Czy inżynier może dyrygować wyimaginowaną orkiestrą? Mowa tu o naukowcach pracujących w laboratoriach, jednak profesor Tapio Lokki z instytutu naukowego Uniwersytetu Aalto w Finlandii poświęcił kilka lat na odwiedzanie sal koncertowych i dokonywanie drobiazgowych pomiarów charakterystyk tych obiektów. Słowo „karaoke” oznacza w języku japońskim „pustą orkiestrę” i w pewnych aspektach odpowiada rozwiązaniu, które profesor opracował jako narzędzie wspomagające prowadzone przez niego badania. Badania mogą zaowocować usprawnieniami w projektach budowlanych oraz swego rodzaju dźwiękową „rzeczywistością rozszerzoną”.
Raport ERBN (Europejska Rada ds. Badań Naukowych) – Doradztwo w dziedzinie dźwięku: modelowanie sal koncertowych
„Od czasu, gdy ponad 100 lat temu wybudowano najsłynniejsze sale koncertowe, przeprowadzano w związku z nimi wiele badań” — mówi profesor — „jednak nadal pozostaje tajemnicą, dlaczego niektóre z nich są lepsze od innych. Natomiast gdy budowana jest nowa sala koncertowa, tajemnicą pozostaje to, jakie będzie miała brzmienie”. Co sprawia, że sala koncertowa ma odpowiednie brzmienie? Na to właśnie pytanie próbuje odpowiedzieć prof. Lokki. Możliwe, że dzięki jego badaniom powstanie nowy rodzaj multimedialnej rzeczywistości rozszerzonej, a także wprowadzone zostaną usprawnienia w konstrukcji sal koncertowych. „Musimy zagłębić się w tę problematykę, wykorzystując modelowanie, psychologię, pomiary, estetykę muzyczną oraz akustykę” — wyjaśnia profesor — „celem jest pomiar i symulacja zachowań fal dźwiękowych wytwarzanych przez 100 muzyków w złożonym środowisku fizycznym, a także badanie ich wpływu na poszczególne osoby zajmujące różne miejsca na widowni”.
„Próba, próba mikrofonu, raz-dwa-trzy…”
Jednak preferencje akustyczne, a nawet jakość dźwięku, to sprawa bardzo subiektywna. Jak zatem można dokonać naukowego pomiaru tych zjawisk? „Potrzebne nam są zarówno pomiary subiektywne, jak i obiektywne” — mówi prof. Lokki. Dlatego właśnie postanowił zapożyczyć pewne pomysły z innych dziedzin, w których konieczne jest kwantyfikowanie subiektywnych odczuć. Chodzi o branżę spożywczą i winiarską. „Poprosiliśmy słuchaczy o zdefiniowanie własnych kryteriów opisu jakości dźwięku (np. bas, czystość itp.) w nagraniach z różnych sal koncertowych oraz o przypisanie im ocen. Na tej podstawie powstają profile sensoryczne oraz kolejność preferencji dla poszczególnych sal”. Współpracownicy profesora musieli jednak również ustalić normę umożliwiającą pomiar tych subiektywnych opinii — sposób na to, by każda z badanych osób opisywała dokładnie te same właściwości dźwięku. W tym miejscu pojawia się właśnie „pusta orkiestra”. „Stworzyliśmy symulator orkiestry symfonicznej, wykorzystując 34 głośniki” — objaśnia prof. Lokki. Poszczególne głośniki zostają ustawione w identycznych miejscach na każdej ze scen koncertowych i odtwarzane jest nagranie studyjne jednego muzyka i instrumentu. „Zawsze odtwarzany jest ten sam motyw muzyczny, grany przez tych samych muzyków, a następnie nagrywamy ogólny dźwięk z identycznych miejsc w poszczególnych salach. W związku z tym jedyną zmienną jest struktura architektoniczna”. Po ustaleniu tych zasad badacze zapraszali po 20 słuchaczy na każde z badań. Odtwarzali im motyw i, przełączając nagrania, przemieszczali ich w różne miejsca na widowni oraz do różnych sal. „W ten sposób mogliśmy naprawdę porównać sale” — kontynuuje profesor. Do tej pory zespół sporządził profile różnych sal, głównie fińskich, oraz zaczął analizować sale koncertowe z różnych miejsc Europy. Jego członkowie pracują obecnie nad modelami matematycznymi, które uzupełniłyby te badania jakościowe.
