Метод практического обеспечения высококачественного звука в многофункциональном зрительном зале за счет адаптации архитектурной акустики на основе компьютерного моделирования и применения математических методов оптимизации.
I. Известно, что при строительстве новых залов и реконструкции уже существующих, возникает потребность использования данного зала для проведения мероприятий различного жанра и назначения: заседаний, концертов, музыкально-драматических представлений, симфонической музыки, опер, ораторий и органной музыки. При этом качество восприятия звука, по требованию заказчика, должно обеспечиваться на самом высоком уровне для любого вида проходящего мероприятия.
Это означает, что зал должен иметь возможность корректировки своих акустических характеристик в необходимом диапазоне, при этом перестройка параметров зала должна происходить достаточно быстро.
Данное требование закладывается сразу при проектировании, и специалисты по архитектурной акустике совместно c архитекторами предлагают конкретные способы изменения акустических параметров зала. Это первое и необходимое условие построения многофункционального зала – обеспечение возможности изменения акустических свойств зала в требуемом диапазоне.
Далее возникает следующая конкретная задача - как эту возможность грамотно реализовать на практике? То есть перед началом представления в любом из перечисленных в техническом задании жанров, зал должен быть уже «настроен» именно на этот жанр, чтобы обеспечивать наивысшее качество звука.
Это означает, что техническое руководство театра должно иметь конкретный набор перестраиваемых параметров механической системы, участвующей в трансформации архитектурной акустики ещё до начала представления.
Очевидно, что данная информация должна находиться у разработчиков данного многофункционального зала в их проектном решении и у строителей.
Если у сотрудников театра (эксплуатации) такой информации нет, то тогда обеспечение многофункциональности зала реализовано не будет!
II. У разработчиков многофункциональных залов всегда возникает вопрос и к самим себе и к заказчику, что конкретно понимать под требованием обеспечения наивысшего качества звука в зале для каждого жанра проводимого мероприятия.
Какими критериями следует безусловно воспользоваться для оценки качества звука в зале, а какими можно и пренебречь из-за их второстепенности, а и иногда и надуманности?
Наиболее известными (они же самые старые) в акустике являются 2 критерия - время реверберации зала (интегральная оценка (СП 51.13330.2011)) и разборчивость речи (локальная оценка качества звука в различных зонах зрительного зала (ГОСТ 25902.2016)) Требуемое оптимальное значение времени реверберации Трев.опт, которое необходимо обеспечивать для мероприятий различного назначения широко известно из литературы и представлено на графике (рисунок 1).
По второму критерию - разборчивости речи в каждой точке зрительного зала - вычисления проводятся на основе компьютерного моделирования по широко известной методике.
В этом случае для каждого зафиксированного положения акустических мобильных элементов, участвующих в формировании отраженной и переотраженной звуковой энергии, можно легко посчитать величину разборчивости речи для каждой исследуемой зоны в зрительном зале на основании общепринятого стандарта STI (Speech Transmission Index).
На рисунке 2 приведено соотношение между этим показателем и оценкой качества разборчивости речи.
Таким образом видно, что при использовании этих двух критериев можно точно вычислить оценку качества звука в зале, если уже заранее выбраны и заложены в расчеты (конкретно) все необходимые акустические характеристики зала: объём, форма, отделочные материалы.
Очевидно, что полученные результаты очень интересны, но они носят только информационный характер и не дают прямых рекомендаций к построению системы архитектурной акустики, когда необходим конкретный выбор оптимальных значений параметров для элементов, формирующих акустический образ зала.
То есть на практике требуются конкретные значения (цифровые) для всех участников оснащения многофункционального зрительного зала, а не абстрактные теоритические рассуждения.
III. Решение данной проблемы было проведено специалистами Театрально-технической корпорации (далее ТТК), которые много лет занимаются оснащением объектов культуры театральными технологическими системами и имеют собственный опыт в построении системы архитектурной акустики для многофункциональных зрительный залов.
В качестве примера выберем простейший зал прямоугольной формы с одним балконом и общим объемом 10.000 м3.
Прежде всего определимся с необходимыми оптимальными значениями времени реверберации для различных жанров.
