ЗАХИСТ ВІД ШУМУ І ВІБРАЦІЙ

Акустика студий и контрольных комнат

В 30 годах ХХ столетия в связи с развитием техники звукозаписи, радиовещания, кино и телевидения появился новый тип помещений для записи и обработки звука. В настоящее время все эти направления аудиотехники интенсивно развиваются, появляются новые возможности для передачи пространственного звука (системы Surround Sound, бинауральная стереофония и др.), активно внедряются цифровые компьютерные методы обработки и передачи звука. Соответственно меняются и требования к помещениям для его записи и обработки, то есть к студиям. Требования к акустическим характеристикам студий различного назначения и технологии их проектирования подробно изложены в международных и отечественных стандартах, например, EBUR22-1998, EBUR22-1994, RM-01-93, СНиП 2.08.02-89, и многочисленных монографиях и учебниках, среди которых можно выделить книги такого всемирно известного дизайнера студий звукозаписи как П. Ньюэлл.

Современные студии включают в себя, как правило, следующие помещения (рисунок 1):

• студийное помещение, или тон-зал (для исполнения и записи музыки и речи), в котором размещаются исполнители и микрофоны;
• контрольная комната, или микшерная, где установлены основные виды аппаратуры для записи и обработки звука (микшерные пульты, контрольные агрегаты, компьютерные рабочие станции и др.) и где находится рабочее место звукорежиссера;
• техническая аппаратная, в которую выносятся некоторые виды аппаратуры, например, стойки с усилителями и др.

Все студии можно классифицировать:

• по применению — студии звукозаписи, радиовещательные и телевизионные звуковые студии, тон-ателье на киностудиях и т. д.;
• по виду используемого звукового материала для записи — большие музыкальные, камерные, литературно-драматические и речевые;
• по количеству исполнителей, т. е. по объему — большие, средние, малые и др.

Разумеется, можно провести классификацию студий и по другим критериям.

Тон-зал

         Объективные акустические параметры студии для записи музыки должны быть выбраны, исходя из тех же требований, что и для хорошего концертного зала. Первые студии звукозаписи, например, в радиодомах и телецентрах в Москве, Петербурге и других городах, и строились как большие концертные залы, где была возможность записывать симфонические оркестры. Следовательно, в студиях должны быть обеспечены все акустические характеристики концертных залов: оптимальное время реверберации в разных частотных диапазонах, однородная структура звукового поля (время, энергия и направление прихода ранних отражений, степень диффузности, уровни энергии поздних отражений, структура распределения резонансов и т. д.), требуемый уровень шумов, а также другие объективные параметры, которые важны для слухового восприятия музыкальных и речевых программ.

Отличие требований к студиям состоит в том, что очень часто одна и та же студия может использоваться для записи разных программ (речевых, музыкальных разных жанров и т. д.), поэтому в них должна быть предусмотрена возможность перестройки акустических условий (изменение общего поглощения, уровня отражений и др.). С другой стороны, студии часто строятся специально для записи определенного типа программ: для вокала, речи, камерных ансамблей, электронной музыки и т. д., соответственно требования к их акустическим характеристикам должны быть разными.

Обеспечение необходимых параметров, прежде всего оптимального времени реверберации, накладывает определенные требования на форму и размер студий. Требования к размерам и времени реверберации студийных помещений для записи, принятые в свое время как отечественные нормы для их технологического проектирования, даны в таблице 1.

