Как мы озвучили храм

Храмы, синагоги, церкви, костёлы, мечети и прочие крайне специфические с точки зрения акустики объекты озвучиваются весьма нетривиально.

Большое время реверберации, отсутствие возможности изменить архитектурную акустику (и иногда даже установить микрофоны), необходимость учесть культурные и исторические особенности, а еще обучение использованию этой системы персонала без технического образования – неполный перечень причин сложностей такого проекта.

Задача озвучивания собора была для нас не совсем обычной – раньше мы не занимались такого рода проектами. Драматизма ситуации придавал тот факт, что освящение собора должно было состояться через несколько месяцев.

Когда мы пришли на место в первый раз, как раз шла утренняя служба. С амвона служитель читал молитвы. В радиусе 4-5 метров мы разбирали слова, но как только отходили дальше от священника, все звуки сливались в ровный гул из-за нескончаемого переходного процесса. Понятно было, что при большом скоплении людей речь будет совсем не различимой.

Нашей задачей было решить эту проблему. Нужно было обеспечить звукоусиление, передачу речи и при этом минимизировать влияние гигантского объема бетонного помещения на вынуждающие колебания акустики. Основная проблема была в том, что любой звук из точки, где стоял священнослужитель, многократно отражался от стен, пола и потолка и звучал ещё около 10 секунд. То есть соотношение мощности сигнала (речи) и создаваемого шума из-за переотражений было крайне низким.

Задача усложнялась зонированием площади храма: «Вон там детей крестят, тут семинары проводят, и ваша система не должна им мешать», — объясняли нам священники. «Но когда идут службы, все должны слышать, что мы читаем, и на улице тоже».

Прорабатывая решение по озвучке алтаря, мы долго думали, как разместить микрофоны. «На растяжках над престолом? Или может вывести кабель снизу? Ну или хотя бы на семисвечник… Летать-то микрофоны не могут — чудес не бывает,» — озвучивал варианты я. «Бывают, сын мой», — отрезал священник.

Задача

Почему задача вообще возникла? Дело в том, что каноны церковной архитектуры и, следовательно, акустики соблюдались веками. Большое время реверберации украшало длинные ноты органа, церковного хора. Почти все молитвы имеют ритм, которому помогают отражения звука, и протяжные ноты также должны быть украшены реверберацией. Правда, стоит отметить, что монотонный (характерный для РПЦ) речитатив на старославянском с точки зрения акустики не очень разборчив даже в безэховой камере.

Озвучивание религиозных сооружений всегда отличалась от проектирования систем оповещения для вокзалов, аэропортов и других подобных объектов. Важна не столько разборчивость речи (индекс STI), сколько равномерное звуковое поле по всей площади прихода.

В идеале архитектура самого сооружения такова, что, несмотря на акустическую неравномерность поверхностей, храм представляет собой связанные прямоугольные и цилиндрические резонаторы с собственными модами колебаний. Говоря более простым языком, архитектура и материалы храма должны «поднимать» голос служителя вверх и направлять его на каждого слушателя внизу так, чтобы звук шел «объёмно» как бы «с небес». Но на момент старта проекта на данном объекте архитектура не только не решала эту задачу, но и, наоборот, мешала разбирать голос.

Здание храма представляет собой связанные общим объемом цилиндрические и прямоугольные резонаторы с собственными частотами. Такие резонаторы описываются решениями уравнения Гельмгольца, содержавшие функции Бесселя. Одна из проблем новоделов – то, что в дань традициям архитекторы предусматривают снижение добротности цилиндрических резонаторов (вмонтированные глиняные горшки под куполом), убирая «ненужные» бесселевы моды шеи и купола из спектра, а вот печные воздуховоды проектировать забывают, ибо отопление уже дано централизованное, с местной теплоцентрали. Это приводит к тому, что пропадает дополнительная связь между «верхними» и «нижними» резонаторами и голос служителя звучит не объемно, а из точки, откуда он читает псалмы. С учетом размеров храма, служба больше походит на местное шушукание. Вдобавок, не все обладают сильными голосами. Мы должны были учесть все эти нюансы.

И, конечно, всем хотелось чтобы все было автоматически. Чтобы даже кнопку никто никакую не нажимал. Иначе весь эффект пропадёт: что за служба, если священнослужитель сначала нажимает кнопку или лезет в конфиг?

