ГЛАВА 10. РАСЧЕТ СИСТЕМ ОЗВУЧЕНИЯ И  ЗВУКОУСИЛЕНИЯ

10.1. Требования к системам звукоусиления  и озвучения

Из практики известно, что если помещение имеет объем свыше 2000 м³ или длину более 20 м, то голоса человека, как правило, уже недостаточно для того, чтобы создать уровень громкости, необходимый для полной понятности передаваемой речи в удаленных точках этого помещения. А если уровень шумов в помещении превосходит 60 дБ, то и в небольших помещениях (объемом около 200 м³), мощности человеческого  голоса недостаточно для получения полной понятности речи. В этих случаях необходимо применять звукоусилительную аппаратуру, состоящую из микрофонов, усилителей и громкоговорителей.

То же самое можно сказать и в отношении сольных номеров и камерной музыки. Для исполнителей со слабым голосом необходимо звукоусиление и в небольших помещениях. Для больших оркестров, играющих даже в большом помещении, не требуется звукоусиления. Но если оркестр небольшой, а необходимо создать впечатление большого, то при соответствующем  звукоусилении этого можно добиться (в этом случае говорят о подусилении оркестра). Сейчас распространена поп-музыка с довольно высокими уровнями исполнения. Это также требует применения звукоусилительной аппаратуры.

В системах звукоусиления микрофоны обычно находятся в поле действия громкоговорителей, т.е. налицо акустическая обратная связь по звуковому давлению, приводящая к возбуждению системы звукоусиления. Это явление ограничивает возможности системы звукоусиления. Но иногда приходится иметь дело с передачей информации в помещения, изолированные от первичного источника звука (от диктора, лектора и т.п.). В таких случаях для передачи информации применяется система озвучения, состоящая из вторичных источников звука – громкоговорителей. Классическим примером использования системы озвучения являются кинотеатры.  При этом уже нет ограничения индекса тракта в форме обратной связи. Системы озвучения являются частным случаем систем звукоусиления (величина обратной связи для них равна нулю).

Рассмотрим требования, предъявляемые к системам звукоусиления и озвучения. При передаче речи определяющим является обеспечение требуемой разборчивости речи во всех точках помещения, даже самых удаленных от источника звука. Иначе разрабатываемая система не будет выполнять своего основного назначения. Так при нормальных условиях речь хорошо слышна и понятна на расстоянии 0,5...1,0 м. При этом перед слушателем создается уровень звукового давления  L_сл = 80 ... 86 дБ. Следовательно, система звукоусиления речи должна создавать  такие же уровни на всех местах слушателей в зале (L_тр = 80 ... 86 дБ).

Как следует из предыдущего, для выполнения этого требования необходимо, чтобы тракт обеспечивал соответствующее превышение спектральных уровней речи над спектральным уровнем помех и шумов, а это зависит как от общего уровня речи на местах слушателей, так и от спектра частот шума.

Для музыкальных передач главным требованием является создание соответствующего уровня громкости на местах слушателей. Известно, что хоры, оркестры лучше всего слушать в концертных залах, сидя в восьмом - пятнадцатом рядах партера (10 ...12 м от исполнителей). При этом у слушателей создаются уровни звукового давления L_сл = 94 ...100 дБ и более. Однако при воспроизведении музыки ограничиваются уровнями L_тр = 94 ...96 дБ из соображений экономии электроэнергии. Известно, что увеличение уровня на 3 дБ требует удвоение мощности усилителя.

В таблице 10.1 приведены рекомендуемые номинальные уровни звукового давления L_тр.

Таблица 10.1 – Требуемые параметры звукового поля

Вторым по важности требованием к любым трактам звукопередачи, чаще всего к последнему его звену – помещению, являются оптимальность звучания и отсутствие его различных дефектов. К дефектам звучания можно отнести: эхо, бубнение из-за резонансов отдельных небольших объемов, резкого изменения времени реверберации из-за резонансов, повышения уровня в отдельных точках помещения из-за фокусировки энергии, создаваемой куполами и другими концентраторами энергии. Все эти дефекты влияют на разборчивость речи в отдельных точках помещения и снижают качество звучания любых передач. Поэтому по возможности они должны быть устранены.

Важной характеристикой помещения (кроме рассмотренного в предыдущих главах времени реверберации) является, так называемое, акустическое отношение.

