Tehnica sunetului, în aplicare civilă

Aspectele practice ale teoriei sunetului

Fiecare dintre noi, în viața civilă, probabil că și-a pus cândva o întrebare de genul: „de ce când ascult muzica la volum mai tare, sau prin căști audio de calitate, aud și instrumente pe care nu le auzeam altfel?”, ori „de ce se aude așa de bine vocea actorului din spectacolul de teatru, chiar și în registrul sotto-voce?”. Și poate că atunci am agregat în minte o serie de ipoteze cu nuanțe
tehnice. Iar de suntem cumva implicați (sau, Doamne ferește!, responsabili) de construirea sau de amenajarea unei săli de spectacole, atunci pro­blematica devine atât de importantă încât probabil vom analiza chestiunile mult mai profund.

În cele ce urmează voi porni de la un fond de ipoteze (și de acceptabile simplificări) privind sunetul, respectiv privind relația dintre emitent (instrumente muzicale, voce umană, alte surse) și receptor (urechea umană; microfon):

• sunetul se propagă (se transmite de la emitent la receptor) în principal prin aer (adică, așa cum învățarăm în fizica de școală/liceu, fiecare moleculă de aer vibrează și transmite vibrația sa moleculelor învecinate – astfel frontul de undă generează permanent o multitudine de nuclee de undă);
• nu vom intra în discuții privind parame­trii aerului: vom presupune că presiunea (determinând densitatea moleculelor pomenite mai sus) este una medie/obișnuită; la fel și în privința umidității – iar astfel de parametrii vor rămâne deschiși celor interesați de eventuale aprofundări ulterioare;
• sunetul se mai propagă și prin structurile/materialele întâlnite: pereți, ferestre, elemente de construcție (stâlpi, grinzi), mobilier, furnituri, etc;
• fiind vorba de o undă/oscilație (sau de o mulțime de unde), vom urmări cei doi parametri scolastici ai acesteia: amplitudinea și frecvența (sau, mai civil spus, tăria/puterea și respectiv înălțimea sunetului);
• pentru noi sunetul se manifestă în gama de frecvențe audio predefinită prin conceptul Hi-Fi: 20–20000 Hz (cu observația că putem percepe și frecvențe joase aflate sub acea limită, însă nu cu urechea; iar limita de sus, deși foarte rar simțită cu urechea reală, este decelabilă și înregistrabilă cu instrumentar tehnic).

• Foto 1. Filarmonica din Hamburg: se observa atenția pentru sonorizare

Impedimente în calea perfecţiunii sonore

Să vedem acum ce anume poate face ca sunetul vreunui concert/spectacol să fie imperfect pentru audiență (pentru urechi și pentru microfoane)! Da, în viața reală, sunetele emise pot fi afectate negativ de o mulțime de lucruri, astfel încât receptarea lor este adesea viciată. (Vom înțelege în subsidiar de ce asemenea chestiuni se manifestă mult mai puțin în studioul de înregistrare muzicală sau în cabina de emisie radio). Și, acceptând premisa că ne însoțește firesc dorința de a recepta cât mai corect/bine materialul sonor (sau măcar dorința de a înțelege de ce nu beneficiem de o astfel de perfecțiune), vom analiza o serie de aspecte cu potențial malign pentru sunet. Pentru aceasta vom urmări, din perspectivă practică, cei doi parametrii acustici menționați anterior, amplitudinea sunetului și frecvența sa.

Atenuarea sunetului înseamnă, firesc, reducerea amplitudinii – iar aceasta se va întâmpla, la transmisia prin aer liber, în mod direct și cvasi-liniar: atenuarea crește direct proporțional cu distanța dintre emițător și receptor.

