Линейные массивы

Шоу технологии - Шоу-техника

1. Практика построения кластеров

В последние годы в России появилось много новых систем звукоусиления, однако получаемые результаты не всегда соответствуют затраченным средствам. Это становится очевидным, когда на концертах зарубежных артистов демонстрируются великолепные возможности привозимого звукового оборудования. Причина кроется в том, что редко кто владеет достаточным набором знаний и опыта, необходимых для правильной установки и настройки звуковых систем.

Достижением последнего десятилетия стали системы звукоусиления для больших концертных площадок, реализующие принцип когерентного сложения звуковых волн от множества близко расположенных источников и формирующие заданное звуковое поле. В этих звуковых системах открылись совершенно новые возможности переноса звуковой энергии в пространстве. В этой статье мы рассмотрим основные законы построения и настройки таких систем. Для того чтобы понять их революционный характер, рассмотрим этапы развития систем звукоусиления концертной площадки.

1979 год. Изучив рекламные проспекты, техничеcкий персонал группы «Воскресенье» купил пару 15 громкоговорителей Selestion и изготовил новые акустические системы. В связи с тенденциями того периода колонка была заглушена детским матрацем и даже снабжена фазоинверсной трубой. Чуть позже конкуренты из группы «Аракс» заказали НИКФИ проект акустической системы будущего. Изготовленный образец представлял собой экспоненциальный рупор длиной два метра. На испытания новинку пришлось везти в микроавтобусе с открытыми задними дверьми, потому что устье рупора не помещалось в салон. Первая же нота бас-гитары, воспроизведенная рупором, показала катастрофическую хлипкость конструкции и дребезжание всех деталей. Рупор пришлось распилить.

1980 год. Dynacord олимпийской поставки. Для нашей страны это был первый концертный звукоусилительный комплекс, отвечающий требованиям всех жанров. Акустические системы, начиная с низкочастотных рупоров и заканчивая кольцевыми твиттерами, были снабжены американскими динамиками. Комплекс был рассчитан на озвучание залов средней величины. Диапазон частот 80 Гц…16 кГц, низкий уровень искажений — это был прорыв для своего времени. Через какое-то время престижные рестораны страны стали оборудоваться копиями этих акустических систем.

1991 год. Metallica и AC/DC в Тушино. Никогда еще в истории озвучания открытых пространств в России не было такой мощной и качественной звукоусилительной системы. 200 киловатт акустических систем MT-4 производили неизгладимое впечатление на всем пространстве от сцены до микшерного пульта, однако уже на расстоянии в 50 метров качество звучания значительно падало. Для компенсации потери звукового давления на удалении от сцены были установлены дополнительные сооружения с акустическими системами.

1993 год. Концерт Майкла Джексона в Лужниках. Внушительных размеров туровая звуковая система Clair Brothers S-4 series, заслужившая в 1985 награду за техническое совершенство. Эти мощные и качественные подвесные акустические системы воплотили новейшие технологические приемы своего времени. На примере этого оборудования было хорошо видно, что при взаимодействии большого количества звуковых источников возникает заметная интерференция. Площадь одновременно излучающих громкоговорителей была столь велика, что на близком расстоянии от звуковой системы любой отрывистый звук воспринимался как продолжительный. Этот эффект, очень похожий на гейт-реверб, обусловлен индивидуальным запаздыванием в приходе звука от группы громкоговорителей, начиная с самого ближнего и заканчивая самым дальним. По этой же причине ровная частотная характеристика отдельной акустической системы в результате интерференции между соседними громкоговорителями становится неоднородной для разных направлений.

Классическим решением проблемы интерференции является создание радиальных кластеров, где для каждой акустической системы определяется свой сектор пространства. Наиболее популярная серия акустических систем такого типа — KF850 фирмы EAW.

2. Анализ работы радиальных кластеров

К началу 90-х стали очевидны недостатки радиальных кластеров:

Рис. 1

1. Профессиональные звуковые системы строятся на базе мощных громкоговорителей. К сожалению, диапазон частот эффективной работы отдельного громкоговорителя не превышает 10 октав, что вынуждает разбивать звуковой диапазон на три полосы и объединять три типа громкоговорителей в одном кабинете. В свою очередь, акустические системы должны объединяться в кластеры для обеспечения необходимой акустической мощности. В каждом диапазоне частот в процессе суммирования звукового давления акустических систем кластера звуковое поле искажается интерференцией между излучателями (рис. 1). Оказалось, что сложение и вычитание звуковых волн не подчиняется стройной архитектуре кластера, а звуковое поле при перемещении по залу меняется от места к месту. Настройка звуковой системы в зоне около микшерного пульта не гарантирует такое же качество звучания на остальной площади.

2. Будь то электромагнитные или звуковые волны, направленные свойства излучателя зависят, прежде всего, от его габаритов и длины излучаемой волны. Для низкочастотных звуковых волн размеры акустической системы намного меньше длины звуковой волны, и направленность отсутствует. Для высоких частот даже размеры отверстия драйвера создают значительную направленность, и приходится принимать специальные меры для расширения диаграммы направленности. В области средних частот направленность акустических систем растет по мере увеличения частоты.

