Студии: акустика, проектирование, обработка и амбиофония

Введение

Проектирование радио- и телевизионных студий требует комплексного подхода: от выбора места строительства и борьбы с внешними шумами до расчёта времени реверберации и акустической обработки стен. В данном материале рассматриваются классификация студий (речевые, музыкальные, общего назначения), оптимальные параметры реверберации (0,25–1,4 с в зависимости от объёма и назначения), методы звукоизоляции (плавающие полы, двойные стены, специальные окна), а также современные технологии изменения акустики — амбиофония, резонаторы Гельмгольца, мембранные и мягкие поглотители. Статья будет полезна звукорежиссёрам, архитекторам, инженерам вещания и всем, кто занимается строительством или модернизацией студийных помещений.

СТУДИИ

В этой главе описаны студии, их назначение и устройство. Рассмотрены их акустика и обстановка, которая влияет на неё. В главе описаны как радио-, так и телевизионные студии. Киностудии устроены аналогично, но они обычно проще телевизионных, так как продукция последних более дорога и требует больших капиталовложений в аппаратуру и рабочее пространство.

Сколько должно быть студий и каких?

Прежде чем рассматривать планировку студий, необходимую для выполнения её функций, рассмотрим сначала, что необходимо для стран, регионов или городов, различных по своим масштабам. Без учёта этого мы не сможем решить, должна ли студия отвечать общим универсальным требованиям или можно спроектировать студию для специальных целей.

Затраты на телевидение таковы, что количество студий, которые можно построить для обслуживания определённой численности населения, очень ограниченно. Если взять за основу численность населения региона, равную 5–8 млн человек, то для его обслуживания достаточно двух конкурирующих между собой телецентров с тремя студиями в каждом: для основной продукции (включая драматические постановки), общего назначения (включая развлекательные программы с аудиторией), для речевых программ (новостей и реклам).

Вне студий находятся помещения, где устанавливается оборудование обработки и передачи сигналов.

Для менее населённого региона могут быть две или даже одна студия. В меньшей степени будет использоваться и оборудование, поэтому частично студия может применяться для различных целей, являясь как бы киностудией, оборудованной и для телевидения, с оснащением её передвижной телевизионной станцией с телекамерами, видеомагнитофоном или радиорелейными линиями. Такого студийного центра самого по себе недостаточно, поэтому в своих передачах используются материалы и фильмы из общей сети страны, если только особые условия не потребуют, чтобы большую часть времени занимали местные, менее дорогостоящие программы.

Для городов с населением около одного миллиона достаточно радиоцентра с одной студией (или двух для конкуренции). Эти студии обычно малы и имеют лишь две-три постановочные площадки средних размеров.

Для населения таких стран, как Великобритания или США, достаточно содержать три-четыре национальные сети. В главных студийных центрах имеется целый ряд больших студий и более разнообразных по назначению, чем для отдельного региона. В очень больших городах с пригородами целесообразно иметь как сетевые центры, так и небольшие местные станции, в особенности если малые станции специализируются на передачах для национальных меньшинств, обычно не обслуживаемых в главных сетевых программах.

На радио, которое в большинстве стран находится в тени телевидения, ситуация более запутанная. В США радиостанция существует на 25–30 тыс. человек. Многие, а точнее большинство из них, работают на очень небольшую аудиторию и существуют только за счёт проигрывания грампластинок. В частности, станции «хорошей музыки» работают при очень малых затратах на свою деятельность. Студия такой небольшой станции — это очень маленькая акустически изолированная комната, в которой установлены микрофон, проигрыватели и магнитофоны (часто кассетные).

Но возвращаясь вновь к региону с численностью населения 5–8 млн человек, можно сказать, что при таком числе слушателей может быть полный набор студий для всех возможных функций, которые осуществляются на современном радио. В США, где радиовещание более ограничено, их меньше, чем в Великобритании, где региональный центр может иметь следующие студии: только речевые (несколько); для поп-музыки; для лёгкой и оркестровой музыки; для эстрадных концертов с публикой; общего назначения, включая драматические произведения и игровые образовательные программы.

Регионы с меньшим населением (100 тыс. – 1 млн человек) могут обладать мощными, хотя и ограниченными по возможностям радиостанциями. Население целой страны при этом может обладать сетью такого же количества станций, как и телевидение (в США они более рассеяны, чем в Великобритании, где такие радиостанции охватывают почти всё население). Би-Би-Си располагает приблизительно 60 радиостудиями только в одном Лондоне, хотя многие из них предназначены для вещания на зарубежные страны. Некоторые из них весьма специализированы, например, одна из студий акустически приспособлена для выпуска основных немузыкальных программ стереовещания, несмотря на то, что такая продукция не является широко распространённой.

Проектирование студии, борьба с шумом

При проектировании или выборе здания для радио- или телевизионных студий необходимо с самого начала руководствоваться следующими положениями:

• не строить здание вблизи аэропорта;

• стиль постройки выбирать массивный, старомодный;

• использовать в шумном центре города помещения, окружающие основную студию, в качестве буфера; помещения, расположенные по периметру студии, могут быть любой удобной формы, при этом студия должна быть изолирована от шумов этих помещений;

• для строительства студии следует выбирать место с твёрдым грунтом;

• если радиостудию нельзя построить на твёрдом грунте, то конструктивные элементы студии: бетонный пол, стены и крышу — изолируют резиной или другими подходящими материалами с резонансной частотой примерно 10 Гц (обычная стеклоткань толщиной 2,5 см резонирует при частоте около 100 Гц). Можно также использовать другие методы;

• следует учитывать шум воздуха в вентиляции. Вентиляционные трубы низкого давления довольно широки и могут вызывать резонансные явления, которые должны быть сведены на нет при проектировании. Их решётки могут также вызвать завихрения воздуха и, следовательно, шум. Вентиляционные трубы также требуют специальных акустических мер для ослабления передачи звука от одного места к другому;

• использовать высокоскоростные системы вентиляции для предотвращения шума, вызываемого воздухом. Но они требуют тщательной планировки и продуманной конструкции, особенно в местах, где воздух входит в студию и выходит из неё;

