Systemy wsparcia akustyki. Yamaha AFC3 i inne

W ubiegłym miesiącu system ten został też oficjalnie pokazany „światu” podczas prezentacji 16 lutego.

Co to w ogóle jest ten system wsparcia akustyki, jak działa i po co się go stosuje – na te pytania postaramy się odpowiedzieć w tym artykule.

AKUSTYKA WNĘTRZ

Każda sala, hala czy inne pomieszczenie charakteryzuje się pewnymi parametrami, za pomocą których można określić „jakość” tegoż pomieszczenia, a konkretnie to, czy jest ono odpowiednie dla danej realizacji czy też wydarzenia, które ma mieć w nim miejsce. Innymi właściwościami akustycznymi powinna charakteryzować się sala do wystąpień audytoryjnych, innymi sala teatralna, jeszcze innymi sala koncertowa czy kinowa.

Generalnie „zasada działania” każdej sali jest taka sama. Do znajdującego się w jej wnętrzu słuchacza sukcesywnie docierają „składniki” wyemitowanego w ten czy inny sposób sygnału akustycznego (rysunek 1).

Najszybciej dociera dźwięk bezpośredni. Podąża on najkrótszą drogą miedzy źródłem sygnału a słuchaczem, czyli „po prostej”. Następnie do słuchacza docierają dźwięki odbite od ścian, podłogi i sufitu, przy czym pierwsze docierają silniejsze odbicia, zwane „wczesnymi odbiciami” (early reflection), a potem tzw. „ogon”, czyli pole pogłosowe lub, po prostu, pogłos sali (rysunek 2).

 

MECHANICZNE METODY POPRAWY AKUSTYKI

Jeśli akustyka obiektu nie jest odpowiednia dla danego typu wykonywanych w niej form muzycznych czy słownych, można próbować ją naprawić. Można to robić metodą mechaniczną – np. poprzez wymianę materiału pokrywającego ściany na mniej lub bardziej pochłaniający (w zależności od tego, czy chcemy wytłumić salę, czy wprost przeciwnie, zwiększyć jej pogłos) lub poprzez zainstalowanie ustrojów akustycznych rozpraszających bądź absorbujących fale akustyczne. Można też tak zaprojektować salę, aby adaptować jej akustykę do różnych form wydarzeń, jakie będą miały tam miejsce. Dzięki temu staje się ona obiektem uniwersalnym, co jest obecnie bardzo pożądane, choćby z powodów ekonomicznych – mogą w niej odbywać się nie tylko wydarzenia muzyczne jednego rodzaju (np. koncerty muzyki symfonicznej, spektakle operowe itp.), ale również imprezy, podczas których używane jest nagłośnienie.

Dokonuje się tego poprzez zaplanowanie jeszcze na etapie projektowania elementów zmiennej akustyki, np. kurtyn i banerów akustycznych czy specjalnych komór pogłosowych (przykładem pierwszego rozwiązania są obie sale koncertowe nowej siedziby NOSPR w Katowicach, a druga technologia ma być wykorzystywana w sali koncertowej Narodowego Forum Muzyki we Wrocławiu). Są to jednak rozwiązania szalenie kosztowne i nie każdy może sobie na nie pozwolić – tym bardziej jeśli mamy do czynienia nie z nowoprojektowanym obiektem, ale takim, który już istnieje i w którym chcemy poprawić warunki akustyczne bez konieczności jego przebudowy (co przecież również nie jest tanie, a ponadto wymaga wyłączenia sali z użytkowania przeważnie na dobrych kilka miesięcy).

ELEKTRONICZNE SYSTEMY WSPARCIA AKUSTYKI

Alternatywą dla opisanych mechanicznych metod zmiany akustyki obiektu są znacznie tańsze i nie wymagające takich nakładów pracy (i czasu) metody elektroniczne, czyli systemy wsparcia akustyki. Tego typu systemów – aczkolwiek nie identycznych, różniących się bowiem nie tylko zastosowaną technologią, ale również sposobem zmiany akustyki sali – jest (a w zasadzie trzeba użyć czasu przeszłego, bowiem niektóre z nich nie są obecnie używane) kilka. Z drugiej strony, choć systemy wsparcia akustyki są wykorzystywane od 1959 roku, obiektów, w których tego typu systemy są zainstalowane jest na świecie tylko około 300. Rysunek 3 schematycznie prezentuje jakie to są systemy i ile z nich pracuje w salach na całym świecie (jest to stan z roku 2012 więc obecnie mogą być drobne różnice – na pewno nie ma tu uwzględnionego SWA w Sali im. Moniuszki Teatru Wielkiego – Opery Narodowej).

