Реверберация (обычно сокращается до реверберации ) в акустике — это сохранение звука после его возникновения. [1] Реверберация возникает при отражении звука или сигнала. Это приводит к накоплению многочисленных отражений, которые затем затухают по мере поглощения звука поверхностями объектов в пространстве, включая мебель, людей и воздух. [2] Это наиболее заметно, когда источник звука прекращается, но отражения продолжаются, их амплитуда уменьшается, пока не достигнет нуля.
Реверберация зависит от частоты: длительность затухания или время реверберации получает особое внимание при архитектурном проектировании пространств, которым необходимо иметь определенное время реверберации для достижения оптимальной производительности для их предполагаемой деятельности. [3] По сравнению с отчетливым эхом , которое обнаруживается как минимум через 50–100 мс после предыдущего звука, реверберация — это возникновение отражений, которые приходят в последовательности менее чем примерно через 50 мс. С течением времени амплитуда отражений постепенно уменьшается до незаметных уровней. Реверберация не ограничивается внутренними помещениями, поскольку она существует в лесах и других внешних средах, где существует отражение.
Реверберация возникает естественным образом, когда человек поет, разговаривает или играет на музыкальном инструменте в акустическом зале или помещении для выступлений с отражающими звук поверхностями. [4] Реверберация применяется искусственно с помощью эффектов реверберации , которые имитируют реверберацию с помощью таких средств, как эхо-камеры , вибрации, передаваемые через металл, и цифровая обработка. [5]
Хотя реверберация может добавить естественности записанному звуку, добавляя ощущение пространства, она также может снизить разборчивость речи , особенно когда также присутствует шум. Люди с потерей слуха, включая пользователей слуховых аппаратов , часто сообщают о трудностях с пониманием речи в реверберирующих, шумных ситуациях. Реверберация также является существенным источником ошибок при автоматическом распознавании речи .
Дереверберация — это процесс снижения уровня реверберации звука или сигнала.
Время реверберации — это мера времени, необходимая для «затухания» звука в замкнутом пространстве после прекращения действия источника звука.
Когда речь идет о точном измерении времени реверберации с помощью измерителя, используется термин T 60 [6] (сокращение от времени реверберации 60 дБ). T 60 обеспечивает объективное измерение времени реверберации. Он определяется как время, необходимое для снижения уровня звукового давления на 60 дБ , измеренное после резкого прекращения подачи сгенерированного тестового сигнала.
Время реверберации часто указывается как единое значение, если измеряется как широкополосный сигнал (от 20 Гц до 20 кГц). Однако, будучи зависящим от частоты, его можно точнее описать в терминах частотных диапазонов (одна октава, 1/3 октавы, 1/6 октавы и т. д.). Будучи зависящим от частоты, время реверберации, измеренное в узких полосах, будет отличаться в зависимости от измеряемой полосы частот. Для точности важно знать, какие диапазоны частот описываются измерением времени реверберации.
В конце 19 века Уоллес Клемент Сабин начал эксперименты в Гарвардском университете, чтобы исследовать влияние поглощения на время реверберации. Используя переносной духовой ящик и органные трубы в качестве источника звука, секундомер и свои уши, он измерил время от прерывания источника до неслышимости (разница примерно 60 дБ). Он обнаружил, что время реверберации пропорционально размерам помещения и обратно пропорционально количеству присутствующего поглощения.
Оптимальное время реверберации для пространства, в котором играет музыка, зависит от типа музыки, которая будет воспроизводиться в этом пространстве. Помещения, используемые для речи, обычно нуждаются в более коротком времени реверберации, чтобы речь могла быть понята более четко. Если отраженный звук от одного слога все еще слышен, когда произносится следующий слог, может быть трудно понять, что было сказано. [7] «Cat», «cab» и «cap» могут звучать очень похоже. Если, с другой стороны, время реверберации слишком короткое, тональный баланс и громкость могут пострадать. Эффекты реверберации часто используются в студиях для добавления глубины звукам. Реверберация изменяет воспринимаемую спектральную структуру звука, но не изменяет высоту тона.