• следует применять двойные двери с герметическим уплотнением и прессовым замком;

• предусматривать специальные отверстия для кабелей в конструкции студии и делать их как можно меньшими. Такие отверстия нельзя сверлить произвольно;

• изготовлять окна между студией и помещением звукорежиссёра двойными, со стёклами различной толщины (например, 6 и 7 мм). Вопреки предположению, параллельность стёкол не играет никакой роли. Более тщательная изоляция, чем здесь описана, не нужна, так как высокие уровни звука существуют по обе стороны этих окон;

• окна, выходящие на территорию студии или в комнаты прослушивания, должны быть тройными, особенно если при записи предусмотрено включение контрольного громкоговорителя. Меры по предотвращению конденсации влаги в таких окнах необходимы только в том случае, когда окна выходят наружу и может создаваться большая разность температур;

• любые шумящие механизмы следует располагать в конструктивно отдельном помещении и монтировать их на антивибрационных основаниях.

Таким образом, шумы в студии можно разделить в первом приближении на три вида:

• шумы, проникающие в студию из внешнего пространства;

• шумы, возникающие в студии из-за возбуждения в ней колебаний, определяемых её конструкцией;

• шумы, создаваемые какими-либо механизмами студии: вентиляцией, отоплением, освещением и т. п.

Шумы первого вида связаны со звукоизоляцией студии, которая оценивается по ослаблению звука, попадающего на студию снаружи. Шумы второго и третьего видов оцениваются по их уровню над порогом слышимости, хотя характер таких шумов может быть самым различным — от едва заметного звукового фона студии до резких резонансных колебаний определённых частот.

Даже признанные специалисты могут допускать ошибки. Так, у Би-Би-Си были проблемы со студиями, расположенными в подвале здания неподалёку от линии метро. Расчёты шума конструкции студии, плавающей на резиновой подушке, оказались ошибочными на 10 дБ, и пришлось просто смириться с шумом и ждать применения бесстыковых рельс. Рекомендуемые массивные конструкции зданий могут быть более дорогостоящими, чем обычные, но усовершенствованные. Так, увеличение вдвое толщины кирпичной стены с 10 до 20 см даёт выигрыш в подавлении посторонних шумов только на 5 дБ.

Минимальная толщина крыши телевизионной студии составляет около 25 см, что даёт среднее ослабление для однослойной конструкции в 60 дБ в диапазоне 100–3200 Гц. Исследования Би-Би-Си показывают, что для ослабления рева реактивного самолёта, летящего на высоте около 300 м, минимальное ослабление должно составлять 65 дБ. Даже низколетящие вертолёты (при условии, что они не садятся на крышу студии) представляют собой меньшую помеху, чем это. Сверхзвуковые самолёты, производящие звуковой удар с дополнительным давлением в 8 г/см², требуют ослабления в 70 дБ, особенно на низких частотах. Поскольку для надёжного ослабления всегда желательна двухслойная конструкция, то разумнее принять и более высокие нормы на ослабление шума — 70, а не 60 дБ. Конечно, это скажется на здании, которое должно стать несколько тяжелее, чем при однослойной конструкции с ослаблением в 60 дБ.

В качестве эксперимента Би-Би-Си проводила субъективные испытания влияния шумов самолётов, ослабленных крышами различной конструкции. Шумы добавлялись в телевизионную программу в спокойные и напряжённые моменты действия. В тех случаях, когда передавалась историческая драма, шум самолёта звучал явным анахронизмом.

Очевидно, что допустимый уровень шума зависит от типа выпускаемой продукции. Например, для телевизионной постановки звуковой фон из всех источников (включая перемещения в студии) в идеальном случае не должен превышать 30 дБ на частоте 500 Гц (относительно 2·10⁻⁵ Н/м²). Для эстрадного концерта допустимый его уровень составляет 35 дБ. На практике, однако, часто допускаются шумы, превышающие указанные на 10 дБ.

Реверберация

В необработанном виде студия представляет собой просто пустое помещение с голыми стенами из бетона или другого твёрдого и массивного материала. Такие стены отражают большую часть звука, падающего на них, не выделяя какие-либо частоты из звукового спектра, хотя очень большие пространства плоского тонкого бетона, вообще говоря, могут резонировать на низких частотах или поглощать некоторые из них.

Если в помещении имеются ковры, занавески, мягкие кресла, то всё это, а заодно и люди, будет действовать как звукопоглотитель. Такая мебель, как столы, жёсткие стулья, деревянные и металлические предметы, будет отражать падающий на них звук, нарушая при этом фронт звуковой волны, т. е. действуя как рассеиватель (англ. - diffuser). Некоторые предметы мебели действуют двояко: книжный шкаф отражает звук, а книги поглощают его. Свойство предметов поглощать или отражать звук зависит от частоты и связано с размерами предметов. Небольшой выступ на стене будет рассеивать только самые высокие частоты; более длинные по сравнению с его размерами звуковые волны просто огибают его. Мягкий поглотитель (англ. - absorber), его толщина и положение определяют поглощение длинных волн, а от твёрдой поверхности стены звук не отразится, если её покрыть звукопоглощающим материалом толщиной в несколько сантиметров. Если звукопоглотитель тонкий, то он поглощает только звук высших частот; для воздействия на низкие частоты звукопоглощающий материал должен быть несколько отнесён от стены.

Звуки в замкнутом пространстве отражаются многократно, при этом некоторая часть звука поглощается при каждом отражении. Скорость затухания звука является характеристикой студии — её реверберации. Более точно реверберация — это время, которое требуется звуку для затухания до одной миллионной части своей первоначальной интенсивности, т. е. на 60 дБ. Время реверберации зависит от частоты, поэтому эту характеристику студии обычно показывают графически для всех звуковых частот или же указывают среднее значение времени реверберации в области частот 500–2000 Гц. Время реверберации зависит от количества отражений за определённый период, поэтому большие помещения обычно имеют большее время реверберации, чем малые, что, к счастью, часто предпочитается слушателями.