 

KONCEPCJE SYSTEMU WSPARCIA AKUSTYKI

Generalnie patrząc, zmianę akustyki danej sali metodami elektronicznymi możemy uzyskać dwiema drogami: poprzez syntezę odbić, bazując na dźwięku bezpośrednim lub dodając odbicia (zwiększając ich energię), bazując na oryginalnej akustyce (odbiciach) sali.

Pierwsza metoda czasami nazywana jest „syntezą pola akustycznego” (ang. Synthesis of Sound Field, w skrócie S-SF), częściej zaś systemy oparte na tej metodzie określa się mianem „in-line” (nie wiem, czy można to jakoś sensownie przetłumaczyć na polski). Systemy te, jak sama nazwa wskazuje, działają w ten sposób, iż tworzą wymagane odbicia w pomieszczeniu, bazując na sygnale bezpośrednim, a następnie emitują je w stronę widowni. Dźwięk bezpośredni jest „wyłapywany” przez zestaw odpowiednio umieszczonych mikrofonów, tak więc system in-line pracuje w permanentnej pętli akustycznego sprzężenia zwrotnego (rysunek 4).

Jednak w celu uniknięcia powstawania sprzężeń przenoszonych następnie przez głośniki systemu (w efekcie czego powstają zakolorowania dźwięku czy wręcz efekty znane z koncertów, tj. piski) systemy in-line pracują ze stosunkowo małym sprzężeniem zwrotnym. W pomieszczeniach o dość dużym wytłumieniu systemy oparte na syntezie odbić sprawiają się całkiem dobrze, bowiem rezultat ich pracy może być niemalże w pełni kontrolowany. Jednak w salach o większym, naturalnym czasie pogłosu efektem finalnym pracy tego typu systemu jest suma odbić sali i tych wytworzonych przez system – co nie zawsze daje dobry efekt, szczególnie jeśli chodzi o zachowanie naturalnego charakteru („brzmienia”) sali. Innym ograniczeniem systemu in-line jest to, iż działa on „w jedną stronę”, tzn. generuje energię akustyczną tylko od sceny w kierunku widowni (jest to warunek konieczny dla zabezpieczenia się przed efektami niechcianych sprzężeń na linii głośnik- -mikrofon). Jeśli więc wykonawca opuści strefę „wykonawczą”, czyli np. scenę, i wejdzie na widownię, system nie będzie w stanie efektywnie wspierać jego pracy, czyli akustyka sali będzie taka, jak oryginalnie. To ograniczenie działa również „w drugą stronę” – energia akustyczna emitowana w stronę publiczności nie trafia z powrotem na scenę, tak więc występujący tam artyści nie mogą cieszyć się efektami pracy systemu, jaki odbiera publiczność na widowni.

Druga metoda zwana jest czasami „wsparciem pola akustycznego” (ang. Assistance of Sound Field, w skrócie A-SF) albo – częściej – „regeneratywną”. W tym podejściu wykorzystuje się wiele kanałów mikrofonowych/wzmacniaczy/ głośnikowych do regeneracji odbić w pomieszczeniu, zwiększających energię akustyczną przy relatywnie wysokim sprzężeniu zwrotnym. Z tego powodu systemy regeneratywne wymagają specjalnych technik zapobiegania podkolorowywaniu brzmienia, będącego efektem sprzężeń akustycznych. Tak więc działanie systemu regeneratywnego polega na wzmocnieniu istniejących już odbić, a więc rezultat jego pracy bazuje na panujących w danym pomieszczeniu warunkach akustycznych. System swoim działaniem obejmuje więc zarówno strefę, gdzie znajdują się widzowie (widownię), jak i artyści (scenę) – „działa” więc również wtedy, gdy artyści występują np. na widowni (rysunek 5).

