МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА ПОМЕЩЕНИЙ

Алаева А.А. 1

1Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Сертификат участника

Комментарии

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Музыкальная акустика

История развития
Физические свойства звука
Восприятие звука
Акустика музыкальных инструментов
Акустика помещений
Принципы построения систем звукозаписи, звукопередачи и звуковоспроизведения
Kомпьютерные технологии создания звука

История музыкальной акустики насчитывает несколько тысячелетий. В данном разделе кратко рассмотрены только ее основные исторические этапы, необходимые для понимания процессов становления и накопления знаний об основных свойствах музыкальных звуков, а также труды выдающихся ученых, на базе которых развивается современная наука.

Историю музыкальной акустики можно отсчитывать с очень глубокой древности, когда из всех звуков окружающей природы человек выделил некоторые звуки и их сочетания, которые доставляли ему эстетическое удовольствие, и начал создавать первые музыкальные инструменты для их воспроизведения. Время создания первых духовых и струнных инструментов датируется несколькими тысячелетиями до н. э. (например, инструменты типа флейты с игровыми отверстиями и типа арфы обнаружены в пятом тысячелетии до н. э.). Очевидно, что в течение этого периода накапливались знания о природе музыкальных звуков и методах их формирования. В древних музыкальных культурах Китая и Индии, где были созданы за несколько веков до нашей эры такие музыкальные строи, как китайская система «люй» (содержащая 12 звуков в октаве) и индийская система «шрути», описанная в книге Бхарата «Натья шастра» (II век до н. э.), содержащая 22 звука в октаве, уже несомненно использовались сведения о звуковысотных соотношениях, определяющих музыкальные интервалы, и др.

В дальнейшем развитии музыкальной акустики можно выделить несколько основных периодов.

Античный период

Античный период: начало развития акустики как научного направления связано прежде всего с именем греческого философа Пифагора (ок. 580-500 до н. э.) и его последователей, которые изучали связь между высотой тона и длиной колеблющейся струны. Последователи Аристотеля высказывали предположения, что слух «зависит от проникновения звуков в мозг через движение воздуха» Многие греческие исследователи внесли свой вклад в учение о звуке. Наиболее значительным трудом последнего периода в золотом веке греческой науки можно считать Стратона— что звуковая волна распространяется в воздухе в виде сжатий и разрежений. Интересная идея была высказана в трудах Аристоксена (ок. 320 до н. э.) — о том, что музыку нельзя свести просто к соотношению простых чисел, ее восприятие требует работы сознания и памяти, поскольку надо не только принимать звуки в настоящий момент, но и держать в памяти предыдущие. Однако эти предположения еще не были поняты современниками.

Римский архитектор Витрувий (I век до н. э.) достаточно точно определил механизм распространения звуковой волны в помещении, в том числе эффекты отражения и эхо. Он внес значительный вклад в акустическое проектирование амфитеатров, результаты его исследований были отражены в десятитомном труде «Об архитектуре», который многие столетия служил базой для развития архитектуры и архитектурной акустики.

Завершением первого периода научного развития акустики можно считать пятитомный труд римского философа Боэция (480-524), в котором были обобщены результаты трудов античных ученых и высказаны идеи, что восприятие высоты звука связано с таким физическим параметром как частота колебаний, что музыкальные тоны состоят из отдельных частей и что созвучия могут быть приятные и неприятные (что очень близко к классическим понятиям консонанса и диссонанса).

Таким образом, античный период в развитии музыкальной акустики принес понимание таких базовых свойств звука как: связь высоты с частотой колебаний струн; распространение звуковых волн как процесса сжатий и разрежений в воздухе; законы падения, отражения и поглощения звуковых волн в помещениях и др. Кроме того, были высказаны догадки, что сложные музыкальные звуки состоят из отдельных элементов, сочетания которых могут быть приятными и неприятными на слух, а это послужило базой для создания первых музыкальных шкал (например, шкалы Пифагора).

XIX век

В начале XIX века французский ученый Ж. Фурье (1768-1830) предложил метод представления сложного сигнала в виде суммы простых гармонических колебаний. С 1822 года, когда появилась теория рядов Фурье, начал развиваться спектральный анализ и синтез звука, который в настоящее время широко используется в музыкальных редакторах и компьютерных программах звуковой обработки.

Немецкий физик Г. Ом (1787-1854) впервые установил, что слух чувствителен к амплитудам (но не к фазам) гармонических составляющих сложного звукового сигнала (точнее, он считал, что тембр зависит только от распределения энергии между гармониками). Это положение известно как «слуховой закон Ома».

Примерно в 1830 году французский физик Ф. Савар (1791-1841) и другие ученые предположили, что слышимый диапазон звуковых частот находится в пределах от 16-32 колебаний в секунду до 24000 колебаний в секунду (сейчас единица частоты колебаний в секунду носит название «Герц» — в честь известного немецкого физика Генриха Герца (1857-1894), чей вклад в изучение электромагнитных волн определил новую эпоху в физике). В настоящее время эти пределы считаются равными 20-20000 Гц, хотя в среднем они существенно меньше (из-за возрастных и других изменений).

Труды Ж. Лагранжа (1736-1813) по механике и разработанный им метод исследования колебаний струны как распределенной системы (путем предельного перехода от системы с конечным числом степеней свободы), а также труды С. Д. Пуассона, Т. Юнга, П. Лапласа по механике колебаний различных тел (мембран, пластин и др.) легли в основу дальнейшего теоретического развития акустики. Значительным событием было появление знаменитого двухтомного труда «Теория звука» (1877-1878) профессора, а с 1 908 года президента Кембриджского университета Джона Стретта, лорда Рэлея (1842-1919), который многократно переиздавался и до настоящего времени широко используется в науке [9]. В этой книге были обобщены научные результаты, накопленные в XVIII—XIX веках, а также собственные работы автора по анализу колебаний струн, мембран, пластин, столбов воздуха и теории распространения колебаний в упругих средах. Все это создало базу для развития различных научных направлений, в том числе современной акустики музыкальных инструментов.

Огромный вклад в развитие музыкальной акустики внес Герман Гельмгольц (1821-1894) — профессор физиологии в Кенигсберге, затем профессор физики и директор первого физико-технического института в Берлине. В книге «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа теории музыки» (1863) он изложил концепцию резонансной теории слуха, предложил свою теорию консонансов и диссонансов и др. Он начал экспериментальное изучение спектрального состава звуков (изобрел для этих целей так называемые резонаторы Гельмгольца); впервые объяснил возникновение разностных тонов (эффект Тартини) как следствие нелинейной обработки сигналов в слуховой системе. Он предложил теорию голосообразования, которая в принципе подтверждается и в наши дни. Круг его интересов был необычайно широк. Гельмгольц внес также огромный вклад в развитие оптики, электромагнетизма и механики.

Труды Гельмгольца явились базой для формирования в конце XIX века психоакустики: в 1876 году А. Мейер описал явление маскировки одного звука другим, при этом он обратил внимание на различный характер участия в процессах маскировки низко-и высокочастотных звуков. К этому же времени относятся работы по определению дифференциальных порогов слухового восприятия частоты. Карл Штумпф (1848-1936) опубликовал двухтомный труд «Психология звука» (1883-1890), явившийся событием в психоакустике, в котором он предложил ввести для многомерного описания тембра такие субъективные шкалы, как полнота, яркость, острота и др. Он впервые отметил, что музыкальные интервалы воспринимаются по высоте в высоких октавах иначе, чем в низких (что подтвердилось при создании современной шкалы оценки психофизической высоты звука в «мелах»).

Термин «музыкальная акустика» был введен в науку в 1898 году, когда в Лейпциге вышла работа швейцарского акустика А.Жанкьера «Основы музыкальной акустики». Г. Риман в 1891 году написал труд, который был переведен на русский язык под названием «Акустика с точки зрения музыкальной науки».

Теория распространения звука в помещениях, в частности статистическая теория расчета звуковых полей, была создана профессором Гарвардского университета В. Сэбином (1868-1919). Именно он предложил формулу для расчета времени реверберации в помещении в зависимости от его объема и среднего коэффициента поглощения (в честь него единица поглощения была названа «Сэбин)». Бостонский симфонический зал, построенный в 1900 году, был создан на основе его расчетов. Двоюродный брат ученого П. Сэбин, опубликовавший в 1932 году книгу «Акустика и архитектура», продолжил эти исследования.

Таким образом, в XIX веке был достигнут значительный прогресс в теории механических колебаний; сделаны выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма (в конце века были изобретены такие приборы как фонограф, телефон и микрофон); создана статистическая теория для анализа распространения звука в помещениях; заложены основы формирования психоакустики. В итоге музыкальная акустика как наука сформировалась окончательно во всех своих основных направлениях, включающих исследование проблем создания, распространения и восприятия музыкальных звуков.

XVI-XVII век

Второй период научного развития акустики в Европе можно отсчитывать с начала эпохи Возрождения (следует отметить, что в Средние века научные знания о звуке продолжали развиваться в трудах арабских и византийских ученых, подробнее об этом можно прочитать в книге Ф. Ханта). Такой гигант этой эпохи, как Леонардо да Винчи (1452-1519), внес свой вклад в развитие музыкальной акустики: в частности, он изучал физические принципы образования певческого голоса, природу регистров, технику пения bel canto и др. Большой вклад в науку в этот период внес Дж. Царлино (1516-1590) — итальянский композитор и теоретик, который занимался созданием темперированной музыкальной шкалы, обсуждал роль мажорной и минорной терции, настройку интервалов тетрахорда, разработал теорию консонансов и диссонансов на основе теории соотношения простых чисел. Он был одним из создателей учения о гармонии [4].

Серьезные научные результаты в области музыкальной акустики были получены в XVII веке, и связаны они прежде всего с именем Г. Галилея (1564-1642). Необходимо отметить, что отец Г. Галилея Винченцо Галилей — известный композитор и музыкальный теоретик, один из основателей нового жанра в музыкальном искусстве — оперы, автор труда «Диалоги о древней и новой музыке» (1581) — также сделал ряд тонких наблюдений: в частности, он установил, что если длину струны держать постоянной, то, изменяя ее массу и натяжение, можно также добиться изменения высоты тона. Он отметил, что малые изменения в настройке струны не замечаются слухом (т. е. впервые обратил внимание на конечную разрешающую способность слуховой системы). В. Галилей предложил в 1581 году свой вариант равномерно темперированной шкалы.

Продолжая дело своего отца, Галилео Галилей приблизительно в 1600 году расширил наблюдения Пифагора с помощью тщательно поставленных экспериментов, заложив таким образом основу экспериментальной акустики. Именно он первый установил зависимости собственной частоты натянутой струны от ее длины, массы и натяжения. Он изучал законы музыкальной гармонии, консонанса и диссонанса, распространение звука в воздухе, явление резонанса и др. Он впервые четко объяснил, что восприятие высоты тона непосредственно связано с частотой звуковой волны, которая достигает уха. На базе фундаментальных трудов Галилея музыкальная акустика начала ускоренно развиваться.

Французский математик и физик, а также францисканский монах Марен Мерсенн (1588-1648) в период 1627-1638 гг. опубликовал ряд трудов, в том числе девятнадцатитомную энциклопедию «Всеобщая гармония» (1636). Результаты исследований, изложенные в его книгах, определили дальнейшее развитие экспериментальной акустики: он поставил серию опытов по измерению времени возвращения эха от различных препятствий и таким образом смог приблизительно оценить скорость звука в воздухе (которая у него оказалось равной 450 м/с). Ему удалось вывести формулу «закон Мерсенна», установившую, что «основная частота пропорциональна корню из натяжения и обратно пропорциональна длине струны и корню из ее массы». Он обнаружил октавную разницу между частотой открытых и закрытых труб, предложил учение о консонансах и диссонансах, в частности, объяснил явление «биений» при звучании двух тонов, близких по частоте; открыл наличие обертонов в составе сложного звука (он писал, что может идентифицировать путем прослушивания первые пять обертонов в спектре). Мерсенн работал над созданием равномерно темперированной шкалы (предложил деление октавы на равные полутоны, расположенные в соотношении, равном корню 12-й степени из 2) и т. д.

Необходимо отметить, что скорость звука первым измерил Пьер Гассенди еще в 1635 году — он получил значение 478,4 м/с, причем установил, что скорость звука не зависит от частоты. Ученые Боррели и Вивиани во Флоренции в 1650 году повторили эксперименты и получили значение скорости 350 м/с. В 1740 году итальянский физик Бьянцони показал, что скорость звука увеличивается с повышением температуры. (В настоящее время значение скорости звука принято равным 331,29 м/с при 0°С, по результатам измерений 1986 года.)

В период 1660-1675 гг. английский физик Р. Гук опубликовал свое открытие, установившее, что растяжение твердого тела (металла, дерева и др.) пропорционально величине приложенной к нему силы. Закон Гука является основой современной теории упругих колебаний, а следовательно, и теории звука.

В конце XVII — начале XVIII века детальное исследование соотношений между формами колебаний струн, их частотой и высотой тона было выполнено французским физиком Ж. Совёром (1653-1716), который в 1701 году на своих лекциях в Сорбонне и предложил термин «акустика» для науки о звуке. Он изучал явление биений (с помощью органных труб) и предложил метод вычисления их частот. Кроме того, изучая колебания натянутых струн, он установил, что струны могут колебаться частями: точки, которые остаются неподвижными, Совёр назвал узлами, а сами колебания — гармоническими тонами и установил, что их частоты относятся как целые числа к частоте основного тона, который был назван им фундаментальным. Он также заметил, что струна может колебаться на нескольких своих гармонических тонах одновременно. Математическое объяснение этому явлению (принципу суперпозиции) было дано позже в трудах Л. Эйлера.

В 1660 году Роберт Бойль показал,что звуковая волна не может распространяться в вакууме (он поставил эксперимент, откачав воздух из сосуда, где был установлен звонок).

В этот период продолжались попытки создания равномерно темперированной шкалы: немецкий органист и теоретик А. Верк-майстер (1645-1706) предложил несколько вариантов темперации, в основу которых была положена идея отказа от чистой терции и распределения «пифагоровой коммы» между различными квинтами.

Таким образом, XVI и XVII века стали периодом накопления в основном экспериментальных знаний в музыкальной акустике. Исследования были посвящены установлению количественных связей высоты тона с частотой колебаний струн, зависящей от их геометрических и физических параметров; изучению процессов распространения звука в воздухе; определению скорости звука; анализу музыкальных интервалов; поиску различных вариантов музыкальных шкал; первичным попыткам объяснения эффектов биений, консонансов и диссонансов; выяснению связей между тембром и составом обертонов.

XVIII век

Этот период характеризуется прежде всего как этап развития теоретической музыкальной акустики. Исаак Ньютон (1643-1727) предпринял первую попытку создания математической теории волнового движения. Он рассматривал в своем труде «Математические начала натуральной философии» (1687) звук как процесс распространения импульсов давления в среде и вычислил, из одних теоретических соображений, значение скорости звука в воздухе. Ньютон доказал, что скорость звука определяется как корень из величины атмосферного давления, деленной на плотность воздуха. Кроме того, он установил связь основной частоты колебаний с длиной открытых труб органа, флейты и др. Труды И. Ньютона и Г. В. Лейбница (1646-1716) позволили Д’Аламберу в 1740 году вывести общее волновое уравнение, использование которого для анализа колебаний струн, мембран, столбов воздуха и т. д. дало возможность получить многочисленные прикладные применения.