Таблица 1. Студия площадь, м2 высота, м оптимальное время реверберации, с количество исполнителей, чел. Открытая, для концертных программ с присутствием зрителей 1000 14 2…2,2 250…500 Большая музыкальная, для симфонических оркестров и хоров с присутствием зрителей 1000 13 2 250 То же без зрителей 750 12 2 150 Средняя музыкальная, для симфонических оркестров 350…450 8,5…10 1,5…1,7 40…65 Для эстрадной и джазовой музыки 350…450 9,5…10 0,9…1,1 35…60 Малая музыкальная, для записи небольших оркестров и хоров 250…300 8…8,3 0,9…1,1 30…35 Камерная 150 6 1 10…15 Большая литературно-драматическая 150…200 6…6,4 0,8…1 20…30 Средняя литературно-драматическая 100 5 0,5…0,7 10…15 Речевая 26…30 3,2…3,5 0,4 2…4

В настоящее время, в связи с переходом на пространственные системы звукозаписи и широким использованием электронных инструментов, требования к параметрам студий также меняются, разрабатываются новые стандарты и рекомендации, поэтому приведенные соотношения следует рассматривать как ориентировочные и в каждом конкретном случае определять оптимальные параметры в процессе акустической настройки студии.

Объем студии зависит от вида исполняемой музыки и должен выбираться в зависимости от заданного оптимального времени реверберации (Топт) (связь этого показателя с объемом помещения будет рассмотрена дальше) и от максимального числа размещаемых в ней исполнителей. Удельный объем на одного исполнителя должен составлять примерно 10…18 м³.

Запись музыки в студиях малого объема неизбежно приводит к искажению тембра за счет резонансов помещения в слышимой области, нарушению пространственной панорамы и баланса громкости. Минимальный объем студии для записи музыкальных произведений должен составлять не меньше 200 м³.

Форма студии имеет существенное значение для обеспечения структуры ранних (в первую очередь боковых) отражений и однородности (диффузности) звукового поля, что очень важно для качественной записи звука. Поэтому большие студии очень часто делаются непрямоугольной формы, примером может служить форма студийного помещения на рисунке 1. Студии средних и малых размеров чаще имеют прямоугольную форму, при этом выбор их пропорций желательно делать соответственно правилу «золотого сечения» H = 0,62V1/3, B = V1/3, L = 1,62V1/3, что примерно соответствует рекомендациям таблицы. Для любых, даже малых, размеров студии высота потолков должна быть не ниже 3 м.

Среди объективных параметров, определяющих звуковое поле в студии, важнейшим, безусловно, является оптимальное время реверберации. Как видно из таблицы, этот показатель зависит от вида исполняемых программ и от объема помещения: например, для симфонической музыки романтического стиля — 2…2,2 с, для эстрадной и джазовой музыки 0,9…1,1 с и т. д. Для исполнения камерной музыки, сольных и хоровых программ, выступлений небольших ансамблей оптимум достигается при меньшем времени реверберации, чем для симфонической музыки, и также зависит от объема студии. Для художественной передачи речи оптимальное время реверберации студии с объемом 500 м³ получается в пределах 0,7…0,8 с. В литературно-драматических студиях время реверберации должно быть в пределах 0,5…0,6 с. В речевых студиях для передачи информационных программ время реверберации не должно быть более 0,4 с.

На рисунке 2а приведены оптимальные значения времени реверберации студий для частоты 500 Гц в зависимости от их объема. Приведенные на рисунке 2б данные следует рассматривать как минимальные значения Топт. Экспериментальные зависимости оптимального времени реверберации в различных студиях от их объема можно приближенно описать следующими соотношениями:

• для концертных студий: Топт = 0,5 lg V - 0,10;
• для малых музыкальных: Топт = 0,45 lg V - 0,30;
• для речевых: Топт = 0,4 lg V - 0,40.

Эти зависимости дают ошибку не более 10%.

В основной части диапазона оптимальное время реверберации должно быть постоянным (допускается отклонение от оптимального времени не более 10%), на низких частотах возможно некоторое повышение Топт для музыки, примерно на 20% (рисунок 2б). Для больших студий фактическое время реверберации, с учетом затухания в воздухе, на частоте 8000 Гц не должно быть менее 1 с. Кривая (1) допустимой зависимости Топт от частоты показана на рисунке 2б. Для речевых студий Топт может иметь некоторый спад на низких частотах для увеличения разборчивости и спад на высоких, свыше 5000 Гц, до 30% (кривая 2).

