Akustyka budowlana. Czas pogłosu. Regulacja – metody elektroniczne cz. II

Z uwagi na to, że coraz częściej jednak sale wyposaża się w systemy wsparcia akustyki oparte na rozwiązaniach elektroakustycznych, to na nich skupimy się tym razem. Dokładniej, przejrzymy współczesne rozwiązania.

W poprzednim artykule zaprezentowałem ogólną koncepcję oraz zasadę działania systemów wsparcia akustyki, które dobrze znać zanim zabierzesz się do czytania tego artykułu. Dodatkowo, w ramach lekcji historii, przedstawiłem pierwsze zastosowane systemy tego typu, by pokazać, w jaki sposób się rozwijały. Tym razem zajrzymy, co aktualnie „jest na półkach”. Systemy przedstawione będą w przybliżeniu w kolejności chronologicznej.

XLNT-MCR

XLNT-MCR jest systemem regeneratywntym. Rozwiązanie to oparte jest na systemie MCR (ang. Multi Channel Reverberation). Pierwowzór został opracowany już w 1969 roku przez N.V. Franssena, i następnie, w latach 80, rozwinięty przez D.H. de Koninga. Jest to jeden z najstarszych systemów elektronicznego wspomagania akustyki na rynku. Zgodnie z założeniami systemów regeneratywnych, działa on opierając się na istniejącym polu pogłosowym w pomieszczeniu.

MCR ma bardzo podobną zasadę działania, jak przedstawiona w poprzednim artykule metoda wspomagania rezonansów (Assisted Resonance). Z technicznego punktu widzenia system wyposażony jest w wiele pętli mikrofon-wzmacniacz-głośnik rozmieszczonych w pomieszczeniu. Ich wzmocnienie jest bardzo niewielkie, dzięki czemu istnieje bardzo małe ryzyko powstawania sprzężeń zwrotnych. Każdy kanał pracuje w wąskim zakresie częstotliwości, co również pomaga uniknąć sprzęgania systemu oraz wpływu na barwę. Z uwagi na zasadę działania z niewielkim wzmocnieniem, w celu podwojenia energii akustycznej, a w efekcie wydłużenia czasu pogłosu, w średniej wielkości pomieszczeniu niezbędne jest około 100 kanałów. Jest to bardzo duża liczba, jednak mimo wszystko mniejsza niż w Assisted Resonance.

We współczesnym rozwiązaniu XLNT-MCR również pracuje wiele pętli. System jest udoskonaleniem wcześniejszego rozwiązania (MCR), z wykorzystaniem nowych odkryć w dziedzinie akustyki, nowych technologii przetwarzania dźwięku oraz oprogramowania. W efekcie, aby osiągnąć podwojenie energii w średniej wielkości pomieszczeniu, wystarczy 10 kanałów, czyli o połowę mniej w porównaniu do standardowego MCR. Systemy MCR oraz XLNT-MCR są zainstalowane w wielu europejskich obiektach, a duńska firma wciąż oferuje swoje rozwiązania.

CARMEN

CARMEN (fr. Contrôle Actif de la Réverbération par Mur virtuel ŕ Effet Naturel – ang. Active Control of Reverberation by Natural Effect Virtual Walls) jest systemem regeneratywnym, którego działanie opiera się na tak zwanej wirtualnej ścianie (ang. Active Virtual Wall).

Wirtualna ściana jest technologią, która ma za zadanie maksymalnie wiernie odzwierciedlać odbicia od ścian i sufitów. W związku z tym wykorzystuje ona zestaw aktywnych „komórek” – zawierających mikrofon, procesor DSP, wzmacniacz oraz głośnik – zlokalizowanych blisko mikrofonów rozmieszczonych na przegrodach. Teoretycznie do stworzenia realnego nowego pola akustycznego niezbędne jest gęste wypełnienie komórkami całej ściany, jednak w praktyce nie jest to potrzebne, by uzyskać właściwy i zadowalający efekt, z uwagi na dobór odpowiednich zestawów głośnikowych.

System Carmen wykorzystuje również układ takich komórek w celu regulacji czasu pogłosu. Mikrofony standardowo zlokalizowane są w odległości około jednego metra od głośników. Takie rozwiązanie nazywa się także systemem reagującym lokalnie (ang. Locally reacting system). W efekcie otrzymuje się naturalnie brzmiący pogłos oraz brak zaburzenia lokalizacji źródła ze sceny.

