Введение
Современное проектирование концертных залов, студий звукозаписи и контрольных комнат невозможно без компьютерного моделирования акустических полей и технологии озвучивания виртуальных пространств (англ. - auralization). В данном материале подробно разбираются методы создания виртуального трёхмерного звукового пространства: от расчёта импульсных характеристик помещений до бинаурального прослушивания через передаточные функции головы (англ. - hrtf-фильтры). Также рассматриваются требования к акустике студий (оптимальное время реверберации, ясность, уровень шумов) и контрольных комнат — от классической концепции «живой конец — мёртвый конец» (англ. - lede) до современных «бессредных» помещений для пространственных систем звукозаписи (система объёмного звучания, англ. - surround sound 5.1). Материал будет полезен звукорежиссёрам, архитекторам, акустикам и специалистам в области мультимедиа.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКУСТИКИ ПОМЕЩЕНИЙ. ОЗВУЧИВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРОСТРАНСТВ (англ. - auralization)
Как уже было сказано выше, проектирование помещений (концертных и театральных залов, кинозалов, аудиторий и др.) с хорошей акустикой остается в значительной степени искусством на научной основе. Необходимо отметить, что на протяжении столетий это было прежде всего искусством, и только в последние годы в связи с развитием компьютерных технологий появилась серьезная научная база для этого процесса.
Для акустического проектирования в 60-е годы XX века был создан метод трёхмерного масштабного моделирования [22], заключающийся в том, что создавалась уменьшенная модель помещения в масштабе 1 : m (например, 1 : 40) со всеми архитектурными деталями и размещением звукопоглощающих материалов на поверхности, при этом выбирался источник звука с увеличенной в соответствующее число раз (m) частотой. Обычно использовался импульсный источник с последующей фильтрацией в заданной частотной области. Для записи применялся миниатюрный микрофон. На таких уменьшенных моделях производились предварительные измерения времени реверберации, структуры отражений и пр., и выбиралось оптимальное расположение архитектурных элементов и звукопоглощающих материалов. Такой метод использовался, в частности, при проектировании Кремлёвского дворца съездов в Москве, Большого концертного зала «Октябрьский» в Санкт-Петербурге и др. Метод чрезвычайно трудоёмкий и недостаточно точный, поскольку возникают трудности при создании детальной модели помещения и, кроме того, анализ процессов в высокочастотной области трудно сделать адекватным процессу реверберации в полном частотном диапазоне.
Развитие техники компьютерной обработки звука и накопление информации по связи субъективных оценок качества звука и объективных параметров звукового поля в помещении привело к принципиально новому этапу — созданию техники компьютерного моделирования акустики помещений, которая получила название «озвучивание виртуальных пространств (англ. - auralization)».
Термин «озвучивание виртуальных пространств (англ. - auralization)» появился несколько лет тому назад и ещё не определился окончательно. Определение его дал М. Кляйнер (М. Kleiner) (по аналогии с термином «визуализация») на конгрессе Общества звукотехники (англ. - aes) в 1989 году: «озвучивание виртуальных пространств (англ. - auralization) — процесс превращения (путём физического или математического моделирования) в „слышимый звук“ звукового поля источника в помещении с учётом бинауральных свойств слуховой системы».
Этой проблеме уделяется в настоящее время очень большое внимание: опубликовано много научных статей и докладов [36, 37, 52, 53, 54]; разработаны специальные пакеты программ для реализации этого метода; появились фирмы, которые специализируются на создании и внедрении таких программных продуктов, например фирма Odeon (англ. - odeon), которая предложила своё определение этой технологии: «озвучивание виртуальных пространств (англ. - auralization) — искусство создания цифровых моделей бинауральных записей в помещениях, которые ещё не построены».
Нужно сказать, что трёхмерное визуальное пространство уже удалось создать раньше (что нашло широкое применение в компьютерных играх, видеоклипах, системах обнаружения и др.), моделирование трёхмерного звукового пространства является следующим необходимым этапом для воссоздания «пространственного виртуального мира».
