Моделирање звука

Овај чланак је посвећен теми звучника. Покушаћемо да развејемо многе митове о њима и објаснимо шта су заправо звучници, како традиционални тако и они са могућношћу моделирања акустичног снопа.

Прво, хајде да представимо неке основне дефиниције електроакустике којима ћемо радити у овом чланку. Звучник је један електро-акустични претварач који је монтиран у кућиште. Само комбинација неколико звучника у једном кућишту ствара комплет звучника. Посебна врста звучника су звучници.

Шта је звучник?

Звучник је за многе било који звучник смештен у кућиште, али то није сасвим тачно. Звучнички стуб је специфичан звучнички уређај, који у свом кућишту има неколико до десетак истих електроакустичких претварача (звучника) распоређених вертикално. Захваљујући овој структури могуће је креирати извор са својствима сличним линеарном извору, наравно за одређени фреквентни опсег. Акустички параметри таквог извора директно су повезани са његовом висином, бројем звучника који су у њему смештени и растојањима између претварача. Покушаћемо да објаснимо принцип рада овог специфичног уређаја, као и да објаснимо принцип рада све популарнијих стубова са дигитално контролисаним акустичним снопом.

Шта су звучници за моделирање звука?

Звучници који су недавно пронађени на нашем тржишту имају опцију моделирања акустичног снопа. Димензије и изглед су веома слични традиционалним звучницима, добро познатим и коришћеним од КСНУМКС-а. Дигитално контролисани звучници се користе у сличним инсталацијама као и њихови аналогни претходници. Ова врста звучних уређаја може се наћи, између осталог, у црквама, путничким терминалима на железничким станицама или аеродромима, јавним просторима, теренима и спортским халама. Међутим, постоји много аспеката где дигитално контролисане акустичне снопове колоне надмашују традиционална решења.

Акустички аспекти

Сва горе наведена места карактерише релативно тешка акустика, везана за њихову кубатуру и присуство високо рефлектујућих површина, што се директно преводи у велико време реверберације РТ60с (РТ60 „време ревербације“) у овим просторијама.

Такве просторије захтевају употребу звучника са високом усмереношћу. Однос директног и рефлектованог звука мора бити довољно висок да би разумљивост говора и музике била што већа. Ако користимо традиционалне звучнике са мање усмереним карактеристикама у акустички тешкој просторији, може се испоставити да ће се генерисани звук рефлектовати са многих површина, па ће се однос директног и рефлектованог звука значајно смањити. У таквој ситуацији, само слушаоци који су веома близу извора звука моћи ће правилно да разумеју поруку која им стиже.

Архитектонски аспекти

Да би се добио одговарајући однос квалитета генерисаног звука у односу на цену озвучења, треба користити мали број звучника високог К фактора (директивности). Па зашто не налазимо велике цевне системе или системе линијских низова у горе поменутим објектима, као што су станице, терминали, цркве? Овде постоји врло једноставан одговор – архитекте стварају ове зграде углавном вођене естетиком. Велики цевни системи или кластери линијских низова не одговарају архитектури просторије са својом величином, због чега архитекте не пристају на њихову употребу. Компромис у овом случају су често били звучници, чак и пре него што су за њих измишљена посебна ДСП кола и могућност контроле сваког од драјвера. Ови уређаји се лако могу сакрити у архитектури собе. Обично се монтирају близу зида и могу се обојити бојом околних површина. То је много атрактивније решење и, пре свега, лакше прихваћено од архитеката.

Линијски низови нису нови!

Принцип линеарног извора са математичким прорачунима и описом њихових карактеристика усмерености веома је добро описао Хари Ф. Олсон у својој књизи „Акустички инжењеринг“, објављеној први пут 1940. године. Тамо ћемо наћи веома детаљно објашњење физичке појаве које се дешавају у звучницима који користе својства линијског извора

Следећа табела приказује акустичне карактеристике традиционалних звучника:

Једна мана звучника је да фреквенцијски одзив таквог система није раван. Њихов дизајн генерише много више енергије у опсегу ниских фреквенција. Ова енергија је генерално мање усмерена, тако да ће вертикална дисперзија бити много већа него за веће фреквенције. Као што је опште познато, акустички тешке просторије обично карактерише дуго време реверберације у опсегу веома ниских фреквенција, што због повећане енергије у овом фреквентном опсегу може да доведе до погоршања разумљивости говора.

Да бисмо објаснили зашто се звучници понашају на овај начин, укратко ћемо проћи кроз неке основне физичке концепте за традиционалне звучнике и оне са дигиталном контролом акустичног снопа.