• Atenuarea la transmiterea sunetului prin aer nu se manifestă uniform în domeniul frecvențelor audio: frecvențele joase (corespunzând undelor cu energie mare) sunt mai puțin atenuate, pe când sunetele înalte (având energie mai mică) se vor pierde mai ușor odată cu creșterea distanței.
• Atenuarea la transmiterea sunetului prin alte materiale/structuri este neliniară în spectrul sonor, fiind influențată semnificativ și de eventualele frecvențe proprii de rezonanță. (Aspectul este foarte important și vom reveni asupra lui din altă perspectivă.)
• și, la final, speța de atenuare cea mai importantă pentru profesioniștii lucrând în domeniul sonorizării/acusticii: atenuarea negativă prin reflexia undelor sonore. Da, intenționat am folosit aici această formulare de oximoron. Pentru că nu este o atenuare, ci o amplificare, însă efectul acesteia nu va determina (decât rareori) creșterea amplitudinilor peste cele cu care sunetele au fost inițial emise. Să ne imaginăm o sală de concerte: scena (locul unde sunt emise sunetele) are undeva în spate un perete, iar sunetele care ajung acolo este posibil să fie reflectate înspre noi, spectatorii din fața scenei. De asemenea, scena și chiar zona spectatorilor vor avea pereți laterali (eventual în mai multe planuri verticale), care – la rândul lor – pot reflecta sunetul spre interior, iar acest sunet se va combina cu cel sosit acolo direct, prin aer. Și de aici începe provocarea! Pe de o parte pentru că am dori să nu avem de-a face cu asemenea reflexii (și așa se întâmplă în studiourile radio sau în cele de înregistrări). Pe de altă parte pentru că efectul lor (de compensare a atenuării) poate fi totuși util: ne va permite să avem o zonă a spectatorilor mai mare, mai încăpătoare.

• Foto 2. Opera din Sidney: sala renovate pentru ameliorarea acusticii

Problemele practice ale reflexiei sonore

Dar de ce nu am vrea să avem de-a face cu amplificarea prin reflexie? Din două motive:

• pe lângă cei doi parametri esențiali din studiul de față, intervine aici și factorul timp: sunetul care ajunge în zona spectatorilor prin reflectarea sunetului originar pe vreun perete/tavan este un pic întârziat față de sunetul ce vine direct, prin aer, din cauza drumului mai lung de parcurs, ceea ce va determina o compunere a celor două materiale sonore (în funcție de durata întârzierii, și de eventuala repetabilitate, vom avea efectele de „chorus”, „echo”sau „delay”), iar rezultatul poate fi neplăcut (deși oarecum benefic câtă vreme suntem în zona „chorus”);
• materialele din care sunt confecționate aceste suprafețe reflectoare – structura lor (prin efectul de rezonanță), stratul lor superficial (prin efectul de atenuare/absorbție) – favorizează deseori doar anumite frecvențe, ceea ce înseamnă că nu tot materialul sonor ajunge ca ecou la receptor, ci doar anumite porțiuni din spectrul audio.

Acest al doilea punct este unul esențial pentru specialiștii care sunt implicați în construirea sau în renovarea sălilor de concerte. Pentru că ei vor trebui să analizeze o serie de elemente și cerințe (structura existentă; genul de spectacole; constituența materia­lului sonor; dimensiunile scenei și ale zonei spectatorilor) și vor lua o serie de decizii tehnice/tehnologice (forma și localizarea scenei; forma și poziționa­rea pereților/diafragmelor; constituența elementelor structurale; constituența materialelor pentru finisaje; elasticitatea/plasticitatea suprafețelor; porozitatea/moliciunea suprafețelor; alegerea furniturii (scaune, lambriuri, etc); angajarea eventualelor piese speciale pentru acustică; artificii punctuale cu efecte în sonorizare; ș.a.m.d.). O mulțime de aspecte, cu o mulțime de implicații.

