Акустика студий звукового и телевизионного вещания

Системы озвучения и звукоусиления представляют собой совокупность усилительных и электроакустических устройств, предназначенных для воспроизведения звукового сигнала и обеспечивающих хорошую слышимость на достаточно большой площади. Система звукоусиления отличается от системы озвучения наличием акустической обратной связи, обусловленной тем, что микрофон, принимающий сигнал для усиления, находится в звуковом поле громкоговорителей, излучающих усиленный сигнал.

Озвучением называют громкоговорящее воспроизведение акустических сигналов (вещания, звукозаписи, различной информации, в том числе сигналов оповещения гражданской обороны и др.) в заданных местах расположения слушателей в помещении или на открытом воздухе.

Усиление звука применяют для увеличения акустического сигнала в условиях, когда из-за недостаточной мощности источника звука ( оратор, чтец, солист и т. п.), больших размеров озвучиваемой поверхности или заглушённого помещения уровень звука в месте расположения слушателя оказывается ниже требуемого.

В зависимости от назначения (высококачественное усиление речи и музыки, озвучение улиц, парков, площадей, усиление сигналов оповещения в условиях повышенных шумов и т. п.) системы озвучения и звукоусиления должны удовлетворять не только общим требованиям (полоса воспроизводимых частот, частотные и нелинейные искажения), но и некоторым специальным. В частности, система озвучения и звукоусиления на озвучиваемой площади должна обеспечить необходимый уровень звукового поля (акустический уровень), допустимую неравномерность его, слитность звучания, локализацию источников звука, понятность речи.

Максимальный и минимальный уровни поля — это максимальный и минимальный уровни звука L_макс и L_мин, создаваемые системой озвучения в точках озвучиваемой поверхности при подведении номинальной мощности к системе озвучения. Обычно эти уровни определяют только для прямого звука, т. е. без учета отраженных волн, так как последние в основном являются помехами. Озвучиваемой поверхностью называется поверхность, проходящая на уровне голов слушателей. Для сидящих слушателей считают, что эта поверхность проходит на высоте 1 м от пола, а для стоящих — на 1.5 м.

Необходимый уровень звукового поля зависит от назначения систем озвучения и звукоусиления. Высококачественные системы работают при малых уровнях шума (40…45 дБ). В таких системах максимальный акустический уровень определяется из условия естественности звучания первичных источников сигнала. Поэтому при воспроизведении музыкальных программ необходимо обеспечить на местах слушателей необходимый уровень L, равный 90…94 дБ (такой уровень развивает симфонический оркестр в (10…12) — м рядах партера), а при усилении речи — 80…86 дБ, что примерно соответствует акустическому уровню, создаваемому оратором на расстоянии 1…1.5м.

В тех случаях , когда система озвучения должна создавать лишь музыкальный фон (например в парках и других местах массового отдыха), который не должен мешать нормальному разговору, акустический уровень ограничивается 65…75 дБ. Акустические уровни для речевых передач определяются понятностью речи, вследствие чего их не нормируют.

Понятность речи определяется только для информационных передач в точках с минимальным уровнем поля и максимальным уровнем акустических шумов.

Неравномерность озвучения — разность между максимальным к минимальным уровнями поля для прямого звука ΔL = L_макс-L_мин. Эта величина в общем случае делится на две части: основную и интерференционную. Первая часть определяется распределением уровней поля прямого звука по озвучиваемой поверхности, вторая — обусловлена интерференцией звуковых волн, приходящих от разных излучателей, в результате которой уровень поля изменяется от точки к точке, то повышаясь, то понижаясь, даже в пределах небольших расстояний (до 1-2 м). Причем эти изменения резко зависят от частоты. Обычно стремятся к тому, чтобы минимальный уровень поля, создаваемый системой озвучения, был по возможности близким к уровню, создаваемому первичным источником звука, а максимальный уровень заметно не превосходил его. В результате акустический уровень на всей озвучиваемой площади имеет разное значение. При воспроизведении музыки принимается предельное значение неравномерности озвучения ≤ 6 дБ, при воспроизведении речи — ≤ 8 дБ.