 

WYZWANIA

Jak już wspomniałem, działanie obu rodzajów systemów wsparcia akustyki – in-line i regeneratywnego – opiera się na pracy w pętli akustycznego sprzężenia zwrotnego. Dotyczy to szczególnie tego drugiego, gdzie owo sprzężenie jest istotnie większe, niż w systemach in-line. Wiadomo, co się dzieje, gdy wzmocniony przez końcówki mocy i wyemitowany przez głośniki dźwięk trafia do mikrofonu znajdującego się na początku tego łańcucha elektroakustycznego – pojawia się najpierw delikatne „podzwanianie” pewnych częstotliwości, które może przejść w nieprzyjemny pisk lub buczenie. Ale nawet jeśli nie pojawi się owo nieprzyjemne buczenie/piszczenia, już sam fakt podzwaniania nie jest pożądany, będzie on bowiem sprawcą koloryzowania całościowego brzmienia. Aby temu zapobiegać stosowane są różne techniki – niektóre systemy korzystają tylko z jednej, inne z kilku. Jak to wygląda w konkretnych zastosowaniach, pokazuje tabela 1.

Czym charakteryzują się konkretne systemy z tabeli, o tym – oczywiście w dużym skrócie – poniżej.

PIERWSZE PODEJŚCIE – AMBIOFONIA

Historycznie pierwszym SWA był wymyślony około roku 1959 przez R. Vermeulena z Philipsa system bazujący na zapętlonej taśmie magnetofonowej, przechodzącej nad jedną głowicą nagrywającą i kilkoma odtwarzającymi (rysunek 6).

W 1975 roku J.C. Jaffe z Jaffe Acoustics zaprezentował podobny system – ERES, który zamiast taśmy magnetofonowej wykorzystywał w swoim działaniu linie opóźniające. Oba systemy „zbierały” i rejestrowały dźwięk ze sceny – zarówno bezpośredni, jak i wczesne odbicia – i odtwarzały go kilkukrotnie w odpowiedni sposób (rysunek 7) poprzez system głośników skierowanych w stronę widowni i usytuowanych odpowiednio daleko od mikrofonów (aby zachować odpowiedni margines od sprzężeń). Dzisiaj brzmiałoby to niezbyt satysfakcjonująco, ale w tamtych czasach dawało zadawalające efekty. Toteż system ambiofoniczny znalazł swoje miejsce w wielu salach koncertowych w Europie, w tym mediolańskiej La Scali oraz – co ciekawe – w Teatrze Wielkim – Operze Narodowej w Warszawie!

 

KOLEJNY KROK – WSPOMAGANIE REZONANSÓW

W 1964 roku P.H. Parkin i K. Morgan z brytyjskiego oddziału Scientific and Industrial Research zaprezentowali eksperymentalny system zainstalowany w Royal Festival Hall w Londynie. I choć system ów nie był i nie jest dostępny na rynku w formie komercyjnej, to jednak stał się on fundamentem kilku obecnie stosowanych systemów wsparcia akustyki. Aby uchronić się od sprzężeń i zakolorowania brzmienia systemu mikrofon-wzmacniacz-głośnik pracującego w tej samej przestrzeni, Parkin i Morgan zaproponowali rozwiązanie polegające na wykorzystaniu wielu tego typu pętli (mikrofon- wzmacniacz-głośnik), każda nastrojona na bardzo wąski zakres pasma częstotliwości. Wykorzystali do tego mikrofony umieszczone w rezonatorach Helmholza instalowanych w miejscach, w których funkcja przejścia danej pętli przy częstotliwości, w której pracowała, była w swoim maksimum. Wzrost energii w każdym osobnym paśmie mógł być kontrolowany poprzez dostosowanie wzmocnienia i fazy sygnału w każdej pętli z osobna, uzyskując w ten sposób stabilny, niepodkolorowany rezultat w postaci dużego poziomu energii i długiego czasu pogłosu.

Minusem tego systemu było to, że każda pętla obejmowała tylko bardzo wąskie pasmo częstotliwości, rzędu kilku- kilkunastu herców, dlatego do pokrycia całego pasma akustycznego, albo choć jego większej części, potrzebna była niewyobrażalna liczba kanałów (pętli), a więc również mikrofonów, wzmacniaczy i głośników. W pierwotnym projekcie systemu z Royal Festival Hall użyto 89 pętli, co pozwoliło pokryć pasmo od 70 Hz do 340 Hz. Gdyby chcieć zwiększyć szerokość tego pasma do 8 kHz, potrzeba byłoby ponad 1.000 pętli – co byłoby ekonomicznie nieopłacalne i niewykonalne fizycznie. Akurat w przypadku londyńskiej sali koncertowej, która cierpiała na pewne braki w wybrzmiewaniu w zakresie niskich częstotliwości, system złożony z 89 kanałów wystarczał. Pracował on tam przez wiele lat. W celach eksperymentalnych na drugiej scenie zainstalowano dwa razy większy system, co pozwoliło zwiększyć pokrycie pasma do 700 Hz.

