NIE TYLKO SPRZĘT – ZNACZENIE AKUSTYKI POMIESZCZEŃ W PRACY Z DŹWIĘKIEM
17 lis 2025
Spis treści
1. AKUSTYKA WNĘTRZ – CO TO JEST I OD CZEGO ZALEŻY
Akustyka wnętrz jest dziedziną zajmującą się jakością dźwięku generowanego w pomieszczeniu i odbieranego w tym samym pomieszczeniu. W ramach tej dyscypliny / branży zajmujemy się zapewnieniem odpowiedniej propagacji fal akustycznych generowanych w pomieszczeniu i odbieranych w tym samym pomieszczeniu. W przypadku każdego pomieszczenia możemy mówić o jego akustyce wnętrza oraz parametrach ją opisujących. Akustyka wnętrza to nie tylko pojęcie występujące w pomieszczeniach o tak zwanej akustyce kwalifikowanej czyli takich jak:
studia nagrań,
sale prób,
teatry,
sale koncertowe,
sale widowiskowe,
sale audytoryjne,
sale konferencyjne,
….
ale także w tzw. zwykłych pomieszczeniach powszechnego użytku. Są to m. in.: pomieszczenia mieszkalne, biurowe, sale lekcyjne, gabinety lekarskie, pomieszczenia szpitalne, garaże, magazyny, pomieszczenia laboratoryjne, hale produkcyjne, … czyli praktycznie wszystkie pomieszczenia występujące w budownictwie można opisać z uwagi na parametry ich akustyki wnętrza.
Akustyka pomieszczeń zależy od wielu czynników, przy czym najważniejsze z nich to:
objętość pomieszczenia,
kształt pomieszczenia i relacje poszczególnych wymiarów czyli tzw. proporcje,
sposób wykończenia poszczególnych płaszczyzn.
Zupełnie osobnym zagadnieniem jest ochrona przeciwdźwiękowa pomieszczeń. Jest to specjalność, dział akustyki odpowiedzialny za ochronę przestrzeni przed hałasem. Przez hałas rozumiemy tutaj zarówno dźwięki docierające z otoczenia budynków, dźwięki docierające z innych pomieszczeń jak również hałas powodowany przez różnorakie instalacje techniczne zainstalowane wewnątrz chronionego pomieszczenia czy w innych strefach tego samego budynku.
Czy wiesz, że… ?
Ochrona przeciwdźwiękowa pomieszczeń to dział akustyki odpowiedzialny za ochronę przestrzeni przed hałasem. Przez hałas rozumiemy tutaj zarówno dźwięki docierające z otoczenia budynków, dźwięki docierające z innych pomieszczeń jak również hałas powodowany przez różnorakie instalacje techniczne zainstalowane wewnątrz chronionego pomieszczenia czy w innych strefach tego samego budynku.
2. CZY AKUSTYKA WNĘTRZ MA WPŁYW NA DZIAŁANIE SYSTEMU ELEKTROAKUSTYCZNEGO?
Jeśli przyjrzymy się uważnie schematowi blokowemu typowego systemu elektroakustycznego zauważymy następujące kwestie.
Operacje cechujące się największymi zniekształceniami czyli przetwarzanie fali akustycznej na sygnał elektryczny przy pomocy mikrofonu (przetwornika wejściowego) i konwersja odwrotna odbywająca się przy zastosowaniu urządzeń głośnikowych (przetworników wyjściowych) realizowane są w ścisłej interakcji z otaczającym te przetworniki polem akustycznym co można zobaczyć na Rys. 1
Rys. 1. Schemat blokowy typowego systemu elektroakustycznego
Zagadnienie to jest przedstawione jeszcze dobitniej na Rys. 2, gdzie można zobaczyć, działanie których modułów systemu elektroakustycznego zależy wprost od pola akustycznego.
Rys. 2. Schemat blokowy typowego systemu elektroakustycznego ze wskazaniem, które moduły funkcjonują w bezpośredniej interakcji z akustyką wnętrza
Widać zatem dobitnie, że jakość działania systemu elektroakustycznego w dużym stopniu zależy od jakości akustyki wnętrza, w której taki system funkcjonuje. Zgadza się to również z powszechnym przekonaniem, że koncerty nagłaśniane realizowane w przestrzeniach, w których występuje np. zbyt długi czas pogłosu, echo oraz inne niekorzystne zjawiska akustyczne, brzmią fatalnie.