Поскольку, как уже было отмечено выше, в одних и тех же студийных помещениях приходится записывать различные музыкальные и речевые программы, проблема состоит в том, что в них должна быть предусмотрена возможность перестройки акустических условий для обеспечения различных значений оптимального времени реверберации. С этой целью в студиях используются различные звукопоглощающие конструкции, которые могут сравнительно легко и быстро вводиться в действие или убираться. Например, применяются резонансные щиты (щиты-бекеши), различного типа рассеиватели (диффузоры Шредера, жалюзи), вращающиеся колонны с различным размещением поглощающего материала и т. д. Широко применяются устройства искусственной реверберации, в том числе цифровые ревербераторы, реализуемые как программным путем, так и c помощью специальных приборов. Разумеется, можно варьировать время эквивалентной реверберации, подбирая расстояние между источником звука и микрофоном и меняя его характеристики направленности.

Кроме обеспечения оптимального времени реверберации (Топт), принципиально важным параметром для студий является «ясность» или «четкость» (С80) для музыки (особенно камерной) и разборчивость для речи. Пределы изменения С80 в студиях, предназначенных для записи классичеcкой музыки, составляют -1,8…+2 дБ, а для романтической -5…-1,8 дБ. Разборчивость речи для театрально-драматических и речевых студий должна быть не менее 90% (слоговая); отличным считается значение коэффициента артикуляции, равное 96%. Остальные параметры (интимность, пространственность, полнота и др.) должны находиться в пределах, предложенных Беранеком для хороших концертных залов.

Уровень шумов (как внутренних, так и внешних) в студии в соответствии с международными рекомендациями должен быть равен NC25. Достижение такого уровня является чрезвычайно трудной задачей, требующей размещения студии в достаточно тихой части здания и применения специальных мер при их строительстве для обеспечения звукоизоляции и виброизоляции помещения: специальных двойных стен и дверей, их акустической развязки с остальной частью здания с использованием «плавающих» конструкций пола, подвесных стен и потолков; использования специальных глушителей для вентиляционных систем и т. д. (рисунок 3).

Контрольная комната

Это помещение, где находится рабочее место звукорежиссера и где размещается оборудование: микшерный пульт, контрольные агрегаты, цифровые звуковые станции, процессоры обработки звука, магнитофоны и другая дополнительная аппаратура. Пример размещения оборудования показан на рисунке 4. Требования к акустическим характеристикам контрольной комнаты вытекают из обеспечения условий для слухового контроля создаваемых музыкальных и речевых записей. Кроме того, в настоящее время контрольные комнаты часто используются для непосредственного создания и записи электронной музыки.

Контрольные комнаты должны удовлетворять следующим основным условиям:

• позволять слышать сухой и чистый звук контрольных агрегатов, т. е. не вносить своего окрашивания;
• не вносить существенных искажений в характер реверберационного процесса студии, где была произведена запись звука;
• обеспечивать возможность звукорежиссеру услышать и сформировать пространственный звуковой образ, который он хочет передать слушателю;
• быть звуконепроницаемыми (изнутри и снаружи) для обеспечения низкого уровня шумов;
• позволять звукорежиссеру видеть музыкантов, то есть иметь звуконепроницаемое окно в студию.

До недавнего времени в основе акустического проектирования контрольных комнат лежала концепция повторения параметров среднестатистического жилого помещения, то есть считалось, что звукорежиссер должен находиться в условиях, близких к условиям домашнего прослушивания. Среднее время реверберации выбиралось 0,2…0,4 с. Объемы также были небольшими и составляли 30…40 м³. Такие помещения удовлетворительно работали для записи музыки с небольшим динамическим диапазоном. Кроме того, условия реального прослушивания музыкальных и речевых сигналов, переданных по каналам радиовещания, телевидения, звукозаписи и пр., настолько разнообразны, что приведенные выше требования нельзя считать типовыми для жилых помещений.

