Юдин С.Ю. О принципах кратчайшего времени и наименьшего действия

Подготовка акустики к работе с живым звуком

__________________________________________

Любил и я в былые годы,

В невинности души моей,

И бури шумные природы

И бури тайные страстей.

Но красоты их безобразной

Я скоро таинство постиг,

И мне наскучил их несвязный

И оглушающий язык.

М.Ю. Лермонтов

_________________________________________________________________

Античные философы предполагали, что «природа ничего не делает напрасно и во всех своих проявлениях избирает кратчайший или легчайший путь». Позднее, в классической механике это стали называть принципом наименьшего действия. Он предписывает телу двигаться таким образом, чтобы величина действия оказалась минимальной (при заданных начальных и конечных координатах траектории движения). Еще позже выяснилась универсальность принципа – он работает в термодинамике, оптике, квантовой механике, и даже в сфере гуманитарных дисциплин. Однако, последние исследования [1] показывают, что использование принципа наименьшего действия возможно и оправданно лишь в случае осознанной и квалифицированной постановки задачи. В противном случае пользователь может просто не попасть в заданную конечную точку траектории.

Рассмотрим задачу обеспечения комфортного звучания музыки в зале. Задача относится к разряду многофакторных. Из двух основных факторных подмножеств – качество исполнения и акустика – остановимся на последнем. Акустику оценивают по целому ряду параметров (4, 5). Из них базисными, по аналогии с осями ориентации в пространстве, являются ясность (Я), объёмность (О), тембр (Т) и громкость (Г). Ясность означает в данном случае возможность различения звуков в партитуре по вертикали и горизонтали, а понятие тембр включает в себя не только тембр того или иного инструмента, но и влияние акустики на баланс между звучанием различных инструментов. В случае живого исполнения музыки через систему звукоусиления чрезвычайно актуально, также, соответствие (С) звукового образа зрительному. Таким образом, перед звукорежиссёром в зале стоит задача “привести” звук в наиболее подходящую точку пятимерного пространства оценок – Я, О, Т, Г, С. Разумеется, это не просто, тем более, что требования к акустике могут изменяться от одного номера программы к другому.

Попытки наладить приемлемый звук во время концерта зачастую сводятся к увеличению громкости – самому простому преобразованию звуковой картины, олицетворяющему принцип наименьшего действия. Заметим, что этот процесс форсирования звука «засасывает» не только звукорежиссеров, но также и музыкантов. Известный исполнитель и теоретик музыки Николаус Арнонкур [2] пишет: «Сыграв хотя бы раз громче, потом — чтобы не утратить первоначального впечатления — надо играть каждый раз все громче и громче, вплоть до болевого порога. И лучше, чтобы зал был побольше».

Тщетность попыток повысить качество звучания за счет увеличения громкости следует из того геометрического факта, что изменяя лишь одну координату объекта в пространстве, невозможно поместить его куда-либо, кроме как на одну единственную линию в этом пространстве. В нашем случае линия простирается от 40 до 120 дБ и постепенно, по мере привыкания ушей к децибелам, укорачивается до 90 – 120 дБ.

Здесь уместно напомнить о медицинских противопоказаниях к воздействию громких звуков на организм, а также о стандартах и рекомендациях экспертов, оценивающих качество звуковой аппаратуры и акустики залов. В зависимости от вида музыки, субъективная экспертиза проводится при одном из трёх средних уровней звука – 65, 75 или 85 дБ. В последнем случае после 5 минутного прослушивания полагается сделать перерыв на 5 минут. Максимальный уровень громкости прослушивания в аппаратной не должен превышать 90 дБ [3]. (Это, кстати сказать, уровень звука отбойного молотка на расстоянии 1м от асфальта.) Контроль уровня по ходу экспертизы осуществляется с помощью шумомера.