Проектирование

Для начала мы сделали замеры и начали строить полную модель в EASE 4.3. Это позволило провести основные выкладки, но, очевидно, что ни одна модель, ни один набор параметров не даст точного представление о звуковой картине объекта. К тому же статистические методы расчета и методы геометрической акустики нечувствительны к препятствиям и длине волны. Тем не менее, даже без применения волновых методик полученные в результате расчета данные позволили расставить акустические системы оптимальным образом, подобрать начальную мощность, выбрать направление излучения таким образом, чтобы минимизировать поздние отражения и получить достаточно равномерную структуру ранних отражений.

Фрагмент схемы размещения динамиков

Именно это позволило минимально изменить собственное звучание храма и одновременно с этим создать равномерное звуковое поле. Поскольку в модели было более 2000 поверхностей, расчет проводился в кластере «облака» КРОК, в виртуальной машине мощностью в 32 ядра и 32 ГБ оперативной памяти. Слава профессорам Анерту и Фейстелю за возможность параллелить процессы в EASE. Каждый расчет модулем AURA занимал всего 9 часов.

Фрагмент представления результатов модуля AURA

Самой сложнойя задачей было создание микрофонной системы, причём удобной для использования. И пригодной для работы с реверберацией больше 7 секунд. Выход был один — линейные микрофоны и радиосистемы (микрофонный парк в готовом решении, кстати, обновляется и расширяется, благо система матричной коммутации это предусматривает).

Спектр задач по озвучиванию оказался достаточно большим. Прежде всего требовалось обеспечение многозонной структуры комплекса по сути дела в едином пространстве. Как уже было сказано, здесь и службы проходят, и семинары, венчания, и т.д. Создать разделенные звуковые зоны можно только направленным контролируемым излучением, с учетом того, что по данным измерений стандартное время реверберации (RT60) составляло порядка 8 секунд. Поэтому первое решение, которое было принято — озвучивать будем линейными массивами. Разумеется это не ноу-хау, сейчас почти все католические соборы озвучены именно так. Раньше использовались специальные воздуховоды, резонаторы в куполе и другие решения, то есть архитектура храма уже имела «интегрированную» систему звукоусиления – но наш объект был «новоделом», поэтому потребовалась электроника.

Выбор вендоров весьма широк: Intellevox, HKAudio, Bose, MeyerSound, JBL (справедливости ради надо сказать, что свои CAL и CBT Мейер и Харман еще не выпустил к тому времени) и так далее. Но, вспомнив об ограничениях по цене, скорости поставки и качеству, выбор остановился на Bose.

А еще мы сделали мультимедийную систему конфернец-зала нижнего храма, но это совсем другая история.

Фрагмент схемы коммутации

Площадь была разбита на зоны: центральная приалтарная, 4 зоны за колоннами, солея, притвор и внешние зоны снаружи храма. Центральная зона озвучена стековым решением — двухметровые массивы (24 четырехдюймовых динамика) Bose MA12. Конечно, в ближней зоне чувствуется наличие боковых лепестков ДН, но уже на расстоянии 2 — 3 метров можно наслаждаться цилиндрической волной (на 1 кГ). Это решение оправдано большой площадью озвучивания. Мощность, подводимая к акустическим системам, рассчитана таким образом, что сигнал от основных звуковых колонн маскируется по времени сигналом акустических систем заколонных зон.

Заколонные зоны озвучены «самодельными» массивами — четырьмя вертикально установленными колонками DS16SE. Такой подход обеспечил коэффициент направленного действия порядка 2. Расстояние между центрами динамиков в этих массивах было сделано большим чем в MA12, что обеспечило больший контроль направленности в области нижних частот.

Проблем с настройкой на месте не возникло, потому что при моделировании попали довольно точно. Возникали трудности с обратной связью (микрофонный эффект, то, что не учитывает EASE), однако за счет автоматических фильтров и компенсации основных резонансных мод эффект удалось сделать минимальным. В общем, после проектирования и монтажа оборудования осталось только настроить все каналы усиления, детектировать частоты самовозбуждения, записать несколько пресетов для различных сценариев служб и научить персонал пользоваться системой.

На момент публикации этого топика система уже давно сдана в эксплуатацию и продолжает безупречно работать.