Следующим этапом явилась концепция построения контрольных комнат, получившая название LEDE (live-dead end), в которой звукорежиссер работал на границе двух сред — «живой» (live), с большим количеством отражений, и «мертвой» (dead), свободной от отражений. В основе такого построения контрольных комнат лежало соображение, что одним из важнейших критериев качества акустики в помещении является время прибытия ранних отражений, которое должно быть в пределах 20…30 мс после прямого звука. Если в студии при записи обеспечено это требование, то первые отражения в контрольной комнате не должны маскировать их, поэтому полезно переднюю часть контрольной комнаты (стены за контрольными агрегатами, полы и потолки) сделать заглушенными (dead end), а заднюю часть комнаты сделать отражающей (live end). В этом случае структура реверберационного процесса в контрольной комнате должна иметь вид, показанный на рисунке 5. Для того, чтобы заднюю часть комнаты сделать отражающей, на задней стене и потолке должны устанавливаться различные отражающие решетки (рисунок 6).

Такая конструкция комнаты позволяла звукорежиссеру ощущать живые отражения, но вместе с тем звук от студийных мониторов воспринимался им без искажения, поскольку на прямой звук не накладывались отражения комнаты. Однако такие контрольные комнаты было очень трудно настраивать и, кроме того, возросшие требования к передаче стереопанорамы и расширенного динамического диапазона для цифровых записей требовали снижения уровня реверберационных помех. Тем не менее, целый ряд известных студий (Master Sound Astoria в Нью-Йорке, Red Bus Studios в Лондоне, Winfeld Sound в Торонто и др.) продолжают использовать контрольные комнаты, построенные по такой концепции, и в настоящее время.

В конце 80-х годов была предложена конструкция «бессредных» контрольных комнат. Идея их проектирования была предложена англичанином Т. Хидли, и реализована Ньюэллом во многих студиях мира. Она заключается в следующем: все поверхности, в направлении которых излучают студийные контрольные агрегаты (то есть потолок, задняя стена и боковые стены), делаются звукопоглощающими, а поверхности перед звукорежиссером — передняя стена и пол — делаются звукоотражающими. Это позволяет звукорежиссерам слышать прямой звук мониторов, не окрашенный дополнительными отражениями, и в то же время получать отражения собственных голосов от передней фронтальной поверхности пола и находящегося в комнате оборудования (пульта, компьютеров, стоек и др.). Для обеспечения поглощения звуковой энергии во всем воспроизводимом диапазоне частот (особую проблему представляет обеспечение поглощения на низких частотах) используется новая технология так называемых «звуковых ловушек». Конструкция стены с боковыми ловушками и общий вид «бессредной» контрольной комнаты показан на рисунке 7.

На определенном расстоянии от главной несущей стены устанавливается дополнительная «диафрагменная» стена, состоящая из деревянной рамки с трехслойным покрытием (гипсовая штукатурка плюс мягкая древесно-волокнистая плита и снова гипсовая штукатурка). Затем на ней закрепляется поглотитель, например, из специальной минеральной ваты или синтепона. На некотором расстоянии от него подвешиваются под углом 45° и на расстоянии 30…46 см панели из фанеры, покрытые звукопоглощающим материалом, общая глубина панелей 0,6…1,2 м. Установленные таким образом панели служат волноводами, поглотителями и рассеивателями для низкочастотных звуковых волн. Поглощение средних и высоких частот обеспечивается традиционными методами и зависит от свойств поглотителя на стенах. Измерения процесса реверберации, выполненные в таких комнатах, показали, что в первые моменты времени (до 50 мс) происходит очень быстрое поглощение отраженной энергии, что дает ощущение мельчайших нюансов в звучании мониторов, в то время как в обычных комнатах эти детали маскируются реверберационным процессом.

Такого типа комнаты потребовали применения контрольных агрегатов с высоким уровнем звукового давления и малыми переходными характеристиками, поэтому в них часто используются мониторы с рупорными громкоговорителями (например, фирмы JBL).

