УДК 534

Значения временной разницы прихода атак в ансамблевых звучаниях

Леонтьев Данил Константинович – магистрант Московского технического университета связи и информатики, преподаватель Колледжа Телекоммуникаций Московского технического университета связи и информатики

Мишенков Сергей Львович – профессор кафедры Телевидения и звукового вещания им. С.И.  Катаева Московского технического университета связи и информатики

Аннотация: Приведено время задержки распространения звукового сигнала атак различных музыкальных инструментов до слушателя (дирижёр). Временные интервалы определяются по результатам исследования рассадки различных исполнителей в ансамблях и расположения хора и солистов. Произведён расчёт диапазонов задержки времени распространения звука, а также среднее время задержки в зависимости от расстояния между исполнителем и дирижером.

Ключевые слова: временная первичная обработка сигналов, задержки прихода звуковых атак, индикаторы устанавливаемых задержек, статистика задержек.

Введение

Человек ощущает при прослушивании любого источника звука не только направление на точку, но и расстояние до точки исхода звука.
Временная разница прихода атак – это разница во времени между началом звучания различных инструментов в ансамбле для слушателя.
. Это может быть полезным в некоторых случаях, например, для создания эффекта пространства в музыке. Однако, если эта разница не контролируется и не используется специально, она может привести к несогласованности и нежелательным эффектам в звучании. Оно влияет на рисунок суммарной звуковой атаки, меняя общее ощущение от прослушивания музыкального произведения.

Необходимо выяснить пределы изменения времени прихода атак музыкальных инструментов в оркестре или в любом другом действии в определённых помещениях, например на сцене. Для выяснения этих задержек необходимо выбрать (подобрать) наиболее показательные помещения, например, где происходят концерты. В статье  приведены результаты сбора статистической информации о временных задержках прихода звуковой атаки в различных концертных залах при реальной игре оркестра в зале до места дирижёра, так как именно он определяет качество звучания композиции. Она определяется исполнителями и их местоположением, которое задаётся архитектурой помещения. Слушатель находясь в зале слышит прямой звук и реверберационные процессы одновременно. В зависимости от его местоположения звуковые картины разные. Наиболее популярные места слушателя 6-8 ряды если смотреть со сцены правее от прохода напротив струнной группы. Это происходит из-за принятой рассадки больших оркестров. В системах со звукоусилением классическая реверберационная картина суммируется с искусственной реверберацией, добавляемой в электрические сигналы. Классическое определение статистических процессов при реверберации. Говорит только о части процесса, об установившейся части процесса. Основные отличия акустики залов при одинаковых временах реверберации отличаются начальным временем реверберации (установлением процесса после прихода звука). Отсюда вытекает необходимость подробного изучения процесса атак каждого инструмента и их суммарных звучаний в ансамбле. Изучение этого процесса удобнее всего производить на примере больших симфонических оркестров. Реально в концертных залах применяется два основных способа месторасположения оркестра: в оркестровой яме или прямо на сцене. Мы ограничимся размещением на сцены. Размеры сцен различных залов приведены в таблице (и это совсем не обязательно прямоугольная сцена). Кроме того, солисты а также и актёры разговорного жанра очень часто находятся на авансцене, которая расширяет сцену. Выборка задержек представлена для таких сцен как: Зарядье, Большой зал консерватории, Бетховенский зал Большого театра, большой зал Мариинского театра, Санкт-петербуржская филармония, Метрополитен опера, Карнеги-холл, Сиднейская филармония, Московская академическая филармония, прямоугольные сцены размером 20 на 10 метров, принятые для стандартной немецкой и американской оркестровых рассадок. Время реверберации в этих залах практически одинаково и колеблется около 2 секунд в зависимости от наполняемости зала. Время нарастания реверберационного процесса определяется местоположением слушателя и в разных залах оно различно.

