Системы направленного звукоусиления в театрах

Первая и главная задача любой системы звукоусиления – усиливать звук и доносить его до каждого слушателя. Если задачей является только передача информации, например речи, от системы звукоусиления большего и не требуется. Однако в театре электроакустическая система является составной частью шоу, еще одним средством воздействия на зрителя и усиления впечатлений от происходящего на сцене.

Использование систем звукоусиления давно стало привычным даже в небольших драматических театрах. Трудно представить себе современную постановку без музыкального сопровождения или эффектов. Однако простые системы звукоусиления, даже высококачественные и хорошо настроенные, все равно вызывают ощущение дискомфорта: актеры передвигаются по сцене, выходят в зал, а голоса слышны из ближайшего кластера. В результате визуальные впечатления расходятся со слуховыми, зрителю приходится напрягать внимание, чтобы разобрать, кто именно говорит или поет.

А что, если систему звукоусиления построить так, чтобы звук приходил точно из того места, где находится актер? И чтобы эффекты, такие как пение птиц или шум города, полностью вовлекали присутствующих в представление?

Как это работает?

Направление на источник звуковой волны человек определяет по разнице сигналов, приходящих к левому и правому уху. Механизмов локализации три: временной, интенсивностный и спектральный. Временной механизм основан на несовпадении времени прихода сигналов к левому и правому уху, возникающем из-за разности хода волн. Интенсивностный – на разности в уровнях сигналов из-за дифракции звуковых волн на голове слушателя и акустической тени от головы.

Спектральный механизм основан на разности в спектральном составе вследствие дифракции и затенения. Эти механизмы локализации работают в случае единственного источника. Если же источников несколько (например, прямой звук и его отражения от стен), то направление на источник помогает определить эффект Хааса (эффект предшествования).

В общем виде эффект заключается в том, что положение источника человек определяет по первому пришедшему волновому фронту. Все волновые фронты, пришедшие позже в течение определенного времени, будут только увеличивать громкость сигнала, не влияя на локализацию.

Критический параметр – время задержки между приходом первого и второго фронтов. Например, если к слушателю поступают одинаковые сигналы от двух акустических систем с задержкой от 0 до 3 мс, то в качестве источника сигнала слушатель воспринимает мнимый источник, расположенный между двумя реальными. При времени задержки от 3 до 10 мс наблюдается окраска звука. При увеличении времени задержки от 10 до 35 мс звук кажется приходящим только от первой акустической системы, притом что вторая создает тот же уровень звукового давления. При дальнейшем увеличении времени задержки сигнал второй системы воспринимается как эхо.

Важный параметр – уровни первого и второго сигналов. В теории уровень второго сигнала может быть на 10 дБ выше уровня первого. Однако на практике лучше не превышать опорный уровень более чем на 6 дБ.

Использование эффекта предшествования для локализации дает некоторую свободу действий – разброс времени задержек и разностей уровней, при которых источник локализуется в нужном направлении. Благодаря этому систему можно настроить так, что условия правильной локализации будут выполняться для большей части зрительских мест.

Рассмотрим на простом примере, как вычисляются уровни и время задержек для ориентации источника звука. Пусть в небольшой комнате находятся говорящий и две акустические системы (рис.1). Задачей является создать для всех зрительских мест равномерное звуковое поле с локализацией источника звука именно в том месте, где находится выступающий.

Чтобы звук казался исходящим от выступающего, волновой фронт от него должен приходить первым (этот волновой фронт называется опорным сигналом). Для начала вычислим время задержек и затухание сигнала на пути от каждого из трех источников до слушателя.

d1 = 5,5 м Δt1 = 16 мс ΔL1 = 15 дБ

d11 = 4 м Δt11 = 12 мс ΔL11 = 12 дБ

d12 = 8 м Δt11 = 24 мс ΔL11 = 18 дБ

Рис.1. Расположение говорящего, акустических систем и слушателя:

И – источник сигнала,

АС1 и АС2 – акустические системы,

С1, С2 и С3 – позиции слушателей

Принимая во внимая индивидуальные особенности слуха, можно считать, что для правильной локализации источника сигналы от АС1 и АС2 должны приходить на 10…30 мс позже и с уровнем не больше, чем +6 дБ относительно опорного. Сигнал от АС1 должен прийти к слушателю через (16 + 10)…(16 + 30) мс после излучения его опорным источником. С учетом расстояния от АС1 до слушателя (12 мс) дополнительное время задержки для АС1 относительно источника составит 14…34 мс. С учетом затухания сигналов от И и АС1 уровень АС1 может превышать уровень опорного сигнала максимум на 3 дБ.