Интеракције извора тачке

• Усмереност два извора

Када два тачкаста извора раздвојена пола таласне дужине (λ / 2) генеришу исти сигнал, сигнали испод и изнад таквог низа ће се међусобно поништити, а на оси низа сигнал ће бити појачан два пута (6 дБ).

λ / 4 (једна четвртина таласне дужине – за једну фреквенцију)

Када су два извора размакнута за дужину од λ / 4 или мање (ова дужина се, наравно, односи на једну фреквенцију), примећујемо благо сужавање карактеристика усмерења у вертикалној равни.

λ / 4 (једна четвртина таласне дужине – за једну фреквенцију)

Када су два извора размакнута за дужину од λ / 4 или мање (ова дужина се, наравно, односи на једну фреквенцију), примећујемо благо сужавање карактеристика усмерења у вертикалној равни.

λ (једна таласна дужина)

Разлика од једне таласне дужине ће појачати сигнале и вертикално и хоризонтално. Акустични сноп ће имати облик два листа

2l

Како се повећава однос таласне дужине и растојања између претварача, повећава се и број бочних режњева. За константан број и растојање између претварача у линеарним системима, овај однос се повећава са фреквенцијом (овде добро долазе таласоводи, који се врло често користе у сетовима лине-арраи).

Ограничења линијских извора

Удаљеност између појединачних звучника одређује максималну фреквенцију за коју ће систем деловати као линијски извор. Висина извора одређује минималну фреквенцију за коју је овај систем усмерен.

Висина извора у односу на таласну дужину

λ / 2

За таласне дужине веће од двоструке висине извора, тешко да постоји контрола карактеристика усмерења. У овом случају, извор се може третирати као тачкасти извор са веома високим излазним нивоом.

λ

Висина линијског извора одређује таласну дужину за коју ћемо приметити значајно повећање усмерености у вертикалној равни.

КСНУМКС л

На вишим фреквенцијама висина снопа се смањује. Почињу да се појављују бочни режњеви, али у поређењу са енергијом главног режња, они немају значајан ефекат.

КСНУМКС л

Вертикална усмереност се све више повећава, енергија главног режња наставља да расте.

Растојање између појединачних претварача у односу на таласну дужину

λ / 2

Када претварачи нису удаљени више од половине таласне дужине, извор ствара веома усмерен сноп са минималним бочним режњевима.

λ

Бочни режњеви са значајном и мерљивом енергијом се формирају са све већом учесталошћу. Ово не мора да представља проблем јер је већина слушалаца изван овог подручја.

2l

Број бочних режњева се удвостручује. Изузетно је тешко изоловати слушаоце и рефлектујуће површине од овог подручја зрачења.

4l

Када је растојање између претварача четири пута веће од таласне дужине, производи се толико бочних режњева да извор почиње да личи на тачкасти извор и усмереност значајно опада.

Вишеканална ДСП кола могу контролисати висину извора

Контрола горњег фреквентног опсега зависи од удаљености између појединачних високофреквентних претварача. Изазов за дизајнере је да минимизирају ову удаљеност уз одржавање оптималног фреквентног одзива и максималне акустичне снаге коју генерише такав уређај. Линијски извори постају све усмеренији како се фреквенција повећава. На највишим фреквенцијама, они су чак превише усмерени да би свесно користили овај ефекат. Захваљујући могућности коришћења одвојених ДСП система и појачања за сваки од претварача, могуће је контролисати ширину генерисаног вертикалног акустичног снопа. Техника је једноставна: само користите нископропусне филтере да бисте смањили нивое и употребљиви опсег фреквенција за појединачне звучнике у кућишту. Да бисмо померили сноп од центра кућишта, мењамо ред филтера и граничну фреквенцију (најнежније за звучнике смештене у центру кућишта). Овакав начин рада био би немогућ без употребе посебног појачала и ДСП кола за сваки звучник у таквој линији.

Традиционални звучник вам омогућава да контролишете вертикални акустични сноп, али ширина снопа се мења са фреквенцијом. Уопштено говорећи, фактор усмерености К је променљив и нижи од захтеваног.

Контрола нагиба акустичног снопа

Као што знамо, историја воли да се понавља. Испод је графикон из књиге Харија Ф. Олсона „Акустички инжењеринг“. Дигитално одлагање зрачења појединачних звучника линијског извора је потпуно исто као и физички нагиб линијског извора. Након 1957. године, технологији је требало много времена да искористи овај феномен, уз одржавање трошкова на оптималном нивоу.

