Статья: Акустика студий
Введение
Настоящая статья является первой из намеченной серии публикаций, подготовленных членами российской секции международного звукотехнического общества (AES) по заказу редакции журнала 625. Основная задача этой серии состоит в представлении современной информации по профессиональной звукотехнике для практических работников радиодомов, телецентров, студий звукозаписи и т.п. Поскольку студия является головным звеном тракта вещания и звукозаписи, то логично посвятить первую статью серии именно вопросам студийной акустики. Статья не является оригинальной научной работой. Она также не ставит своей целью дать подготовку в области акустического проектирования. Цель публикации заключается в том, чтобы ознакомить читателя с основами студийной акустики и теми требованиями, которые предъявляются к студиям различного назначения.
Некоторые понятия и определения
Для описания звуковых полей в акустике широко используется звуковое давление p, измеряемое в Паскалях (Па). Так же как и применительно к электрическим величинам в звукотехнике, здесь обычно оказывается удобнее пользоваться логарифмической шкалой. При этом вводится понятие уровня звукового давления (УЗД) L=20 lg (p/p0), где p0 = 2 х 10-5 Па - звуковое давление на пороге слышимости. Весьма часто УЗД измеряют (или вычисляют) в отдельных частотных полосах. Наибольшее распространение получили октавные или 1/3 октавные полосы с относительно постоянной шириной полосы. Среднегеометрические (ниже в тексте для краткости - средние) частоты этих полос регламентированы международными и отечественными стандартами. Предпочтительный ряд средних частот для октавных полос: ...125, 250, 500,... Гц; для 1/3 октавных полос: ...125, 160,200, 250,... Гц. Помимо указанных узких частотных полос применяется и широкополосная коррекция, форма которой обозначается буквами A, B, C,... и также строго регламентирована. Наиболее часто из них применяется кривая A. При ее использовании говорят об уровнях звука по кривой A и вводят обозначение дБA.
Для оценки способности материала или конструкции поглощать звуковую энергию используют, в частности, понятие коэффициента звукопоглощения (КЗП). Он равен отношению поглощенной данным материалом звуковой энергии ко всей падающей на материал звуковой энергии, т.е. a = Епогл/Епад. Таким образом, в экстремальных случаях, a = 1 когда вся звуковая энергия полностью поглощается материалом, и a = 0, когда вся звуковая энергия полностью отражается от материала. КЗП определяют в октавных (реже в 1/3 октавных) полосах, используя обычно диапазон от 125 до 4000 Гц. Иногда в справочной литературе можно встретить значения КЗП большие, чем 1. Казалось бы, это физически некорректный результат, т.к. поглощенная энергия оказывается больше падающей. Фактически, разумеется, принцип сохранения энергии нарушен быть не может, и величины > 1 связаны лишь с особенностями измерения КЗП при размещении материала в реверберационной камере.
Одним из важнейших понятий акустики помещений является время реверберации Т. Под этой величиной подразумевается временной интервал, в течение которого УЗД в помещении падает на 60 дБ после выключения звукового источника. Величины Т, так же как и КЗП, измеряют (или вычисляют) в октавных или 1/3 октавных полосах.
Классификация студий
Ведя речь о классификации, обычно используют формулировки нормативных документов. Следует отметить, организациями по стандартизации обычно не уделялось особого внимания акустическим показателям студий. Известны некоторые национальные и отраслевые стандарты, включая нормы бывшего Гостелерадио, а также несколько рекомендаций международной организации по радиовещанию и телевидению (ОИРТ). Сейчас Технический Комитет ОИРТ прекратил свое существование, но следует учесть, что сравнительно недавно большинство рекомендаций ОИРТ в области акустики были пересмотрены и, в основном, не потеряли своей актуальности.
Поскольку в современных публикациях по акустике студий ссылки на эти рекомендации встречаются весьма часто, то представляется оправданным использовать их и в данной статье. Итак, достаточно общепринятой является следующая классификация студий (цифры после буквы "С"- студия указывают на площадь помещения в кв. м.). По радиовещанию: большая (С-1000), средняя (С-450), малая (С-250) и камерная (С-150) музыкальные студии; литературно-драматическая студия (С-100); заглушенная студия (С-50) и речевая дикторская студия (С-24-36). По телевидению: большая (С-450-600), средняя (С-300), малая (С-150) и дикторская программная (С-60-80) телевизионные студии.