Огромную роль в развитии акустики этого периода сыграли труды двух выдающихся физиков и математиков Д. Бернулли (1700-1782) и Л. Эйлера (1707-1783). Оба они, получив образование в Швейцарии, в Базельском университете, длительное время работали в Санкт-Петербурге. В круг интересов обоих ученых вошла и музыкальная акустика, по проблемам которой они опубликовали целый ряд очень важных работ. Их исследования касались колебаний струн, балок, трубок и колокольчиков в музыкальных инструментах, а также продольных колебаний столбов воздуха в трубах органа и духовых инструментах. Эйлер, кроме того, написал ряд работ по музыкальным шкалам, консонансам и системе гармонии. В 1759 году Эйлер вывел волновое уравнение для анализа одно-, двух- и трехмерного волнового поля в воздухе и предложил принцип разделения переменных, что является основой теоретической акустики до настоящего времени. Бернулли, в частности, создал теорию и вывел формулы для расчета резонансов воздушного столба в цилиндрических и конических трубах, это он впервые показал, что закрытые с одного конца трубы имеют только нечетные гармоники в спектре. В период с 1772 по 1774 год они создали теорию колебаний упругих балок с разными условиями закрепления краев; в частности, были получены отношения собственных частот для свободных краев в виде 1,00 : 2,76 : 5,40 : 8,90. Кроме того, Бернулли впервые показал, что смещения любой точки струны можно представить как сумму простых синусоидальных колебаний (принцип суперпозиции волн). Полученные результаты явились основой для развития теоретической базы музыкальной акустики в XIX-XX веках.

Дж. Тартини (1692-1770), выдающийся итальянский скрипач и композитор, впервые обнаружил появление комбинационных тонов при одновременном звучании двух громких звуков; это явление было объяснено только в XX веке на базе нелинейной теории слуха.

В 1802 году появилась знаменитая книга немецкого акустика, члена-корреспондента Петербургской Академии наук Е. Хладни (1756-1827) «Акустика». В ней были представлены результаты исследований колебательных процессов в пластинах, мембранах, балках и других вибраторах, используемых в музыкальных инструментах. Он впервые предложил метод визуализации форм колебаний различных тел с помощью песчаных фигур на их поверхности, которые получили название «фигуры Хладни». Следует отметить, что в настоящее время визуализация колебаний дек, пластин, струн и т. д. осуществляется с помощью лазерной техники, однако полученные формы по-прежнему называются «фигуры Хладни». Е. Хладни получил много интересных результатов в изучении вибраций струн и пластин, а также внес свой вклад в измерение скорости звука в твердых телах с помощью анализа распределения узловых линий в металлических стержнях.

Таким образом, в XVIII веке создается теоретическая база развития музыкальной акустики на базе математической физики, механики и т. д. Это дало возможность приступить к количественному анализу механизмов звукообразования в музыкальных инструментах и послужило основой для их модернизации и развития.

XX век

Двадцатый век принес с собой революционные изменения в развитии музыкальной акустики. Появились принципиально новые средства создания звука и способы его передачи (радио, телевидение, мультимедиа); была создана мощная индустрия по производству технических средств записи, передачи и воспроизведения звука; научные исследования сосредоточились в крупных институтах и лабораториях и на них стали отпускаться значительные средства как от государства, так и от промышленности; компьютерная революция изменила возможности теоретической и прикладной науки и привела к появлению принципиально новых направлений; произошла дальнейшая дифференциация акустики, в том числе и музыкальной. Темп прогресса как в теоретической, так и в прикладной науке лавинообразно возрастал с каждым десятилетием.

В развитии музыкальной акустики во всех ее основных направлениях был достигнут громадный прогресс — как в исследовании проблем создания музыкальных звуков (акустика музыкальных инструментов, акустика певческого голоса, электроакустика и компьютерные музыкальные технологии), так и в изучении способов их передачи (акустика концертных залов, студий и др.) и восприятия (психоакустика).

Восприятие звука (психоакустика). Труды Г. Гельмгольца создали фундамент для развития психоакустики (а также психофизиологии, музыкальной психологии и др.) в конце XIX — начале XX века как самостоятельного направления в науке, тесно переплетающегося (в той ее части, которая касается вопросов восприятия музыкальных звуков) с музыкальной акустикой.

К 1910 году были сформулированы основные принципы геш-тальт-психологии, а именно принципы формирования «образа» при восприятии окружающего мира, в основе которых используются такие понятия, как близость, подобие, непрерывность [25]. Эти принципы были первоначально использованы для объяснения восприятия визуальных объектов, однако современная психоакустика применяет их для объяснения восприятия музыки и речи [26]. Большой вклад в понимание процессов восприятия музыки внесли работы К. Сишора (1866-1949), эксперименты Д. Шаутена в 1938 году и Дж. Ликлайдера в 1954 году и последующие работы Е. Терхардта (основные их результаты изложены в книге «Концепция музыкальной гармонии: связь между музыкой и психоакустикой», 1984), позволившие создать теорию восприятия высоты тона, в том числе объяснить эффекты восприятия «виртуальной» высоты.

В начале 1920-х годов в Bell Lab. (США) начали активно развиваться исследования по слуховому восприятию музыки и речи, обусловленные потребностями активно развивающейся аудиотехники. Занимаясь изучением восприятия музыки и речи, Г. Флетчер и его группа впервые определили пороги чувствительности слуха в зависимости от частоты (кривые равной громкости), определили болевой порог слуха (120 дБ) и установили дифференциальные пороги по частоте и интенсивности. В этот же период была установлена количественная связь изменений физических параметров и вызываемых ими ощущений (закон Вебера — Фехнера). Результаты этих работ были отражены в 1922 году в книге Г. Флетчера «Речь и слух» [27]. Группа под руководством Г. Флетчера успешно продемонстрировала в 1934 году стереофонический звук и начала активно заниматься бинауральной стереофонией. Работы по слуховому восприятию были продолжены С. Стивенсом, который ввел шкалы для оценки высоты тона (в мелах) и громкости (в со-нах) [28].

Огромный вклад в развитие психоакустики внес венгерский профессор Г. Бекеши (1899-1972), который с 1947 года работал в Гарвардском университете в США. Он описал эффект бегущей волны на базилярной мембране во внутреннем ухе и показал, что расположение нервных рецепторов и степень их активности играют принципиальную роль при определении высоты и громкости звука. За этот комплекс работ он получил в 1961 году Нобелевскую премию. Им были написаны такие книги как «Experiments in Hearing» (1960) и «Sensory Inhibition» (1967) [29].

В настоящее время психоакустика (не только в той части, которая пересекается с музыкальной акустикой) является одним из самых быстро развивающихся направлений науки, в частности и потому, что от ее успехов в понимании процессов «расшифровки» звукового образа слуховой системой зависит прогресс всей мощной мировой аудиоиндустрии. Добившись значительных успехов в понимании механизмов слухового распознавания высоты тона, громкости, тембра, локализации, маскировки и др., современная психоакустика (совместно с когнитивной психологией) занимается вопросами комплексного восприятия «слухового образа».

Из наиболее известных ученых, занимающихся в настоящее время различными аспектами слухового восприятия музыкальных и речевых сигналов, можно выделить следующих: Moore В. — Univ. of Cambridge (UK) [30]; Hartmann W. M. — Michigan State Univ. (USA) [31]; McAdamc S. — IRCAM (France) [32]; Houtsma A. — IPO/TUE (ND) [33]; Deutsch D. — Univ. of California (USA) [34]; Roederer J. — Univ. of Alaska (USA) [35]; Zwicker U. — EPO (Germany) [36]; Terhard E. — Tech. Univ. Miinchen (Germany) [37]; Rossing T. — Northern Illinois Univ. (USA) [15]; J. Blauert — Ruhr. Universitat Bochum (Germany) [38]; R. Pamcutt [39] и мн. др. По этому направлению издаются десятки книг и журналов, например Music Perception, Psychology of Music, Psychomusicology, JASA, JAES и т. д. На всех международных конгрессах таких крупных научных обществ, как: ESCOM (European Society for the Cognitive science of Music), SMPC (Society for Musical perception and Cognition), SEMPRE (Society for Education, Music and Psychology), AES (Audio Engineering Society), ASA (Acoustical Society of America) и др., работают специальные секции по психоакустике, вызывающие огромный интерес специалистов.

Передача звука (архитектурная акустика, системы звукоусиления). Работы по созданию теории расчета звуковых полей в помещениях в XX веке были продолжены: в частности, С. Эйринг, активно работавший в начале века на Bell Telephone Lab. (США) вместе с Г. Флетчером, усовершенствовал формулу Сэбина для случая больших коэффициентов поглощения в залах. Профессор Калифорнийского университета В. Кнудсен внес большой вклад в изучение резонансов колебаний объема воздуха в помещении, в расчет затухания звука в воздухе и др. (V. О. Knudsen. «Architectural Acoustics», 1932). Труды таких ученых, как Ф. Морз [21], Е. Скучик [40] и др., создали теоретическую базу для анализа процессов колебаний и излучения звука.

Опыт, накопленный акустиками при строительстве крупных концертных залов (Royal Festival hall в Лондоне, Salle Pleyel в Париже, Beethovenhalie в Бонне и др.), и дальнейшее развитие теории архитектурной акустики были обобщены в трудах Л. Беранека, его книга «Music, acoustics and architecture» (1962) выдержала уже несколько изданий и является вместе с остальными его трудами классической основой современной акустики. Громадный вклад в развитие акустики концертных, оперных залов, кинозалов, студий и других помещений внесли труды таких ученых как Г. Олсон, X. Кутруф, М. Шредер, В. Кнудсен, М. Барон, И. Андо, В. Иордан, В. Рейхард и др..

Наряду со строительством крупных концертных и оперных залов с естественной акустикой XX век принес новое направление: создание многопрофильных концертных залов, стадионов и пр. с использованием различных систем звукоусиления. Теория расчета и проектирования таких систем представлена в трудах многочисленных ученых, из которых можно выделить работы В. Анерта.

В конце века появилось новое направление в акустике, основанное на современных компьютерных технологиях, получившиее название «аурализация» (термин был предложен М. Клейнером в 1983 году на конгрессе AES). Целью его является создание трехмерных виртуальных моделей любых помещений, позволяющее с учетом бинауральных слуховых характеристик воспроизвести звучание музыки и речи в любых залах (в т. ч. еще и не построенных). По этому направлению ведутся работы в лабораториях многих стран мира, и ему уделяется сейчас большое внимание на всех конгрессах AES и в научной литературе.

Создание звука (акустика музыкальных инструментов, акустика голоса). В начале XX века и в 1930-е годы большой вклад в развитие этого направления музыкальной акустики внесли работы К. Сишора и Д. Миллера. Немецкий ученый В. Лоттермозер получил очень значительные результаты в изучении акустики органа и других инструментов. Следующее поколение ученых представлял Ю. Мейер, его классическая книга «Akustik und musikalische Auffuhrungspraxis» вышла уже третьим изданием в 1995 году [49].

В последующие годы в музыкальной акустике работали и работают такие известные специалисты как A. Benade, J. Backus, Т. Rossing, N. Н. Fletcher, С. Hutchins, D. Е. Hall и др. [12-18].

Акустикой музыкальных инструментов занимаются десятки институтов и Университетов мира: IRCAM (France), Stanford University — CCRA (USA), McGill University (Canada), Royal Institute of Technology — KTH (Sweden), Institute for Musical Acoustics — IWK (Austria), International Academy of Music (Italy), Cambridge University Eng. Department (UK), Humboldt Univ. (Germany), Univ. Edinburg (UK) и др., труды которых регулярно представляются на международных конгрессах и конференциях SMAC, ISMA, AES Convention, Meeting of the ASA и др.

Международным центром по изучению акустики певческого голоса является Шведская академия музыки, где президентом Комитета по музыкальной акустике на протяжении многих лет с 1970 года является проф. Johan Sundberg: им самим и его коллегами выполнен большой комплекс исследований по акустике певческого голоса, результаты которых обобщены в его книге «Акустика певческого голоса» [50]. Под его руководством проходят регулярные международные семинары по различным направлениям в музыкальной акустике, доклады на которых обобщены в двенадцатитомных трудах. В этом центре регулярно читаются лекции, проходят семинары и стажировка специалистов из различных стран мира.

С начала XX века стали активно создаваться электромузыкальные инструменты: электроорганы Т. Кахилла и Л. Хаммонда, терменвокс, волны Мартено, тратониум, электропианино, электрогитары и др.В 1960-е годы появились первые аналоговые синтезаторы (R. Моод), в 1990-е были созданы цифровые устройства: синтезаторы, сэмплеры, секвенсоры, МИДИ-синтезаторы, компьютерные музыкальные рабочие станции и др., которые открыли новую эпоху в создании и обработке музыкальных и речевых сигналов с помощью компьютерных цифровых технологий.Появление новой компьютерной технической базы с огромными возможностями по управлению параметрами звука создало основу для развития новых направлений электронной (электроакустической) и компьютерной музыки [54].

Эти же возможности открыли принципиально новые перспективы в развитии музыкальной акустики.

Начало XXI века

Музыкальная акустика интенсивно развивается на базе современных компьютерных технологий, возможности которых возрастают в геометрический прогрессии по всем трем главным направлениям:

— в направлении создания звука разрабатываются компьютерные модели имеющихся музыкальных инструментов (методы физического моделирования), создаются новые музыкальные инструменты на основе компьютерных музыкальных технологий, разрабатываются алгоритмы компьютерного распознавания музыкальных инструментов и т. д., что открывает новые возможности для развития музыкального творчества;

— в направлении распространения звука создаются новые технологии аурализации, т. е. методы создания компьютерных моделей помещений и способы их проектирования;

— в области восприятия звука достигнут громадный прогресс в создании компьютерных моделей механизмов слуха, наука стоит на пороге понимания механизмов расшифровки слухового образа, что открывает новые пути для развития аудиотехники, акустики и музыки.

Музыкальная акустика преподается в большом количестве университетов, консерваторий и институтов. Для координации системы образования создан Международный комитет во главе с профессором Т. Россингом (Northern Illinois Univ. — USA), который издает методические рекомендации.

Сотни книг и журналов печатается по этому направлению: JASA, JAES, Acustica, Journal of Voice, J. Cat Gut Society, J. of the American Musical Instrument Society, Galpin Society Journal, Computer Music Journal и т. д., большое количество информации представлено в сети Интернет.

Таким образом, в течение XX и в начале XXI века получили ускоренное развитие научные исследования по всем направлениям, связанным с музыкальной акустикой (по акустике музыкальных инструментов, акустике речи и пения, электроакустике, архитектурной акустике, психоакустике и др.).

Этот же период привел к появлению нового поколения электромузыкальных и электронных инструментов и принципиально новых способов создания, передачи и воспроизведения музыки и речи на основе систем звукозаписи, звукопередачи (радиовещания, телевидения, мультимедиа) и звуковоспроизведения. Развитие этих систем послужило основой для создания и развития мощной аудиопромышленности, обеспечивающей выпуск громкоговорителей, микрофонов, усилителей, передатчиков, процессоров и других видов оборудования.

Последние десятилетия характеризуются появлением новых цифровых технологий, послуживших основой для развития современных видов синтеза и обработки музыки и речи; для разработки компьютерных моделей слуховой системы; для создания и передачи трехмерного виртуального звукового пространства, для развития электронной и компьютерной музыки. Все это открывает новые перспективы в развитии музыкальной акустики как научной основы музыкального творчества.

Физические свойства звука.

«Звук — это особый вид механических колебаний упругой среды, способный вызывать слуховые ощущения».

Основой процессов создания, распространения и восприятия звука являются механические колебания упругих тел:

— создание звука — определяется колебаниями струн, пластин, мембран, столбов воздуха и других элементов музыкальных инструментов, а также диафрагм громкоговорителей и прочих упругих тел;

— распространение звука — зависит от механических колебаний частиц среды (воздуха, воды, дерева, металла и др.);

— восприятие звука — начинается с механических колебаний барабанной перепонки в слуховом аппарате, и только после этого происходит сложный процесс обработки информации в различных отделах слуховой системы.