SYSTEMY REGENERATYWNE – MCR, CARMEN

W 1969 roku N.V. Franssen z Philipsa opatentował koncepcję systemu „Multi Channel Reverberation” (pogłosu wielokanałowego), albo inaczej MCR, rozwijanego później przez S.H. de Konina. Koncepcja systemu MCR jest zbliżona do systemu Parkina i Morgana, inne natomiast jest w nim podejście do rozwiązania problemu koloryzacji i oscylacji związanych z pętlą sprzężenia zwrotnego. O ile w systemie wspomagania rezonansów wykorzystywanych jest wiele kanałów o bardzo wąskim paśmie pracy przy dużym wzmocnieniu (a więc i sprzężeniu), o tyle koncepcja systemu MCR opiera się na fakcie, iż można korzystać z pełnopasmowych kanałów dopóki wzmocnienie w każdej pętli nie przekroczy -21 dB (rysunek 9).

Kanały mogą być dodawane bez ryzyka zakolorowania brzmienia i powstawania oscylacji pod warunkiem, iż nie będą ze sobą skorelowane, np. będą charakteryzować się niezależną funkcją przejścia otwartej pętli. Można to uzyskać poprzez odpowiednie rozmieszczenie pętli mikrofon-głośnik w sali. Aby osiągnąć w tej metodzie podwojenie energii akustycznej (a więc również zwiększenie czasu pogłosu), potrzebnych jest około stu takich pętli/kanałów. Jak widać, sporo, ale pamiętajmy, że system obejmuje pełne pasmo, a aby uzyskać podobny efekt dla całego pasma w systemie Parkina i Morgana liczba kanałów szła w tysiące. W bardziej współczesnych rozwiązaniach systemu MCR, stosując korektory parametryczne oraz linie opóźniające w celu zapobiegania koloryzacji brzemienia, można uzyskać satysfakcjonujące efekty przy „zatrudnieniu” około 50 kanałów.

System MCR jest wciąż instalowany w obiektach na całym świecie, oferowany jako XLNT-MCR przez holenderską firmę Event Acoustics. Francuska organizacja badawcza „Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB)” zaproponowała swój system zwany Carmen, będący alternatywną wersją systemu MCR, oferujący zintegrowane moduły mikrofon- głośnik, formujące w pomieszczeniu „wirtualną ścianę”.

Zaletą systemu regeneratywnego jest to, iż wykorzystuje (regeneruje) istniejące w pomieszczeniu odbicia, a więc i odpowiedź częstotliwościową sali, brzmiąc bardzo naturalnie, bowiem system nie dodaje żadnych „sztucznych” odbić w celu zmiany akustyki obiektu. Z drugiej strony w niektórych przypadkach może to być też wadą – zmiana akustyki pomieszczenia jest ograniczona tylko do wzmocnienia tego, co w nim jest (istniejących odbić). Zwiększając czas pogłosu sprawiamy, że ilość energii akustycznej w pomieszczeniu zwiększa się – dłuższy czas pogłosu znaczy głośniej, i vice versa, głoś niej znaczy dłuższy czas pogłosu.

