Высокая тайна линейных массивов Line_array-examine Full view

Высокая тайна линейных массивов

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

 

Джефф Берриман  внимательно разбирает работу ВЧ-драйверов в линейном массиве.

При определенном количестве АС  мы должны рассматривать АЧХ системы при максимальной выходной мощности для всех драйверов в полосе. Это максимальный акустический выход  массива как функция частоты. Я называю его полосовой отклик.

Вот вопрос: какую мощность мы должны применить к элементам линейного массива, чтобы обеспечить плоскую АЧХ  для аудитории? Так как элементы массива работают в команде, мы не можем предположить, что массив целиком будет иметь плоскую частотную характеристику только потому, что это делает отдельный элемент.

В частности, на практике, для достижения желаемого покрытия требуются криволинейно изогнутые массивы. Всякий раз, когда линия массива изогнута, его выход на высоких частотах снижается.

Например, на рисунке 1 ниже, на одной из моих программ для моделирования массивов, мы видим АЧХ изогнутого массива из восьми ящиков, углы между которыми увеличивается от 0 до 6 градусов, на расстоянии 30 метров.

Предполагается, что каждый ящик имеет плоскую частотную характеристику.

BerrymanLineArrayFigure1

Рисунок 1: Передаточная  функция линейного массива.

Как вы можете видеть, высокочастотный спад составляет около 18 дБ. Это означает, что для обеспечения плоской частотной характеристики на расстоянии 30 метров уровень отдельных линейных элементов на высокочастотном конце должен быть больше на 18 дБ. Ого.

Это типичный случай. Обычно требуемый высокочастотный подъём составляет от 12 до 20 дБ. Более изогнутые массивы требуют большего усиления. Почему?

Криволинейные массивы имеют более низкий коэффициент усиления на ВЧ из-за того, что звуковые волны должны объединяются в позиции прослушивания. Вертикальное раскрытие каждого отдельного элемента линейного массива очень широкое на низких частотах, но более узкое на высоких.

Поэтому, если вы слушаете изогнутый массив, низкие частоты вы слышите от всех боксов, но с высокими частотами по-другому. Вы слышите только тот ящик, в пределах вертикального раскрытия ВЧ-рупора которого вы находитесь. Громкий бас, тихие высокие.

Если вы хотите, чтобы этот принцип был изложен математически, я предлагаю прочитать статью из журнала AES 2001 года, которую написали  доктор Кристиан Хэлл, физик, который кристаллизовал современную теорию линейных массивов, и его коллеги Марсель Урбан и Пол Бауман. Она называется «Технология формирования фронта волны» и доступна как zip-файл для бесплатной загрузки с веб-сайта L-Acoustics (http://www.l-acoustics.com/about-us-r&d-fields-3.html).

При таких больших требованиях к высокочастотному выходу очень хорошо, что компрессионные драйверы настолько эффективны. Или нет?

Ограничения пропускной способности

Мы считаем компрессионные драйверы мощными ВЧ-двигателями. Но фактически, они являются мощными двигателями для верхне-среднечастотного диапазона. Все компрессионные драйверы имеют спад на верхнем конце, выше так называемой частоты «остановки массы».

Частота остановки массы — это частота, выше которой инерция диафрагмы больше не может быть проигнорирована. Это обычно около 3 500 Гц.

На рисунке 2 показана неравномерная частотная характеристика типичного современного компрессионного драйвера. Это реальная кривая (сглаженная, конечно)для драйвера одного современного бренда с 3-дюймовой диафрагмой, 1,5-дюймовым горлом и неодимовым магнитом. Красная линия — это фактический акустический выход драйвера.

BerrymanLineArrayFigure2

Рисунок 2: Частотная характеристика компрессионного драйвера.

Линия фиолетового цвета показывает эффект прикрепления драйвера к старому доброму рупору с непостоянной направленностью. В таких рупорах схема покрытия на высоких частотах очень узкая, сжимающая уменьшающееся количество высоких частот в меньшее пространство. Если вы стоите на оси драйвера, это маскирует эффект остановки массы.

Тем не менее, в современных линейных массивах используются рупоры постоянной направленности, и результат в целом напоминают красную линию.

Итак, каков полосовой отклик у ящика линейного массива? Вот типичный элемент малого линейного массива:

Вуферы: Два 8-дюймовых, чувствительность 95 дБ@1 Вт/м, 200 Ватт каждый;

Твитер: Один, с 3-дюймовой диафрагмой на 1,5-дюймовом горле, 80 Ватт;

Кроссовер: 1 500 Гц.

На рисунке 3 учитываются кроссовер, эффективность и мощность для всех трех динамиков, а также эффекты взаимной нагрузки двух низкочастотных громкоговорителей и расчетная мощность полосы пропускания всего ящика. Зеленая линия для вуферов, красная для компрессионного драйвера сжатия, а синяя — общий результат.

BerrymanLineArrayFigure3

Рисунок 3: Типичный полосовой отклик одного элемента.