При проектировании радио- и телевизионных студий стремятся к достижению наименьшего уровня любого вида шумов, так как при передаче из студии всегда существуют паузы в исполнении и было бы неприятно в эти моменты слышать какие-то посторонние для исполняемого произведения, независимо от его вида, шумы. Шум, который хоть как-то маскирует полезную информацию, вообще считается недопустимым. Вместе с тем борьба с шумом обходится недёшево, поэтому получение неопределённо низкого уровня шума экономически невыгодно. Нормы на допустимый уровень шума в студии, удовлетворяющие указанным требованиям, оговорены в наших стандартах.

Окраска звука (англ. - coloration)

В больших помещениях можно услышать эхо. Для этого необходимо, чтобы процесс реверберации успел закончиться за время между первоначальным возникновением звука и его повторением. Если этот временной интервал превышает одну восемнадцатую долю секунды, что соответствует прохождению звуком расстояния около 18 м, то, как правило, эхо будет слышно.

В небольшом помещении, напротив, эхо не прослушивается, но можно услышать характерную окраску звука. Она заключается в селективном подчёркивании некоторых частот или диапазонов частот при реверберации. Окраска часто вызывается твёрдыми параллельными стенами, которые создают многократные отражения звука вдоль определённых направлений. При каждом отражении также происходит поглощение одних и тех же частот, в результате чего некоторые частоты продолжают звучать, тогда как другие уже угасли. Параллельные стены могут также вызвать стоячие волны в воздухе на определённых частотах, соответствующих размерам студии. Если основные размеры находятся между собой в кратном отношении, то эти колебания могут даже усиливаться.

Скорость поглощения звука в различных частях зала может быть неодинаковой, что вызывает аномалии в характеристиках его затухания. Например, прямой звук быстро затухает в частично замкнутом пространстве под балконом, в то время как реверберированный сигнал может продолжать поступать туда из основного зала. Более неприятной, хотя менее вероятной, может быть иная ситуация, когда реверберация создаётся малым объёмом и влияет на звучание большого по размерам пространства. Резонансы сопровождаются преобразованием звуковой энергии. Так происходит в деке рояля, что является одной из его характеристик, влияющих на качество звучания. В помещении резонанс вызывает медленное затухание звука определённой частоты и его выделение на фоне остальных.

Не все описанные свойства помещений обязательно отрицательны, особенно если они представлены в умеренных дозах. Они могут придать помещению или студии качества, с которыми в общем можно мириться. В излишних дозах они являются злом и могут сделать помещение практически неприменимым или применимым только при тщательном определении места установки микрофона. Решение многих проблем студии или, по крайней мере, некоторое улучшение положения достигается рассеянием звуковых волн. Чем больше направления движения волн подвергаются изменениям, тем более плавным будет затухание звука во времени и во всём частотном диапазоне. На практике это осуществляется проведением акустической обработки и размещением панелей из различных материалов в соответствующих местах на стенах и потолке. После этого едва ли требуется ещё что-либо для создания рассеяния звука.

Речевые студии

Студии, используемые только для речевых программ, часто имеют размеры гостиной в обыкновенной, но довольно просторной квартире. Помещения меньших размеров, как правило, неудовлетворительны, так как в них возникают резонансные явления, обусловливающие неестественное звучание, избежать которых не удаётся даже усиленной акустической обработкой. Кроме того, акустическая обработка, эффективно действующая на низких частотах, существенно сокращает рабочее пространство студии.

Окраска студии больше всего проявляется именно в малых студиях, так как основные её резонансы, зависящие от длины и ширины помещения, совпадают со спектром голоса. Неправильная форма и произвольное размещение акустических экранов на стенах помогают уменьшить влияние окраски студии. Но в маленьких прямоугольных студиях такая обработка может быть неэффективной. Поэтому диктор вынужден говорить, располагаясь ближе к микрофону. Это вызывает необходимость коррекции низких частот, особенно при использовании ленточных микрофонов. В малых речевых студиях Би-Би-Си такая коррекция встроена в стандартное оборудование. Как уже было сказано, окраска студии не всегда играет отрицательную роль. Она всегда присутствует в естественно звучащем голосе, и за ней следует тщательно следить, особенно при монофонической передаче. В этом случае реверберация студии и её окраска в значительной степени влияют на речь, воспроизводимую из одной точки пространства (громкоговорителя). В отличие от монопередачи, в стереофонии голос локализуется в пространстве и лучше отделён от реверберирующих звуков.

Более того, окраска звучания исполняемых произведений студией или залом часто является желаемой и характерной. Недаром у музыкантов существуют любимые залы, где, по их мнению, звучание музыки особенно красиво.

На первый взгляд, чтобы избавиться от реверберации, следует попытаться создать полностью заглушенную студию. При этом единственной акустической окраской звука будет акустика комнаты слушателя. Однако практика показывает, что большинство людей предпочитают умеренно заглушенную студию, создающую более «живое» звучание.

Каково идеальное время реверберации для речевой студии? Опыт Би-Би-Си показывает, что для гостиной нормальных размеров оно составляет около 0,4 с при использовании ленточного микрофона. Для комнаты меньших размеров необходимо меньшее время, скорее всего 0,25 с. При этом первое значение обычно получается в домашних условиях, но второе — едва ли. В связи с этим для записи речи в домашних условиях наилучшими являются большие комнаты при условии, разумеется, что они достаточно хорошо меблированы с точки зрения звукопоглощения. Учитывая, что реверберация определяется временем, которое требуется звуку для затухания на 60 дБ, можно воспользоваться хлопанием в ладоши для грубого определения продолжительности реверберации помещения. В комнате, которую предполагается использовать под речевую студию, звук должен замирать быстро, но так, чтобы хлопки слышались не приглушёнными и не «мёртвыми». Разумеется, при этом не должно быть слышно порхающего эха (англ. - flutter echo).

Помещения для прослушивания и контроля должны иметь аналогичную акустику — наибольшее время реверберации равно 0,4 с. Помещения для прослушивания на студиях Би-Би-Си акустически обработаны так, чтобы время реверберации на частоте 250 Гц было равно 0,4 с с постепенным уменьшением до 0,3 с на частоте 8000 Гц.

