Информационный Портал ShowRoom.ru: Оборудование и технологии для света, звука, видео- и телепроизводства, музыкальные инструменты и технологии.
Информационный Портал ShowRoom.ru
Баннер Баннер
Переводы, верстка, дизайн
Каталог
Музыкальные инструменты Музыкальные инструменты
Световое оборудование, световые эффекты Световое оборудование, световые эффекты
Звуковое оборудование Звуковое оборудование
Видео и проекционное оборудование, медиасерверы Видео и проекционное оборудование, медиасерверы
Телевизионное и оборудование для киносъемок Телевизионное и оборудование для киносъемок
Мультимедийное оборудование, софт Мультимедийное оборудование, софт
Студийное оборудование Студийное оборудование
Конференц-системы, системы оповещения, public-address Конференц-системы, системы оповещения, public-address
DJ оборудование DJ оборудование
Лазерные системы, лазеры Лазерные системы, лазеры
Оборудование для кинотеатров Оборудование для кинотеатров
Оборудование сцены Оборудование сцены
Оборудование для хора и оркестра Оборудование для хора и оркестра
Специальная мебель, рэки, кофры, кейсы, чехлы, стойки Специальная мебель, рэки, кофры, кейсы, чехлы, стойки
Коммутация, кабели, разъемы Коммутация, кабели, разъемы
Специальная пресса, литература, ноты Специальная пресса, литература, ноты
WWW-ресурсы WWW-ресурсы
Подписка Подписка на новости
 
Звуковое оборудование  
    28.11.2007  
    Автор: Максим Шевченко, Meyer Sound CIS  

Могут ли линейные массивы формировать цилиндрические волны?

 
Что такое линейный массив?

Линейный массив представляет собой группу элементов, размещенных вдоль прямой линии на небольшом расстоянии друг от друга и излучающих сигнал с одинаковой амплитудой и фазой. Линейные массивы, описанные Олсоном в 1957 г. в его классической работе Acoustical Engineering, полезны в том случае, когда надо излучать звук на большие расстояния. Это возможно благодаря тому, что они обладают высокой направленностью в вертикальной плоскости и таким образом исключительно эффективны с точки зрения излучения звуковой энергии на значительные дистанции.
Графические результаты расчета, выполненного в программе MAPP (рис. 1), представляют характеристику направленности в вертикальной плоскости линейного массива, состоящего из 16 ненаправленных источников звука, равномерно распределенных вдоль прямой линии с шагом 0,5 м. Массив имеет ярко выраженную направленность в диапазоне ниже 500 Гц.

Выше этой частоты излучение становится менее направленным. Обратите внимание на сильное тыловое излучение в области низких частот. Такое поведение характерно для всех линейных массивов из-за применения громкоговорителей, имеющих ненаправленное излучение в диапазоне НЧ. Также следует отметить наличие вторичных лепестков (направленных вверх и вниз от массива), которые начинают проявляться уже на характеристике в диапазоне 500 Гц. (При этом характеристика системы в горизонтальной плоскости не зависит от излучения в вертикальной и остается ненаправленной на всех частотах.)
На рис. 2 показан результат расчета для массива, состоящего уже из 32 ненаправленных излучателей, расстояние между которыми 0,25 м. Этот массив обеспечивает направленное излучение вплоть до 1 кГц. На этой частоте наблюдаются сильные боковые лепестки (в вертикальной плоскости). Это наглядно иллюстрирует справедливость положения, что чем выше верхняя граница диапазона направленного излучения, тем как можно ближе друг к другу должны быть расположены сами излучатели.

Как работают линейные массивы?