Восприятие звука.

Музыкальная акустика, как одно из направлений акустики в целом, рассматривает проблемы создания, передачи и восприятия звуков, используемых в музыке. Проблемами восприятия звука занимается направление в акустике, которое в конце XIX века получило название психоакустика.

Психоакустика — это наука о количественных зависимостях между внешними стимулами (физическими параметрами звука) и ощущениями (психологическими параметрами), которые они вызывают.

Психоакустика является составной частью психофизики, которая изучает воздействие всех внешних стимулов (света, звука, давления, химической энергии и др.) на сенсорные органы (зрение, обоняние, слух, осязание ), т. е. она пытается связать изменения в окружающем мире с изменениями в наших внутренних ощущениях и выразить эту связь количественно. Психоакустика занимается изучением воздействия всех видов звуков на сенсорные органы слуха (в том числе шумов, сигнальных звуков и др.); изучая музыкальные звуки, она входит как составная часть в музыкальную акустику.

Как самостоятельное направление науки она начала свое развитие в конце XIX — начале XX века. Основные этапы ее развития связаны с трудами таких известных ученых как G. Ohm, Н. Helmholtz, Н. Fletcher, J. Schouten, R. Plomp, G. Bekesi, S. Stevens, E.Terhard, E.Zwicker, J. Blauert, B. Moore, A Houtsma и др..

В конце XX века именно психоакустика вышла в общей системе создания — передачи — восприятия звука на первый план. Научно-техническая компьютерная революция открыла принципиально новые возможности работы со звуком (в т. ч. с помощью компьютерных музыкальных технологий); послужила базой для мощного развития аудиоиндустрии; создала новые средства передачи пространственной звуковой информации (цифровое радиовещание, телевидение, звукозапись) и т. д. Однако поскольку конечным приемником звуковой информации остается слуховая система, понимание принципов формирования ею звукового образа окружающего мира является принципиально важным как для развития науки (в т. ч. музыкальной акустики), так и для дальнейшего развития аудиотехники.

Звуковой сигнал (музыка, речь, шум и др.), поступающий на вход слуховой системы, обладает определенным набором физических характеристик (объективно измеряемых параметров): интенсивностью, периодичностью (частотой), длительностью, спектром, расположением в пространстве и др. Этот же сигнал вызывает определенные ощущения, которые могут характеризоваться такими субъективными параметрами как высота, громкость, тембр, маскировка, локализация и т. д. Установление связей и определение количественных соотношений между ними и есть одна из основных задач психоакустики.

Однако применение современных компьютерных технологий, новых алгоритмов позволило психоакустике за последние годы значительно расширить область своих исследований в сторону высших отделов слуховой системы. Уже построены компьютерные модели формирования пространственного трехмерного слухового образа, разрабатываются системы автоматического распознавания тембров музыкальных инструментов и др. — таким образом, границы между психоакустикой и музыкальной психологией сдвигаются.

Аккустика музыкальных инструментов и голоса.

Одной из основных задач музыкальной акустики является изучение процессов создания звуков музыки и речи. На протяжении веков источником таких звуков служили музыкальные инструменты и голос. В XX веке появились и начали очень активно развиваться новые электронные источники музыкальных и речевых звуков, в том числе электромузыкальные инструменты, электроакустическая звуковоспроизводящая аппаратура, электронные устройства (синтезаторы, сэмплеры, секвенсоры и др.). Данная глава посвящена акустике натуральных источников звука, т. е. музыкальных инструментов и голоса.

Струнные инструменты играют огромную роль в развитии музыкальной культуры на протяжении всей ее многовековой истории. Они составляют основу современных симфонических оркестров, широко используются в народной музыке, рок-музыке и других видах музыкального искусства.

Во всех струнных инструментах имеются основные элементы для извлечения звука, такие как: генератор — возбудитель колебаний, с помощью которого мышечная энергия передается через движение смычка, щипок или удар молоточком; вибратор — натянутые колеблющиеся струны инструмента (скрипки, гитары, арфы, рояля и др.); резонатор — усилитель колебаний, например плоская дека инструмента (рояль) или корпус с заключенным в нем объемом воздуха (гитара, скрипка, арфа и др.).

Классификация струнных инструментов обычно производится по способу возбуждения (генерации) звука и включает в себя следующие основные группы:

— смычковые — скрипки, альты, виолончели, контрабасы, а также народные инструменты.

— щипковые — гитары, арфы, мандолины, клавесины и многочисленные народные инструменты: балалайки, домры, гусли, бандуры и др.;

— ударные (клавишные) — фортепиано.

Несмотря на наличие общего типа вибраторов (натянутых струн), эта группа включает в себя инструменты, значительно отличающиеся по способам звукоизвлечения и по акустическим характеристикам из-за различий в способах генерации и усиления звука.

Отличительной особенностью всех инструментов этого типа является возбуждение струн с помощью щипка. Щипок может осуществляться пальцами (например, в гитаре, арфе), плектром — медиатором (например, в мандолине, домре) или с помощью специального щипкового механизма (в клавесине).

Гитара (от греч. kithara — лира) относится к семейству лютневых инструментов и имеет солидную историю: похожие на нее по внешнему виду инструменты встречались еще в древней Месопотамии и Египте. В период завоевания Испании арабами (VIII— XV вв.) она получила там широкое распространение, к XIII веку было известно два вида гитар: «мавританская» и «латинская» с особой формой корпуса. В конце XVI века появилась пятиструнная гитара с квартовым строем, создание которой приписывают знаменитому испанскому поэту и гитаристу В. Эспинелю (V. Espinel). В конце XVII столетия начала использоваться шестиструнная классическая гитара, но окончательно она вытеснила пятиструнную гитару только в XIX веке, после широкого распространения в других странах Европы и прежде всего в Италии и Франции.

Хотя гитары изготавливались во многих странах, например в Италии (даже знаменитый скрипичный мастер А. Страдивари сделал несколько гитар), наибольшего расцвета искусство их изготовления достигло в Испании в XIX-XX веках трудами знаменитых

Рис. Различные типы гитар: а — классическая, б — фолк-гитара (flattop), в — джазовая гитара (archtop)

мастеров и исполнителей, таких как Антонио де Торрес Хурадо (Antonio de Torres Jurado, 1817-1892), Франческо Таррега-и-Эшеа (Francisko Tarrega-y-Eixea, 1852-1909), Андрес Сеговия (Andres Segovia, 1893-1987) и др.

Шестиструнная гитара появилась в России во второй половине XVIII века (до этого времени были известны изображения четырехструнной «латинской» гитары), с конца XVIII века начала распространяться семиструнная гитара (огромную роль в ее популяризации сыграл знаменитый русский гитарист А. О. Сихра). Гитара превратилась в русский народный инструмент, используемый в различных видах музыкального исполнения. В настоящее время широкое распространение в России имеет как «русская» семиструнная гитара, так и «испанская» шестиструнная.

В XX веке гитара стала одним из самых массовых инструментов на всех континентах, при этом наряду с акустическими гитарами широкое распространение получили различные разновидности электрогитар.

Сейчас широкое распространение имеют следующие типы акустических гитар: классические; фолк-гитары (flattop) с плоской верхней декой, стальными струнами и увеличенным корпусом (на их основе были созданы большие эстрадные гитары типа «дредноут» и типа «джамбо»; наконец, джазовые гитары с арочной верхней декой (archtop), имеющие стальные струны, выгнутый корпус и отверстия, похожие на эфы скрипки. Образцы различных гитар показаны на рис. Остановимся более подробно на конструкции классической гитары.

Классические гитары можно разделить: по числу струн — на шестиструнные, семиструнные, двенадцатиструнные; по строю — на примы, терциевые, квартовые, квинтовые; по применению — на концертные, домашние и др.

Конструкция современной классической шестиструнной гитары показана на рис. Основные ее элементы: корпус, состоящий из верхней (1) и нижней (2) дек и обечаек (3); резона-

Рис. Основные элементы конструкции гитары

торное отверстие (5) с розеткой (4) и подставка (6) для закрепления струн, расположенные на верхней деке; гриф (10), который состоит из шейки (11) с пяткой (12) и накладки с ладовыми пластинами (10а); верхний порожек (9); головка (8), в которой находится колковый механизм (7); набор струн.

Процесс звукообразования. Гитара, как и скрипка, представляет собой сложную колебательную систему. Энергия механических колебаний щипком передается струнам, вызывая в них колебания, которые через подставку передаются на верхнюю деку, а через воздушный объем и пружины передаются на нижнюю деку. Звуковое излучение верхних частот происходит в основном от верхней деки, а нижних частот — от нижней деки и воздушного объема через звуковое отверстие.

Колебания струн. Механизм возбуждения колебаний струны в гитаре очень похож на процесс возбуждения колебаний в струнах скрипки, однако имеются и ряд существенных отличий, связанных прежде всего со способом возбуждения — щипком. При таком способе возбуждения струна отводится в сторону и отпускается, т. е. в этот момент времени она имеет максимальное смещение от положения равновесия и нулевую скорость. Под действием силы натяжения струна начинает двигаться вниз, проходит по инерции положение равновесия, останавливается, затем опять возвращается в положение равновесия — и процесс повторяется, т. е. струна периодически колеблется аналогично маятнику. Для того чтобы поддерживать колебания струны, необходимо регулярно подводить энергию. Форма смещения струны x(t) струны при возбуждении ее щипком имеет вид, показанный на рис.

Рис. Форма смещения струны при возбуждении щипком

Рис. Спектр струны при возбуждении на 1/₅ длины

Колебания корпуса гитары. Энергия колебаний струн через подставку передается сначала верхней деке, затем нижней деке и воздушному объему, что приводит в свою очередь к возбуждению в них резонансных колебаний. Каждый из этих элементов имеет собственный спектр, состоящий из большого количества обертонов. При их взаимодействии образуется сложная система связанных колебательных систем, степень связи между которыми зависит от частоты; при этом суммарный излучаемый звук имеет многорезонансную форму амплитудно-частотной характеристики. Форма АЧХ на расстоянии 1 м при возбуждении подставки синусоидально изменяющейся силой, приложенной в трех разных направлениях, показана на рис. Полученные результаты показывают сильную зависимость формы АЧХ от направления приложения силы к подставке.

Верхняя и нижняя дека представляют собой пластины изогнутой формы с переменной толщиной, форма колебаний которых имеет достаточно сложный характер. На рис. показаны формы (моды) колебаний верхней деки гитары с закрепленными краями, рассчитанные методом конечных элементов (МКЭ); эта картина подтверждается результатами измерений с помощью лазерной интерферометрии.

Рис. Моды колебаний верней деки гитары: а — рассчитанные, б — измеренные

Рис. Колебания корпуса гитары

Естественно, что спектр и формы (моды) колебаний связанной системы существенно отличаются от резонансных частот и форм колебаний отдельных элементов. В частности, присоединение нижней деки приводит к увеличению гибкости воздушного объема и сдвигу его резонансов в сторону нижних частот. Характер колебаний на первых трех резонансах корпуса гитары в сборе показан на рис. На первом резонансе верхняя и нижняя дека движутся в противоположные стороны — это «дыхательный» резонанс (в данном примере он равен 102 Гц); на втором они обе движутся в одну сторону, и движение воздуха (показано стрелкой) также направлено в ту же сторону, что и верхняя дека, что приводит к значительному увеличению уровня излучаемого звука (193 Гц); на третьем резонансе (204 Гц) направление движения воздуха также совпадает с верхней декой, и здесь тоже происходит интенсивное излучение звука. На более высоких частотах на АЧХ начинают проявляться резонансы дек и воздушного объема более высоких порядков. Чем выше настроена нижняя дека (чем больше ее жесткость), тем меньше ее влияние на сдвиг резонансных частот воздушного объема, поэтому нижнюю деку настраивают как можно выше, усиливая ее жесткость добавлением ребер жесткости (пружин).

Рис. Спектр гитары (при возбуждении отдельной струны)

Рис. Характеристика направленности гитары на разных частотах

Характеристика направленности гитары показана на рис. На частотах 100-200 Гц излучение ненаправленное, на частоте 367 Гц (мода колебаний верхней деки 1,0) характеристика имеет дипольный характер, на частоте 436 Гц — квадруполь-ный, на более высоких частотах энергия излучается в передней полуплоскости, по аналогии со скрипкой [2].

Аккустика речи.

Речь и пение создаются с помощью сложнейшего музыкального инструмента — голосового аппарата, возможности которого человек пытается копировать столетиями, создавая различные виды музыкальных (прежде всего духовых) инструментов. Однако достиг он в этом весьма относительных успехов, поскольку человеческий голос остается непревзойденным по своим качествам: тембру, гибкости, многогранности, возможности передачи тончайших нюансов звучания и т. д. Изучение акустики человеческого голоса представляет собой задачу громадной сложности. Только в последние годы появились современные методы изучения динамических и акустических характеристик процесса голосо-образования (кинорентгенография, оптико-волоконная эндоскопия, электромиография, компьютерная томография, компьютерное артикуляционное моделирование и др.), которые открыли новые перспективы и создали базу для развития многочисленных исследований в этой области.

Запись хорового пения является важным и достаточно сложным направлением в деятельности звукорежиссеров, поэтому результаты, полученные в исследованиях акустики хорового пения за последние годы, могут быть полезными в практике звукозаписи.

К хоровому пению предъявляются особые акустические требования. К числу наиболее важных из них относятся: степень унисона, точность интервального интонирования и спектральная (тембральная) однородность.

Степень унисона определяет степень согласованности певцов хора по их фонационной частоте (основной частоте колебания связок). Анализ записей хора с помощью спектрограмм, выполненный в работах Тёрнстрема для профессиональных хоров, показал, что разброс основной частоты фонации составляет в среднем 13 центов.

Не менее важным критерием качества хорового пения является точность настройки интервалов. Как показали исследования, средние разбросы при настройке интервалов для профессиональных хоров оказались равными значениям, приведенным в таблице.

Таблица

Ширина

интервалов

(полутоны)

Ширина чистых интервалов (центы)

Средние размеры интервалов для четырех хоров (центы)

Среднее отклонение от чистых интервалов (центы)

3 — минорная терция

316

275

-27

4 — мажорная терция

386

421

+25

5 — кварта

498

501

7 — квинта

702

697

-5

8 — минорная секста

814

795

-21

9 — мажорная секста

884

905

+21

12 — октава

1200

Из этих результатов следует, что совершенные, или консонантные, интервалы, такие как октава, квинта, кварта, имеют почти точную настройку (разница 0, +3, -5 центов). Настройка менее консонантных интервалов (терция, секста ) имеет значительно больший разброс (21-27центов). Интересно отметить, что при хоровом пении мажорная терция обычно настраивается несколько шире (+25 центов), минорная уже (-21 цент), чем чистый интервал, что отражает некоторую общую тенденцию увеличения контраста между мажором и минором.

Исследования акустики хорового пения были направлены в первую очередь на то, чтобы выяснить, какие причины оказывают влияние на точность унисона и точность настройки интервалов. Как показали результаты экспериментов, на точность интонирования влияют прежде всего следующие факторы: соотношения в уровнях звукового давления между собственным голосом и голосами других певцов хора; спектральные характеристики окружающих голосов и собственного голоса; выбор способа артикуляции, а также слуховое восприятие окружающего реверберационного процесса в помещении и др. Все это в целом определяет, как исполнитель слышит свой голос и голоса окружающих.