Задача заключается в том, чтобы музыкальный сигнал после его компьютерной обработки слушатель воспринимал так же, как если бы он слушал музыку в реальном концертном зале (находясь при этом в любом другом помещении). По существу, проблема состоит в формировании субъективного ощущения виртуального трёхмерного звукового пространства (рис. 5.3.1).
Как уже было рассмотрено в главе 3, только два физических параметра сигнала воспринимаются слуховой системой — интенсивность (т. е. энергия или звуковое давление) и время — начало и конец сигнала и его повторяемость во времени (периодичность или частота).
Рис. 5.3.1. Создание «слухового ощущения» трёхмерного пространства (передаточные функции головы) (англ. - hrtf-фильтры)
Всё остальное, что человек воспринимает (ощущает) в звуковом сигнале — громкость, высота, тембр, звуковое пространство, тонкие музыкальные нюансы и др., — это результат обработки его слуховым аппаратом и мозгом.
Когда слушатель воспринимает звук в помещении, имеют место следующие процессы: музыкальный инструмент (или оркестр), голос или др. создают определённый акустический сигнал, который представляет собой некоторую звуковую волну с определённой зависимостью звукового давления от времени p(t). Пример осциллограммы звучания мужского голоса при произнесении слова «sound», записанной в заглушенной камере, показан на рис. 5.3.2. Затем этот сигнал определённым образом обрабатывается помещением (например, концертным залом) за счёт отражений звуковых волн, процессов затухания, дифракции и т. д. Если рассматривать помещение как линейный фильтр, который имеет свои импульсные характеристики p_пом(t), то в каждой i-й точке пространства суммарный сигнал получается как «свёртка» (англ. - convolution) сигнала источника и характеристики помещения. Этим термином называется результат обработки одного сигнала другим, например в данном случае: p_i(t) = p_i ⊗ p_пом = ∫ p_i(t) p_пом(t−τ) dτ.
Наконец, голова и слуховые раковины производят свою обработку звукового сигнала (см. гл. 3). В результате, получив такую информацию от периферической слуховой системы, мозг определяет параметры помещения, свойства и место расположения источника (музыка, речь, шум) и др., что и создаёт ощущение трёхмерного звукового пространства.
Таким образом, чтобы вызвать у слушателя такие же ощущения, как в естественном концертном зале, надо проделать следующие операции: записать оригинальный звуковой источник, изменить программно его импульсную характеристику (или спектр) так, как это делает заданное помещение (концертный зал, собор или аудитория), а затем произвести его фильтрацию аналогично тому, как это происходит на ушных раковинах и голове. После того как это сделано, можно воспроизвести эти сигналы через стереотелефоны и получить ощущение нахождения в реальном трёхмерном акустическом пространстве вместе с источником звука (певцом, музыкантом, оркестром) (рис. 5.3.1).
Следовательно, процесс формирования звуковых сигналов при озвучивании виртуальных пространств (англ. - auralization) проходит следующие последовательные стадии:
монофоническая (моноауральная) запись источника звука: обычно начальные записи делают в заглушенной камере, но это допустимо и в полузаглушенных помещениях, если запись делается там, где отражения не являются определяющими. Расстояние при записи выбирается обычно 1 м на оси. Уровень записи должен соответствовать среднему уровню данного источника звука при естественном звучании: голос, отдельный инструмент, оркестр и т. д. Допускается использование синтезированных музыкальных записей, а также различных банков образцов (англ. - samples). Это даёт возможность прослушать, как в данном помещении (существующем или желаемом) будут звучать различные виды музыки;
создание компьютерных моделей звукового поля в помещении: как было показано в разделах 5.1 и 5.2, при прослушивании любого звукового источника в помещении к слушателю поступает прямой звук и его многочисленные отражения от стен, потолка, пола и др. Для расчёта структуры этих отражений в помещениях различной формы и размеров, с различными поглощающими или отражающими материалами и конструкциями, мебелью, элементами декораций и др. используются пакеты программ, построенные как на приближённых методах геометрической акустики (лучевой метод или метод мнимых источников), так и на более точных методах волновой акустики (метод конечных элементов, метод граничных элементов) [37–39]. Применение этих пакетов позволяет рассчитать импульсные характеристики помещения (т. е. реакцию помещения на воздействие короткого импульсного сигнала) в любой точке помещения (рис. 5.3.3) или его спектральные характеристики, т. е. распределение различных форм (мод) колебаний в пространстве (рис. 5.1.12). Через преобразование Фурье они пересчитываются друг в друга (см. гл. 2).