Известно, что плотность  энергии в помещении состоит из двух частей: плотности энергии прямого и многократно отраженного звуков. Поле отраженного звука обычно называют диффузным. Отношение диффузной составляющей к составляющей прямого звука называют акустическим отношением, т.е.

Если перейти к уровням и обозначить через L_д уровень диффузной составляющей, а через L_пр уровень прямого звука, то разность этих уровней 

Lд - Lпр = 10 lg R, дБ.

Акустическое отношение является одним из количественных показателей акустики помещения. Если оно велико, то речь становится неразборчивой, а музыка, особенно при быстром исполнении, становится неблагозвучной. Если акустическое отношение меньше единицы, то музыка звучит отрывисто, теряется плавность исполнения. Речь звучит также отрывисто, но если акустическое отношение несколько больше 0,5, то разборчивость речи не снижается. Поэтому стремятся для речевых передач обеспечить акустическое отношение в пределах 1...4, а для музыкальных – 2...10. Заметим, что для некоторых видов исполнения (органная музыка) это отношение допускается до 16...20. Рекомендуемые величины пределов изменения приведены в таблице 10.1.

Естественно, что для обеспечения указанных требований, показатели тракта (неравномерность частотной характеристики; номинальное звуковое давление, развиваемое громкоговорителями; направленность и чувствительность громкоговорителей и микрофонов; мощность усилительного устройства; нелинейные искажения; шумы и т.п.) должны удовлетворять соответствующим нормам на эти показатели.

Третьим требованием к системам звукоусиления и озвучения является возможно меньшая неравномерность озвучения, т.е. по возможности минимальное изменение уровня звучания от точки к точке. Величина неравномерности DL определяется как разность Lмакс - L мин, где Lмакс и  Lмин  – максимальный и минимальный уровни прямого звука, создаваемые системой озвучения.

Неравномерность озвучения приводит к тому, что если в самых удаленных точках помещения обеспечен необходимый уровень Lмин, то в ряде точек он может оказаться завышенным. Следствием этого являются ненужная перегрузка слуха; излишний расход мощности; неприятное ощущение, испытываемое слушателем при его перемещении по помещению. Поэтому в помещениях не допускается неравномерность озвучения больше 6...8 дБ. Вообще же всегда, когда это не противоречит требованиям экономичности и техники обслуживания, стремятся к снижению неравномерности озвучения. В таблице 10.1. приведены максимально допустимые значения неравномерности озвучения.

Одной из важных характеристик установок звукоусиления является индекс усиления Qмс, который равен разности уровня прямого звука, приходящего к микрофону  от первичного источника L₁ и уровня звука, приходящего к слушателю от громкоговорителя Lпр.

Qмс = Lпр - L₁

Поскольку Lпр зависит от положения слушателя, Qмс  будет изменяться от точки к точке, причем это изменение равно неравномерности прямого звука.

Индекс усиления характеризует эффективность системы передачи звукового сигнала от точки, где установлен микрофон, принимающий звук первичного источника, до места размещения слушателя.

Требуемая величина индекса усиления определяется характером звучания. Идеальная система звукоусиления должна обеспечить для всех слушателей условия, эквивалентные лучшим местам концертного зала, аудитории и т.д.

Максимальная величина Qмс, которую можно получить в данной системе звукоусиления, определяется порогом самовозбуждения. Однако для нормальной работы системы звукоусиления недостаточно отсутствия самовозбуждения. Если усиление близко к критическому, то в системе звукоусиления резко возрастают переходные процессы. Запаздывающая обратная связь приводит к возникновению так называемой регенеративной реверберации, т.е. к постепенному затуханию звука после выключения первичного источника. При усилении в закрытом помещении появление регенеративной реверберации приводит к кажущемуся увеличению гулкости и соответствующему ухудшению качества звучания.

В таблице 10.2. приведены рекомендуемые значения Qмс  для установок различного назначения.

10.2.  Классификация систем озвучения и звукоусиления

Сосредоточенными (или централизованными) называются системы, в которых звук к слушателям приходит как бы из одной точки. Такие системы могут быть использованы при стереофоническом звукоусилении и звуковоспроизведении. Они являются предпочтительными и в случае монофонического звукоусиления, поскольку обеспечивают хорошую «привязку» зрительного и слухового образов.