Рис. Гистограмма распределения уровней звукового давления в хоре

Рис. Зависимость разницы в уровнях от расстояния между исполнителями

Соотношения уровней звукового давления собственного голоса и окружающих голосов: для определения распределения уровней звукового давления (SPL) внутри хора были проведены измерения в различных секциях хора во время репетиций. Результаты измерений представлены в виде гистограммы, которая показывает процент распределения по времени уровней звукового давления. Из этих данных видно, что наибольшее время (более 20%) уровень звукового давления внутри хора составляет 80 дБ. Примерно 10% времени занимают звуки с уровнем более 90 дБ и меньше 70 дБ. Наконец, уровни более 100 дБ и менее 60 дБ составляют примерно 7%. Таким образом, большую часть времени исполнитель слышит голоса других певцов на уровне 80 дБ и выше. При этом максимальные спектральные уровни находятся в частотной области 500-700 Гц.

Поскольку для нормальной настройки исполнитель должен уверенно слышать собственный голос и голоса других певцов, то при неправильно выбранном соотношении уровней собственный голос будет маскировать другие голоса в достаточно широкой полосе частот — либо, наоборот, другие голоса будут заглушать собственный голос.

Разность в допустимых уровнях между собственным голосом и голосами других певцов зависит от расстояния между ними и уровня реверберации в помещении.

На рис. показано, как меняется эта разница в уровнях SPL для разного расстояния между исполнителями (от 400 до 1500 мм) и для разного времени реверберации (от 0,5 до 10 с).

Естественно, что при увеличении расстояния между певцами слышимость своего голоса становится лучше, поэтому опросы участников хора показали, что они предпочитают более широкую расстановку в хоре при пении (интересно отметить, что более широкую расстановку предпочитают опытные певцы; менее опытные лучше чувствуют себя при более плотной расстановке хора).

Время реверберации также играет существенную роль, поскольку уровень отраженной энергии в сильно реверберирующем помещении существенно выше, и слышимость собственного голоса изменяется. В реверберационном процессе любого помещения можно выделить две стадии (см. гл. 5): ранние дискретные отражения, которые поступают к слушателю в первые 80 мс, и поздние сплошные отражения, спад которых на уровень 60 дБ определяет время стандартной реверберации. В специальной заглушенной камере имитировались обе стадии реверберационного процесса, при этом выяснялось путем анкетирования, при каких параметрах реверберации певцам удавалось легче петь в хоре (в смысле точности настройки, сохранения тембральной однородности и пр.). Оказалось, что при сильных ранних отражениях во временном интервале 15-35 мс (что соответствует расстоянию до ближайшей отражающей поверхности примерно 6,5-7 м) их влияние было определяющим, т. е. чем выше уровень этих отражений, тем легче петь в хоре. Существенную роль играет направление прихода первых отражений; в частности, боковые ранние отражения оказываются более значимыми, чем вертикальные. Если расстояние до ближайшей отражающей поверхности превышало 7 м, то решающими факторами становились уровень и время второго этапа процесса реверберации.

Эти результаты объясняют, почему позиция хора в помещении имеет такое большое значение. Значительно легче производить настройку хора в помещениях, где имеется достаточное количество отражающих поверхностей, — тогда слышимость собственного голоса повышается. Из этого следует, что настройка и исполнение хора в разных помещениях происходит по-разному. Например, было отмечено, что в сильно заглушенных помещениях певцы используют даже несколько другую систему артикуляции — с более высоким положением гортани.

Для количественной оценки необходимой разницы в уровнях между собственным голосом и голосами других исполнителей был поставлен эксперимент, когда «опорный» уровень, т. е. суммарный уровень звукового давления от других певцов (звук подавался на стереотелефоны), менялся от 60 до 100 дБ, а певец должен был петь на постоянном уровне 90 дБ, который при этом контролировался микрофоном. Певца просили спеть определенный интервал к опорному тону или точно повторить опорный тон. Эксперименты были проведены на большом количестве хоровых исполнителей.

Результаты позволили количественно оценить влияние разницы в уровнях звукового давления между собственным голосом и голосами соседей: когда опорный уровень составлял примерно 80-90 дБ, т. е. был равен уровню голоса певца, ошибки в настройке были минимальными и составляли 5-8 центов. Когда опорный уровень был выше 90 дБ, певцы переставали слышать собственный голос, ошибки возрастали до 20-25 центов; наоборот, когда опорный уровень становился меньше 65 дБ, т. е. собственный голос исполнителя заглушал голоса соседей, ошибка снова возрастала и составляла больше 20 центов. Из этих экспериментов следует очень важный вывод: для слаженного пения певцы должны слышать голоса своих соседей примерно на том же уровне, на котором они поют сами.

Исследования показали, что допустимые различия между уровнем собственного голоса и уровнем голосов соседей не должны превышать +6 дБ (обычно это выполняется для певцов в центре хора от +1 до + 4 дБ). На краю хора разница повышается до +8 дБ и выше; следовательно, в центре хора точность настройки выше. Поэтому расстановка певцов в хоре, акустические характеристики помещения, в том числе структура и расположение отражающих поверхностей в зале, а также отработанная техника пения имеют решающее значение в слаженности звучания хора и точности интонировки.

Следующим важнейшим фактором, определяющим точность настройки при хоровом пении, являются спектральные характеристики окружающих голосов и собственного голоса.

При пении в хоре исполнитель должен все время ориентироваться на информацию, которую он получает от окружающих голосов. Для того чтобы выяснить, какие именно факторы являются наиболее значимыми для точности настройки в спектральных характеристиках (а следовательно, и в тембре) окружающих голосов и собственного голоса, были проведены эксперименты, которые показали, что к числу этих факторов можно отнести: наличие «общих» обертонов, присутствие высоких обертонов и отсутствие вибрато.

Рис. Ошибки в настройке хора в зависимости от разницы в уровнях звукового давления

Под «общими» обертонами понимается следующее: если одному певцу предложить взять опорный тон, например ноту ля первой октавы (частота 440 Гц), а другому взять второй тон, настроенный в квинту по отношению к первому (т. е. соотношение частот составит 3 : 2), то второй тон имеет частоту 660 Гц, а спектры обоих звуков находятся в отношениях, показанных на рис., из которого видно, что каждый третий обертон в этих спектрах совпадает. Такие обертоны называются «общими». Если интервал взят неточно, то между этими обертонами возникают «биения» (если разница частот между ними меньше 15 Гц), эти биения служат признаком неточности настройки интервалов для исполнителей. Поскольку низкие обертоны в окружающих голосах могут маскироваться собственным голосом (в связи со спецификой его восприятия), то очень важным является присутствие высоких обертонов в звуках окружающих голосов (настройка тогда происходит по общим обертонам в высокочастотной части спектра).

Наконец, в отличие от сольного пения, где использование вибрато (частотной модуляции) помогает выделению голоса на фоне аккомпанемента и других голосов, при пении в хоре оно крайне нежелательно, т. к. его использование уменьшает вероятность возникновения биений между обертонами и поэтому уменьшает точность настройки в унисон или точность настройки интервалов.

Для количественной оценки влияния этих факторов были поставлены эксперименты, когда в заглушенной камере через громкоговорители подавался опорный тон, в котором можно было варьировать частоту и амплитуду обертонов. Исполнителя просили спеть относительно опорного тона второй тон в квинту или мажорную терцию. Оказалось, что отсутствие общих и высших обертонов, введение вибрато и т. д. значительно ухудшали точность настройки — от 15 центов для оптимального случая до 40 центов для наихудшего сочетания параметров. Одним из способов облегчить настройку хора является выбор такой гласной, у которой форманты совпадают с общими обертонами. Например, если надо настроить кварту с отношением тонов 300 Гц и 400 Гц, то общий обертон у них будет 1200 Гц, — это практически совпадает со второй формантой гласной а; если использовать эту гласную для настройки, то общий обертон существенно усиливается, и настройка значительно облегчается.

Рис. «Общие» обертоны при настройке интервалов

При пении в хоре происходит некоторая подстройка положения формант. Поскольку они имеют индивидуальный разброс, по-видимо-му, лучше всего звучат те хоры, где форманты исполнителей близки друг к другу.

Таким образом, различные спектральные характеристики голосов и фонем, выбранных для настройки, существенно влияют на способность певцов петь в унисон друг с другом.

Исследования тембральных различий при пении в хоре и соло проводились на протяжении ряда лет различными исследователями . Были поставлены эксперименты, когда профессиональных певцов, хорошо владеющих техникой пения, записали при пении соло и в хоре. Оказалось, что спектральный состав их голосов отличался (рис. 4.6.55): при пении соло была сильно подчеркнута высокая певческая форманта и общий уровень верхних обертонов был выше, при пении в хоре певческая форманта была ниже по уровню, при этом уровень низших обертонов был поднят. При пении соло певцы активно использовали вибрато в среднем с частотой 5-7 Гц, при пении в хоре вибрато практически не применялось. Общий уровень громкости в сольном пении выше.

В хоровом пении исполнитель подстраивает уровень громкости своего голоса под уровень других голосов. При этом голос звучит не только тише, но и «мягче», т. к. в нем заглушены верхние обертоны. При пении соло и в хоре исполнитель решает разные задачи: в первом случае ему необходимо выделить свой голос из других голосов, из аккомпанемента и т. д. и привлечь к нему внимание, для этого используются всевозможные приемы: высокая певческая форманта, вибрато, различные средства эмоциональной выразительности и т. д.; при пении в хоре необходимо добиться максимального слияния голосов, поэтому и по тембру и по уровню громкости исполнитель должен добиться нивелирования своего голоса среди других. Такие отличия в тембре голоса при пении в хоре и соло требуют некоторых различий в постановке голоса.

Таким образом, на качество хорового пения, в первую очередь на точность настройки, влияют такие факторы как: разность в уровнях громкости своего голоса и голоса других исполнителей; стабильность фонационной частоты; наличие общих обертонов при настройке обертонов и степень близости к ним формантных частот; спектральный состав настраиваемых звуков и др. Все это

Рис. Спектральные различия при сольном и хоровом пении

зависит от техники звукоизвлечения, а также от окружающей обстановки, прежде всего таких акустических параметров помещения, как время реверберации, структура и уровень ранних отражений и др. Поэтому при выступлении или записи хора требуется решение целого ряда акустических проблем: правильное размещение хора в помещении, выбор оптимального времени реверберации, наличие боковых отражающих поверхностей на определенном расстоянии (не более 7 м), расстановка певцов на оптимальном расстоянии внутри хора и т. д.

Аккустика помещений.

Как уже было отмечено ранее, одной из главных задач музыкальной акустики является изучение законов распространения звуков, так же как и законов их создания и восприятия. В сферу интересов музыкальной акустики входят музыкальные и речевые сигналы, распространяющиеся в основном в закрытых помещениях (концертных залах, залах оперных и драматических театров, речевых аудиториях, студиях и т. д.), хотя и в условиях открытых пространств также исполняются музыкальные произведения (на открытых эстрадах, стадионах и др.). Проблемами распространения звука в закрытых и открытых пространствах занимается архитектурная акустика; однако основные сведения об акустике концертных, театральных залов, студий и др. являются также необходимым элементом изучения музыкальной акустики, поскольку нельзя не учитывать огромное влияние, которое оказывает окружающее пространство на исполнение и восприятие музыкальных и вокальных произведений.

В данной главе даются краткие сведения о процессах формирования звукового поля в различных помещениях и методах их анализа, об установлении связи между объективными параметрами звукового поля и субъективными критериями оценки различных помещений; об акустических характеристиках концертных и театральных залов, студий и контрольных комнат; залов многоцелевого назначения с системами озвучивания и звукоусиления; а также о современных методах компьютерного моделирования акустики помещений (методах аурализации).

АКУСТИКА ЗАЛОВ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ. СИСТЕМЫ ОЗВУЧИВАНИЯ И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ

На протяжении столетий в концертных залах, театрах, лекционных залах, церквах и др. звучали только естественные источники — голос оратора и певца, игра музыкантов и т. д. Определяющую роль для передачи звука при этом имела «естественная» акустика зала, зависящая от его формы, размеров, размещения звукопо-глотителей и др.

В XX веке, с одной стороны, появились новые технические возможности в связи с изобретением и развитием звукоусилительной аппаратуры, с другой стороны, стремление вместить как можно больше слушателей привело к строительству киноконцертных залов очень больших размеров; при этом урбанизм в архитектуре привел к изменению конфигурации залов — они приобрели более вытянутые формы с низкими потолками. Изменились вкусы и стили музыки: слушатели, особенно молодые, привыкли слушать музыку на очень высоких уровнях громкости (дискотеки, клубы, концертные залы для шоу и др.). Расширилось строительство спортивных сооружений на сотни тысяч зрителей, где оказалась необходимой трансляция концертов при высоких уровнях шумов. Появилась необходимость проведения конгрессов, конференций и др. с переводом на различные языки.Все это вызвало существенные изменения в требованиях к акустическим параметрам современных больших залов многоцелевого назначения и привело к широкому использованию в них систем озвучивания и звукоусиления.

Системой озвучивания называется комплекс электроакустических устройств, состоящий из излучателей, микрофонов, усилителей, различных корректоров и др., установленных специальным образом в залах, стадионах и др. и предназначенных для воспроизведения звуковых сигналов (музыки и речи) с достаточным уровнем громкости для всех слушателей, находящихся в данном помещении (открытом и закрытом) [21]. Необходимость в системах озвучивания возникает тогда, когда мощность естественных источников оказывается недостаточной для обеспечения хорошей слышимости во всей зоне расположения слушателей. Слышимость может быть плохой из-за высокого уровня шумов, значительных расстояний до слушателей, неблагоприятных акустических условий в зале и т. д.

Из используемых в настоящее время систем озвучивания можно выделить несколько основных типов:

— системы озвучивания для помещений (открытых и закрытых), где звук воспринимается только через звуковоспроизводящий тракт. Звук, записанный ранее на магнитофонную ленту, компакт-диск

Рис. Системы звукоусиления: а — сосредоточенная, б — распределенная

или другой источник, воспроизводится только в данном помещении, например, в кинозалах, помещениях вокзалов и др. В таких помещениях находится только аппаратура для воспроизведения (например, рупорные громкоговорители, звуковые колонки и др);

— системы озвучивания для залов, где слушатель воспринимает «естественный» звук со сцены и звук через систему озвучивания (концертные залы, лекционные залы и др.). В этом случае в одном помещении находятся источники звука (певец, оратор, музыкант), а также микрофон, система усиления и коррекции звука и система воспроизведения. Такая система озвучивания называется обычно системой звукоусиления. Отличительная особенность систем звукоусиления заключается в том, что в них микрофон находится в звуковом поле излучателей, а это может привести к появлению «обратной связи», т. е. неустойчивости (переходу к режиму автогенерации) работы системы. Последнее накладывает особые требования на принципы ее проектирования (обратная связь характеризуется появлением «воющего» звука);

— системы озвучивания или звукоусиления, которые дополнительно выполняют функции создания пространственного звукового образа или формирования реверберационного процесса (например, амбиофонические системы и др.).

Как уже было отмечено, системы озвучивания и звукоусиления применяются в тех случаях, когда уровень громкости для обеспечения нормальной слышимости и разборчивости слишком мал из-за большого расстояния или большого уровня шумов.

Например, оратор развивает на расстоянии 1 м уровень 80 дБ, на расстоянии 32 м этот уровень будет равен 50 дБ (поскольку при каждом удвоении расстояния уровень звукового давления уменьшается на 6 дБ); если уровень шумов в зале 40-45 дБ, то практически речь будет слышна плохо и неразборчиво, поэтому и необходима система звукоусиления.

Основные требования, которые предъявляются к системам озвучивания и звукоусиления, можно определить следующим образом: однородное распределение звука при необходимой громкости на всей площади зрительских мест; правильная локализация и совмещение зрительского и слухового образа; формирование необходимых ощущений пространственности; правильный баланс громкостей на всех слушательских местах; высокое качество звучания, т. е. сохранение тембральной окраски, разборчивости и др.; отсутствие возбуждения системы (устойчивость); отсутствие эха и других помех и т. д.