Ogólnie system ten wykorzystuje od 20 do 30 komórek zainstalowanych na suficie oraz na ścianach, sterowanych za pomocą zewnętrznego kontrolera ze specjalnym oprogramowaniem. Na rysunku 1 przedstawiono schemat budowy takiego systemu. Lokalizacja elementów powinna być dobrze przemyślana i dobrana, w zależności od istniejącego problemu, tak aby współgrała z architekturą pomieszczenia wpływającą na akustykę sali. Ponadto jeżeli rozwiązanie to ma służyć jedynie poprawie wad akustycznych sali, a nie dużej regulacji czasu pogłosu, wystarczy mniejsza liczba układów mikrofon-głośnik.

System Carmen jest na rynku od 1998 roku i został zainstalowany w kilkunastu obiektach. Jednym z nich jest sala Księcia w Grimaldi Forum w Monako. Obiekt to centrum kongresowe, w którym regularnie odbywają się koncerty filharmoniczne i odgrywane są formy baletowe, a także prezentowane sztuki teatralne. W związku z tym niezbędna jest regulacja akustyki sali w celu przystosowania jej do odpowiedniej funkcji. Zainstalowany system zbudowany jest z 29 komórek. Na ścianach znajduje się ich 14, natomiast na suficie kolejne 15. Rysunek 2 przedstawia uzyskiwane w różnych ustawieniach systemu Carmen czasy pogłosu.

ACS

ACS (ang. Acoustical Control System) to system typu In-Line, opracowany przez Berkhouta z Technical University of Delft w Holandii w 1987 roku. Ideą systemu jest wytworzenie wrażenia całkowicie innej przestrzeni poprzez stworzenie nowego pola akustycznego.

System opiera się na podejściu wielokanałowym, wykorzystując matrycę mikrofonów oraz głośników. Rozwiązanie to wykorzystuje standardowo od 12 do 36 mikrofonów umieszczonych w linii blisko źródła dźwięku. Dzięki takiemu zabiegowi zachowuje się właściwości przestrzenne rejestrowanego źródła. Sygnał z mikrofonów przekazywany jest do procesorów dźwięku, które potrafią obsłużyć nawet 96 kanałów wejściowych i drugie tyle kanałów wyjściowych. Procesory wyposażone są w dwie matryce obliczeniowe. Jedna matryca wykorzystywana jest do tworzenia wczesnych odbić. Druga odpowiada za późne odbicia. Daje to bardzo duże możliwości regulacji i generacji parametrów akustycznych przetwarzanego sygnału, gdyż kanały wejściowe i wyjściowe mogą być dowolnie konfigurowane. Elementem emitującym przygotowany dźwięk są głośniki rozmieszczone na powierzchniach ścian oraz sufitów sali. Z uwagi na to, że kanałów wyjściowych może być bardzo dużo, większość głośników emituje zupełnie inne sygnały. Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy działania systemu ACS.

System ten umożliwia nie tylko regulację czasu pogłosu, ponieważ rozwiązanie to wpływa także na odbiór przez słuchacza wczesnych odbić. Ponadto, mimo tego że jest to system In-Line, stwarza możliwość regulacji warunków akustycznych na scenie. Pozwala między innymi na symulację odbić docierających z sali do muzyków.

W przypadku ACS ryzyko powstawania sprzężeń zwrotnych jest niewielkie. Efekt taki uzyskuje się dzięki takim właściwościom jak duża liczba mikrofonów o niewielkim wzmocnieniu, wykorzystanie mikrofonów kierunkowych oraz wykorzystanie głośników kierunkowych, ustawionych w stronę widowni.

Wadą tego systemu jest fakt, że w niektórych przypadkach, aby zainstalować ten system, niezbędna jest dodatkowa adaptacja akustyczna sali w celu skrócenia czasu pogłosu.

Systemy są wykorzystywane głównie w Europie. Mimo to bardzo ciekawym przypadkiem zastosowania sytemu ACS jest Opera House w Sydney. Problemem tej sali był krótki czas wybrzmiewania niskich częstotliwości. Celem tymczasowo zainstalowanego rozwiązania było zwiększenie wartości tego parametru. Ponadto dodatkowym zadaniem było poprawienie warunków akustycznych na scenie. Na rysunku 4 przedstawiono oryginalny czas pogłosu i rezultat działania systemu wspomagania akustyki w funkcji częstotliwości.

