Инструмент для проектирования звуковых систем

Пэт Браун
Брэнда Браун

Грамотные проектировщики систем звукоусиления знают принципы как акустики, так и электроакустики. Они также знают, что для достижения искомого решения требуется определить правильное сочетание параметров помещения и системы озвучения. Главным рабочим инструментом проектировщика являются его собственные мозги, а ключ к наиболее эффективному использованию их заключается в наличии способности быстро и точно создавать картины распределения звуковой энергии в пространстве, отвечающие тому или иному соотношению этих параметров. В этом и состоит суть обсуждаемой здесь программы электроакустического расчета. В руках компетентного звукоинженера она может стать мощным подспорьем в процессе достижения оптимальных соотношений.

Какие параметры звукоусилительной системы может оценить звукоинженер, если она находится только на стадии проектной разработки?
• Равномерность поля прямого звука системы;
• наличие проблемных зон в аудитории, где наблюдается преобладание интерференционной картины, связанной с работой двух или более громкоговорителей;
• наличие реверберационного поля и его прогнозируемый уровень;
• соотношение прямого и отраженного звука в       аудитории;
• время запаздывания отражений низших порядков в ключевых зонах аудитории;
• общий характер звучания системы.
Эти ключевые параметры проектировщик может и обязан знать, чтобы быть уверенным в успехе проекта. Мириады возможных комбинаций переменных требуют мощных алгоритмов расчета и средств их реализации. Программное обеспечение Ulysses как раз и является таким средством – работающей под оболочкой Windows вычислительной машиной звукоинженера. Она может рассчитать все перечисленные выше параметры, но этим ее способности отнюдь не ограничиваются. Разработчики программы решили сконцентрировать ее на наиболее важных аспектах проектирования системы – на тех вещах, которые необходимо знать и которые могут быть вычислены с разумной точностью. Результатом их трудов явился продукт насколько удобный в применении, настолько же быстрый в вычислениях.
Последующие страницы содержат адекватное описание Ulysses, позволяющее читателю составить впечатление о ее возможностях. Тех, кому данная информация покажется интересной, мы адресуем для дальнейших исследований программы на Internet-сайт, указанный в конце статьи, где они смогут скачать демоверсию и поиграть с ней.
В нашем обзоре программы мы будем двигаться в той последовательности, которой, вероятней всего, стал бы придерживаться проектировщик реальной системы. Сначала мы опишем помещение, затем определим поле прямого звука и наконец рассмотрим отражения и реверберационное поле, которые явятся результатом наших изысканий.
Помещение
Параметры помещения, необходимые для выполнения расчетов, определяются, исходя из того, что именно хочет посчитать проектировщик. В простейшем случае все может быть сведено к вычерчиванию геометрических размеров помещения и размещению в нем громкоговорителей (помещение вычерчивается в системе координат X, Y, Z, знакомой пользователям AutoCAD и других чертежных программ)(рис. 1). Этого вполне достаточно для определения поля прямого звука. Такой расчет выполняется в тех случаях, когда звукоинженера интересует только «что, где и под каким углом повесить».
Однако, если требуется «акустическая информация», тогда комната должна быть «построена» с учетом поглощающих свойств материалов, которыми отделаны поверхности комнаты. В этом случае используется чертежный аппарат программы, в который заложены стандартные геометрические фигуры, образующие строительные поверхности. Вместо описания поверхностей с помощью набора точек при создании модели комнаты поверхности вычерчиваются целиком. В дальнейшем они могут копироваться, отражаться, вытягиваться и т.д. Такой способ ввода данных оказывается очень удобным, хотя и требует некоторого навыка.
В дополнительном разделе меню программы содержатся чертежные элементы, не влияющие на расчеты (текстовые блоки, символы и пр.).
Программа не предусматривает необходимости «замыкать» (команда Close, используемая в различных чертежных программах) модель помещения вручную. Подав команду вызова «помощника» (Calls Arnold)     (рис. 2), можно мгновенно узнать, закончен ли чертеж или нет. Вообще «помощник» позволяет устранить практически любую проблему, так что на него вполне можно положиться.

