X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
Rozważaliśmy m.in. kwestię wpływu czasu opóźnienia pierwszego odbicia na odbiór mowy i muzyki (przypomnijmy szybko, wartość krytycznego opóźnienia czasowego waha się od 20 ms dla mowy do ponad 100 ms dla muzyki, a ponadto zależy od stosunku natężenia dźwięku bezpośredniego do odbitego), poruszyliśmy temat zrozumiałości mowy i jej liczbowego określenia oraz wpływu hałasu i czasu pogłosu na zrozumiałość.
Wspomnieliśmy też co nieco o zaleceniach dotyczących kształtu i objętości pomieszczenia. W tym artykule, na początku, wrócimy do tego tematu, aby omówić
WPŁYW KSZTAŁTU POMIESZCZENIA NA JEGO WŁASNOŚCI AKUSTYCZNE
Kierując się zasadami teorii falowej można przyjąć, iż każde pomieszczenie jest zespołem rezonatorów, każdy o określonej częstotliwości rezonansowej. W zależności od częstotliwości dźwięku pobudzającego pomieszczenie zostaje pobudzone do drgań w odpowiednich częstotliwościach. W momencie wyłączenia (zaprzestania pracy) źródła zanikają fale bezpośrednie, składające się na drgania wymuszone, a naturalne drgania pomieszczenia pozostają nadal przez jakiś czas. To trwanie naturalnych drgań własnych tworzy pogłos pomieszczenia. Od liczby częstotliwości własnych i ich rozmieszczenia w widmie, przede wszystkim w paśmie małych częstotliwości, zależy jedna z najważniejszych własności pomieszczenia, jaką jest rozkład energii w widmie, co przekłada się na równomierność zaniku energii dźwiękowej w pomieszczeniu. Im bardziej równomiernie w widmie będą rozmieszczone częstotliwości własne pomieszczenia i im będzie ich więcej, tym pole akustyczne będzie lepiej rozproszone.
O drganiach własnych pomieszczenia pisaliśmy szerzej w listopadowym numerze. Wiemy też już, że w celu uzyskania równomiernego rozkładu częstotliwości w widmie wymiary pomieszczenia muszą być odpowiednio dobrane – w szczególności w przypadku małych pomieszczeń. O tym, jakie są zalecane proporcje pomieszczeń prostopadłościennych w zależności od jego wielkości i przeznaczenia, pisaliśmy z kolei w poprzednim numerze.
Lepsze rozproszenie energii można uzyskać stosując pomieszczenia o kształcie odbiegającym od prostopadłościennego – z wyłączeniem walcowego, kulistego itp., skupiających energię dźwiękową. Innym, a w zasadzie równoległym, podejściem jest stosowanie elementów rozpraszających.
Efektywność działania elementów rozpraszających zależy od ich wymiarów w stosunku do długości fali dźwiękowej. Element zaczyna działać jako rozpraszający, jeśli jego wymiar jest większy od ¼ λ (rysunek 1).
W praktyce stosuje się najczęściej podział poszczególnych elementów ścian i stropów na elementy rozpraszające i dźwiękochłonne na przemian (rysunek 2 i rysunek 3).
Innym sposobem polepszenia rozproszenia energii akustycznej w pomieszczeniu jest takie rozmieszczenie powierzchni pochłaniających i odbijających, aby powierzchnie odbijające usytuowane były naprzeciwko pochłaniających. Dobre rozproszenie energii dźwiękowej jest szczególnie istotne w pomieszczeniach mikrofonowych (studia radiowe, studia nagrań), w których źródło dźwięku oraz „odbiornik” (czyli mikrofon) mogą być zlokalizowane dowolnie, w zależności od potrzeb.
Uzyskanie dobrej akustyki sali wymaga przyjęcia odpowiedniej wartości czasu pogłosu i jego charakterystyki w funkcji częstotliwości dla danego rodzaju muzyki, śpiewu itp. Wskazówką, która może być wykorzystywana przy projektowaniu, jest stosunek V/Sc, gdzie Sc jest całkowitą powierzchnią poszczególnych powierzchni silnie pochłaniających, jak widownia, fosa orkiestrowa itp. Dla sal koncertowych i operowych o uznanej akustyce zależność czasu pogłosu od stosunku V/Sc przedstawia się następująco:
Przez pomnożenie stosunku V/Sc przez Sc można określić pożądaną objętość sali.
