Jak omikrofonować i nagłośnić... Fortepian cz. III

Ponieważ fortepian został zaprojektowany jako instrument „samowystarczalny”, wysyła on dźwięki we wszystkich kierunkach, ale niestety w sposób niejednorodny, biorąc pod uwagę amplitudę sygnału przy różnych częstotliwościach. Można powiedzieć, że fortepian ma nie tylko jedno akustyczne brzmienie, ale cztery – z pokrywą na wysokiej podpórce, na krótkiej podpórce, z zamkniętą  pokrywą i bez niej.

Konfiguracja z otwartą pokrywą, czyli na wysokiej podpórce, pozwala odbierać widowni najpełniejszy dźwięk (zakładając, że jest on skierowany do widowni). Pokrywa na krótkiej podpórce sugeruje obecność innych instrumentów na scenie – zwykle sytuacje nieorkiestrowe. Zamknięta pokrywa oznacza, że na scenie jest za głośno i jeśli pokrywa jest zdemontowana oznacza to dokładnie to samo. Są także różne warianty wymienionych wyżej układów – możesz mieć zamkniętą pokrywę z podniesionym segmentem przednim wraz z lirą (która podtrzymuje nuty), co jest prawdziwą zmorą monitorowców w sytuacjach dużego SPL. Możesz mieć zamkniętą pokrywę i fortepian zapakowany w pokrowiec, aby uzyskać większą izolację od perkusji, gitary, basu, itp.
Zobaczmy, jak wygląda kierunkowość emisji dźwięków fortepianu w czterech podstawowych ustawieniach pokrywy instrumentu.

POKRYWA OTWARTA (NA WYSOKIEJ PODPÓRCE)

W fortepianach, szczególnie koncertowych, czyli tych z wyższej półki, za emisję dźwięków odpowiada głównie płyta rezonansowa. Kierunkowość instrumentu wynika z faktu, że dźwięk rozprzestrzenia się zarówno emitowany bezpośrednio w górę, jak i odbity od pokrywy, ale także wypromieniowany w dół i rozchodzący się po pomieszczeniu po odbiciu od podłogi. Dodatkowo przy dźwiękach o dużych częstotliwościach część wypromieniowanej energii pochodzi bezpośrednio od drgających strun, która po części rozchodzi się bezpośrednio, a po części po odbiciu od pokrywy. Charakterystyka kierunkowa emisji dźwięku jest więc sumą tych poszczególnych składowych, przy czym należy wziąć pod uwagę fakt, że pokrywa – jak i cały instrument – powodują w pewnych kierunkach powstawanie efektu cieniowania, zarówno dla dźwięku bezpośredniego, jak i odbitego. Efekt ten potęgowany jest wraz ze wzrostem częstotliwości wytwarzanych dźwięków, podczas gdy długie fale dźwiękowe zakresu niskich częstotliwości uginają się wokół napotkanej przeszkody, dlatego dla nich efekt cienia akustycznego jest o wiele słabszy.

O ile charakter drgań płyty rezonansowej zależy nie tylko od częstotliwości, ale również od lokalizacji pobudzenia, o tyle charakterystyka kierunkowa zależy również w pewnych granicach od częstotliwości podstawowej wzbudzanej struny. Na rysunku 1 charakterystyka kierunkowości fortepianu w płaszczyźnie wertykalnej została podzielona na trzy zakresy – osobno dla rejestrów niskich, średnich i wysokich (kąt zerowy to emisja w prawo, patrząc od strony pianisty, 90 stopni to emisja w górę, a 180 w lewo od pianisty). W niskich zakresach, na przykład dla dźwięku C (C wielkie), emisja dźwięku we wszystkich kierunkach jest stosunkowo wyrównana. W zakresie częstotliwości około 250 Hz poziom dźwięku za fortepianem (patrząc od strony widowni, czyli po lewej stronie pianisty) jest większy o około 5 dB niż przed instrumentem z otwartą pokrywą. Wynika to z tego, że płyta rezonansowa emituje dźwięk w górę w przeciwfazie w stosunku do emisji w dół (w tym zakresie częstotliwości płyta pracuje jak dipol), tak że w płaszczyźnie płyty fale akustyczne częściowo znoszą się, co skutkuje mniejszym poziomem dźwięku, niż przy większych kątach. Jednakże efekt cienia akustycznego pokrywy, który powoduje mniejszą emisję dźwięku promieniowanego w górę sprawia, że to destruktywne sumowanie z tyłu instrumentu jest mniejsze, niż z przodu, gdzie nie ma efektu cienia akustycznego (w pozycji z otwartą pokrywą). Z tego samego powodu słuchacz znajdujący się w pewnej odległości za instrumentem lokalizuje źródło dźwięku jako znajdujące się pod instrumentem.

