Obiekty widowiskowe, takie jak filharmonia, opera, teatr dramatyczny, teatr muzyczny, kino itp. są miejscami pozwalającymi na uczestnictwo w szeroko pojętych wydarzeniach artystycznych. Każdy z wymienionych typów obiektów posiada zupełnie inną akustykę wnętrza, ponieważ różnią się one między sobą przeznaczeniem. Widzowie uczestniczący w koncercie muzyki symfonicznej oczekują naturalności oraz głębi brzmienia instrumentów orkiestrowych, w odróżnieniu od osób odwiedzających salę kinową, które liczą na immersyjne doznania dźwiękowe wynikające z zastosowania przestrzennych systemów elektroakustycznych. Istotne jest czy w danej sali źródło dźwięku jest wyłącznie akustyczne, czy nagłośnione za pomocą systemu elektroakustycznego. W zależności od tego, wymagane parametry akustyczne pomieszczeń różnią się. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na fakt, że projektowanie akustyki takich obiektów wy-maga kompromisu pomiędzy wieloma, często sprzecznymi wymaganiami. Parametry takie jak czas pogłosu, zrozumiałość mowy czy równomierność rozkładu dźwięku na płaszczyźnie odsłuchowej muszą być dostosowane nie tylko względem funkcji sali, ale również jej kubatury, kształtu oraz zastosowanych materiałów wykończeniowych. W obiektach wielofunkcyjnych istotne znaczenie ma możliwość przestrajania akustyki, umożliwiająca zmianę m. in. warunków pogłosowych w pomieszczeniu w zależności od rodzaju wydarzenia.

2. CZAS POGŁOSU

Podstawowym parametrem akustycznym opisującym pomieszczenie jest jego czas pogłosu, który z definicji oznacza czas zaniku energii akustycznej w pomieszczeniu o milion razy. W skali decybelowej odpowiada to spadkowi wartości o 60 dB. Skala logarytmiczna jest bardzo często stosowana w akustyce, ponieważ parametr ciśnienia akustycznego charakteryzuje się niezwykle szerokim zakresem wartości – od około 20 µPa, odpowiadających progowi słyszenia, aż do ponad 200 Pa, co stanowi próg bólu. Zastosowanie skali logarytmicznej umożliwia wygodne operowanie tym zakresem oraz lepsze odwzorowanie sposobu, w jaki ludzki układ słuchowy postrzega zmiany poziomu dźwięku. Wyrażając wartości ciśnienia akustycznego w decybelach mówimy o poziomie ciśnienia akustycznego. Czas pogłosu jest kluczowy przy ocenie właściwości akustycznych wnętrza, ponieważ bezpośrednio wpływa na odbiór dźwięku przez słuchacza – zarówno pod względem jego klarowności, jak i wrażenia przestrzenności. Zbyt długi czas pogłosu może prowadzić do zlewania się kolejnych dźwięków i pogorszenia zrozumiałości mowy, natomiast zbyt krótki sprawia, że dźwięk odbierany jest jako mało naturalny, suchy i pozbawiony głębi. Niektóre formy muzyczne, takie jak muzyka chóralna i organowa wymagają dużego czasu pogłosu wynoszącego czasami więcej niż 3 s. Natomiast w przypadku studiów nagraniowych czas pogłosu musi być stosunkowo krótki, aby wpływ akustyki pomieszczenia w realizowanym nagraniu był minimalny. Zalecane czasy pogłosu pomieszczeń o różnych zastosowaniach przedstawiono na Ryc. 1. Czas pogłosu pomieszczenia obliczyć można m.in. za pomocą wzoru Sabine’a

gdzie V jest objętością pomieszczenia, natomiast A chłonnością akustyczną pomieszczenia wyrażaną w m2 lub w Sabinach. Chłonność akustyczna jest sumą iloczynów współczynników pochłaniania materiałów znajdujących się w pomieszczeniu oraz ich powierzchni. Zwyczajowo obliczenia przeprowadza się dla każdego pasma o szerokości 1/1 oktawy - producenci materia-łów zazwyczaj podają współczynniki pochłaniania w pasmach oktawowych. Wzór ten daje pewne przybliżenie wartości czasu pogłosu, ponieważ nie uwzględnia się w nim m.in. miejsca rozmieszczenia materiałów pochłaniających.