Акустические шумы — это шумы в пределах озвучиваемой поверхности, создаваемые публикой, различными агрегатами и т.п., и шумы, попадающие извне, например от транспорта.

По уровню акустические шумы в непроизводственных помещениях можно классифицировать следующим образом:

1. «полная тишина» 35-40 дБ,
2. «нормальная тишина» 45-55 дБ,
3. отдельные тихие разговоры 55-60 дБ,
4. разговоры многих слушателей 65-70 дБ,
5. громкие разговоры, крики 75-80 дБ.

Уровни в производственных помещениях имеют широкий диапазон — от 65 до 85 дБ и более.

Стремятся к их уменьшению, но в ряде случаев это невозможно. Большинство из них имеет огибающую спектра с максимумом на низких частотах. Влияние шумов учитывают только при расчетах понятности речи. Для музыкальных передач следует иметь в виду лишь некоторую маскировку слуха.

Слитность звучания — отсутствие заметного или мешающего эха. Для музыкальных передач эхо не должно быть заметно. Для речевых передач эхо может быть заметным, но оно не должно снижать понятность речи.

Локализация источника звука — слуховое ощущение местонахождения виртуального (кажущегося) источника звука. Человек на слух довольно точно определяет местонахождение источника звука, причем наилучшее восприятие получается при совпадении зрительного образа со слуховым. При слушании музыкальных программ это совпадение обязательно.

В зависимости от расположения громкоговорителей по отношению к озвучиваемой площади системы озвучения и звукоусиления подразделяют на сосредоточенные, зональные и распределенные.

Особенности озвучения помещений. В помещении, в отличие от открытых пространств, обязательно присутствуют реверберационные помехи и помехи от диффузного звука, имеющего уровень, как правило, выше уровня прямого звука. Кроме того, помещение имеет ряд специфических черт, которые следует учитывать при их озвучении. К этим особенностям относятся: наличие отражений от ограничивающих поверхностей с небольшим запаздыванием по отношению, к прямому звуку, что повышает эффективность систем озвучения; ограничение высоты подвеса из-за потолка; как правило, меньшие размеры озвучиваемых площадей по сравнению с открытым пространством.

Для озвучения помещений используют сосредоточенные и распределенные системы. Зональные системы в них применяются редко, только больших помещениях типа выставочных иногда применяют и зональную систему.

Сосредоточенными называют системы, в которых звук к слушателю приходит как бы из одной точки пространства. При этом все громкоговорители располагаются в одном месте и имеют размеры (расстояние между крайними громкоговорителями) в несколько раз меньше, чем расстояние от них до ближайших слушателей. Если расстояние между соседними громкоговорителями больше наиболее длинной звуковой волны в передаваемом диапазоне частот, то интенсивности звука, создаваемые каждым из громкоговорителей, складываются арифметически. При более близком расположении громкоговорителей друг к другу получается увеличение излучения на низких частотах из-за взаимодействия излучателей и вследствие того, что при малых разностях хода излучаемых волн суммируются звуковые давления, а не интенсивности. Если озвучивается зал театра или концертный зал, то громкоговорители могут располагаться над сценой (рис. 7), по бокам ее или в центре помещения.

Сосредоточенные системы обеспечивают наилучшее соответствие зрительного и звукового образов и поэтому широко используются при стереофоническом звукоусилении. Их применяют при звукоусилении речевых и музыкальных сигналов на открытых пространствах и в закрытых помещениях. К особенностям этих систем относится трудность обеспечения малой неравномерности звукового поля на озвучиваемой площади, когда размеры последней велики.

Рупорные громкоговорители, используемые в сосредоточенных системах озвучения, могут иметь прямоугольное и круглое выходное отверстие. Пространственная характеристика направленности рупорного громкоговорителя достаточно хорошо аппроксимируется эллипсоидом вращения, вершина которого находится в рабочем месте излучателя. Диаграмма направленности громкоговорителя с прямоугольным сечением рупора в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам выходного отверстия, различна: шире в плоскости, параллельной короткой стороне. Диаграмма направленности рупорного громкоговорителя с круглым выходным отверстием одинакова во всех плоскостях. В полярных координатах, центр которых совмещен с вершиной эллипса, характеристика направленности громкоговорителя с круглым выходным отверстием имеет вид

D(θ) = (1-e²)×cos(θ)/(1-e²×cos(θ)),     ()

где е — эксцентриситет аппроксимирующего эллипса.

