Под властью погоды

Питер Мэпп

Для эффективной разработки уличных звуковых систем необходимо иметь ясное и четкое представление о многих факторах, которые влияют на качество звука.

Разработка и эксплуатация уличных звуковых систем – одна из наиболее трудных задач для индустрии звука, доставляющих массу хлопот. Если вы беретесь за озвучивание какого-либо грандиозного сооружения или мероприятия под открытым небом, то это может стать для вас чрезвычайно важным событием и принести немалый успех, но при условии, что вы правильно учли все факторы и все работает как надо. Однако если при этом что-нибудь не заладится и ситуация обернется против вас, то в итоге вы можете оказаться придавленными бременем проблем угрожающих масштабов. Вы проклянете тот день и час, когда взялись за это гиблое дело. А со стороны владельцев сооружений и публики последуют язвительные замечания по поводу того, что можно отправить человека на луну и оттуда вести прямую телевизионную трансляцию в цвете, а вы не в силах обеспечить нормальный звук на каких-то ста метрах. 

Короче говоря, проблему можно разделить на следующие три составные части: у вас отсутствует звук там, где он нужен; есть звук там, где его быть не должно;  имеется звук в нужном месте, но по какой-то необъяснимой причине не такой, как вам бы хотелось. Существует также и четвертая составляющая, которую можно отнести к любой из перечисленных выше, – наличие звука там, где он не по душе соседям или городским властям.

Вы с удивлением обнаруживаете, что испытанные подходы, которые вы с успехом применяли много лет для комнатных систем, не работают на открытом воздухе. В чем тут дело? Оказывается, все дело в погоде.

При разработке уличных звуковых систем приходится не только решать различные вопросы, связанные с акустикой, но и обеспечивать выполнение зачастую довольно жестких физических и механических условий. Существует множество проблем, непосредственно относящихся к акустике. Вследствие сферического расхождения в силу вступает закон обратных квадратов, при этом отсутствует поле реверберации, которое могло бы заполнить "провалы" в звуковом покрытии и смягчить звучание. Под воздействием температуры и влажности воздуха есть вероятность изменения частотной характеристики и скорости звука в точке приема. Влияние поглощения земли может привести к частотно-зависимому затуханию звука. При наличии ветра возможно возникновение зон звуковой тени. Локальные температурные колебания  могут привести к локальному изменению скорости звука и времени запаздывания. Если имеются отражения от зданий, стен и прочих препятствий, то из-за отсутствия поля реверберации они станут слышимыми.

Более того, вспомним закон Мерфи, согласно которому существует несколько изменений и дополнений к обычным внутренним правилам. Если какая-нибудь неприятность может случиться, – она случается, и тому масса примеров. Ветер никогда раньше не дул в этом направлении. В это время года никогда раньше не шел дождь. В этих местах никогда раньше не было ураганов. Здесь никогда не было снега в июле. У нас никогда раньше не было наводнений. Соседи никогда раньше ничего не имели против. Это здание никогда не отражало звук, пока не было окрашено. С напряжением в сети такого никогда раньше не происходило. Бизоны никогда не мигрировали в это время года. И не забудьте еще, что Мерфи был оптимистом.

Защита звуковой системы от климатического воздействия

Прежде чем перейти к вопросам акустики, рассмотрим некоторые проблемы физического и климатического характера. Для уличных систем, и особенно для постоянных инсталляций, защищенность оборудования от климатического воздействия является очевидным дополнительным требованием, для выполнения которого существует масса хорошо известных и испытанных приемов и материалов, например нанесение слоев эпоксидной смолы, использование специальной древесины для изготовления корпусов и  применение стекловолокна. Драйверы можно защитить с помощью водоотталкивающих материалов на решетке колонок, специальных лаков или водоотталкивающих покрытий. Нельзя забывать и о диапазоне температур, в котором должно работать оборудование, тем более если оно подвергается прямому солнечному воздействию или используется на холоде. Необходимо оценить воздействие климатических условий на систему в целом. Например, драйверы и рупоры громкоговорителя могут быть в порядке, но будут ли условия работы соответствовать рабочему диапазону для феррофлюида? Или, например, во многих городских районах загрязнение воздуха может привести к усилению коррозии, как это бывает в прибрежных районах. Следует также учитывать влияние общей влажности и скопление конденсата. Для решения некоторых проблем, связанных с температурой и влажностью воздуха, иногда достаточно включить аппаратуру и дать ей поработать. Для того чтобы уберечь компрессионные драйверы и громкоговорители от замерзания, иногда просто подают в линию специальный либо ультразвуковой, либо низкочастотный сигнал малого уровня.