При стереофоническом звукоусилении направление на кажущийся (виртуальный) источник звука может меняться.

В закрытых помещениях чаще всего применяются следующие варианты сосредоточенных систем.

Портальная система с верхним размещением громкоговорителей (Рис. 10.1-а) применяется в средних по размерам залах, когда над сценическим проемом имеется достаточно большой портал или когда над авансценой есть козырек, позволяющий установить направленные излучатели в нишах.

Портальная система с боковым размещением громкоговорителей (рис. 10.1-б) применяется в средних по размерам залах, когда на портале имеются достаточно широкие поверхности по бокам сценического проема. Такая система удобна для озвучения залов с крутым амфитеатром и с балконами. В этом случае можно на разной высоте обслуживать соответствующие места, занятые слушателями. В случае сильно вынесенной вперед авансцены или открытой эстрады, когда основные микрофоны приходится выдвигать в зал за линию портала, такую систему применять нежелательно из-за возможности самовозбуждения.

Система с размещением направленных излучателей на боковых стенах (рис. 10.2-а) применяется в тех случаях, когда сценический проем не имеет портала или используется открытая эстрада. Громкоговорители выносятся в зал на уровень авансцены или дальше и устанавливаются на кронштейнах или в специальных нишах так, чтобы их основное излучение было направлено в зал. Если по бокам сцены или эстрады имеются специальные отражатели в виде скошенных стен, то громкоговорители могут быть установлены в них в специальных нишах.   

Система с центральным размещением излучателей (Рис. 10.2-б) применяется в том случае, когда слушатели не занимают фиксированных положений (танцевальные, выставочные залы и т.п.), или когда слушатели сидят вокруг центральной части помещения (цирк).

В установках озвучения и звукоусиления на открытом воздухе также возможны различные варианты сосредоточенных систем. При звукоусилении можно использовать те же варианты, что и в закрытых помещениях. Для летних театров и эстрад с раковиной или по бокам ее (на специальных мачтах) таким образом, чтобы микрофоны были экранированы от прямого звука громкоговорителей.

Рис. 10.1 –  Размещение громкоговорителей: а – на центральном портале; б – по бокам портала

Рис. 10.2. – Размещение громкоговорителей: а – на стенах; б – в центре помещения (система озвучения)

При озвучении больших территорий мощные громкоговорители иногда размещают на высоких мачтах и башнях (например, на железнодорожных сортировочных станциях и т.п.).

Зональными (рассредоточенными или децентрализованными) называются системы, в которых озвучиваемая поверхность разбивается на ряд зон. В каждой из зон звуковое поле создается отдельным источником (или группой источников) звука. Эти системы могут применяться только там, где не требуется строгого совмещения зрительного образа со слуховым. Они непригодны для стереофонического звукоусиления и звуковоспроизведения. Зональные системы применяются в тех случаях, когда сосредоточенная система не может обеспечить требуемого уровня и однородности поля уровней на площади, занятой слушателями. Такие системы применяются в залах больших размеров (Рис. 10.3-а) и в помещениях сложной формы (Рис. 10.3-б).

При использовании зональной системы для установок звукоусиления в вытянутых и больших помещениях необходимо включать линию задержки, которая обеспечивает синхронность звука, приходящего к слушателю от первичного источника и от громкоговорителей, обслуживающих данную зону. Особенно широко применяются зональные системы для озвучения улиц, парков, а также в установках озвучения производственных помещений и территорий.

Распределенными системами озвучения называются системы, в которых звук к слушателю приходит от нескольких или многих громкоговорителей с примерно одинаковым уровнем. Особенно часто такие системы применяются для воспроизведения и усиления речи. На рисунке 10.4 изображены основные варианты распределенных систем.

Линейные системы (Рис. 10.4-а) применяются для озвучения и звукоусиления в помещениях вытянутой формы малой высоты (коридоры, платформы станций метро, небольшие аудитории и др.). При озвучении помещений с повышенной гулкостью применяются линейные цепочки из направленных излучателей (например, из звуковых колонок).

Для озвучения больших фойе и других аналогичных помещений иногда применяют системы в виде одной или нескольких цепочек из направленных высококачественных громкоговорителей.