Сигнал от АС2 также должен приходить к слушателю на 10…30 мс позже опорного. С учетом 24 миллисекунд на пути от АС2 к слушателю дополнительное время задержки для АС2 составит 2…22 мс, а уровень АС может быть выше опорного на 9 дБ.

Аналогичные вычисления проводятся для других позиций слушателей. В результате для каждой акустической системы получается набор интервалов времени задержек и уровней, обеспечивающих нужную локализацию в каждой точке зала. Из всех возможных значений выбирается то, которое «работает» для максимального количества зрительских мест.

Практическая реализация

Выше был описан принцип построения SOR-системы (Source Oriented Reinforcement) в самом простом случае. В больших помещениях силы человеческого голоса не хватает для создания опорного сигнала достаточного уровня, поэтому необходимо использовать опорные громкоговорители. На практике система направленного звукоусиления работает так: сцена и, при желании, часть зала, где могут находиться актеры, разделяется на зоны (их размеры и количество зависят от бюджета и желаемой точности позиционирования), в каждую из которых помещается опорный излучатель. Для каждой зоны на сцене рассчитываются задержки и уровни с помощью специальной аудиоматрицы TiMax, количество входов которой зависит от числа зон, а число выходов – от количества громкоговорителей в зале. Перемещение актера из одной зоны в другую отслеживается оператором либо автоматически с помощью радиомаячка, и система изменяет настройки акустических систем при переходе актера из одной зоны в другую.

Системы аудиопозиционирования начали применять не так давно, и в мире есть всего несколько залов, где они работают. Мне удалось послушать систему в действии в Королевском театре Копенгагена.

С главным звукорежиссером нового драматического театра (Danish Royal Playhouse) Карстеном Вольстадом меня познакомили датские коллеги. Узнав о цели беседы, Карстен сразу позвал посмотреть систему: «Рассказывать можно долго, ты должна послушать и составить собственное мнение». Он оказался прав.

«Все началось восемь лет назад, – рассказал Карстен. – Меня не устраивало звучание стереофонической системы в театре, где голоса актеров слышны сверху, и когда зашла речь о строительстве нового зала для драматических спектаклей, мы решили сделать все по-другому». С самого начала в работе над проектом участвовали разработчик системы TiMax Робин Уиттакер из компании Out Board и инженеры компании d&b audiotechnik. На рис. 2 схематически показано размещение акустических систем в зале.

Рис.2. Схема расположения акустических систем в зале Королевского драматического театра в Копенгагене

Три акустические системы расположены на задней стене сцены, ряд из пяти акустических систем d&b audiotechnik Q1 расположен над центром сцены, и еще один такой же ряд вынесен в зал. В передний край сцены встроены плоские громкоговорители Tannoy, предназначенные для озвучивания передних рядов и для смещения источника звука по вертикали. Портальное звукоусиление в этом зале довольно условное – две Q1 встроены в ограждения балконов. Подбалконные акустические системы на схеме не обозначены.

Основой системы является матрица TiMax на 16 входов и 32 выхода. Положение актера отслеживается автоматически или вручную. Процедура установки и настройки такой системы долгая и трудоемкая, однако результат того стоит.

Точность определения направления на источник составляет 6 градусов. Слышимый результат впечатляет: голоса звучат очень естественно, сразу понятно, кто именно говорит. Вызывала сомнения способность системы создавать точную локализацию в любой точке зала, но эти сомнения быстро рассеялись – при перемещении по залу направление на источник по-прежнему определялось правильно.

О применении систем направленного усиления разработчики и первые пользователи рассказали на конгрессах AES. Они уверены, что путь развития звукоусиления – это стремление к максимальной естественности звучания и в то же время вовлечение зрителя в шоу. Именно эти возможности дает технология аудиопозиционирования, так что за ней будущее!

Пора учиться применять!

Фото. Зрительный зал Danish Royal Playhouse