  При непосредственном вещании или звукозаписи используются два метода съёма звуковой информации:

1. Один ненаправленный микрофон. Если микрофон стереофонический, то передаётся звук всего оркестра со всех направлений, задержки отображаются естественным образом. Первичная обработка сигнала осуществляется по уровню и спектру. Могут добавляться микрофоны перед солистами и в зале.
2. Один микрофон на каждый музыкальный инструмент c постобработкой по уровню и спектру каждого из микрофонных сигналов.  Такой метод повышает точность обработки сигналов, отображающих звучание каждого инструмента, их групп.

Вопросы размещения микрофонов возникли ещё на заре радиовещания, и к 40-м годам 20 века было принято размещение микрофона на высоте 2-2,5 метра по левую руку от дирижёра. С приходом стереофонии, это место корректировалось, но позволяло передать именно объём звуковой картины, так как регистрировались реальные задержки времён прихода атак. Постепенно количество микрофонов увеличивалось. Появились отдельные микрофоны перед солистами, микрофоны перед группами инструментов и наконец появился метод размещения микрофона у каждого инструмента, а у некоторых инструментов (например, у рояля) использовалось до 3 микрофонов. Таким образом, звукорежиссёрам была дана возможность необходимой коррекции звучания в передаче каждого инструмента. К сожалению,  появились записи, представляющие «кашу из прекрасных звуков». Причина этого в полном отсутствии временной разницы прихода звуковых атак отдельных инструментов в суммарном сигнале. Звукорежиссёры пытались бороться с этим эффектом, применяя узконаправленные микрофоны, размещаемые на некотором расстоянии от инструмента (несколько метров), имитируя этим реальные задержки [7]. Внедряемые повсеместно цифровые пульты звукорежиссёров предусматривают в своём программном обеспечении некоторые задержки сигналов в микрофонных и групповых каналах. Для облегчения работы звукорежиссёра необходимо создать устройство, позволяющее ему создавать необходимые задержки, задавая размещение источников звука в предполагаемой звуковой картине.

Звукорежиссёрские пульты имеют панорамные регуляторы, где каждый звук можно сдвигать налево или направо. Но при переходе от одномикрофонной техники к многомикрофонной теряются временные задержки, которые раньше возникали естественным образом. В результате теряется объём стереофонического звука и искажается реверберационная картина в зале [5].

Современные цифровые пульты позволяют делать регулируемые  задержки сигнала, но необходимо выяснить какие они должны быть для реальных источников.

Для имитации глубины звуковой картины необходимо введение специальных устройств для создания временных задержек сигнала в каждый микрофонный канал и групповые каналы пульта звукорежиссёра. Значения времён задержки должно устанавливаться в соответствии с рассадкой музыкантов и корректируется звукорежиссёром по предполагаемому  восприятию звуковой картины слушателем.

Рисунок 1. Один микрофон на каждый инструмент.

Глубинная стереофония – это эффект, который возникает, когда звуковые волны, исходящие от разных источников, находятся в разных местах пространства и создают ощущение глубины и объема звуковой картины. Ощущение глубины это когда более близкие к слушателю инструменты звучат раньше отдаленных [3].

Ансамблевые звучания являются одним из фундаментальных аспектов музыкального искусства, в котором выступление нескольких инструментов или певцов объединяется для создания гармоничного и эмоционального звукового эффекта. Важной составляющей ансамблевых выступлений является временная синхронизация атак, которая определяет характеристики коллективного звука и качество восприятия музыки. В данной статье рассматривается значение временной разницы прихода атак в ансамблевых звучаниях и ее влияние на общую эстетику музыкальных произведений.

Определение времени задержки атак в инструментах

Для того чтобы правильно устанавливать временные задержки при многомикрофонном методе записи звука необходимо создать прибор, у которого на экране (индикаторе) отображается сцена, и дальше звукорежиссёр тактильным способом управляя программой, устанавливает точки местоположения инструментов на сцене при заданных размерах и акустической картине плана сцены или концертного зала. Для того чтобы режиссёру не было необходимости самостоятельно просчитывать размеры временных задержек для каждого из инструментов и самостоятельно вручную выставлять акустическую картину зала для записи необходимо разработать программное обеспечение для стандартного компьютера который будет ставить значения задержек в автоматическом режиме в зависимости от того где звукорежиссёр расположил источник звука. В рамках дальнейшей работы авторов статьи будет разработано следующее дополнение к пульту звукорежиссёра и программное обеспечение для него.

