Przegląd aktywnych i pasywnych metod regulacji akustyki w pomieszczeniach
3. Aktywne metody regulacji akustyki
W niektórych przypadkach, szczególnie w dużych salach widowiskowych, dźwięk nieamplifikowany może się okazać niewystarczający dla równomiernego pokrycia całej widowni, co nie zawsze może zostać zniwelowane przez zastosowanie pasywnych metod regulacji akustyki.
W takich sytuacjach należy odwołać się do metod aktywnych, opierających się na wykorzystaniu wsparcia oferowanego przez systemy elektroakustyczne, które można podzielić na dwie podstawowe grupy: systemów pola dźwięku bezpośredniego (ang. in-line, non-regenerative) oraz systemów pola pogłosowego (ang. non-in-line, regenerative) (Poletti 2010). Obie grupy używają procesorów elektronicznych do zwiększenia pogłosu lub wczesnych odbić poprzez ponowne wprowadzenie sygnału do pomieszczenia dzięki głośnikom. Systemy pola dźwięku bezpośredniego używają w tym celu mikrofonów umieszczonych blisko źródła dźwięku, dzięki czemu są najbardziej skuteczne w pomieszczeniach o dużym pochłanianiu, gdzie ilość odbić dźwięku można kontrolować prawie całkowicie za pomocą wsparcia elektroakustycznego. W pomieszczeniach, gdzie występują odbicia, lepiej sprawdzają się systemy pola pogłosowego, w których zarówno mikrofony, jak i głośniki są umieszczone dalej od źródła dźwięku. Takie rozwiązanie uniemożliwia generowanie wczesnych odbić dźwięku, pozwala jednak na ponowne wprowadzenie do pomieszczenia odbić już w nim występujących.
Pierwszym systemem do aktywnej regulacji akustyki był Assisted Resonance, wprowadzony w Royal Festival Hall w Londynie przez Petera Parkina. Problemem sali był zbyt krótki czas pogłosu, który mógł zostać wydłużony tylko dzięki przebudowie sufitu oraz zmniejszeniu ilości
miejsc siedzących, co spotkało się ze sprzeciwem spowodowanym kosztownością tego przedsięwzięcia połączoną z ryzykiem utraty części akustycznych zalet pomieszczenia, np.
klarowności.
AR jest wielokanałowym systemem przeznaczonym do wydłużenia pogłosu w szerokim zakresie częstotliwości. Zapewnia on w pomieszczeniu dodatkową energię, która rekompensuje straty spowodowane nadmiernym pochłanianiem. Składa się z wielu kanałów wąskopasmowych, dla których filtrowanie określonej częstotliwości zostało rozwiązane poprzez umiejscowienie każdego z mikrofonów w nastrojonym rezonatorze Helmholtza. Czas pogłosu jest określany na podstawie wzmocnienia na danym kanale, co musi podlegać ścisłej kontroli, by nie doprowadzić do słyszalnego zakolorowania dźwięku.
Ze względu na to, że system operuje na wartościach szczytowych relatywnie stałych w przestrzeni, nie należy go stosować dla częstotliwości powyżej 1000 Hz. Jest to podyktowane niestałością wartości szczytowych, następującą wraz ze zmianą warunków panujących w pomieszczeniu, np. zmianami temperatury, która jest znacznie bardziej dotkliwa dla wysokich częstotliwości (Morgan i Parkin 1970).
Implementacja tymczasowego systemu w Royal Festival Hall w 1964r. okazała się sukcesem, w związku z którym rozwiązanie zostało zmienione na system stały, a także zostało wprowadzone do kilku innych obiektów, np. Central Hall na Uniwersytecie w Yorku. Z biegiem czasu oryginalny system tracił na sprawności, co spowodowało jego wyłączenie w 1998r.
Multiple Channel amplification of Reverberation przejawia liczne podobieństwa do rozwiązań wykorzystanych w Assisted Resonance: oba są systemami pola pogłosowego oraz składają się z wielu niezależnych od siebie kanałów oraz mikrofonów i głośników umieszczonych w ścianach i suficie pomieszczenia. Różnica polega na tym, że MCR operują na kanałach szerokopasmowych, z których każdy wzmacnia całe spektrum częstotliwości, a nie tylko wartości szczytowe.
W systemach Multiple Channel amplification of Reverberation ilość kanałów jest zależna od specyfiki pomieszczenia, w którym rozwiązanie ma zostać wykorzystane, pożądanej wartości poziomu dźwięku w polu pogłosowym oraz zalecanej długości czasu pogłosu. Każdy kanał posiada filtry w celu regulacji jego charakterystyki częstotliwościowej, sterowanej trzema parametrami filtrów: częstotliwością środkową, szerokością pasma oraz wzmocnieniem. Poprawne ustawienie wszystkich parametrów wymaga dużej precyzji w momencie wdrażania systemu, jak i regularnych kontroli podczas jego użytkowania.