SYSTEMY IN-LINE – ACS, SIAP, VIVACE

W latach 1987-1991 na rynku pojawiały się kolejno trzy nowe systemy wsparcia akustyki, prezentujące zupełnie inne podejście, które złamały nieodłączną zasadę systemów regeneratywnych –„dłuższy (czas pogłosu) oznacza głośniej”. Były to systemy ACS (rok 1987, stworzony przez van Berkhouta z ACS), LARES (1988, D. Griesinger z Lexicona) i SIAP (1991, van Munster i Prinnssen z SIAP). W 2008 roku do tej puli Stagetec dorzucił swój system – Vivace. Wszystkie systemy wykorzystują specjalny algorytm pogłosowy, wytwarzany przez procesory DSP dostępne w tamtym czasie, minimalizując akustyczny feedback poprzez umieszczenie mikrofonów kierunkowych (o charakterystyce kardioidanej lub superkardioidalnej) możliwie jak najbliżej wykonawców, a więc w obrębie sceny (rysunek 10). Dzięki temu uzyskano możliwie najmniejsze sprzężenie w pętli akustycznej. Dodatkowo w LARES, ACS i Vivace niekiedy stosuje się wariację czasową do modulowania czasu opóźnienia algorytmu pogłosowego. Pomimo tego że daje to czasami słyszalne efekty, zabieg ten pozwala na przeciwdziałanie sprzężeniom, chroniąc przed zakolorowaniem brzmienia systemu i zwiększając jego stabilność w przypadku wykorzystywania niewielkiej liczby niezależnych kanałów. Jeśli system in-line pracuje z odpowiednio dużą liczbą kanałów, dekoloryzacja działa „z automatu”, tak więc wariacja czasowa nie jest potrzeba (ACS, SIAP).

Biorąc pod uwagę, że systemy in-line są z definicji wolne od sprzężeń, do naturalnej akustyki pomieszczenia może być dodany dowolny schemat pogłosowy. Jeśli pomieszczenie, w którym zainstalowany jest system, jest „suche” (duże tłumienie = mała energia = krótki czas pogłosu), efekt finalny pracy SWA jest niemalże w 100-procentach zależny od systemu, co pozwala na praktycznie dowolne kreowanie akustyki pomieszczenia (i stworzenie w ten sposób sali wielofunkcyjnej).

Minusem systemów in-line jest to, że poprawa akustyki następuje tylko dla tych źródeł dźwięku, które znajdują się w obrębie „pracy” kierunkowych mikrofonów, np. sceny. Dźwięki dochodzące z innych rejonów, np. z widowni, nie są „uwzględnione” w pracy systemu, chyba że pracuje tam osobny system. Za pomocą „czystych” systemów in-line trudno jest też suportować naturalną akustykę sali, obejmującą całą jej przestrzeń.

HYBRYDOWE SYSTEMY REGENERATYWNE – AFC, VRAS

Dwie firmy podjęły wyzwanie zbadania możliwości połączenia obu znanych do tej pory typów systemów wsparcia akustyki – regeneratywnego i in-line – aby uzyskać system, który w celu zachowania naturalnego brzemienia sali z jednej strony będzie wykorzystywał jej aktualną akustykę, a z drugiej pozwoli na dodawanie dodatkowych „nienaturalnych” odbić, dzięki czemu uzyska się większą kontrolę nad kreowaniem przestrzeni akustycznej. W ten sposób niejako wdrożono na drodze elektronicznej znaną od lat koncepcję zmiany odpowiedzi częstotliwościowej sali poprzez użycie zewnętrznych przestrzeni. W mechanicznej wersji metoda ta polega na dodaniu drugiej przestrzeni – sąsiadującej lub otaczającej istniejące pomieszczenie – i połączeniu tych przestrzeni poprzez zamykane mechanicznie wrota. Otwarcie owych wrót pozwala zmienić akustykę sali poprzez zwiększenie czasu pogłosu. Oczywiście w ten sposób można otrzymać tylko dwie kombinacje – pogłos samej sali lub zwiększony pogłos przez otwarcie wrót. Przykładem takiego obiektu jest np. sala koncertowa w Lucernie.

Elektroniczna wersja tej metody pozwala uzyskać wręcz nieskończoną liczbę różnych wartości pogłosu oraz przebiegów charakterystyki RT60 w funkcji częstotliwości, a zapisanie różnych ustawień w formie gotowych presetów pozwala na zmianę akustyki pomieszczenia w ciągu dosłownie ułamków sekund (podczas gdy zwiększenie pogłosu poprzez otwarcie wrót wymaga pewnego czasu, potrzebnego na mechaniczne wykonanie tej operacji).

Wspomniane dwie firmy i ich systemy to AFC firmy Yamaha (w swojej pierwszej wersji zaprojektowany w 1987 roku przez panów Kawakami, Shimuzu i Watanabe) oraz VRAS (Variable Room Acoustics System), zaprezentowany w 1991 roku przez firmę LCS, który stworzył M.Poletti. Ten drugi system znany jest obecnie jako Constellation i od 2005 roku oferowany przez firmę Meyer Sound.