Направленность излучения достигается в линейных массивах за счет интерференционного сложения и вычитания звуковых волн. Простой эксперимент объясняет, как это происходит.
Рассмотрим акустическую систему, состоящую из одного 12-дюймового громкоговорителя, установленного в корпусе. Из опыта мы знаем, что направленность такого громкоговорителя варьируется с частотой: в области НЧ излучение практически ненаправленное; по мере уменьшения длины волны направленность возрастает; а в диапазоне выше 2 кГц лепесток становится слишком узким, настолько, что громкоговоритель практически не пригоден для использования в большинстве случаев. Вот почему в реальных системах для поддержания более-менее равномерной направленности во всем звуковом диапазоне применяются кроссоверы и раздельные излучатели, работающие в разных частотных полосах.
Если установить одну такую акустическую систему на другую и подать на их входы один и тот же сигнал, то суммарный лепесток направленности будет отличаться от характеристики индивидуального излучателя. На оси симметрии такой системы наблюдается "конструктивная" интерференция (суммирование сигналов), а звуковое давление возрастает на 6 дБ относительно одиночного громкоговорителя. В точках, расположенных не на оси системы, различие в расстоянии прихода сигнала от двух излучателей приводит к появлению провалов характеристики, вызванных фазовым вычитанием волн, т.е. к снижению звукового давления. Если подать на входы этих громкоговорителей чистый тон (синусоидальный сигнал), то вы обнаружите точки, где вычитание будет полным. (Лучше всего наблюдать этот эффект в безэховой камере.) Это пример деструктивной интерференции, которая часто описывается в литературе как "гребенчатый фильтр" (comb filter).
Линейный массив представляет собой набор расположенных по одной линии динамиков, расстояние между которыми тщательно подбирается таким образом, чтобы во фронтальной зоне излучения имела место конструктивная интерференция, а в боковых зонах – деструктивная. В то время как "гребенчатые фильтры" обычно расцениваются как нежелательное явление, линейные массивы извлекают из этого явления пользу. Без интерференции не было бы и необычных характеристик направленности линейных массивов.

Могут ли линейные массивы формировать цилиндрические волны?

Если ответить одним словом – нет.
Обычной ошибкой в представлениях о линейных массивах является то, что они якобы с помощью волшебного сложения сигналов образуют "цилиндрическую волну", распространение которой подчиняется особым законам. В рамках теории акустических свойств линейных источников это невозможно. Данное утверждение не наука, а просто рекламный трюк.
В отличие от волн на воде, которые, будучи нелинейными, могут складываться и образовывать новые волны, звуковые волны при уровнях давления, типичных для систем звукоусиления, не могут соединяться. Они просто проходят сквозь друг друга линейным образом. При уровнях давления, возникающих в горловине компрессионных драйверов, звуковые волны подтверждают справедливость линейной теории и являются прозрачными друг для друга. Даже при уровнях звукового давления порядка 130 дБ нелинейные искажения не превышают 1%.
Расчет MAPP (рис. 3) дает наглядное представление о том, что является результатом "перекрестного" излучения двух громкоговорителей Meyer Sound MSL-4. В области A (затемненная зона), на пересечении лепестков громкоговорителей, имеет место значительная деструктивная интерференция. В зоне B, однако, излучение одного MSL-4 выглядит совершенно не подверженным влиянию другого. То есть хотя в зоне A и наблюдается сильная интерференция, она имеет локализованный в пространстве характер, и волны проходят сквозь друг друга без изменений. На самом деле, отключив "перекрестное" излучение, вы не обнаружите никакого изменения в зоне B.
Этот эксперимент лучше всего проводить в безэховой камере или на улице, подальше от отражающих звук поверхностей. Также целесообразно использовать обрезной фильтр НЧ, чтобы избавиться от информации в диапазоне ниже 500 Гц, в котором излучение MSL-4 становится менее направленным, а эффект – не столь очевидным.
Однако разве не факт, что падение уровня излучения линейных массивов не составляет 3 дБ при удвоении расстояния? Это упрощенное представление, порожденное рекламными заявлениями, является некорректным применением классической теории линейных массивов. Математика последних подразумевает, что такой массив представляет собой линию, состоящую из бесконечно малых, абсолютно ненаправленных источников звука, причем длина линии велика, по сравнению с длиной волны излучаемой энергии. Очевидно, что реальные, существующие на практике системы далеки от выполнения этих требований, а их поведение намного сложнее, чем утверждает реклама некоторых звуковых компаний. Исследуя поведение 15-дюймового динамика с помощью функций Бесселя, специалисты Meyer Sound разработали собственный компьютерный код, позволяющий моделировать линейные массивы с разным количеством громкоговорителей и для разных расстояний между ними. Этот расчет показывает, что существует теоретическая возможность сконструировать звуковой линейный массив, обеспечивающий выполнение указанного утверждения в области низких частот (т.е. падения уровня давления на 3 дБ при удвоении расстояния до слушателя). Однако реализация такой возможности потребует применения более тысячи 15-дюймовых громкоговорителей, установленных так, что расстояние между их центрами составляет 20ЂЂ !
A линейный массив ограниченной длины будет создавать волны с угасанием 3 дБ при удвоении расстояния от источника в ближнем поле, однако протяженность ближнего поля зависит как от частоты, так и от длины массива. Некоторым хотелось бы нас убедить в том, что ближнее поле гибридных систем, состоящих из конических динамиков и волноводов, растягивается на сотни метров в области высоких частот.
Можно математически показать, что это справедливо для массива, состоящего из 100 маленьких ненаправленных источников, находящихся друг от друга на расстоянии 1ЂЂ . Однако подобную систему вряд ли бы удалось применить в практике звукоусиления, и она совершенно не согласуется с моделью поведения волноводов.