W dużych salach o objętości znacznie przekraczającej 10.000 m3 kształt sali powinien być dobierany ze względu na zapewnienie odpowiednio małej wartości opóźnień czasowych pierwszego odbicia. Jeśli spełnienie tego warunku nie jest możliwe, powinny być zaprojektowane specjalne powierzchnie odbijające, zapewniające dotarcie pierwszego odbicia we właściwym czasie (rysunek 4).
Poza odpowiednim nachyleniem tych powierzchni, które można ustalić na podstawie analizy graficznej (rysunek 5), niezbędne jest również przyjęcie właściwych wymiarów tych powierzchni (przynajmniej większych od 1/3 λ) oraz wykonanie ich ze sztywnego materiału, odpornego na pobudzanie do drgań – w przeciwnym wypadku mogą one stać się źródłem słyszalnych (i denerwujących) zakłóceń.
Z tych samych względów elementy te powinny być umocowane na uchwytach amortyzujących drgania. Elementy kierujące rozmieszcza się dostatecznie daleko od siebie, aby nie tworzyły komór rezonansowych, powodujących dudnienie i niepożądane zwiększenie czasu pogłosu w zakresie małych częstotliwości (rysunek 6). Dlatego w projekcie przeważnie uwzględnia się możliwość korekty nachylenia, rozmieszczenia, a nawet zmian konstrukcyjnych elementów kierujących pierwszym odbiciem.
Duże sale ze zlokalizowanym źródłem dźwięku najczęściej wymagają specjalnego kształtu (rysunek 7).
Przekrój sali powinien odbiegać od kształtów kwadratu i koła, a ponadto spełniać szereg warunków, w tym:
1. Możliwie małe odległości między źródłem dźwięku a słuchaczami.
2. Możliwe mały kąt widzenia z pozycji mówcy w kierunku słuchaczy, co jest związane z kierunkowością dźwięku.
3. Usytuowanie powierzchni kierujących dźwięk w pobliżu źródła dźwięku.
4. Zapobieganie koncentracji fal dźwiękowych.
5. Możliwie równomierne rozmieszczenie częstotliwości własnych pomieszczenia w widmie częstotliwości.
W celu wyrównania nagłośnienia części widowni stosuje się nachylenie widowni ze zwiększeniem wysokości kolejnych rzędów, co poprawia dotarcie fali bezpośredniej do każdego słuchacza (rysunek 8).
W wielu wypadkach jest to niewystarczające do należytego nagłośnienia dźwiękiem bezpośrednim środkowej i tylnej części widowni. Wyrównanie równomierności nagłośnienia uzyskuje się w takich przypadkach przez zastosowanie twardych i sztywnych płaszczyzn kierujących, o czym pisałem nieco wcześniej (rysunek 9).
KSZTAŁTOWANIE WARUNKÓW POGŁOSOWYCH
Warunki pogłosowe kształtuje się za pomocą umieszczania na ścianach i suficie (często również i na podłodze) odpowiedniej liczby materiałów lub ustrojów dźwiękochłonnych, w zależności od wymaganej dla danego pomieszczenia wartości i charakterystyki czasu pogłosu. Pewien idealny szablon postępowania – w podejściu klasycznym – wygląda mniej więcej tak:
1. Na początku zakłada się (kierując się różnorakimi zaleceniami i wytycznymi) wartość i charakterystykę czasu pogłosu dla poszczególnych pasm w zakresie 64-8.000 Hz (lub węższym, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia) i oblicza potrzebną całkowitą chłonność akustyczną AC ze wzoru:
gdzie:
an – współczynnik pochłaniania dźwięku przez n-tą powierzchnię
Sn – powierzchnia o współczynniku an [m2]
Ak – chłonność akustyczna k-tego przedmiotu lub osoby [m2]
nk – liczba przedmiotów lub osób o chłonności Ak
2. Na podstawie danych o współczynnikach pochłaniania materiałów budowlanych, ustrojów, przedmiotów i osoby oblicza się chłonność akustyczną An pomieszczenia w stanie niezaadaptowanym ze wzoru jak w pkt.1
3. Z różnicy Ac – An oblicza się chłonność akustyczną Ap, którą trzeba wprowadzić do pomieszczenia, aby uzyskać założoną wartość czasu pogłosu.
4. Na podstawie wytycznych i danych wprowadza się odpowiednią liczbę ustrojów dźwiękochłonnych, potrzebnych do uzyskania dodatkowej chłonności Ap, mnożąc współczynniki wybranych materiałów i ustrojów przez powierzchnie pokryte tymi materiałami lub ustrojami.