Considerente privind acustica instrumentelor muzicale

Pentru ca muzica să ajungă la noi, instrumentele fac aerul din jurul lor să vibreze, iar pentru aceasta sunt nevoite să creeze propria lor rezonanță acustică – și realizează aceasta fie prin vibrația unor corzi (frecate, lovite sau ciupite), fie prin antrenarea unor coloane de aer de dimensiune clară, fie prin vibrația unor componente ale lor supuse percuției, fie prin alt fenomen fizico-acustic (sau electro-acustic). În principiu, instrumentele emit note muzicale, adică sunete de o anumită înălțime („pitch” în limba engleză), corespunzând unor unde acustice având frecvențe foarte distincte (prestabilite). Fiecare instrument din familia instrumentelor cromatice (instrumente apte să emită mai multe note muzicale în succesiune strânsă) acoperă o anumită porțiune din gama notelor naturale, respectiv un anumit domeniu de frecvențe. Din această perspectivă este important conceptul de octavă,pe care o putem defini atât din punct de vedere muzical, cât și din perspectiva acusticii:

• distanța/intervalul de la o notă muzicală, urcând înălțimile sunetului și parcurgând notele ce îi urmează crescător în gamă, până la următoarea notă cu același nume (de la DO de jos până la DO de sus, pe traseul do-re-mi-fa-sol-la-si-do);
• intervalul armonic de la o anumită frecvență de undă sonoră până la dublul acesteia (de exemplu, domeniul cuprins de la frecvența notei LA standard, 440 Hz, până la nota LA din următoarea octavă, având frecvența de 880 Hz, sau până la cea inferioară, de 220 Hz).

Printr-o convenție practicată de secole în muzică, intervalul octavei este împărțit în 12 sub-intervale, numite semitonuri.

Revenim la ideea de plecare: cam fiecare instrument cromatic poate să acopere una sau mai multe octave. Unele acoperă mai puțin (precum instrumentele de suflat), altele mai mult (pianul poate acoperi șapte octave). și notăm că există instrumente care ajung să emită sunete la frecvențe înalte spre limita Hi-Fi.

Sunt două aspecte ce conlucrează pentru a ne ajuta să distingem sunetul instrumentelor muzicale:

• atacul – momentul de început al unui sunet; de fapt intervalul de timp scurs din momentul inițierii fenomenelor acustice (fizico-mecanice ori electro-mecanice) și până la stabilizarea notei muzicale emise (figura 1);
• armonicele – sunete de frecvențe mai înalte ce însoțesc sunetul curent al notelor (deci concomitente cu frecvența fundamentală). Deși ele sunt, într-un fel, „imperfecțiuni” ale instrumentului (date de formele componentelor și de materialele constituente), armonicele sunt cele care definesc timbrul inconfundabil al instrumentului.

Cumulând aspectele de mai sus, va fi interesant de observat că, datorită armonicelor, sunetele emise de instrumente ajung la frecvențe mult mai înalte decât frecvența fundamentală a celei mai înalte note emise de respectivele instrumente. Iată deci încă un aspect de care trebuie ținut cont, și deci încă un motiv pentru care am inclus acest apendice în studiul de față.

Veți fi observat în acest eseu că deocamdată nu am luat în calcul aportul tehnologiilor electronice, nici pentru amplificarea sunetului și nici pentru compensarea dezechilibrelor de sonorizare naturală a sălilor de spectacole. Dar o voi face frugal, în secțiunea următoare.

,,Nyquist n-a lucrat la Brüel & Kjær”