Рисунок 2. Cхематическое изображение экрана индикатора на дисплее.

Прибор визуально демонстрирует схемы рассадки и устанавливает временные задержки индивидуально для каждого из микрофонов до дирижёра, который определяет картину звуковой композиции, или иного другого слушателя. Интерфейс взаимодействия – сенсорный (через экран) и кнопочный (для использования предустановленных диапазонов задержек инструментов оркестра с возможностью индивидуальной коррекцией времени задержки звукорежиссёром. (как в нижеприведённой таблице). Графический интерфейс пользователя позволяет распределить микрофоны по временным задержкам исходя из инструментов, которые они записывают в студии, имитируя акустику того или иного концертного зала (или создавая пользовательскую картину акустического пространства). Картина первичных временных задержек рассчитывается в двух возможных режимах: на плоскости (плоской проекции помещения) и в объеме (более сложный расчёт расхождения акустических волн в объемном пространстве) Прибор должен позволять выставить время задержки для различных инструментов в зале относительно любой позиции слушателя в зале и обеспечить выбор необходимых временных задержек звуковых атак.

Логика процесса выставления задержек

В результате будущей работы по созданию системы по автоматизированному управления задержками на  каждый микрофон при своём инструменте мы сможем выставить свою первичную задержку прихода сигнала.

Рассадка исполнителей в ансамблях и расположение хора и солистов имеют существенное влияние на реверберационную картину в зале и, соответственно, общую акустическую картину исполняемого произведения. Использование многомикрофонного метода съема информации позволит записать звук с разных точек пространства и затем смешать отдельные дорожки с разной громкостью и задержкой, чтобы создать эффект глубины. В будущем эту систему можно будет применить в иммерсивных системах звукоусиления у телерадиослушателя или в залах, при соответствующем усложнении индикатора.

Согласно статистической теории реверберации Время реверберации (RT) определяется как время (в секундах), которое необходимо, чтобы звуковое давление (SPL) уменьшилось на 60 дБ после того, как источник звука прекратит излучение. В целом, время реверберации зависит от частоты и, как правило, уменьшается с возрастанием частоты. Для расчета времени реверберации чаще всего применяют следующую формулу (или формулу Сэбина):

                                                                             

Где V м³ – объём помещения, S м² – полная поверхность помещения,  средний коэффициент поглощения, k - коэффициент поглощения в воздухе, зависящий, главным образом, от влажности.

Также существует упрощенный вариант этой формулы

где  V – объем помещения, А – среднее поглощение в помещении.

Из формулы следует, что при увеличении поглощения, время реверберации уменьшается.

Рисунок 3. Реверберационный процесс.

Также следует учесть расположение хора и солистов, так как они могут создавать различные звуковые центры. Весь шарм хорового пения заключается в том что при прослушивании слышны голоса каждого хориста с   различной задержкой так как члены хора стоят вдоль всей ширины сцены. Было рекомендовано [6] использовать методы временной первичной обработки звукового сигнала, чтобы получить наиболее точную передачу звукового образа ансамбля при создании глубинной стереофонии на звукозаписи.

К сожалению, начальные моменты реверберационных процессов в помещениях изучены недостаточно, но можно утверждать, что восприятие атак звучаний в зале также определяется расположением источников звука и аналогичную систему временной первичной обработки необходимо применять и в системах звукоусиления.

Для сравнения залов для сбора статистической информации для создания акустической картины в пресетах задержки микрофонов будут использоваться: формулы расчётов, диапазон задержек. Расстояние от дирижера до каждого музыкального инструмента, хора, солиста.

Время задержки акустической атаки определяется в миллисекундах. Скорость звука в сухом воздухе при 20°C =343 м / с, что даёт нам время задержки в 3 миллисекунды на каждый метр расстояния до источника звука.