Линијски извори са ДСП колима решавају многе архитектонске и акустичке проблеме

• Променљиви фактор вертикалне усмерености К зраченог акустичног зрака.

ДСП кола за линијске изворе омогућавају промену ширине акустичног зрака. Ово је могуће захваљујући провери интерференције за појединачне звучнике. ИЦОНИКС стуб америчке компаније Ренкус-Хеинз вам омогућава да промените ширину такве греде у распону: 5, 10, 15 и 20 °, наравно, ако је такав стуб довољно висок (само кућиште ИЦ24 вам омогућава да изаберете греду ширине 5 °). На овај начин, уски акустични сноп избегава непотребне рефлексије од пода или плафона у просторијама са јаким одјеком.

Фактор константне усмерености К са повећањем фреквенције

Захваљујући ДСП колима и појачивачима снаге за сваки од претварача, можемо одржавати константан фактор усмерености у широком фреквентном опсегу. Он не само да минимизира нивое рефлектованог звука у просторији, већ и константно појачање за широк фреквентни опсег.

Могућност усмеравања акустичног зрака без обзира на место уградње

Иако је управљање акустичним снопом једноставно са становишта обраде сигнала, веома је важно из архитектонских разлога. Такве могућности доводе до чињенице да без потребе за физичким нагињањем звучника, стварамо извор звука пријатан за очи који се стапа са архитектуром. ИЦОНИКС такође има могућност да подеси локацију центра акустичног снопа.

Употреба моделованих линеарних извора

• Цркве

Многе цркве имају сличне карактеристике: веома високе плафоне, камене или стаклене рефлектујуће површине, без упијајућих површина. Све ово доводи до тога да је време реверберације у овим просторијама веома дуго и достиже и неколико секунди, што чини разумљивост говора веома лошом.

• Објекти јавног превоза

Аеродроми и железничке станице се врло често завршавају материјалима са сличним акустичним својствима онима који се користе у црквама. Објекти јавног превоза су важни јер поруке о доласцима, одласцима или кашњењима које стижу до путника морају бити разумљиве.

• Музеји, аудиторијуми, лоби

Многе зграде мањег обима од јавног превоза или цркава имају сличне неповољне акустичке параметре. Два главна изазова за дигитално моделоване изворе линија су дуго време реверберације које негативно утиче на разумљивост говора и визуелни аспекти, који су толико важни у коначном избору типа разгласа.

Критеријуми дизајна. Пунопојасна акустична снага

Сваки линијски извор, чак и они са напредним ДСП колима, може се контролисати само унутар одређеног корисног фреквентног опсега. Међутим, употреба коаксијалних претварача који формирају коло линијског извора обезбеђује акустичну снагу пуног опсега у веома широком опсегу. Због тога је звук чист и веома природан. У типичним апликацијама за говорне сигнале или музику пуног домета, већина енергије је у опсегу који можемо да контролишемо захваљујући уграђеним коаксијалним драјверима.

Потпуна контрола са напредним алатима

Да би се максимизирала ефикасност дигитално моделованог линеарног извора, није довољно користити само висококвалитетне претвараче. На крају крајева, знамо да, да бисмо имали потпуну контролу над параметрима звучника, морамо користити напредну електронику. Такве претпоставке су приморале употребу вишеканалног појачања и ДСП кола. Д2 чип, који се користи у ИЦОНИКС звучницима, обезбеђује вишеканално појачање пуног опсега, потпуну контролу ДСП процесора и опционо неколико аналогних и дигиталних улаза. Када се кодирани ПЦМ сигнал достави колони у облику АЕС3 или ЦобраНет дигиталних сигнала, Д2 чип га одмах претвара у ПВМ сигнал. Дигитална појачала прве генерације су конвертовала ПЦМ сигнал прво у аналогне сигнале, а затим у ПВМ сигнале. Ова А / Д – Д / А конверзија је нажалост значајно повећала цену, изобличење и кашњење.

еластичност

Природан и јасан звук дигитално моделованих линијских извора омогућава коришћење овог решења не само у објектима јавног превоза, црквама и музејима. Модуларна структура ИЦОНИКС стубова омогућава вам да саставите линијске изворе према потребама дате просторије. Контрола сваког елемента таквог извора даје велику флексибилност при постављању, на пример, многих тачака, где се ствара акустички центар зраченог снопа, односно многих линијских извора. Центар такве греде може се налазити било где дуж целе висине стуба. То је могуће због одржавања малих константних растојања између високофреквентних претварача.