Рис. 5.3.3. Пример импульсной характеристики помещения
Таким образом, для определения импульсных характеристик помещения можно произвести их измерения микрофоном в разных точках пространства, если производится исследование уже существующего зала; а можно, задав геометрические размеры помещения, поглощающие свойства его стен, потолков и др., рассчитать их для любой точки, в том числе для ещё проектируемого помещения, т. е. построить его компьютерную модель (что и делается в программах CATT (англ. - catt), ODEON (англ. - odeon) и др.);
определение бинауральных импульсных характеристик помещения (англ. - brir): после того как звуковой сигнал, созданный источником звука, «обработан» помещением (т. е. к прямому сигналу добавлены его отражения), он обрабатывается двумя слуховыми приёмниками (ушными раковинами). Затем он поступает на барабанную перепонку и проходит дальнейшие стадии обработки в периферической слуховой системе и в высших отделах мозга.
Импульсные характеристики, которые получаются на входе левого и правого слухового канала, называются бинауральными импульсными характеристиками помещения (англ. - binaural room impulse response, brir). Эти функции несут в себе всю необходимую информацию о положении и свойствах источника звука, свойствах помещения и свойствах приёмника звука (т. е. о всех процессах обработки звука, которые происходят на голове, в ушных раковинах и др.).
Для того чтобы описать свойства приёмника, т. е. головы и ушных раковин, используются или импульсные характеристики слуховой системы, или её передаточные функции — передаточные функции головы (англ. - hrtf-фильтры) (т. е. амплитудно- и фазочастотные характеристики — АЧХ и ФЧХ), которые связаны друг с другом через преобразование Фурье.
Для определения передаточных функций обычно используют библиотеки уже выполненных измерений АЧХ и ФЧХ внутри слухового канала на моделях «искусственной головы» в заглушенной камере при разном расположении источника вокруг неё (рис. 5.3.4). Вид передаточных функций существенно меняется (особенно в области частот от 5 до 16 кГц) в зависимости от положения источника в вертикальной, горизонтальной плоскости и от перемещения по глубине по отношению ко входу в левый и правый слуховой канал (т. е. ушные раковины, голова и торс действуют как частотно-зависимые дифракционные фильтры).
Рис. 5.3.4. Измерение передаточных функций (англ. - hrtf-фильтров) на модели «искусственной головы»
В результате для воссоздания «пространственного звукового образа» необходимо ввести в компьютер следующую информацию:
выбор источника сигнала — музыка, речь, пение или др. (записанные в полузаглушенном или заглушенном помещении или синтезированные);
выбор помещения, в котором хотелось бы послушать этот источник звука; при этом могут быть заданы параметры известного помещения (концертного зала, собора, комнаты или др.) или помещения, которое ещё предстоит построить;
положение источника звука в нём (на сцене, на полу, в любой другой точке);
положение слушателя в определённом месте помещения (в партере, на балконе и т. д.).
Для реализации «виртуального звукового образа» на компьютере созданы специальные пакеты программ (наиболее известны программы ODEON, CATT (англ. - odeon, catt) и др.), которые последовательно выполняют следующие операции:
вводят свойства источника звука (из библиотеки записанных или синтезированных звуков в монофоническом варианте);
производят расчёт структуры звукового поля в заданном помещении и вычисляют его импульсную характеристику в заданных точках расположения правого и левого уха слушателя;
используют значения передаточных функций головы (англ. - hrtf-фильтров) из заранее составленной библиотеки, соответствующие данному положению источника и слушателя; из них получают импульсные характеристики (англ. - brir);
производят последовательную «свёртку» (англ. - convolution) сигнала источника с импульсными характеристиками помещения и импульсными характеристиками головы.
