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

Jeden z nich, przedstawiony w poprzednim artykule, wykorzystuje metody architektoniczne, czyli oparte na zmianie materiałów wykończeniowych sali. Drugi, omówiony w tym artykule, do zmiany wykorzystuje systemy elektroakustyczne.

Artykuł dotyczący elektronicznych metod regulacji zacznę od czysto teoretycznego rozważania na temat prawidłowości nazewnictwa tej metody. Bez obaw – rozważania są dość krótkie i proste. Już wcześniej wspominałem o tym, że tak zwane metody elektroniczne, precyzyjnie mówiąc, nie regulują czasu pogłosu, a wrażenie pogłosowości. Na wstępie należy podkreślić, że czas pogłosu jest parametrem charakteryzującym pomieszczenie i zależnym przede wszystkim od jego objętości oraz właściwości akustycznych materiałów wykorzystanych przy budowie danego pomieszczenia. Systemy, o których będę pisał w tym artykule, nie wpływają na ten czas pogłosu, bo nie zmieniają właściwości akustycznych pomieszczenia, a jedynie regulują wirtualny czas pogłosu, wpływając fizycznie (zmieniając strukturę echogramu w sposób wirtualny) na percepcję pogłosowości danej sali.

W związku z powyższym, mimo pewnego uproszczenia, ostateczny efekt (zmiana pogłosowości pomieszczenia) jest identyczny, jak w przypadku fizycznych zmian we właściwościach akustycznych sali. Z tego względu, mimo braku zmian w tych właściwościach, w literaturze specjalistycznej mówi się o zmianie czasu pogłosu, choć jest to nie do końca zgodne z definicją tej wielkości jako parametru charakterystycznego dla danego pomieszczenia o określonych właściwościach akustycznych. W dalszej części artykułu, dla uproszczenia, stosować będę termin „czas pogłosu pomieszczenia” uzyskany dzięki tym systemom, mimo tego że parametr ten jako cecha pomieszczenia jest stały, a zmienia się jedynie, za pomocą systemu elektroakustycznego, strukturę czasową echogramu, co wpływa na percepcję pogłosowości w sposób analogiczny do fizycznych zmian właściwości akustycznych pomieszczenia, na przykład zmiany architektury sali.

Wracając do głównego tematu artykułu – drugim sposobem regulacji czasu pogłosu w salach wielofunkcyjnych jest wykorzystanie systemów elektroakustycznych. Są to systemy dające bardzo duże możliwości zmiany tego parametru, przy niewielkim wpływie wizualnym na wnętrze obiektu. Wielu specjalistów twierdzi nawet, że uzyskanie odpowiedniej akustyki sali dobrej dla mowy oraz muzyki jest często niemożliwe bez użycia systemów elektronicznych, co może wskazywać na to, jak wiele zalet ma taki system.

Ogólnie rozwiązanie tego typu można zdefiniować jako system, który umożliwia zwiększenie naturalnego czasu pogłosu w pomieszczeniu, przy jednoczesnym równomiernym rozproszeniu energii dźwięku. Rozwiązanie to nazywa się często wirtualną akustyką lub aktywną akustyką, co jest związane z regulacją parametrów w sposób elektroniczny, w porównaniu do sposobów architektonicznych – pasywnych, które wymagają zmian fizycznych pomieszczenia. Wirtualna akustyka nawiązuje do efektu, jaki przynosi taki system. Tworzona jest iluzja, że słuchacz znajduje się w wirtualnym akustycznie środowisku, które jest całkowicie inne od przestrzeni, w której aktualnie przebywa. Stosowanie takiego systemu wynika między innymi z kilku ograniczeń związanych z rozwiązaniami architektonicznymi. Po pierwsze architektoniczne zmiany akustyki sali mogą mieć bardzo duży wpływ na zmianę wyglądu wnętrza, co nie zawsze jest akceptowane przez projektantów sal. Ponadto wprowadzanie środków dotyczących regulacji akustyki pomieszczenia może wymagać dużych zmian budowlanych oraz konstrukcyjnych, które i tak ostatecznie są dobrze przystosowane tylko do jednej funkcji. W efekcie wprowadzanie zmian budowlanych i konstrukcyjnych powoduje bardzo duże koszty przy ograniczonych efektach.