В теоретических выкладках также не учитывается поглощение звука в воздухе, особенно влияние этого фактора на высоких частотах. В таблице приведены данные по снижению уровня звукового давления на различном расстоянии от массива, состоящего из 100 однодюймовых излучателей, отстоящих друг от друга на 1ЂЂ . При моделировании массива использовалась функция Бесселя. роме того, начиная с частоты 500 Гц и выше, приводятся данные суммарного понижения уровня, включающие поглощение звука в воздухе, на основании методики, изложенной в ANSI Standard S1.26-1995. (Значения в таблице взяты при температуре 200 и относительной влажности 11%). Обратите внимание, что хотя на частоте 16 кГц массив, смоделированный как функция Бесселя, приближается к показателю -3 дБ при удвоении расстояния, в реальности гораздо ближе к -6 дБ из-за поглощения в воздухе.
Для реального линейного массива, состоящего из 16 акустических систем (в каждом по 15-дюймовому громкоговорителю), слабая ґцилиндрическая волнаЄ может быть измерена примерно на 350 Гц, где наблюдается падение 3 дБ на участке от 2 до 4 м. Однако при расстоянии более 4 м звуковые волны распространяются сферически, теряя по 6 дБ при удвоении дистанции от массива. Это поведение подтверждается анализом в MAPP, с использованием данных об измеренной направленности реальных громкоговорителей.
На частотах ниже 100 Гц громкоговорители реального массива имеют ненаправленное излучение, однако величина самого массива недостаточно велика, по сравнению с длиной волны, поэтому система не будет соответствовать требованиям теории линейных массивов. На частотах выше 400 Гц конические громкоговорители начинают приобретать направленность, что опять-таки не согласуется с допущениями, принятыми в теории.К тому же для излучения в области высоких частот во всех существующих линейных массивах используются направленные рупоры, поведение которых не может быть описано в рамках теории линейных массивов.
Итак, геометрия реальных звуковых линейных массивов слишком сложна для создания точной модели с применением теории антенн.Такая операция может быть выполнена только компьютерной программой, учитывающей полученные в результате измерений с высоким разрешением данные, отражающие сложные диаграммы направленности реальных громкоговорителей. Таким программным обеспечением, например, является MAPP Online.
Несмотря на все выше сказанное, практические линейные массивы остаются весьма полезными инструментами вне зависимости от того, насколько применимы к ним теоретические уравнения. Они обеспечивают эффективный контроль направленности излучения, и умелые инженеры способны успешно использовать их в качестве "дальнобойных" систем.

Как реальные линейные массивы работают в области высоких частот?