Oba systemy pozwalają na uzyskanie bardzo dobrych efektów przy znacznie niższej liczbie kanałów i układów mikrofon- głośnik, niż „czysty” system regeneratywny. Już przy 16 mikrofonach i głośnikach (czyli 16 kanałach) można w satysfakcjonujący sposób wpływać na akustykę średnich i dużych pomieszczeń. Poprzez dodanie w każdym kanale modułu pogłosowego można zwiększyć wynikowy czas pogłosu sali, bez konieczności zwiększania energii akustycznej w pomieszczeniu (a więc bez zwiększania odczuwalnej głośności) – rysunek 11.

System VRAS (Constellation) w dalszym ciągu wykorzystuje metodę wielu niezależnych kanałów do uzyskania wolnego od podbarwień pola akustycznego, ale jest ich istotnie mniej, niż w „tradycyjnym” systemie regeneratywnym. Aby uzyskać spójne i równomierne pokrycie dźwiękiem oraz uniknąć lokalizowania przez słuchacza poszczególnych głośników systemu, do każdego kanału musi być podłączonych kilka głośników. Nie oznacza to bynajmniej zwiększenia liczby kanałów – to, ile mamy niezależnych kanałów w systemie, określa liczba mikrofonów pracujących w nim.

Wykorzystując algorytm wygładzania funkcji przejścia pętli, wzmocnienie w otwartej pętli może być odpowiednio większe. Dzięki temu w celu uzyskania odpowiedniego zwiększenia energii w pomieszczeniu można wykorzystać mniejszą liczbę niezależnych kanałów fizycznych. Przykładem takiego rozwiązania jest system AFC. Rozwiązanie to wykorzystuje algorytm przestrzennego uśredniania wygładzającego, który wymaga tylko 4 kanałów i 4 mikrofonów. Spłaszczając funkcję przejścia niwelujemy wybijające się szczyty sygnału na tych częstotliwościach, które jako pierwsze zaczną się sprzęgać. Dodatkowo wykorzystuje się filtry FIR (Finite Impulse Response – filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej) do dodawania wczesnych odbić do kanałów pogłosowych, bez efektu koloryzacji brzmienia. W porównaniu do systemu VRAS ACF potrzebuje mniej fizycznych kanałów i mniej modułów pogłosowych, przy porównywalnych efektach końcowych.

SYSTEMY MODUŁOWE

W podejściu „regeneratywnym” do tematu zmiany akustyki pomieszczenia wymaga się, aby mikrofony systemu były zlokalizowane powyżej tzn. w „odległości krytycznej” systemu. Jest to odległość liczona od źródła dźwięku (najczęściej sceny), w której energia dźwięku bezpośredniego z tego źródła i energia odbić (pogłosu) z sali są sobie równe. Umieszczając mikrofony dalej od źródła, niż „odległość krytyczna”, łatwiej jest wygenerować „czyste”, jednorodne pole pogłosowe („niezakłócone” dźwiękiem bezpośrednim), ale praktycznie niemożliwe staje się wygenerowanie wczesnych odbić, które – jak wiadomo – zależą od dźwięku bezpośredniego (przy dystansach znacznie większych od „odległości krytycznej” jest go po prostu zbyt mało). I na odwrót – jeśli umieścimy mikrofony blisko sceny, bez większych problemów będziemy mogli wygenerować wczesne odbicia, za to zaburzona będzie praca części „regeneratywnej”, właśnie dlatego, że dźwięk bezpośredni będzie odgrywał zbyt dużą rolę w sygnale zbieranym przez mikrofony.

Rozwiązaniem tego problemu jest stworzenie systemu składającego się z dwóch części (rysunek 12) – jednego odpowiedzialnego za generowanie wczesnych odbić, a drugiego, który będzie wytwarzał pogłos. Idąc dalej osobne podsystemy (moduły) mogą być odpowiedzialne za optymalizowanie całego systemu dla pewnych określonych zadań lub w określonych przestrzeniach, np. główne pole pogłosowe, pogłos pod balkonami, wczesne odbicia, boczne odbicia (wirtualne ściany), odbicia na scenie oraz „zwrotka” pogłosu widowni w kierunku sceny.