Контрольные комнаты, построенные по такой концепции, показали возможность получения в них записей высочайшего качества с высокой прозрачностью звучания, что особенно важно для цифрового звука. Учитывая, что контрольные комнаты используются теперь нередко и как исполнительские студии для записи электронной музыки, то такой принцип их построения лучше соответствует этой музыке (в них легче вносить искусственную реверберацию).

Уровень шумов в контрольных комнатах не должен превышать NC25 для обеспечения большого динамического диапазона при записи, что накладывает особые требования к звукоизоляции стен и их размещению. Также как и при строительстве студий звукозаписи, при конструировании контрольных комнат проблема снижения уровня шумов требует решения сложнейших задач, в том числе при выборе материалов для звукопоглощения и звукоизоляции.

Широкое внедрение в практику современных пространственных систем звукозаписи изменило и требования к параметрам современных контрольных комнат. В международных стандартах и рекомендациях: ITU-R BS.775-1, SMPTE RP-173, EBU R22, EBU Tech3276, ITU-R BS.1116-1 и др. оговариваются требования к размерам и форме контрольных комнат, параметрам звукового поля в них, параметрам и способам расстановки контрольных агрегатов. Прежде всего для контроля качества пространственных звукозаписей требуется установка большого количества мониторов (например, шести), расположенных по схеме, показанной на рисунке 7.

Эксперименты с выбором оптимальных условий для помещений прослушивания пространственных систем показали, что общий объем студийных контрольных комнат должен быть порядка 300 м³ , а пропорции должны соответствовать указанным в таблице 1 для обеспечения оптимального распределения резонансных мод в помещении. Форма комнаты — в основном, симметричная относительно направления на зону прослушивания и относительно расположения звукопоглощающего материала, особенно вокруг громкоговорителей, дверей, окон и технического оборудования. Это делается с тем, чтобы избежать любых акустических неоднородностей.

Значение времени реверберации Трев должно быть в пределах 0,2…0,4 с (таблица 2). В больших микшерных комнатах для кинопроизводства иногда могут использоваться большие значения реверберации. Частотная характеристика времени реверберации должна быть постоянной и не иметь резких скачков. Отклонения в диапазоне 200 Гц…4 кГц не должны превышать ±0,05 с, а ниже 200 Гц допускаются отклонения на 25% от среднего значения.

Кроме того, размеры контрольных комнат, требования к времени реверберации в ней, времени задержки первых отражений и другим параметрам рекомендуется выбирать в соответствии со значениями, указанными в таблице 2.

Таблица 2. Параметры требования к дизайну малые контр.комнаты средние контр.комнаты Комната площадь пола, м² 50±20 100±30   объем комнаты, м³ ≥80 ≥200   форма комнаты не прямоугольная, без параллельных поверхностей   отношения размеров H : B : L = 1 : 1.59(±0,7) : 2,52(±0,28)   высота комнаты, м 3,0-4,0 4,0-6,0 Отделка интерьера   однородное распределение отражающих/поглощающих поверхностей (без сильных отражений) Акустические свойства время реверберации, с 0,2±0,05 0,3±0,1   средний коэффициент поглощения 0,4…0,6 (на 500 Гц)   характеристики реверберации отклонения ниже 250 Гц до 25%выше заданного значения   ранние отражения (до15 мс) на 10 дБ ниже прямого звука   распределение уровня звукового давл.(SPL) однородное распределение внутри слушательской зоны, включая место микширования Шум шум от вентиляции шум от оборудования кривая NC15 (возможно NR15) кривая NC20 (возможно NR20)

В заключение необходимо подчеркнуть, что требования к акустическим характеристикам студий и контрольных комнат все время возрастают, поскольку они в значительной степени определяют качество музыкальных и речевых программ, поступающих к многомиллионной аудитории с помощью современных средств радиовещания, звукозаписи, телевидения и мультимедиа.