Wpływ warunków atmosferycznych na nagłośnienie

Problem ten nabiera szczególnej wagi w przypadku imprez plenerowych – których sezon już się wszak rozpoczął – bo przecież nie bez znaczenia jest to, czy powietrze po całym dniu jest suche, czy też wilgotne, czy wiatr wieje od czy w stronę estrady, a może na boki, a także czy podczas koncertu pada deszcz.

Co prawda o omawianej tu kwestii była już mowa na naszych łamach, ale było to dawno i nieprawda (żartuję z tym „nieprawda”).

ROZKŁAD TEMPERATUR

 

Nie wszystkie koncerty odbywają się popołudniami czy wieczorami. Są przecież imprezy kilkudniowe – jak np. Przystanek Woodstock – podczas których trwają one niemal od szarego świtu do późnej nocy. Dlatego może się zdarzyć, że system nagłośnieniowy idealnie wystrojony poprzedniego wieczoru następnego dnia rano zagra „tak sobie”. Z czego to wynika? Otóż szybkość dźwięku delikatnie rośnie wraz z temperaturą. Na przykład na wysokości 0 metrów n.p.m. i przy temperaturze 10 stopni Celsjusza w ciągu 100 milisekund dźwięk pokonuje dystans 33,74 metra. Gdy temperatura wzrasta do np. 32 stopni, wówczas odległość pokonywana przez dźwięk w czasie tych samych 100 milisekund zwiększa się do 35,1 metra. O poranku ziemia trzyma nocny chłód dłużej, niż wyższe partie powietrza, w rezultacie czego jego warstwa przy gruncie jest chłodniejsza, niż warstwy górne. Powoduje to, że czoło fali dźwiękowej kieruje się nieco ku dołowi, po czym ulega ugięciu w stronę chłodniejszych warstw powietrza. W bardziej ekstremalnych warunkach fale dźwiękowe mogą odbijać się od gruntu i przeskakiwać nad częścią widowni, by następnie ulec refrakcji i skierować się ponownie w dół. W rezultacie powstają nierównomierności pokrycia nagłaśnianego obszaru dźwiękiem.

Z kolei wieczorem mamy do czynienia z sytuacją odwrotną. Ponieważ grunt pozostaje nagrzany, podczas gdy powietrze nad nim stopniowo się schładza, tuż przy ziemi pozostaje warstwa ciepłego powietrza. To powoduje, że fala dźwiękowa ugina się ku górze, by następnie ulec załamaniu ku dołowi, tuż ponad głowami widzów. (Należy też pamiętać, że tendencja ta jest wzmocniona przez ciepło wytwarzane przez nich samych).

Podobne efekty mogą wywołać podmuchy wiatru. Szybkość dźwięku przemieszczającego się wraz z wiatrem jest sumą prędkości samego dźwięku i prędkości wiatru; gdy dźwięk jest emitowany pod wiatr, wówczas jego rzeczywistą szybkość obliczymy poprzez odjęcie od niej prędkości wiejącego wiatru. A ponieważ szybkość wiatru przy samym gruncie jest bliska zeru, toteż w przypadku grania „pod wiatr” następuje ugięcie fali dźwiękowej ku górze, gdyż jej górna część zostaje wyhamowana przez silniejszy wiatr. Z kolei gdy wiatr wieje dźwiękowi „w plecy”, czyli mówiąc inaczej popycha go do przodu, fala dźwiękowa zostaje ugięta ku dołowi. Należy przy tym stwierdzić, że przyczyną tych problemów jest nie tyle samo zjawisko wiatru, co zmiany jego prędkości, następujące wraz z wysokością.

Wpływ wiatru bocznego można określić stosując prostą analizę trygonometryczną. (Naprawdę istnieje coś takiego). Przyjrzyjmy się przykładowi. Zacznijmy od przypomnienia faktu, iż nominalna prędkość dźwięku wynosi 1.225 kilometrów na godzinę. Przyjmijmy teraz, że boczny wiatr wieje z prędkością 68 km/h, pod kątem 90 stopni w stosunku do kierunku propagacji systemu nagłośnieniowego. Prędkości te możemy podstawić jako długości boków przyprostokątnych trójkąta prostokątnego, określając kąt odchylenia. W tym konkretnym przypadku wynosi on 3 stopnie.

