Измерение времени ранних отражений звука в музыкальных залах

Константин Бабаян, Сергей Иванов, Игорь Янин

Введение

В нашей предыдущей статье («Звукорежиссер» 6/2003, с. 40…43) рассматривался спектр собственных частот оперного театра, полученный при помощи анализа импульсного отклика зала с использованием быстрого преобразования Фурье. Идеального воздействия, подобного математической дельта-функции, в воздушном пространстве получить невозможно вследствие вязко-упругих свойств воздуха. Нами была предпринята попытка записать реальное импульсное воздействие в виде резкого хлопка ладоней.

Рис. 1

Рис. 2

Многие звукорежиссеры тестируют зрительный зал с помощью хлопков ладоней, пытаясь оценить акустические свойства зала. Каковы акустические свойства такого воздействия?

На рисунке 1 показана цифровая запись звукового давления хлопка непосредственно рядом с руками человека (частота дискретизации 96 кГц). Хлопок представляет собой быстро затухающий колебательный процесс длительностью менее 5 мс, время затухания не превышает 15 мс. Короткой передний фронт длительностью менее 2 мс позволяет звукорежиссеру услышать первые отражения от стен зала.

Спектрограмма хлопка показана на рисунке 2 (по оси абсцисс — время в секундах, а по оси ординат — частота в герцах). Красный цвет соответствует максимальной мгновенной мощности звука, практически вся энергия хлопка сосредоточена в интервале 2 мс. Желтый цвет (его мощность меньше, чем красного) показывает, что звуковая энергия достаточно равномерно распределена в диапазоне от 1 до 15 кГц. Основная часть энергии хлопка сосредоточена в диапазоне от 200 до 700 Гц (черный цвет на спектрограмме). Спектр мощности звука в этом диапазоне показан на рисунке 3. Реально при хлопке в зале создается звуковая волна в 500 Гц с периодом, равным 2 мс, и длительностью трех-четырех периодов, приблизительно равной 6…8 мс.

Цифровая запись хлопка позволяет определить моменты первых отражений от стен помещения. Использование звука от выстрела стартового пистолета увеличивает мгновенную мощность звуковой волны и расширяет спектр в сторону более высоких частот.

Первые отражения в импульсном отклике зала

Расцвет архитектуры оперных театров пришелся на стиль барокко, который отличается декором на стенах, мягкими креслами и бархатными драпировками в ложах зала. Это создавало условия для диффузного рассеивания звука барельефами стен и поглощения звука драпировками лож ярусов, мягкими креслами партера, основным занавесом сцены. На фотографиях показаны элементы декора зрительного зала театра Сан Карло (Неаполь): ангел с трубой у королевской ложи, драпировки лож, бархатный занавес, а также виды зрительного зала с разных точек съемок.

Летящий ангел королевской ложи	Портал над сценой
Плафон потолка	Королевская ложа с канделябрами
Открытый занавес сцены	Вид на сцену из зрительного зала

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Государственный академический Мариинский театр

В первом приближении основные ранние отражения приходят от потолка зрительного зала. Для получения интенсивных первых отражений от потолка в ряды лож в зале отсутствует главная люстра, освещение зала осуществляется канделябрами на карнизах лож.

Этим достигается диффузный звук в партере, а в ложах появляются дополнительные яркие первые отражения, сопоставимые по энергии с прямым звуком.

Исследования мгновенной мощности звуковой волны и задержки первых отражений от плафона потолка можно также проводить по импульсному отклику зала. Для этого вычисляется мгновенная мощность импульсного отклика и далее производится скользящее усреднение на временном интервале 5 мс.

На рисунке 4 показана мгновенная мощность звука, достигающего королевской ложи. Можно видеть множественные отражения от потолка и карнизов лож. Главное отражение от потолка приходит с такой же мощностью через 40 мс, позднее отражение приходит через 90 мс.

На рисунке 5 показана мгновенная мощность звука, достигающего партера. Явно выраженные первые отражения отсутствуют; всплеск на 100 мс, по-видимому, производят отражения от задней стены зала.

В других оперных залах рассеивание первых отражений и создание диффузионного звукового поля достигается подвесом большой хрустальной люстры над потолком в центре зала. В этом случае структура первых отражений от потолка оказывается как бы смазанной, но при этом часть звуковой волны над рядами партера рассеивается и направляется вниз, к зрителям, что увеличивает громкость звука в задних рядах партера.

