Статті звукове обладнання
Що таке лінійний масив?
Лінійний масив являє собою групу елементів, розміщених уздовж прямої лінії на невеликій відстані один від одного і випромінюючих сигнал з однаковою амплітудою і фазою. Лінійні масиви, описані Олсоном в 1957 р в його класичній роботі Acoustical Engineering, корисні в тому випадку, коли треба випромінювати звук на великі відстані. Це можливо завдяки тому, що вони володіють високою спрямованістю у вертикальній площині і таким чином виключно ефективні з точки зору випромінювання звукової енергії на значні відстані.
Графічні результати розрахунку, виконаного в програмі MAPP (рис. 1), представляють характеристику спрямованості у вертикальній площині лінійного масиву, що складається з 16 ненапрямлених джерел звуку, рівномірно розподілених уздовж прямої лінії з кроком 0,5 м. Масив має яскраво виражену спрямованість в діапазоні нижче 500 Гц.
Вище цієї частоти випромінювання стає менш спрямованим. Зверніть увагу на сильне тилове випромінювання в області низьких частот. Така поведінка характерна для всіх лінійних масивів через застосування гучномовців, що мають ненаправленої випромінювання в діапазоні НЧ. Також слід зазначити наявність вторинних пелюсток (спрямованих вгору і вниз від масиву), які починають проявлятися вже на характеристиці в діапазоні 500 Гц. (При цьому характеристика системи в горизонтальній площині не залежить від випромінювання у вертикальній і залишається ненаправленої на всіх частотах.)
На рис. 2 показаний результат розрахунку для масиву, що складається вже з 32 ненапрямлених випромінювачів, відстань між якими 0,25 м. Цей масив забезпечує направлене випромінювання аж до 1 кГц. На цій частоті спостерігаються сильні бічні пелюстки (у вертикальній площині). Це наочно ілюструє справедливість положення, що чим вище верхня межа діапазону спрямованого випромінювання, тим якомога ближче один до одного повинні бути розташовані самі випромінювачі.
Як працюють лінійні масиви?
Спрямованість випромінювання досягається в лінійних масивах за рахунок интерференционного додавання і віднімання звукових хвиль. Простий експеримент пояснює, як це відбувається.
Розглянемо акустичну систему, що складається з одного 12-дюймового гучномовця, встановленого в корпусі. З досвіду ми знаємо, що спрямованість такого гучномовця варіюється з частотою: в області НЧ випромінювання практично ненаправленої; у міру зменшення довжини хвилі спрямованість зростає; а в діапазоні вище 2 кГц пелюстка стає занадто вузьким, настільки, що гучномовець практично не придатний для використання в більшості випадків. Ось чому в реальних системах для підтримки більш-менш рівномірною спрямованості у всьому звуковому діапазоні застосовуються кросовери і роздільні випромінювачі, що працюють в різних частотних смугах.
Якщо встановити одну таку акустичну систему на іншу і подати на їх входи один і той же сигнал, то сумарний пелюстка спрямованості буде відрізнятися від характеристики індивідуального випромінювача. На осі симетрії такої системи спостерігається "конструктивна" інтерференція (підсумовування сигналів), а звуковий тиск зростає на 6 дБ щодо одиночного гучномовця. У точках, розташованих не на осі системи, відмінність в відстані приходу сигналу від двох випромінювачів призводить до появи провалів характеристики, викликаних фазовим вирахуванням хвиль, тобто до зниження звукового тиску. Якщо подати на входи цих гучномовців чистий тон (синусоїдальний сигнал), то ви виявите точки, де віднімання буде повним. (Найкраще спостерігати цей ефект у безлунній камері.) Це приклад деструктивної інтерференції, яка часто описується в літературі як "гребінчастий фільтр" (comb filter).
Лінійний масив являє собою набір розташованих по одній лінії динаміків, відстань між якими ретельно підбирається таким чином, щоб у фронтальній зоні випромінювання мала місце конструктивна інтерференція, а в бічних зонах - деструктивна. У той час як "борін фільтри" зазвичай розцінюються як небажане явище, лінійні масиви беруть із цього явища користь. Без інтерференції не було б і незвичайних характеристик спрямованості лінійних масивів.
Чи можуть лінійні масиви формувати циліндричні хвилі?
