Gramy plener - dźwięk w przestrzeni otwartej

W tym numerze, na sąsiednich stronach, poruszyliśmy temat nagłaśniania pomieszczeń zamkniętych, a konkretnie reprodukcji niskich częstotliwości we "wnętrzach", więc dla równowagi w tym artykule poruszymy sprawę

NAGŁOŚNIEŃ PLENEROWYCH

Sprawa jest tu podwójnie utrudniona: nie dość że mamy specyficzne warunki nagłaśniania, to jeszcze do tego warunki są "polowe", ze wszystkimi tego konsekwencjami. W kwestii pierwszej - specyficznych warunków "akustycznych" - co prawda nie mamy szkodliwego wpływu pomieszczenia, ale, jak się za chwilę dowiemy, otwarta przestrzeń potrafi być jeszcze bardziej "wredna", niż zamknięte, nawet bardzo duże pomieszczenie.

Natomiast drugi problem to wszelkie niedogodności związane z wystawieniem naszego sprzętu na działanie różnorodnych zjawisk meteorologicznych - od upalnego słońca, poprzez wilgoć, kurz, wiatr, deszcz, na gradzie i śnieżycy kończąc. Ale może po kolei, a w zasadzie nie po kolei. Zacznijmy od

PROBLEMÓW Z POGODĄ

Gwoli ścisłości, to pogoda ma wpływ zarówno na sprzęt bezpośrednio, jak i na warunki propagacji (czyli rozchodzenia się) fali dźwiękowej. Ale najpierw o tym pierwszym. Kto choć raz miał do czynienia z koncertem plenerowym, w którym nastąpiła nagła zmiana pogody, dobrze wie, o czym będzie mowa. A ci co nie mieli w swojej karierze tego typu "przyjemności", niech poczytają, co ich czeka.

Mamy piękny, słoneczny dzień. Pogoda, wydawałoby się, jak marzenie. Ale niekoniecznie dla opiekuna sprzętu nagłośnieniowego. Świecące mocno słońce, zwłaszcza w godzinach popołudniowych, potrafi rozgrzać czarne lub ciemne powierzchnie grubo powyżej temperatury "miłej w dotyku". A co dopiero dzieje się wewnątrz takiego urządzenia? Zwłaszcza kiedy jest to końcówka mocy albo i inny sprzęt, który już sam z siebie wydziela dużą ilość ciepła.

Wyjściem w tej sytuacji jest posiadanie odpowiedniej ilości folii aluminiowej, odbijającej promienie słoneczne, którą pokryjemy najbardziej wrażliwe i wystawione na operowanie promieni słonecznych urządzenia (wzmacniacze, procesory, częściowo też konsolety).

To nie jedyna "wada" pięknego słonecznego dnia. W taki dzień jest przeważnie sucho, a ponieważ na tego typu koncertach ludzi jest przeważnie więcej, niż "u cioci na imieninach" (ponadto ludność charakteryzuje się wtedy dużą ruchliwością) - kurz i inne drobinki unoszą się w powietrzu tabunami. A skoro się unoszą, to kiedyś też muszą opaść - niekoniecznie jednak tam, skąd "wystartowały". Znajdzie się więc ich spora ilość we wzmacniaczach, których wiatraki wraz z powietrzem zasysają znaczną ilość takich nieproszonych gości.

Po imprezie czeka więc nas żmudne czyszczenie wentylatorów, kratek, filtrów, a często i wnętrz urządzeń (nie tylko zresztą wzmacniaczy - takie drobinki wykorzystają każdą szczelinkę, żeby wepchnąć się do wnętrza procesorów, konsolet, systemów bezprzewodowych czy nawet mikrofonów. Oczywiście, najwięcej ich "wessie" wzmacniacz - więc tam najczęściej będziemy sprzątać).

IDZIE DYSC, IDZIE SIKAWICA

Załóżmy, że na niebie pojawiły się chmurki, palące słonce skryło się za nimi, z ulgą ściągnęliśmy przeszkadzające nam w pracy folie aluminiowe z konsolety czy procesorów. Nie na długo jednak przyszło nam cieszyć się z tej odmiany. Bo oto z chmur zaczyna nam najpierw kapać, a potem lać strumień wody.

I znów zabawa zaczyna się od nowa. Pół biedy, jak mamy namiocik nad stanowiskiem dźwiękowców i zadaszoną scenę (zakładając, że zestawy głośnikowe też się pod tym dachem znalazły). To zresztą nie zawsze będzie wystarczało, gdyż w przypadku porywistej burzy, gdy deszcz zacznie zacinać niemalże poziomo, trzeba będzie albo opuścić dach sceny możliwie nisko (jeśli się da), albo niestety przykrywać sprzęt folią (tym razem zwykłą) lub innymi deszczochronnymi pokrowcami.