Студии общего назначения

В Великобритании всё ещё есть необходимость в студиях, где для художественных целей применяется переменная акустика. В других странах существование таких студий едва ли оправдано, за исключением их использования для рекламных передач. Такие студии можно также использовать для специальных записей. Поэтому они всё ещё используются, хотя и в меньшей степени, чем в те времена, когда преобладало только радиовещание.

В студии имеются две рабочие области, разделённые только комплектом занавесей. Одна из них — заглушенная — имеет речевую акустику, но гораздо более глухую (время реверберации около 0,1 с), чем нормальная студия таких же размеров. Другая часть — разглушенная, поэтому, когда её используют для речи, звучание явно отличается от того, что получается в противоположной части. Если занавес открыт, то микрофон в заглушенной части студии может принимать звук, реверберированный с другой части студии. Порой такая реверберация звучит неприятно, поэтому нормальным положением занавеса является закрытое (или почти закрытое), при котором отсекается разглушенная часть студии. Однако чаще можно получить полезные эффекты, располагая микрофон примерно в середине студии. Разглушенная часть студии может также использоваться для небольших музыкальных групп, сопровождающих речь, передаваемую из заглушенной части.

В студии может быть и заглушенная («мёртвая») зона, из которой, если она очень мала, звук слышится «как из могилы». Этой зоной пользуются для создания впечатления открытого пространства, где, как известно, существует только прямой звук и почти нет отражённого. Однако для получения хороших результатов лучше всего воспользоваться акустически обработанными помещениями типа измерительных камер. Такие камеры облицованы клиньями из пористых материалов, выступающими из стен на расстояние около 1 м. При этом нет необходимости устанавливать клинья на полу, где достаточно обыкновенного ковра (на открытом воздухе полом является обычно земля). Впрочем, некоторые исполнители работают в таких условиях неохотно.

В студии может быть ещё и четвёртая зона, которая, напротив, является очень «живой», т. е. сильно разглушенной. Однако при использовании этой части существует опасность, что звук будет звучать, как в ванной комнате, поэтому, если возможно, лучше воспользоваться эхо-камерой или ревербератором.

Студии для передачи речи стереофоническим способом должны быть более заглушены, чем студии общего назначения. Причину этого рассмотрим позднее, когда будем изучать совмещённые микрофоны, при использовании которых диктор должен располагаться дальше от них, чем при монофонической передаче, иначе его перемещения будут преувеличенными.

Музыкальная студия

Наиболее важной характеристикой студии, которая определяет её качество, является время реверберации. Испытания показывают, что при любом размере студии для музыки требуется большее время реверберации, чем для речи. Разумеется, это утверждение не является абсолютным, но оно справедливо для музыки и музыкальных инструментов, звучание которых мы привыкли считать нормальным. Следует, однако, помнить, что как музыка, так и инструменты, какими мы их сейчас знаем, развивались очень специфически. В частности, западная оркестровая и камерная музыка сформировалась из музыки, которую исполняли в гостиных богатых домов в Европе в семнадцатом и восемнадцатом столетиях. Своеобразная акустика салонов определяла эту музыку, как, впрочем, наша музыка сейчас определяет, в свою очередь, необходимую для неё акустику помещений.

Очевидно, что такие инструменты и музыка не являются единственно возможными. Достаточно отметить, что восточная музыка сочинялась для исполнения на открытом воздухе, а церковная музыка — для сильно реверберирующих помещений. Из этого следует, что мы имеем дело с формой, которая в определённой мере произвольно определяется существующими для неё акустическими условиями. Интересно также заметить, что некоторая современная музыка написана сейчас для более «сухой» акустики, чем та, при которой лучше всего звучат произведения Бетховена. Тем не менее, акустика, к которой мы привыкли, привела к созданию инструментов, для которых сочиняется музыка большой красоты и силы, а студии обладают некоторыми конкретными свойствами, о которых можно судить лишь на основе субъективных испытаний.

Пробные прослушивания не всегда выявляют истинные достоинства студии, так как они являются больше мерой того, что нам понравилось в ходе прослушивания, а не того, что нам могло бы понравиться, потрудись мы изменить свои привычки. Тем не менее, такие испытания позволяют получить некоторые результаты, когда они относятся к музыкальной студии. Например, оказывается, что предпочтительное время реверберации колеблется в зависимости от размеров студии: небольшая студия требует кратковременной реверберации, большая студия — долгой реверберации. Для очень маленьких студий (например, комната в доме, выделенная под музыкальный салон) идеальным является время между 0,75 и 1 с. Такое время можно получить, если в помещении нет ковра и лишь несколько крупных предметов мебели. Некоторые авторитеты полагают, что при этом должен быть слабый подъём частотной характеристики в области низких частот, но Би-Би-Си формирует характеристику, равномерную для всех частот.

Интересной особенностью является также и то, что для монофонических передач и записей предпочтение отдаётся времени реверберации приблизительно на одну десятую секунды меньше, чем для непосредственного прослушивания музыки. Одновременное появление реверберации из той же точки пространства, что и прямой звук, требует её уменьшения. Кроме того, в любом случае к передаваемому звучанию добавляется реверберация комнаты, где происходит прослушивание. Помимо времени реверберации важным показателем хорошего зала является рассеяние, т. е. равномерное отражение и распространение звуковых волн по всему залу. В нём не должно быть отзвука от куполов, цилиндрических сводов или других вогнутых архитектурных элементов.

Заглушенные студии для поп-музыки

Акустика студий не играет существенной роли для звучания большинства произведений современной популярной музыки. Их авторы намеренно отказываются от внутреннего акустического баланса оркестра с помещением, заменяя его многосторонними преимуществами электроники.

Челесте, пианино или флейте может быть отдана мелодия, и можно ожидать, что звучание их будет не менее громким, чем других инструментов. Изыскиваются также различные способы, которые дают возможность достигнуть необходимого баланса между звуком громких инструментов и тихих соответствующим усилением звукового сигнала от микрофона тихих инструментов.