W praktyce powinniśmy traktować akustykę wnętrza jak jeden z komponentów systemu elektroakustycznego, ponieważ system ten nie jest w stanie pracować w oderwaniu od pola akustycznego, w którym funkcjonuje. Biorąc pod uwagę fundamentalną zasadę mówiącą, że jakość dowolnego systemu jest definiowana przez jego najsłabszy element
3. WYMAGANIA AKUSTYCZNE WSPÓŁCZESNEJ WIELFOUNKCYJNEJ SALI WIDOWISKOWEJ
Zarządzający obiektami widowiskowymi są obecnie zainteresowani możliwością organizacji różnorodnych imprez rozrywkowych i kulturalnych w jednej sali. Taka sytuacja wynika z wielu czynników. Jednym z nich jest brak możliwości utrzymywania obiektów widowiskowych jedynie z dotacji publicznych, co jest motorem ekonomicznym do realizowania w obiekcie jak największej liczby różnorodnych imprez przynoszących dochód z wynajmu sali czy sprzedaży biletów. Drugi istotny czynnik to chęć zapewnienia społecznościom lokalnym szerokiej oferty kulturalnej i rozrywkowej szczególnie znaczący w przypadku instytucji, które są jedynymi operatorami tego typu w danym rejonie.
Współczesny rynek koncertowy i impresaryjny najchętniej korzysta w swojej działalności z obiektów przystosowanych do sprawnego realizowania imprez o rożnym charakterze bez konieczności akceptowania zbyt wielu niedogodności realizacyjnych czy kompromisów dotyczących jakości produkowanego widowiska. W głównej mierze dotyczy to jakości doznań dźwiękowych, na co niewątpliwie ma wpływ dopasowanie akustyki do danego typu widowiska.
Mając na uwadze długą historię tworzenia obiektów widowiskowych oraz bogatą literaturę przedmiotu, np. [1], [2], [12], można wskazać na konieczność kreowania odpowiednich warunków akustycznych w zależności od przeznaczenia obiektu (tym samym – charakteru realizowanych wydarzeń artystycznych i społecznych). Najczęściej w szybkiej weryfikacji, czy warunki akustyczne obiektu są odpowiednie do realizacji danego przedsięwzięcia, wykorzystuje się czas pogłosu (reverberation time). W tym celu przede wszystkim bierze się pod uwagę wskaźnik Tm, czyli wartość średnią czasu pogłosu dla oktaw 500 Hz i 1 kHz. Czasami uwzględnia się również oktawę 2 kHz. Ocena przygotowania sali do realizacji poszczególnych rodzajów imprez powinna być przeprowadzona również na podstawie obserwacji charakterystyki częstotliwościowej czasu pogłosu, dzięki czemu można ocenić nie tylko wartości Tm, lecz także parametrów takich jak BR (Bass Ratio) czy TR (Treble Ratio). Typowe wartości czasu pogłosu w przypadku poszczególnych funkcji w zależności od kubatury sali przedstawiono na Rys. 3.
Rys. 3. Wartości czasu pogłosu Tm w zależności od objętości V dla rożnych typów obiektów/widowisk [11];1 – organy, chór, 2 – filharmonia, 3 – sala kameralna, 4 – opera, 5 – sala wielofunkcyjna, 6 – teatr dramatyczny, 7 – kino, 8 – sala konferencyjna
Współcześnie wykorzystuje się różne metody przestrajania czasu pogłosu w salach widowiskowych. Znakomita ich większość bazuje na zależności (1) przedstawionej przez Sabine’a, zgodnie z którą czas pogłosu RT jest wprost proporcjonalny do objętości sali V, a odwrotnie proporcjonalny do chłonności akustycznej A całego wnętrza. Chłonność akustyczna A n-tej powierzchni/elementu jest tu iloczynem powierzchni S i współczynnika pochłaniania α tego n-tego elementu:
W kilku poprzednich pracach poświęconych metodom przestrajania akustyki obiektów widowiskowych (m.in. w publikacjach [9], [10]) przedstawiono bliżej założenia poszczególnych technik przestrajania czasu pogłosu spotykanych w obiektach zrealizowanych na przestrzeni ostatnich 40 lat. W systemach aktywnej akustyki sygnały odbierane przez zestaw mikrofonów są przetwarzane w procesorach DSP zgodnie z algorytmami opracowanymi przez twórców poszczególnych systemów. W procesorach kreowany jest unikatowy sygnał dla każdego z kilkudziesięciu urządzeń głośnikowych rozmieszczonych równomiernie na ścianach i sufitach sceny oraz widowni [13], [15].