В то же время применение систем озвучивания и звукоусиления открывает новые возможности для управления параметрами звукового поля в помещениях — в частности, позволяет обеспечить: управление динамическим диапазоном; изменение распределения уровней громкости источников на зрительских местах; формирование различных звуковых эффектов; управление акустическими характеристиками помещения (например, адаптивное подавление отражений и др.); компьютерное управление параметрами системы звукоусиления в зависимости от характера звучания и условий в помещении (например, система Media-Matrix) и т. д.

В настоящее время применяется огромное множество систем озвучивания и звукоусиления. Они отличаются способами построения, функциональными возможностями, используемой аппаратурой и др. Пример построения системы звукоусиления Большого Кремлевского дворца показан на рис. Система включает в себя: первичный акустический тракт — от источника звука до микрофона; аппаратную часть — от выхода микрофона до излучателей (звуковых колонок, рупорных громкоговорителей и др.); вторичный акустический тракт — от выхода излучателей до слушателя.

Рис. Структурная схема системы звукоусиления Большого Кремлевского дворца

Под неравномерностью звукового поля, создаваемого системами озвучивания и звукоусиления в помещениях, понимается разница в уровнях звукового давления в разных точках озвучиваемой поверхности при подведении к системе постоянного уровня мощности. Одинаковый уровень звукового давления в различных точках помещения обеспечить практически невозможно, т. к. имеет место неравномерная структура звукового поля из-за резонансов помещения, из-за взаимодействия излучателей друг с другом, из-за неравномерности АЧХ отдельных громкоговорителей и т. д. Общая неравномерность для всех точек в помещении не должна превышать 6-8 дБ. Средний уровень звукового давления во всех точках озвучиваемой поверхности должен быть такой же, как в оптимальной зоне прослушивания (для концертных залов это примерно в 10-12-м ряду), что необходимо для обеспечения «натуральности» звучания;

— акустические характеристики излучателей (звуковых колонок, рупорных громкоговорителей, потолочных излучателей и пр.): эффективно воспроизводимый диапазон частот, неравномерность, чувствительность, характеристика направленности, коэфициент нелинейных искажений и др. Именно они в значительной степени определяют общие характеристики тракта звукоусиления. Подробнее с ними можно ознакомиться в работах;

— слитность звучания, т. е. отсутствие заметного на слух эха. Под эхом понимается отраженный запаздывающий сигнал достаточно большого уровня, который осознанно воспринимается как повторение сигнала. Заметность эха зависит от времени запаздывания, от интенсивности отраженного сигнала,от спектральной структуры сигнала и т. д. В работе [30] был предложен количественный критерий заметности в зависимости от разницы по интенсивности с прямым сигналом и от времени задержки. Критическим интервалом заметности эха считается время запаздывания более 80 мс, однако появление запаздывающих отражений больших уровней с меньшим временем запаздывания также может сказаться на разборчивости речи и тембральной окраске музыки. Особую опасность при построении систем озвучивания представляет возникновение порхающего эха (флаттер-эха), что вызывает сильное тональное окрашивание звука (при этом возникает эффект гребенчатого фильтра, приводящий к появлению пиков — провалов на АЧХ в различных точках помещения);

— уровень акустических шумов в различных помещениях с системами звукоусиления определяется по международным стандартам в соотвествии с кривыми NC. Для концертно-театральных помещений этот уровень не должен превышать NC 30-35 дБ, что предъявляет достаточно жесткие требования к выбору аппаратуры и системам звукоизоляции зала;

— разборчивость речи является одним из определяющих параметров в любой системе озвучивания и звукоусиления. Для ее определения существуют субъективные методы оценки и объективные критерии, которые были рассмотрены ранее. Для правильно спроектированной системы звукоусиления слоговая разборчивость должна быть в пределах 90-97%;

— локализация источников звука, совмещение зрительного и слухового образа, тембральное окрашивание звучания и пр. — это важнейшие характеристики систем озвучивания и звукоусиления, которые обязательно должны контролироваться с помощью субьективных экспертиз.

Подавляющее большинство систем озвучивания может быть разделено на три большие группы.

1. Сосредоточенные системы, в которых звук к слушателю приходит почти из одной точки. Это могут быть близко расположенные излучатели над сценой (например, одна или две звуковые колонки в аудитории) или несколько излучателей в центре зала (например, рупорные громкоговорители в виде люстры). Преимуществом сосредоточенных систем является возможность обеспечить совмещение «зрительного и слухового образа», недостатком — трудность обеспечения малой неравномерности звукового поля на озвучиваемой проверхности.

2. Зональные системы состоят из ряда сосредоточенных излучателей, каждый из которых работает на свою зону. Такие системы могут быть линейными, например для озвучивания узких и длинных площадей и улиц, и пространственными, в которых вся площадь разбита на зоны. Излучатели, обычно расположенные в центре зоны, обеспечивают заданный уровень звукового давления только на своей площади. Преимуществом таких систем является возможность озвучивания больших площадей, недостатком — большая неравномерность звукового поля, особенно в зонах перекрытия, и опасность возникновения эха.

3. Распределенные системы, в которых громкоговорители распределены таким образом,чтобы уровень поля в каждой точке определялся суммарным действием всех или большинства излучателей. Распределенные системы делятся на линейные (например, расположенные на боковой стенке) и поверхностные (на потолке, на стенках и др). Распределенные системы используются как в закрытых, так и в открытых помещениях.

Для систем озвучивания используется обычно специальная акустическая аппаратура, имеющая характеристики, существенно отличающиеся от домашних систем. К числу основных отличий можно отнести регулируемые характеристики направленности специальной формы, высокую чувствительность, повышенную надежность и устойчивость к климатико-механическим воздействиям. Наиболее распространенными видами излучателей являются: звуковые колонки, представляющие собой своего рода акустическую антенну из набора одинаковых громкоговорителей, что позволяет регулировать ширину характеристики направленности в вертикальной плоскости; специальные активные блоки (например, типа Acoustimass и др.); потолочные акустические системы; кресельные громкоговорители; рупорные громкоговорители различных конфигураций, имеющие более высокий КПД (до 10%) и возможность обеспечения заданной зависимости ширины характеристики направленности от частоты и др. Особую группу составляет концертно-театральная аппаратура, куда входят портальные системы, сценные мониторы, комбинированные мониторы и т. д.

Естественно, неотъемлемой частью систем озвучивания и звукоусиления является усилительная аппаратура,

Рис. Вид звуковой колонки

микшерские пульты, различные процессоры обработки звука и микрофоны.

Поскольку слушатель, находящийся в зале, видит источник звука, то при любом построении системы должно иметь место совпадение зрительного и слухового образа. Таким образом, главными задачами при построении систем озвучивания являются обеспечение заданного уровня громкости во всех точках зрительного зала, обеспечение разборчивости речи и пения, правильная локализация слухового образа, сохранение тембра звучания и обеспечение отсутствия «обратной связи».

Можно уменьшить расстояние между источником звука (например, певцом, лектором и др.) и микрофоном, но при слишком близком расстоянии появляются дополнительные шумы и помехи, начинает существенно сказываться эффект подъема АЧХ у направленных микрофонов (эффект «близости») и т. д.;

— увеличить расстояние между микрофоном и громкоговорителем, но при смещении громкоговорителя первые ряды могут оказаться в зоне недостаточного уровня звукового давления, поэтому необходимо пользоваться этим методом только при условии контроля распределения звукового давления в разных точках зала;

— подобрать характеристики направленности громкоговорителей и микрофонов таким образом, чтобы звуковая волна от громкоговорителя приходила в направлении минимальной чувствительности микрофона;

— внести дополнительное звукопоглощение, особенно в зоне вокруг микрофона: поскольку в закрытом помещении на микрофон действует не только прямой звук, но и отраженные звуки с различных направлений, то в малозаглушенных залах самовозбуждение системы звукоусиления может наступать при более низком уровне усиления.

В закрытых помещения опасность самовозбуждения системы звукоусиления наибольшая на резонансных частотах помещения, поскольку именно на них происходит максимальная передача энергии от громкоговорителя к микрофону, — поэтому и существуют специальные методы и соответствующие приборы типа УПАОС для режекторной фильтрации наиболее опасных частот. В работах [16, 46] был предложен метод «транспонирования» частоты, т. е. небольшого сдвига опасных частот в системе звукоусиления, но поскольку при этом частоты звуковых сигналов, излученных громкоговорителем, будут несколько сдвинуты, то пользоваться им можно только при тщательном слуховом контроле.

В целом создание систем звукоусиления, обеспечивающих достаточный уровень громкости, хорошее качество звучания и отсутствие «возбуждения» за счет обратной связи, — процесс, требующий достаточного опыта, использования современных методов расчетов и измерений.

Структура систем звукоусиления существенно зависит от их назначения: для систем перевода речи, конференц-систем, для озвучивания аудиторий, концертно-театральных залов и т. д. Пример системы звукоусиления для Большого Кремлевского дворца в Москве (на 6000 зрителей) показан на рис. В этом зале проблема с акустическими характеристиками была решена следующим образом: было выбрано время реверберации, оптимальное для речи, и соответственно размещены звукопоглощающие материалы, обеспечивающие высокий уровень поглощения. При исполнении музыки включалась амбиофоническая система, обеспечивающая дополнительную реверберацию [22, 57]. В некоторых случаях используются такие дорогостоящие методы, как уменьшение объема зала за счет передвижных перекрытий при переходе от одного вида программ к другим [40].

Необходимо отметить, что в залах, где применяется система звукоусиления, требования к структуре реверберационного процесса в помещении существенно видоизменяются. Поскольку любую точку зала можно обеспечить прямым звуком с высоким уровнем звукового давления за счет излучения от громкоговорителей, то нет необходимости добиваться высокого уровня первых отражений от фронтальной части зала (использовать навесные щиты, припор-тальные отражающие поверхности и т. д.), как в залах с естественной акустикой, — скорее, наоборот, в зоне вокруг микрофона лучше обеспечить усиленное звукопоглощение. Однако акустические характеристики зала должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить необходимое время реверберации для разных видов музыки, иначе его придется добавлять электронным путем (допускается оптимальное время реверберации на 15-20% ниже указанного для залов без звукоусиления).

Например, для залов кинотеатров, где используются системы озвучивания, был предложен такой способ обеспечения оптимальных акустических характеристик: высокий уровень прямого звука создается для всех слушательских мест, ранние отражения уменьшаются по уровню за счет размещения поглотителей в приэк-ранной части зала, в то же время в зрительской части зала формируется достаточно высокий уровень отражений. Все это позволяет создать особую структуру реверберационного процесса, которая обеспечивает хорошую разборчивость речи и достаточное время реверберации для музыки. В современных кинозалах, где используются системы пространственной звукопередачи, например Dolby Digital, требования к акустическим характеристикам помещения изменились. В соответствии со стандартом ITU-R BS.775-1 время реверберации в таких залах должно быть в пределах 0,2-0,4 с с допустимым разбросом ± 0,05 с (ниже 200 Гц до-

Рис. Структура реверберационного процесса в залах кинотеатра

Рис. Размещение громкоговорителей в кинозале по системе Dolby Digital

1 — источник программ; 2 — декодер; 3 — левый громкоговоритель; 4 — центральный громкоговоритель; 5 — левый громкоговоритель; 6 — низкочастотный блок; 7 — тыловые громкоговорители левого канала; 8 — тыловые громкоговорители правого канала; 9 — усилители

пускается подъем на 25%); уровень ранних отражений в пределах 0-15 мс должен быть на 10 дБ ниже прямого звука; рабочая кривая уровня звукового давления должна иметь неравномерность в пределах +1-3 дБ в диапазоне частот 50-16 кГц со спадом -6 дБ на границах; требуется также отсутствие флаттер-эха, низкий уровень шумов и др.

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ

Развитие музыкального и вокального искусства, особенно в последние десятилетия в связи с появлением техники звукозаписи, кино, телевидения, мультимедиа и пр., привело к большому разнообразию помещений, в которых исполняются музыкальные и вокальные произведения с особыми требованиями к их акустическим характеристикам.

Общая классификация современных помещений для прослушивания музыки и речи (пения) может быть предложена в следующем виде:

— помещения с «естественной» акустикой, где качество звучания оркестра, хора, солиста, оратора и др. определяется исключительно акустическими параметрами помещения и передача звука происходит непосредственно от исполнителя к слушателю. Именно акустическое сооружение таких залов имеет самую длинную историю (от нескольких столетий до нашей эры до настоящего времени). Несмотря на их несомненные достоинства и высочайшее качество звука, достигнутое в лучших концертных залах мира, они все имеют сравнительно небольшой объем и ограниченную вместимость. По акустическим параметрам такие помещения могут быть разделены на: лекционные залы и аудитории для передачи речи; театральные залы (драматических, оперных театров); концертные залы (филармонические, эстрадные и др.);

— помещения для передачи звука только с помощью системы озвучивания (такой тип помещения появился в начале XX века, примером может служить зал кинотеатра). В таких помещениях качество передаваемого звука в значительной степени определяется параметрами системы озвучивания, хотя акустические характеристики самого зала оказывают также существенное влияние. В помещениях этого типа звук не поступает непосредственно от исполнителя к слушателю, а предварительно проходит сложную систему обработки при звукозаписи и звуковоспроизведении;

— помещения, где передача звука происходит и непосредственно и через систему звукоусиления. Примером таких залов могут служить современные концертно-театральные комплексы. Помещения этого типа могут иметь значительные размеры и вмещать большое количество (до нескольких тысяч) слушателей, при этом качество звука, поступающего к слушателю, в значительной степени определяется уровнем техники звукоусиления, хотя требования к акустической обработке и конструкции таких залов также чрезвычайно высоки;

— помещения для записи и обработки звука (студии звукозаписи, тонателье, радиовещательные и телевизионные студии и т. д.). Это особый вид помещений со специальными требованиями к акустическим характеристикам и, соответственно, к их конструкции. Они появились только в 30-е годы XX столетия и развиваются в настоящий период быстрыми темпами.

Наконец, современные концерты проходят и в открытых помещениях — на стадионах, открытых эстрадах и т. д., что также выдвигает специальные требования к их акустическим параметрам.

В данной главе будут кратко рассмотрены требования к акустическим параметрам помещений с «естественной» акустикой, с тем чтобы дать общие представления о влиянии помещения на качество музыки и речи, исполняемых в них, а также требования к акустике студий и помещений с системами озвучивания.

Подробные сведения об акустическом проектировании таких помещений можно найти в литературе по архитектурной акустике.

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ » Акустика залов оперных театров

Архитектура оперных театров по праву может быть названа классической: она восходит корнями к греческим и римским амфитеатрам, где зрители располагались полукругом на постепенно повышающихся уровнях. Форма зала в виде параболоидной чаши позволяла сократить его длину и обеспечить прямыми лучами все точки зала; отраженные звуки дополнительно создавались каменными зданиями за сценой. Переход от открытых амфитеатров к полностью закрытым театрам произошел в XVI веке в Италии, (таковы, например, театр Олимпико, театр Фарнезе в Парме и др.). Их форма полностью повторяла римский амфитеатр, но зал был закрытым, сцена приобрела более вытянутую форму и появился просцениум. Последующие оперные театры, включая современные, повторяют эту форму зала с многочисленными ярусами и балконами, что сохраняет все преимущества амфитеатров и создает хорошую структуру отраженного

Рис. Греческий амфитеатр

(диффузного) поля. Требования к акустике оперных театров практически не изменялись на протяжении четырех веков, только исполнение опер Вагнера выдвинуло новые требования к увеличению времени реверберации.