Хоризонтални углови зрачења зависе од елемената стуба

Као и код других вертикалних линијских извора, звук са ИЦОНИКС-а може се контролисати само вертикално. Хоризонтални угао снопа је константан и зависи од врсте коришћених претварача. Они који се користе у ИЦ колони имају угао снопа у широком фреквентном опсегу, разлике су у опсегу од 140 до 150 Хз за звук у опсегу од 100 Хз до 16 кХз.

Широк угао зрачења даје већу ефикасност

Широка дисперзија, посебно на високим фреквенцијама, обезбеђује бољу кохерентност и разумљивост звука, посебно на ивицама карактеристике усмерености. У многим ситуацијама, шири угао снопа значи да се користи мање звучника, што директно доводи до уштеде.

Стварне интеракције камионета

Знамо веома добро да карактеристике усмерености правог звучника не могу бити уједначене у целом фреквентном опсегу. Због величине таквог извора, он ће постати усмеренији како се фреквенција повећава. У случају звучника ИЦОНИКС, звучници који се користе у њему су вишесмерни у опсегу до 300 Хз, полукружни у опсегу од 300 Хз до 1 кХз, а за опсег од 1 кХз до 10 кХз, карактеристика усмерености је конусни и његови углови снопа су 140 ° × 140 °. Идеалан математички модел линеарног извора састављен од идеалних омнидирекционих тачкастих извора ће се стога разликовати од стварних претварача. Мерења показују да је повратна енергија зрачења реалног система много мања од математички моделованог.

ИЦОНИКС @ λ (таласна дужина) извор линије

Видимо да греде имају сличан облик, али за стуб ИЦ32, четири пута већи од ИЦ8, карактеристика се значајно сужава.

За фреквенцију од 1,25 кХз ствара се сноп са углом зрачења од 10 °. Бочни режњеви су 9 дБ мање.

За фреквенцију од 3,1 кХз видимо добро фокусиран акустични сноп са углом од 10°. Иначе, формирају се два бочна режња, која се значајно одступају од главног снопа, што не изазива негативне ефекте.

Константна усмереност ИЦОНИКС колона

За фреквенцију од 500 Хз (5 λ), усмереност је константна на 10°, што је потврђено претходним симулацијама за 100 Хз и 1,25 кХз.

Нагиб снопа је једноставно прогресивно успоравање узастопних звучника

Ако физички нагнемо звучник, померамо следеће драјвере у времену у односу на позицију слушања. Ова врста померања изазива „нагиб звука“ према слушаоцу. Исти ефекат можемо постићи вертикалним окачењем звучника и увођењем све већих кашњења за драјвере у правцу у коме желимо да усмеримо звук. За ефикасно управљање (нагињање) акустичног зрака, извор мора имати висину једнаку двострукој таласној дужини за дату фреквенцију.

Са модуларном структуром ИЦОНИКС стубова, могуће је ефикасно нагињати греду за:

• ИЦ8: 800Хз

• ИЦ16: 400Хз

• ИЦ24: 250Хз

• ИЦ32: 200Хз

БеамВаре – ИЦОНИКС Цолумн Беам Моделинг софтвер

Раније описани метод моделирања нам показује коју врсту акције на дигитални сигнал треба да применимо (променљиви нископропусни филтери на сваком звучнику у колони) да бисмо добили очекиване резултате.

Идеја је релативно једноставна – у случају колоне ИЦ16, софтвер мора да конвертује и затим имплементира шеснаест подешавања ФИР филтера и шеснаест независних подешавања кашњења. Да бисмо пренели акустички центар зраченог снопа, користећи константно растојање између високофреквентних претварача у кућишту стуба, потребно је да израчунамо и применимо нови сет подешавања за све филтере и кашњења.

Израда теоријског модела је неопходна, али морамо узети у обзир чињеницу да се звучници заправо понашају другачије, усмереније, а мерења доказују да су добијени резултати бољи од оних симулираних математичким алгоритмима.

У данашње време, са тако великим технолошким развојем, рачунарски процесори су већ изједначени са задатком. БеамВаре користи графички приказ резултата резултата графичким уношењем информација о величини области за слушање, висини и локацији колона. БеамВаре вам лако омогућава да извезете подешавања у професионални акустички софтвер ЕАСЕ и директно сачувате подешавања у колони ДСП кола. Резултат рада у БеамВаре софтверу су предвидљиви, прецизни и поновљиви резултати у реалним акустичним условима.

ИЦОНИКС – нова генерација звука

• Квалитет звука

Звук ИЦОНИКС-а је стандард који је давно развио произвођач Ренкус-Хеинз. ИЦОНИКС колона је дизајнирана да у најбољем случају репродукује и говорне сигнале и музику пуног опсега.