Przy wykorzystaniu nowoczesnych technologii związanych z zaawansowanym cyfrowym przetwarzaniem dźwięku, wzmacniaczami dźwięku, systemami głośnikowymi oraz mikrofonowymi, elektroniczna imitacja właściwości akustycznych daje możliwość dużych zmian między innymi czasu pogłosu, przy bardzo małej, w stosunku do rozwiązań architektonicznych, ingerencji w wystrój wnętrza. Głośniki oraz mikrofony są umieszczane w obiekcie w sposób bardzo dyskretny. Jeżeli system jest planowany już na etapie projektowania obiektu, jego elementy można zintegrować z salą i ukryć je całkowicie. W przypadku instalowania systemu w gotowym obiekcie nie są wymagane znaczące zmiany budowlane, a konstrukcyjne praktycznie są niepotrzebne, co jest bardzo istotne z ekonomicznego punktu widzenia. Ponadto rozwiązanie to stosowane jest nie tylko w celu uzyskiwania wielofunkcyjności sali, ale także do poprawy niewłaściwych parametrów. Stosuje się go również do zmiany warunków na scenie, symulacji wczesnych odbić, a także zmniejszania różnic między warunkami akustycznymi na głównej widowni, balkonach i scenie.

Początkowo głównym celem tych systemów było poprawienie niekorzystnych parametrów akustycznych sali powstałych w wyniku błędów projektowych oraz wykonawczych pomieszczenia. W związku z rozwojem technologii elektroakustycznej oraz przetwarzania cyfrowego sygnałów systemy te mogły uzyskać coraz lepsze parametry i większe możliwości. W efekcie rozwiązania te zaczęto wykorzystywać do poszerzania możliwości akustycznych, a co za tym idzie funkcjonalnych sali. Aktualnie instalację takich systemów bierze się pod uwagę już na etapie projektowania, integrując je z wykończeniem pomieszczenia.

PODZIAŁ I BUDOWA WSPÓŁCZESNYCH SYSTEMÓW WSPARCIA AKUSTYKI

Istnieją dwie główne metody działania systemów wspomagania akustyki. Różnią się one sposobem symulowania nowych przestrzeni. Pod uwagę brane są dwa sposoby:
– wzmacnianie oraz przetwarzanie dźwięku w pętli między głośnikami a mikrofonami rozmieszonymi w pomieszczeniu – tworzenie dodatkowego pogłosu na podstawie pogłosu naturalnego,
– dodanie sztucznego pogłosu do dźwięku zarejestrowanego przez mikrofony sceniczne i wypromieniowanie go na widowni – tworzenie dodatkowego pogłosu na podstawie dźwięku bezpośredniego ze sceny.

Pierwszy przypadek, zgodnie z literaturą, nazywany jest Systemem Regeneratywnym albo Wsparciem Pola Akustycznego (ang. Assistance of Sound Field, w skrócie A-SF). Druga metoda nazywana jest systemem In-Line lub Syntezą Pola Akustycznego (ang. Synthesis of Sound Field, w skrócie S-SF). Istnieją również rozwiązania łączące oba sposoby wytwarzania dodatkowego pogłosu. Są to tak zwane metody hybrydowe.

SYSTEMY REGENERATYWNE

Systemy regeneratywne bazują na pogłosie sali. Przedłużony czas pogłosu jest uzyskany dzięki zastosowaniu wielu kanałów pętli mikrofon-wzmacniacz-głośnik. Zwiększanie energii akustycznej przy relatywnie wysokim sprzężeniu zwrotnym pozwala „regenerować” odbicia. Stąd nazwa „regeneratywny”. W związku z zasadą działania systemy potrzebują specjalnych technik, najczęściej cyfrowych, zapobiegających zmianie barwy powstałej w wyniku sprzężeń akustycznych. Na rysunku 1 przedstawiono schemat działania systemu regeneratywnego.

Głównym problemem związanym z architekturą tej metody jest stabilność transmisji – uniknięcie niekorzystnych sprzężeń zwrotnych. Jeżeli sprzężenie danego kanału mikrofon-wzmacniacz-głośnik jest zbyt duże, może to być powodem niestabilności systemu. W efekcie aby system działał prawidłowo, sprzężenie powinno być niewielkie lub zastosowane powinno być dużo kanałów. Dodatkowo rozwiązanie to teoretycznie nie wymaga stosowania dodatkowych procesorów dźwięku, jednak wiele systemów je wykorzystuje.