Как видно из графика (рисунок 1) Трев.opt для зала данных размеров колеблется от 1,19 до 2,2 секунд:
1,19 - для лекционных залов, залов заседаний и залов современной эстрадной музыки;
1,36 - для залов музыкально-драматических театров;
1,55 - для залов камерной музыки и музыкально-драматических театров;
1,8 - для залов симфонической музыки и оперных театров;
2,2 - для залов ораторий и органной музыки.
А само требуемое изменение акустических параметров зала в этом случае осуществляется за счет широко известных приемов:
а) Потолочные звукопоглощающие панели (рисунок 3) имеют возможность выдвигаться из надпотолочного пространства при помощи цеповых лебедок на необходимую согласно расчётам глубину зала. Управление лебедками происходит с помощью специального пульта по заранее заложенному в память сценарию.
б) Стеновые панели под и над балконом состоят из набора узких вращающихся вокруг своей оси отражающих поверхностей с покрытием, имеющим с одной стороны коэффициент отражения близкий к 1, а с другой стороны близкий к 0. Управление каждой из этих панелей также осуществляется со специального пульта на основе предварительных расчётов для каждого вида мероприятия.
На рисунках 4, 5 и 6 представлены разрезы зрительного зала с различными вариантами расположения звукоотражащающих панелей, но при этом обеспечивающих требуемое оптимальное для данного жанра время реверберации.
На рисунках 6а и 6б представлены 2 варианта разреза зрительного зала для проведения музыкально - драматических мероприятий.
При всей своей непохожести оба варианта обеспечивают одинаковое требуемое расчётное значение времени реверберации, но разборчивость речи у этих двух вариантов построения зрительного зала будет существенно различаться из-за разного хода лучей отраженного и переотраженного звука в разных зонах и в ряде случаев может оказаться ниже допустимых значений.
Таким образом этот конкретный пример ещё раз подтверждает, что давать оценку акустическим свойствам зала на основании только одного критерия является ошибкой.
Именно этот момент является определяющим для построения акустической системы в многофункциональном зале.
Компьютерные расчёты показывают, что в рамках обеспечения требуемого оптимального значения времени реверберации, существует целое множество решений по разборчивости речи для различных зон в зрительном зале.
Но перед разработчиками системы архитектурной акустики стоит конкретная задача – выявить какие конкретные параметры следует выбрать для опускания акустических панелей (какие именно и на сколько опускать), а для стеновых поворотных панелей определить сторону поворота. И что именно эти параметры обоснованно позволяют обеспечить наилучшее качество звука в зале при проведении мероприятий различных жанров.
Специалистами ТТК данная задача была решена на базе использования минимаксного критерия, когда оптимизация решения производилась с целью поиска и нахождения алгоритма, обеспечивающего максимальную разборчивость для наихудшего случая. Полученные результаты позволяют сформировать однозначные рекомендации для сотрудников театра по настройке переменных акустических панелей потолка и стен перед началом и в ходе спектакля.
Выводы
Таким образом, описанный алгоритм работы системы адаптивной архитектурной акустики в многофункциональном зрительном зале позволяет решить ряд важнейших задач:
1) Обеспечивает наилучшие акустические характеристики зала для каждого вида представления в каждый конкретный день с точки зрения двух классических критериев: времени реверберации и разборчивости речи.
2) Более того, если в течение вечера на сцене происходит выступление артистов различных жанров, то разработанная система позволяет практически моментально изменить акустические параметры зала согласно разработанным заранее расчётным значениям.
Комментарий
Представленная здесь методика построения оптимальных алгоритмов нашла применение не только при строительстве объектов культуры, но и успешно внедрена специалистами ТТК в создание ряда образцов морского оружия.
Очевидно, что данная работа является частным случаем применения широко известного в локационных системах критерия Неймана-Пирсона, оперирующего понятиями вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения. Так, в частности, морской гидролокатор, работающий долгое время в активном режиме в изменчивой помеховой обстановке, должен обеспечивать заданную вероятность ложной тревоги на требуемом уровне в любых помеховых условиях. Это аналог критерия обеспечения оптимальных значений времени реверберации при любом виде проводимого мероприятия.
А с другой стороны, согласно второго критерия: при любом уровне помех алгоритм должен обеспечивать максимально возможную вероятность правильного обнаружения полезного сигнала на фоне помех. Это аналог требования по максимизации коэффициента разборчивости речи для каждой зоны зрительного зала.