Subtitlul se vrea un fel de glumă, pe care sper că audiofilii și persoanele interesate de acustică o vor înțelege. Teorema Nyquist-Shannon stabilea în secolul trecut condiția suficientă pentru frecvența de eșantionare la conversia semnalelor continue (analogice) în semnale discrete (digitale): princi­piul spune că, pentru a reconstitui semnalul originar, trebuie să-l eșantionăm (în vederea convertirii în format digital) la o rată de două ori mai mare decât cea mai mare frecvență a acestuia. Așa se face că, în 1980, când s-a convenit asupra standardului CD-DA (Compact Disc Digital Audio), specialiștii au considerat că frecvența de eșantionare de 44100 Hz este suficientă pentru redarea sunetului în condiții Hi-Fi (valoarea fiind ceva mai mare decât dublul limitei clasice de 20KHz). Numai că Harry Nyquist se referise, matematic, la o condiție de suficiență pentru distingerea informației conținute în semnalul analogic, ci nu la un rafinament audiofil. (Nyquist e scandinav de origine, ca și firma 'Brüel & Kjær', celebră în domeniul acusticii. Și putem specula în cheie ludică: dacă ar fi lucrat pentru B&K, probabil că Nyquist ar fost un pic mai pretențios în privința reconstituirii dinamicii semnalelor. Ca să nu mai spunem că el se referea la un semnal individual, ci nu la polifonie.) Totuși, ulterior, pionierii domeniului audio au definit și standarde mai ambițioase pentru înregistrarea și redarea sunetului: Super Audio CD (2822 KHz), DVD-Audio (192 KHz) și, mai recent, Hi-Res Audio (96-384 KHz). Și doar astfel muzica înregistrată digital poate ajunge aproape de finețea discurilor de vinil.

• Figura 2. Eșantionare la conversia analog-digital: în zonele cu dinamica mare a semnalului sunt sesizabile pierderi
   

Dar asemenea considerente se aplică doar acolo unde este necesară conversia sunetului din semnal electronic analogic în format digital (adică pentru înregistrarea/stocarea sunetului și la aplicarea unor efecte speciale), și reținem că amplificarea simplă nu este tulburată de chestiunea eșantionării, realizându-se cu circuite electronice analogice (bazate pe tranzistoare, individuale sau integrate sau, și mai bine, pe tuburi electronice).

Revenind la tema noastră, privind facilitarea/optimizarea sonorizării în sălile de concerte, vom observa că se poate recurge la amplificarea electronică a sunetului într-o mulțime de abordări – atât de numeroase/diverse încât cu greu se pot sintetiza principii aplicative. Însă vom spicui câteva observații interesante. Precum aceea că pentru captarea sunetului se folosesc de obicei microfoane de ambianță, ci nu se recurge la preluarea semnalului direct din eventualul traductor acustic al instrumentului (piezo-electric ori electro-magnetic). Se folosesc microfoane (uni-direcționale sau omni-direcționale, de la caz la caz) plasate mai aproape sau mai puțin aproape de instrumente. Optimizarea sonorizării prin amplificare electro­nică nu este atât o problemă cantitativă (de factor de amplificare), cât una calitativă (de urmărire a sunetului util, echilibrat). O doză piezo-electrică de chitară acustică, montată de obicei sub căluș (bridge), va prelua și semnale nemuzicale (precum frecarea longitudinală a corzilor sau atingerea corpului chitarei). De asemenea, un microfon plasat prea aproape de pian (sau aflat în contact direct cu acesta) va prelua și vibrații nedorite din structura/carcasa instrumentului.

• Foto 3. Adjuvante pentru ameliorarea acusticii – reflectoare de sunet
   

Alte artificii neelectronice

Spuneam anterior că proiectanții sălilor de concerte trebuie să urmărească o mulțime de aspecte, atât în privința favorizării cât și în privința atenuării controlate a sunetului. De exemplu, absorbția sunetelor (pentru diminuarea/anularea efectului de reflexie acustică, dar și pentru izolarea fonică față de vecinătăți) se obține prin utilizarea de panouri cu fante/perforații, în combinație cu vată minerală și cu spații de aer. Relațiile dintre dimensiunile perforațiilor și atenuările sunetelor de anumite frecvențe sunt deja documentate parametric, iar proiectanții nu trebuie decât să consulte astfel de grafice pentru alegerea soluțiilor potrivite. De asemenea, pentru a facilita sunetul ajuns la spectatori, se pot monta baterii de reflectoare acustice, în locuri judicios stabilite.

Au mai rămas aspecte și detalii de parcurs, însă sperăm că cele expuse au fost suficiente pentru o primă iterație a subiectului, și că lectura a fost destul de interesantă.

Mircea Băduț este inginer, consultant CAD/IT