В одном из лучших оперных театров нашей страны Государственном академическом Мариинском театре (г. Санкт-Петербург, архитектор А. К. Кавос, 1847…1849 гг.) в 1884 году петербургским архитектором В. А. Шретером были осуществлены следующие работы. Для достижения максимального коэффициента отражения звуковой волны от потолка зала плафон театрального зала был выполнен из медных листов, прикрепленных к металлическим фермам конструкции потолка.

Вследствие разницы температур в помещении зала и на чердаке, с внешней стороны медные листы покрыты слоем войлока в 5 см для уменьшения поглощения звуковой энергии при отражении от поверхности. Отопление зрительного зала театра осуществляется горячим воздухом, нагретым калориферами, поэтому при падении звуковой волны на металлическую поверхность для большего коэффициента отражения ее температура должна быть близкой к температуре зала. В большинстве театров плафон делается из дерева для создания акустического резонатора подобно деке рояля.

Зависимость стандартного времени реверберации зрительного зала от частоты звука

Фасад театра Сан Карло (Неаполь)

Рассмотренный в предыдущей статье частотный спектр отклика зрительного зала в партере и королевской ложе оперного театра Сан Карло сильно изрезан, на рисунках приводятся усредненные по частоте значения мгновенной мощности звука. Это обусловлено тем, что ухо человека воспринимает спектр с гораздо меньшим разрешением, чем цифровой анализатор Фурье.

Цифровая запись с высоким разрешением импульсного отклика зала оперного театра Сан Карло позволяет по одному измерению построить зависимость стандартного времени реверберации для октавных диапазонов звуковых частот (Acoustical Society of America — The acoustics of the Italian opera house «Teatro di San Carlo» in Naples, Italy. http://www.acoustics.org/press/135th/maffei.htm).

Из частотного спектра импульсного отклика зала, полученного с помощью быстрого преобразования Фурье, последовательно были выделены амплитуды октавных полос спектра с центральными частотами 50, 125, 250, 500, 1000, 2000… Гц.

Для этих амплитуд в частотных полосах было выполнено обратное преобразование Фурье и вычислена мгновенная мощность восстановленного сигнала во времени.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

По относительной скорости затухания мгновенной мощности звуковой волны во времени определялось стандартное время реверберации.

Стандартное время реверберации, измеренное по уменьшению мгновенной мощности звуковой волны на 60 дБ, оказалось равным 1,2 с для кресел в партере и 0,95 с для мест в королевской ложе. Меньшее время реверберации королевской ложи связано с дополнительным поглощением звука драпировками стен ложи.

На рисунке 6 приведены частотные зависимости стандартного времени реверберации от частоты для мест партера и королевской ложи. В диапазоне частот от 1 до 12 кГц время реверберации сохраняет постоянное значение, что соответствует современным рекомендациям для акустических помещений.

Анализ импульсных откликов аудиторий

Аналогичные исследования проводятся в Японии (Yoshimasa Electronic Corporation, http://www.ymec.com/hp/pref2/index.htm) при моделировании концертных и музыкальных залов. Для этих целей там создаются модели залов в 1/10 натуральной величины и проводятся акустические измерения с записью импульсных откликов зала в цифровом виде в компьютер. Проводились эксперименты с различными акустическими материалами, а также исследовалось влияние колонн по периметру зала и различных акустических панелей перекрытий.

Потолок для диффузного отражения звука представлен на фотографии.

Импульсный отклик зала и распределение первых отражений показаны на рисунках 7 и 8. Отчетливо наблюдается первое отражение с задержкой 40 мс. Одновременно была построена зависимость стандартного времени реверберации от частоты (рисунок 9).

Задержка первого отклика от прямого звука влияет на тембровую окраску звука, для разных звуков эта величина непосредственно связана со временем реверберации. Японские исследователи предлагают следующие оптимальные акустические характеристики залов.

Оптимальное время реверберации, как показано в таблице, примерно в 23 раза больше времени задержки первого отражения. Разброс величин как времени реверберации, так и задержки первых отражений связан с различными размерами помещений.

Вид звуков	Диапазон Δt1, мс	Оптимальное время T60, c
Речь	10…40	0,23…0,92
Вокальная музыка	20…60	0,46…1,38
Оркестр	30…80	0,69…1,84
Органная музыка	0…170	2,3…3,91

Заключение

Цифровые методы измерения звуковых волн в помещении позволяют определять с минимальными усилиями основные акустические параметры помещений. Наибольший интерес для акустиков представляет структура первых отражений, создающая объемность звучания в музыкальных залах. Остается неисследованным вопрос о соотношении мгновенных мощностей прямого и отраженного звуков.