Рассмотрим распределение акустических уровней на площади, озвучиваемой рупорным громкоговорителем. Расположим громкоговоритель на высоте h над озвучиваемой поверхностью и направим его рабочую ось на наиболее удаленную точку поверхности А, расположенную на расстоянии r₀ от центра выходного отверстия громкоговорителя (точка О, рис. 8).

Эллиптическая диаграмма направленности громкоговорителя в вертикальной плоскости (рис. 8) построена в полярных координатах с центром в точке О по формуле r = r₀×D(θ) для е = 0.9 и озвучиваемой площади в форме эллипса. Поверхность диаграммы направленности рупора есть поверхность равных звуковых давлений (например равных р_звА), поэтому на протяжении всей кривой наземного эллипса акустические уровни будут одинаковыми и равными L_a. Внутри площади надземного эллипса уровни будут больше. Вне зоны озвучения, в том числе и на участках, лежащих между наземным эллипсом и проекцией точки подвеса громкоговорителя на озвучиваемую поверхность, акустический уровень будет меньше, чем в удаленной точке А, т. е. это будет необслуживаемая зона. Существует точка (в данном случае В), в которой акустический уровень L_aB будет максимальным и неравномерность уровней звукового поля в пределах озвучиваемой площади ΔL_a = L_aB — L_aA.

При увеличении высоты подвеса громкоговорителя h уменьшается и неравномерность звукового поля, однако при этом уменьшается и площадь наземного эллипса.

Громкоговорители с прямоугольным рупором имеют разные характеристики направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Эти характеристики также могут быть аппроксимированы эллипсами с эксцентриситетами соответственно е_в и е_г. При этом неравномерность звукового поля будет определяться характеристикой направленности в вертикальной плоскости, а размеры наземного эллипса — характеристиками направленности как в вертикальной , так и в горизонтальной плоскостях.

Если поверхность озвучения сложной формы, то неравномерность озвучения определяют методом координат (рис.9). При этом вершину эллипса помещают в центре координат, ось u совмещают с большой осью эллипсоида вращения, ось ω — с продольной осью выходного отверстия рупора, а ось ν — с поперечной. Звуковое давление, создаваемое рупорным громкоговорителем в произвольной точке с координатами u, ω, ν:

p_зв = p_зв1×u/(u²+ν²/(1-e_г²)+ω²/(1-e_в²)),     (39)

где p_зв1— звуковое давление на расстоянии 1 м от рабочего центра излучателя.

Обычно координаты точек, в которых определяется звуковое давление, проще задавать в системе х, у, z. Начало координат (точка О′) этой системы размещают в горизонтальной плоскости, принятой за нулевую при отсчете высоты, ось О′х совмещают с проекцией акустической оси громкоговорителя на горизонтальную плоскость.

Как правило, поле рассчитывают на высоте h_c голов слушателей. Для сидящих слушателей она принимается равной 1.2 м, а для стоящих — 1.6 м. Координаты точек а(х, у, z), расположенных в плоскости ушей слушателей, в координатной системе u, ω, ν определяются выражениями:

u = x×cos(α)+h×sin(α) = (l×x+h²)/(l²+h²)^½,
ν = y,
ω = x×sin(α)-h×cos(α) = (h×(x-l))/(l²-h²)^½     (40)

где h — высота подвеса громкоговорителя над головами слушателей; l = h×ctg(α).

Из-за сравнительно низких параметров качества рупорные громкоговорители применяют в основном для передачи речи.

Звуковые колонки. Для озвучения больших площадей часто удобно применять излучающие устройства, обладающие в вертикальной плоскости значительно большей направленностью, чем в горизонтальной. Звуковые колонки и являются такого рода излучателями. В горизонтальной плоскости направленность звуковой колонки практически не отличается от направленности одиночного громкоговорителя того же типа. Однако характеристика направленности цепочки громкоговорителей в вертикальной плоскости значительно обостряется из-за интерференции излучений отдельных громкоговорителей.