Рис.1 и 2 наглядно демонстрируют, что теория линейных массивов лучше всего работает в области низких частот. По мере того как длина волны уменьшается, для поддержания направленности массива требуется все больше и больше драйверов все меньшего размера, расположенных все ближе и ближе друг к другу. Вот почему в линейных массивах среднечастотного диапазона используются восьмидюймовые громкоговорители. Однако все имеет свой предел, и система, состоящая из сотен однодюймовых стоящих впритык драйверов, представляет интерес исключительно с теоретической точки зрения.
Таким образом, реальные линейные массивы являются таковыми, строго говоря, только в низко- и среднечастотном диапазоне. В области высоких частот следует применять иной способ достижения той же характеристики направленности, что и в нижних регистрах. Наиболее распространен метод, заключающийся в использовании компрессионных драйверов, нагруженных на рупоры.
Характеристика направленности рупоров определяется не сложением или вычитанием волн, а отражением звука от стенок волновода, формирующим необходимый лепесток. В хорошо спроектированном линейном массиве этот лепесток должен повторять форму диаграммы направленности в низкочастотном диапазоне: очень узкую – в вертикальной плоскости и широкую – в горизонтальной. (Узконаправленное излучение в вертикальной плоскости минимизирует количество отражений, достигающих слушателя, предотвращая тем самым ухудшение разборчивости). Если это требование выполняется, то рупоры могут быть интегрированы в состав линейных массивов и с помощью корректно настроенных кроссоверов и эквалайзеров. Лепестки излучения, создаваемые рупорами в области ВЧ и конструктивной интерференцией в области НЧ, должны согласовываться между собой. Полученный в результате массив обеспечивает однородную направленность во всем аудиодиапазоне.

Можно ли использовать элементы (акустические системы) линейных массивов поодиночке?

Нет, так как конические излучатели обеспечивают узкую диаграмму направленности только в составе массива. Излучение отдельного громкоговорителя линейного массива (с точки зрения направленности НЧ-компонентов) не отличается от излучения любой другой акустической системы, в состав которой входит аналогичный динамик. Иначе говоря, отдельный модуль линейного массива не производит "срез цилиндрической волны". Подобные утверждения целиком на совести рекламщиков, а не ученых.

Можно ли изгибать линейные массивы для расширения зоны покрытия?

На практике небольшая кривизна линейного массива (угол между соседними элементами не должен превышать 50) может способствовать расширению рабочей области данного массива. Однако сильный изгиб может привести к появлению серьезных проблем.
Во-первых, если ВЧ-секция массива имеет узкую диаграмму направленности, требующуюся для организации линейного массива, наличие изгиба приведет к появлению "горячих" точек и "провалов" в зоне покрытия. Во-вторых, хотя кривизна способствует расширению угла излучения массива в ВЧ-диапазоне, она никак не сказывается в области низких частот. Направленность массива в области НЧ не изменяется, так как степень кривизны мала, по сравнению с длиной волны.
Рис. 4 иллюстрирует эти положения. Диаграммы в левой части рисунка относятся к изогнутому массиву, а справа – к прямому. Оба массива сконструированы из одинаковых излучателей, которые представляют собой 12-дюймовые конические низкочастотные динамики и высокочастотные рупоры с углом раскрытия 450 в вертикальной плоскости.
Заметно, что хотя на диаграммах слева результирующий вертикальный угол излучения шире, чем справа, за счет более широкого разноса рупоров, там наблюдаются явные неравномерности лепестков (выбросы), возникающие за счет интерференции. На частоте 1 кГц и ниже излучение массива остается заметно направленным, в соответствии с положениями теории линейных массивов. На практике такое поведение массива означает, что распределение звуковой энергии по площади озвучения осуществляется крайне неравномерно, а амплитудно-частотная характеристика заметно варьируется в зависимости от положения слушателя. При этом значительная часть площади озвучения почти совсем не получает звуковой энергии в НЧ-диапазоне.
Диаграммы в правой части рисунка отражают тот факт, что громкоговорители, снабженные рупорами со сравнительно широким углом раскрытия, спроектированные для изогнутых массивов, не подходят для прямых. В то время как массив продолжает оставаться сильно направленным источником, на частотах 1 кГц и выше ярко проявляются выбросы. Наличие этих выраженных боковых лепестков означает, что значительная часть звуковой энергии не попадает в желаемые зоны покрытия, что, в свою очередь, приводит к вредному увеличению реверберационной составляющей звукового поля и, как следствие, к ухудшению разборчивости речи.

Можно ли использовать линейные массивы в сочетании с другими типами громкоговорителей?