3. Для кластеров большой мощности приходится увеличивать количество рядов акустических систем по вертикали, что приводит к возникновению дополнительной интерференции в вертикальной плоскости. При перемещении от кластера в сторону зала ощущаются широкие частотные зоны избыточного звукового давления в области средних частот. На высоких частотах становится заметным запаздывание прихода звука от разных акустических систем кластера.

4. Очень часто при расчетах опускается важнейшая особенность акустических систем для радиальных кластеров — это переменная ширина диаграммы направленности. Несмотря на гарантированную равномерность звукового давления в рабочем секторе пространства, важным параметром является поведение акустической системы за пределами этого сектора. Звук, излучаемый за пределы рабочего сектора, достигает слушателя в виде реверберации, портит АЧХ соседних громкоговорителей интерференцией или синфазно добавляется к акустической мощности соседних кабинетов и повышает эффективность кластера.

Таблица 1.

Конфигурация системы      Частота, Гц

100      200      400      630      1000    3150

Измеренный индекс направленности

акустической системы KF750        2,4       3,2       11,2     18,1     23,7     38,5

Утечка мощности за пределы сектора 35 × 35°, %         93        90        65        45        28             1,5

Рассмотрим акустическую систему KF750 фирмы EAW. Диаграмма направленности акустической системы составляет 35 × 35°, индекс направленности Q для этого сектора должен составить 33. На самом деле, он зависит от частоты и показан в таблице 1 для ряда частот. Индекс направленности для излучателя, не имеющего направленности, равен единице. По уменьшению реального индекса направленности видно, что происходит утечка звуковой энергии за пределы рабочего сектора. Для отдельного громкоговорителя утечка акустической мощности за пределы рабочего сектора 35 × 35о равна от 1,5% на частотах выше 3 кГц, 33% на частоте 1000 Гц, 66% на частоте 400 Гц и 90% на частоте 200 Гц. Объединение акустических систем в радиальный кластер с целью покрытия широкого горизонтального сектора существенно меняет эффективность системы на разных частотах. В таблице 1 указано, какой резерв мощности может быть сфокусирован в нужном направлении при построении кластера.

Из таблицы видно, что на частотах ниже 400 Гц имеется большой запас акустической энергии, который при построении кластера синфазно добавляется к излучению соседних кабинетов и создает избыток давления 6…10 дБ по сравнению с высокими частотами. Этот простой пример показывает, почему появляется нехватка высоких частот, когда собирается кластер. В когда-то популярных акустических системах Flashlight фирмы Turbosound эта неприятная особенность доведена до предела.

3. Новый принцип, новые кластеры

Решением проблемы интерференции кластера стал принципиально новый подход к суммированию звука от многих излучателей, расположенных как внутри одного кабинета, так и в группе соседних кабинетов. Этим подходом оказалось применение давно работающего в радиотехнике принципа когерентного сложения волн близко расположенных источников. Существует несколько способов реализации этого принципа.

Компактные линейные массивы небольшой мощности

Такие массивы выполняются в виде вертикально вытянутого корпуса с размещенными на передней плоскости громкоговорителями. Имеется встроенный цифровой процессор для вычисления индивидуальной передаточной функции каждого громкоговорителя. Коррекция с помощью многоканального усилителя обеспечивается для каждого громкоговорителя системы.

AXYS выпустила линейку громкоговорителей Intellivox, представляющих собой активные звуковые колонки высотой от 1,3 до 4,9 м. В модели Intellivox-7sym размещены шестнадцать широкополосных 4 громкоговорителей. Акустическая система обеспечивает управляемую вертикальную диаграмму направленности шириной от 6 до 14° на частотах выше 1000 Гц с возможностью отклонения направления излучения от -16 до +16° по вертикали.

EAW не осталась в стороне, выпустив двухполосную систему DSA250, применяющую процессор и 16 каналов усиления для управления восемью парами низкочастотных динамиков и восемью высокочастотными излучателями. Разделение спектра на две полосы позволило разместить громкоговорители на оптимальном для каждого диапазона расстоянии. По сравнению с широкополосными излучателями диапазон углов управления диаграммой направленности увеличился в несколько раз. Акустическая система позволяет формировать вертикальную диаграмму направленности от 15 до 120°, регулируя направление излучения в диапазоне вертикальных углов ±30°.

Концертные линейные массивы

Сейчас всякий уважающий себя производитель акустических систем выпускает кабинеты этого типа. Линейный массив состоит из вертикальной колонны акустических систем, количеством не менее четырех. Основным способом настройки звукового поля таких массивов является придание линейному массиву кривизны в вертикальной плоскости. Дополнительным средством коррекции звукового поля может быть плавное изменение усиления с краев массива.