Ryc. 1. Zalecany czas pogłosu pomieszczeń w zależności od ich przeznaczenia [1].

Drugim istotnym parametrem rozważanym w przypadku zmiennej akustyki pomieszczenia jest opóźnienie między falą bezpośrednią a wczesnymi odbiciami fali akustycznej. Reprezentację wczesnych odbić w pomieszczeniu realizuje się za pomocą echogramu. Parametr ten ma szczególne znaczenie dla lokalizacji źródła dźwięku. Krótkie opóźnienia, rzędu kilkunastu do kilku-dziesięciu milisekund, mogą wzmacniać wrażenie głośności i pełni brzmienia bez pogarszania czytelności sygnału akustycznego, natomiast większe opóźnienia prowadzą do powstawania zjawiska echa, które jest niepożądane. Odpowiednie kształtowanie tego parametru poprzez geometrię wnętrza oraz zastosowanie elementów odbijających i rozpraszających, pozwala na optymalizację warunków odsłuchowych w zależności od funkcji danego obiektu.

Czy wiesz, że… ?

Zastosowanie systemu aktywnej akustyki pozwala na najszerszy zakres zmiany charakteru pogłosowego pomieszczenia w dowolnym środowisku akustycznym.

3. MECHANICZNE METODY PRZESTRAJANIA AKUSTYKI WNĘTRZA

Dawniej, przed rozwojem systemów elektronicznych, zmiana czasu pogłosu mogła odbywać się wyłącznie w sposób mechaniczny. Analizując przedstawiony w poprzednim rozdziale wzór Sabine’a (wzór nr 1) można zauważyć, że czas pogłosu jest parametrem wprost proporcjonalnym do objętości pomieszczenia oraz odwrotnie proporcjonalnym do chłonności akustycznej. Zmiana czasu pogłosu jest więc możliwa za pośrednictwem zmiany kubatury pomieszczenia oraz ilości materiałów pochłaniających w nim umieszczonych. Najczęstszym zabiegiem stosowanym do dzisiaj jest wyposażenie sali w kotary posiadające odpowiednie własności akustyczne, pochłaniające falę akustyczną w pożądanym zakresie częstotliwości. Rozwiązanie to często nazywane banerami akustycznymi jest dogodne ze względu na prostotę użytkowania oraz skutek jaki odnosi w aspekcie zmiany charakteru pogłosowego sali. Wpływa jednak znacząco na wygląd wizualny obiektu oraz jego charakter architektoniczny. Kotary, można zobaczyć m.in. w sali koncertowej Narodowej Orkiestry Symfonicznej Polskiego Radia (Ryc. 2). W przypadku gdy organizowane wydarzenie wymaga mniejszego czasu pogłosu, np. ze względu na konieczność zastosowania systemu elektroakustycznego, tkanina rozwijana jest ze specjalnie przygotowanych magazynów tzw. parkingów kurtynowych. Takie rozwiązanie pozwala modyfikować czas pogłosu pomieszczenia w zakresie od kilkunastu do nawet kilkudziesięciu procent, w zależności od powierzchni czynnej materiałów pochłaniających oraz ich charakterystyki częstotliwościowej pochłaniania.

Ryc. 2. Banery akustyczne w sali koncertowej NOSPR. www.akustyczna.pl

W mniejszych pomieszczeniach, takich jak sale prób bądź studia nagrań, stosuje się często obrotowe ustroje akustyczne, które w zależności od ustawienia mogą pochłaniać, odbijać lub rozpraszać dźwięk. Rozwiązanie takie spotkać można np. w studiu regionalnej rozgłośni Polskiego Radia Katowice oraz – co przedstawiono na Ryc. 3 – w pomieszczeniu odsłuchowym Politechniki Wrocławskiej należącym do katedry Akustyki, Multimediów i Przetwarzania Sygnałów. Zastosowanie omawianych ustrojów pozwala wpłynąć na zmianę czasu pogłosu w pomieszczeniu o około 25% [4], co w praktyce stanowi istotną różnicę w odbiorze materiału dźwiękowego. Zaletą tego rozwiązania jest bardzo szybka oraz ręczna zmiana charakteru akustycznego sali oraz zwiększona możliwość kształtowania pola akustycznego w pomieszczeniu przez wzgląd na zastosowanie ustrojów rozpraszających.