Требования к уровню звукового фона в студиях приведены в таблице, где указаны предельно допустимые УЗД в октавных полосах и в дБA (последние лишь для ориентировочной оценки). Следует отметить, что измерения УЗД шума проводятся в пустой студии при закрытых дверях и включенных системах кондиционирования, спецосвещения и технологическом оборудовании. Последние требования характерны для ТВ студий и означают, что при измерении звукового фона должно быть включено на типовой режим спецосвещение, а также размещенные в студии камеры и мониторы. Помимо указанных требований к уровню звукового фона, регламентируются также оптимальные значения времени реверберации. Эти величины будут рассмотрены ниже, дифференцированно по отдельным типам студий.
Таблица
| Максимально допустимые УЗД шума для разных типов студий и аппаратных | ||||||
| Средние частоты октавных полос, Гц | Номер максимально допустимой кривой | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| 31,5 | 53 | 55 | 57 | 59 | 62 | |
| 63 | 37 | 41 | 45 | 48 | 52 | |
| 125 | 24 | 29 | 34 | 38 | 43 | |
| 250 | 16 | 21 | 26 | 31 | 35 | |
| 500 | 12 | 16 | 20 | 24 | 29 | |
| 1000 | 10 | 12 | 16 | 20 | 25 | |
| 2000 | 10 | 10 | 13 | 17 | 22 | |
| 4000 | 10 | 10 | 12 | 15 | 20 | |
| 8000 | 10 | 10 | 12 | 15 | 20 | |
| 16000 | 10 | 10 | 12 | 15 | 20 | |
| Уровни звука в дБА | 20 | 22 | 26 | 30 | 34 | |
Основные принципы акустического проектирования
Как будет ясно из дальнейшего изложения, основные принципы акустического проектирования студий достаточно просты. Тем не менее, данный раздел хотелось бы начать с одной рекомендации, обращенной как к работникам радиодомов и телецентров, так и к людям, решившим организовать новую студию: НЕ СЛЕДУЕТ ПЫТАТЬСЯ САМОСТОЯТЕЛЬНО СПРОЕКТИРОВАТЬ СТУДИЮ ИЛИ АППАРАТНУЮ. ВСЕГДА ЦЕЛЕСООБРАЗНЕЕ ОБРАТИТЬСЯ К СПЕЦИАЛИСТАМ-ПРОФЕССИОНАЛАМ. В подтверждение этой рекомендации можно привести следующие доводы.
Во-первых, обеспечить в одном и том же помещении оптимум реверберации можно в принципе совершенно различными конструктивными решениями. При этом надо выбрать наиболее подходящий вариант, как по экономическим и эстетическим соображениям, так и по наиболее благоприятной структуре импульсного отклика. Для решения этой проблемы надо иметь достаточный практический опыт проектирования и настройки студий.
Во-вторых, надо учесть, что расчеты фонда звукопоглощения помещений не являются абсолютно точными. Это связано с целой группой факторов, в том числе с тем, что используемые при расчетах справочные данные о КЗП различных материалов и конструкций являются среднестатистическими. Реально значения КЗП могут в определенной степени отличаться от справочных данных, что обуславливает необходимость корректировки времени реверберации в построенном помещении.
Подобная корректировка, называемая также акустической настройкой, является обязательной процедурой перед вводом в эксплуатацию любой студии. Поэтому опытный консультант всегда старается предусмотреть в проекте конструктивные решения, позволяющие проводить акустическую настройку достаточно быстро и без сколько-нибудь существенных дополнительных капитальных затрат. Бывают варианты, когда найти подобные решения оказывается довольно сложно. Разумеется, процедура акустической настройки базируется на проведенных в студии акустических измерениях, для чего надо иметь соответствующее аппаратное оснащение. Сейчас в этой области достигнут значительный прогресс, и в мировой практике повсеместно применяется для данной цели цифровая измерительная аппаратура с процессорным управлением. При проведении акустических измерений в студиях не ограничиваются определением только нормированных показателей, т.е. временем реверберации и УЗД шума. Необходимо определять также структуру звуковых отражений и целый ряд дополнительных параметров акустического качества: индекс прозрачности, индекс четкости, время раннего затухания и др.