Пространственная характеристика направленности звуковой колонки аппроксимируется половиной эллипсоида вращения. В точке с коордринатами u, ω, ν звуковой колонкой создаётся звуковое давление

p_зв² = (p_зв1²×u²)/(u²+ν²/(1-e_г²)+ω²/(1-e_в²)),     (41)

где p_зв1, е_в, е_г имеют те же значения, что и для рупорного громкоговорителя. Значения е_в и е_г приводятся в справочниках. Как и для рупорного громкоговорителя, точки на озвучиваемой поверхности задают в системе координат x, у, z, а к координатам u, ω, ν переходят с помощью формул, указанных выше.

Расположим звуковую колонку на высоте h над озвучиваемой (горизонтальной) поверхностью и акустическую ось направим на удаленную точку А (рис. 9). При этом наклон акустической оси составит α = arctg(h/l), где l — расстояние между проекцией точки подвеса колонки на горизонтальную плоскость (точка О) и удаленной точкой А. Озвучиваемая площадь, как и для рупорного громкоговорителя, будет ограничена контуром в форме эллипса. Акустические уровни на контурной линии равны L_aA, а на озвучиваемой поверхности превышают это значение.

В зависимости от высоты подвеса и угла наклона звуковой колонки к озвучиваемой поверхности можно получить разное значение акустического уровня под звуковой колонкой (в точке О). Звуковую колонку можно расположить так, чтобы акустические уровни в точках О и А были равны (2 на рис. 10). В этом случае высота подвеса h ≈ l×(1-e_в)^½, а неравномерность звукового поля ΔL_a = 10×1g(2×е_в²).

Так как для большинства звуковых колонок е_в = 0.97…0.98, то h ≈ 0.25×l и ΔL_a ≈ 3 дБ. Максимальный акустический уровень, равный L_aмак = L_aA+З дБ будет находиться в середине наземного эллипса (точка В).

При уменьшении высоты подвеса уровень звука под колонкой будет больше, чем в удаленной точке А′ (1 на рис. 10), а при увеличении h — меньше (3 на рис. 10). Первый вариант преимущественно применяют в системах озвучения, третий — при звукоусилении, когда под излучателем расположен источник звука.

Радиальный громкоговоритель. Это групповой излучатель с вертикально ориентированной осью симметрии поля излучения. В вертикальной плоскости радиальные громкоговорители имеют диаграмму направленности грушевидной формы (максимум излучения получается под углом α = 60…80° к вертикали). В горизонтальной плоскости диаграмма не направлена.

Установим радиальный громкоговоритель на высоте h над озвучиваемой поверхностью (рис.11). Если считать радиальный громкоговоритель ненаправленным излучателем, то давление под громкоговорителем (точка О) и в точке А озвучиваемой поверхности определяется следующими выражениями:

p_зв² = p_зв1²/h², p_зв² = p_зв1²/(h²+l²),     (42)

где p_зв1 — имеет то же значение, что и для рупорного громкоговорителя.

При этом неравномерность излучения

ΔL_a = a×lg(1+l²/h²)     (43)

В действительности из-за грушевидной диаграммы направленности неравномерность звукового поля, создаваемого радиальным громкоговорителем, в интервале α = 70…80° имеет на 5…7 дБ меньшее значение.

Для более сложных сосредоточенных систем результирующее звуковое давление, создаваемое всеми громкоговорителями в исследуемой точке:

p_зв∑ = (p_зв1²+p_зв2²+…)^½.     (44)

Неравномерность озвучения ΔL_a = 20×lg(p_{зв∑макс}/p_{зв∑мин}), где p_{зв∑макс} и p_{зв∑мин} — максимальное и минимальное давления.

