Спектры и тембр, акустика помещений и студий

     Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают "чистыми" синусоидальными тонами, а являются созвучиями. Последнее означает, что источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т. д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкальной акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1-ым, 2-ым, 3-им, 4-ым и т.д. В физике, хочу сразу оговориться, используется иная терминология: основной тон называют 1-ой гармоникой, а обертоны, начиная с первого именуются высшими гармониками 2-ой, 3-ей, 4-ой и т. д. по порядку.

Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску или, иными словами, присущий данному источнику тембр. Распределение элементарных тонов созвучия по частотам может не подчиняться какому-либо простому закону. Характерный пример - звук колокола. Но в большинстве случаев под определением "созвучие" мы понимаем комбинацию основного тона с более или менее интенсивными естественными обертонами. От чистого тона созвучие отличается тем, что его временная функция не является синусоидальной.

Уровень звукового давления скрипки в функциях времени (а) и частоты (б)

На рисунке (а) приведена временная функция созвучия скрипки. Распознать по этому графику основной тон колебания очень трудно. Ничего данный график не говорит и о частотном составе созвучия. Для этого следует представить данное колебание в иной плоскости, в виде так называемой, спектральной характеристики. Для этого, по оси частот, в виде вертикальных отрезков, откладываются уровни колебаний, составляющих созвучие. Спектр созвучия скрипки, соответствующий приведенной выше временной функции, представлен на рисунке (б). Характерной чертой спектров струнных смычковых инструментов, и, в частности скрипки, является наличие в них почти одинаковых по интенсивности первых восьми - девяти составляющих колебаний, медленно убывающих по величине с ростом их порядкового номера.

На следующем рисунке приведена временная функция и спектр гласной "И". В отличие от спектра скрипки, в котором амплитуды составляющих тонов спадают почти равномерно, амплитуды спектральных составляющих гласного звука - это хорошо видно - подчиняются другому закону. Вокруг частот 200 и 3000 Гц составляющие тоны достаточно интенсивны, в других интервалах они значительно слабее: огибающая спектра имеет два четких максимума. Для различных гласных эти максимумы лежат на разных частотах и называются формантами.

Уровень звукового давления гласной "И" в функциях времени (а) и частоты (б)

Большинству тонов, которые мы слышим, присуще непостоянство и по амплитуде, и по частоте. С частотами, примерно равными 5 - 25 Гц, амплитуды звукового давления периодически изменяются (амплитудная модуляция), что придает звуку характерную "тремолирующую" окраску. А при постоянной амплитуде, быстро меняющаяся частота основного тона (частотная модуляция), на слух воспринимается как вибрато. И в том и в другом случае спектры натуральных звучаний музыкальных инструментов обогащаются новыми частотными составляющими, влияющими на тембр.

В музыке часто, звучат два тона с почти одинаковыми уровнями и частотами. На слух они воспринимаются как один тон. Однако из-за существующего все-таки небольшого различия частот, фазы тонов постоянно смещаются одна относительно другой. В моменты, когда фазы совпадают, громкость увеличивается, когда фазы расходятся, громкость становится слабее. Поэтому и воспринимаемый слухом суммарный тон периодически меняет громкость. Этот очень характерный эффект называется биениями. Конструкторы органов используют этот эффект для оживления звуков инструмента, устанавливая в нем дополнительный регистр, который отличается на несколько Герц от строя других регистров и поэтому создает биения.

И наконец, звуки почти всех музыкальных инструментов сопровождаются, так называемыми, узкополосными шумами. Шумами в акустике называют звуки, которые, в отличие от синусоидальных тонов и созвучий, у которых спектры дискретны, имеют непрерывный спектр. Например, играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический музыкальный тон, но и шум от вдувания воздуха. Из этого шума флейта, как акустический резонатор, выделяет узкою полосу вблизи основного тона. Этот узкополосный шум смешивается с основным тоном, благодаря чему звук флейты приобретает присущую ему выразительность. Такие же шумы возникают при игре на смычковых инструментах, а также в речи и пении. На приведенных выше рисунках их можно заметить по незначительным различиям колебаний в разные периоды. На спектре это проявляется в его расширении, а также в заполнении интервалов между отдельными составляющими.

Итак, слушая музыку, мы воспринимаем не только громкость и высоту звука, но и нечто такое, что отличает звук от чистого тона. Этот признак - тембр. И если ощущение громкости или высоты имеет вполне однозначные признаки, характеризующие данный звук: громче - тише или выше - ниже, то у тембра, напротив, бесчисленное множество характеристик, соответствующих многообразию состава тонов, которые образуют созвучие. Ни в одном языке мира, а также в научной и инженерной терминологии нет таких слов, которыми можно было бы достаточно точно охарактеризовать такие понятия как, например, тембр скрипки или тембр голоса певца. Здесь часто прибегают к метафорам типа: "жесткий тембр", "бархатистый тембр", "глухой тембр" и т.п.