ARCHITEKTURA SYSTEMU REGENERATYWNEGO I HYBRYDOWEGO

Rysunek 13 prezentuje „czysty” system regeneratywny, bazujący na metodzie MCR, wykorzystujący wiele niezależnych kanałów niezbędnych do uzyskania systemu stabilnego i wolnego od podbarwień. Każdy kanał składa się z mikrofonu, modułu korektora, wzmacniacza i zestawu głośnikowego. Dla małych systemów, w średnim stopniu wpływających na akustykę pomieszczenia, wymaganych jest ok. 50 niezależnych kanałów. Jeśli potrzebujemy system, który w większym stopniu będzie wpływał na finalne „brzmienie” sali (więcej energii akustycznej, dłuższy czas pogłosu), potrzebnych jest więcej kanałów. Zaprezentowany na rysunku 13 schemat odpowiada systemowi XLNT MCR.

Rysunek 14 pokazuje hybrydowy system regeneratywny wykorzystujący 16 mikrofonów i 16 głośników, pracujący w oparciu o 16 niezależnych kanałów. Poprzez dodanie wielu cyfrowych modułów pogłosowych liczba wirtualnych kanałów zwiększa się, pozwalając uzyskać stabilny i wolny od podkolorowań rezultat, przy istotnie mniejszej liczbie fizycznych kanałów, w porównaniu do systemu MCR. Użycie modułów pogłosowych w kanałach pozwala na większą swobodę w uzyskiwaniu charakterystyki pogłosu, w porównaniu do systemów używających tylko wielu „czystych” kanałów. Przykładem systemu tego typu jest system VRAS.

Z kolei rysunek 15 prezentuje system złożony z 4 mikrofonów i 16 głośników. Poprzez zastosowanie algorytmu wygładzającego charakterystykę pętli, wzmocnienie w otwartej pętli kanałów systemowych może być większe, co pozwala na wykorzystanie mniejszej liczby kanałów – w tym przypadku 4. W porównaniu do systemu z rysunku 14 potrzeba mniejszej liczby kanałów i mniej reverberatorów do uzyskania podobnego efektu. Przykładem systemu z rysunku 15 jest system AFC3 firmy Yamaha.

 

AFC1 I AFC2

Systemy AFC pierwszej i drugiej generacji, zainstalowane w ponad 70 obiektach, korzystały z filtrów FIR (w AFC1 z wariacją czasową) do wygładzania wzmocnienia w pętlach, co pozwalało na stosowanie tylko 4 lub 8 mikrofonów. Wzorce odbić były generowane przez dedykowany bank filtrów FIR, a wszystkie kanały wyjściowe dysponowały korekcją pozwalającą na późniejsze strojenie systemu. Algorytmy FIR musiały być projektowane i konfigurowanie ręcznie, z użyciem procesu iteracyjnego, przy intensywnej komunikacji między użytkownikiem (dyrygent, muzycy) a zespołem inżynierów dokonujących strojenia. Ponieważ inżynierowie z firmy Yamaha mówili płynnie tylko po japońsku i angielsku, z tego powodu pierwsze generacje systemu AFC były instalowane tylko w Japonii i USA. Z drugiej strony to „tłumaczenie” się japończyków jest poniekąd dziwne, bowiem większość Europejczyków też biegle włada angielskim, a już na pewno dotyczy to Brytyjczyków (którzy chyba nie gorzej od Amerykanów znają angielski).

Od 2004 roku systemy AFC wykorzystywały już dobrodziejstwa techniki cyfrowej, a konkretnie dedykowane procesory DSP oparte na serii modułów DME (Digital Mixing Engine). W systemach AFC pierwszej generacji stosowano procesory DME32, przy czym niezbędne były co najmniej dwa urządzenia do obsłużenia stosunkowo niewielkiego systemu. Większe systemy wymagały od 5 do 10 procesorów. W 2008 roku zaprezentowano system AFC drugiej generacji z procesorami DME64, które miały swoją premierę kilka lat wcześniej. Z uwagi na to, że nowe procesory były 4-krotnie wydajniejsze i oferowały dwa razy większe możliwości, jeśli chodzi o wejścia/wyjścia, niż DME32, systemy AFC2 potrzebowały mniej jednostek sterujących. DSP systemu AFC2 „potrafiły” też obsłużyć większą liczbę filtrów FIR, wprowadzono też w systemie moduły przestrzennego uśredniania „EMR”, tak więc dla zachowania stabilnego pola dźwiękowego niepotrzebna już była wariacja czasowa w filtrach FIR.