Rozwiązania oparte na systemach MCR są obecnie stosowane w kilku realizacjach. Pierwszy raz zostały użyte w Philips POC Congress Centre w Eindhoven (Evoluon), gdzie 90 mikrofonów i 110 głośników pozwala na wydłużenie czasu pogłosu dla 500 Hz z 1,1 s do 1,8 s. Zastosowanie MCR w Studiu im. Hansa Rosabunda w Baden-Baden w Niemczech pozwoliło na wydłużenie czasu pogłosu z 1,5 s do 2 s przy 70 kanałach, natomiast 66 kanałów wykorzystanych w Teatrze im. Clauda Debussy’ego w Palais des Congrès w Cannes umożliwiło zmianę czasu pogłosu z 1,45 s do 2 s.
Wyniki pomiarów czasu pogłosu we wspomnianych trzech salach, wykonane przy użyciu szumu różowego oraz systemu MCR w różnych konfiguracjach przedstawiają Rys. 3-5. (de Koning 1983/84).
Rys. 3 Wykresy wartości czasu pogłosu w Philips POC Congress Centre z systemem MCR wyłączonym (pozycja 0), w pozycji środkowej (pozycja 4) i blisko maksimum (pozycja 8) (de Koning 1983/84).
Rys. 4 Wykresy wartości czasu pogłosu w Hans Rosabund Studio w Baden-Baden, dla różnych konfiguracji systemu MCR (de Koning 1983/84).
Rys. 5 Wykresy wartości czasu pogłosu w Teatrze im. Clauda Debussy’ego w Cannes, dla różnych konfiguracji systemu MCR (de Koning 1983/84).
Acoustical Control System został opracowany w roku 1988 na Uniwersytecie w Delft jako praktyczne zastosowanie metody wave field synsthesis (WFS). System łączy WFS z użyciem sieci 18-24 mikrofonów rozmieszczonych na obszarze sceny oraz przetworników pozwalających na wytworzenie wczesnych i późnych odbić dźwięku.
Bazując na zmiennych, takich jak objętość, kształt i współczynniki pochłaniania, ACS daje możliwość zasymulowania akustyki „idealnej” sali w danym pomieszczeniu. Ułatwia również niezależne sterowanie poziomem dźwięku oraz czasem pogłosu pomieszczenia. Duży nacisk został również położony na uzyskaniu jak najbardziej naturalnego brzmienia oraz minimalizację ryzyka utraty odpowiedniej lokalizacji źródła dźwięku (Barron 1993).
Kolejnym rozwiązaniem w dziedzinie aktywnej regulacji akustyki pomieszczeń jest Lares – Lexicon Acoustic Reinforcement and Enhancement System. Jest to system pola bezpośredniego, operujący na małej ilości (2-4) mikrofonów zlokalizowanych jak najbliżej źródła dźwięku oraz na dużej ilości zmiennoczasowych procesorów pogłosowych, łączących mikrofony z głośnikami. Liczba kanałów, na których operuje system, jest uzależniona od liczby procesorów.
W odróżnieniu od innych systemów do regulacji akustyki, Lares może być zakupiony oraz zainstalowany przez użytkownika, bez interwencji producenta. Równocześnie jest on relatywnie tani, ze względu na niewielką liczbę mikrofonów, które są głównym czynnikiem generującym wysoki koszt innych systemów. Te cechy połączone z dobrą efektywnością oraz możliwością zainstalowania nie tylko we wnętrzach, ale również na zewnątrz budynków sprawiły, że Lares jest najszerzej wykorzystywanym rozwiązaniem tego typu na świecie (Hardiman 2009)
Innym systemem pola bezpośredniego jest System for Improved Acoustic Performance (SIAP), opracowany w Holandii w latach 90. XX w. Głównym celem tego rozwiązania jest dodanie brakujących odbić i pogłosu do pomieszczenia. System używa niewielkiej liczby (4-8) mikrofonów umieszczonych blisko sceny oraz dużej ilości głośników rozlokowanych na widowni. Główną zaletą systemu jest przeprowadzanie dekorelacji sygnału wejściowego i wyjściowego, co pomaga zredukować sprzężenie zwrotne i jest rozwiązaniem chronionym patentem (Barron 1993).