Пространственное восприятие звуков

Человек обладает способностью определять направление приходящих звуков. Наши органы слуха, воспринимая звуковые колебания от источников звука, расположенных справа и слева от слушателя, различают их и по амплитуде, и по фазе. При этом фазовые сдвиги приходящих звуковых волн связаны с разницей в расстояниях от источника звука до левого и правого уха. Различие по амплитуде звуковых давлений вызвано тем, что голова оказывает определенное экранирующее действие, особенно заметное для звуковых волн, соизмеримых по длине волны с ее размерами (т. е. на высших частотах звукового диапазона). Оба этих явления воспринимаются человеком и служат информацией о месте источника звука в пространстве.

Способность человека определять место расположения (локализацию) источника звука, т. е. ощущать направление прихода звуковых волн, называется бинауральным эффектом. Благодаря ему возможно пространственное слуховое ощущение.

Особенность восприятия звуков, излучаемых источниками, расположенными в разных точках пространства не ограничивается четким ощущением локализации этих источников. Очень важно еще и то, что, благодаря локализации, даже при одновременном звучании нескольких источников, человек получает возможность, иногда совершенно подсознательно, переключать внимание на звук приходящий по одному какому-нибудь направлению и чисто психологически выделять его на фоне других. Этот эффект, улучшающий различимость отдельных компонентов звучания, например, различных музыкальных инструментов в ансамбле, и уменьшающий, таким образом, их взаимную маскировку, часто называют бинауральной демаскировкой.

Это обстоятельство важно учитывать звукорежиссеру при проведении одноканальной (монофонической) передачи, когда воспроизведение звуковой программы осуществляется через один громкоговоритель и потому все звуки слышатся исходящими из одной точки. Поскольку слушатель, в этом случае, утрачивает ощущение локализации отдельных источников звука их взаимная маскировка сказывается значительно сильнее, чем на натуре. Отсюда вытекает один из очень трудно устранимых принципиальных недостатков монофонической звукопередачи и звукозаписи: недостаточная "прозрачность" звучания, которая вынуждает звукорежиссера выделять солирующие инструменты на самый близкий, крупный звуковой план, часто значительно более близкий, чем это требуется по композиторскому замыслу и для сохранения стиля музыкального произведения. В итоге необходимо компромиссное решение, не разрушающее естественность звучания, а звукорежиссер надо проявить безупречный вкус и высокое профессиональное мастерство.

Звук в закрытом помещении

Со звуками на открытом воздухе звукорежиссеру приходится сталкиваться достаточно редко. Обычно художественные программы исполняются в помещениях: студиях, на сценах театров, концертных залов. Акустические свойства помещения существенно влияют на характер звучания исполняемой в нем музыки и речи. В помещениях акустическое поле формируется не только прямой волной, идущей от исполнителя по кратчайшему пути, но и после отражений от стен, потолка, пола и находящихся в помещении предметов. При каждом новом отражении часть звуковой энергии звуковой волны поглощается отражающими поверхностями и воздушной средой, а часть ее, в виде частых и убывающих по величине повторений, воздействует на слух, накладываясь на основной (прямой) звук и придавая ему привычную для слушателей протяженность и окраску.

Отражения звука от стен помещения: И - источник звука; С - слушатель; 1 - прямой звук; 2 - звук, претерпевший одно отражение; 3 - после двух отражений; 4 - после трех отражений

Таким образом, в помещении, где расположен источник звука, поле звуковых волн формируется из прямой и отраженных волн, образующих так называемое диффузное (рассеянное) звуковое поле. Причем, первые отраженные волны следуют друг за другом дискретно, хотя и с малыми задержками, но с ростом времени в формировании звукового поля начинают принимать участие волны, претерпевшие разное число отражений и имеющих самые различные фазовые соотношения. При этом затухание звука теряет дискретный характер и становится непрерывным, слитным, что поясняется рисунком.

Спад звуковой энергии после выключения источника звука: Т - время стандартной реверберации

Именно звуковые отражения, когда источник звука выключен, поддерживают поле и звук не пропадает мгновенно, а замирает в течение какого-то определенного для данного помещения времени. Такое постепенное замирание звука в помещении, иначе - послезвучание, называется реверберацией. От скорости замирания звука зависит время существования отзвука в помещении, так называемое время реверберации. Это время тем больше, чем меньше звуковой энергии при отражениях поглощается ограничивающими помещение поверхностями и расположенными в нем предметами.