Ogólna ocena pomieszczenia przez muzyków oraz słuchaczy była bardzo dobra. Uznali oni, że dźwięk był pełniejszy oraz cieplejszy (występuje w nim więcej składowych o niskich częstotliwościach). Ponadto twierdzili, że niskie częstotliwości są wyraźniejsze oraz łatwiejsze w identyfikacji.

LARES

LARES (ang. Lexicon Acoustic Reinforcement and Enhancement System) jest systemem elektronicznego wspomagania akustyki In-line, opracowanym przez Davida Griesingera z firmy Lexicon w latach 80. XX wieku. Oparty jest na algorytmie wariancji czasowej, czyli zmianie podstawowego czasu opóźnienia o bardzo małe wartości.

Głównym elementem, który odróżnia ten system od pozostałych, jest liczba mikrofonów. W architekturze tego rozwiązania stosuje się od dwóch do czterech mikrofonów o charakterystyce kardioidanej, umieszczonych możliwie blisko źródła dźwięku. Ponadto w skład systemu wchodzą tak zwane banki głośników, czyli zbiór głośników oraz procesor odpowiedzialny za generowanie dodatkowych odbić. Przykładowy schemat takiego rozwiązania został przedstawiony na rysunku 5.

Procesor wykorzystuje wiele jednostek (minimum jedną na głośnik) tworzących pogłos, w efekcie czego do żadnego głośnika nie dochodzi taki sam sygnał. Rezultat ten uzyskuje się dzięki opracowanemu na potrzeby systemu algorytmowi wariancji czasowej. Jednostka pogłosowa zmienia sygnały zarejestrowane przez mikrofony tak, jakby zainstalowanych było znacznie więcej mikrofonów. O liczbie kanałów świadczy liczba wspomnianych jednostek pogłosowych. W efekcie otrzymuje się dużo tańszy system. Co ważne, wykorzystanie algorytmu wariancji czasowej znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia zmian w barwie pogłosu.

Z uwagi na stosunkowo prostą architekturę i niskie koszty system ten jest zainstalowany w bardzo wielu miejscach na świecie.

SIAP

SIAP (ang. System for Improved Acoustical Performance) został zaprojektowany w 1988 roku przez W. Prinssena i M. Holdena w Holandii. Z uwagi na to, że rozwiązanie całkowicie opiera się na dźwięku bezpośrednim, jest to system typu In-line.

Rozwiązanie to również oparte jest na niewielkiej liczbie kanałów wejściowych, czyli mikrofonów umieszczonych w okolicach sceny. Zarejestrowane sygnały są przesyłane do procesora dźwięku. Jest to system wielokanałowy, co oznacza, że procesor na podstawie otrzymanych sygnałów generuje standardowo 32, a w wymagających projektach do 64 niezależnych sygnałów wyjściowych. Sygnały z kanałów są przekazywane na dużą liczbę głośników rozmieszczonych w sali w celu emisji dźwięku wzbogaconego o dodatkowe odbicia.

Dzięki odpowiedniemu umieszczeniu mikrofonów oraz zastosowaniu specjalnych algorytmów system odwzorowuje właściwości przestrzenne dźwięku. W efekcie utrzymana zostaje poprawna lokalizacja źródeł ze sceny.

Ponadto system SIAP jest w stanie obsługiwać kinowe efekty dźwiękowe. Umożliwia dwuwymiarowe sterowanie dźwiękiem (w przestrzeni horyzontalnej) w celu uzyskania dźwięku przestrzennego do wyświetlanego obrazu. Dodatkowo istnieje możliwość sterowania dźwiękiem w przestrzeni horyzontalnej oraz wertykalnej, co można wykorzystać w przypadku projekcji filmów 3D.

W celu uniknięcia negatywnych skutków sprzężenia akustycznego zastosowane są dwa wyżej wymienione czynniki, tj. wielokanałowość oraz algorytm wariancji czasu. W rezultacie także ryzyko powstania zmian w barwie spowodowanych sprzężeniami jest niewielkie.

System SIAP głównie instalowany jest w Europie, ze względu na to, że firma dystrybuująca ma siedzibę w Holandii. Na wszystkich kontynentach zainstalowanych jest ponad 50 takich rozwiązań.