Variable Room Acoustic System jest systemem wprowadzającym między mikrofony i głośniki macierz pogłosową, która symuluje „pomieszczenie wtórne” umiejscowione w pętli
sprzężenia zwrotnego w „pomieszczeniu pierwotnym”. Pomieszczenie wtórne jest układem dyspersyjnym, w związku z czym umożliwia sterowanie długością czasu pogłosu w pomieszczeniu pierwotnym bez zwiększania wzmocnienia pętli, co stwarza wrażenie zwiększenia objętości pomieszczenia. Zwiększenie wzmocnienia pętli skutkuje przyrostem mocy w pomieszczeniu pierwotnym, działając jak zmniejszenie pochłaniania w tymże. Schemat systemu przedstawiono na Rys. 6.
Rys. 6. Schemat systemu VRAS (Poletti 1994)
Działanie systemu opiera się na zasadach podobnych do funkcjonowania pasywnej komory sprzężonej z głównym pomieszczeniem. VRAS pozwala na osiągnięcie czasu pogłosu nawet o 100%
dłuższego od wartości początkowej (Poletti 1994).
4. Podsumowanie
Metody regulacji akustyki wnętrz to ciągle rozwijająca się dziedzina, oferująca coraz nowsze oraz bardziej efektywne sposoby na pogodzenie ze sobą różnych funkcji pomieszczeń.
Metody pasywne nie zmniejszają naturalności dźwięku, nie wpływają również na percepcję lokalizacji jego źródła. Użycie większości z nich musi być przewidziane na etapie powstawania koncepcji architektonicznej, co z jednej strony odbiera zarówno architektom, jak i akustykom pewną swobodę w kreowaniu przestrzeni danej sali oraz jej akustyki, z drugiej natomiast wymaga od projektantów ambitnego i kreatywnego podejścia do problemu projektowego, co może prowadzić do nowatorskich, nieoczywistych rozwiązań. Równocześnie wprowadzenie systemów pasywnej regulacji akustyki jest zazwyczaj skomplikowane i kosztowne, a w większości przypadków nie podlega modyfikacjom.
Aktywne metody regulacji akustyki wykorzystują wsparcie elektroakustyczne, co pozwala na zainstalowanie tego typu systemów w trakcie używania danego obiektu, nie generując takich ograniczeń formalnych, jak metody pasywne. W ich wykorzystaniu należy jednak brać pod uwagę minimalizację niekorzystnych zjawisk, takich jak zniekształcenie i zakolorowanie dźwięku czy sprzężenie zwrotne. Parametry systemów aktywnych muszą być również dobrane w sposób, który nie
spowoduje, że publiczność będzie lokalizować źródło dźwięku w miejscu innym niż scena. Podobnie jak w przypadku metod pasywnych, systemy elektroakustyczne wymagają indywidualnego podejścia w każdym rozpatrywanym wnętrzu, chociażby ze względu na ilość i rozmieszczenie mikrofonów i głośników czy dostrojenie systemu.
Każda metoda regulacji akustyki posiada zarówno wady, jak i zalety, w związku z czym nadal istnieje pole do ich udoskonalania. Obserwując rosnące zainteresowanie akustyką architektoniczną oraz zwiększającą się liczbę sal multifunkcyjnych można stwierdzić, że jest to ważna i pożyteczna dziedzina, która będzie w przyszłości zyskiwać coraz większe znaczenie.
5. Literatura
Barron M (1993) Auditorium Acoustics and Architectural Design: 385-409.
De Koning SH (1983/84) The MCR System – Multiple-Channel Amplification of Reverberation, Phillips Technical Review 41(1):12-23.
De Vries D (2001) Variable Acoustics in Auditoria Yesterday, Today and Tomorrow, Publikacja pokonferencyjna 17. International Congress of Acoustics 5(11): 8-9.
Ellison S, Schwenke R (2010) The Case of Widely Variable Acoustics, Publikacja pokonferencyjna International Symposium on Room Acoustics w Melbourne: 260-264.
Hardiman A (2009) Electronic Acoustic Enhancement Systems: Part One, Lighting and Sound America March 2009: 88-96.
Long M (2006) Architectural Acoustics: 697-736.
Peutz VMA (1978) The Variable Acoustics of the Espace de Projection of IRCAM (Paris), Publikacja pokonferencyjna 59. Audio Engineering Society Convention w Hamburgu: 1310 Poletti MA (1994) The Performance of a New Assisted Reverberation System, Acta Acustica 2:
511-524.
Poletti MA (2010) Active Acoustic Systems for the Control of Room Acoustics, Publikacja pokonferencyjna International Symposium on Room Acoustics w Melbourne: 331-341.
Schwenke, RW (2013)Active acoustics and sound reinforcement at TUI Operettenhaus, Hamburg:
A case study, The Journal of the Acoustical Society of America, 133(5): 3307