Вычисления
После того как модель помещения завершена, пользователь может приступить к расчетам различных параметров звукового поля. Эти расчеты производятся в том же модуле программы, что и построение модели. Расчет поля прямого звука выполняется с помощью команды Level + Time из меню Calculation (рис. 3). При этом влияние фазового взаимодействия сигналов нескольких громкоговорителей может либо приниматься во внимание, либо игнорироваться (рис. 4). Так же пользователь может самостоятельно определять patch size (точность расчетов поля на площади аудитории). Выбор варианта расчета Energy позволяет получить количественную оценку энергии, излучаемой на озвучиваемую площадь, без учета фазового взаимодействия (рис. 5). В варианте расчета Octave, напротив, вычисляется фазовое взаимодействие нескольких излучателей и, таким образом, с его помощью можно посмотреть «интерференционную картинку» (рис. 6). Имеется также опция, позволяющая оценить «теневой эффект», создаваемый различными препятствиями (например, строительными конструкциями) на пути звуковой волны. Опция Reflection дает возможность наряду с полем прямого звука увидеть отражения первого порядка, создаваемые каждым излучателем. Она особенно полезна для оценки позитивных и негативных эффектов, создаваемых различными поверхностями, находящимися вблизи громкоговорителей и слушателей. Чтобы проверить эту опцию, я варьировал расстояние между громкоговорителями и потолком, наблюдая за тем, что происходит с интерференцией, возникающей в результате наложения отраженных сигналов. Затем я повторил эту процедуру, меняя на сей раз расстояние от слушателя до пола. Полученные картинки и «аурализация» в режиме реального времени (см. раздел «Аурализация») вполне соответствовали ожидаемым результатам.
Расчеты поля прямого звука выполняются одновременно для всех семи октавных полос. После завершения расчетов пользователь, анализируя влияние направленности громкоговорителей и пр., может переключаться между полосами с помощью одного щелчка «мышки».
Дополнительные расчетные функции: dB Total (расчет суммарного уровня прямого и отраженного звука), Time (время прихода первого отражения), LD – LR (соотношение энергии прямого/отраженного звука по уравнению Хопкинса-Страйкера), %Alcons и Speech Transmission Index (показатели разборчивости речи).
Хотя существуют и другие способы оценки звуковых полей и энергетических соотношений, те, что имеются в программе, более чем достаточны, чтобы определить степень пригодности выбранного варианта проектируемой системы. Кроме того, опираясь на них, можно принимать вполне обоснованные решения по выбору типов громкоговорителей и мест их расположения.

Реверберация
Завершив работу над моделью помещения, можно приступить к его «отделке» различными материалами, описываемыми стандартными коэффициентами поглощения в октавных полосах. Это необходимо для изучения реверберационной картины в пространстве помещения в целом, а также для изучения структуры отражений в отдельных зонах аудитории. Данные по поглощающим характеристикам материалов можно вводить вручную или импортировать из других проектировочных программ (рис. 7).
Статистическая оценка времени реверберации осуществляется с помощью классических формул. Уравнение Сэбина лучше всего подходит для помещений с очень низкими показателями поглощения и равномерным распределением звуковой энергии. Уравние Эйринга представляет собой попытку усовершенствования уравнения Сэбина для помещений с более высоким поглощением. Уравнение Фитцроя позволяет оценивать эффект влияния отдельных поверхностей помещения, поглощающие характеристики которых существенно отличаются от других поверхностей. В Ulysses заложена возможность применения всех трех уравнений, а также прямого ввода результатов акустических измерений. Это обеспечивает великолепную возможность сравнения алгоритмов расчета и выбора, оптимального для определения показателей разборчивости речи.

Изучение структуры отражений
Звучание любой системы существенно зависит от отражений звука в помещении. После того как произведен расчет поля прямого звука, пользователь Ulysses может проанализировать структуру отражений для любой точки в помещении (рис. 8). Программа использует очень точный алгоритм расчета положений мнимых источников для вычислений отражений низших порядков и более быстрый «лучевой» метод для поздних отражений. Сочетание двух методов обеспечивает удачный компромисс между скоростью и точностью выполнения расчетов. В целом есть основания полагать, что программа вполне может превратить анализ структуры отражений из высокопрофессиональных раздумий в часть дизайн-проекта.

Аурализация
Многие проектировщики звуковых систем не используют прием аурализации, поскольку это слишком сложная и дорогая процедура. Блок аурализации Ulysses позволяет сделать ее быстрой и простой. После того как программа сгенерировала рефлектограмму (графическое представление структуры отражений) для конкретной точки в аудитории, эти данные могут использоваться для обработки тестового сигнала (монофоническая запись речи или музыки в безэховой камере), позволяющей получить представление о том, каково будет звучание в результате взаимодействия системы звукоусиления и помещения. Эта функция программы может оказаться очень полезной, когда необходимо убедить клиента в акустической обработке задней стены или барьера балкона. Процедура аурализации в Ulysses занимает немного времени и не требует приобретения дополнительных модулей программного обеспечения. Программой предусмотрено две методики. Быстрая аурализация «в режиме реального времени» может быть выполнена простым щелчком правой клавиши «мыши» в любой точке помещения. В этом случае пользователь сможет прослушать прямой звук и отражения первого порядка, а также некоторое количество «размазанных» (dithered) отражений, определенных статистическим методом. Быстрая аурализация удобна и полезна в тех случаях, когда надо показать, какой звук будет получать слушатель при смещении в сторону от акустической оси громокоговорителя или, например, находясь на балконе, в зоне, где фактически отсутствует прямой звук. Кроме того, на использовании рефлектограммы основаны две другие методики аурализации. Метод APF выполняет свертку (convolution), не используя никаких алгоритмов для ускорения процесса вычислений или сокращения размеров файлов с исходными данными. Метод RTA учитывает обработку ограниченного числа импульсов – 500, и добавляет «реверберационный хвост», определенный на основании наиболее свежего расчета времени реверберации RT60. Он представляет собой еще один удачный компромисс, на сей раз между методами «быстрым» и APF. Вместе с тем, все предусмотренные в Ulysses варианты аурализации реализуются очень быстро и просто, что делает их реальными инструментами оценки вероятного качества звучания проектируемой системы.