В отличие от драматического театра в опере ведущую роль играет качество звучания музыки и пения, хотя при этом остается необходимость обеспечения хорошей разборчивости. Поэтому и требования к акустическим параметрам таких залов значительно усложняются. В зале оперного театра должны быть хорошие субъективные характеристики, важные для оценки музыкального сопровождения, такие как жизненность, полнота, ясность (разборчивость), интимность, баланс, тембр и др. Требования по обеспечению этих параметров противоречивы: улучшение одних, например полноты, может ухудшить другие, например ясность. В работах Беранека были предложены следующие значения параметров для оперного зала: время реверберации на средних частотах для заполненного зала — 1,5 с для классической оперы, 1,7 с для опер Вагнера; время прибытия первых отражений — 20-24 мс и т. д. Необходимо отметить, что в литературе имеются и несколько другие данные по этим параметрам [44].

Современный классический оперный театр имеет три вида помещений:

— зрительный зал — как и в случае драматического театра, его можно условно разделить на две части — околосценическую (переднюю) и тыловую (заднюю), которые должны выполнять разные функции;

— сцену, оборудованную декорациями и кулисами. Сцена представляет собой большой объем, внутри которого звуковая энергия практически полностью поглощается. Это значит, что в зрительный зал со сцены излучается только прямая энергия, а короткие отражения от поверхностей, окружающих певцов, в зал практически не приходят. Акустика сцены имеет огромное значение как для певцов, так и для зрителей;

— оркестровую яму — объем ниже сцены по уровню, где размещается оркестр; неправильно выбранные для него акустические параметры могут привести к тому, что оркестр будет заглушать певцов, музыканты не смогут играть в ансамбле и т. д.

Поскольку опера является синтетическим видом искусства, требующим слухового и визуального восприятия действия, то, как и в драматическом театре, зрители должны быть в тесном контакте с актерами, что требует минимального удаления зрительных мест от сцены. Однако поскольку оперные певцы должны обладать более сильными голосами, то допускается большее удаление зрителей от сцены (до 35 м). Основное влияние на воспринимаемое в оперном зале качество звучания музыки также определяется такими объективными параметрами как время реверберации, время, направление прихода и структура ранних отражений, соотношение энергии ранних и поздних звуков и др.

Время реверберации и максимальная вместимость классических оперных театров представлены в таблице.

Таблица

Название,

место

нахождение

Год

постройки

Объем

зала,

м³

Кол-во

мест

Объем на одно место, м³

Время реверберации на средних частотах, с

Театр Ла Скала, Милан

1778

11252

2289

4,9

1,24

Большой театр, Москва

1856

12000

2130

5,6

1,35

Театр

Ковент-Гарден,

Лондон

1858

12240

2209

5,54

1,1

Оперный театр, Одесса

1887

9000

1728

5,2

1,1

Национальная опера, Париж

1875

9960

2131

4,67

1,18

Оперный театр, Вена

1869/1959

(реконструкция)

10665

1709

6,2

1,36

Театр Колон, Буэнос-Айрес

1908

20570

2487

8,27

1,56

Метрополитен-

Опера,

Нью-Йорк

1883

24724

3816

6,47

1,47

Для обеспечения теплоты звука рекомендуется подъем частотной характеристики времени реверберации примерно на 20% на частоте 125 Гц.

Рис. Зал оперного театра Ла Скала в Милане

В качестве примеров можно привести: Большой театр в Москве, имеющий шесть ярусов и вмещающий 2100 человек (максимальное удаление зрительских мест в партере — 24 м); Оперный театр в Одессе (пять ярусов и 1700 человек при максимальном удалении зрителей в партере 23,5 м); театр Jla Скала в Милане — шесть ярусов, 2300 человек при максимальном удалении зрителей от сцены 26 м; зал Национальной оперы в Париже — пять ярусов, 2100 человек, максимальное удаление зрителей от сцены 22 м.

Обычно залы классических оперных театров имеют овальную форму, систему балконов и от трех до шести ярусов. Балконы должны быть небольшой глубины (не превышающей 3 м), поскольку только при таком условии в подбалконное пространство свободно попадают и прямая звуковая энергия и все отражения, приходящие в течение реверберационного процесса. Интересно отметить, что в большинстве залов, построенных в XIX в эмпирически, были предусмотрены меры оптимизации акустических условий в соответствии с требованиями, сформулированными только в настоящее время. Так, форма барьеров балконов и ярусов, как правило, способствует хорошему рассеянию звука. При такой системе построения зрительской части зала дополнительного звукопоглощения обычно не требуется.

Современные залы оперных театров часто имеют прямоугольную или веерную форму, без ярусов, поднимающиеся ряды зрительских мест и соответствующую систему размещения звукопоглощающих и отражающих конструкций на потолке и стенах для создания равномерного диффузного поля с достаточно большим временем реверберации.

Околосценическая (припортальная) часть зала требует решения других задач, поскольку наряду с соответствующим временем реверберации в зале оперного театра требуется обеспечить слушательские места интенсивными первыми отражениями с небольшим (20-35 мс) запаздыванием по отношению к прямому звуку. Эти задачи решаются таким же путем, как и в зале драматического театра: отражающие поверхности над сценой, отражающие плоскости на ¹/з длины боковых поверхностей и т. д. Боковые стены вблизи портала сцены также должны обеспечивать формирование ранних интенсивных отражений (со временем прихода до 35 мс), структура которых должна быть близка к оптимальной для звучания музыки.

При акустическом проектировании зала оперного театра приходится решать и ряд специфических задач. Прежде всего это касается правильного баланса звучания голоса певца со сцены и оркестра, расположенного в оркестровой яме. Нарушение баланса обычно проявляется в том, что оркестр, акустическая мощность которого в сотни раз превосходит мощность человеческого голоса, «подавляет» певца. Для правильного баланса необходимо создать условия хорошей взаимной слышимости музыкантов, а также музыкантов и певцов. Кроме того, как музыканты, так и певцы должны слышать собственное исполнение. Успешное решение всех этих задач в первую очередь связано с правильным выбором параметров припортальной зоны зала, которая включает поверхности потолка и стен, примыкающие к порталу, а также оркестровую яму. В современной практике примыкающие к порталу части потолка и стен часто делают в виде выпуклых звукоотражателей, формирующих направление отражения к слушателям. Выбор формы таких отражателей — значительная проблема: только при правильном ее решении, звук певца, отраженный от козырька, направляется в переднюю зону мест, а отраженный звук оркестра возвращается к музыкантам, улучшая условия взаимной слышимости и слышимости собственного исполнения. При таком варианте отражателей улучшается также взаимная слышимость музыкантов

Рис. Формы козырька над порталом и оркестровой ямы: а — неблагоприятный выбор формы козырька; б — правильный выбор формы козырька

и певцов. По аналогичным соображениям боковые припортальные стенки не должны сильно раскрываться в сторону зала. Иногда используется некоторое расчленение поверхностей козырька и боковых припортальных стенок с тем, чтобы часть отраженного звука возвращалась на сцену и улучшала слышимость собственного исполнения для певцов.

Созданию оптимального баланса между певцами и оркестром способствует также частичное перекрытие оркестровой ямы. Над примыкающей к сцене частью ямы устраивается навес, вынос которого не должен превосходить ¹/3 ширины ямы. За счет уменьшения излучения звука непосредственно в зал и в сторону козырька над порталом навес позволяет «приглушить» расположенные под ним громкие инструменты оркестра (например, медные духовые). Такой навес способствует улучшению взаимной слышимости музыкантов. Часть ямы, примыкающая к сцене, нередко делается более глубокой, что также полезно для «приглушения» громких инструментов. Вблизи басовых инструментов в оркестровой яме рекомендуется размещать низкочастотный звукопоглотитель.

Таким образом, обеспечение акустических параметров оперных залов требует решения целого ряда специальных задач, касающихся конструкции как зрительной части зала, включая его припор-тальную часть, так и оркестровой ямы и сцены.

АКУСТИКА КОНЦЕРТНЫХ И ТЕАТРАЛЬНЫХ ЗАЛОВ » Акустика концертных залов

Создание концертных залов с хорошей акустикой было и остается сложнейшей задачей, которая до недавнего времени решалась исключительно опытом, интуицией и искусством архитекторов и акустиков. Только в последние годы с связи с развитием компьютерных технологий появились возможности для точного математического моделирования акустики залов, но эти методы только начинают развиваться. Некоторые общие идеи, исходя из опыта строительства различных концертных залов в течение многих лет, были сформулированы следующим образом [40]: различные жанры музыки требуют разных акустических характеристик в концертном зале; акустические характеристики, оптимальные для слушателей и для исполнителей, существенно различаются; только лучшие концертные залы мира обеспечивают акустические параметры, оптимальные как для слушателей так и для исполнителей; не существует единого архитектурного решения для концертных залов — большинство акустических требований может быть решено различными архитектурными приемами. Именно поэтому создание концертных залов пока остается еще «искусством на научной основе» [4].

В данном разделе будут кратко рассмотрены требования к акустическим параметрам «классических» концертных залов, где звучание музыки непосредственно передаются от исполнителю к слушателю. Современные многоцелевые концертные залы с системой звукоусиления требуют других акустических параметров, которые будут рассмотрены в разделе 5.4.

Хорошее качество звучания музыки в концертном зале требует обеспечения всех упомянутых в разделе 5.1 субъективных критериев: жизненности, полноты, пространственности, тембра, баланса, интимности, громкости, отсутствия эха, низкого уровня шумов и т. д., — а следовательно, и соответствующей структуры и параметров реверберационного процесса, из которых основными являются следующие: время реверберации, время и направление прихода первых отражений, уровень боковых отражений, отношение энергии ранних отражений к энергии поздних отражений и др. Все эти параметры определяют требования прежде всего к форме и размерам концертных залов, а также к их системам звукопоглощения, звукоотражения и звукоизоляции.

В концертных залах также можно выделить две различные части: площадь для оркестра (эстраду) и площадь для зрителей, которая может быть разделена еще на две части — околоэстрад-ную и дальнюю зрительскую часть. Акустические требования к этим частям несколько различаются [26]: форма и размеры «классического зала» определяются прежде всего требованиями к достижению оптимальных времени реверберации и структуры ранних отражений (время, уровень и направление прихода).

Оптимальное время реверберации, как показано на рис., зависит от вида музыкального исполнения: для органной музыки — 3-5 с, для симфонической 2-2,2 с и для камерной 1,3-1,6 с. При этом важную роль играет и стиль исполняемой музыки: в период барокко среднее время реверберации было 1,6 с, классической музыки —1,8 с, романтической — 2-2,2 с. Как уже было показано ранее, для обеспечения теплоты звучания время реверберации должно увеличиваться на низких частотах примерно на 20%.

Это требует разных архитектурных параметров концертных залов: объем на одного слушателя должен составлять 10-12 м³ для органной музыки, 8-10 м³для симфонической и 6-7 м³для камерной. Все это ограничивает общую вместимость залов с естественной акустикой 1500-2000 человек (хотя современные залы уже имеют вместимость 2200-2500 человек). Объемы, соответствующие этим вместимостям, — 12000-20000 м³. Размеры и время реверберации наиболее известных концертных залов даны в таблице.

Кроме оптимального времени реверберации в концертных залах важно обеспечить и другие параметры: ясность — С80, интимность, коэффициент внутрислуховой корреляции и др., которые также определяются выбором соотношения размеров и формы зрительного зала. В старых концертных залах ширина и высота обычно составляли 20 м и 17 м, это обеспечивало приход первых фронтальных отражений с интервалом 20-30 мс. При уменьшении этих интервалов эстетическое восприятие музыки ухудшается.

Если для речевых помещений размер зала определяется его вместимостью, но может быть уменьшен без потери разборчивости речи, то в концертных залах размер определяется требованиями к качеству звучания музыки и не может быть уменьшен ниже некоторого предела (независимо от количества зрителей). Как уже было отмеченоранее, в залах малых размеров на местах слушателей образуется слишком плотная временная структура ранних отражений, из-за которой при малом времени реверберации звучание оказывается «плоским» [40]; кроме того, резонансы воздушного объема попадают в слышимый диапазон и вносят дополнительную «окраску» в тембр звучания.

Длина зала, как и ранее рассмотренных помещений, ограничивается необходимостью доставки на самые удаленные места от эстрады прямой звуковой энергии достаточно высокого уровня. Однако здесь следует учесть, что голос певца или звук инструмента способен излучать большую мощность, чем речь актера. В связи с этим максимальное удаление слушателя от эстрады может быть увеличено по сравнению с залом драматического театра.

Статистические данные, собранные в ходе анализа максимального удаления мест слушателей от эстрады для музыкальных залов разной вместимости, построенных в разных городах мира и известных хорошими акустическими свойствами [48], показали, что максимальная удаленность слушателей от эстрады в партере не превышает 40 м, а на балконе — 45 м.

Ограничения ширины и высоты зала распространяются прежде всего на припортальную часть для обеспечения необходимой структуры ранних отражений; в более удаленной от эстрады части ширина и высота зала может быть увеличена. Ширина зала у портала рекомендуется не более 25 м, а на расстоянии одной трети длины зала — не более 30 м. Высота зала (если принять за уровень пол сцены) у портала не должна превышать 9 м, а на расстоянии 7 м от портала — 10,5 м.

Таким образом, при выборе основных размеров концертного зала, равно как и его формы, особое внимание должно быть уделено его припортальной части, занимающей около одной трети, а в больших залах — одной четверти его длины. Эта часть должна быть так спроектирована, чтобы на местах слушателей была сформирована оптимальная структура ранних отражений.

Исследования, выполненные на основе измерений, позволили собрать достаточно полный статистический материал по интервалу времени запаздывания первых отражений. Результаты анализа собранных материалов очень хорошо совпадают с результатами субъективных исследований и подтверждают ценность структуры ранних отражений в качестве одного из важнейших критериев качества акустики концертного зала. Например, в залах, известных своими прекрасными акустическими свойствами, время запаздывания первого отражения, приходящего в лучшие места, составляет: в Большом зале Московской консерватории — 21-26 мс, в Колонном зале Дома Союзов — 24-28 мс, в Санкт-Петербургской капелле — 25-30 мс, в Концертном зале в Зальцбурге — 23 мс и т. д.

Наличие эстрады вместо сцены в значительной мере обуславливает архитектуру концертного зала, отличающуюся от архитектуры театральных залов. Оказалось не обязательным строить залы по ярусной системе, так как оборудование эстрады жесткими звукоотражающими конструкциями позволяет значительно увеличить уровень отраженной звуковой энергии, приходящей к слушателям в начальном периоде реверберационного процесса, и помогает обеспечить оптимальную структуру ранних отражений. Это в свою

Рис. а — две части зала с плавным переходом (концертный зал в Бонне); б — сочетание двух разных форм сцены и зала (концертный зал в Детройте)

очередь позволяет удалить слушателя от эстрады и увеличить размеры зала.

В современных залах используются разные формы зрительного зала для той части, которая примыкает к эстраде (примерно 1/3 общей длины), и остальной его части. Можно заметить два типичных направления при решении их интерьера [40]: единую форму зала с плавным переходом эстрады в зрительный зал и композицию из двух разных форм для зала и сцены.

Эстрада и ближайшая к ней часть зала: для музыкантов, находящихся на сцене, субъективные параметры, оказывающие наиболее существенное влияние на их качество исполнения, несколько отличаются от параметров, воспринимаемых слушателем. К числу основных из них можно отнести следующие [49]: время реверберации — процесс затухания в зале должен быть отчетливо слышен в паузах и давать музыкантам чувство опоры; поддержка — этот параметр позволяет музыкантам слышать себя даже на тихих уровнях; тембр позволяет оценить влияние помещения на звучание инструментов и на восприятие музыкантами тонального баланса между инструментами в ансамбле; динамика характеризует динамический диапазон в данном помещении и определяет степень, с которой помещение влияет на динамику исполнения; слышание друг друга — необходимо для обеспечения ритмической точности, настройки и баланса по уровням; задержка сигналов во времени — если музыканты далеко друг от друга, то возникают слишком большие временные задержки, которые нарушают ритмическую точность и влияют на тембр.