Основные факторы, влияющие на время реверберации помещения, включают размер и форму помещения, а также материалы, используемые при строительстве помещения. Каждый объект, размещенный внутри помещения, также может влиять на время реверберации, включая людей и их вещи.
Исторически время реверберации можно было измерить только с помощью самописца уровня (графопостроительного устройства, которое строит график уровня шума в зависимости от времени на ленте движущейся бумаги). Производится громкий шум, и по мере затухания звука след на самописце уровня будет показывать отчетливый наклон. Анализ этого наклона показывает измеренное время реверберации. Некоторые современные цифровые измерители уровня звука могут выполнять этот анализ автоматически. [8]
Существует несколько методов измерения времени реверберации. Импульс можно измерить, создав достаточно громкий шум (который должен иметь определенную точку отсечки). Источники импульсного шума, такие как холостой выстрел из пистолета или взрыв воздушного шара, могут использоваться для измерения импульсного отклика помещения.
В качестве альтернативы, случайный шумовой сигнал, такой как розовый шум или белый шум, может быть сгенерирован через громкоговоритель, а затем выключен. Это известно как прерываемый метод, а измеренный результат известен как прерываемый ответ.
Двухпортовая измерительная система также может использоваться для измерения шума, вносимого в пространство, и сравнения его с тем, что впоследствии измеряется в пространстве. Рассмотрим звук, воспроизводимый громкоговорителем в комнате. Можно сделать запись звука в комнате и сравнить ее с тем, что было отправлено на громкоговоритель. Два сигнала можно сравнить математически. Эта двухпортовая измерительная система использует преобразование Фурье для математического получения импульсной характеристики комнаты. Из импульсной характеристики можно рассчитать время реверберации. Использование двухпортовой системы позволяет измерять время реверберации с помощью сигналов, отличных от громких импульсов. Можно использовать музыку или записи других звуков. Это позволяет проводить измерения в комнате после присутствия публики.
При некоторых ограничениях даже простые источники звука, такие как хлопки в ладоши, могут быть использованы для измерения реверберации [9]
Время реверберации обычно указывается как время затухания и измеряется в секундах. Может быть или не быть указание полосы частот, используемой при измерении. Время затухания — это время, которое требуется сигналу, чтобы уменьшиться на 60 дБ ниже исходного звука. Часто бывает сложно ввести достаточно звука в помещение, чтобы измерить затухание на 60 дБ, особенно на более низких частотах. Если затухание линейное, достаточно измерить падение на 20 дБ и умножить время на 3 или падение на 30 дБ и умножить время на 2. Это так называемые методы измерения T20 и T30.
Измерение времени реверберации RT 60 определено в стандарте ISO 3382-1 для концертных залов, стандарте ISO 3382-2 для обычных помещений и стандарте ISO 3382-3 для офисов открытой планировки, а также в стандарте ASTM E2235.
Концепция времени реверберации неявно предполагает, что скорость затухания звука экспоненциальна, так что уровень звука уменьшается регулярно, со скоростью столько-то дБ в секунду. Это не часто бывает в реальных помещениях, в зависимости от расположения отражающих, рассеивающих и поглощающих поверхностей. Более того, последовательное измерение уровня звука часто дает очень разные результаты, поскольку различия в фазе в возбуждающем звуке накапливаются в заметно отличающихся звуковых волнах. В 1965 году Манфред Р. Шредер опубликовал «Новый метод измерения времени реверберации» в журнале Акустического общества Америки . Он предложил измерять не мощность звука, а энергию, интегрируя ее. Это позволило показать изменение скорости затухания и освободить акустиков от необходимости усреднения многих измерений.