Уличная акустика

В связи с отсутствием поля реверберации разумно допустить, что уровень звукового давления будет уменьшаться с увеличением расстояния по закону обратных квадратов, т. е. уменьшение на 6 дБ при увеличении расстояния вдвое (при условии, что акустические системы излучают сферическую волну – прим. ред.). Однако в действительности все может быть иначе. Среди возможных причин следует отметить затухание в атмосфере на высоких частотах, частотно-зависимое затухание, вносимое землей, влияние локальных отражений, размера источника, а также влияние температурного и ветрового градиентов. Прежде чем перейти к рассмотрению климатических факторов, рассмотрим другие более простые факторы.

Совершенно очевидным влияющим фактором является локальное отражение. Любая плоская, непористая или еще хуже вогнутая поверхность может в принципе вести себя как отражатель звука. Удивительно сильно могут отражать звук деревья, особенно, когда их много, например в лесу или роще, пусть даже они растут редко. Организаторы уличных концертов на собственном горьком опыте знают, как часто можно услышать раздражающее слух эхо, возникающее из-за отражения от края леса. На рис. 1 приведены кривые ожидаемого ухудшения звучания вследствие отражения как функция от времени задержки и уровня отраженного звука. В зависимости от характера поверхности земля может вести себя и как звукоотражатель, и как звукопоглотитель. Так, при распространении звука над травой его уровень может дополнительно уменьшиться на 5–6 дБ, а над вспаханной землей – на 6–10 дБ. Величина затухания зависит от характера поверхности земли, высоты источника и приемника. На рис. 2 показано множество типичных кривых дополнительного затухания для высот источника и приемника 2 и 1,6 м соответственно. Здесь видно, что дополнительное затухание имеет сильную частотную зависимость с максимумом примерно на 400 Гц. Интересен тот факт, что на расстояниях  до 200 м на частотах порядка 1–2 кГц уровень звука может увеличиться на 4–5 дБ.

Эффективный размер источника – также важный фактор при оценке уменьшения уровня звука с увеличением расстояния. Например, распределенная звуковая система стадиона, состоящая из ряда отдельных источников, будет вести себя как один большой источник, если слушатель находится на большом расстоянии. Однако она не будет вести себя как точечный источник, пока вы не окажетесь на достаточном расстоянии. Аналогично, большие массивы громкоговорителей нельзя считать точечным источником  на расстоянии менее трети от максимального линейного размера сооружения, а затем будет наблюдаться частотно-зависимое затухание. На рис. 3 дано пояснение сказанному выше и показано несколько простых эмпирических правил для линейных и плоских источников. Полезно запомнить тот факт, который многие люди, живущие по соседству со стадионами, знают слишком хорошо на собственном опыте, что закон обратных квадратов все еще продолжает действовать после того, как звук достигнет самых дальних слушателей или границы арены либо стадиона. Например, новая звуковая система стадиона вполне может обеспечивать уровень 100 дБА на расстоянии 150 м на самых дальних рядах,  однако на расстоянии 300 м уровень снизится лишь до 94 дБА, а на 600 м он составит 88 дБА. На расстоянии примерно 1,5 км уровень звука снизится лишь до 80 дБА. Это может стать серьезной экологической проблемой! Однако полный баланс принимаемого звука изменится. Высокие частоты избирательно ослабнут под влиянием затухания в атмосфере, что будет обсуждаться ниже, а  низкие и средние уменьшатся лишь по закону обратных квадратов.