Kryje się tu jednak pewien podstęp. Wszak fale dźwiękowe emitowane przez grono głośnikowe nie biegną równolegle, ale rozchodzą się pod szerokim kątem – pozioma dyspersja może wynosić 120, a nawet więcej, stopni. Dlatego też część fali dźwiękowej biegnie dokładnie prostopadle do wiatru, inna część nieco z wiatrem, a jeszcze inna pod wiatr. To powoduje, że interakcja dźwięku z wiatrem staje się bardzo złożona!

WIĘCEJ I MNIEJ

Innym czynnikiem, który może mieć istotny wpływ na propagację dźwięku, tym razem jednak w dziedzinie widma częstotliwościowego, jest wilgotność powietrza. Choć może się to wydawać nieco nie intuicyjne, to niska wilgotność powoduje większe tłumienie, niż wysoka.

Wilgotność najsilniej oddziałuje na pasmo powyżej 2 kHz i oddziaływanie to przybiera na sile wraz ze wzrostem częstotliwości. W odległości 30 metrów i przy wilgotności powietrza na poziomie 20 procent częstotliwość 2 kHz zostaje stłumiona tylko o 1 dB, podczas gdy 10 kHz traci już niebagatelne 8,5 dB.

Straty te kumulują się wraz ze zwiększaniem dystansu. Dla odległości 65 metrów tłumienie 10 kHz podwaja się i wynosi aż 17 dB! Co więcej, straty te sumują się ze stratami wynikającymi z prawa odwrotności kwadratów – nie postępują one liniowo, równolegle do wzrostu częstotliwości, w rezultacie czego odpowiedź amplitudowa w poszczególnych punktach obszaru nagłaśnianego może być znacząco różna.

Te niejednorodności są najgłębsze przy wilgotności w zakresie od 10 do 40 procent. Przy wyższych wskaźnikach straty są mniejsze i następują bardziej liniowo wraz ze wzrostem częstotliwości.

Wszystkie te zjawiska mogą stanowić pewien problem w odniesieniu do gron punktowych, o łącznej dyspersji pionowej 50 do 80 stopni. Jeśli jednak chodzi o systemy liniowe, wytwarzające falę dźwiękową o bardzo wąskim czole w osi pionowej, margines błędu ustawienia kierunkowości jest bardzo mały.

Fakt, że w przypadku systemów liniowych spadek poziomu głośności o 3 dB wraz z każdym podwojeniem odległości jest zachowany dla wysokich częstotliwości na znacznie większym dystansie, niż dla niskich tonów, jest nieco niwelowany przez straty związane ze zjawiskami atmosferycznymi. Z uwagi jednak na to, że straty te nie następują w sposób liniowy, niwelacja ta nie jest aż tak pomocna, jak mogłoby się wydawać.

Systemy liniowe wykorzystywane są zwykle do nagłaśniania dużych obszarów. Zjawisko, którym się tu zajmujemy, przybiera na sile wraz z dystansem. Im większa jest masa powietrza, przez które fale dźwiękowe muszą się przebić, tym wyższe staje się ryzyko wystąpienia strat. W odległości 30 metrów efekt jest niezauważalny. Przy 150 metrach może być wręcz dramatyczny.

Jednym ze sposobów radzenia sobie z opisanymi tu problemami jest zastosowanie wież dogłaśniających, grających z określonym opóźnieniem. Wynika z tego dwojaka korzyść. Po pierwsze zachowujemy właściwą odpowiedź częstotliwościową systemu, po drugie zaś możemy zapewnić równomierność głośności dźwięku w całym nagłaśnianym obszarze. Oczywiście rozwiązanie to ma swoje wady. Wydłuża proces konfigurowania całego systemu, komplikuje go, powoduje konieczność układania dodatkowych przewodów, a także zapewnienia dodatkowego zasilania. Słowem nastręcza szeregu trudności logistycznych. Niewygody te można jednak nieco zminimalizować. Ponieważ absorpcja przez powietrze dotyczy głównie wysokich częstotliwości, toteż zestawy dogłaśniające można konfigurować bez użycia subooferów. To w oczywisty sposób zmniejsza rozmiary tychże zestawów i wymagania w zakresie zasilania. Ponadto umieszczenie zestawów dogłaśniających w pobliżu stanowiska mikserskiego sprzyja zastosowaniu krótszych przewodów sygnałowych.