Полученные стереосигналы подают на телефоны, что даёт возможность слушателю почувствовать, что он находится внутри зала на определённом месте и звук окружает его со всех сторон. При смене положения слушателя или источника происходит пересчёт передаточных функций.
Как уже было показано в разделе главы 3, посвящённом бинауральному слуху, для слуховой системы существует несколько наиболее важных признаков, по которым она определяет пространственное положение источника. Для локализации в горизонтальной плоскости основное значение имеет разница по времени прибытия сигнала на правое и левое ухо (англ. - itd) и разница по интенсивности за счёт дифракции на голове (англ. - iid); для определения глубины — разница в уровнях звукового давления (изменение громкости), изменение отношения энергии прямых и отражённых сигналов в помещении и др.; для локализации в вертикальной плоскости — различия в форме АЧХ и ФЧХ из-за дифракции на ушной раковине.
Измеренные значения передаточных функций несут в себе всю необходимую для слуховой системы информацию о локализации источника. Разумеется, эти значения передаточных функций выбираются для некоторых усреднённых параметров головы и ушных раковин, что вносит определённую погрешность, т. к. каждый человек имеет некоторые индивидуальные особенности, но, во-первых, экспертиза показала, что погрешности не слишком велики, а во-вторых, уже созданы компьютерные модели ушной раковины, в которых можно учесть индивидуальные параметры слушателя.
Рис. 5.3.5. Алгоритм обработки звука при озвучивании виртуальных пространств (англ. - auralization)
Таким образом, алгоритм обработки звука должен включать последовательный ряд следующих операций (рис. 5.3.5): монофоническая запись, расчёт структуры реверберационного процесса (в том числе структуры ранних отражений), расчёт локализации в вертикальной плоскости (с учётом дифракции на ушной раковине), расчёт локализации по глубине (за счёт изменения громкости и уровня реверберации), расчёт азимутальной локализации (временной и интенсивностной), выход на левый и правый каналы стереотелефонов.
Техника озвучивания виртуальных пространств (англ. - auralization) стремительно развивается: уже созданы программы, учитывающие движения головы (система BRS (англ. - brs)), которые позволяют при поворотах или подъёме головы пересчитать соответствующие параметры и дают возможность услышать в наушниках, как соответственно перемещается источник звука в пространстве. Для этого нужен постоянный мониторинг (система обратной связи), который отслеживает движение головы и пересчитывает соответствующие бинауральные импульсные характеристики. Существуют разные системы обратной связи, с помощью которых это можно делать, — от простейших инфракрасных датчиков, с использованием которых уже давно выпускаются стереотелефоны, до сложных и дорогостоящих систем обратного контроля.
Для перехода от прослушивания через стереотелефоны к прослушиванию через акустические системы необходимо решить ещё несколько дополнительных проблем: во-первых, вторичное помещение накладывает своё реверберационное поле, что в данном случае является помехой, т. к. вся необходимая информация о помещении уже закодирована в сигнале; во-вторых, сигналы от левого канала попадают не только на левое ухо, но и на правое, т. е. возникают перекрёстные связи, которые разрушают звуковой образ. В настоящее время активно развивается техника бинауральной стереофонии, в которой необходимо решение таких же проблем. За последние годы разработаны различные методы проектирования бифонических процессоров, которые реализуют подавление перекрёстных связей, и адаптивных процессоров, которые могут подавлять отражения во вторичном помещении. Проблема расширения зоны прослушивания остаётся пока нерешённой, удаётся получить пространственный эффект только для ограниченной позиции слушателей. Прогресс в решении этой проблемы позволит обеспечить в будущем возможность прослушивания бинауральных сигналов через акустические системы. При этом достаточно будет двух акустических систем на левый и правый канал для воссоздания трёхмерного пространственного звукового образа.