Потолочные системы (Рис. 10.4-б) применяются в двух случаях.

В случае относительно узких помещений (расчетная высота больше 1/2 ширины помещения) с высокими потолками (высота не менее 4 м) применяется одна или две цепочки из направленных громкоговорителей, укрепленных на потолке.

В помещениях с относительно низким потолком применяются системы с равномерным распределением излучателей по всему потолку. Последние могут использоваться как в установках озвучения, так и в установках звукоусиления, но в этом случае необходимо выключить громкоговорители, расположенные вблизи от микрофона.

Распределенные системы кресельных громкоговорителей, в которых громкоговорители небольшой мощности (порядка 0,1 - 0,25 Вт) вмонтированы в спинках кресел, применяются для усиления речи. 

Основными достоинствами такой системы, оправдывающими ее применение в больших аудиториях (несмотря на относительно высокую стоимость оборудования и монтажа), являются: хорошая однородность поля уровней, высокая разборчивость речи и небольшая глубина акустической обратной связи.

Рис. 10.3 – Варианты зональных систем: а – размещение  громкоговорителей  на стенах; б – размещение громкоговорителей на стенах с дополнительными излучателями для озвучивания балконов

Рис. 10.4 – Варианты распределенных систем: а – две цепочки на стенах;   б – потолочная система

Распределенные системы озвучения на открытом пространстве применяются в основном в виде линейных систем в виде сетки из радиальных громкоговорителей, покрывающей большие площади, например, в тех случаях, когда нельзя устанавливать громкоговорители на большой высоте.

Линейные и потолочные системы создают звуковое поле, в котором направление на кажущийся  источник звука не совпадает с направлением на видимый первичный источник. При этом происходит так называемый разрыв зрительного и слухового образов. Для борьбы с этим дефектом иногда применяют включение громкоговорителей через линию задержки. Если звук от громкоговорителей приходит позже, чем от первичного источника, то разрыва между зрительным и слуховым образом не будет.

В случае применения кресельной системы звук приходит к слушателям с примерно одинаковой интенсивностью с разных сторон. Благодаря этому слуховой образ не привязывается к определенному направлению. Так как слушатель видит первичный источник звука, то он непроизвольно привязывает к нему и слуховой образ.

В реальных установках озвучения и звукоусиления часто применяется сочетание нескольких систем. Так, например, при сосредоточенной системе озвучения зрительных залов иногда необходимо дополнительное озвучение подбалконных пространств, боковых лож и т.п. Это озвучение выполняется с помощью зональной или распределенной системы с маломощными громкоговорителями. Целесообразность применения той или другой комбинированной системы определяется в каждом конкретном случае в соответствии с назначением установки и акустическими особенностями помещения.

10.3.  Порядок расчета системы звукоусиления

Расчет систем озвучения и звукоусиления обычно состоит из следующих этапов:

• выбор и расчет требуемых параметров звукового поля;
• выбор системы звукоусиления (озвучения) и типы излучателей;
• расчет звукового поля с учетом размещения громкоговорителей;
• выбор типа микрофонов (для систем звукоусиления) и звукоусилительной аппаратуры.

Прежде чем приступить к проектированию системы звукоусиления необходимо задаться целевым назначение помещения: только для музыкального исполнения; только для речевых сигналов или универсального типа.

Выбор и расчет требуемых параметров звукового поля. Исходя из назначения системы озвучения или звукоусиления по таблице 10.1 выбираются значения:

• требуемого уровня звукового поля L_тр;
• допустимой неравномерности поля уровней прямого звука DL, дБ;
• допустимого изменения акустического отношения R_мин , R_макс   и среднее значение акустического отношения R_ср.

При этом его значение выбирают в пределах 2 ... 4. Меньшие значения следует выбирать для установки воспроизведения речи, большие - для музыки.

Правильность выбора значения R_ср проверяют путем определения значений R_мин и R_макс, соответствующих выбранным значениям R_ср и  DL:

Rмин=Rср*10^-0,05DL

Rмакс=Rср*10^0,05DL   (10.1)

Полученные величины должны лежать в пределах, указанных  в таблице 10.1. В противном случае необходимо изменить величину R_ср.