W projektowaniu typowych akustycznych sal koncertowych dużą wagę przywiązuje się do odpowiedniego odbijania i kierowania dźwięku od sufitów i plafonów akustycznych. Istotę tego zagadnienia podkreślono również podczas projektowania i badania jednej z nowszych sal koncertowych Yamaha Ginza Hall w Tokio [14], która jest stosunkowo wąska i wysoka zarazem. W przypadku projektowania systemów aktywnej akustyki mamy do czynienia z podobną filozofią kreowania i wspierania „odbić fal akustycznych”.
Nowoczesna wielofunkcyjna sala widowiskowa to nie tylko możliwość przestrajania akustyki wnętrza do potrzeb danego typu widowiska, lecz także – kreowania przestrzennych obrazów dźwiękowych na obszarze całej widowni. Aby osiągnąć ten cel, obiekty coraz częściej są wyposażane w systemy dźwięku przestrzennego (immersive sound). Systemy takie mają za zadanie swobodne przemieszczanie kreowanego obrazu dźwiękowego zarówno w płaszczyźnie poziomej (jest to możliwe w klasycznych już systemach dźwięku dookólnego (surround systems) realizowanych m.in. zgodnie z zaleceniami ITU [5]), jak i w płaszczyźnie pionowej (co ma miejsce w naturalnych środowiskach akustycznych, w których codziennie przebywamy, oraz w klasycznych salach koncertowych). Systemy dźwięku przestrzennego wyposażone są w urządzenia głośnikowe rozmieszczone równomiernie na płaszczyznach ograniczających przestrzeń widowni. Sygnały w ramach procesu miksowania są panoramowane do przestrzeni ograniczonej przez tak rozmieszczone urządzenia głośnikowe.
4. SYSTEMY DŹWIĘKU IMMERSYJNEGO
W ciągu ostatnich kilkunastu lat obserwujemy dynamiczny rozwój systemów dźwięku przestrzennego (immersive sound), które w odróżnieniu od klasycznych systemów stereo 2.0 czy surround 5.1 umożliwiają budowanie obrazu dźwiękowego nie tylko w płaszczyźnie poziomej, lecz także w płaszczyźnie pionowej, co wynikowo daje możliwość pozycjonowania źródeł pozornych w przestrzeni 3D. Kluczową rolę w tej operacji odgrywają urządzenia głośnikowe znajdujące się w płaszczyźnie powyżej płaszczyzny odsłuchowej zwane górnymi kanałami (height channels). W systemach tych wykorzystuje się czasami również urządzenia głośnikowe instalowane na podłodze, czyli poniżej płaszczyzny odsłuchowej, zwane kanałami podłogowymi (bottom channels).
Mamy zatem do czynienia z trzema wysokościami/warstwami urządzeń głośnikowych: górną (height/Upper layer), środkową na wysokości uszu słuchaczy (Middle layer) i podłogową (Bottom layer). Konfiguracje systemów określa się przez podanie liczby kanałów/urządzeń głośnikowych w poszczególnych warstwach w układzie (U + M + B.S), co oznacza U kanałów w górnej warstwie, M kanałów w warstwie środkowej, B kanałów podłogowych oraz S subwooferów.
Wielu autorów na podstawie przeprowadzonych badań wskazało, że w kreowaniu poczucia przestrzenności dźwięku efektywniejsze jest rozbudowanie systemu o głośniki w górnej warstwie niż zwiększenie liczby głośników w warstwie środkowej ponad liczbę 5 znaną z klasycznego układu surronud 5.1 [6].
Z badań dotyczących doboru liczby oraz rozmieszczenia głośników w górnej warstwie [7] przeprowadzonych przy wykorzystaniu systemu 17.0 (12 + 5 + 0.0) przedstawionego na Rys. 4. wynika, że już przy wykorzystaniu zaledwie czterech urządzeń głośnikowych w górnej warstwie możliwe jest uzyskanie wrażenia dźwięku przestrzennego. Kwestią do ustalenia pozostaje określenie, jakie powinno być położenie tych czterech źródeł w górnej warstwie, ponieważ każda z analizowanych propozycji kąta odchylenia od osi odsłuchu ma swoje wady i zalety.