Новую технологию компьютерного моделирования пространственных звуковых полей — озвучивание виртуальных пространств (англ. - auralization) — несомненно ожидает много применений:
в архитектурной акустике — для оценки акустических свойств различных существующих залов и моделирования ещё не построенных помещений; для оценки влияния различных звукопоглощающих конструкций на качество звучания, в том числе и в студиях звукозаписи; для проектирования систем звукоусиления и др.;
в технике звукозаписи — в создании новых пространственных эффектов, совершенствовании систем пространственной звукопередачи и др.;
в системах мультимедиа — для создания аудио-, видео-, виртуальных пространств;
в практике обучения исполнителей (музыкантов, певцов и др.), в том числе для получения возможности предварительного прослушивания различных видов исполнения в залах с разной акустикой;
в постановке научных экспериментов, в частности в психоакустике, в системах обнаружения и распознавания различных источников сигнала в пространстве.
По мере развития аурализации, несомненно, появятся её новые применения.
5.5. 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 объёмного звучания, 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 EBU R22-1998, EBU R22-1994, RM-01-93, СНиП 2.08.02-89, и многочисленных монографиях и учебниках [22, 23, 24, 40, 44, 47, 56, 58, 59, 62], 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 (рис. 5.5.1): 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 (смесительные пульты, контрольные агрегаты, компьютерные рабочие станции и др.) и где находится рабочее место звукорежиссёра; техническую аппаратную, в которую выносятся некоторые виды аппаратуры, например стойки с усилителями и др.
Рис. 5.5.1. Типовая структура современной студии звукозаписи
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 объёму, — 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; определённые 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 (см. раздел 5.1). 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 определённого 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 определённые ограничения на форму и размер студий. Требования к размерам и времени реверберации студийных помещений для записи (принятые в своё время как отечественные нормы для их технологического проектирования) даны в таблице 5.5.1 [21].
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 приведённые соотношения следует рассматривать как ориентировочные, и в каждом конкретном случае определять требования в процессе акустической настройки студии.
Объём 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 объём на одного исполнителя должен составлять примерно 10–18 м³.
Запись музыки в студиях малого объёма неизбежно приводит к искажению тембра за счёт резонансов помещения в слышимой области, нарушению пространственной панорамы и баланса громкости. Минимальный объём студии для записи музыкальных произведений должен быть не менее 200 м³.
Таблица 5.5.1 (см. оригинал: оптимальное время реверберации, объём, пропорции для разных типов студий)
Форма студии имеет существенное значение для обеспечения структуры ранних (в первую очередь боковых) отражений и однородности (диффузности) звукового поля, что очень важно для качественной записи звука. Поэтому большие студии очень часто делаются непрямоугольной формы; примером может служить форма студийного помещения на рис. 5.5.1. Студии средних и малых размеров чаще имеют прямоугольную форму, при этом выбор их пропорций желательно делать соответственно правилу H = 0,62 ∛V, B = ∛V, L = 1,62 ∛V, что примерно соответствует данным в таблице 5.5.1. Для любых, даже малых размеров студии высота потолков должна быть не менее 3 м.
Среди объективных параметров, определяющих звуковое поле в студии, важнейшим безусловно является оптимальное время реверберации (T_опт). Как видно из таблицы 5.5.1, оптимальное время реверберации в студии зависит от вида исполняемых программ и от объёма помещения: например, для симфонической музыки T_опт = 2–2,2 с; для эстрадной и джазовой музыки T_опт = 0,9–1,1 с и т. д. Для художественной передачи речи оптимальное время реверберации в студии с объёмом 200 м³ находится в пределах 0,8–1,0 с. В речевых студиях для передачи информационных программ время реверберации не должно быть более 0,4–0,5 с.
На рис. 5.5.2 приведены оптимальные значения времени реверберации студий для частоты 500 Гц в зависимости от их объёма. Приведённые на рис. 5.5.2 данные следует рассматривать как минимальные значения T_опт. Экспериментальные зависимости оптимального времени реверберации в различных студиях от их объёма можно приближённо описать следующими соотношениями [21]:
T_опт = 0,37 lg V − 0,46 (для музыкальных студий), T_опт = 0,29 lg V − 0,32 (для речевых студий).