Scenariusze działania w przypadku gradobicia lub śnieżycy pozostawiam wyobraźni Szanownych Czytelników. Dorzucę jeszcze czyszczenie kabli "utytłanych" w błocie, suszenie zamoczonych urządzeń (głośników!!!), szorowanie schlapanych obudów urządzeń i tym podobne czynności regularnie towarzyszące imprezom plenerowym. To tyle, jeśli chodzi o sprzęt i problemy z nim związane przy "koncertowaniu" na wolnym powietrzu. Jest jeszcze drugi aspekt tej sprawy.

PROPAGACJA DŹWIĘKU NA WOLNYM POWIETRZU

Wolne to ono może jest, w sensie nieograniczoności. Ale na pewno nie jest ono wolne od wszelkiego rodzaju zaburzeń rozchodzenia się dźwięku, spowodowanych warunkami atmosferycznymi. W grę wchodzą trzy czynniki, które mogą nam pomieszczać szyki: temperatura, wilgotność oraz ruchy powietrza (czyli po prostu wiatr).

Oczywiście, nie da się wyeliminować ich całkowicie (żaden dźwiękowiec, nawet najlepszy, nie potrafi uciszyć wiatru czy utrzymać stałą temperaturę przez cały czas trwania imprezy). Można jednak przewidywać zmiany tych parametrów i zabezpieczać się przed ich wpływem. Z jakim skutkiem, to już inna sprawa. Ale pozostawianie wszystkiego własnemu losowi i kierowanie się zasadą "jakoś to będzie" może srogo zemścić się na nas w trakcie oraz po koncercie. Zobaczmy więc, jaki wpływ mają te czynniki na fale dźwiękowe.

OD KRYWANIA WIEJE WIATR...

Może zresztą wiać skądkolwiek. Ważne jest to, jak wieje w stosunku do ustawienia głośników. Jeśli wiatr wieje od sceny "w widownię", prędkości będą się sumowały, fala dźwiękowa będzie zaginana ku dołowi, w stronę gruntu. Jeśli wiatr wieje "pod dźwięk", sytuacja będzie odwrotna - fala dźwiękowa będzie zaginana do góry. Co to oznacza w praktyce, napiszę za moment, gdy będziemy omawiać wpływ temperatury, gdyż tam występować będą podobne zjawiska.

Teraz zobaczmy, co dzieje się w przypadku bocznego wiatru. W sytuacji, gdy wiatr wieje prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali, z twierdzenia Pitagorasa (chyba każdy pamięta ze szkoły) możemy ławo obliczyć kąt znoszenia fali dźwiękowej, spowodowanego wiejącym wiatrem. Nie są to jakieś ogromne wielkości, jeśli weźmiemy pod uwagę, że średnia prędkość dźwięku w powietrzu to 340 m/s, a więc ok. 1.240 km/h, a wiatr to prędkości rzędu 40-70 km/h (nie mówię tu o huraganie, no ale chyba wtedy nikt rozsądny koncertu organizował nie będzie).

Dla porównania, jeśli prędkość wiatru wiejącego z boku będzie wynosiła 60 km/h, fala dźwiękowa będzie znoszona o niecałe 3°. Oczywiście, wszystko zależy od odległości od sceny - przy niewielkich odległościach będzie to niezauważalne, ale stojąc daleko od sceny po stronie "nawietrznej" możemy znaleźć się poza strefą nagłośnioną.

Inna sprawa, że fala dźwiękowa, nawet pochodząca od nagłośnienia line array, nie jest idealną falą płaską, ale ulega zakrzywieniu, mniej lub bardziej przypominając falę kulistą. A więc tylko część fali będzie prostopadła do wiatru, a część będzie się z nim "zderzać" pod innymi kątami. Sumarycznie sprawi to, że wpływ wiatru na odchylenie fali będzie bardzo niejednorodny i zależny od miejsca słuchania i intensywności wiatru.

CIEPŁO, CIEPLEJ, GORĄCO

Albo też zimno, zimniej, mróz. Na mrozie imprez plenerowych na szczęście nie robi się wiele, ale i tak wahania temperatury mogą w trakcie letniej czy jesiennej imprezy wynosić nawet 30 stopni. Jak więc temperatura wpływa na propagację dźwięku? Prędkość dźwięku, wbrew pozorom, nie jest wartością stałą i zależy zarówno od temperatury, jak też i od ciśnienia.

Wpływ ciśnienia na prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych możemy sobie pominąć, gdyż zmiany ciśnienia w trakcie kilkugodzinnego koncertu raczej nie są zbyt gwałtowne, a zmiana ciśnienia wraz z wysokością nad poziomem morza też raczej nas nie interesuje (przeważająca większość koncertów organizowana jest jednak na powierzchni Ziemi).

