MAG MUST на самом большом стадионе Украины

Триумфальный дебют инновационной технологии MAG MUST на самом большом стадионе Украины

MAG MUST (в переводе с англ. Multiple Uniform Sound Technology – «Технология Множества Равномерных Звуковых источников») позволит прокатным компаниям использовать только один формат линейного массива вместо нескольких. Благодаря этому оптимизируется хранение, а логистика станет проще. Революционная технология основана на компактном 8-дюймовом линейном массиве MAG WASP, который создает равномерное звуковое покрытие по всей площадке любого размера, будь то бар или целый стадион. 

AKG LYRA. Лира вдохновения для видеоблогеров

AKG LYRA. Лира вдохновения для видеоблогеров

Компания AKG, ведущий производитель профессиональных микрофонов, также решила обратиться к теме интернет-вещания и выпустила модель с названием LYRA, в первую очередь ориентированную на видеоблогеров.

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.

«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.

The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

Съемочная группа развлекательного шоу The Tonight Show Starring Jimmy Fallon под руководством режиссера освещения Фреда Бока с этого сезона уже вовсю пользуется осветительными приборами TurboRay в своей нью-йоркской студии. Поэтому когда шоу отправилось на съемки в техасский город Остин, в комплект осветительного оборудования для концертного зала Bass Concert Hall были включены 24 светодиодных прожектора заливающего света со спецэффектами.

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

В театр «Школа современной пьесы» попал в 2007 году. Начал работу в должности осветителя, а с 2012 года и по настоящее время являюсь начальником осветительного цеха и художником по свету. В 2013 году из-за пожара мы потеряли здание на Неглинной улице и несколько лет существовали в гастрольном режиме. После реконструкции мы вернулись в основное здание. На площадке еще идут пусконаладочные работы. Мы восстанавливаем спектакли, прописываем и адаптируем их под новое помещение.

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.

The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

The Tonight Show в Техасе с участием TurboRay

Съемочная группа развлекательного шоу The Tonight Show Starring Jimmy Fallon под руководством режиссера освещения Фреда Бока с этого сезона уже вовсю пользуется осветительными приборами TurboRay в своей нью-йоркской студии. Поэтому когда шоу отправилось на съемки в техасский город Остин, в комплект осветительного оборудования для концертного зала Bass Concert Hall были включены 24 светодиодных прожектора заливающего света со спецэффектами.

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

В театр «Школа современной пьесы» попал в 2007 году. Начал работу в должности осветителя, а с 2012 года и по настоящее время являюсь начальником осветительного цеха и художником по свету. В 2013 году из-за пожара мы потеряли здание на Неглинной улице и несколько лет существовали в гастрольном режиме. После реконструкции мы вернулись в основное здание. На площадке еще идут пусконаладочные работы. Мы восстанавливаем спектакли, прописываем и адаптируем их под новое помещение.

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.

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.

Синхронизация. Часть VIII RTP-MIDI (Apple MIDI)

Синхронизация. Часть VIII RTP-MIDI (Apple MIDI)

RTP (Real-time Transport Protocol) – протокол высокого уровня, который базируется на UDP, но при этом имеет свои особенности, которые были специально разработаны для стриминга аудио и видео.

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."

Российский производитель  «Театральные Технологические Системы»

Российский производитель «Театральные Технологические Системы»

Виталий Якунин, основатель, генеральный директор компании  «Театральные Технологические Системы», провел для «Шоумастера» экскурсию по отделам и цехам, рассказал о разработках и планах компании, познакомил со специалистами.

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

Павел Бабин, художник по свету театра «Школа современной пьесы»

В театр «Школа современной пьесы» попал в 2007 году. Начал работу в должности осветителя, а с 2012 года и по настоящее время являюсь начальником осветительного цеха и художником по свету. В 2013 году из-за пожара мы потеряли здание на Неглинной улице и несколько лет существовали в гастрольном режиме. После реконструкции мы вернулись в основное здание. На площадке еще идут пусконаладочные работы. Мы восстанавливаем спектакли, прописываем и адаптируем их под новое помещение.

Миша Чернявский: свет без границ

Миша Чернявский: свет без границ

Миша Чернявский: 
Я считаю, театральная сцена должна быть правильно оснащена. Должен быть нормальный фронтальный свет с осветительными ложами и мостом, иногда дальним мостом в проеме центрального балкона. Обязательно должно быть несколько видов аппаратуры на фронте. Если нужен небольшой Spot, должны быть профильные прожектора с зумом, которые могут давать и очень узкий луч, и расширенный размытый луч.

Российский производитель  «Театральные Технологические Системы»

Российский производитель «Театральные Технологические Системы»

Виталий Якунин, основатель, генеральный директор компании  «Театральные Технологические Системы», провел для «Шоумастера» экскурсию по отделам и цехам, рассказал о разработках и планах компании, познакомил со специалистами.

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

S/PDIF

S/PDIF (или S/P-DIF — Sony/Philips Digital Interface (или Interconnect) Format) - совокупность спецификаций протокола низкого уровня и аппаратной реализации, описывающих передачу цифрового звука между различными компонентами аудиоаппара...

Подробнее