В подтверждение целесообразности привлечения к проектированию студий высококвалифицированных специалистов можно привести и тот факт, что исправление акустики студии с неудовлетворительным качеством звучания может в ряде случаев потребовать капитальных затрат, соизмеримых со стоимостью всех первоначальных работ. Известны печальные примеры, когда подобные работы столь дороги и трудоемки, что студии в течение всего периода их существования эксплуатируются с явно неудовлетворительным качеством звучания. что вызывает закономерные жалобы звукорежиссеров. В конце статьи приведен перечень российских организаций, имеющих опыт профессиональной работы в области архитектурной акустики.
При акустическом проектировании студий приходится сталкиваться с двумя основными группами задач. Первая из них связана с защитой студий от проникающих звуковых помех, а вторая - с получением оптимальной структуры звукового поля непосредственно внутри студии. Поскольку первая группа задач решается методами строительной акустики, а вторая - архитектурной акустики, то они будут рассмотрены отдельно.
Защита студий от звуковых помех
Можно выделить три основных механизма, приводящих к образованию звукового фона в студиях. Первый из них - это вентиляционные шумы, обусловленные работой моторов вентиляторов и процессами распространения звука в воздуховодах. Второй - это так называемый воздушный шум. Данный механизм связан с проникновением звука через студийные ограждения. Источниками воздушного шума могут являться транспортные шумы (если ограждение студии является наружной стеной здания), звук работающих в смежной аппаратной контрольных агрегатов, разговоры в смежных со студией коридорах и помещениях и т.п. Наконец, третий механизм, структурный звук, связан с распространением звуковых волн по перекрытиям и ограждениям здания при возбуждении их в форме вибрационных нагрузок. Типичными примерами источников структурного звука являются шаги в смежных со студией коридорах и расположенных над студией помещениях, а также хлопки при закрытии дверей. Структурные шумы могут также возникать при работе лифтов и другого технологического оборудования.
Борьба со всеми указанными источниками шумов должна проводиться в комплексе. Опыт показывает, что принципиально важно правильно выбрать объемно-планировочное решение аппаратно-студийных помещений в зданиях. Поэтому в случае строительства нового аппаратно-студийного комплекса целесообразно специалиста-акустика привлекать к проектированию на самой ранней его стадии, когда составляются поэтажные планы будущего здания. Только в этом случае удается выбрать оптимальное размещение студий, обеспечивающее их защиту от шума при минимальных капитальных затратах.
Методика расчета вентиляционных шумов в настоящее время достаточно хорошо разработана. Для каждой конкретной студии с учетом числа исполнителей и типов выделяющего тепло технологического оборудования определяется требуемый воздухообмен. На основе этих данных выбираются параметры вентсистемы и типы вентиляторов. После этого с учетом конкретной конфигурации системы выбираются глушители шума, обеспечивающие снижение шума вентсистем до требуемого уровня. Обычно для студий требуется минимально две группы глушителей: магистральные - на выходе патрубков моторов вентиляторов и секционные - перед входами воздуховодов в студию. Расчеты по методике хотя и достаточно громоздки, но позволяют достаточно точно определить требования к типу и конструкции глушителей, обеспечивающих требуемое снижение шума. Весьма важно, чтобы при производстве работ не проводились произвольные изменения параметров системы. Известны примеры, когда принятое при строительстве занижение сечения коробов вентсистемы приводило к столь большому уровню шума, что студии совсем не могли эксплуатироваться при включенной вентиляции. В целом же при корректном проектировании борьба с вентиляционными шумами может проводиться вполне успешно и представляет собой чисто инженерную задачу.
Задача снижения воздушного звука в своей постановке достаточно проста. После выбора объемно-планировочного решения студии становятся известны возможные источники шума в смежных помещениях. Обычно среди них наибольший УЗД создают работающие в смежной аппаратной контрольные агрегаты. Зная этот УЗД (он определен в Рекомендации ТК ОИРТ 86/3) и допустимый уровень шума, можно определить требования к звукоизоляции (ЗИ) ограждения. Довольно распространенной является ошибка, при которой требуемую ЗИ определяют как простую разность уровней между шумным и изолируемым помещениями. Реально же следует при определении ЗИ учитывать также площадь ограждения и время реверберации в изолируемом помещении.