Metoda ta może obejmować tak wąskie, jak i szerokie pasmo częstotliwości. W przypadku wąskiego może być użyte duże wzmocnienie pętli, jednak jednocześnie niezbędne jest użycie dużej liczby kanałów. System szerokopasmowy potrzebuje wykorzystania dodatkowej korekcji częstotliwościowej w celu utrzymania jego stabilności, jednak nie musi być mocno rozbudowany.

W związku z tym, że działanie opiera się na wzmacnianiu już istniejących odbić, rezultat pracy systemu bazuje całkowicie na panujących w pomieszczeniu warunkach akustycznych. Dowolność wprowadzania zmian w charakterze wspomaganej akustyki jest mocno ograniczona. Ponadto wydłużanie czasu pogłosu powoduje zwiększanie poziomu ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu, a co za tym idzie odbieranej przez słuchaczy głośności, co koncepcyjnie przedstawia rysunek 2.

Zaletą tego systemu jest to, że zakres jego działania obejmuje cały obiekt. Efekty pracy można usłyszeć nie tylko na widowni, ale także na scenie. Ponadto jeżeli sztuka wymaga od artystów, aby znajdowali się w strefie widowni, nadal możliwe jest wspomaganie akustyki, a tym samym zostaną zachowane oczekiwane warunki. Co więcej, widzowie będą mniej zwracali uwagę na różnicę między warunkami akustycznymi, w jakich się aktualnie znajdują, a tym, co słyszą.

SYSTEMY IN-LINE

Na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku pojawiły się systemy wsparcia akustyki wykorzystujące zupełnie inne podejście. Systemy In-Line opierają swoje działanie prawie całkowicie na dźwięku bezpośrednim ze źródła. Działają dodając, za pomocą dedykowanych procesorów DSP, odbicia do dźwięku zebranego prosto ze sceny, za pomocą mikrofonów kierunkowych o charakterystyce kardioidalnej lub superkardioidalnej. Następnie sygnał, po odpowiedniej obróbce przez procesor, zostaje wygenerowany przez rozmieszczone w sali głośniki na widowni. Niewielkie wzmocnienie w pętli mikrofon-wzmacniacz-głośnik pozwala na prawie całkowite uniknięcie sprzężeń zwrotnych oraz zmian w barwie dźwięku źródłowego. Na rysunku 3 przedstawiono schemat działania systemu In-Line.

Procesory DSP wykorzystane w systemie pozwalają na zmianę nie tylko długości czasu pogłosu, ale także jego charakterystyki częstotliwościowej. Ponadto odpowiadają one za redukcję ewentualnie powstałych sprzężeń zwrotnych. W efekcie metoda ta jest bardzo elastyczna. Zmiany zachodzą nie tylko w zakresie wydłużenia czasu pogłosu, bez znaczącej zmiany poziomu ciśnienia akustycznego na sali, ale także w kwestii symulowania wczesnych odbić, co znacząco wpływa na odbiór wielkości przestrzeni. Na rysunku 4 przedstawiono koncepcję zmiany czasu pogłosu przy użyciu tego systemu.

Jeżeli pomieszczenie naturalnie ma bardzo krótki czas pogłosu, czyli jest oryginalnie przystosowane na przykład do funkcji kinowej, rezultat działania wsparcia akustyki jest zależny niemalże całkowicie od danego systemu. W efekcie pozwala to na stworzenie praktycznie dowolnej akustyki sali. Dodatkowo zaletą pobierania dźwięku jedynie ze sceny jest zwiększenie stosunku sygnału do szumu między sceną a widownią.

Wadą tego typu systemów jest jednostronne działanie. Generowana jest energia akustyczna jedynie od wykonawcy do słuchacza. Problemem jest to, że jeżeli mikrofony rejestrują dźwięk jedynie ze sceny, to źródła znajdujące się na niej przyczyniają się do generacji pogłosu znacznie bardziej niż pozostałe źródła w innych strefach, na przykład na widowni. Może to powodować u słuchacza dziwne wrażenie różnicy warunków akustycznych. Ponadto bardzo trudne staje się wykonywanie elementów sztuki w obszarze widowni, gdyż dźwięk docierający do słuchaczy nie będzie uwzględniał akustyki uzyskiwanej dzięki pracy systemu. Oznacza to, że standardowe systemy In-Line nie dają możliwości wspierania naturalnej akustyki sali na całej jej powierzchni.