Естественно, что поглощение звука зависит от размеров помещения, свойств материалов, покрывающих стены, потолок и пол, а также от степени заполнения помещения различными предметами. Например, гладкие крашенные маслом стены, застекленные окна, паркет, полированная мебель - хорошие отражатели звука. Энергия звуковых волн при отражении от таких поверхностей теряется в небольших количествах. Наоборот, ковры, мягкая мебель, тяжелые матерчатые драпировки - хорошие поглотители; наличие их в помещении резко сокращает время реверберации.

Гулкие помещения имеют большое время реверберации, в них энергия звуковой волны спадает медленно. В таких помещениях речь теряет разборчивость, музыка звучит более пространственно, расплывчато. В сильно заглушенных помещениях, где поглощение звуковой энергии отражающими поверхностями идет быстро и время реверберации мало, речь и музыка звучат глухо, звук лишается сочности и естественной окраски.

Для сравнения помещений по их акустическим свойствам введено понятие времени стандартной реверберации. Временем стандартной реверберации T называется время, которое необходимо для того, чтобы плотность звуковой энергии в помещении после выключения источника звука снизилась до одной миллионной части своей начальной величины, т.е. уменьшилась бы на 60 дБ. Это - первая и основная характеристика акустических свойств помещения. Опыт радиовещания и звукозаписи показал, что лучшее звучание или оптимальное (наиболее выгодное) время реверберации не одинаково для студий разных размеров и различного назначения. Ориентировочно оптимальное время реверберации студии может быть определено по кривой, приведенной на рисунке. Оно равно 0,35 - 0,5 с для речевых дикторских студий малого объема и доходит до 2 с для больших концертных студий.

Кривые зависимости времени оптимальной реверберации от объема студии (для частоты 500 - 1000 Гц

Некоторое уменьшение оптимального времени реверберации для литературно-драматических студий связано с необходимостью сохранения максимальной четкости (разборчивости) текста, которая в известной степени ухудшается при большой реверберации.

Второй важной характеристикой акустических свойств студии является частотная характеристика времени реверберации или зависимость времени стандартной реверберации от частоты звукового сигнала. Энергия колебаний различных частот звукового диапазона поглощаются одними и теми же материалами по-разному. Например, ковры, мягкая мебель, драпировки, да и сами слушатели, заполняющие концертный зал, поглощают энергию более высоких частот сильнее, чем низких. Помещения, в которых преобладают подобные поглотители, будут иметь время реверберации большее на низших звуковых частотах и меньшее на высших. Это приводит к значительному искажению тембра звука. Звучание будет глухим и бубнящим. Студии и концертные залы должны иметь определенную частотную характеристику времени реверберации.

Опыт эксплуатации показывает, что для больших музыкальных студий рекомендуется прямолинейная характеристика времени реверберации в полосе частот от 250 Гц и выше. Даже сравнительно небольшое подчеркивание отдельных частотных областей на этом участке звукового диапазона может весьма неприятно сказаться на тембре исполняемой музыки. Звукорежиссеры в таких случаях говорят, что студия имеет "формантный характер". И лишь на частотах ниже 250 Гц иногда предпочитают небольшой плавный подъем характеристики (на 40-50%). Для речевых студий, площади которых обычно малы, характеристика времени реверберации должна иметь спад в области низших частот. Это необходимо для того, чтобы ослабить резонансные явления, возникающие в помещениях малых объемов, которые на слух воспринимаются как "бубнение" голоса.

При обзоре акустических характеристик студий и концертных залов нельзя обойти вниманием роль ранних дискретных отражений звука и влияние времени запаздывания прихода к слушателю каждой из этих волн по сравнению с прямым звуком. Впечатление слушателя о размерах зала определяется именно этими временами запаздывания. В залах малого размера время запаздывания первого отражения обычно не превышает 20 мс. Звучание здесь воспринимается камерным, интимным. В больших залах задержки первых отражений, еще не успевших в значительной мере потерять свою энергию, больше. Но если при этом они не превышают 50 мс, (при которых уже возникает эффект эха, т.е. повторы слогов слышаться раздельно), то первые отражения, хотя на слух и сливаются с прямым звуком, но тем не менее создают эффект присутствия слушателя в большом помещении.

Иногда в плохих студиях наблюдается очень нежелательный эффект, получивший название порхающего эха или флаттер-эффекта. Флаттер-эффект возникает, когда имеются две параллельные гладкие стены, или потолок и пол, между которыми находится источник звука. В этом случае в точку приема приходят два первых отражения. Если, при этом, разность их путей от ограждающих поверхностей превышает 18 -20 м, то возникает эхо. Оно особенно подчеркивается за счет сдвига фаз, проявляющимися во взаимном усилении или ослаблении звука (интерференции звуковых волн). В результате многократного отражения в точке приема звук периодически усиливается, а на коротких импульсных звуках, в зависимости от частотных компонент эха и интервала между ними, приобретает характер дребезга, тресков или ряда последовательных и затухающих сигналов эха.