Разборчивость речи и прозрачность звучания отдельных музыкальных инструментов повышаются, если выставить задержки в микрофонах, чтобы создать  слушателям  впечатление нахождения в объёмной  передающей акустической среде.

Из нормативных документов и примеров наиболее популярных концертных залов и расположения инструментов были получены данные о размерах сцены и положении ансамблевых инструментов и дирижеров на этих сценах. На основании этих данных была собрана статистика необходимых для выставления временных задержек, что используются для симуляции акустики ниже представленных концертных залов. Это даёт возможность их имитации при студийной записи музыкальных произведений.

Допустим, что расчётная формула временной задержки для прибора в объёмном  пространстве определяется следующим образом: от зрителя до оркестра строиться прямоугольный треугольник с катетами в виде разницы высот между исполнителями и зрителем (катет А), и проекции расстояния на плоскости между зрителем и музыкальным инструментом (катет B), гипотенузой же будет реальное расстояние от зрителя до исполнителя (гипотенуза C). Таким образом, итоговое время задержки будет рассчитываться следующим образом:

 

Рисунок 4. Логика расчёта времени задержки в объёме.

Статистическая выборка задержек представлена для таких сцен как: Зарядье, Большой зал консерватории, Бетховенский зал Большого театра, Мариинский театр, Адмиралтейский оркестр, Метрополитен опера, Карнеги-холл, Сиднейская филармония, Московская академическая филармония, стандартные немецкая и американская оркестровые рассадки для прямоугольных сцен размером 20 на 10 метров.

Некоторые исполнители располагаются на авансцене. Американская и европейская рассадки представлены на типовых сценах  (10х20 м).

Таблица 1. Таблица значений времени задержки (в миллисекундах).

Название акустического зала	Размер и типы сцены	Первые скрипки	Вторые скрипки	Виолончели	Контрабас	Барабаны		Гобои
1		2	3	4	5	6		7
Концертный зал «Зарядье»	15* 9 метров трапецивидная	9	12	6	16	21		10
Больш зал консерватории	25*15 метров прямоугольная	3	12	3	12	18		11
Бетховенский зал Большого театра	15* 5 метров полукруглая	3	6	8	8	15		12
Мариинский театр	16*9 прямоугольная	9	12	3	12	21		6
Адмиралтейский оркестр	10*6 метров прямоугольная	–	–	3	15	19		20
Метрополитен Опера	22*6 прямоугольная	3	12	3	9	–		6
Сиднейская опера	12* 25 закруглённая	3	6	3	15	18		6
Карнеги-Холл	24*10 метров прямоугольная	6	12	3	9	24		12
Московская Академическая филармония	20*10 метров прямоугольная	6	9	12	15	27		15
Стандартная немецкая рассадка	20*10 метров прямоугольная	3	3	6	18	15		9
Стандартная американская рассадка	20*10 метров прямоугольная	3	3	3	12	24		18
Итоговое среднее значение задержки	-	4,8	8,1	4,82	12,8	20,2		11,36
Итоговые диапазоны значений	-	3–9	3–12	3–12	8–18	15–27		6–20
Название акустического зала	Тромбоны	Пианино	Арфы	Трубы	Кларнеты		Ударные
1	8	9	10	11	12		13
Зарядье	15	5	–	14	16		23
Больш зал консерват.	6	9	12	6	6		15
Бетховенский зал Большого театра	15	18	6	9	6		12
Мариинский театр	9	12	7	18	15		18
Адмиралтей ский оркестр	14	–	–	12	9		19
Метрополитен Опера	9	18	9	7	11		–
Сиднейская опера	9	21	15	6	14		15
Карнеги-Холл	9	21	14	18	6		24
Московская Академическая филармония	12	24	15	24	21		27
Стандартная немецкая рассадка	12	18	18	9	12		24
Стандартная американская рассадка	24	15	15	12	9		24
Итоговое среднее значение задержки	12,18	14,9	12,3	12,3	11,4		20,1
Итоговые диапазоны значений	6–24	5–24	6–18	6–24	6–21		12–27