Повысить эффективность работы звукорежиссера может предварительная настройка акустики зала. Предлагаемая технология настройки базируется на известных фактах из области архитектурной акустики и психоакустики и состоит в оптимизации четырёх параметров субъективной оценки (всех, кроме громкости: Я, О, Т, С). Цель настройки – максимально возможное приближение к качеству звука в зале с заведомо хорошей натуральной акустикой.

Каждый из параметров субъективной оценки обуславливается теми или иными объективными характеристиками акустики:

– ясность (в другой терминологии – прозрачность, transparency) определяется временем реверберации, которое не должно быть слишком велико, уровнем звука начального участка импульсного отклика (в зале без звукоусиления – уровнем первых отражений);

– объёмность (пространственное впечатление) – уровнем первых боковых отражений, уровнем низких частот и временем реверберации, которое должно быть достаточно велико;

– тембр – частотной зависимостью тракта звукопередачи A(f) и времени реверберации Т(f). (В зале с естественной акустикой трактом звукопередачи является объём зала, при наличии звукоусиления в тракт добавляется акустическая система.);

– соответствие слухового и зрительного образов достигается при условии, что отраженный звук приходит к слушателю с достаточной задержкой относительно прямого звука.

Таким образом, для того чтобы достигнуть максимально высокого качества акустики зала имеющимися в распоряжении средствами, необходимо:

1. правильно расставить имеющиеся акустические системы АС;

2. настроить их АЧХ в соответствии с рекомендациями к форме A(f);

3. настроить рекомендуемую частотную зависимость времени реверберации TR (f) зала;

4. настроить delay-эффекты прямого звука, первых боковых отражений и реверберации;

5. настроить соотношение интенсивности имитируемых сигналов прямого звука, первых отражений и реверберации.

Рассмотрим каждый из пунктов.

Расстановка АС. Для приведения в соответствие слухового и зрительного образов необходимо каким-то образом отделить во времени и пространстве прямой звук от реверберации. Для этого можно традиционную портальную систему разделить на две подсистемы – узкую (внутреннюю) и относительно маломощную, имитирующую прямой звук, и широкую (внешнюю) для микса прямого звука, первых боковых отражений и реверберации. На узкую подсистему следует подавать только прямой звук с микрофонов. (Соответствующие АС должны иметь широкий раскрыв в горизонтальной плоскости. Лучше других могут подойти для этой цели сателлиты с ленточными драйверами. Отсутствие низких частот в данном случае не критично.) На широкую – прямой звук, имитацию первых боковых отражений и синтезированную реверберацию.

Настройка А(f). АС подсистемы прямого звука должны честно передавать звук источника. Их АЧХ должны быть горизонтальны. Коррекцию АЧХ следует проводить, измеряя уровень звука на расстоянии 1 или 2 метра от лицевой панели АС (в зависимости от размера АС). Внешняя подсистема должна обеспечить A(f), аналогичную по форме эталонной [4], приведенной на рис.1. Форма этой кривой зависит как от частотной характеристики АС, так и от свойств зала. Измерения по стандартной методике [4] проводятся на зрительских местах при излучении розового шума. Спектр строится в третьоктавных полосах (путём фильтрации полученного сигнала). Естественно, A(f), полученные в разных точках зала будут отличаться друг от друга. Поэтому следует построить усреднённый по точкам в зале график и по нему определять требуемую поправку в каждой полосе частот (эквализацию).

Рис.1. Оптимальная форма АЧХ музыкального зала

Реверберация. Рекомендации по времени реверберации TR концертных залов можно найти в работах [5-9]. Все они сходятся в том, что на низких частотах TR должно быть больше, чем на средних (в 1, 2–1, 8 раза). Это связано с тем, что на низких частотах слух гораздо менее чувствителен (рис. 2, [5]), и если бы зависимость TR от частоты была горизонтальной, то к концу отзвука зала мы слышали бы только высокие частоты. Слух же предпочитает низкие частоты, интересный график в подтверждение этого факта приводится в [5] М.А. Сапожковым (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты звука

Рис. 3. Частотные зависимости уровня звукового давления тона одинаково неприятного с тоном 1000 Гц заданного уровня (параметр кривых — уровень тона 1000 Гц)

Помимо частоты, рекомендуемое время реверберации зависит от объёма зала и от жанра исполняемой музыки (рис. 4, [10]).