• Широка дисперзија

То је могуће захваљујући употреби коаксијалних звучника са веома широким углом зрачења (чак и до 150° у вертикалној равни), посебно за највећи фреквентни опсег. То значи конзистентнији фреквентни одзив на целом подручју и ширу покривеност, што значи коришћење мањег броја таквих звучника у објекту.

• флексибилност

ИЦОНИКС је вертикални звучник са идентичним коаксијалним драјверима постављеним веома близу један другом. Због малих и константних растојања између звучника у кућишту, померање акустичког центра зраченог снопа у вертикалној равни је практично произвољно. Ове врсте својстава су веома корисне, посебно када архитектонска ограничења не дозвољавају одговарајућу локацију (висину) стубова у објекту. Маржа за висину суспензије такве колоне је веома велика. Модуларни дизајн и потпуна конфигурабилност омогућавају вам да дефинишете неколико извора линија са једном дугачком колоном која вам је на располагању. Сваки зрачени сноп може имати различиту ширину и другачији нагиб.

• Нижи трошкови

Још једном, захваљујући употреби коаксијалних звучника, сваки ИЦОНИКС звучник вам омогућава да покријете веома широку област. Знамо да висина стуба зависи од тога колико ИЦ8 модула повезујемо један са другим. Оваква модуларна структура омогућава лак и јефтин транспорт.

Главне предности ИЦОНИКС стубова

• Ефикаснија контрола вертикалног зрачења извора.

Величина звучника је много мања од старијих дизајна, уз задржавање боље усмерености, што се директно преводи у разумљивост у условима реверберације. Модуларна структура такође омогућава да се колона конфигурише према потребама објекта и финансијским условима.

• Репродукција звука пуног опсега

Претходни дизајни звучника су дали мало задовољавајуће резултате у погледу фреквентног одзива таквих звучника, пошто је корисна ширина опсега обраде била у опсегу од 200 Хз до 4 кХз. ИЦОНИКС звучници су конструкција која омогућава генерисање звука пуног опсега у опсегу од 120 Хз до 16 кХз, уз одржавање константног угла зрачења у хоризонталној равни у целом овом опсегу. Поред тога, ИЦОНИКС модули су електронски и акустички ефикаснији: они су за најмање 3-4 дБ „гласнији“ од својих претходника сличне величине.

• Напредна електроника

Сваки од претварача у кућишту покреће засебно коло појачала и ДСП коло. Када се користе АЕС3 (АЕС / ЕБУ) или ЦобраНет улази, сигнали су „дигитално чисти“. То значи да ДСП кола директно конвертују ПЦМ улазне сигнале у ПВМ сигнале без непотребне А/Д и Ц/А конверзије.

• Напредна ДСП кола

Напредни алгоритми за обраду сигнала развијени посебно за ИЦОНИКС стубове и оку-пријатан БеамВаре интерфејс олакшавају рад корисника, захваљујући чему се могу користити у широком спектру својих могућности у многим објектима.

Сумматион

Овај чланак је посвећен детаљној анализи звучника и моделовању звука са напредним ДСП колима. Вреди нагласити да је теорија физичких феномена који користе и традиционалне и дигитално моделиране звучнике описана још 50-их година. Само коришћењем много јефтинијих и квалитетнијих електронских компоненти могуће је у потпуности контролисати физичке процесе у обради акустичких сигнала. Ова сазнања су опште доступна, али се и даље срећемо и сретаћемо случајеве где неразумевање физичких појава доводи до честих грешака у распореду и локацији звучника, пример може бити често хоризонтално склапање звучника (из естетских разлога).

Наравно, и ова врста радње се користи свесно, а занимљив пример за то је хоризонтално постављање стубова са звучницима окренутим надоле на перонима железничких станица. Оваквим коришћењем звучника можемо се приближити ефекту „туш“, при чему, прелазећи домет таквог звучника (подручје дисперзије је кућиште стуба), ниво звука значајно опада. На овај начин се ниво рефлектованог звука може минимизирати, чиме се постиже значајно побољшање разумљивости говора.

У тим временима високоразвијене електронике све чешће срећемо иновативна решења, која, међутим, користе исту физику која је одавно откривена и описана. Дигитално моделован звук нам даје невероватне могућности да се прилагодимо акустички тешким просторијама.

Произвођачи већ најављују искорак у контроли и управљању звуком, један од таквих акцената је појава потпуно нових звучника (модуларни ИЦ2 од Ренкус-Хеинз), који се могу саставити на било који начин како би се добио извор звука високог квалитета, потпуно управља док је линеарни извор и тачка.