Фазированные точечные источники

Для озвучания пространства на расстоянии от 10 до 200 метров EAW выпустила серию акустических систем KF900. Принцип фазированного точечного источника реализован в большом слоеном радиальном кластере, где каждый слой акустических систем обслуживает свой частотный диапазон. В результате моделирования, измерения на месте и оптимизации формируется передаточная характеристика каждого излучателя и выстраивается точное распределение акустической мощности в пространстве. Для того чтобы на 8 кГц получить уровень 90 дБ на расстоянии 256 метров, система, с учетом затухания в воздухе, должна развивать звуковое давление 162 дБ/1 м, не превышая при этом допустимый уровень громкости на зрительских местах на расстоянии 15 метров.

Горизонтальный арочный массив

Первопроходец технологии линейных массивов фирма L-Acoustics представила радиальный кластер из четырех кабинетов серии ARCS. Высокочастотная секция выполнена с применением технологии формирования фазового фронта в виде горизонтальной дуги размером 22,5°. При установке четырех смежных кабинетов в горизонтальный кластер формируется непрерывный волновой фронт шириной 90°, исключающий интерференцию между соседними кабинетами.

4. Особенности работы линейных массивов

Наибольший опыт в работе с разными звуковыми системами и акустическими условиями залов имеют туровые звукоинженеры. Однако когда ставится задача создания сложного кластера, инженер склоняется к проверенной туровой технологии. Если возникнут вопросы взаимодействия отдельных громкоговорителей, туровый инженер ответит, что созданные для работы в кластере громкоговорители будут работать в любом случае. Если поднимется вопрос об интерференции, то ответом будет «так было всегда». Практический опыт турового инженера не позволяет ему проанализировать все факторы, учитываемые при создании акустической системы. Для устранения пробела в предсказании поведения нового типа кластера рассмотрим теоретические особенности работы линейного массива.

Впервые термин «линейный массив» применил Гарри Олсон в 1957 году в книге «Acoustical Engineering». В ней он утверждал, что линейные массивы полезны в случаях, когда звук должен преодолевать большие расстояния. Это происходит из-за свойства линейных массивов обеспечивать высокую направленность в вертикальной плоскости. Это свойство отлично работает для вертикального ряда ненаправленных излучателей. В горизонтальной плоскости массива ничего не меняется в сравнении с одиночным излучателем. Для сложения звукового поля ненаправленных излучателей расстояние между ними не должно превышать λ/2 излучаемой волны. Таким образом, для работы массива на высоких частотах требуется уменьшать расстояния между отдельными излучателями. Если увеличивать расстояние между соседними ненаправленными излучателями свыше λ/2, то сначала появятся вторичные лепестки диаграммы направленности, их величина будет расти и, в конце концов, направленные свойства массива исчезнут. Этот принцип использовался и ранее, однако зависимость направленности от частоты и появление интенсивных боковых лепестков диаграммы направленности ограничивали частотные свойства таких систем речевым диапазоном. Существует также распределение амплитуды и фазы сигнала на громкоговорителях в соответствии с функцией Бесселя. Основной недостаток такого линейного массива — пониженная излучаемая мощность, а для применения функции Бесселя количество излучателей должно быть равно пяти. Этого количества явно недостаточно для большинства случаев.

Поведение линейных источников

Математические модели для предсказания диаграммы направленности бесконечной цепи излучателей существуют более 70 лет. В последние годы были созданы компьютерные модели, позволяющие предсказать частотную характеристику системы в конкретной точке пространства. Эти модели просто суммируют комплексные величины звукового давления от всех излучателей. Вот как это делается.

Линейный источник (рис. 2) можно смоделировать как ряд бесконечно малых отрезков, распределенных вдоль линии l. Акустическое давление от источника будет представлять собой сумму акустических давлений каждого отрезка, с учетом расстояния r, угла наблюдения α, амплитуды A и фазы φ. Важной характеристикой излучателя является функция направленности R(α), которая определяется, как величина звукового давления в направлении под углом α, соотнесенная с максимальным звуковым давлением. Если принять допущения, что мы измеряем в дальней зоне, а линейный источник имеет постоянную амплитуду и фазу по всей длине, то уравнение направленности будет иметь вид:

На рис. 3 показаны диаграммы направленности линейного массива постоянной амплитуды и фазы в зависимости от отношения длины массива и длины волны. Эти диаграммы широкие для малых отношений l/λ. С увеличением этого отношения растет направленность, и появляются боковые лепестки и нули. Как можно видеть, боковые лепестки имеют значительный уровень. Бороться с ними можно, осуществляя затенение, или меняя распределение амплитуд вдоль массива таким образом, чтобы к краям массива амплитуда уменьшалась. Рассмотрим распределение амплитуды, показанное на рис. 4.

Мы видим, что амплитуда возбуждения линейного источника снижается на краях линейного излучателя, что сглаживает характер интерференции между крайними зонами излучателя. Диаграммы направленности затененного массива показаны на рис 5. Главный лепесток диаграммы стал шире, чем в случае одинаковой амплитуды, а боковые лепестки диаграммы значительно уменьшились.