Składowe o wyższych częstotliwościach, powyżej 1 kHz, prezentują bardziej wyraźne charakterystyki kierunkowe. Na rysunku 1 widać, że preferowany kierunek radiacji dla częstotliwości 1 kHz, przy otwartej pokrywie, mieści się w zakresie 5-15 stopni. W środkowym rejestrze dźwięków fortepianu efekt cieniowania akustycznego przez pokrywę jest bardziej widoczny, z jednocześnie większą koncentracją energii akustycznej wynikającą z odbijania fali akustycznej przez nią. Maksimum składowych wysokich częstotliwości, widziane z pozycji pianisty, znajduje się z prawej strony, pod kątem około 40 stopni w płaszczyźnie wertykalnej. Co ciekawe drugie maksimum zlokalizowane jest już znacznie bardziej w lewo od pozycji muzyka, pomiędzy 130 a 150 stopniami w płaszczyźnie wertykalnej. Oprócz składowych podstawowych charakterystyki kierunkowe ulegają spłaszczeniu u góry – bezpośrednio nad instrumentem barwa dźwięku jest stosunkowo ciemna. W płaszczyźnie horyzontalnej emisja dźwięku w środkowym rejestrze jest stosunkowo wyrównana, tylko dla składowych podstawowych emisja w zakresie 90-180 stopni (0 stopni to kierunek w stronę widzów, a więc na prawo od pianisty) jest nieco „uboższa”, aczkolwiek w żadnym kierunku amplituda nie spada poniżej 10 dB w stosunku do wartości maksymalnej.

Konfiguracja z otwartą pokrywą, czyli na wysokiej podpórce, pozwala odbierać widowni najpełniejszy dźwięk.

W wysokim rejestrze „zakłócenie” w propagacji dźwięku wprowadzane przez pokrywę ma już bardzo istotny wpływ na kierunkowość. Znów składowe podstawowe powyżej 1 kHz w płaszczyźnie wertykalnej są skoncentrowane w zakresie 15-35 stopni, a najbardziej kierunkowy jest zakres powyżej 4 kHz, gdzie na kierunkach pomiędzy 0 a 5 stopni i 60 a 180 różnica między maksymalnym poziomem dźwięku przekracza 10 dB. Toteż najbardziej jasne brzmienie jest ograniczone do relatywnie wąskiego zakresu w przestrzeni. Podobne zjawisko obserwujemy w płaszczyźnie horyzontalnej, gdzie pierwsze maksimum (dla 4 kHz i więcej) przypada na kąt 0 stopni (w stronę widowni), drugie na około 30 stopni, zaś pozostałe kierunki są znacznie mniej uprzywilejowane – poziom emisji dźwięku jest tam niższy nawet o 10 dB w stosunku do tych maksimów. Reasumując można – bardzo zgrubnie – określić współczynnik kierunkowości (directivity factor) fortepianu z otwartą pokrywą: dla niskiego rejestru (w okolicy C) na 1,2 dla 250 Hz i 1,5 dla 1 kHz, zaś dla rejestru wysokiego na 2,0 dla 1 kHz i 3,5 dla 4 kHz. Odpowiada to wskaźnikowi kierunkowości (directivity index) 1,5 i 3,5 dB (dolny rejestr) oraz 6 i 11 dB (rejestr wysoki).

POKRYWA ZAMKNIĘTA

Przy zamkniętej pokrywie – jak widać na rysunku 1 (linia kropkowana) – różnice w charakterystyce kierunkowej, w porównaniu do sytuacji z otwartą pokrywą, są dość wyraźne, szczególnie w obszarze między 0 a 90 stopniami. Z drugiej strony z tyłu instrumentu (po lewej stronie pianisty) nie widać zbyt wielkich zmian. Generalnie zamknięcie pokrywy daje efekt bardziej równomiernej dystrybucji emitowanych przez instrument dźwięków, zarówno z prawej, jak i lewej strony muzyka. W obszarach, gdzie przy otwartej pokrywie można zaobserwować znaczną koncentrację fal akustycznych, przy zamkniętej pokrywie poziom dźwięku jest istotnie mniejszy, bez jego zwiększenia w innych kierunkach. Owo zmniejszenie poziomu jest szczególnie intensywne w zakresie najwyższych częstotliwości, gdzie w stosunku do otwartej pokrywy ma ono wartość nawet 10 dB i więcej. Z tego powodu brzmienie fortepianu od strony widowni jest ciemniejsze, mniej wyraziste. Przy większych kątach – bliżej 90 stopni – można też zaobserwować w pewnych zakresach częstotliwości zauważalny spadek poziomu sygnału.

W obszarach, gdzie przy otwartej pokrywie można zaobserwować znaczną koncentrację fal akustycznych, przy zamkniętej pokrywie poziom dźwięku jest istotnie mniejszy, bez jego zwiększenia w innych kierunkach.