Исследования позволили установить, что ощущение поддержки возникает у музыкантов при высоком уровне ранних отражений на сцене. Измерения показывают, что в хороших залах их уровень значительно выше порогов слышимости.

Для обеспечения слитности исполнения в ансамбле существенное значение имеет величина задержки прямого звука от соседних участников. Результаты исследований показали, что максимальное время задержки должно быть в пределах до 20 мс.

Ширина и глубина эстрады (сцены) зависят от числа исполнителей (на каждого должно приходиться примерно 2 м²) и от высоты потолка припортальной части зала. Если потолок сравнительно низкий (ниже 10 м), то могут быть выбраны большая ширина и глубина сцены, т. к. при такой высоте прямой звук и ранние отражения попадают к исполнителям (что

Рис. Структура отражений на сцене

важно для их взаимной слышимости) и к зрителям. Если потолки высокие, то для обеспечения первыми отражениями исполнителей и зрителей необходимо ограничить площадь эстрады: ширина не более 15 м, высота не более 10 м. При низких потолках и широких стенах возникают также проблемы с обеспечением необходимого времени реверберации в зрительном зале; кроме того, боковые отражения приходят на сцену слишком поздно и при этом нарушается ощущение ансамбля. При высоких потолках необходимое время реверберации обеспечивается, но общая площадь эстрады оказывается слишком мала. Поэтому в современных концертных залах часто используются навесные панели над площадью оркестра и передней частью зрительских мест, форма, размер и степень наклона которых подбираются исходя из требований обеспечения первыми отражениями оркестра и зрителей.

Кроме того, в современных больших залах многоцелевого назначения, где оркестр размещается на просторной сцене, используются акустические раковины, состоящие из системы звукоотражающих поверхностей. Такая раковина может быть легко скомпонована в виде трансформируемой системы из отдельных щитов, которыми можно ограждать различные объемы на эстраде при выступлении ансамблей исполнителей. Размеры мобильных щитов должны быть достаточно велики во избежание потерь отраженной звуковой энергии на дифракцию вокруг краев. Эти потери, особенно в области низких частот, становятся ощутимыми, если любой размер щита меньше 5-6 м.

Рис. Концертный зал в Зальцбурге с акустической раковиной

В качестве интересного примера может служить зал в Зальцбурге вместимостью более 2000 человек. При проведении концертов на эстраде в нем устанавливается трансформируемая раковина, обеспечивающая запаздывание первого отражения на 23 мс. Классические концертные программы проходят при естественных акустических условиях, т. е. без помощи систем усиления звука. Кроме того, в зале ставят оперные и драматические спектакли.

Зрительская (дальняя) часть зала: основное требование к ее форме состоит в обеспечении высокой степени рассеяния звука для создания достаточного общего времени реверберации. Возможностей для реализации таких форм зала достаточно много, в настоящее время чаще всего для концертных залов используются следующие формы [40]:

— высокая прямоугольная форма (Shoebox) — старейшая форма, используемая как в музыкальных залах во дворцах XVII—XVIII веков, так и в крупнейших концертных залах XIX-XX веков, например Консертгебау (Амстердам, 1888), Мюзик-ферейнсаал (Вена, 1870). Из-за простой геометрии структура звуковых полей в таких залах лучше всего изучена и отмоделирова-на. Разновидностью являются залы с почти квадратной площадью;

— веерообразная форма с расходящимися стенами и кривыми потолками (Fan), использовалась активно в период 1920-1960-х годов, сейчас признана неудовлетворительной из-за бедных боковых отражений;

— форма с параллельными стенами, высокими потолками, криволинейной задней стеной (Horseshoe). Это типичная форма оперных залов, однако она часто использовалась и для концертных залов (например, Концертный зал Макдермотт в Далласе);

— террасообразная форма (Vineyard) зала, разделенного на уменьшающиеся асимметрично поднимающиеся блоки. Вертикальные дополнительные поверхности на стенах создают ранние

Рис. Формы концертных залов

а — высокая прямоугольная форма (Shoebox); б — залы с почти квадратной площадью; в — веерообразная форма с расходящимися стенами и кривыми потолками (Fan);

г — форма с параллельными стенами, высокими потолками, криволинейной задней стеной (Horseshoe); д — специальная геометрическая форма (geometric)

боковые отражения для всех зон зала. Примером может служить зал Берлинской филармонии (1963);

— специальная геометрическая форма (geometric), показанная на рис. Такой зал обладает большой гибкостью при настройке акустических параметров, но труден для проектирования.

Залы небольшой ширины могут иметь простую форму параллелепипеда; из-за их небольшой ширины количество отражений, приходящих на зрительские места, быстро нарастает со временем и в завершающей части реверберационного процесса становится настолько велико, что образуется достаточная диффузность поля. В залах же со сравнительно большой шириной, как правило, требуется введение звукорассеивающих элементов. Примером могут служить Большой зал Санкт-Петербургской филармонии и Колонный зал Дома Союзов в Москве, где два ряда больших колонн создают высокую степень диффузности звукового поля.

В современных залах, которые имеют большие объемы, рассеяние звука достигается членением стен и потолка под разными углами либо расположением на этих поверхностях специальных архитектурных элементов, способствующих рассеянию звука (например, диффузоров Шредера). В качестве материалов для отделки стен и потолка, в первую очередь акустической раковины и ближайших к сцене поверхностей, обычно используется дерево (это способствует созданию красивого тембра).

Обязательным требованиям к акустике концертных залов является низкий уровень внешних и внутренних шумов. Требования для концертных залов составляют NC-20, что заставляет применять специальные меры для повышения звукоизоляции в залах; подробнее эти вопросы освещены в специальной литературе

Акустическое проектирование помещений, предназначенных в основном для речевых программ, должно исходить из выполнения следующих задач:

— обеспечение максимальной разборчивости речи, для того чтобы донести до слушателей семантическую (смысловую) информацию;

— сохранение естественного тембра голоса и его изменений для передачи эстетической информации;

— обеспечение правильной локализации звукового образа, совмещение его со зрительным.

Исследования зависимости разборчивости речи (методы ее определения даны ранее) от акустических свойств помещения, особенно выполненные за последние годы, позволили установить, что основные факторы, определяющие высокий процент разборчивости, следующие:

— высокий уровень прямого звука на всех слушательских местах и максимальное отношение уровня прямого звука к реверберирующему (т. е. к поздним отражениям, пришедшим к слушателям после 80 мс);

— сравнительно небольшое время стандартной реверберации (оптимальное время для речевых помещений показано на рис. и составляет от 0,4 с до 1,2 с в зависимости от объема помещения);

— достаточно высокий уровень первых дискретных отражений, прибывающих к слушателям в течение первых 80 мс;

— низкий уровень шумов (высокий уровень отношения «сигнал/ шум»);

— отсутствие эха и других помех в помещении.

Естественно, что уровень разборчивости зависит от содержания, способа произношения и темпа речи, а также от состава, возраста слушателей, их внимания и степени заинтересованности.

Сохранение тембральных характеристик речи определяется акустическими параметрами помещения, о которых уже было сказано ранее, в первую очередь отсутствием дискретных резонансов, что особенно актуально для помещений малых размеров, поскольку дискретные резонансы могут усиливать отдельные обертоны в спектре голоса и приводить к его «окрашиванию» (особенно это может проявляться для мужских голосов в диапазоне 80-300 Гц).

Нарушение правильной локализации в помещениях с «естественной акустикой» может быть вызвано наличием сильных поздних отражений (эха или порхающего эха), для устранения которых необходимы специальные конструктивные меры. Кроме того, явление «гребенчатой» фильтрации за счет порхающего эха с редкими пиками — провалами при малых временных задержках отраженных сигналов (может возникать в помещениях небольших размеров) также способно привести к искажению тембральных характеристик речи.

Таким образом, во всех помещениях, предназначенных для передачи речи, должна быть обеспечена специальная структура реверберационного процесса, в котором имеются: максимальный уровень прямого звука; интенсивные дискретные отражения (причем желательно, чтобы запаздывание первых из них не превышало 20 мс, и число этих отражений было как можно большим на всех слушательских местах); сравнительно быстрое затухание поздних отражений; плавный характер спада уровня энергии (отсутствие эха). В зависимости от назначения помещения эти задачи решаются разными конструктивными методами — в первую очередь выбором размеров и формы зала, размещением в нем специальных отражающих конструкций, а также выбором и размещением звукопоглощающих материалов.

Лекционные залы (аудитории): для обеспечения слушателей интенсивным прямым звуком в них необходимо учитывать, что уровень звукового давления, который может создать голос оратора, в среднем составляет 86 дБ/м, при этом он уменьшается обратно пропорционально расстоянию (эффект «скользящего поглощения»,); диаграмма направленности голоса оратора существенно сужается с частотой; прямой звук при распространении вдоль голов сидящих слушателей в значительной степени поглощается, а на высоких частотах начинает влиять также их экранирующее действие.

Рис. а — плоский пол в аудитории, б — ступенчатый подъем слушательских мест

Рис. Особая форма потолка в аудитории

Рис. Специальные отражатели над кафедрой в лекционном зале

лекционных залах обычно обеспечиваются подъем слушательских мест, особая форма потолка для усиления отражений, особенно для задних рядов, а также специальные отражатели над головой оратора. Следует только учесть, что для эффективного отражения звука размер отражающей панели должен быть больше длины волны (для низшей частоты диапазона); в частности, для речи эта частота должна быть не выше 500 Гц и размеры панели не менее 1,35 м. Кроме того, в больших лекционных залах плоскопараллельная форма боковых стен может не обеспечить попадания ранних отражений на всю площадь зрительного зала и быть причиной появления порхающего эха, поэтому часто применяются скошенные боковые стены.

При выборе отражающих материалов и их размещении учитывается, что поверхности, создающие первые отражения (потолок над оратором, нижняя часть боковых стен, передняя стена), должны быть отражающими. Оптимальным материалом при этом является дерево, поскольку материалы с большой добротностью, т. е. малым затуханием, например мрамор, металл и др., могут создавать окрашивание речи. Остальные части поверхности должны быть поглощающими для уменьшения времени реверберации, поэтому используются ковры на полу, мягкие кресла и т. д. В акустически правильно спроектированном лекционном зале лектору и слушателям легко читать и воспринимать лекции и доклады, а при плохой акустике зала звукоусиление может понадобиться даже для маленькой аудитории (до 50 человек).

Акустика залов драматических театров: акустические требования к залам драматических театров существенно отличаются от требований к лекционным залам и аудиториям. Это вызвано следующими основными причинами:

— в театральном действии важно донести не только семантическую, но и эстетическую информацию, что требует точной передачи тембральных характеристик голоса;

— голос актера (профессионально поставленный) позволяет обеспечить больший динамический диапазон (соответственно большую громкость в зрительном зале);

— источники звука (голоса актеров) находятся на сцене, оборудованной декорациями, поэтому часть излучаемой энергии не попадает в зал (поглощается на сцене); кроме того, актеры находятся в движении, поэтому часть энергии также не попадает в зал из-за направленности человеческого голоса;

— драматическое действие часто сопровождается музыкой, что выдвигает дополнительные требования к акустике зала;

— актер должен постоянно находиться в зрительном и слуховом контакте с аудиторией, что накладывает определенные ограничения на размер и акустические параметры зала.

Все эти требования означают, что акустические характеристики зала должны обеспечивать не только достаточно высокий уровень прямого звука и первых дискретных отражений, что важно для хорошей разборчивости речи, но и определенные направления их прихода, от которых зависят такие субъективные критерии, как пространственность и интимность звучания. Кроме того, время реверберации в таких залах должно быть больше, чем в речевых аудиториях, чтобы обеспечить определенную полноту, жизненность и теплоту звучания. Экспериментальные исследования, выполненные в работе [22], показали, что для того чтобы удовлетворить таким противоречивым требованиям, целесообразно сформировать особую структуру реверберационного процесса: уровень сплошных отражений, начинающихся после участка дискретных отражений, должен быть существенно ниже уровня прямого звука, тогда при сохранении достаточно высокой разборчивости речи время реверберации может быть увеличено. Это можно обеспечить за счет хорошего рассеяния звука на завершающем участке реверберационного процесса.

Исходя из этих требований зал драматического театра может быть разделен на две части с разными акустическими параметрами: околосценическую часть (с сильными ранними отражениями)

Рис. Расположение балкона в зале театра

Рис. Различные варианты формы потолков и расположения отражающих панелей в зале театра

и зрительскую часть, обеспечивающую хорошее рассеяние и поглощение звука.

Выбор размеров и формы зала определяется вышеуказанными требованиями: длина зала должна находиться в пределах 26-30 м, для сокращения этого расстояния часто используются балконы и ярусы. При правильном проектировании балконов на них приходит достаточное количество ранних отраженных сигналов, для этого глубина балкона D не должна превышать удвоенной высоты зала Н: D < 2Н. Ширина зала В должна удовлетворять условию 1< L/B < 2, т. е. В ~ 20-22 м. Высота зала обычно составляет 8-14 м: это связано, во-первых, с высотой портала сцены (и устройством осветительной системы), а во-вторых, с обеспечением оптимального времени запаздывания первых отражений от потолка, которое для драматических театров рекомендуется выбирать в пределах 15-20 мс (при этом длина пути отраженного звука будет больше прямого на 5-7 м). Рекомендуется также размещать несколько звукоотражающих панелей на участках потолка, примыкающих к порталу сцены. Используются панели выпуклой формы, чтобы отражения попадали на все места зрительного зала; материал для панелей также должен быть специально подобран, чтобы не вносить окрашивания в звучание (обычно применяется дерево). Размеры панелей должны быть больше длины волны отражаемого звука (для залов сравнительно больших объемов — не менее 5-6 м).

Большое значение для получения сильных первых отражений имеет оборудование сцены. В частности, наличие только мягких декораций увеличивает поглощение звука. Использование твердых (фанерных) декораций, расположенных не слишком далеко от источника звука (не более 7 м), может увеличить уровень полезного сигнала.

Ширина зала и форма боковых стен у сцены имеют также очень большое значение в формировании структуры первых боковых отражений, максимальное время запаздывания от которых не должно превышать 35 мс. Поскольку площадки первых отражений располагаются в основном на 1/3 части боковых стен, форма плана зала может быть трапецеидальной с расширением до 24—26 м. Большое влияние на равномерность прихода первых отражений от боковых стен к зрительским местам оказывают размеры и форма простенков между порталом сцены и боковыми стенами. Если они слишком большие, на некоторых местах образуется «акустическая тень». Таким образом, околосценическая часть зала должна формировать сильные первые отражения, т. е. должна быть отражающей.

Зрительная часть зала должна обеспечивать: требуемое время реверберации, которое для драматических театров составляет Т = 1,35-1,6 мс в зависимости от объема помещения; создание диффузного звукового поля; обеспечение всех зрительских мест достаточным количеством прямой энергии и энергии ранних отражений, пришедших от передней части зала.

Этим условиям удовлетворяют классические залы драматических театров, построенные по ярусной системе, — например зал Александринского драматического театра в Санкт-Петербурге. Пересечение стен ярусами и балконами способствует рассеянию энергии и обеспечивает ее значительное поглощение за счет чередования отражающих (барьеры ярусов) и поглощающих (зрители) полос. При такой системе зрительные залы могут иметь объемы от 4000 до 10000 м³ (в среднем 6000 м³). Объем на одного зрителя составляет V/N ~ 4,5 м³. В залах, построенных по ярусной системе, обычно не требуется дополнительных поглотителей. Общая форма зрительного зала при ярусной системе

Рис. Ярусная система классического драматического театра (продольный разрез зала Александринского театра — XIX в.)