Подбирая время реверберации, идущей в зал через микшерный пульт TП, следует помнить о собственной реверберации зала TЗ. Итоговая реверберация связана с TП и TЗ следующим соотношением [5]:

Т³_R = Т³_П + Т_З³

Решающее значение имеет здесь большее слагаемое. Если оно в полтора или более раз превышает меньшее, то последним можно пренебречь. Ошибка составит менее 10 процентов, что незаметно на слух.

Рис. 4. Благоприятное время реверберации в помещениях при их полном заполнении

Настраивать плагин реверберации можно взяв за образец частотную зависимость TR зала с хорошей акустикой, например, Большого зала московской консерватории (БЗК).

По последним данным [11], частотная зависимость времени реверберации БЗК после капитального ремонта такова:

Средняя частота полосы 125 250 500 1000 2000 4000

TR 2, 9 2, 87 2, 66 2, 41 2, 1 1, 7

Измерения проводились в пустом зале. В заполненном публикой зале эти значения уменьшатся на 20–30%.

Другой, более универсальный способ – определение требуемых значений TR из графиков рис.4 и следующей таблицы отношений TR (f) к TR (500 Гц):

Средняя частота полосы 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

TR (f) / TR (500 Гц) 1, 3 1, 5 1, 3 1 1 0, 9 0, 8 0, 6

Данная таблица получена нами путем усреднения опубликованных рекомендаций авторитетных специалистов.

Delay. На АС прямого звука задержку можно не ставить. Хотя в каких-то случаях небольшая задержка, возможно, была бы уместна для того, чтобы голос исполнителя пришел от него к зрителю раньше звука от АС. Рекомендуемая задержка прямого звука на внешнюю портальную подсистему – 15–25 мс. Такой же перерыв рекомендуется между прямым звуком и первыми отражениями, имитировать которые в первом приближении может копия прямого звука с небольшим подъёмом левой части спектра (500 Гц – 1 дБ. 250 Гц – 3 дБ, 125 Гц – 4дБ). Еще через 10–15 мс можно подключать реверберацию.

Настройка соотношений уровней звука. Портальная подсистема прямого звука (внутренняя АС) служит в основном для определения на слух местоположения исполнителей. Она может работать на 5–15 дБ тише подсистемы микса (внешняя АС, портал). Это позволит также несколько повысить порог «завязки» всей аудиосистемы.

Что касается соотношения уровней сигналов, транслируемых внешней подсистемой, то здесь придется, видимо, в каждом зале искать свой оптимум экспериментально. Дело в том, что хорошее качество звука достигается при разных соотношениях. Например, две лучшие группы мест в БЗК расположены и в первой половине партера, где превалирует прямой звук с первыми отражениями, и в первых рядах амфитеатра, где доля прямого звука составляет несколько процентов. Начать итерации можно с соотношения 1: 1: 1. А в случае использования «чужой» фонограммы в концерте, лучше оставлять только прямой звук – всё остальное может уже быть на записи.

Если помимо портальной системы в зале есть другие АС, их тоже следует включить в работу, настроив АЧХ и задержки сигналов. Их же можно использовать для имитации боковых отражений. Более конкретно сказать что-либо трудно, поскольку в разных залах дополнения к портальной системе различны.

В заключении хочется напомнить слова К.С. Станиславского: «Громкость в музыке нужна для того, чтобы оглушить профанов, сидящих в первом ряду» и порекомендовать использовать шумомер для контроля уровня звука в зале.

Рекомендации ОИРТ (OIRT — Organization International Radio and Television) для возможности успешного международного обмена радио- и телевизионными программами (Меерзон Б., статья в ж-ле «Звукорежиссер» № 8 от 1999 г.)