Rys. 4. Rozmieszczenie urządzeń głośnikowych systemu dźwięku przestrzennego 17.0 przedstawione na widoku aksonometrycznym: 5 zestawów głośnikowych horyzontalnych rozmieszczonych zgodnie ze standardem ITU-R BS.775.2 [5] oraz 12 zestawów głośnikowych sufitowych nachylonych względem płaszczyzny odsłuchowej o 30° stopni umieszonych na lewo i prawo symetrycznie względem osi odsłuchowej pod kątami ±30°, ±50°, ±70°, ±90°, ±110°, ±130° [8]
Na potrzeby prezentowania materiału wideo ultra-high definition (UHD) o rozdzielczości 4320 px × 7 680 px i kącie obserwacji ponad 100° w płaszczyźnie poziomej poszukiwano systemu, który mógłby zapewnić przestrzenne i naturalne trójwymiarowe pole dźwiękowe. Tak powstał największy ustandaryzowany format oparty na niezależnych kanałach głośnikowych znany jako NHK 22.2 (9 + 10 + 3.2) – jego konfiguracja jest przedstawiona na Rys.5.
Na podstawie opublikowanych badań należy przyjąć, że system zapewnia (zwłaszcza w porównaniu do klasycznych systemów stereo 2.0 czy surround 5.1) możliwość swobodnej lokalizacji źródeł w przestrzeni 3D przy zachowaniu naturalnego brzmienia oraz jednoczesnym wykluczeniu niedoskonałości zgłaszanych podczas badań subiektywnych systemów przestrzennych wykorzystujących mniejsze struktury głośnikowe [4],[6].
Systemem dźwięku przestrzennego komercyjnie wykorzystywanym w przemyśle kinowym jest Dolby Atmos. Rozmieszczenie głośników zostało w tym przypadku rozbudowane względem poprzednio wykorzystywanych układów (np. DTS) o dwa rzędy urządzeń głośników równomiernie rozmieszczonych na suficie oraz o dodatkowe głośniki na ścianach bocznych dochodzące do ekranu (te dodatkowe kanały głośnikowe na rys. 16 przedstawiono w postaci niebieskich prostokątów). Dzięki rozszerzeniu idei systemu opartego na kanałach dźwiękowych o obiekty dźwiękowe uzyskano system hybrydowy zapewniający poprawną lokalizację źródeł dźwiękowych w przestrzeni 3D praktycznie bez większego wpływu położenia słuchacza na widowni.
Rys. 5. Rozmieszczenie urządzeń głośnikowych systemu dźwięku przestrzennego NHK 22.2 (9 + 10 + 3.2) przedstawione na widoku aksonometrycznym: 9 zestawów głośnikowych górnych (upper layer) – 8 nachylonych względem płaszczyzny odsłuchowej o kąt 30–45° umieszonych na lewo i prawo symetrycznie względem osi odsłuchowej pod kątami 0°, ±45–60°, ±90°, ±110–135°, 180° oraz zestaw głośnikowy umieszczony dokładnie nad pozycją odsłuchową, 10 zestawów głośnikowych umieszczonych na wysokości płaszczyzny odsłuchowej (middle layer) umieszczonych pod kątami względem osi odsłuchowej 0°, ±22,5–30°, ±45–60°, ±90°, ±110–135°, 180°, 3 zestawy głośnikowe dolne (bottom layer) nachylone względem płaszczyzny odsłuchowej o kąt 15–25° umieszone na lewo i prawo symetrycznie względem osi odsłuchowej pod kątami 0°, ±30–45°; 2 subwoofery zlokalizowane na podłodze i odchylone od osi odsłuchowej o kąt ±30–90°[4]
Rys. 6. Rozmieszczenie urządzeń głośnikowych systemu hybrydowego (wykorzystującego równocześnie ideę obiektów dźwiękowych i niezależnych kanałów dźwiękowych) Dolby Atmos; na niebiesko zaznaczono urządzenia głośnikowe dodatkowe względem klasycznego systemu dźwięku kinowego surround [3]
PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy przedstawionych głównych cech systemów aktywnej akustyki i podanych przykładów ich realizacji, a także struktur głośnikowych systemów dźwięku przestrzennego/immersyjnego (Tabela 1) można wnioskować o możliwości spójnego zrealizowania tych systemów w salach wielofunkcyjnych przy wykorzystania wspólnych komponentów, takich jak: urządzenia głośnikowe, wzmacniacze mocy, procesory DSP.