Да, поскольку линейные волны проходят сквозь друг друга вне зависимости от того, возникают ли они внутри волновода или за счет колебаний конического диффузора, можно сочетать линейные массивы с другими типами громкоговорителей в том случае, если их фазовая характеристика сочетается с фазовой характеристикой громкоговорителей в составе линейного массива. Звуковые волны, производимые линейными массивами, не отличаются ничем особым. Они просто являются результатом совместной работы конических диффузоров, размещенных в соответствии с требованиями теории линейных массивов, и высокочастотных волноводов. Следовательно, опытные инсталляторы, обладающие надлежащими инструментами, могут изыскивать способы интеграции совместимых типов громкоговорителей для озвучения ближних зон (рис. 5).

Как ведут себя линейные массивы в ближнем и дальнем полях?

Как мы видели, существующие в реальной практике линейные массивы, способные создавать высокие уровни звукового давления, на самом деле представляют собой комбинацию "классического" массива в качестве НЧ-секции и остронаправленных волноводов в диапазоне ВЧ. В силу такой двойственной природы этих систем трудно предсказывать их поведение во всем аудиоспектре, основываясь на классической теории. Тем не менее линейные массивы могут быть спроектированы так, чтобы работать достаточно хорошо как в ближнем, так и в дальнем поле.
Для слушателя, расположенного в дальнем поле, сигналы индивидуальных излучателей в линейном массиве складываются конструктивно и ведут себя в общем и целом как один источник. На рис.6 дается графическое пояснение данного утверждения. Здесь приведены амплитудно-частотные характеристики дальнего поля линейных массивов, состоящих из 2, 4 и 8 ненаправленных излучателей (характеристика одного излучателя приведена для сравнения), расположенных на расстоянии 40 см друг от друга. Обратите внимание, что удвоение элементов в массиве приводит к возрастанию уровня на 6 дБ во всем аудиодиапазоне. Характеристика в ВЧ-диапазоне достаточно плавная, а ее спад обусловлен естественным
Поведение линейных массивов в ближнем поле является более сложным. -лушатель в каждой данной точке ближнего поля воспринимает осевое излучение только одного из остронаправленных ВЧ-рупоров, однако при этом "наблюдает" НЧ-энергию большей части массива. По этой причине увеличение количества элементов в массиве приводит к возрастанию уровня в нижней части аудиоспектра ближнего поля. При этом
ВЧ-составляющая остается неизменной. Вот почему линейные массивы требуют применения эквалайзера для подъема в ВЧ-диапазоне. В дальнем поле такая коррекция эффективно компенсирует поглощение высоких частот в воздухе, а в ближнем –-избыточный уровень низких частот, возникающий из-за сложения волн (конструктивная интерференция), а также острой направленности ВЧ-волноводов.

Линейный массив Meyer Sound (M3D)

Рис. 7 представляет иллюстрацию того, как низкочастотный линейный массив и высокочастотные рупоры могут быть интегрированы в систему, отличающуюся стабильным качественным поведением. На нем изображены лепестки направленности линейного массива, состоящего из 16 громкоговорителей M3D Meyer Sound. Благодаря технологии REM (Ribbon Emulation Manifold) и рупору с постоянным Q-фактором, формы диаграммы направленности на высоких частотах очень похожи на низкочастотные.
Обратите также внимание на отсутствие выраженного тылового излучения в НЧ-диапазоне. Это является иллюстрацией преимущества технологии направленного излучения низких частот BroadbandQ. Вертикальные выбросы на 500 Гц, которые мы наблюдали на примере ненаправленных излучателей (см. рис.1), практически отсутствуют, поскольку 15-дюймовый громкоговоритель и высокочастотный рупор работают в этой области согласовано (aligned) и подавляют боковые выбросы энергии.

Дополнительная информация – компания Дилер-Центр

Материал опубликован в журнале InstallPro в 2005 году.

Источник: Материал предоставлен компанией Дилер-Центр

 
подписаться на рассылку
 
  Назад  
  Другие статьи:  
   
   
   
Статистика
Фирм - 312
Брендов - 1945
Магазинов - 159
Товаров - 5981

                 6.10.23
новости · выставки · статьи · о проекте · помощь · бренды · магазины · фирмы · организации · услуги
ShowRoom.ru Свет, звук, студия

Контакты: info@showroom.ru

Copyright © 2004-2024 ShowRoom.ru, Издатель ИП Щелканов

Создание сайта: Создание сайта


     
     Обращаем ваше внимание на то, что данный сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса РФ.     
     .