Данные по громкоговорителям
В Ulysses используются данные по излучению громкоговорителей, представленные в виде отображения уровней на поверхности сферы с шагом измерений 5°. Отдельный модуль программы отвечает за формирование этих представлений из информации, введенной вручную на основании непосредственных результатов измерений либо импортированных из баз данных других программ. У меня не возникло проблем при импорте баз из нескольких других платформ. Корпуса громкоговорителей могут быть нарисованы с помощью стандартных графических команд Ulysses. На рис. 9 представлено трехмерное изображение поля уровней прямого излучения громкоговорителя, имеющего умеренные габариты, на частоте 500 Гц. Обеспечивает ли шаг в 5° достаточную точность расчетов? Я полагаю, что для целей проектирования системы – да. Более высокое разрешение требует гораздо более громоздких файлов с данными и, соответственно, значительно замедляет расчеты, не говоря уже о дополнительной нагрузке на производителей, предоставляющих результаты измерений своих изделий. Теми аспектами проекта, которые требуют более точных измерений (согласование сигналов во времени (signal alignment), амплитудно-частотной коррекции и пр.), следует заниматься непосредственно в помещении после физической инсталляции системы, а не на этапе предварительного анализа.

Массивы (кластеры) громкоговорителей
Работа массивов громкоговорителей может быть проанализирована, если выбрать для расчетов группу излучателей в модели помещения. Программа самостоятельно находит геометрический центр массива на основании данных о геометрических центрах всех выбранных громкоговорителей. Затем она просчитывает поделенную на сегменты с шагом 5° сферу, радиус которой составляет 100 м, а центр располагается в вычисленной ранее точке. В результате расчетов определяется суммарное поле всех громкоговорителей в октавных полосах от 125 Гц до 8 кГц. Значение для каждой октавной полосы представляют собой усреднение данных по составляющим ее трем 1/3-октавным полосам.
Линейные массивы могут моделироваться в Ulysses путем представления их в виде массивов, состоящих из дискретных элементов (излучателей). На рис. 10 представлено графическое отображение поля уровней вертикального линейного массива, который состоит из 10 разнесенных на расстояние 0,5 м излучателей, индивидуальные факторы направленности которых малы.

Выводы
Подобно всякому инженерному программному обеспечению, Ulysses требует времени и усилий на изучение. К счастью, этот процесс не слишком утомительный и не слишком долгий. Те из проектировщиков, кто имеет хорошие навыки графических построений, оказываются в состоянии создавать корректные модели помещений в течение нескольких часов. Программа содержит справочную информацию. Кроме того, общедоступным является краткое пособие для начинающих. Пользователю будет затруднительно самому, основываясь исключительно на интуиции, отыскать в Ulysses скрытые функции и «горячие клавиши», позволяющие эффективно экономить время.
Аналогично тому, как правильно спроектированная система звукоусиления является результатом компромисса между различными параметрами, разработчикам Ulysses удалось найти хорошее соотношение между теми характеристиками звучания системы, которые могут быть предсказаны, и той информацией, которая необходима проектировщику. Программа не содержит большого количества «наворотов», выходящих за пределы базовых положений теории. Однако эти базовые положения реализованы в ней на полную катушку и в весьма удобной для использования форме. Возможность быстрой генерации рефлектограмм и аурализации позволяет ввести эти инструменты в арсенал основных средств проектировщика. Они представляют собой следующий естественный шаг в процессе проектирования, а вовсе не эзотерическую опцию. Ulysses занимает промежуточное положение между совсем дешевыми и простыми программными средствами и сложными и дорогостоящими методами расчетов.
Ulysses – не новая программа. На протяжении нескольких лет она успешно применяется многими проектировщиками как в Европе, так и в США. Поддержка серьезного производителя и более продуманный маркетинг послужат дальнейшему расширению круга пользователей программы.
Ulysses может быть загружена и приобретена с сайта www.ifbsoft.de

Перевод Андрея Кременчугского