Наиболее сложной является проблема борьбы со структурным звуком. Связано это с тем, что требуется обеспечить полную акустическую развязку между внутренними ограждениями студии и конструкциями здания. Ситуация усугубляется и отсутствием инженерной методики расчета распространения структурных шумов по реальным конструкциям здания. На практике для эффективного ослабления структурного звука широкое распространение получил принцип коробка в коробке. При этом внутренняя коробка студии (стены, пол и перекрытие) являются независимыми и не имеют жесткой связи с другими конструкциями здания. Последнее достигается либо устройством внутренней коробки на отдельном фундаменте (что, естественно возможно только при размещении студии на нижнем этаже), либо опиранием пола внутренней коробки на несущее перекрытие не непосредственно, а через упругий слой. В качестве него могут использоваться пружинные амортизаторы, резиновые кубики или иные упругие прокладки. При тщательном качестве выполнения строительных работ подобное решение обеспечивает вполне достаточную ЗИ.
Отметим, что в отечественной практике (за редким исключением) получил распространение лишь один конструктивный подход к реализации принципа коробка в коробке. Он заключается в том, что двойные ограждения студии, образующие внутреннюю и внешнюю коробку, выполняются в виде кирпичных стен, каждая из которых опирается на собственный фундамент. Такой подход является очень трудоемким и дорогостоящим. Кроме того, его эффективность очень критична к качеству строительных работ. Например, наличие забытого строительного мусора в промежутке между ограждениями внешней и внутренней коробок или плохо выполненная расшивка акустического шва во входном тамбуре приводят к резкому снижению ЗИ структурного звука и сводят на нет все дорогостоящие затраты на сооружение подобной конструкции.
В зарубежной практике для ЗИ студий почти повсеместно используются легкие многослойные ограждающие конструкции. При этом широко применяются укрепляемые по металлическому каркасу в несколько слоев гипсовые обшивочные листы. Наличие упругих прокладок между этими листами обеспечивает эффективное ослабление структурного звука. В последние годы стал широко рекламироваться модульный принцип устройства студий. Он исходит из применения упомянутых многослойных ограждений, конструкция которых очень тщательно отработана. Подобная студия может быть вписана в любое помещение достаточно больших размеров. Известно несколько конструктивных подходов. Достаточно часто на ограждение исходного помещения кладут резиновые кубики, выполняющие роль амортизаторов и ослабляющих передачу вибраций на ограждения будущей студии. На эти кубики кладут панели пола, крепят металлический каркас, а затем обшивают его панелями, образующими стены и перекрытие студии. Предусмотрены стеновые панели с заранее встроенными смотровым окном и входными студийными дверями. Все необходимые для сооружения такой студии материалы достаточно легкие и могут транспортироваться в обычном грузовике. Ряд изготовителей с гордостью сообщает, что подобная студия может быть полностью смонтирована и сдана в эксплуатацию за несколько часов.
Обеспечение оптимальных акустических характеристик
Основным этапом проектирования является подбор фонда звукопоглощения помещения, который обеспечивал бы требуемые значения времени реверберации при оптимальной структуре ранних звуковых отражений. Подобные расчеты обычно производятся по формуле Эйринга. Исходными данными для их проведения являются объем помещения, общая площадь его внутренних поверхностей и требуемый оптимум реверберации. Расчеты проводят для отдельных октавных полос, используя обычно частотный диапазон от 125 до 4000 Гц. В справочных руководствах приводятся значения КЗП различных звукопоглощающих материалов и конструкций, а также данные о звукопоглощении исполнителей, кресел и других предметов.
Прежде всего, необходимо отобрать те звукопоглощающие материалы и конструкции, которые будут намечены к использованию в проектируемой студии. Эта задача является наиболее сложной и ответственной, так как при этом приходится учитывать одновременно целый ряд факторов: стоимость материалов, их внешний вид, возможность поставки, требования пожарной безопасности и т.п. На этой же предварительной стадии следует решить вопрос и о способе монтажа материалов на поверхностях студии. Дело в том, что значения КЗП материалов зависят от способа их крепления. Например, наличие воздушного относа между задней поверхностью звукопоглощающей плитки и плоскостью стены (при креплении плитки по несущему каркасу) приводит к увеличению КЗП в низкочастотной области. Игнорирование этого факта при акустическом проектировании может привести к существенному "переглушению" студии на низких частотах, причем исправление этого дефекта в построенной студии обычно весьма сложно и требует больших дополнительных затрат. Помимо этого, следует принимать во внимание и ряд дополнительных чисто акустических требований. В частности, для музыкальных студий оказывается полезным размещать на потолке достаточно большое количество звукорассеивающих конструкций, в дикторских студиях следует избегать поступления первых интенсивных отражений в область размещения дикторского стола. Некоторые эти вопросы ниже рассмотрены подробнее.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--