Od symulacji orkiestry do symulacji akustyki
Są to badania multidyscyplinarne, których przeprowadzenie oraz uzyskanie zadowalających wyników wymaga zaangażowania sporego zespołu. Dofinansowanie projektu PHDVIRTA („Physically-based Virtual Acoustics”) ze środków ERBN umożliwiło profesorowi Lokkiemu zatrudnienie ekspertów z różnych dziedzin. Na początku było to czterech doktorantów, a obecnie zespół rozszerzył się o trzech uczestników staży podoktorskich. „Dźwięk różni się od światła — fale dźwiękowe mają długość od 17 m do 1,7 cm — dlatego trzeba brać pod uwagę takie czynniki, jak pogłosy, refrakcje na krawędziach oraz wibracje ścian, w związku z czym daleko nam jeszcze do symulacji komputerowych poszczególnych sal” — wyjaśnia prof. Lokki. „Jednak dzięki naszym pomiarom możemy odtwarzać poszczególne efekty, które na przykład ograniczają niskie tony, a za pomocą symulacji 3D jesteśmy w stanie pokazać, że na przykład określone miejsca na klatkach schodowych będą działać jak filtry, wpływając na rozpoznawalność wymawianych słów”. Badacze są w stanie tworzyć wizualizacje energii dźwięku, śledząc odbicia, ich kierunki oraz identyfikując poszczególne powierzchnie, a następnie nakładać te wyniki na plany oraz rysunki. Może to zapewnić cenne wskazówki dla projektantów nowych sal koncertowych, widowni, a nawet bibliotek czy centrów handlowych. „W ramach innych zastosowań badamy rzeczywistość rozszerzoną dźwięku przy współpracy z Nokia Research Centre” — kontynuuje profesor. „W przypadku wizualnej rzeczywistości rozszerzonej używane są smartfony lub okulary Google, natomiast my możemy sprawić za pomocą mikrofonu, by słuchawki stały się 'transparentne’ — co stanowi przeciwieństwo eliminacji szumów. Ten efekt możemy zastosować na przykład w trójstronnej rozmowie telefonicznej, w której w miarę zbliżania się do rozmówców wyciszane są dźwięki rozmowy. Może również posłużyć do poprawy wrażeń w środowisku akustycznym. Ponadto udostępniliśmy w Internecie setki naszych plików muzycznych z nagraniami z symulatora orkiestry. Są one obecnie używane na całym świecie w badaniach wykorzystujących wyniki naszych prac” — mówi na koniec profesor.
– Źródło: Prof. Tapio Lokki
– Koordynator projektu: Wydział Technologii Medialnych, instytut naukowy Uniwersytetu Aalto, (Finlandia)
– Tytuł projektu: Physically-based virtual acoustics
– Akronim projektu: PHDVIRTA
– witryna internetowa projektu PHDVIRTA
– siódmy program ramowy (7PR) (nabór wniosków do ERBN): Grant dla początkujących naukowców 2007
– Finansowanie przez KE: 880 000 EUR
– Czas trwania projektu: 5 lat i 11 miesięcy
– Wybrane publikacje:
– „Concert hall acoustics assessment with individually elicited attributes”, J. Acoust. Soc. Am., Volume 130, Issue 2, (2011); Tapio Lokki, Jukka Pätynen, Antti Kuusinen, Heikki Vertanen i Sakari Tervo; str. 835-849
– „Disentangling preference ratings of concert hall acoustics using subjective sensory profiles,” Journal of the Acoustical Society of America, Volume 132, Issue 5, (2012); Tapio Lokki, Jukka Pätynen, Antti Kuusinen i Sakari Tervo; str. 3148-3161
– „Temporal Differences in String Bowing of Symphony Orchestra Players”, Journal of New Music Research, Volume 41, Issue 3, (2012); Jukka Pätynen, Sakari Tervo i Tapio Lokki; str. 223-237
Strona internetowa projekty – https://mediatech.aalto.fi/en/research/virtual-acoustics