Zajmijmy się więc temperaturą. Przyjmuje się, że prędkość dźwięku w powietrzu przy temperaturze ok. 15° C i normalnym ciśnieniu atmosferycznym 1.013 hPa wynosi 340 m/s. Co dzieje się, jeśli temperatura wzrasta? Rośnie też prędkość rozchodzenia się dźwięku - podobnie zresztą jak przy wzroście ciśnienia. Jakie to ma dla nas znaczenie? Że dźwięk dotrze do słuchacza szybciej w południe, niż na koncercie wieczornym? Nie do końca, choć oczywiście jest to racja. Tyle tylko, że przy prędkościach rzędu 340 m/s, jak łatwo policzyć, dźwięk pokonuje ponad 300 m w ciągu sekundy.

Jeśli więc prędkość wzrośnie, załóżmy o 5 %, i będzie wynosić 357 m/s, to czy zauważymy różnicę, jeśli odległość od sceny będzie wynosiła 100 lub 200 m? Raczej wątpię. Ale jednak temperatura ma duży wpływ na rozchodzenie się dźwięku, ale w nieco inny sposób.

Wbrew pozorom temperatura w powietrzu nie jest jednakowa w każdym punkcie. Np. rano wychłodzony po nocy grunt ogrzewa się znacznie wolniej, niż powietrze ponad gruntem. W ten sposób powstaje warstwa przygruntowa powietrza charakteryzująca się niższą temperaturą, niż wyższe warstwy. Odwrotnie wieczorem - nagrzany grunt "dogrzewa" warstwę powietrza tuż nad nim, podczas gdy wyższe warstwy ochładzają się szybciej.

Teraz tę wiedzę "meteorologiczną" połączymy z wiedzą "fizyczną" (odnośnie zależności prędkości dźwięku od temperatury). Wieczorem, w cieplejszej warstwie przygruntowej dźwięk przemieszcza się szybciej, niż w wyższych, chłodniejszych partiach. W wyniku tego "ugina" się on ku górze, ponad zgromadzoną widownią. Natomiast przed południem jest odwrotnie - przy ziemi mamy warstwę chłodniejszego powietrza, więc dźwięk będzie ulegał zagięciu ku dołowi.

W przypadkach ekstremalnych może dojść do sytuacji, kiedy fala dźwiękowa będzie odbijała się od gruntu i przeskakiwała nad częścią zgromadzonej publiczności, a potem znów będzie zaginana ku ziemi (podobnie jak to ma miejsce z falami radiowymi). Powstaną w ten sposób tzw. martwe miejsca, gdzie dźwięk, pomimo może nawet niewielkiej odległości od sceny, będzie słabszy od miejsca oddalonego nawet dość znacznie od zestawów nagłośnieniowych.

SUCHOŚĆ, WILGOTNOŚĆ

Trzecim czynnikiem, który może "namieszać" w propagacji dźwięku, jest wilgotność powietrza. W tym przypadku największy wpływ na tłumienie dźwięków ma zakres od 10 do 40 %. Przy wyższej wilgotności straty zaczynają maleć. A więc, paradoksalnie, powietrze suche bardziej tłumi dźwięk, niż wtedy, gdy jest "parno i duszno". Ponadto wilgotność wpływa na tłumienie w różny sposób, zależnie od częstotliwości.

Dźwiękom o niskiej częstotliwości praktycznie nie szkodzi. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie też tłumienie. Np. przy wilgotności względnej równej 20 % i paśmie 2-3 kHz stłumienie dźwięku o 1 dB nastąpi na dystansie 30 m (trzeba tu zaznaczyć, że ten jednodecybelowy spadek poziomu dźwięku to wpływ wilgotności - do tego dochodzi nam oczywiście spadek poziomu dźwięku związany z oddalaniem się od źródła dźwięku). Ale już na tym samym dystansie dźwięki o częstotliwości 10 kHz ulegną stłumieniu o 8,5 dB, a więc straty na dwa razy większym dystansie dla tej częstotliwości (wynikające tylko z wilgotności) osiągną wartość 17 dB! Dlatego też przy dużych odległościach i niewielkiej wilgotności słychać głównie "dudnienie" subwooferów, "środek" jest już mocno stłumiony, a "góry" prawie nie ma wcale.

JAK TEMU ZAPOBIEGAĆ?