Уравнение реверберации Сабина было разработано в конце 1890-х годов эмпирическим путем . Он установил связь между T 60 помещения, его объемом и его полным поглощением (в сабинах ). Это задается уравнением:
где c20 — скорость звука в помещении (при 20 °C), V — объем помещения в м3 , S — общая площадь поверхности помещения в м2 , a — средний коэффициент поглощения поверхностей помещения, а произведение Sa — общее поглощение в сэбинах.
Общее поглощение в сэбинах (и, следовательно, время реверберации) обычно меняется в зависимости от частоты (которая определяется акустическими свойствами пространства). Уравнение не учитывает форму помещения или потери от звука, распространяющегося по воздуху (важно в больших помещениях). Большинство помещений поглощают меньше звуковой энергии в диапазонах низких частот, что приводит к более длительному времени реверберации на низких частотах.
Сабина пришла к выводу, что время реверберации зависит от отражательной способности звука от различных поверхностей, имеющихся внутри зала. Если отражение когерентно, время реверберации зала будет больше; звуку потребуется больше времени, чтобы затихнуть.
Время реверберации RT 60 и объем V помещения оказывают большое влияние на критическое расстояние d c (условное уравнение):
где критическое расстояние измеряется в метрах, объем измеряется в м³, а время реверберации RT 60 измеряется в секундах .
Уравнение времени реверберации Эйринга было предложено Карлом Ф. Эйрингом из Bell Labs в 1930 году. [10] Это уравнение направлено на более точную оценку времени реверберации в небольших помещениях с относительно большим количеством звукопоглощения, которые Эйринг определил как «мертвые» помещения. Такие помещения, как правило, имеют более низкое время реверберации, чем более крупные, более акустически живые помещения. Уравнение Эйринга по форме похоже на уравнение Сэбина, но включает модификации для логарифмического масштабирования члена поглощения . Единицы измерения и переменные в уравнении те же, что и определенные для уравнения Сэбина. Время реверберации Эйринга определяется уравнением:
Уравнение Эйринга было разработано из первых принципов с использованием модели источника изображения отражения звука, в отличие от эмпирического подхода Сабина. Экспериментальные результаты, полученные Сабином, в целом согласуются с уравнением Эйринга, поскольку обе формулы становятся идентичными для очень живых помещений, типа, в котором работал Сабин. Однако уравнение Эйринга становится более действительным для небольших помещений с большим количеством поглощения. В результате уравнение Эйринга часто применяется для оценки времени реверберации в контрольных комнатах студий звукозаписи или других критических средах прослушивания с большим количеством поглощения звука. Уравнение Сабина имеет тенденцию переоценивать время реверберации для небольших помещений с большим количеством поглощения. По этой причине калькуляторы времени реверберации, доступные для небольших студий звукозаписи, таких как домашние студии звукозаписи, часто используют уравнение Эйринга.
Коэффициент поглощения материала — это число от 0 до 1, которое указывает на долю звука, поглощаемого поверхностью, по сравнению с долей, которая отражается обратно в комнату. Большое, полностью открытое окно не будет давать никакого отражения, поскольку любой звук, достигающий его, будет проходить прямо наружу, и никакой звук не будет отражаться. Это будет иметь коэффициент поглощения 1. И наоборот, толстый, гладкий окрашенный бетонный потолок будет акустическим эквивалентом зеркала и иметь коэффициент поглощения, очень близкий к 0.
Atlantic описал реверберацию как «возможно, самый старый и самый универсальный звуковой эффект в музыке», использовавшийся в музыке еще в хорале 10-го века . [5] Композиторы, включая Баха, писали музыку, чтобы использовать акустику определенных зданий. Григорианское пение , возможно, развилось в ответ на длительное время реверберации соборов , ограничивая количество нот, которые можно было спеть, прежде чем они хаотично смешаются. [5]
Искусственная реверберация применяется к звуку с использованием эффектов реверберации . Они имитируют реверберацию с помощью таких средств, как эхо-камеры , вибрации, передаваемые через металл, и цифровая обработка. [5]