SYSTEMY HYBRYDOWE

Systemy hybrydowe wykorzystują możliwości obu wymienionych wcześniej rozwiązań. Odpowiednia kombinacja działania obu systemów umożliwia wykorzystanie istniejącej akustyki sali w celu stworzenia rezultatu o naturalnym brzmieniu oraz, w tym samym czasie, wprowadzenie dodatkowych, wygenerowanych odbić. W efekcie otrzymuje się bardzo dużą kontrolę nad tworzeniem nowej przestrzeni akustycznej. Metoda ta pozwala uzyskać bardzo dużą liczbę zaprogramowanych czasów pogłosu oraz przebiegów ich charakterystyk częstotliwościowych.

W systemie tym, dzięki mikrofonom rejestrującym dźwięk bezpośredni od artystów, na scenie można generować dodatkowe wczesne odbicia. Wydłużenie czasu pogłosu uzyskuje się na podstawie sygnałów zebranych przez mikrofony umieszczone na lub za odległością krytyczną sali, czyli w polu, w którym energia dźwięków odbitych jest większa niż energia dźwięku bezpośredniego. Dzięki temu łatwiejsze jest wygenerowanie jednorodnego czystego („niezakłóconego” dźwiękiem bezpośrednim) pogłosu. Na rysunku 5 zaprezentowano koncepcję zmiany czasu pogłosu za pomocą tego systemu.

Systemy hybrydowe są prostsze w swojej architekturze. W porównaniu do standardowego systemu regeneratywnego, w celu uzyskania dobrych efektów, wymagają znacznie mniejszej liczby kanałów. Przykładowo system z 16 kanałami jest w stanie skutecznie regulować akustykę średnich i dużych sal. Zastosowanie dodatkowego modułu tworzenia pogłosu w każdym kanale umożliwia zmianę czasu pogłosu, bez zwiększania energii akustycznej w sali. Takie rozwiązania dają bardzo duże możliwości regulacyjne, unikając efektu systemu regeneratywnego – „im dłużej, tym głośniej”.

W celu uniknięcia zmiany barwy systemy hybrydowe stosują kilka metod. Jedną z nich jest stosowanie podziału na wiele kanałów o określonych pasmach częstotliwościowych. Jest to rozwiązane podobne do stosowanego w systemach regeneratywnych, ale w tym przypadku ich liczba może być znacznie mniejsza, aby osiągnąć podobny efekt. Należy zwrócić uwagę, że liczba kanałów nie jest jednoznaczna z liczbą głośników. Na kanał może przypadać wiele głośników. Liczba niezależnych kanałów jest określana przez liczbę zastosowanych mikrofonów. Kolejnym sposobem jest wykorzystanie korektorów parametrycznych w celu wyrównania charakterystyki częstotliwościowej w pętli. „Spłaszczanie” charakterystyki polega na zmniejszaniu energii wybijających się maksimów w sygnale, dzięki czemu unika się sprzęgania poszczególnych częstotliwości.

Wielką zaletą takiego systemu jest to, że obejmuje on swoim działaniem całą salę. W rezultacie uzyskuje się nie tylko bardzo duże możliwości regulacji czasu pogłosu, ale także kreowania wczesnych odbić.

PRZYKŁADY PIERWSZYCH SYSTEMÓW WSPOMAGANIA AKUSTYKI

Podobnie jak w poprzednich artykułach, zajrzymy w karty historii i zapoznamy się z rozwojem omawianych systemów. Pierwszy system elektronicznego wspomagania akustyki wprowadzono na rynek w latach 50. XX wieku. Około roku 1959 Roelof Vermeulen opatentował jedno z pierwszych rozwiązań tego typu – Ambiophony. Zasada działania jest prosta – dźwięk zebrany przez mikrofony zostaje za pomocą głowicy zarejestrowany na taśmie i następnie odtworzony przez wiele rozsuniętych względem siebie głowic, w celu generowania nowego pola akustycznego. Dzisiaj efekty tego systemu pozostawiałyby wiele do życzenia, jednak jak na tamte czasy było to rozwiązanie postrzegane jako doskonałe. Co więcej, rozwiązanie to było na tyle dobrze oceniane, że zastosowano je w wielu obiektach w Europie, między innymi w Mediolańskiej La Scali. Na rysunku 6. przedstawiono przykładowe urządzenie opóźniające systemu Ambiophony, mieszczące się w Holenderskim Instytucie Sonologii w Królewskim Konserwatorium w Hadze.