Распределенными называют системы, в которых звук к слушателю приходит от всех или большей части громкоговорителей с примерно одинаковым уровнем. Ряд громкоговорителей, расположенных так, что их акустические оси взаимно параллельны и направлены в одну сторону, образуют так называемую одномерную или линейную цепочку. В закрытых помещениях одномерная цепочка составляется из громкоговорителей , расположенных на одной или на двух боковых стенах помещения , или на потолке в виде одной или двух цепочек. Двумерная распределенная система образуется громкоговорителями, расположенными по всему потолку (рис. 12, в). Широкое распространение получили распределенная система кресельных громкоговорителей небольшой мощности (порядка 0.5 Вт), располагаемых в спинках кресел. Уровень звукового поля у слушателя при этом создается в основном своим и соседними громкоговорителями.

В закрытых помещениях, как правило, расстояние от озвучиваемой поверхности до цепочки r (рис. 12, а) больше половины шага d, поэтому давление, создаваемое одной цепочкой ненаправленных громкоговорителей , определяется выражением

p_зв = p_зв1×(π/(2×d×r))^½,     (45)

где p_зв1 — давление на расстоянии 1 м от выходного отверстия громкоговорителя (определяется техническим описанием громкоговорителя или задается преподавателем).

Для двух цепочек (рис. 12, б) — выражением:

p_зв = p_зв1×(π/(2×d×r)×(1/r₁+1/r₂))^½,     (46)

где r₁ и r₂ — расстояния от цепочек до исследуемой точки.

Неравномерность озвучения в поперечном направлении определяется как разность уровней под цепочкой и на средней линии помещения. Расчеты показывают, что при высоте подвеса громкоговорителя h ≥ O.3×b и применении двух параллельных линейных цепочек (b — расстояние между цепочками) неравномерность звукового поля по ширине помещения будет меньше 1 дБ, а неравномерность озвучения по длине помещения при h ≥ d не более 1 дБ.

В случае применения одной линейной цепочки неравномерность озвуче -ния определяется по формуле

ΔL_a = 10×lg(r_макс/r_мин),     (47)

r_макс и r_мин — расстояния от цепочки громкоговорителей до дальнего и ближнего краев озвучиваемой поверхности. Неравномерность озвучения не превышает 3 дБ при h ≥ 0.55×b, а при h ≥ l.3×b-ΔL_a < 1 дБ. Таким образом, если ширина помещения , равна или меньше высоты, целесообразно применять одну линейную цепочку громкоговорителей. При этом можно обеспечить ΔL_a = 1…3 дБ. Если же ширина помещения в два раза больше его высоты, то для получения такого же значения ΔL_a необходимо применять две параллельные цепочки. При хорошо отражающих стенах (коэффициент поглощения менее 0.4) характеристики звукового поля одиночной цепочки определяются так же, как и в случае двух параллельных цепочек, но в расчетные формулы необходимо подставлять удвоенное значение ширины помещения.

В помещениях больших размеров настенные линейные цепочки ненаправленных громкоговорителей не позволяют обеспечить требуемой неравномерности звукового поля. В этом случае применяют звуковые колонки. Обычно, если ширина помещения не превышает 10…12 м, используют одну настенную цепочку из звуковых колонок малой и средней мощности. Звуковые колонки располагают на боковых стенах так, чтобы их акустические оси в случае применения одной цепочки были направлены в противоположную стену помещения (рис. 12, а), а в случае применения двух — по продольной оси помещения (рис. 12, б). В закрытом помещении высота h цепочки, как правило, больше половины ее шага d, поэтому неравномерность звукового поля определяется лишь неравномерностью по ширине помещения.

Если применяется одна цепочка звуковых колонок, то давления под цепочкой и в точке x = b будут одинаковы при h ≈ (1 — е_в²)^½.В этом случае неравномерность озвучения ΔL_a = 5×1g(2×_в²). Для обеспечения минимальной неравномерности звукового поля оптимальной является высота h = b×(1-e_в²)^½.

Две цепочки звуковых колонок применяют при ширине помещения 12…30 м. При высоте установки колонок неравномерность звукового поля не будет превышать 1 дБ.