Do budowy zestawów dogłaśniających znakomicie nadają się kompaktowe system liniowe. Mimo niewielkich rozmiarów zapewniają wystarczająco dużo mocy, a przy tym w niedużym stopniu zasłaniają widok z tyłu widowni.

W jakiej więc odległości od głównego systemu należy ustawiać wieże z dogłośnieniem? Zazwyczaj wylicza się ją wyłącznie w oparciu o zasady fizyczne, ale czasami trzeba też brać pod uwagę ograniczenia co do maksymalnego poziomu SPL, wynikające np. z faktu, iż w pobliżu miejsca koncertu znajdują się osiedla mieszkaniowe.

Jeśli SPL jest mierzone na stanowisku FOH, wówczas system główny może pracować ze stosunkowo niskim poziomem głośności, co pozwala zachować względnie niedużą odległość pomiędzy sceną i systemami opóźnionymi. Obliczenia akceptowalnego poziomu progowego, poniżej którego sygnał wymagać będzie dodatkowego dogłośnienia, można dokonać za pomocą programu modelującego albo też prostych działań matematycznych, uwzględniających prawo odwrotności kwadratów (czy też, w przypadku systemów liniowych, prawo odwrotności). Jak obliczyć opóźnienie sygnału? Najlepszą metodą jest pomiar różnicy czasu dotarcia sygnałów z obu systemów. Do pomiaru można użyć np. programu SMAART lub inny analizator software’owy. Program wyraźnie wykaże tę różnicę, a także umożliwi wyliczenie właściwego opóźnienia. W razie braku stosownego oprogramowania można posłużyć się matematyką. Przy temperaturze 21 stopni, na poziomie morza, dźwięk pokonuje dystans 340 metrów w ciągu sekundy, czyli 1 metr w ciągu 2,9 milisekundy. Znając odległość pomiędzy obydwoma systemami można z łatwością wyliczyć czas opóźnienia.

Wielu realizatorów dźwięku wykorzystuje przy tym efekt Haasa (czyli pierwszeństwa). Ucho ludzkie lokalizuje dźwięki w oparciu o czas ich dotarcia oraz zawartość częstotliwościową. Dźwięk docierający wcześniej i/lub mający większą zawartość wysokich częstotliwości wyznacza kierunek, z którego jest pozornie słyszalny. Ponadto ucho ludzkie sumuje dźwięki, które docierają w czasie nie przekraczającym 20 milisekund, czyli w obrębie tzw. okna Haasa. Inaczej mówiąc, dźwięki te nie są odbierane jako dwa osobne, a jako jeden.

To pozwala na „oszukanie” widowni w taki sposób, by – opóźniając sygnał dogłaśniający nieco bardziej, niż wynikałoby to z obliczeń, i nieco wytłumiając górne częstotliwości – sprawić, że będzie ona przekonana, iż cały dźwięk dociera z systemu głównego. Nazywa się to lokalizacją. O poprawności uzyskanego efektu świadczyć będzie opinia widzów, według której system dogłaśniający w ogóle nie pracował, podczas gdy sami wiemy, że było inaczej.

Należy przy tym pamiętać, że szybkość dźwięku zmienia się wraz z temperaturą powietrza. Dlatego w przypadku jej dużych wahań opóźnienie systemu dogłaśniającego należy ustawiać możliwie jak najkrócej przed koncertem. A później już tylko modlić się, by nie spadł deszcz.

 

PODSUMOWANIE

Właściwe dostrojenie systemu to, jak widać, nie tylko uzyskanie właściwej charakterystyki częstotliwościowej i wyrównania fazowego pomiędzy poszczególnymi modułami głośnikowymi. To także uwzględnienie szeregu warunków atmosferycznych, które – w zależności od swej intensywności – mogą mieć niebagatelny wpływ na uzyskane rezultaty brzmieniowe. Dlatego podczas strojenia systemów nagłośnieniowych, zwłaszcza liniowych, należy również i ten czynnik brać pod uwagę, by się „o godzinie zero” nie zdziwić, i to nader nieprzyjemnie. Że już o bólu, jaki sprawiają nieprzychylne opinie widzów, nie wspomnę…

Krzysztof Marecki

---

Ewentualne pytanie (lub polemikę) do autora można wysyłać na adres redakcji: redakcja@livesound.pl.