Реверберация (обычно сокращаемая до реверберации ) в акустике — это сохранение звука после его воспроизведения. [1] Реверберация создается при отражении звука или сигнала. Это приводит к накоплению многочисленных отражений, которые затем затухают, поскольку звук поглощается 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: продолжительность затухания или время реверберации получает особое внимание при архитектурном проектировании помещений, которые должны иметь определенное время реверберации для достижения оптимальных характеристик для предполагаемой деятельности. [3] По сравнению с отчетливым эхом , которое можно обнаружить минимум через 50–100 мс после предыдущего звука, реверберация — это появление отражений, которые появляются в последовательности менее чем примерно 50 мс. С течением времени амплитуда отражений постепенно снижается до незаметного уровня. Реверберация не ограничивается внутренними помещениями, поскольку она существует в лесах и других местах на открытом воздухе, где существует отражение.
Реверберация возникает естественным образом, когда человек поет, разговаривает или играет на инструменте акустически в зале или помещении для выступлений со звукоотражающими поверхностями. [4] Реверберация применяется искусственно с помощью эффектов реверберации , которые имитируют реверберацию с помощью эхо-камер , вибраций, передаваемых через металл, и цифровой обработки. [5]
Хотя реверберация может придать записанному звуку естественность, создавая ощущение пространства, она также может снизить разборчивость речи , особенно при наличии шума. Люди с потерей слуха, в том числе пользователи слуховых аппаратов , часто сообщают о трудностях с пониманием речи в резонансных и 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, необходимого для того, чтобы звук «затих» в закрытом помещении после того, как источник звука прекратился.
Когда речь идет о точном измерении времени реверберации с помощью измерителя, используется термин Т 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 генерируемого тестового сигнала.
Время реверберации часто указывается как одно значение, если измеряется как широкополосный сигнал (от 20 Гц до 20 кГц). Однако, будучи частотно-зависимым, его можно точнее описать с помощью полос частот (одна октава, 1/3 октавы, 1/6 октавы и т. д.). Поскольку время реверберации, измеренное в узких полосах частот, зависит от частоты, оно будет различаться 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 портативный духовой ящик и органные трубы в качестве источника звука, секундомер и свои уши, он измерил время от прекращения звука источника до полной потери слышимости (разница примерно в 60 дБ). Он обнаружил, что время реверберации пропорционально размерам помещения и обратно пропорционально степени присутствующего поглощения.
Оптимальное время реверберации для помещения, в котором звучит музыка, зависит от типа музыки, которая будет воспроизводиться в этом помещении. В помещениях, используемых для речи, обычно требуется более короткое время реверберации, чтобы речь могла быть понята более четко. Если отраженный звук одного слога все еще слышен при произнесении следующего слога, может быть трудно понять, что было сказано. [7] «Кот», «такси» и «кепка» могут звучать очень похоже. С другой стороны, если время реверберации слишком короткое, тональный баланс и громкость могут пострадать. Эффекты реверберации часто используются в студиях для придания звукам глубины. Реверберация изменяет воспринимаемую спектральную структуру звука, но не меняет высоту звука.
Основные факторы, влияющие на время реверберации помещения, включают размер и форму корпуса, а также материалы, использованные при строительстве помещения. На время реверберации может также влиять каждый объект, помещенный в корпус, включая людей и их вещи.
Исторически время реверберации можно было измерить только с помощью устройства для записи уровня (устройства, которое отображает зависимость уровня шума от времени на ленте движущейся бумаги). Раздается громкий шум, и по мере того, как звук затихает, кривая на самописце показывает отчетливый наклон. Анализ этого наклона показывает измеренное время реверберации. Некоторые современные цифровые шумомеры 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 пистолетный выстрел или взрыв воздушного шара, можно использовать для измерения импульсной характеристики помещения.
Альтернативно, сигнал случайного шума , такой как розовый шум или белый шум, может генерироваться через громкоговоритель, а затем отключаться. Это известно как прерывистый метод, а измеренный результат известен как прерывистый отклик.
Двухпортовую измерительную систему также можно использовать для измерения шума, вносимого в помещение, и сравнения его с тем, что впоследствии измеряется в этом помещении. Рассмотрим звук, воспроизводимый громкоговорителем в комнате. Можно сделать запись звука в комнате и сравнить с тем, что было отправлено на громкоговоритель. Эти два сигнала можно сравнить математически. Эта двухпортовая измерительная система использует преобразование Фурье для математического определения импульсной характеристики помещения. По импульсной характеристике можно рассчитать время реверберации. Использование двухпортовой системы позволяет измерять время реверберации с сигналами, отличными от громких импульсов. Можно использовать музыку или записи других звуков. Это позволяет проводить измерения в комнате после присутствия аудитории.
При некоторых ограничениях для измерения реверберации можно использовать даже простые источники звука, такие как хлопки в ладоши [9].