Również w płaszczyźnie horyzontalnej można zaobserwować znaczny spadek poziomu sygnału w kierunku 0 stopni (w prawo, patrząc od strony klawiatury). W zakresie wyższych częstotliwości zasadniczy kierunek dystrybucji sygnału „celuje” w stronę pianisty, gdzie amplituda sygnału jest zbliżona do sytuacji z otwartą pokrywą.

POKRYWA PÓŁOTWARTA

Pozycja z pokrywą półotwartą to „uchylenie” pokrywy i zamocowanie jej na krótkiej podpórce, co sprawia, że kąt jej otwarcia wynosi około 10 stopni (dla porównania pokrywa otwarta to około 38 stopni między nią a płaszczyzną obudowy – rysunek 2). W takiej sytuacji można się spodziewać, iż preferowany kierunek emisji dźwięku jest podobny do sytuacji z otwartą pokrywą, czyli na prawo od pianisty, ale obszar ten będzie znacznie węższy. Okazuje się jednak, że owszem kierunek się zgadza z naszymi oczekiwaniami, ale obszar emisji wcale nie jest dużo węższy i w zasadzie pokrywa się z tym, który mamy w sytuacji pełnego otwarcia pokrywy (mieści się w zakresie 10-60 stopni). Różnica jednak jest w amplitudzie sygnału, która jest w tym obszarze nieco mniejsza, niż przy pokrywie otwartej. Różnica ta jest tym większa, im wyższe są składowe harmoniczne emitowanych dźwięków – w wyższym rejestrze dochodzi nawet do 6 dB w zakresie powyżej 4 kHz. Z drugiej strony emisja niskich dźwięków w górę jest nieco bardziej ograniczona, toteż minimum „dipolowej” charakterystyki kierunkowej w zakresie niskich częstotliwości nie jest tak wyraźne, jak w przypadku pokrywy otwartej. W konsekwencji tego emisja w płaszczyźnie horyzontalnej w prawą stronę (od strony klawiatury) jest większa o prawie 10 dB.

W rezultacie brzmienie fortepianu w kierunku widowni jest tylko nieco „miększe”, ale też i nieco mniej jasne i wyraziste, niż przy pokrywie w pełni otwartej. Natomiast z tyłu instrumentu (z lewej strony od pianisty) nie obserwujemy w zasadzie zbyt wielkich zmian w stosunku do sytuacji z pokrywą otwartą czy całkowicie zamkniętą.

BEZ POKRYWA (POKRYWA ZDEMONTOWANA)

W sytuacji, gdy pokrywa jest całkowicie usunięta, w zakresie niskich i średnich częstotliwości zmiany w kierunkach emisji są – można powiedzieć – kosmetyczne, mieszczą się bowiem w zakresie ±2 dB. Tylko dla częstotliwości poniżej 250 Hz spadek poziomu sygnału w płaszczyźnie horyzontalnej jest bardziej zauważalny, np. dla 65 Hz wynosi około 5 dB. W górnym rejestrze natomiast preferowany kierunek emisji przesuwa się z prawej strony bardziej pionowo w górę, tak że poziom dźwięku (jak i wyższych składowych harmonicznych) nad instrumentem dla zakresu powyżej 4 kHz jest o 3-5 dB wyższy, niż w konfiguracji z pokrywą otwartą i półotwartą. Z racji tego, że po zdemontowaniu pokrywy emisja w górę jest większa, możemy spodziewać się osłabienia w płaszczyźnie horyzontalnej. Szczególnie „odbija się to” na wyższych składowych harmonicznych, dlatego brzmienie na widowni siedzącej w płaszczyźnie fortepianu będzie ciemniejsze. Z drugiej strony będzie bardziej płaskie, tzn. z mniejszą ilością basu, co wynika z dipolowego charakteru emisji tych częstotliwości przez płytę rezonansową. Ogólnie rzecz ujmując charakterystyka kierunkowa w płaszczyźnie horyzontalnej przy zdemontowanej pokrywie jest zbliżona do dookólnej, z lekkim odchyleniem zakresu 100 Hz w lewo od pianisty.

Przy półotwartej pokrywie brzmienie fortepianu w kierunku widowni jest tylko nieco „miększe”, ale też i nieco mniej jasne i wyraziste, niż przy pokrywie w pełni otwartej.

To tyle teorii – całkiem sporej – w następnym numerze czas przekuć ją w praktykę, tzn. zaprezentujemy już konkretne metody omikrofonowania fortepianu, głównie z w sytuacjach live’owych (co nie znaczy, że o studyjnych nie wspomnimy w ogóle).


W artykule wykorzystano materiały z książki Jürgena Meyera „Acoustics and the Performance of Music”.