5. Dodając wprowadzoną dodatkową chłonność Ap do chłonności sali niezaadaptowanej An otrzymuje się chłonność całkowitą, która może się nieco różnić od chłonności potrzebnej (należy skorygować liczbę lub rodzaj ustrojów dźwiękochłonnych).
6. Oblicza się czas pogłosu pomieszczenia i porównuje z założonym. Różnice nie powinny przekraczać 10% w stosunku do założonego czasu.
OPTYMALNY CZAS POGŁOSU
Optymalny czas pogłosu pomieszczenia jest zależny przede wszystkim od jego przeznaczenia (a w przypadku obiektów kulturalnych również od rodzaju prowadzonej tam działalności artystycznej) oraz wielkości sali. W przypadku sal koncertowych, operowych i teatralnych – bo te będą nas najbardziej interesowały – powinny być one tak zaprojektowane, aby zapewniały uzyskanie:
– dobrej zrozumiałości tekstu słownego (szczególnie sale teatralne i operowe),
– dobrej wyrazistości utworu muzycznego (szczególnie sale koncertowe i operowe),
– walorów brzmieniowych (brzmienie muzyki powinno być pełne i jasne),
– równomierności nagłośnienia w każdym miejscu widowni
– dobrej słyszalności na scenie i w orkiestronie.
Pierwsze trzy wymagania są częściowo przeciwstawne, gdyż dobrą zrozumiałość tekstu uzyskuje się przy stosunkowo krótkim czasie pogłosu, a dla pełni brzmienia muzyki niezbędny jest odpowiednio długi czas pogłosu, co wymaga kompromisu.
Zrozumiałość tekstu (nie tylko mówionego, ale również śpiewanego) wiąże się z dostatecznie dobrą definicją poziomą i pionową obrazu dźwiękowego. Definicja pionowa, czyli możliwość odróżnienia glissanda od pasażu, wykonywanych na jednym instrumencie, zależy od długości czasu pogłosu i od stosunku energii dźwiękowej odbitej do energii bezpośredniej. Definicja pozioma, czyli możliwość odróżnienia poszczególnych instrumentów grających razem, przy dobrej definicji pionowej zależy od konfiguracji powierzchni otaczających źródła dźwięku. Definicja pozioma zależy ponadto od charakterystyki czasu pogłosu w funkcji częstotliwości, która wpływa w zasadniczy sposób na walory brzmieniowe sali. Gdy czas pogłosu w zakresie małych częstotliwości jest dłuższy niż w zakresie częstotliwości średnich, brzmienie dźwięku określane jest jako „ciepłe”.
Jednak zwiększenia czasu pogłosu w zakresie małych częstotliwości powoduje ograniczenie zrozumiałości tekstu, szczególnie w naszym rodzimym języku. Wiele doświadczeń wskazuje także na istotny wpływ stosunku długości czasu pogłosu w zakresie częstotliwości dużych do długości czasu pogłosu w zakresie częstotliwości średnich. Im dłuższy jest czas pogłosu w zakresie częstotliwości dużych, tym brzmienie dźwięku jest bardziej „jasne” i tym lepsza jest zrozumiałość mowy polskiej. Jednak przy przesadnie dużym stosunku tych czasów pogłosu brzmienie staje się zbyt jasne, a nawet określane jest jako „ostre”.
Z walorami brzmieniowymi wiąże się odczucie przez słuchaczy bliskości źródła dźwięku, która zależy od różnicy czasów dotarcia do słuchacza pierwszej fali odbitej i fali bezpośredniej. Możliwe zmniejszenie tej różnicy pożądane jest nie tylko ze względu na uzyskanie wrażenia bliskości źródła, ale z uwagi na jej wpływ na zrozumiałość.
Równomierność nagłośnienia, zarówno przestrzeni zajętej przez muzyków, jak i przestrzeni przeznaczonej dla słuchaczy, zapewnia jednakowo dobre warunki odsłuchowe w każdym miejscu odbioru dźwięku. Równomierność nagłośnienia zależy głównie od ukształtowania wnętrza i wiąże się z długością czasu pogłosu oraz z rozproszeniem dźwięku. Z równomiernością nagłośnienia wiąże się równowaga brzmienia przy dowolnym ustawieniu źródeł dźwięku na scenie i w orkiestronie.
