Топологическое пространство для звука

Группа специалистов из Мариинского театра провела исследование в центре коллективного пользования (ЦКП) «Безэховая камера» ЛЭТИ с целью повышения точности модели распространения акустических волн на концертных площадках с учетом эффектов дифракции, рассеивания и поглощения звуковых волн.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В составе группы работали ведущий звукорежиссер Владимир Рябенко и артист оркестра Алексей Клюев. Работа, проведенная ими в ЦКП «Безэховая камера» ЛЭТИ, позволит выявить и понять закономерности взаимодействия звука со сложными дифракционными акустическими моделями, какими являются залы театров или концертные залы, наполненные артистами и зрителями (слушателями).

«При современной многоканальной акустической записи количество микрофонов может сильно меняться. При записи сольного инструмента может использоваться более десятка микрофонов, а, например, постановка оперы “Война и мир” С. Прокофьева требовала в общей сложности 88 микрофонов»,— говорит Владимир Рябенко.

Все эти микрофоны нужно как-то синхронизировать, иначе получаем полное отсутствие пространства и появление «гребенчатых фильтров», связанных с тем, что один и тот же инструмент появляется практически на всех микрофонах (за исключением радиосистем). Проще говоря, когда два или более микрофона записывают один и тот же звуковой источник, но находятся на разном расстоянии от него, время прибытия звука до каждого микрофона будет различным. Сигналы оказываются сдвинуты по времени относительно друг друга, что при их «суммировании» вызывает фазовые искажения, и это существенно влияет на окончательный результат.

Критически важную роль здесь играет установление правильных задержек между акустическими сигналами с разных микрофонов. Для того чтобы корректно рассчитать необходимые задержки, создается точная трехмерная модель расположения всех микрофонов в пространстве, используя для этого метод трилатерации. Но звук в театрах и концертных залах распространяется, взаимодействуя не только неизменяемыми факторами, обусловленными архитектурой залов, но и с огромным количеством физических объектов: музыкантов, их инструментов, зрителей и т. д. Взаимодействуя с ними, звук частично затухает, частично отражается от них, частично их огибает. Известно, что звук в пустом концертном зале и зале, наполненном зрителями, сильно отличается друг от друга, поэтому проводимое исследование призвано выявить и понять влияние дифракции на формирование звука на концертных площадках.

«Благодаря этому наша модель, используемая при звукозаписи, будет учитывать дополнительные факторы из-за различных объектов на пути акустических волн. Зная эти данные, мы можем создать трехмерную модель расположения микрофонов в пространстве, учитывая дифракцию звука»,— уточнил Владимир Рябенко.

Это будет не простая трехмерная модель, как она есть, а сложная трехмерная топологическая поверхность с учетом всех явлений дифракции. После создания трехмерной неевклидовой «карты позиций микрофонов» при помощи уникальной формулы будет создаваться секвенция задержек, концентрируя внимание слушателя на любую зону в пространстве. То есть, не меняя положение фейдеров звукорежиссерского пульта, можно будет создать ощущение концентрации внимания слушателя на любую точку пространства, например на четвертый ярус, и получить звучание, которое сформировалось бы там, или направить внимание на флейту и услышать ее более сочное и очень подробное звучание, или, например, «сфокусироваться» над флейтой и получить более воздушный ее образ.

«Секвенция задержек» — в этом принимают участие все микрофоны, если говорить по аналогии с радиоволнами, то создается модель так называемой фазовой решетки, где вместо радиоволн используются законы распространения звуковых волн. Это определенно инновационный подход для создания качественных акустических звукозаписей.

ЦКП «Безэховая камера» ЛЭТИ является в первую очередь измерительным инструментом научных коллективов вуза, которые занимаются разработкой антенно-фидерных устройств и радиотехнических систем. В декабре БЭК прошла периодическую государственную аттестацию, что позволяет и далее выполнять на высоком уровне НИОКР и предоставлять услуги по измерениям для индустриальных партнеров.

«В 2021 году камера получила статус Центра коллективного пользования: в ней могут проводить исследования не только сотрудники вуза, но и внешние заказчики университета. Работы, проводимые Владимиром Рябенко и Алексеем Клюевым, являются не типичными для нашей БЭК, в основном работы в ней связаны именно с электродинамическими задачами. Замечательно, что мы можем найти общие точки соприкосновения и быть полезными для учреждений культуры с мировым именем»,— сказал директор ЦКП «Безэховая камера», доцент кафедры теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Григорий Костиков.

ЦКП «Безэховая камера» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» является инфраструктурным проектом университета и оснащен оборудованием в рамках программы «Приоритет-2030». Он позволяет проводить широкий спектр метрологических исследований в диапазоне частот от 1 до 57 ГГц. Аппаратную часть измерительного комплекса составляют векторный анализатор параметров СВЧ-цепей с выносными преобразователями частоты, сканер поля в ближней зоне, автоматизированный стенд для анализа характеристик антенн в дальней зоне. Среди разработчиков оборудования — ООО «Планар» (Челябинск), НПО «ЮСТ» (Красноярск), АО «Акметрон» (Москва) и ООО «Научно-производственное предприятие “ТРИМ СШП Измерительные системы”» (Санкт-Петербург).

Григорий Костиков, директор ЦКП «Безэховая камера» (ЦКП БЭК), доцент кафедры теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ»:

— Какие уникальные возможности предоставляет безэховая камера ЛЭТИ по сравнению с традиционными методами акустических измерений? Какие еще исследования помимо звукозаписи могут проводиться в этой камере?

— Университетская безэховая камера была открыта в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2021 году. Она стала основным инструментом научных коллективов ЛЭТИ, занимающихся исследованиями в области электродинамики и волновых процессов, разработкой и изготовлением антенн.

Безэховая камера оснащена соответствующим измерительным оборудованием отечественного производства, ее пространство защитили от внешних помех высокоэффективным экраном, а изнутри стены обшили радиопоглощающим материалом, минимизирующим переотражения.

Программно-аппаратный комплекс ЦКП БЭК позволяет проводить широкий спектр метрологических исследований в диапазоне частот от 1,7 до 57 ГГц. Кроме того, безэховая камера прошла государственную аттестацию, которая служит важной юридической основой для предоставления услуг по заказам индустриальных партнеров, включая проведение НИОКР в рамках гособоронзаказа.

В 2022 году безэховая камера в ЛЭТИ получила статус Центра коллективного пользования, то есть в ней стали проводить исследования не только сотрудники ЛЭТИ, но и внешние заказчики университета, например компании-разработчики радиотехнических устройств для реального сектора экономики. Одним из приоритетных направлений развития современных радиотехнических систем являются улучшение и оптимизация антенн.

Подготовлено при поддержке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»