Як реальні лінійні масиви працюють в області високих частот?
Рис.1 і 2 наочно демонструють, що теорія лінійних масивів найкраще працює в області низьких частот. У міру того як довжина хвилі зменшується, для підтримки спрямованості масиву потрібно все більше і більше драйверів все меншого розміру, розташованих все ближче і ближче один до одного. Ось чому в лінійних масивах среднечастотного діапазону використовуються восьмидюймові гучномовці. Однак все має свою межу, і система, що складається з сотень однодюймовий стоять впритул драйверів, представляє інтерес виключно з теоретичної точки зору.
Таким чином, реальні лінійні масиви є такими, строго кажучи, тільки в низько- і середньочастотному діапазоні. В області високих частот слід застосовувати інший спосіб досягнення тієї ж характеристики спрямованості, що і в нижніх регістрах. Найбільш поширений метод, що полягає у використанні компресійних драйверів, навантажених на рупори.
Характеристика спрямованості рупорів визначається не складанням або вирахуванням хвиль, а відображенням звуку від стінок хвилеводу, що формує необхідний пелюстка. У добре спроектованому лінійному масиві цей пелюстка повинен повторювати форму діаграми спрямованості в низькочастотному діапазоні: дуже вузьку - у вертикальній площині і широку - в горизонтальній. (Вузьконаправлене випромінювання у вертикальній площині мінімізує кількість відображень, що досягають слухача, запобігаючи тим самим погіршення розбірливості). Якщо ця вимога виконується, то рупори можуть бути інтегровані до складу лінійних масивів і за допомогою коректно налаштованих кросоверів і еквалайзерів. Пелюстки випромінювання, створювані рупорами в області ВЧ і конструктивної інтерференцією в області НЧ, повинні узгоджуватися між собою. Отриманий в результаті масив забезпечує однорідну спрямованість у всьому аудіодіапазоне.
Чи можна використовувати елементи (акустичні системи) лінійних масивів поодинці?
Чи можна згинати лінійні масиви для розширення зони покриття?
На практиці невелика кривизна лінійного масиву (кут між сусідніми елементами не повинен перевищувати 50) може сприяти розширенню робочої області даного масиву. Однак сильний вигин може привести до появи серйозних проблем.
По-перше, якщо ВЧ-секція масиву має вузьку діаграму спрямованості, що вимагається для організації лінійного масиву, наявність вигину призведе до появи "гарячих" точок і "провалів" в зоні покриття. По-друге, хоча кривизна сприяє розширенню кута випромінювання масиву в ВЧ-діапазоні, вона ніяк не позначається в області низьких частот. Спрямованість масиву в області НЧ не змінюється, так як ступінь кривизни мала, у порівнянні з довжиною хвилі.
Мал. 4 ілюструє ці положення. Діаграми в лівій частині малюнка відносяться до зігнутої масиву, а праворуч - до прямого. Обидва масиву сконструйовані з однакових випромінювачів, які представляють собою 12-дюймові конічні низькочастотні динаміки і високочастотні рупори з кутом розкриття 450 у вертикальній площині.
Помітно, що хоча на діаграмах зліва результуючий вертикальний кут випромінювання ширше, ніж справа, за рахунок більш широкого розносу рупорів, там спостерігаються явні нерівномірності пелюсток (викиди), що виникають за рахунок інтерференції. На частоті 1 кГц і нижче випромінювання масиву залишається помітно спрямованим, відповідно до положень теорії лінійних масивів. На практиці така поведінка масиву означає, що розподіл звукової енергії по площі озвучення здійснюється вкрай нерівномірно, а амплітудно-частотна характеристика помітно варіюється в залежності від положення слухача. При цьому значна частина площі озвучення майже зовсім не отримує звуковий енергії в НЧ-діапазоні.
Діаграми в правій частині малюнка відображають той факт, що гучномовці, забезпечені рупорами з порівняно широким кутом розкриття, спроектовані для вигнутих масивів, не підходять для прямих. У той час як масив продовжує залишатися сильно спрямованим джерелом, на частотах 1 кГц і вище яскраво проявляються викиди. Наявність цих виражених бічних пелюсток означає, що значна частина звукової енергії не потрапляє в бажані зони покриття, що, в свою чергу, призводить до шкідливого збільшення ревербераційній складової звукового поля і, як наслідок, до погіршення розбірливості мови.