W 1975 roku J.C. Jaffe z Jaffe Acoustic zaprojektował system o nazwie ERES (Electronic Reflected Energy System). Wykorzystywał on cyfrowe linie opóźniające do tworzenia dodatkowych odbić. System rejestrował mikrofonami umieszczonymi nad sceną dźwięk na scenie, łącznie z falą bezpośrednią oraz wczesnymi odbiciami. Następnie zebrany sygnał przetwarzany był przez dedykowany procesor. Docelowo powtórzone odbicia były przesyłane do grup głośników rozmieszczonych na ścianach i sufitach sali, tworząc realistyczny pogłos. Na rysunku 7 przedstawiony jest schemat systemu ERES.

Pierwsze tego typu rozwiązanie zainstalowane zostało w Eugene Performing Arts Center. W związku z dobrym odbiorem zainstalowano ten system w wielu salach na terenie Stanów Zjednoczonych, Kanady oraz innych krajów.

Kolejnym rozwiązaniem, o nieco innej architekturze, było Wspomaganie Rezonansów („Assisted Resonance”). System został zaprojektowany w 1964 roku przez P.H. Parkina i K. Morgana, a następnie zainstalowany w Sali Royal Festival Hall w Londynie. Z uwagi na to, że było to rozwiązanie eksperymentalne, nie było dostępne komercyjnie. Mimo to koncepcja wpłynęła znacząco na kolejne systemy wspomagania akustyki. Autorzy uznali, że wzmacnianie dźwięku zebranego bezpośrednio przez mikrofon w pętli mikrofon-wzmacniacz-głośnik powoduje duże ryzyko sprzężeń oraz zmian barwy. W związku z tym zaproponowali rozwiązanie oparte na wielokanałowych pętlach nastrojonych na wąskie pasma częstotliwościowe. Do tego celu wykorzystali mikrofony umieszczone w nastrojonych odpowiednio rezonatorach Helmholtza. Wzrost energii w poszczególnych kanałach mógł być regulowany niezależnie, dzięki dostosowaniu wzmocnienia sygnału w każdej pętli osobno. W efekcie uzyskiwano rezultat stabilny oraz bez zmienionej barwy, zgodny z potrzebami.

Wadą tego systemu jest fakt, że wymaga bardzo dużej liczby pętli mikrofon-wzmacniacz-głośnik, co jest związane z tym, że działają one w bardzo wąskich pasmach częstotliwościowych. Pętle były strojone na kilka herców, czyli w przypadku pokrycia całego pasma słyszalnego potrzebna by była ogromna ich liczba. W projekcie przewidziano 89 pętli, dzięki czemu objęto regulacją zakres od 70 Hz do 340 Hz. Z uwagi na to, że problemem we wspomnianym wnętrzu były braki w wybrzmiewaniu niskich częstotliwości, dzięki zastosowanemu systemowi udało się spełnić założenia dotyczące warunków akustycznych. Z czasem, w związku z drugim etapem eksperymentu, podwojono liczbę pętli tak, aby rozwiązanie pokrywało pasmo do 700 Hz. W tym celu wykorzystano 172 kanały, a czas pogłosu dla pasma oktawowego o częstotliwości środkowej 125 Hz zwiększył się z 1,4 s do 2,5 s. Ciekawostką jest, że aby objąć regulacją pasmo do 8 kHz, niezbędne jest ponad tysiąc pętli, co z ekonomicznego oraz fizycznego punktu widzenia byłoby niewykonalne. Na rysunku 8. przedstawiono schemat pętli systemu wspomagania rezonansów.

W następnym artykule przedstawię współczesne systemy wsparcia akustyki.

Rafał Zaremba

---

W artykule wykorzystano materiały graficzne z następujących publikacji: Bakker R., Active Acoustic Enhancement Systems – introducing Yamaha AFC3, Bakker R., Gillan S., The history of active acoustic enhancement systems, Ballou G., Handbook for Sound Engineers.