Эти зависимости дают ошибку не более 10% (см. рис. 5.5.2). В основной части диапазона оптимальное время реверберации должно быть постоянным (допускается отклонение не более 10%).
Рис. 5.5.2. Оптимальное время реверберации для студий различного объёма (а) и допуски на T_опт в зависимости от частоты (б). Штриховой линией обозначена приближённая аналитическая зависимость.
На низких частотах возможно некоторое повышение T_опт для музыки (примерно на 20%) (рис. 5.5.2б). Для больших студий время реверберации с учётом затухания в воздухе на частоте 8000 Гц не должно быть менее 1 с. Кривая (1) допустимой зависимости T_опт от частоты показана на рис. 5.5.2б. Для речевых студий T_опт может иметь некоторый спад на низких частотах для увеличения разборчивости и спад на высоких (свыше 5000 Гц) до 30% (кривая 2, рис. 5.5.2б). Методика расчёта времени реверберации в студийных помещениях приведена в работе [62].
Поскольку, как уже было отмечено выше, в одних и тех же студийных помещениях приходится записывать различные музыкальные и речевые программы, проблема состоит в том, что в них должна быть предусмотрена возможность перестройки акустических условий для обеспечения различных значений оптимального времени реверберации. С этой целью в студиях используются звукопоглощающие конструкции, которые могут сравнительно легко и быстро вводиться в действие или выводиться из него, например резонансные щиты (щиты Бекеши), рассеиватели (диффузоры Шредера, жалюзи), вращающиеся колонны с различным размещением поглощающего материала и т. д. [22]. Широко применяются устройства искусственной реверберации, в том числе цифровые ревербераторы, реализуемые как программным путём, так и с помощью специальных приборов. Можно менять время эквивалентной реверберации, подбирая расстояние между источником звука и микрофонами [23].
Кроме обеспечения оптимального времени реверберации T_опт, принципиально важным параметром для студий является «ясность» (или «чёткость») C_80 для музыки и разборчивость для речи. Пределы изменения C_80 для студий, предназначенных для записи классической музыки, составляют (4 ± 2) дБ, а для романтической — [46]. Разборчивость речи для театрально-драматических и речевых студий должна быть не менее 90% (слоговая), отличным считается значение 96%. Остальные параметры (интимность, пространственность, полнота и др.) должны находиться в пределах, полученных Беранеком для хороших концертных залов (см. раздел 5.2).
Уровень шумов (как внутренних, так и внешних) в студии в соответствии с международными рекомендациями должен быть равен NC-25 (форма кривых NC показана на рис. 5.1.19), что чрезвычайно трудно реализовать. Это требует размещения студии в достаточно тихой части здания; применения специальных мер при строительстве для обеспечения звукоизоляции и виброизоляции помещения: двойных стен и дверей, «плавающих» конструкций пола, подвесных стен и потолков, специальных глушителей для вентиляционных систем и т. д. (рис. 5.5.3; подробнее об этом можно узнать в работах [28, 60, 61]).
Рис. 5.5.3. Способы защиты помещения студии от шумов
Контрольная комната — это помещение, где находится рабочее место звукорежиссёра и где размещается оборудование: смесительный пульт, контрольные агрегаты, цифровые звуковые станции, процессоры обработки звука, магнитофоны и другая дополнительная аппаратура. Пример размещения оборудования показан на рис. 5.5.4. 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.
Рис. 5.5.4. Пример размещения оборудования в контрольной комнате
Контрольные комнаты должны удовлетворять следующим основным требованиям [60, 61]:
позволять слышать сухой и чистый звук контрольных агрегатов;
не вносить существенных искажений в структуру реверберационного процесса студии, где была произведена запись звука;
обеспечивать возможность звукорежиссёру услышать и сформировать пространственный звуковой образ, который он хочет передать слушателю;
быть звуконепроницаемыми (изнутри и снаружи) для обеспечения низкого уровня шумов;
позволять звукорежиссёру 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 звукорежиссёр должен находиться в условиях, близких к условиям домашнего прослушивания. Среднее время реверберации выбиралось 0,2–0,4 с. Объёмы 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 разнообразны, что приведённые выше требования нельзя считать типовыми для жилых помещений.