Дополнительное затухание высоких частот в атмосфере

При передаче звука на большие расстояния (свыше 30 м), помимо обычного уменьшения уровня по закону обратных квадратов, можно наблюдать заметное затухание высокочастотных составляющих. Затухание обладает сильной частотной зависимостью. Например, на частоте 1 кГц дополнительные потери могут составить лишь около 5 дБ на 1 км, в то время как на 10 кГц – до 100 дБ. На рис. 4  изображено семейство типичных кривых. Дополнительное затухание сильно зависит от влажности, при этом максимум затухания приходится на низкую влажность. Действительно, как показано на рис. 5, максимум затухания приходится на относительную влажность порядка 15–20 %. Дополнительное затухание зависит не только от частоты, но и от температуры, как показано на рис. 6, при этом максимум затухания приходится примерно на 20°C. Физика данного явления довольно сложна. Свой вклад в его изучение внесли такие известные ученые, как Лоренц, Рэлей, Больцман, Эйнштейн и Генри, не говоря уже о Ньютоне и Уотерсоне. Однако окончательное объяснение этому явлению было дано лишь в 1933 г. Кнудсеном (Knudsen), который показал, что затухание происходит из-за релаксационного эффекта в колебательном движении молекулы кислорода. (Молекулы кислорода и водяного  пара сталкиваются попарно, и из-за близкого резонанса между колебаниями молекулы кислорода и молекулы пара происходит интенсивная передача колебательной энергии.)

Частотные потери можно компенсировать с помощью стандартной конфигурации фильтров при условии, что громкоговоритель реально может получить дополнительно требуемую мощность. Кроме того, следует учитывать субъективную и художественную стороны вопроса, заключающиеся в том, что в обычной жизни мы подсознательно привыкли слушать на большом расстоянии звук с ослабленными высокими частотами и увеличение их уровня приведет к необычным для нас ощущениям. Поэтому необходимо соблюдать хрупкое равновесие между сохранением ясности речи и музыки и натуральностью звучания.

Дополнительное влияние температуры и влажности воздуха

Как было сказано выше, дополнительные потери на высоких частотах зависят от температуры и влажности воздуха. То же самое относится и к скорости звука. Простое уравнение

V = 20,06(273 + g C)^0.5  ,

где V – скорость, м/с; C – температура, °C, показывает, что скорость звука пропорциональна квадратному корню от температуры. Это означает, что изменение температуры на 1°C вызывает изменение скорости на 0,6 м/с, или же разница в 10°C приведет к изменению скорости на 1,8 %. Относительная влажность также влияет на скорость звука. (Плотность водяного пара примерно на 40 % меньше плотности воздуха, следовательно, изменение скорости пропорционально изменению процентного содержания водяного пара в воздухе.) То есть при относительной влажности 14 % и температуре 20°C скорость звука будет на 0,2 м/с ниже, чем в сухом воздухе, в то время как при 100 % относительной влажности скорость будет на 1,1 м/с выше, чем в сухом воздухе.

Поскольку температура и относительная влажность меняются в течение дня, изменятся и скорость звука, и высокочастотное затухание. Относительная влажность может в среднем меняться примерно на 30 % в течение дня, а температура – на 5–10°C или даже на 15°C. Следовательно, изменение скорости звука на 6–9 м/с можно считать обычным явлением. В связи с этим необходимо предусмотреть возможность точной регулировки времени задержки сигнала. Возьмем, например, вынесенную башню, установленную точно в 100 м от основных порталов громкоговорителей. Изменение температуры на 15°C (например, с 15 до 30°C или наоборот) приводит к изменению времени распространения на 7,3 мс. Помимо общего довольно плавного изменения суточной температуры, локальная температура в любой точке также непрерывно меняется в течение суток, но эти колебания носят более краткосрочный и динамичный характер и составляют 5-10°C. Колебания могут создавать локальные неоднородности в воздухе, приводящие к значительному изменению звукового баланса и качества звучания в точке приема. Кроме того, может происходить изменение фазы сигнала.