Чи можна використовувати лінійні масиви в поєднанні з іншими типами гучномовців?
Так, оскільки лінійні хвилі проходять крізь один одного незалежно від того, чи виникають вони всередині хвилеводу або за рахунок коливань конічного дифузора, можна поєднувати лінійні масиви з іншими типами гучномовців в тому випадку, якщо їх фазова характеристика поєднується з фазової характеристикою гучномовців в складі лінійного масиву. Звукові хвилі, вироблені лінійними масивами, не відрізняються нічим особливим. Вони просто є результатом спільної роботи конічних дифузорів, розміщених відповідно до вимог теорії лінійних масивів, і високочастотних хвилеводів. Отже, досвідчені інсталятори, що володіють належними інструментами, можуть знаходити способи інтеграції сумісних типів гучномовців для озвучення ближніх зон (рис. 5).
Як поводяться лінійні масиви в ближньому і далекому полях?
Як ми бачили, що існують в реальній практиці лінійні масиви, здатні створювати високі рівні звукового тиску, насправді являють собою комбінацію "класичного" масиву в якості НЧ-секції і гостронаправлених волноводов в діапазоні ВЧ. В силу такої подвійної природи цих систем важко передбачати їхню поведінку в усьому аудіоспектра, грунтуючись на класичній теорії. Проте лінійні масиви можуть бути спроектовані так, щоб працювати досить добре як в ближньому, так і в далекому полі.
Для слухача, розташованого в далекому полі, сигнали індивідуальних випромінювачів в лінійному масиві складаються конструктивно і поводяться загалом і в цілому як одне джерело. На рис.6 дається графічне пояснення цього твердження. Тут наведені амплітудно-частотні характеристики далекого поля лінійних масивів, що складаються з 2, 4 і 8 ненапрямлених випромінювачів (характеристика одного випромінювача приведена для порівняння), розташованих на відстані 40 см один від одного. Зверніть увагу, що подвоєння елементів в масиві призводить до зростання рівня на 6 дБ у всьому аудіодіапазоне. Характеристика в ВЧ-діапазоні досить плавне, а її спад обумовлений природним
Поведінка лінійних масивів в ближньому полі є більш складним. -лушатель в кожній даній точці ближнього поля сприймає осьове випромінювання тільки одного з гостронаправлених ВЧ-рупорів, однак при цьому "спостерігає" НЧ-енергію здебільшого масиву. З цієї причини збільшення кількості елементів в масиві призводить до зростання рівня в нижній частині аудіоспектра ближнього поля. При цьому
ВЧ-складова залишається незмінною. Ось чому лінійні масиви вимагають застосування еквалайзера для підйому в ВЧ-діапазоні. У далекому полі така корекція ефективно компенсує поглинання високих частот в повітрі, а в ближньому --ізбиточний рівень низьких частот, що виникає через складання хвиль (конструктивна інтерференція), а також гострої спрямованості ВЧ-хвилеводів.
Лінійний масив Meyer Sound (M3D)
Мал. 7 являє ілюстрацію того, як низькочастотний лінійний масив і високочастотні рупори можуть бути інтегровані в систему, що відрізняється стабільним якісним поведінкою. На ньому зображені пелюстки спрямованості лінійного масиву, що складається з 16 гучномовців M3D Meyer Sound. Завдяки технології REM (Ribbon Emulation Manifold) і рупора з постійним Q-фактором, форми діаграми спрямованості на високих частотах дуже схожі на низькочастотні.
Зверніть також увагу на відсутність вираженого тилового випромінювання в НЧ-діапазоні. Це є ілюстрацією переваги технології спрямованого випромінювання низьких частот BroadbandQ. Вертикальні викиди на 500 Гц, які ми спостерігали на прикладі ненапрямлених випромінювачів (див. Рис.1), практично відсутні, оскільки 15-дюймовий гучномовець і високочастотний рупор працюють в цій галузі погоджено (aligned) і пригнічують бічні викиди енергії.
Додаткова інформація - компанія Дилер-Центр
Джерело: Матеріал надано компанією Дилер-Центр