SCENA/ESTRADA
W przypadku sal koncertowych rozwiązanie estrady sprowadza się do zaprojektowania podium dla orkiestry oraz ewentualnie chóru i takiego ukształtowania przedniej części sali, aby dźwięk był odpowiednio wypromieniowany w kierunku widowni, przy jednoczesnym zapewnieniu muzykom na estradzie dobrego wzajemnego słyszenia (rysunek 10).
Dobrą wzajemną słyszalność wykonawców zapewnia się przez zastosowanie wokół sceny elementów rozpraszających dźwięk, jednak w taki sposób, aby nie zmniejszyć nagłaśniającego działania sceny w stosunku do widowni. Zainstalowanie specjalnych powierzchni odbijających o odpowiednich wymiarach nad poszczególnymi partiami instrumentów pozwala na poprawienie równomierności nagłośnienia widowni przez daną grupę instrumentów. Z tych samych względów ściany w pobliżu instrumentów szczególnie głośnych, np. perkusyjnych, generalnie powinny być dźwiękochłonne.
W przypadku sal operowych bądź teatralnych zagadnienie właściwego zaprojektowania sceny jest bardziej skomplikowane, gdyż znaczna część dźwięku w sytuacjach, kiedy soliści znajdują się dalej od krawędzi sceny i są odwróceni bokiem lub tyłem do widzów, zamiast w kierunku widowni, rozchodzi się w głąb sceny, której objętość jest zazwyczaj znaczna (przykładem jest tu Teatr Wielki – Opera Narodowa w Warszawie).
W celu poprawienia nagłośnienia widowni w salach operowych i teatralnych często niezbędne jest zaprojektowanie nad sceną powierzchni zamykających częściowo otwór sceniczny i kierujących energię dźwiękową na widownię – podobnych do powierzchni kierujących pierwsze odbicia w salach koncertowych. Jest to szczególnie istotne w salach teatralnych i operowych, w których scena pozbawiona jest częściowo również sztucznego horyzontu.
ORKIESTRON
Właściwe zaprojektowanie orkiestronu jest równie ważne, jak zaprojektowanie akustyki widowni czy sceny. Orkiestron musi, po pierwsze odpowiednio promieniować dźwięk w stronę widowni, ale również w stronę sceny, aby soliści czy chór na scenie dobrze słyszeli muzykę. Równie ważna jest odpowiednia adaptacja akustyczna orkiestronu, tak aby zapewnić komfort pracy muzykom orkiestry, przede wszystkim dobrą wzajemną słyszalność. Niezbędne jest też zapewnienie kontaktu wizualnego między solistą na scenie a dyrygentem, bo to, że taki kontakt wizualny musi też być zapewniony, dla członków orkiestry jest chyba zrozumiałe samo przez się.
Orkiestron powinien być usytuowany na takim poziomie, aby nie stanowił przeszkody na drodze dźwięku bezpośredniego od solisty na scenie do widowni. Jednocześnie solista na scenie musi mieć możliwość słyszenia orkiestry, i odwrotnie, aby umożliwić dostosowanie się orkiestry do odpowiedniego poziomu i samemu się do niej dostosować.
W dotychczasowej praktyce stosuje się trzy rodzaje orkiestronów: otwarte, zagłębione otwarte i zagłębione zakryte. Orkiestron otwarty, w którym orkiestra znajduje się między sceną a widownią i jest widoczna dla publiczności, jest chętnie akceptowany przez dyrygentów, którzy są wtedy widziani przez publiczność (rysunek 11). Takie usytuowanie orkiestry rozprasza jednak uwagę publiczności.
Przeciwieństwem jest orkiestron zagłębiony pod sceną i zakryty przed publicznością ekranem, z otworem na scenę (rysunek 12). Tego rodzaju orkiestron jest z punktu widzenia akustycznego najgorszym rozwiązaniem, gdyż utrudnia – a czasem wręcz uniemożliwia – poprawne nagłośnienie widowni.
Kompromisem między orkiestronem otwartym a zamkniętym jest orkiestron częściowo zagłębiony pod sceną, ale w dużej części otwarty (rysunek 13) – to rozwiązanie jest najczęściej stosowane.
Jeśli przy tym istnieje możliwość zmiany usytuowania podłogi w pionie, pozwalająca na zupełne odkrycie orkiestry w fosie – co jest wymagane w operach wagnerowskich – to taką fosę można uznać za najlepszą pod względem akustycznym.
Piotr Sadłoń
Przy tworzeniu artykułu autor korzystał z publikacji „Akustyka architektoniczna” Jerzego Sadowskiego oraz „Podstawy elektroakustyki” Zbigniewa Żyszkowskiego.