 

Название акустического зала	Треуголь ники	Хор	Солист	Орган	Литавры	Саксофоны
1	14	15	16	17	18	19
Зарядье	13	24	–	–	23	10
Больш зал консерват.	15	20	3	24	18	9
Бетховенский зал Большого театра	8	–	12	–	3	6
Мариинский театр	15	27	–	–	21	6
Адмиралтей ский оркестр	17	20	9	18	21	7
Метрополитен Опера	9	38	21	–	–	12
Сиднейская опера	15	45	6	75	18	12
Карнеги-Холл	21	15	3	–	24	14
Московская Академическая филармония	12	18	5	36	27	21
Стандартная немецкая рассадка	24	27	9	30	18	15
Стандартная американская рассадка	24	27	6	30	24	18
Итоговое среднее значение задержки	15,73	26,1	8,22	35,5	19,7	11,82
Итоговые диапазоны значений	8–24	15–45	3–21	18–75	3–27	6–21

Для всех рассмотренных вариантов максимальная требуемая устанавливаемая звукорежиссером временная задержка сигнала в микрофонных каналах не превышает 75 мс.

Применение такой же задержки в групповых каналах пульта обеспечит возможность выдвижения солиста на 25 м перед сценой (больший отрыв солиста от дирижёра нереален).

Скачки градаций значений установки времени задержки в пределах сцены (при создании иллюзии плавного перемещения источника звука) 10 м в глубину не должны превышать 0,3 мс – задержка от 0 до 30 мс. Плавное движение звукового образа вне сцены нереально, поэтому градации для больших значений можно устанавливать через 3 мс.

Заключение

Определены временные задержки распространения звука каждого инструмента, солистов и хора  при ансамблевом исполнении до дирижера на сценах различных залов, при различных рассадках оркестров.

Сформулированы принципы работы  добавочного оборудования для пультов зукшрежиссеров для создания эффекта глубинной стереофонии при многомикрофонном методе съёма звуковой информации. Необходимая устанавливаемая задержка – от 0 до 75 мс, Для малых времён градации должны идти через 0,3 мс , для больших времён (30+мс) – через 3 мс.

Сформулированы принципы и требования к индикатору предполагаемого расположения звуковых объектов у слушателя при объёмной стереофонии.

Показана необходимость применения данного оборудования в системах звукоусиления и озвучивания залов и рекомендовано его применение для первичной обработки сигналов для мобильных гаджетов (увеличение разборчивости).

Список литературы

1. Моль А. Теория информации и эстетическое восприятие. Пер. с французского. – М.: Мир – 1966 – 351 с.
2. Акустика: Справочник / А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров; под ред. М.А. Сапожкова – 2-е изд. – М.: Радио и связь – 1989 – 336 с.
3. Звуковое вещание / А.В. Выходец и др.: под ред. Ю.А. Ковалгина: Справочник. – М.: Радио и связь – 1993. – 464с.
4. Мишенков С.Л., Попов О.Б. Электроакустика и звуковое вещание конспект лекций. Учебное пособие для вузов.  М.: Горячая линия - Телеком, 2010.
5. Мишенков С.Л. «Использование временных задержек при первичной обработке звуковых сигналов». Журнал  «Электросвязь» № 1. 2022. С. 56-58.
6. Мишенков СЛ., Миллер К.Э., Епифанова Е.С. «Глубинное восприятие звуковых и видеорядов средств массовой информации». Журнал «Электросвязь» № 5. 2022. С. 31-34.
7. Мишенков С.Л., Миллер К.Э., Епифанова Е.С., «Современные задачи первичной обработки сигналов масс-медиа» МАС «Цифровая трансформация, устойчивое развитие» УДК658, ББК65.012.1:65.29я43, ISBN 978-5-00204-372-9, Москва, издательство «Перо», 2022. С. 214-220.