Микрофоны размещаются максимально близко к инструментам, и благодаря их свойствам направленности (см. гл. 5) удаётся избежать попадания на них прямого звука от других источников звука, а также реверберации открытой студии. Для того чтобы свести к минимуму влияние акустики студии, следует её заглушить, причём в большей степени, чем это требуется для речевой студии. И дело не только в уменьшении реверберации — должно быть существенно ослаблено любое отражение от стен. Это значит, например, что звуки медных инструментов мало отразятся от стен и, следовательно, не попадут в микрофон флейты или челесты с тех направлений, где нельзя принять меры по ослаблению звука, скажем, поставить акустический щит (англ. - acoustic screen).

Существует одно акустическое явление, которое учитывается при исполнении поп-музыки. Мы говорим о затухании звука при его распространении в воздухе. На частотах ниже 2000 Гц поглощение звука воздухом ничтожно, но для частот выше 8000 Гц при относительной влажности воздуха в 50% потери за счёт поглощения на расстоянии 30 м составляют около 30 дБ. Для более влажного воздуха потери ниже, чем для сухого, в котором они резко возрастают и начинают ощутимо сказываться даже на более низких частотах — 4000 Гц. Это обстоятельство создаёт различие между двумя исполнениями в одном и том же зале при использовании ближнего и дальнего расположения микрофонов. Близкое расположение микрофонов при исполнении поп-музыки исключает это явление, кроме того, и инструменты звучат иначе, чем мы их привыкли слышать, — в звучании появляется больше высоких частот.

Акустическая обработка (англ. - acoustic treatment)

Существуют три основных типа акустических поглотителей:

1. Мягкие поглотители (англ. - porous absorbers). Это пористые материалы, которые наносятся непосредственно на стены. Действие их основано на потере звуковой энергии в порах материала. Этот материал действует очень хорошо на высоких и средних частотах, но для эффективного действия на низких частотах требуется толщина около 1,2 м. Поскольку для поглощения низких частот нет необходимости покрывать сплошь всю поверхность стены (иначе помещение будет слишком заглушенным), ослабление низких частот осуществляют разнообразными бесформенными выступами из мягкого поглотителя. Правда, это приводит к потере полезного пространства. Поэтому часто целесообразно установить поглотители только такой толщины, которая эффективна до частоты 500 Гц, а с понижением частоты эффективность уменьшается. Регулировка ослабления высоких частот (для которых поглощение может быть чрезмерным) обеспечивается путём использования поверхностей из перфорированного твёрдого картона. Если поверхность на 5% занята перфорацией, то большая часть высоких частот отражается; если занята на 25% — большая часть поглощается. Поверхности, различные по поглощению, могут чередоваться.

2. Резонаторы Гельмгольца (англ. - Helmholtz resonators). Они представляют собой полые сферы с узким открытым горлом, которые резонируют на определённой частоте. Если внутренность сферы покрыта поглотителем, то она ослабляет эту частоту. Поглощение низких частот в широком спектре можно получить с помощью набора таких резонаторов. Но хотя результат может быть вполне успешным, такой метод является довольно специализированным и не получил широкого применения. Он, однако, полезен для борьбы с некоторыми определёнными пространственными резонансами звуковых радиостудий.

Проблема пространственных резонансов встречается нечасто: в Би-Би-Си лишь в семи из ста студий. В этих студиях проблема не решена лишь потому, что места, где надо было бы установить резонаторы, заняты другим оборудованием.

3. Мембранные поглотители (англ. - membrane absorbers). Они часто используются для ослабления низких частот. Идея мембранных поглотителей довольно проста: слой некоторого материала или панель из твёрдого картона размещается в воздушном пространстве студии. Панель движется под воздействием падающей на неё звуковой волны как поршень, но это движение тормозится, чем и вызывается потеря энергии звука. Чем больше теряется энергии, тем лучше.

К сожалению, вариантов этой и аналогичных идей так же много, как экспертов в этой области. А они есть в каждом студийном центре Западной Европы, и каждый из них отстаивает способы, успех которых он может продемонстрировать. Однако на практике, несмотря на то, что метод мембран должен давать хорошие результаты, этого часто не происходит. Отдел исследований Би-Би-Си испытал большинство мембранных поглотителей, применяемых в студиях континентальной Европы, и нашёл, что ни один из них не работает так хорошо, как хотелось бы.

Многоцелевой поглотитель (англ. - multi-purpose absorber)

В течение нескольких лет Би-Би-Си использует совокупность мягких и специально разработанных мембранных поглотителей, которые дают удовлетворительные результаты. Многие радио- и телевизионные студии Би-Би-Си уже обработаны ими.

В последнее время был разработан совсем новый тип акустической обработки, который обладает несколькими достоинствами: акустический материал имеет стандартные размеры: 60×60×18 см; его легко собирать и устанавливать, что могут сделать строительные рабочие без постоянного наблюдения инженера-акустика; уровень поглощения звука легко регулируется внесением просто осуществляемых изменений в первоначальный проект.

Коробка поглотителя делается из фанеры; задняя стенка сплошь фанерная. Коробка с помощью картонных перегородок разделена на четыре отсека глубиной в 15 см. Над этим воздушным пространством и сразу же за передней панелью ящика расположен слой минеральной ваты высокой плотности толщиной 2,5 см. Сама передняя панель может быть сделана из перфорированного картона или другого перфорированного материала. Если площадь перфорации очень мала (около 0,5%), резонансный максимум поглощения имеет место на частоте около 90 Гц. Если площадь перфорации большая (20% и более), достигается поглощение в широком диапазоне, но со спадом на частотах 100 Гц и ниже. Поэтому, используя один комплект коробки с двумя комплектами передней панели, можно получить различные уровни поглощения и реверберации в студии.

Использование звукопоглотителей

При проектировании акустики звуковой студии обычно планируют применение сочетаний различных поглотителей.

Коэффициент поглощения на какой-либо частоте пропорционален уровню звука на этой частоте и определяется поглощаемым материалом. Таким образом, поглощающая способность стен может быть рассчитана.

Для относительно небольших площадей и на конкретных частотах поглотители могут иметь коэффициент больше единицы, что объясняется явлением дифракции (англ. - diffraction).