AFC

System AFC został po raz pierwszy zaprezentowany w 1985 roku przez firmę Yamaha. Opiera swoje działanie głównie na pogłosie istniejącym w pomieszczeniu, co jest cechą systemów regeneratywnych, ale generuje również dodatkowy pogłos.

Rozwiązanie to wyróżnia niewielka liczba użytych w systemie kanałów wejściowych. Najczęściej są to cztery lub osiem wszechkierunkowych mikrofonów umieszczonych na lub za odległością krytyczną pomieszczenia.

Sygnał z mikrofonów wysyłany jest do procesora, w którym w pierwszej kolejności przechodzi przez EMR (ang. Electric Microphone Rotator). EMR jest matrycą, która zmienia okresowo z częstotliwością 0,4-3 Hz kombinacje kanałów wejściowych na wyjściowe. Rezultatem tego działania jest tak zwane uśrednianie przestrzenne sygnałów (ang. Spatial averaging flattening algorithm). W dalszym etapie sygnały przesłane są na dwa równoległe filtry FIR. Pierwszy z nich odpowiada za redukcję największych maksimów (ang. peaks) w sygnale. Drugi odpowiada za tworzenie dodatkowych odbić.

Kolejnymi pozycjami w torze procesora są dwa ośmiopasmowe korektory parametryczne. Pierwszy korektor ustawia się automatycznie na etapie strojenia systemu, w celu rozwiązywania problemów ze zmianami w barwie. Drugi regulowany jest manualnie, w celu poprawy i dostosowania brzmienia. Następnie przetworzone sygnały przesyła się na kanały wyjściowe, których może być od 4 do 118, w zależności od architektury systemu. Głośniki w tym rozwiązaniu rozmieszczane są w odległości większej niż krytyczna. Rysunek 6 przedstawia schemat blokowy działania systemu AFC trzeciej generacji.

Systemy AFC mogą składać się w z wielu modułów. Dzięki zainstalowaniu dodatkowych mikrofonów oraz procesorów istnieje możliwość generacji wczesnych odbić. W efekcie system ten staje się modułowym systemem hybrydowym.

Największy problem systemów elektronicznego wsparcia akustyki, czyli negatywny wpływ sprzężeń zwrotnych, jest rozwiązany w tym przypadku wieloma sposobami. W pierwszej kolejności jest to moduł EMR. W następnym kroku za redukcję sprzężenia odpowiada filtr FIR. Ostatnim zabezpieczeniem jest dodatkowa korekcja parametryczna sygnałów.

Przykład systemu AFC3, i to w dodatku w Polsce, znajduje się w Teatrze Wielkim – Operze Narodowej w Warszawie. Obiekt dysponuje 1.760 miejscami siedzącymi oraz jedną z największych scen operowych świata, o łącznej powierzchni 1.150 m2. W efekcie takich rozmiarów występuje zła komunikacja (pod względem akustycznym) między artystami na scenie a muzykami w orkiestronie. Ponadto czas pogłosu na widowni był zbyt krótki, biorąc pod uwagę repertuar. Pojawił się również problem z wczesnymi odbiciami, które nie dochodziły do osób siedzących pod balkonami. Powyższe problemy były przyczyną zainstalowania omawianego systemu.

Zainstalowany system oparty jest na ośmiu procesorach DSP. W sumie 36 mikrofonów rejestrujących sygnał zostało umieszczonych nad sceną i orkiestronem, w celu generacji wczesnych odbić, oraz nad widownią, w celu wydłużenia czasu pogłosu. Głośniki zintegrowane z architekturą wnętrza rozmieszczone są w taki sposób, aby generować dźwięk nie tylko w stronę widowni, ale także na scenę. Rozwiązanie zawiera 5 modułów odpowiedzialnych za zwiększenie słyszalności między sceną a orkiestronem, zwiększenie poziomu sygnałów pochodzących z proscenium oraz generację wczesnych odbić, wydłużenie czasu pogłosu na widowni, zwiększenie poziomu pod balkonami, a także moduł, który uzupełnia braki, w zależności od wykorzystania sceny, nie objęte modułem pierwszym.

System ma siedem zaprogramowanych ustawień. Przebieg czasu pogłosu trzech z nich przedstawiono na rysunku 7.

CONSTELLATION

Constellation jest systemem hybrydowym, opartym na opracowanym w 1993 roku przez M. Polettiego systemie VRAS (ang. Variable Room Acoustics System). System oferuje część rozwiązań regeneratywnych oraz część rozwiązań In-line, wykorzystując naturalne warunki akustyczne oraz technologie cyfrowe.