Для систем звукоусиления по таблице 10.2 выбирают требуемый индекс усиления Qмс.тр. Затем рассчитывают остальные параметры звукового поля:

– средний уровень прямого звука

    Lпр.ср=Lтр - 10 lg(1+Rср) (10.2)

–  минимальный и максимальный допустимые уровни прямого звука

    Lпр.мин= Lпр.ср - 0,5DL

    Lпр.макс=Lпр.ср + 0,5DL   (10.3)

– уровень диффузного звука

         (10.4)

– акустическую мощность излучателей, необходимую для создания    диффузного поля

     Pa^*=A_f^* *10 ^0,1(LД-94), мВт,  (10.5)       

где A_f^* – звукопоглощение в зале на рассчитываемой частоте, определенное при акустическом расчете;

– требуемая полная акустическая мощность излучателей

 ,  мВт      (10.6)

где aср – средний коэффициент поглощения помещения на рассчитываемой  частоте, определенный при акустическом расчете.

Выбор системы звукоусиления (озвучения)  и типа громкоговорителей. В зависимости от размеров озвучиваемой площади и назначения установки выбирают тип системы: сосредоточенную, зональную, распределенную или смешанную.

При небольшой длине озвучиваемой площади (до 25-30 м) предпочтительнее применять сосредоточенную систему, обеспечивающую единство слухового и зрительного образов. Громкоговорители обычно размещают по бокам сцены.

Высота подвеса  h  излучателей должна выбираться такой, чтобы  звук к слушателю в последнем ряду приходил бы под углом не менее 5^°  к плоскости, проходящей через уши сидящих слушателей. Иначе первая половина рядов в значительной степени поглотит энергию звуковой волны.

В любом случае первые и последние ряды слушателей должны попадать в диаграмму направленности в вертикальной плоскости с таким расчетом, чтобы уровень звука везде был бы не менее чем Lпр.мин  и  не более чем Lмакс=Lпр.мин+DL.

При длине помещения более 30 м приходится применять достаточно мощные излучатели с острой диаграммой направленности. При этом возникают трудности с обеспечением равномерного звукового поля на первых и последних рядах слушателей.

В этих случаях предпочтительнее применять зональные системы.

Методика расчета таких систем ничем не отличается от методики расчета сосредоточенных систем. Только расчет ведется для каждой зоны в отдельности. При этом учитывается звуковое давление, поступающее от всех излучателей в данную точку поля. Так, например, точки, расположенные в первой части зала (ближе к сцене) облучаются только громкоговорителями, расположенными в головной части зала.

Точки, расположенные в последующих зонах, удаленных от сцены, могут облучаться как громкоговорителями своей зоны, так и громкоговорителями предыдущей (ближе к сцене) зоны.

Излучатели обычно размещают на боковых стенах зала.

Поскольку при зональной системе мощность излучателей для каждой зоны требуется значительно меньшая, чем при сосредоточенной системе, акустическая обратная связь по прямому звуку здесь также значительно меньше. Следовательно, устойчивость такой системы будет выше.

Однако при  зональной системе могут иметь место случаи нарушения единства слухового и зрительного образа, что требует применения линий задержки.

При залах (коридорах) небольшой ширины (менее 15 м) могут применяться распределенные системы с использованием ненаправленных (вплоть до средних частот) маломощных излучателей типа абонентских громкоговорителей, двух или трехполосных акустических систем, размещаемых либо на боковых стенах, либо на потолке. При ширине помещения менее 7 м может оказаться достаточно одной цепочки излучателей на одной боковой стене.

Надо иметь в виду, что указанные излучатели имеют малую дальность действия (порядка 3 ...7 м).

При ширине помещения более 15 м в распределенной системе приходится применять направленные излучатели типа звуковых колонок.

В данном пособии приводится методика расчета сосредоточенной системы с использованием диаграмм направленности излучателей.

Методика расчета распределенных систем изложена в[1,3].

Акустические оси излучателей обычно направляют в вертикальной плоскости в последний ряд слушателей.

В горизонтальной плоскости акустическая ось должна направляться с таким расчетом, чтобы крайние места последнего ряда не выпали из диаграммы направленности и уровень в них был бы не менее L_пр.мин, что определяется прикидочным расчетом.

После размещения излучателей относительно слушателей с помощью двух проекций определяется истинное максимальное расстояние до дальнего слушателя по акустической оси r_макс.