Решетку ненаправленных громкоговорителей располагают на потолке (рис. 12, в). При такой системе расположения громкоговорителей, когда h ≥ d (практически это условие всегда выполняется), излучаемая звуковая волна близка к плоской. В этом случае неравномерность озвучения не превышает 1 дБ, а звуковое давление на озвучиваемой площади не зависит от расстояния:

p_зв = p_зв1×(2×π×n/S)^½,     (48)

где n — число громкоговорителей ; S — площадь решетки громкоговорителей.

Зональными называют такие системы , в которых озвучиваемая площадь разбивается на ряд зон, в каждой зоне звуковое поле создается отдельными громкоговорителями (или группой близко расположенных громкоговорителей). Эти системы обычно применяют для озвучения больших площадей открытых пространств: парков, производственных территорий, улиц (рис. 13).

Однако зональные системы можно использовать в комбинации с сосредоточенной системой, когда последняя не позволяет обеспечить требуемый уровень и заданную неравномерность звукового поля на всей площади, занятой слушателями, например в залах сложной формы места слушателей, расположенные на балконе, оказываются иногда экранированными от звукового поля громкоговорителей сосредоточенной системы (рис. 14).

В зональных системах звуковое поле создается звуковыми колонками, радиальными или рупорными громкоговорителями. Громкоговорители располагают так, чтобы их зоны озвучения частично перекрывались и покрывали всю озвучиваемую поверхность.

Наиболее удобным для зонального озвучения больших площадей являются радиальные громкоговорители, которые устанавливают в центрах зон (рис. 13). При расчете неравномерности звукового поля учитывают, что уровень поля на границе соседних участков за счет суммирования излучения от двух громкоговорителей повышается на 3 дБ (p_зв∑ = (p_зв1²+p_зв2²+…)^½ по сравнению с акустическим уровнем, создаваемым одним громкоговорителем. В то же время в углах суммируется излучение четырех громкоговорителей и акустический уровень за счет этого повышается на 6 дБ. Вдоль границы зоны акустический уровень почти не меняется. Внутри каждой зоны уровень можно определить по выражениям

p_зв² = p_зв1²/h², p_зв² = p_зв1²/(h²+l²),     (49)

с учетом реальной характеристики направленности. Зная распределение звуковых давлений в зоне и на ее границе, можно оценить неравномерность озвучения.

В зональных системах возможно появление эха, создаваемого отдельными громкоговорителями. Эхо может искажать звуковоспроизведение, поэтому для отдельных, наиболее характерных областей зон рассчитывают время запаздывания между сигналами ближнего и дальнего громкоговорителей и разность их уровней. Обычно такую проверку проводят при использовании звуковых колонок и рупорных громкоговорителей.

Система звукоусиления, кроме повышения уровней первичных источников сигнала, может обеспечить передачу информации об их расположении в пространстве. Такие системы звукоусиления относят к стереофоническим. Обычно стереофонические системы звукоусиления бывают многоканальными. Каждый из каналов на входной стороне имеет группу микрофонов, расположенных у первичных источников сигнала, а выход каждого канала закрепляется за определенной группой громкоговорителей, обычно устанавливаемых над сценой.

В залах многоцелевого назначения, в которых звукоусиление организуется для разных по типу сигналов (речевых, симфонической, эстрадной, камерной музыки), невозможно обеспечить требуемую частотную характеристику времени реверберации архитектурными приемами. Требования к акустическим свойствам помещения определяются характером акустического сигнала. Оптимальное время реверберации в больших залах для речевого сигнала 0.5…0.7 с, для музыкальных (в зависимости от жанра) — 1.3…2.1 с. Поэтому в таких залах оптимальные акустические условия для различных сигналов создаются специальной системой звукоусиления, которая с помощью устройств искусственной реверберации позволяет оперативно изменять время реверберации. Такие системы звукоусиления называются амбиофоническими. В залах многоцелевого назначения амбиофонические и стереофонические системы звукоусиления работают совместно.

В закрытых помещениях с нормальными акустическими условиями (отсутствие акустических дефектов помещения, невысокий уровень шума) звукоусиление , как правило , требуется при объемах свыше 2000 м³ и при расстояниях до слушателей свыше 25 м. В переглушенных помещениях и при высоком уровне шумов звукоусиление может понадобиться и при меньших объемах и расстояниях.