Mikrofony w Constellation instalowane są w części sali, w której znajdują się widzowie, oraz na scenie. Te pierwsze przeznaczone są do rejestrowania późnych odbić w celu zwiększania czasu pogłosu, co zostało zaczerpnięte z systemów regeneratywnych. Mikrofony na scenie służą, w dalszym etapie, do generowania wczesnych odbić, co jest spotykane w systemach typu In-line.

Sygnał zarejestrowany przez mikrofony przesyłany jest do procesora dźwięku, który nie tylko wzmacnia sygnał w celu wydłużenia czasu pogłosu, ale także – w razie potrzeby – może wygenerować dodatkowy pogłos. Na każdym kanale procesora znajduje się moduł pogłosowy, a sygnał z mikrofonu przekazywany jest do kilku z nich. Taka architektura pozwala na zwiększenie czasu pogłosu bez zwiększania energii akustycznej. Ponadto 16 kanałów, bo w tyle wyposażony jest procesor oparty na technologii VRAS, jest wystarczającą liczbą do zwiększenia energii akustycznej do żądanego poziomu. Schemat podstawowej zasady działania takiego rozwiązania, nazywanego hybrydowym systemem regeneratywnym, przedstawiony został na rysunku 8. Procesor odpowiada również za symulację wczesnych odbić na podstawie dźwięku zebranego bezpośrednio ze sceny.

Wielokanałowa architektura systemu zapewnia mu dość duże zabezpieczenie od negatywnego wpływu sprzężeń zwrotnych. Ponadto system wyposażony jest w algorytmy korekcji parametrycznej, umożliwiające redukcję powstających maksimów w sygnale.

Constellation jest popularnym na świecie systemem, instalowanym w bardzo wielu miejscach. Ciekawym przykładem tego rozwiązania jest sala, wspomniana w listopadowym artykule, Logomo Hall. Mimo tego że sala wyposażona jest w architektoniczne rozwiązanie, mające na celu zmianę warunków akustycznych, zainstalowany jest również system elektronicznego wsparcia akustyki. Dźwięk z sali zbierany jest przez 76 mikrofonów, a przetworzony dźwięk – w postaci wczesnych odbić oraz pogłosu – emitowany jest przez 223 głośniki szerokopasmowe, wsparte 12 głośnikami niskotonowymi.

Systemy wsparcia akustyki oparte na układach elektroakustycznych dają duże możliwości regulacji parametrów akustycznych mniejszym kosztem finansowym i nakładem pracy wprowadzanych zmian w obiekcie. W przeciwieństwie do metod architektonicznych, nie ma potrzeby znacznego ingerowania we wnętrze lub konstrukcję obiektu, co w przypadku remontów lub doposażenia sal jest bardzo ważne. Dzięki temu systemy elektroniczne, wykorzystując nowoczesne technologie, są w stanie zapewnić to, co architektoniczne, z zachowaniem naturalnego brzmienia pogłosu, nie wpływając na wykończenie wnętrza sali. Bardzo dobrym tego przykładem jest Opera Narodowa, nad którą czuwa konserwator zabytków. Mimo wszystko metody architektoniczne wciąż w wielu przypadkach są sposobami najprostszymi w obsłudze (np. kotary) i najtańszymi w realizacji. Najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie obu metod – architektonicznych, do skracania czasu pogłosu, i elektronicznych, do wydłużania czasu pogłosu, dzięki czemu w sali będzie można realizować szereg różnorodnych form.

Rafał Zaremba

---

W artykule wykorzystano materiały graficzne z następujących publikacji: Rossing T. D.: Springer handbook of acoustics, Maurik A., Vanderkley K.: Acoustical enhancement and Theater and Multi-purpose hall desing presentation for the Concert Hall Research Group, Taylor L., Claringbold D.: Acoustics of the Sydney Opera House Concert Hall. Part One: The Client’s Perspective, Griesinger D.: Improving Room Acoustics Through Time-Variant Synthetic Reverberation, Bakker R.: Active Acoustic Enhancement Systems – introducing Yamaha AFC3, Watanabe T., Miyazaki H., Sawara S., Masahiro I., Bakker R.: Active Field Control in The Teatr Wielki – Opera Narodowa.