Рис. Зрительный зал современного драматического театра

может быть выбрана достаточно произвольно (прямоугольная, трапецеидальная, овальная), однако она должна способствовать рассеянию звука.

В залах, созданных по другим системам, требуется размещение дополнительных звукопоглощающих материалов и введение звукорассеивающих элементов на стенах и на потолке. Методика расчета необходимого количества и способов размещения поглотителей приведена в работах.

АКУСТИКА СТУДИЙ И КОНТРОЛЬНЫХ КОМНАТ

Как уже было отмечено выше, в 30-е годы XX столетия появился новый тип помещения для записи и обработки звука в связи с развитием звукозаписи, радиовещания, кино и телевидения. В настоящее время все эти направления техники интенсивно развиваются, появляются новые возможности для передачи пространственного звукового образа (системы Surround Sound, бинауральная стереофония и др.), активно внедряются цифровые компьютерные методы обработки звука; соответственно меняются и требования к помещениям для его записи, т. е. к студиям.

Требования к акустическим характеристикам студий различного назначения подробно изложены в международных и отечественных стандартах, например EBUR22-1998, EBU R22-1994, RM-01-93, СНиП2.08.02-89, и многочисленных монографиях и учебниках, среди которых можно выделить книги всемирно известного дизайнера студий звукозаписи Ф. Ньюэлла (Ph. Newell) [60, 61].

В данном разделе будет приведена только краткая информация об основных акустических характеристиках студий и контрольных комнат.

Современные студии, как правило, включают в себя: студийное помещение (зал для исполнения и записи музыки и речи, в котором размещаются микрофоны и исполнители); контрольную комнату, где установлены основные виды аппаратуры для записи и обработки звука (микшерные пульты, контрольные агрегаты, компьютерные рабочие станции и др.) и где находится рабочее место звукорежиссера; техническую аппаратную, в которую выносятся

Рис. Форма помещений современной студии звукозаписи

некоторые виды аппаратуры, например стойки с усилителями и др.

Все студии можно классифицировать:

— по применению — на студии звукозаписи, радиовещательные и телевизионные звуковые студии, тонателье на киностудиях и т. д.;

— по виду используемого для записи звукового материала — на большие музыкальные, камерные, литературно-драматические и речевые;

— по количеству исполнителей, т. е. по объему, — на большие, средние, малые и др.

Классификация студий может быть проведена и по другим критериям.

Объективные акустические параметры студии для записи музыки должны быть выбраны исходя из тех же требований, что и для концертного зала. Первые студии звукозаписи, например в радиодомах и телецентрах Санкт-Петербурга, Москвы и др., строились как большие концертные залы, где была возможность записывать симфонические оркестры. Следовательно, и в студиях должны быть обеспечены все требования, которые были указаны выше для концертных залов, т. е. оптимальное время реверберации в разных частотных диапазонах; однородная структура звукового поля; определенные время, энергия и направление прихода ранних отражений, заданные уровни энергии поздних отражений; требуемый уровень шумов, а также другие объективные параметры, которые важны для слухового восприятия музыкальных и речевых программ. Очень часто одна и та же студия может использоваться для записи речи, музыки разных жанров и т. д., поэтому в ней должна быть предусмотрена возможность перестройки акустических условий. С другой стороны, студии часто строятся специально для записи определенного типа программ: для вокала, речи, камерных ансамблей, электронной музыки и т. д., — соответственно, требования к их акустическим характеристикам должны отличаться.

Обеспечение необходимых параметров, прежде всего оптимального времени реверберации, накладывает определенные ограничения на форму и размер студий. Требования к размерам и времени реверберации студийных помещений для записи (принятые в свое время как отечественные нормы для их технологического проектирования) даны в таблице.

В настоящее время в связи с переходом на пространственные системы звукозаписи и широким использованием электронных инструментов требования к параметрам студий также меняются, разрабатываются новые стандарты и рекомендации, поэтому приведенные соотношения следует рассматривать как ориентировочные и в каждом конкретном случае определять требования в процессе акустической настройки студии.

Объем студии зависит от вида исполняемой музыки и должен выбираться в зависимости от заданного оптимального времени реверберации и от максимального числа размещаемых в ней исполнителей, удельный объем на одного исполнителя должен составлять примерно 10-18 м³.

Запись музыки в студиях малого объема неизбежно приводит к искажению тембра за счет резонансов помещения в слышимой области, нарушению пространственной панорамы и баланса громкости. Минимальный объем студии для записи музыкальных произведений должен быть не менее 200 м³.

Таблица

Студия

Площадь,

м²

Высота,

Оптимальное время реверберации, с

Кол-во

исполни

телей

Открытая для концертных программ в присутствии зрителей

1000

2-2,2

250-500

Большая музыкальная для симфонических оркестров и хоров с присутствием зрителей

1000

250

То же без зрителей

750

150

Средняя музыкальная для симфонических оркестров

350-450

8,5-10

1.5-1,7

40-65

Для эстрадной и джазовой музыки

350-450

9,5-10

0,9-1,1

35-60

Малая музыкальная для записи небольших оркестров и хоров

250-300

8-8,3

0,9-1,1

30-35

Камерная

150

10-15

Большая литератур но-драматическая

150-200

6-6,4

0,8-1

20-30

Средняя литературно-драматическая

100

0,5-0,7

10-15

Речевая

26-30

3,2-3,5

0,4

2-4

Рис. Способы защиты помещения студии от шумов

Контрольная комната — это помещение, где находится рабочее место звукорежиссера и где размещается оборудование: микшерный пульт, контрольные агрегаты, цифровые звуковые станции, процессоры обработки звука, магнитофоны и другая дополнительная аппаратура. Пример размещения оборудования показан на рис. Требования к акустическим характеристикам контрольной комнаты вытекают из обеспечения условий для слухового контроля музыкальных и речевых записей. В настоящее время контрольные комнаты часто используются для непосредственного создания и записи электронной музыки.

Контрольные комнаты должны удовлетворять следующим основным требованиям:

— позволять слышать сухой и чистый звук контрольных агрегатов;

— не вносить существенных искажений в структуру ревербера-ционного процесса студии, где была произведена запись звука;

Рис. Размещение оборудования в контрольной комнате

— обеспечивать возможность звукорежиссеру услышать и сформировать пространственный звуковой образ, который он хочет передать слушателю;

— быть звуконепроницаемыми (изнутри и снаружи) для обеспечения низкого уровня шумов;

— позволять звукорежиссеру видеть музыкантов, т. е. иметь звуконепроницаемое окно в студию.

До недавнего времени в основе акустического проектирования контрольных комнат лежала концепция повторения параметров среднестатистического жилого помещения, т. е. считалось, что звукорежиссер должен находится в условиях, близких к условиям домашнего прослушивания. Среднее время реверберации выбиралось 0,2-0,4 с. Объемы также были небольшими и составляли 30-40 м³. Такие помещения удовлетворительно работали для записи музыки с небольшим динамическим диапазоном. Кроме того, условия реального прослушивания музыкальных и речевых сигналов, переданных по каналам радиовещания, телевидения, звукозаписи и пр., настолько разноообразны, что приведенные выше требования нельзя считать типовыми для жилых помещений.

Следующим этапом явилась концепция построения контрольных комнат, получившая название LEDE (live-dead end), в которой звукорежиссер работал на границе двух сред — «живой» (live) с большим количеством отражений и «мертвой» (dead), свободной от отражений. В основе такого принципа построения контрольных комнат лежали следующие соображения: одним из важнейших критериев качества акустики в помещении является время прибытия ранних отражений, которое должно быть в пределах 20-30 мс после прямого звука. Если в студии при записи обеспечено это требование, то первые отражения в контрольной комнате не должны маскировать их, поэтому полезно переднюю часть контрольной комнаты (стены за контрольными агрегатами, полы и потолки) сделать заглушенными (dead end), а заднюю часть комнаты сделать отражающей (live end). В этом случае структура реверберационного процесса в контрольной комнате должна иметь вид, показанный на рис. Для того чтобы часть комнаты сделать отражающей, на задней стенке и потолке должны устанавливаться различные отражающие конструкции (например, диффузоры Шредера). Такая конструкция комнаты позволяла звукорежиссеру ощущать живые отражения, но вместе с тем звук от студийных агрегатов воспринимался им без искажения, т. к. на прямой звук не накладывались отражения комнаты. Однако такие контрольные комнаты было очень трудно настраивать и, кроме того, возросшие требования к передаче стереопанорамы и расширенного динамического диапазона для цифровых записей требовали снижения уровня реверберационных помех. Целый ряд известных студий (Master Sound Astoria в Нью-Йорке,

Рис. Структура реверберационного процесса в контрольной комнате

Рис. Общий план контрольной комнаты с зоной свободной от отражений (RFZ) и отражающей задней стеной

Red Bus Studios в Лондоне, Winfeld Sound в Торонто и др.) продолжают использовать контрольные комнаты, построенные в такой идеологии, в настоящее время.

В конце 80-х годов была предложена конструкция «бессред-ных» контрольных комнат. Идея их проектирования была предложена Т. Хидпи (Т. Hidley), реализована на многих студиях мира Ф. Ньюэллом (Ph. Newell) и заключается в следующем: все поверхности, в направлении которых излучают студийные контрольные агрегаты, т. е. потолок, задняя стена и боковые стены, делаются звукопоглощающими, а поверхности перед звукорежиссером, т. е. передняя стена и пол, делаются звукоотражающими. Это позволяет звукорежиссерам слышать прямой звук контрольных агрегатов, не окрашенный дополнительными отражениями, и в то же время получать отражения собственных голосов от передней фронтальной поверхности пола и находящегося в комнате оборудования (пульта, компьютеров, стоек и др.). Для обеспечения поглощения звуковой энергии во всем воспроизводимом диапазоне частот (особую проблему представляет обеспечение поглощения на низких частотах) используется новая технология так называемых «звуковых ловушек». Конструкция стены с боковыми ловушками и общий вид «бессредной» контрольной комнаты показан на рис. На определенном расстоянии от главной несущей стены устанавливается дополнительная «диафрагменная» стена, состоящая из деревянной рамы с трехслойным покрытием (гипсовая штукатурка плюс древесно-волокнистая плита и снова гипсовая штукатурка), на котором закрепляется поглотитель из специальной минеральной ваты или синтепона. На некотором расстоянии от нее подвешиваются панели из фанеры, покрытые звукопоглощающим материалом, под углом 45°, на расстоянии 30-46 см друг

Рис. «Бессредная» контрольная комната с ловушками

от друга, общая глубина панелей 0,6-1,2 м. Установленные таким образом панели служат волноводами, поглотителями и рассеивателями для низкочастотных звуковых волн. Поглощение средних и высоких частот обеспечивается традиционными методами и зависит от свойств поглотителя на стене. Измерения процесса реверберации, выполненные в таких комнатах, показали, что в первые моменты времени (до 50 мс) происходит очень быстрое поглощение отраженной энергии, что сохраняет ощущение мельчайших нюансов в звучании контрольных агрегатов (в обычных комнатах они маскируются реверберационным процессом).

Такого типа комнаты потребовали применения контрольных агрегатов с высоким уровнем звукового давления и малыми переходными характеристиками, поэтому часто используются модели агрегатов с рупорными громкоговорителями (например, фирмы JBL).

Контрольные комнаты, построенные в такой идеологии знаменитыми дизайнерами Ф. Ньюэллом и Т. Хидли (более 100 студий в 32 странах мира), показали возможность получения в них записей высочайшего качества с особой прозрачностью звучания, что особенно важно для цифрового звука. Поскольку контрольные комнаты используются теперь и как исполнительские студии для записи электронной музыки, такой принцип их построения лучше соответствут новым требованиям (искусственную реверберацию в них можно вносить электронными средствами).

Уровень шумов в контрольных комнатах не должен превышать NC-25 для обеспечения большого динамического диапазона при записи, что накладывает особые требования к их размещению. Так же как и для студий звукозаписи, проблемы снижения уровня шумов в контрольных комнатах требуют решения сложнейших задач при их конструировании, в том числе при выборе средств звукопоглощения и звукоизоляции.

Широкое внедрение современных пространственных систем звукозаписи изменило и требования к параметрам контрольных комнат. В международных стандартах и рекомендациях: ITU-R BS.775-1, SMPTE RP-173, EBU R22, EBU Tech3276, ITU-R BS.1116-1 и др. — оговариваются размеры и форма контрольных комнат, параметры звукового поля в них, способы расстановки контрольных агрегатов и др. Для контроля качества пространственных звукозаписей требуется установка контрольных агрегатов (например, для системы Surround Sound 5.1) по схеме, показанной на рис.

Эксперименты с выбором оптимальных условий для прослушивания пространственных звуковоспроизводящих систем показали, что общий объем студийных контрольных комнат должен быть не ниже 200 м³, а пропорции должны соответствовать данным в таблице 5.9 с целью обеспечения оптимального распределения резонансных мод в помещении. Форма комнаты должна быть в основном симметричной относительно зоны прослушивания. Расположение звукопоглощающего материала, особенно вокруг громкоговорителей, дверей, окон и технического оборудования, должно быть подобрано так, чтобы избежать любых акустических неоднородностей. Значение времени реверберации Т рекомендуется выбирать в пределах 0,2-0,3 с. Частотная характеристики времени реверберации должна быть постоянной и не иметь резких скачков. Отклонения Т_рев в диапазоне 200 Гц-4 кГц не должны превышать +/-0,05 с, ниже 200 Гц допускаются отклонения на 25% выше среднего значения.

Общие требования к контрольным комнатам для пространственных систем звуковоспроизведения приведены в таблице.

Рис. Расстановка контрольных агрегатов для пространственной звукозаписи по системе SS 5.1

В заключение необходимо подчеркнуть, что требования к акустическим характеристикам студий и контрольных комнат все время возрастают, поскольку они в значительной степени определяют качество музыкальных и речевых программ, поступающих к многомиллионной аудитории с помощью современных средств радиовещания, звукозаписи, телевидения и мультимедиа.

ОБЪЕКТИВНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СУБЪЕКТИВНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПОМЕЩЕНИЯ

Влияние помещения на качество исполнения и восприятия музыки и речи хорошо известно любому исполнителю, лектору и слушателю. Достаточно вспомнить звучание оркестра, хора или органа в хорошем концертном зале или соборе с «прекрасной

Рис. Процесс распространения звука в помещении и структура отраженных сигналов

акустикой» или, наоборот, в помещениях с «плохой акустикой». Влияние помещения на звуковой сигнал можно рассматривать как его обработку особым пространственным фильтром. Помещение производит линейную фильтрацию сигнала, в результате которой меняется его временная структура и АЧХ (следовательно, и его тембр) — а также баланс громкостей, пространственные характеристики и др. Следует отметить, что при обычных уровнях звукового давления (в залах с естественной акустикой) помещение можно рассматривать как линейную систему, однако, как показали последние исследования, в современных залах с мощными системами озвучивания (например, дискотеках) начинают проявляться нелинейные свойства воздушной среды,

Рис. а — временная структура звукового сигнала в помещении; б — форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)

и помещение оказывает влияние на нелинейные характеристики сигнала. Задачи анализа акустики помещений (концертных, театральных залов и др.) включают в себя ряд взаимосвязанных проблем: исследование физических процессов формирования звуковых полей в помещениях различной формы; установление связей объективных акустических параметров с субъективными оценками слушателей; создание методов расчета и проектирования и пр. Все эти проблемы активно исследовались на протяжении длительного периода и находятся в настоящее время на разной стадии изученности.

Просмотров работы: 10891

Код для цитирования:

VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА ПОМЕЩЕНИЙ

Студенческий научный форум - 2015
VII Международная студенческая научная конференция