Ryc. 3. Obrotowe ustroje akustyczne w pomieszczeniu odsłuchowym Politechniki Wrocławskiej

Inną metodą, która w odróżnieniu od poprzednich pozwala zwiększyć czas pogłosu sali jest zastosowanie komór pogłosowych. Wpływając na objętość pomieszczenia poprzez dodanie dodatkowych przestrzeni sprzężonych akustycznie z główną salą, możliwe jest wydłużenie czasu zaniku energii akustycznej bez konieczności ingerencji w jej podstawową geometrię. Komory takie są zazwyczaj oddzielone od sali właściwej specjalnymi otworami lub kanałami, które mogą być zamykane i otwierane w zależności od potrzeb. Rozwiązania tego typu są coraz rzadziej stosowane, ponieważ są bardzo kosztowne oraz zajmują fizycznie dużo miejsca – kubatura po-mieszczeń pogłosowych musi być relatywnie duża.

Najrzadziej spotykanym rozwiązaniem stosowanym w celu regulacji parametrów akustycznych pomieszczenia są tzw. obniżane sufity, stanowiące kolejny przykład ingerencji w kubaturę wnętrza. Konstrukcja taka opiera się na ruchomych sufitach, które mogą być podnoszone lub opuszczane w zależności od aktualnych potrzeb akustycznych. Zmiana położenia sufitu wpływa bezpośrednio na objętość efektywną pomieszczenia, a tym samym – zgodnie z zależnością wynikającą ze wzoru Sabine’a – na wartość czasu pogłosu. Koszty konstrukcji mechanicznej, która zapewnia podnoszenie i opuszczanie kilkuset tonowej konstrukcji sufitu oraz koszty eksploatacji tego rozwiązania są na tyle wysokie, że rozwiązanie to jest w praktyce niestosowane. Przykładem sali posiadającej sufit jeżdżący jest Stavanger Concert Hall, w której sufit składający się z ośmiu segmentów ważących po 30-ton każdy, może zmieniać swoją wysokość o 6 metrów.

4. NOWOCZESNE METODY PRZESTRAJANIA AKUSTYKI WNĘTRZA

Pierwsze wzmianki o systemach, które współcześnie nazywane są systemami aktywnej akustyki pojawiły się już w latach 50-tych ubiegłego wieku. Zbigniew Żyszkowski opisał w swojej książce [5] system zaproponowany przez firmę Philips, nazywany przez nich ambiofonicznym. Pracownicy firmy Philips zaprojektowali system, który z pomocą korelacji czynnej pozwalał wyeliminować trudności związane z czasem pogłosu w salach wielofunkcyjnych. Schemat ideowy omawianego systemu przedstawiono na Ryc. 4.

Ryc. 4. Schemat ideowy systemu ambiofonicznego firmy Philips. Zaczerpnięte z [5]