Время реверберации обычно обозначается как время затухания и измеряется в секундах. Может быть какое-либо указание полосы частот, используемой при измерении, а может и не быть. Время затухания — это время, в течение которого сигнал уменьшается на 60 дБ ниже исходного звука. Часто бывает трудно подать в комнату достаточно звука, чтобы измерить затухание в 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 Т20 и Т30.
Измерение времени реверберации RT 60 определено стандартом ISO 3382-1 для помещений для выступлений, стандартом ISO 3382-2 для обычных помещений и стандартом ISO 3382-3 для офисов открытой планировки, а также стандартом ASTM E2235.
Концепция времени реверберации неявно предполагает, что скорость затухания звука является экспоненциальной, так что уровень звука регулярно снижается со скоростью определенного количества дБ в секунду. В реальных помещениях такое случается нечасто, в зависимости от расположения отражающих, рассеивающих и поглощающих поверхностей. Более того, последовательное измерение уровня звука часто дает совершенно разные результаты, поскольку различия в фазе возбуждающего звука накапливаются в заметно разных 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 Сабины было разработано в конце 1890-х годов эмпирическим путем. Он установил связь между Т 60 помещения, его объемом и его полным поглощением (в сабинах ). Это определяется уравнением:
где c 20 — скорость звука в помещении (при 20 °C), V — объем помещения в м 3 , S общая площадь помещения в м 2 , a — средний коэффициент звукопоглощения поверхностей помещения, и произведение Sa – общее поглощение по Сабинам.
Полное поглощение в сабинах (и, следовательно, время реверберации) обычно меняется в зависимости от частоты (которая определяется акустическими свойствами помещения). Уравнение не учитывает форму помещения или потери звука, распространяющегося по воздуху (что важно в больших помещениях). Большинство помещений поглощают меньше звуковой энергии в низкочастотных диапазонах, что приводит к увеличению времени реверберации на более низких частотах.
Сабина пришла к выводу, что время реверберации зависит от отражательной способности звука от различных поверхностей внутри зала. Если отражение когерентное, время реверберации зала будет больше; звуку потребуется больше времени, чтобы затихнуть.
Большое влияние на критическое расстояние d c (условное уравнение) оказывают время реверберации RT 60 и объем V помещения :
где критическое расстояние измеряется в метрах, объём – в м³, а время реверберации RT 60 – в секундах .
Уравнение времени реверберации Айринга было предложено Карлом Ф. Айрингом из Bell Labs в 1930 году. [10] Это уравнение направлено на то, чтобы лучше оценить время реверберации в небольших помещениях с относительно большим уровнем звукопоглощения, которые Айринг определил как «мертвые» помещения. Эти помещения, как правило, имеют меньшее время реверберации, чем более крупные, более акустически живые помещения. Уравнение Айринга по форме похоже на уравнение Сабины, но включает модификации для логарифмического масштабирования члена поглощения . Единицы измерения и переменные в уравнении такие же, как и в уравнении Сабины. Время реверберации Айринга определяется уравнением:
Уравнение Айринга было разработано на основе основных принципов с использованием модели источника изображения отражения звука, в отличие от эмпирического подхода Сабины. Экспериментальные результаты, полученные Сабиной, в целом согласуются с уравнением Айринга, поскольку две формулы становятся идентичными для очень жилых комнат, в которых работала Сабина. Однако уравнение Айринга становится более справедливым для небольших помещений с большим поглощением. В результате уравнение Айринга часто применяется для оценки времени реверберации в аппаратных студиях звукозаписи или других критических средах прослушивания с высоким уровнем звукопоглощения. Уравнение Сэбина имеет тенденцию завышать время реверберации для небольших помещений с высоким уровнем поглощения. По этой причине калькуляторы времени реверберации, доступные для небольших студий звукозаписи, например домашних студий звукозаписи, часто используют уравнение Айринга.
Коэффициент поглощения материала — это число от 0 до 1, которое указывает долю звука, поглощаемую поверхностью, по сравнению с долей, которая отражается обратно в комнату. Большое, полностью открытое окно не будет отражаться, поскольку любой звук, достигающий его, будет проходить прямо наружу и никакой звук не будет отражаться. Его коэффициент поглощения будет равен 1. И наоборот, толстый, гладкий окрашенный бетонный потолок будет акустическим эквивалентом зеркала и будет иметь коэффициент поглощения, очень близкий к 0.
The Atlantic описал реверберацию как «возможно, самый старый и наиболее универсальный звуковой эффект в музыке», который использовался в музыке еще в равнинной песне 10-го века . [5] Композиторы, в том числе Бах, писали музыку, используя акустику определенных зданий. Григорианское пение, возможно, возникло в ответ на длительное время реверберации соборов , ограничивающее количество нот, которые можно было спеть, прежде чем они хаотично смешаются. [5]
Искусственная реверберация применяется к звуку с помощью эффектов реверберации . Они имитируют реверберацию с помощью эхо-камер , вибраций, передаваемых через металл, и цифровой обработки. [5]