Tabela 1. Porównanie cech strukturalnych systemów aktywnej akustyki i systemów dźwięku przestrzennego (immersyjnego)
Cecha strukturalna | System aktywnej | System dźwięku |
DSP | √ | √ |
Liczba urządzeń głośnikowych | ≥ 50 … 100 ... 150 | ≥ 17 ... 22 ... 70 |
Niezależne kanały wzmacniaczy mocy | √ | √ |
Głośniki sufitowe | √ | √ |
Głośniki ścienne | √ | √ |
Niezależne kanały DSP dla każdego kanału głośnikowego | √ | √ |
Mimo że systemy te służą do realizacji odmiennych celów, duże podobieństwo zarówno ich struktur, jak i zasad rozmieszczenia urządzeń głośnikowych umożliwia jednak wprost ich budowanie przy wykorzystaniu tych samych struktur – wzmacniacze mocy / okablowanie / urządzenia głośnikowe. Również moduły sterowania realizowane za pomocą DSP można w dużej mierze stosować wspólnie przez systemy aktywnej akustyki i systemy dźwięku przestrzennego.
Wspólne wykorzystywanie systemu dźwięku przestrzennego wraz z systemem aktywnej akustyki przynosi również mniej oczywiste korzyści poza tymi czysto oszczędnościowymi wymienionymi już wcześniej. System aktywnej akustyki może być traktowany z poziomu obsługi systemu nagłaśniania jako bardzo zaawansowany procesor pogłosowy zapewniający możliwość korzystania z naturalnie brzmiącego pogłosu dostosowywanego swoim charakterem do sali widowiskowej, w której jest zainstalowany, lub pogłosu dowolnego innego wnętrza, który chce wykorzystać realizator dźwięku.
Należy zawsze pamiętać, że poprawne działanie systemów aktywnej akustyki czy dźwięku immersyjnego zależy przede wszystkim od poprawnego rozwiązania wszystkich kwestii decydujących o jakości akustyki wnętrza. Niemożliwe jest poprawne funkcjonowanie systemów elektroakustycznych w pomieszczeniach, które nie posiadają poprawnie rozwiązanej akustyki wnętrza.
LITERATURA
[1] BARRON M., Auditorium Acoustics and Architectural Design, Spon Press, London 2010.
[2] BERANEK L., Concert Halls and Opera Houses, Springer Science + Business Media, New York, 2004.
[3] DOLBY ATMOS WHITE PAPER, Dolby 2012.
[4] HAMASAKI, K., HIYAMA, K., OKUMURA R., The 22.2 Multichannel Sound System and Its Application, Proc. Audio Engineering Society 118th Int. Conv, AES, preprint 6406, Barcelona 2005.
[5] ITU-R, Recommendation BS.775-2, MultiChannel Stereophonic Sound System with or without Accompanying Picture, Int. Telecommunications Union Radiocommunication Assembly, Geneva 1992–2004.
[6] KIM S., Height Channels, [w:] Immersive Sound – The Art and Science of Binaural and Multi-Channel Audio, A. Roginska A., P. Geluso (red.), Routledge 2017.
[7] KIM S., INDELICATO M.J., IMAMURA H., MIYAZAKI H., Height loudspeaker position and its influence on listeners’ hedonic responses, Audio Engineering Society, Conference on Sound Field Control, AES, Guildford, UK, 2016.
[8] KIM S., KING R., KAMEKAWA T., A CrossCultural Comparison of Salient Perceptual Characteristics of Height Channels for a Virtual Auditory Environment, “Virtual Reality” 2015, 19(3), s. 149–160.
[9] KOZŁOWSKI P.Z., How to Adjust Room Acoustics to Multifunctional Use at Music Venues, Proc. of 2018 Joint Conference ACOUSTICS, Polish Acoustical Society, Ustka 2018.
[10] 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.
[11] MAPP P., Audio System Designer. Technical Reference, Klark-Teknik, Chapman Partnership, Cheltenham 1985.
[12] MEHTA M., JOHNSON J., ROCAFORT J., Architectural Acoustics Principles and Design, Prentice Hall, Hoboken, NJ, 1998.
[13] MIYAZAKI H, et al., Active Field Control (AFC) – Reverberation Enhancement System Using Acoustical Feedback Control, Proc. of AES 115th Convention, paper 5861, New York, NY, 2003.
[14] MIYAZAKI H., YAMASHITA S, SHIMIZU Y., SHIBA Y., TANAKA A., The Acoustical Design of the New Yamaha Hall, Proc. of the International Symposium on Room Acoustics, ISRA 2010, Melbourne 2010.
[15] WATANABE T., IKEDA M., Various Applications of Active Field Control, Proc. of AES 134th Convention, paper 8859, Rome, Italy 2013.