Idea systemu była bardzo prosta. Mikrofon umieszczony bezpośrednio przy źródle odbierał falę akustyczną zamieniając ją na sygnał elektryczny, który następnie był rejestrowany magnetycznie na taśmie magnetofonowej. Urządzenia głośnikowe rozmieszczone równomiernie w kierunku powierzchni odsłuchowej odtwarzały z pewnym opóźnieniem rejestrowany sygnał, który po zsumowaniu z energią akustyczną odbitą od ścian pomieszczenia tworzył fale akustyczne odbierane subiektywnie przez słuchaczy jako wrażenie większej przestrzenności sali. Efekt ten można było regulować w pewnym zakresie poprzez zmianę parametrów toru elektroakustycznego, przede wszystkim opóźnienia oraz poziomu sygnału wtórnego. Taki system po-siadał liczne wady i ograniczenia wynikające głównie z konieczności realizacji nagrania oraz opóźnień sygnału w domenie analogowej [8]. Synchronizacja wielu urządzeń taśmowych w taki sposób, aby odczytywały one sygnał z zadanym opóźnieniem była bardzo trudna, a sama jakość odtwarzanego sygnału ulegała degradacji wraz z kolejnymi etapami przetwarzania. Dodatkowo system był podatny na niestabilności mechaniczne oraz ograniczenia wynikające z charakterystyki nośnika magnetycznego. Obserwowany od lat 90-tych rozwój techniki cyfrowej, w tym eksponencjalny wzrost wydajności obliczeniowej komputerów, pozwolił na prze-niesienie procesu przetwarzania sygnałów, realizowanego niegdyś w sposób analogowy, do domeny cyfrowej. Współcześnie centralnym elementem niemalże każdego systemu elektroakustycznego jest procesor DSP. Sygnały akustyczne odbierane przez przetworniki wejściowe, takie jak mikrofony, zamieniane są na sygnał elektryczny. Następnie, z wykorzystaniem prze-tworników analogowo-cyfrowych, konwertowane są na sygnał binarny zapisany w pamięci komputera. Ze względu na zastosowanie w budowie procesorów precyzyjnych zegarów taktujących realizacja operacji czasowych, takich jak opóźnienia sygnałów, odbywa się z bardzo dużą dokładnością, rzędu pojedynczych próbek.

Współczesne systemy aktywnej akustyki znacząco przewyższają zaawansowaniem pierwotne systemy ambiofoniczne. Oprócz prostego opóźniania sygnału wykorzystują zaawansowane algorytmy przetwarzania, takie jak sztuczna synteza pogłosu lub modelowanie odpowiedzi impulsowej pomieszczeń. Stosuje się również większą liczbę mikrofonów, które w odróżnieniu od systemu ambiofonicznego nie są umieszczane tylko przy źródle sygnału, ale również w innych miejscach pomieszczenia. Mikrofony mają za zadanie pozyskać sygnały, które mają charakteryzować pomieszczenie, a więc nieść informacje o jego naturalnym charakterze pogłosowym. Każde urządzenie głośnikowe umieszczone na sali jest zasilane osobnym sygnałem pochodzą-cym z niezależnego kanału przetwarzania. Dzięki zastosowaniu metod, takich jak raytracing lub metoda źródeł pozornych, możliwe jest bardzo precyzyjne wyznaczenie odbić fali akustycznej. Znajomość lokalizacji odbić jest bardzo istotna w procesie mieszania sygnałów wejściowych pochodzących od mikrofonów i przekierowywania ich na odpowiednie urządzenia głośnikowe. Na sygnał wyjściowy składa się sygnał zregenerowany, który reprezentuje wczesne odbicia odpowiadające za subiektywny odbiór wielkości pomieszczenia i parametr intymności oraz pogłos, który dodaje wrażenie przestrzenności.

Szczególnie istotnym problemem, który musiał zostać rozwiązany wraz z rozwojem systemów wsparcia akustyki jest zjawisko wzbudzenia akustycznego, powstające pomiędzy mikro-fonami a urządzeniami głośnikowymi. System aktywnej akustyki działa na zasadzie otwartego sprzężenia zwrotnego. Wszystkie mikrofony umieszczone w pomieszczeniu – często na prze-mian z urządzeniami głośnikowymi odbierają sygnał, który następnie z bardzo niewielkim opóźnieniem zasila urządzenia głośnikowe. Zwiększanie liczby mikrofonów oraz urządzeń głośnikowych w pomieszczeniu utrudnia eliminację wzbudzeń, natomiast gwarantuje uzyskanie większej rozdzielczości przestrzennej. Konieczne jest więc znalezienie kompromisu. Współczesne systemy aktywnej akustyki posiadają zaimplementowane złożone algorytmy dekorelacyjne oraz filtry adaptacyjne, które dodatkowo zabezpieczają system przed potencjalnym wzbudzeniem akustycznym. Na Ryc. 5 przedstawiono system aktywnej akustyki Amadeus Acoustics zamontowany w komorze akustycznej Politechniki Wrocławskiej, na który składa się 13 mikro-fonów dookólnych, 2 mikrofony o superkardioidalnej charakterystyce kierunkowości, 40 urządzeń głośnikowych szerokopasmowych oraz 4 urządzenia głośnikowe niskotonowe.