AFC3

Obecnie instalowane AFC są już systemami trzeciej generacji, i taki właśnie system został zamontowany w Sali im. Moniuszki w Teatrze Wielkim – Operze Narodowej, o czym piszemy artykule na stronie 54. Choć AFC3 wykorzystuje te same jednostki DSP, co AFC2 – DME64N – jednak ich moc obliczeniowa jest istotnie zwiększona poprzez zainstalowanie dodatkowych kart FIR DSP. Karta ta daje dodatkowe 4 instancje filtrów FIR, które mogą być zainsertowane w 4 szynach, dając w efekcie niezwykle „gęsty” i naturalnie brzmiący pogłos. Algorytmy oparte są na bazie próbek pogłosu z biblioteki SREV1 firmy Yamaha. Nie są one przeznaczone do użycia jako pogłos „in- -line”, ale do wspierania naturalnej akustyki (pogłosu) sali.

Na rysunku 16 przedstawiony jest schemat blokowy systemu AFC3 wykorzystywanego jako część odpowiedzialna za generowanie pogłosu. Na wejściu blok EMR pobiera sygnał z czterech mikrofonów (wszechkierunkowych, zainstalowanych w odległości większej od krytycznej), wytwarzając 4 niezależne kanały z sygnałami przestrzennie uśrednionymi do dalszej obróbki. Sygnał w każdym kanale jest następnie splitowany i podawany na dwa równoległe banki filtrów FIR. Pierwszy bank filtrów, które można dowolnie konfigurować, odpowiada za pozbycie się z charakterystyki otwartej pętli dużych pików, spłaszczając jej przebieg. Drugi bank (conv. FIR) dostosowuje oryginalną akustykę z wykorzystaniem jednego z czterech dostępnych patternów.

Każdy kanał dysponuje 8-pasmowym korektorem parametrycznym, dedykowanym do rozwiązywania problemów z podbarwieniami, oraz drugim zestawem ośmiu, również parametrycznych, filtrów do manualnego strojenia. Tak obrobione sygnały 4 kanałów są routowane do 118 wyjść, dysponujących możliwością opóźniania sygnału oraz 8-pasmowymi korektorami parametrycznymi, w celu indywidualnej kontroli nad barwą i opóźnieniem sygnału w poszczególnych głośnikach systemu.

System AFC3 może też obsługiwać dodatkowe, pomocnicze wejścia, pozwalające na przesyłanie do głośników sygnałów z innego systemu. Można np. w ten sposób wykorzystać głośniki systemu AFC3 jako głośniki efektowe (surround) systemu nagłośnieniowego.

Jedną z głównych innowacji systemu AFC3 jest automatyzacja procesu strojenia. Specjalne oprogramowanie suportuje procedurę automatycznego strojenia konfigurowalnych filtrów FIR oraz pierwszego 8-pasmowego korektora w celu uzyskania maksymalnej stabilności systemu, pozostawiając drugi korektor 8-pasmowy oraz EQ głośników do manualnego strojenia. To sprawia, że strojeniem systemu nie muszą się już zajmować specjaliści od producenta, ale lokalny zespół inżynierów/ techników – oczywiście po odpowiednim przeszkoleniu – władający tym samym językiem, co użytkownik. Dzięki temu systemy AFC3 mogły pojawić się również w Europie.

KONKLUZJA

Dzięki współczesnej technologii, opartej na technice cyfrowej, systemy wsparcia akustyki mogą łączyć w sobie cechy (zalety) systemu regeneratywnego i in-line, z jednoczesnym pozbyciem się ich wad. Możliwość stosowania mniejszej liczby kanałów, przy zachowaniu stabilnego i niepodbarwionego pola akustycznego sprawia, że dzisiejsze systemy są znacznie tańsze i łatwiejsze do zaprojektowania i zainstalowania, niż te z lat 80., 90. i z początku XXI wieku. A to oznacza, że – być może również i w Polsce – będzie ich więcej, z pożytkiem dla obiektów, w których będą pracować, a konkretnie dla widzów, którzy będą mogli podziwiać w nich widowiska, przy akustyce jeszcze bardziej dopasowanej do danego wydarzenia, niż to było do tej pory.

Piotr Sadłoń

---

Artykuł powstał na podstawie opracowania Rona Bakkera z Yamaha Commercial Audio Systems Europe, przygotowanego na 27. TonMeisterTagung w Kolonii. Stamtąd też pochodzą rysunki wykorzystane w artykule