Крупные объекты описываются иногда количеством «открытых окон», используемым как эквивалент поверхности полного поглощения и выражаемым отношением их площади к общей площади объекта. По этой шкале люди имеют коэффициент 4,5 (от нижней части средних до высоких частот), оркестровые музыканты со всеми их инструментами и принадлежностями в два-три раза превышают это число, а мягкая софа даёт эффект поглощения в десять раз больший, чем сидящий на ней человек. Имеются таблицы таких значений, которые, кроме того, содержат значения для разных конструкций студий и объёма воздуха в них. Расчёты довольно сложны.

Существует несколько практических правил акустической обработки, которые применяются как при проектировании студий, так и просто при улучшении акустики какого-либо данного помещения:

• при акустической обработке следует наносить каждый тип поглотителя на поверхности так, чтобы оказывать влияние на все три координаты пространства;

• следует позаботиться, чтобы не оставалось необработанных поверхностей, расположенных одна против другой, так как поверхность, обработанная для одной частоты, может быть необработанной для другой и, следовательно, отражающей;

• высокочастотные поглотители использовать в качестве верхнего слоя в речевых студиях.

Следует отметить, что для полов речевых студий самой дешёвой и лучшей обработкой является ковёр хорошего качества с подложкой (но для потолка при этом потребуется компенсация низких частот). Хорошим средством являются деревянные блоки на полу музыкальной студии.

Что касается общей меблировки звуковых студий, то неразумно создавать хорошую акустику для студии, когда она пуста, а затем наполнять её массой предметов (в особенности большими мягкими поглотителями), которые изменяют акустику. Эти предметы должны быть включены в расчёты с самого начала. Например, если помещение достаточно обработано для уменьшения времени реверберации и если соблюдены основные правила по размещению поглотителей, то, надо полагать, рассеяние звука будет хорошим. Тогда можно расставить мебель исходя из эстетических и других соображений: внешний вид, удобство и целесообразность расположения.

Использование акустических экранов (англ. - acoustic screens)

Очень часто бывает так, что акустика, созданная в студии, не соответствует той, которая требуется для конкретной программы. Поэтому разработаны способы довольно быстрого изменения акустики студии. Иногда акустическая обработка студии заключается в установке некоторых панелей на шарнирах или в пазах, которые минимальными усилиями позволяют заменить поглотитель отражающей поверхностью. Но такое половинчатое решение редко оказывается удовлетворительным, так как трудно организовать акустику студии непосредственно для одного конкретного типа программ, не вводя новых вопросов в проблему планировки.

Существует ещё один широко применяемый метод, который основан на различном расположении студийных экранов (щитов). Экраны, вообще говоря, являются не достаточно хорошими поглотителями, так как для того, чтобы их можно было легко переносить, они должны быть лёгкими и не превышать в ширину 1 м. Щиты эффективны только для коротких звуковых волн, низкочастотные звуки огибают их, поэтому они не представляют для них препятствия. Это значит, что отдельные щиты оказывают малое воздействие на волны длиной более 1 м, т. е. на низкие и средние частоты. Группировка щитов несколько улучшает положение, но даже в этом случае малая толщина поглотителя, из которого обычно изготовляется экран, неэффективна для низких частот.

Разработаны различные типы щитов. Наиболее широко применяемые состоят из деревянной панели со слоем набивочного материала с одной стороны. Преимущество таких щитов заключается в том, что они служат двойной цели: обращённые заглушенной стороной к микрофону, они ослабляют высокие частоты, а обращённые отражающей стороной, они подчёркивают высокие частоты. При этом звук самой студии несколько уменьшается обратной поглощающей стороной экрана. Среди других конструкций экранов испытывались полуцилиндрические деревянные, покрытые обивочным материалом по диаметру (теоретически они лучше, но очень громоздки), и большие отдельно стоящие щиты из плексигласа или дерева для записи поп-музыки.

Но каким бы ни был экран, он оказывает влияние на следующее:

• расстояния, проходимые звуком в студии между отражениями, становятся более короткими. Происходит больше отражений и больше потерь в единицу времени. Это приводит к уменьшению времени реверберации студии;

• звуки отдалённых источников ослабляются, а в звуке, который огибает экраны, обычно недостаёт высоких частот. Эти закономерности касаются и реверберированного сигнала, проникающего из открытой студии;

• окраску звука можно получить путём соответствующей расстановки щитов в студии. Если два параллельных экрана установить на противоположных сторонах от микрофона, то создаётся эффект стоячей волны. И хотя такой эффект вносит искажения, его в художественных целях можно использовать. Часто при этом микрофон помещают ближе к одиночному экрану;

• при полимикрофонной технике щиты дают возможность добиться лучшего музыкального баланса, так как достигается более эффективное разделение большого количества источников, расположенных близко друг к другу. Это существенно для монофонических записей, а для стереофонии просто необходимо.

В любой студии всегда полезно иметь несколько щитов, поскольку никогда не известно, когда они могут понадобиться. Они могут пригодиться для создания едва уловимого различия в тембре голоса при одной и той же акустике или для экранирования эстрадного певца со слабым голосом от мощного аккомпанемента; в классической музыке — для отделения и усиления звука рожков.

Изменение акустики концертных залов

На примере двух главных концертных залов Лондона покажем, как была практически изменена их акустика.

Ещё со времени своей постройки в Викторианскую эпоху зал «Ройял Альберт Холл» обрушивал сильнейшее эхо на ряды кресел и сидящих в них несчастных зрителей. Оно вызывалось формой зала и его размерами. Зал очень большой, и расстояние между прямым звуком и местом первого отражения для некоторых кресел составляло около 30 м, что соответствует задержке примерно в 0,1 с. В идеальном случае для уверенности в том, что реверберация неощутима, этот интервал должен составлять 0,02 с и менее. Вообще говоря, многие залы имеют существенную задержку между прямым звуком и самым ранним отражением; приемлемо это или нет, зависит от характера этих отражений. Что касается «Альберт Холла», то он был спроектирован в форме барабана с изящным куполом. Это привело к тому, что вогнутые поверхности фокусировали отражения во многих точках и, к сожалению, многие из этих точек совпадали с рядами кресел. Помимо балкона, где звук был чётким, хотя и отдалённым, в зале было только два места (постоянные театралы подтвердят это), где звук был удовлетворительным, и те, кто знал об этом, хранили секрет и заранее закупали эти места.