Следующим этапом явилась концепция построения контрольных комнат, получившая название «живой конец — мёртвый конец» (англ. - lede), в которой звукорежиссёр работал на границе двух сред — «живой» (live) с большим количеством отражений и «мёртвой» (dead), свободной от отражений [40, 44, 60, 61]. 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. 5.5.5. Для того чтобы часть комнаты сделать отражающей, на задней стенке и потолке должны устанавливаться различные отражающие конструкции (например, диффузоры Шредера) (рис. 5.5.6). Такая конструкция комнаты позволяла звукорежиссёру 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.
Рис. 5.5.5. Структура реверберационного процесса в контрольной комнате
Целый ряд известных студий (Master Sound Astoria в Нью-Йорке, 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 «бессредных» контрольных комнат. Идея их проектирования была предложена Т. Хидли (T. Hidley), реализована на многих студиях мира Ф. Ньюэллом (Ph. Newell) и заключается в следующем [60, 61]: все поверхности, в направлении которых излучают студийные контрольные агрегаты, т. е. потолок, задняя стена и боковые стены, делаются звукопоглощающими, а поверхности перед звукорежиссёром, т. е. передняя стена и пол, делаются звукоотражающими. Это позволяет звукорежиссёрам 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 всём 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. 5.5.7. На определённом расстоянии от главной несущей стены устанавливается дополнительная «диафрагменная» стена, состоящая из деревянной рамы с трёхслойным 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 неё подвешиваются панели из фанеры, покрытые звукопоглощающим материалом, под углом 45°, на расстоянии 30–46 см друг 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 отражённой энергии, что сохраняет ощущение мельчайших нюансов в звучании контрольных агрегатов (в обычных комнатах они маскируются реверберационным процессом).
Рис. 5.5.7. «Бессредная» контрольная комната с ловушками
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 (англ. - jbl)) (см. гл. 6).
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 соответствует 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 [28, 40].
Широкое внедрение современных пространственных систем звукозаписи (см. гл. 6) 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 объёмного звучания 5.1 (англ. - surround sound 5.1)) по схеме, показанной на рис. 5.5.8.
Рис. 5.5.8. Схема расстановки контрольных агрегатов для системы объёмного звучания 5.1 (англ. - surround sound 5.1)
Эксперименты с выбором оптимальных условий для прослушивания пространственных звуковоспроизводящих систем показали, что общий объём студийных контрольных комнат должен быть не ниже 200 м³, а пропорции должны соответствовать данным в таблице 5.5.2 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 T рекомендуется выбирать в пределах 0,2–0,3 с (см. табл. 5.5.2). Частотная характеристика времени реверберации должна быть постоянной и не иметь резких скачков. Отклонения T 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 5.5.2.
В заключение необходимо подчеркнуть, что требования к акустическим характеристикам студий и контрольных комнат всё 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.
Вывод
Технологии озвучивания виртуальных пространств (англ. - auralization) и компьютерного моделирования акустики помещений открывают новые возможности для архитекторов и звукорежиссёров: теперь можно «услышать» концертный зал или студию ещё до их строительства, подобрать оптимальное время реверберации, форму помещения, расположение отражающих и поглощающих панелей. Для студий звукозаписи и контрольных комнат решающее значение имеют не только классические параметры (T_опт, C_80, уровень шумов), но и современные концепции — «живой конец — мёртвый конец» (англ. - lede) и «бессредные» комнаты, обеспечивающие прозрачность мониторинга. С переходом на пространственные форматы (система объёмного звучания 5.1, англ. - surround sound 5.1) требования к контрольным комнатам ужесточаются: объём не менее 200 м³, симметрия, постоянство реверберации в широком диапазоне частот. Следование изложенным рекомендациям позволяет создавать акустически совершенные помещения — от концертных залов до домашних студий.