При оценке акустических свойств студии, принимают во внимание и еще один ее параметр: диффузность звукового поля. Под диффузностью звука понимают равномерность распределения энергии отраженных волн по всему объему помещения, при котором уровень звуковых волн, приходящих в данный момент из разных направлений, одинаков, а фазы случайны. Для улучшения диффузности при строительстве студий прибегают к расчленению больших отражающих поверхностей полуколоннами круглой или прямоугольной формы, применяют кессонные потолки, подвесные отражатели. Для этих же целей иногда используют непараллельные стены и потолок с полом.

Студия звукового вещания и звукозаписи - это специально оборудованное помещение, стены и потолок которого покрываются специальными звукопоглощающими материалами и конструкциями, так называемыми абсорбентами.

Исходя из оптимальных акустических условий для вещания и записи, следовало бы иметь ряд студий, различных не только для музыки и речевых программ, но и для музыки разных стилей. Понятно, что такое решение, привлекательное с творческих позиций, экономически не выгодно. Поэтому студии, обычно, строятся двух типов: речевые и музыкальные. В зависимости от возможного числа исполнителей и, следовательно, объема музыкальные студии можно подразделить на несколько типов. Большая музыкальная студия рассчитывается на большие коллективы до 200 человек, ее объем более 10000 куб. м. В таких студиях можно работать с большими симфоническими оркестрами и хором с солистами. В средней музыкальной студии условия оптимальны для работы с коллективами исполнителей до 60 человек, объем таких студий 5000 куб. м. Это студии для камерных, эстрадных и симфонических оркестров неполного состава.

В малой концертной студии работают с коллективами численностью не более 25 человек, их объем 2000 куб. м. Они предназначены для джазовой музыки, вокально-инструментальных ансамблей. Студии также могут использоваться для литературно-драматических постановок. Этот тип студии, таким образом, является переходным к речевым помещениям.

Литературно-драматические студии предназначаются обычно для небольшой группы актеров (до 10-15 человек), оборудуются приспособлениями для оперативного (по ходу записи) изменения акустики (экранирующие щиты, выгородки, задергивающиеся занавеси и т.п., для возможности имитации различных звуковых мизансцен спектакля.

При проектировании телевизионных студий приходится учитывать некоторые дополнительные факторы, диктующие специфические требования к их акустическим свойствам. Во-первых, декорации вносят дополнительное поглощения и отражение. Кроме того, акустические условия меняются по ходу передачи при перемещении исполнителей и возникает необходимость в согласовании при этом зрительного и звукового образа.

Как уже было сказано выше, для разных жанров исполнения требуются отличающиеся друг от друга по акустике студии. Достигается это за счет применения при акустической обработке помещений поглотителей (абсорбентов), имеющих различные физические свойства. Так, имеются абсорбенты двух типов: низкочастотные и высокочастотные. К высокочастотным абсорбентам, обладающим преимущественным поглощением энергии высоких звуковых частот, относятся пористые материалы типа древесно-волокнистых плит, оргалит, маты из различной ваты (стеклянной, капроновой, асбестовой), плиты-мипоры, матерчатые драпировки, ковры и т.п. Для выравнивания частотной характеристики реверберации наряду с высокочастотными поглотителями и в комбинации с ними применяются также специальные конструкции, поглощающие преимущественно энергию низших звуковых частот. Наиболее часто применяемой конструкцией такого типа является слоистый пористый поглотитель толщиной 8-10 см. Он покрывается жестким перфорированным материалом, например фанерой с круглыми отверстиями диаметром 5-6 мм, отстоящих друг от друга на расстоянии 25-40 мм.

Звуковые волны высших частот, падая на жесткую перфорированную поверхность, отражаются от нее и проходят внутрь поглощающего слоя только в тех местах, где имеются отверстия. Так как площадь отверстий невелика по сравнению с общей площадью конструкции, звуковая энергия высших частот поглощается весьма незначительно. Низшие частоты благодаря явлению дифракции могут огибать препятствия , поэтому с понижением частоты доля проходящей сквозь отверстия перфорации звуковой энергии увеличивается, а следовательно, растет и поглощение.

Низкочастотными поглотителями являются резонирующие панели, закрепленные у стен на небольшом расстоянии и представляющие собой нечто вроде мембраны на воздушной подушке между стеной и панелью. Эта панель колеблется под действием падающей звуковой волны на частоте собственного резонанса и отбирает часть звуковой энергии. Так как резонансная частота таких конструкций зависит от свойств материала, толщины панели, ее крепления и толщины воздушного промежутка между стеной и панелью и лежит в области низших частот звукового диапазона, такого рода поглотители являются низкочастотными.