Istnieje w sumie jeden jedyny, prosty (co nie znaczy, że tani) i skuteczny sposób. idea polega na "przybliżeniu" źródła dźwięku do słuchacza. Na czym to polega? Oprócz nagłośnienia "przodowego" koło sceny, "w narodzie" umieszczamy dodatkowe głośniki. Mogą one być w jednej lub nawet kilku "strefach". Najczęściej jednak będziemy mieli do czynienia z jedną strefą, gdyż te naprawdę wielkie plenery obsługują bardzo duże firmy nagłośnieniowe z mnóstwem sprzętu, mnóstwem obsługi i jeszcze większym mnóstwem wiedzy na ten temat.

Niestety, wprowadzenie do systemu dodatkowych głośników strefowych dość znacznie odbije się na budżecie - nie dość, że trzeba dokupić sprzętu (zestawy głośnikowe, wzmacniacze), dodatkowe, często długie, okablowanie, to jeszcze trzeba to wszystko rozstawić, zestroić, a po imprezie poskładać i spakować do "transportera". Są jednak sposoby, jak "zejść z kosztów".

Przede wszystkim istotny jest sposób rozmieszczenia dodatkowych głośników - jeśli umieścimy je za stanowiskiem realizatora "przodowego", w niedalekiej od niego odległości, zaoszczędzimy na długich kablach (koszt kabli i koszt strat związanych z przesyłaniem sygnału na daleką odległość). Ponadto możemy zrezygnować z dodatkowych subwooferów, gdyż tłumienie niskich częstotliwości jest niewielkie, będą więc one dobrze słyszalne ze sceny. Wystarczy więc zastosować zestawy głośnikowe szerokopasmowe, a nawet wysokotonowe (np. od częstotliwości 200-400 Hz w górę).

Jest jeszcze jeden problem (oprócz dodatkowych kosztów i "robocizny") z nagłośnieniem strefowym.

OPÓŹNIENIE

W przypadku gdy podamy na zestawy strefowe sygnał nieopóźniony, słuchacz znajdujący się w ich zasięgu będzie miał "przewróconą" lokalizację - dźwięk nie będzie dobiegał ze sceny. Należy więc wprowadzić odpowiednie opóźnienie, tak aby zachować wrażenie dochodzenia dźwięku wprost ze sceny. Jakie to ma być opóźnienie? Ano wszystko zależy od prędkości dźwięku, a więc od warunków atmosferycznych.

Trudno brać wszystko pod uwagę - najważniejsza jednak jest temperatura. Obliczyć prędkość dźwięku w danej temperaturze pomoże nam poniższy wzór:



gdzie t jest aktualną temperaturą wskazywaną przez (dobrze działający) termometr w °C.

Skoro mamy już prędkość dźwięku i wiemy, jaka jest odległość naszych zestawów strefowych od głównych (a jak nie wiemy, to zmierzymy), nic nie stoi na przeszkodzie, aby obliczyć czas. Nic prostszego, wzór na prędkość chyba każdy pamięta ze szkoły, ale żeby już mieć „komplet wiedzy” przypomnę:

v = l/t

gdzie:
v - prędkość dźwięku w danej temperaturze [m/s]
l - odległość od sceny [m],
t - opóźnienie dźwięku [s]

Po prostym i nieskomplikowanym przekształceniu powyższego wzoru otrzymujemy:

t = l/v

I już mamy potrzebny czas opóźnienia.

Dla ilustracji prosty

PRZYKŁAD

Nasze zestawy strefowe oddalone są od sceny o 50 m, a temperatura powietrza wynosi 25 °C. Obliczmy prędkość dźwięku w tej temperaturze:



Czas opóźnienia:

t = l/v = 50/345,5 = 0,1447 s = 144,7 ms

Warto pamiętać, że różnica czasu pomiędzy dwoma dźwiękami mniejsza niż 20 ms jest dla ucha niesłyszalna i dźwięki te odbierane są jako jeden, nieco przedłużony. Jednak istotne jest, który dźwięk dotrze jako pierwszy - z tego kierunku będziemy lokalizować źródło dźwięku, nawet jeśli ten, który dotrze nieco później będzie miał większy poziom. Dlatego do obliczonej wartości warto dodać 15-20 ms, aby uzyskać "pierwszeństwo" dla dźwięku dochodzącego od nagłośnienia głównego.

Ideałem zaś jest sytuacja, gdy słuchacz jest przekonany, że dodatkowe głośniki w ogóle nie pracują, a cały "sound" pochodzi z nagłośnienia przy scenie. Aby to jednak osiągnąć trzeba nie tylko zastosować odpowiednie opóźnienie, ale też i odpowiednią korekcję wysokich częstotliwości. Ale to już zupełnie inna "bajka"…

Piotr Sadłoń

---

Piotr Sadłoń jest Redaktorem Naczelnym Live Sound Polska. Kontakt: sadlon@livesound.pl.