Исполнение некоторых музыкальных жанров было особенно подвержено искажениям из-за этих свойств зала. Особым искажением подвергалась игра стаккато на ударных инструментах и рояле. Естественное время реверберации зала было велико, поэтому диапазон музыкальных произведений, который можно исполнять с хорошим эффектом, по существу, ограничивался одним видом: романтической музыкой с длинными плывущими аккордами. А для неё теплота тонов, даваемая залом, была исключительной. Этого было достаточно, чтобы посетители концертов вновь и вновь приходили в зал и терпели иногда неприятное запаздывающее эхо. Нерешительные попытки улучшить акустику, не слишком изменяя внутренний вид зала, продолжались несколько десятилетий. В конечном итоге проблема была решена путём подвески под куполом «летающих тарелок» диаметром 2–4 м. Сто девять таких тарелок были подвешены немного выше уровня балкона; вместе взятые, они создали новый потолок, слегка выпуклый в направлении аудитории и заполняющий около половины площади крыши. Эти диффузоры (англ. - diffusers) из стекловолокна, пропитанного полиэфирной смолой (некоторые из них покрыты звукопоглощающими материалами с верхней или нижней стороны), в основном решили проблему эха, возникавшего сверху, и в то же время уменьшили реверберацию при 500 Гц до разумного значения, приемлемого для широкого музыкального диапазона. И если раньше было невозможно передавать по радио из незаполненного публикой зала очень громкие произведения, например «Реквием» Верди, то после переделки это стало возможным.

В послевоенном лондонском «Ройял Фестивал Холле» ошибка была противоположного характера. Музыкантов заранее опросили, какую акустику они хотели бы иметь — тонально окрашенную или прозрачную. Ответ был: тональную. К сожалению, вместо этого получилась существенная прозрачность. Звук поглощался больше, чем ожидалось, особенно в области низких частот, главным образом из-за конструкции слишком тонкого свода крыши. Некоторые меры, например удаление ковров из проходов, придание поверхностям большей отражающей способности, дали незначительный эффект. В то же время кашель звучал как близкий винтовочный выстрел, а реверберация низких частот устойчиво сохранялась в течение 1,4 с. Как можно было увеличить время реверберации, не удаляя все кресла из зала и не отправляя оркестрантов домой?

Ответ был технической новинкой, как и зал, построенный в стиле двадцатого века, — вспомогательный резонанс (англ. - assisted resonance). Были использованы полостные резонаторы, но не в их обычном виде, а с содержанием микрофонов, настроенных на приём узкой полосы частот, и излучением звука отдельными громкоговорителями. Сто каналов передавали отдельные полосы частот шириной в 3 Гц — это обеспечивало передачу диапазона в 300 Гц. Таким образом восстанавливался резонанс на поверхностях, где ранее звуковая энергия поглощалась. Было достигнуто время реверберации, равное 2 с, но, кроме того, им можно было варьировать и настраивать его на различные частоты.

Такое усовершенствование зала обошлось не так дёшево, как в предыдущем случае с «летающими тарелками» «Альберт Холла», и, увы, было менее удовлетворительно по всем акустическим характеристикам, кроме реверберации. В частности, когда на медных инструментах играют в полную мощность или вступают барабаны, другие подавляются и звук их исполнения заглушён. В результате только в нескольких местах существует действительно хороший звуковой баланс для любой музыки. Для современной музыки с «сухим» (т. е. незаглушённым, прозрачным) звуком «Ройял Фестивал Холл» остаётся лучшим залом.

Би-Би-Си всё же удавалось в обоих залах добиться хорошего или достаточно хорошего звучания ещё до изменения акустики — путём соответствующего выбора микрофонов и тщательного их размещения. Но всё же лучшее звучание музыкальных произведений получают не из этих двух, а из третьего зала — главной оркестровой студии Би-Би-Си, давно перестроенной из бывшего катка. Но и этот зал, неизвестный широкой лондонской публике, имеет свои ограничения. Его характеристики ухудшаются, если ряды кресел заняты многочисленной публикой. Поэтому звукорежиссёры яростно сопротивляются, если делается попытка ввести публику в студию (хотя место для этого, конечно, есть). Эта прекрасная студия используется сейчас исключительно для стереофонических записей.

Компании грамзаписи при работе с первоклассными оркестрами находят свои решения акустических проблем. Возможно, любители музыки во всём мире даже не знают, что лучшие пластинки записаны не в тех известных всем залах, а в залах маленьких городов, таких, как Уэмбли, Уотфорд, Хаммерсмит, в строениях, которые даже не предназначены для подобных целей. Вывод из этого может быть только один: хорошую акустику надо искать и создавать.

Не все истории с концертными залами и студиями имеют счастливый конец. На радио правильный выбор зала имеет важное значение, хотя случайное использование плохого зала не должно приводить организацию к банкротству. Для записей на магнитную ленту или грампластинку, предназначенных для продажи, выбор студии более важен: он может так повлиять на качество записи, что подорвёт репутацию компании, выпускающей их.

Амбиофония (англ. - ambiophony)

До сих пор наш разговор об изменении акустики основывался на представлении студии в виде некой раковины, которая, как правило, обладает излишней реверберацией, а целью акустической обработки являлось уменьшение её до необходимого объёма. Лондонский «Ройял Фестивал Холл» был пока единственным исключением, да и улучшение его первоначальной акустики было весьма ограниченным.

Для оркестров или других музыкальных групп, требующих естественного акустического баланса, в больших, но относительно заглушённых студиях, таких, как теле- и киностудии общего назначения, необходимы более радикальные методы по совершенствованию акустики. Добавление искусственного эха является лишь частичным решением, так как изменённая акустика влияет на самих музыкантов. Струнная группа и другие исполнители, например, стремятся к усилению своего звучания, чтобы лучше слышать себя, но нарушают этим внутренний баланс оркестра и общее качество звучания. Другая проблема для музыкантов возникает из-за того, что отдалённые участки, которые обычно хорошо слышны, могут быть при этом ослаблены, что затрудняет игру ансамблем.