Градиент и инверсия температуры

Еще одним фактором, который может оказывать значительное влияние на распространение звука, является рефракция. Последнюю можно определить как изменение направления распространения звука при его прохождении под углом из одной среды в другую с разной скоростью. С изменением температуры влияние рефракции становится все более сложным и трудно предсказуемым. Температура около  поверхности земли (для нашего случая – на расстоянии порядка 46 м) меняется  в зависимости от времени суток и года, а также от высоты и от того, солнечный это день или пасмурный. То есть все дело в температурном градиенте, который максимален возле земли. Отрицательный вертикальный градиент обычно наблюдается в дневное время, поскольку теплый воздух в основном  находится у самой земли, и чем выше, тем воздух холодней. Положительный градиент (инверсия температуры) наблюдается ночью (рис. 7, 8).  Когда температура воздуха более высокая у земли, чем на высоте, что характерно для дневного времени, скорость звука на некоторой высоте будет меньше, чем у земли, звуковые волны будут изгибаться кверху, что приведет к затуханию звука на уровне земли (рис. 9). И наоборот, когда температура ниже у земли, что характерно для ночного времени, звук будет распространяться быстрее на некоторой высоте, нежели у земли, и звуковые волны будут загибаться книзу, что приведет к увеличению дальности распространения (рис. 10). Это происходит потому, что сухой воздух относительно прозрачен для солнечной радиации и в течение дня энергия солнца нагревает землю. Благодаря теплопроводности воздух, находящийся рядом с землей, нагревается и, будучи более теплым, чем воздух выше него, поднимается вверх. Тепло, поглощаемое воздухом при контакте с землей, поднимается вверх конвекционными потоками. По этой причине отрицательный градиент температуры, который может быть максимален у земли, характерен для дневных часов (см. рис. 7а). С заходом солнца поверхность земли охлаждается. При этом охлаждается воздух, соприкасающийся с землей, что приводит к возникновению положительного градиента температуры или инверсии. Однако на более значительных высотах сохраняется отрицательный градиент (см. рис. 7b). Чем больше охлаждаются нижние слои воздуха, тем больше становится высота слоя с инверсией температуры (см. рис. 7с). В ясные солнечные дни образуются более значительные градиенты температур, чем в пасмурные. Еще одна типичная ситуация возникает, когда солнце нагревает землю в утренние часы, что приводит к появлению отрицательного градиента. Затем  в период полдня становится пасмурно, земля охлаждается и над ней образуется слой инверсии. Позднее облачность рассеивается и у поверхности земли появляется слой с положительным градиентом. В итоге в середине остается инверсионный слой, окруженный сверху и снизу слоями с нормальными градиентами, как показано на рис. 7d. В такой ситуации при отсутствии ветрового градиента звук может распространяться на большие расстояния при малом затухании. На рис. 8 и 9 изображено влияние на распространение звука нормального (отрицательного) градиента и инверсии (положительного градиента) соответственно. Из приведенных выше рассуждений становится понятно, каким образом и почему изменения температуры могут значительно влиять на передачу звука, а также на его баланс и качество в том месте, где находится слушатель.

Ветровые градиенты

К метеорологическим явлениям, которые влияют на распространение звука, относятся ветровые градиенты. В отличие от температурных градиентов, которые в равной мере влияют на распространение звука во все стороны от источника, ветровые градиенты оказывают различное влияние в направлениях по ветру и против ветра. При нормальных атмосферных условиях скорость ветра растет с увеличением высоты над землей. Влияние ветра на передачу звука показано на рис. 11, из которого видно, что с наветренной стороны формируется зона тени, а с подветренной – зона концентрации звуковой энергии. Обычно ветер оказывает на распространение звука большее влияние, нежели температура, но как это не парадоксально, по сути именно градиент температуры приводит к появлению ветра.  Например, ветровые градиенты могут привести к увеличению уровня на 5 дБ по сравнению с ожидаемым уровнем при нормальных условиях, но они также могут привести к дополнительному затуханию в 20 дБ.  Температурные же градиенты могут обычно давать выигрыш или потери порядка 5 дБ.

В заключение отметим следующее: в реальных условиях инсталлятор или оператор мало что может сделать для устранения влияния этих факторов, разве что уменьшить расстояние между громкоговорителем и публикой. Тем не менее элементарные знания основ могут по крайней мере помочь вам понять, по какой причине внезапно пропадает звук, когда представление вот-вот должно начаться.

Благодарим журнал Sound & Video Contractor за предоставленный материал.
P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901.

П. Мэпп является независимым консультантом в области акустики и разработки звуковых систем в Великобритании. Последние два года он принимал участие в исследованиях, направленных на изучение свойств DML-громкоговорителей. С ним можно связаться по электронной почте: petermapp@btinternet.com.