Ryc. 5. System aktywnej akustyki w komorze akustycznej Politechniki Wrocławskiej

Zastosowanie systemu aktywnej akustyki pozwala na najszerszy zakres zmiany charakteru pogłosowego pomieszczenia w dowolnym środowisku akustycznym. Zmiana konfiguracji aktywnej akustyki może odbywać się poprzez mobilną aplikację lub naścienny panel dotykowy. Opóźnienie zadziałania związane z czasem załączenia konfiguracji jest niezauważalnie krótkie. Ponadto na szczególną uwagę zasługuje fakt, że systemy aktywnej akustyki współdzielą komponenty elektroakustyczne z systemami immersyjnymi, które stosuje się w salach teatralnych oraz kinowych [7]. Nie ma więc konieczności dublowania urządzeń, a sam system będący często zintegrowanym, pełni obie funkcjonalności w jednym.

5. PODSUMOWANIE

Możliwość przestrajania akustyki wnętrza jest istotnym rozwiązaniem dla sal wielofunkcyj-nych, pozwalającym dostosować charakter pogłosowy sali do realizowanych w niej wydarzeń artystycznych o różnym charakterze.

Mechaniczne metody zmiany akustyki wnętrza pozwalają na regulację czasu pogłosu w znacznie mniejszym zakresie niż systemy aktywnej akustyki. Dodatkowo, tego typu systemy wymagają dodatkowej przestrzeni oraz są często bardzo kosztowne.

Dzięki wykorzystaniu nowoczesnej technologii opartej na procesorach DSP, coraz częściej w obiektach wielofunkcyjnych, stosuje się systemy aktywnej akustyki. Jest to rozwiązanie umożliwiające regulację parametrów akustycznych wnętrza, przy zachowaniu całkowicie naturalnego charakteru i brzmienia przestrzeni.

LITERATURA

[1] AHNERT W., NOY D., Sound Reinforcement for Audio Engineers, Newgen Publishing UK, 2023.

[2] BARRON M., Auditorium Acoustics and Architectural Design, Spon Press, London 2010.

[3] BERANEK L., Concert Halls and Opera Houses, Springer Science + Business Media, New York, 2004.

[4] KULOWSKI A., Akustyka Sal, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2011.

[5] ŻYSZKOWSKI Z., Podstawy Elektroakustyki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, War-szawa, 1953.

[6] SADOWSKI J., Akustyka Architektoniczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, War-szawa, 1976.

[7] KOZŁOWSKI P.Z., System dźwięku przestrzennego a system wirtualnej akustyki, Postępy badań w inżynierii dźwięku i obrazu, strony 9-28, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wro-cławskiej, Wrocław, 2021.

[8] URBAŃSKI B., Rejestracja sygnałów fonicznych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1990.

[9] EVEREST F.A, POHLMAN K.C, Podręcznik Akustyki, Sonia Draga, Katowice, 2020.

[10] KOZŁOWSKI P.Z., How to Adjust Room Acoustics to Multifunctional Use at Music Ven-ues, Proc. of 2018 Joint Conference ACOUSTICS, Polish Acoustical Society, Ustka 2018.

[11] KOZŁOWSKI P.Z., How to Prepare Typical Cinema Theatre to Become Multipurpose Music Venue, Proc. of 146th Audio Engineering Society Convention, paper 10188, Dublin 2019.

[12] LONG M., Architectural Acoustics, Elsevier Inc., 2006.