Зная r_макс, находят требуемое среднее номинальное давление излучателя p₁  (давление, развиваемое излучателем на акустической оси на расстоянии 1 м при подведении номинальной электрической мощности).

По найденному значению  p₁=r_макс*L^{0,05(Lпр.мин-94)} в справочниках подбирают тип излучателя, учитывая требуемую полосу воспроизводимых частот. Необходимо, чтобы p₁ излучателя было бы не меньше, чем p_1треб.

Если значение p₁ у излучателя меньше, чем p_1треб, то можно применить сдвоенные (поставленные друг на друга) излучатели, при этом значение p₁ удваивается и т.д.

Для звуковых колонок определяют требуемый коэффициент осевой концентрации

    ,   (10.7)

где P_a  - требуемая полная акустическая мощность излучателей (мВт);

n - количество отдельных излучателей.

Если колонка составная, то   W_S=n*Wкол, где n - число колонок, поставленных друг на друга.

В справочных данных [1,3,4] находят значение Wкол.

Если  Wкол і Wтреб, то выбранная звуковая колонка обеспечит необходимую акустическую мощность.

В некоторых справочниках приводится не номинальное звуковое давление , а стандартное давление p_ст. В этом случае p₁ определяется из формулы

     , (10.8)

где Pэл.ном – номинальная электрическая мощность излучателя.

Расчет звукового поля с учетом размещения излучателей. На плане зала и его вертикальном разрезе согласно выбраненному типу системы озвучения (в кинотеатрах применяется только централизованная система) размещают громкоговорители с указанием направления их акустических осей. На чертежах громкоговорители следует пронумеровать. На этих же чертежах намечаются рабочие точки, в которых ожидаются максимальные и минимальные уровни звукового давления, а также промежуточные, величина уровня в которых вызывает сомнение. На плане зала целесообразно намечать расчетные точки только в одной половине зала (относительно его продольной оси), т.к. в другой половине точки будут зеркальным отображением точек в первой его половине.

Максимальные уровни обычно ожидаются в первом ряду зрителей под акустической осью соответствующего громкоговорителя. Минимальные – в последнем ряду, особенно на его краю, где отклонение точки от акустической оси максимально.

В кинотеатрах основные (заэкранные) громкоговорители располагают непосредственно за экраном на специальных стеллажах. Располагают их в горизонтальной плоскости в зависимости от величины зала от двух до пяти.

При этом каждая расчетная точка облучается сразу несколькими громкоговорителями. Суммарное звуковое давление в точке определяется энергетическим суммированием по формуле

             ,     (10.9)

где p₁, p₂, p₃  и т.д. давления, создаваемые в i-той точке первым, вторым  и т.д. громкоговорителями.

В каждую расчетную точку на плане и вертикальном разрезе зала из центров громкоговорителей облучающих ее, проводятся прямые линии.

По этим линиям на обоих чертежах определяется истинное расстояние  r_i  от центра излучателя до  i-ой точки.

По ним же определяются (с помощью транспортира) углы между  акустическими осями и направлением на i-тую точку в горизонтальной (на плане – Q_г) и вертикальной плоскостях (на вертикальном разрезе –Q_в) из центра данного громкоговорителя.

Затем по диаграмме направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости в соответствии с найденными значениями углов Q_г и Q_в определяют величины радиусов-векторов R_г и R_в, соответственно.

Звуковое давление в  i-той точке, развиваемое данным громкоговорителем определяется по формуле

 ,     (10.10)

где  p₁  - номинальное давление – давление, развиваемое громкоговорителем на акустической оси на расстоянии 1 м от его акустического центра при подведении к нему номинальной электрической мощности.

Полученное суммарное давление в  i-той точке p_Si пересчитывается в уровни по формуле:

   Li=20 lgp_Si+94 (10.11)

Вычисления удобно вести в форме приведенной ниже таблицы.

Сравнивая полученные уровни в расчетных точках, определяют неравномерность звукового поля в зале: DL=Lмакс-Lпр.мин.

Эта величина не должна превышать принятого в начале расчета значения DL_доп.

Если условия DL Ј DL_доп и L_i і L_пр.мин выполняются, то расчет звукового поля можно считать оконченным.

Если условия не выполняются, то надо изменить расположение излучателей (высоту подвеса или ориентировку акустических