Решение этих акустических проблем предложено способом, который называется амбиофонией. В ней применяется система микрофонов и громкоговорителей, которая в некоторой степени заменяет недостающие отражающие поверхности. Необходимое для этого количество громкоговорителей велико — скажем, пятьдесят или более для студии средних размеров.

В обычном виде цепи из микрофонов и многочисленных громкоговорителей не могут быть использованы по ряду причин. Одна из них состоит в том, что длина создаваемого при этом акустического пути короче, чем действительные размеры студии; так что общее расстояние от музыканта до микрофона плюс от громкоговорителя до слушателя меньше, чем путь первого отражения через место расположения громкоговорителя. Если, однако, в электроакустическую цепь вводится задержка, то эта проблема решается и создаётся кажущаяся отражающая поверхность в тех же размерах студии. На практике удовлетворительные результаты достигаются путём введения не одной системы задержки, а четырёх, наряду с несколькими громкоговорителями, передающими незадержанный звук. Эти четыре системы задержки получают смешиванием выходных сигналов с восьми головок воспроизведения с магнитофонной линии задержки, расположенных с необходимыми интервалами вдоль петли ленты. Такое построение амбиофонии обеспечивает быстрое затухание звука, так как он проходит через систему амбиофонического микрофона и многочисленные громкоговорители, уменьшаясь от одной цепи к другой. Кроме того, используемая переменная обратная связь в петле задержки вводит некоторое дополнительное искусственное эхо.

Амбиофонический микрофон необходимо размещать близко к источнику звука, не более 2–2,5 м, для хорошего разделения звуков источников и громкоговорителей. Микрофон иногда располагают ближе, чем это диктуется условиями достаточного охвата всех исполнителей. Тогда используется несколько микрофонов, или же приходится микрофон передвигать в менее благоприятную позицию. Применение нескольких близко расположенных микрофонов на телестудии неприемлемо, поэтому ищут компромиссное решение. Оно, как правило, означает, что амбиофонические микрофоны располагаются на расстоянии, большем необходимого, и предпринимаются специальные меры по устранению возможного возбуждения из-за попадания звука громкоговорителей, на которые подана высокая мощность для хорошей работы.

Конкретное расположение микрофонов и громкоговорителей, уровни усиления отдельных каналов определяются путём поочерёдного включения громкоговорителей один за другим и повышением громкости до возникновения возбуждения. Затем вводят небольшое уменьшение громкости системы до исчезновения возбуждения. Такая регулировка системы должна, конечно, сохраняться для последующего её использования. Установленный таким образом коэффициент усиления системы является тем максимумом, до которого она может использоваться.

Для рассмотренной системы возможно возбуждение на отдельных частотах (которые в большей степени определяются свойствами студии, а не микрофона, усилителя или громкоговорителя). Чтобы предотвратить это и достичь наивысшего возможного выходного сигнала громкоговорителей, в цепь их каналов включают фильтры — октавные или с ещё более узкой полосой. Пользуясь ими, уменьшают нестабильность на отдельных частотах и добиваются улучшения качества амбиофонии.

На работу амбиофонической системы влияет и магнитофонная линия задержки. Так, например, изменение типа ленты в петле задержки следует делать до окончательной настройки всей системы с тем, чтобы учесть изменение её характеристик, а также для хорошей полировки ленты при её прохождении по магнитофонной линии, которая обусловливает стабильность характеристик записи и воспроизведения линии.

Монофоническая система, разумеется, должна быть полностью отделена от микрофонных каналов передаваемой программы, поскольку программные микрофоны располагают иначе, часто слишком близко к исполнителям, для получения хорошего музыкального баланса. Впрочем, в некоторых типах звукорежиссёрских пультов можно выделить отдельные каналы для амбиофонии и для передачи программы.

Основная цель амбиофонии заключается в создании условий, при которых музыкантам было бы так же удобно работать, как и при естественной акустике. Это достигается, но, помимо этого, создаётся и приемлемое моделирование акустики музыкальной студии, более удовлетворительное по сравнению с первоначальными неблагоприятными условиями. Вместе с тем, амбиофонию предпочитают не использовать при хорошей естественной акустике концертного зала.

Часто для приёма общего звучания студии используется ненаправленный микрофон, располагаемый высоко вверху (см. гл. 7). При использовании амбиофонии этот микрофон следует особо настраивать для правильного баланса прямого звука от системы кажущейся акустики, которая сама по себе влияет на частотную характеристику и время реверберации. Методы установки баланса обсуждаются в гл. 11.

Принятое однажды расположение громкоговорителей амбиофонической системы с соответствующими задержками является специфическим для конкретного положения источника звука, для которого оно обычно рассчитано. Если же вводится дополнительный источник звука (скажем, певец в другой части студии), то система может быть разбалансирована. В частности, нельзя требовать удовлетворительной работы амбиофонии при перемещении микрофона за певцом. При движении микрофона на различные расстояния будут создаваться неблагоприятные условия для работы отдельных громкоговорителей. Впрочем, если провести эксперимент, то при тщательной его постановке можно найти решение и этой проблемы в каких-либо конкретных условиях.

Заключение

Проектирование студий — будь то речевые, музыкальные или телевизионные — требует баланса между борьбой с внешними шумами (выбор места, массивные конструкции, виброизоляция), контролем реверберации (оптимальное время от 0,25 с для малых речевых до 1,4 с и выше для оркестровых студий) и управлением окраской звука. Эффективная акустическая обработка включает комбинацию мягких, мембранных и резонансных поглотителей, а также использование акустических экранов и диффузоров. В случаях, когда естественная акустика помещения не отвечает задачам, применяются активные системы — амбиофония, искусственная реверберация и вспомогательный резонанс. Понимание этих принципов позволяет создавать студии с предсказуемым качеством звучания, будь то для записи классической музыки, поп-исполнений или речевых программ.