Удивительно, правда? Причем, мы говорим, что нам нужен больший высокочастотный выход, а не меньший. А здесь всё хуже.

Давайте сделаем линейный массив из этих ящиков и оценим отклик всего массива. (Рисунок 4) Мы выбираем место прогнозирования 30 метров по оси. Красная линия — это максимальный SPL, доступный от массива, учитывая технические данные, описанные выше. И видим, что массив имеет примерно на 20 дБ меньше «лошадиных сил» на 15 кГц, чем на низких частотах. Упс.

BerrymanLineArrayFigure4

Рисунок 4: Типичный отклик линейного массива.

Обратите внимание, что красная линия не отображает низкочастотный отклик. Если массив работает значительно ниже (значительно ниже!) максимального выходного уровня, частотный отклик можно выровнять так, как мы хотим. Однако для этого потребуется большой высокочастотный подъём.

Нет ничего плохого в обеспечении такого повышения, пока не пройдёт громкий высокочастотный сигнал — например, звук тарелки крэш. Когда такой сигнал появляется, срабатывает лимитер в драйв-рэке. И лимитер уменьшает коэффициент усиления для всей частотной полосы.

Для нашего примера это означает, что всё, что выше 1 500 Гц, будет ослаблено. Таким образом, высокоуровневые высокочастотные сигналы будут модулировать весь высокочастотный диапазон, включая вокал и другие инструменты. Это проблема. Но насколько это проблема?

Было бы здорово, если бы у нас была какая-то классная технология громкоговорителей с большим количеством высокочастотного выхода, очень высокой точностью и малым весом, размером и стоимостью. Я бы хотел иметь такое…

Факторы уменьшения требований к ВЧ

Нам могут не понадобиться линейные массивы с полным ВЧ-откликом высокой пропускной способности.

Существует три фактора, снижающие высокочастотные требования:

1) Общая природа музыки. Громкость музыкальных сигналов меньше на высоких частотах. Это подтверждено многими исследованиями, проведенными за последние 20 лет.

Деннис Бон, основатель и технический архитектор Rane Corporation, разбирает вопрос о применении электроники с аналоговыми многоканальными драйверами. Он дает консервативное эмпирическое правило для уровня высокочастотного сигнала: плоский до 5 кГц, а выше этой частоты спадающий на 6 дБ на октаву.

Я добавлю кое-что к его картине: пики. Дело в том, что хедрум в 20 дБ для отработки пиков был отраслевым стандартом с появлением первых микшеров для вещания в 1920-х и 30-х годах.

Отсюда номинальный уровень +4 dBu и максимальный уровень +24 dBu для большинства аудиоустройств. Правило «хедрум 10 дБ», вероятно, возникло с появлением рок-н-ролла и применением компрессоров и лимитеров, чтобы сделать его максимально громким.

На протяжении многих лет я видел сотни шоу, где сигнал выше, скажем, 7 кГц, имеет очень большие пики. Если звуковая система правильно настроена, её лимитеры начнут срабатывать, и высокочастотные пики будут удалены из сигнала без риска повреждения громкоговорителей и будут иметь только умеренное отрицательное влияние на звук.

Если система имеет достаточно высокочастотный хедрум для уменьшения влияния лимитеров, она будет звучать более воздушно и более эффективно на ВЧ.

На рисунке 5 представлены две кривые — моя и Денниса. Моя кривая имеет больше возможностей для пиков.

BerrymanLineArrayFigure5

Рисунок 5: Максимальная спектральная амплитуда музыки.

2) Стиль программного материала. Некоторые исследования показали, что максимальный высокочастотный уровень зависит от типа программы, и что классическая музыка, джаз и поп-музыка снижают требования к высоким частотам.

Рок-музыка, однако, имеет относительно плоский максимальный выходной спектр и поэтому требует полосового отклика, который остается ровным вплоть до самого верха.

3) Компенсирующий эффект человеческого слуха. В реверберирующих средах, где слушатель погружен в море звука, приходящего со всех сторон, звуковые волны проходят вокруг головы таким образом, что обеспечивают прирост около 9 дБ с пиком около 8 кГц.

Особенности восприятия человеческого слуха хорошо описаны в классической работе члена AES, ныне покойного Роберта Б. Шулейна из компании Shure. Хорошо написанный и легко читаемый документ называется «In Situ Measurement and Equalization of Sound Reproduction Systems».

Опубликованный в апреле 1975 года, он описывает серию экспериментов, которые Шулейн сделал, чтобы определить причины так называемой «домашней кривой » (или «Х-кривой»), с падением 3 дБ на октаву, происходящего выше примерно 1500 Гц, что радиционно применяется к звуковым системам кинотеатров и аудиторий.

В документе определяется роль дифракции звука вокруг головы при прослушивании в средах с реверберацией. Это важная статья, и я думаю, что все, кто занимается проектированием и настройкой больших звуковых систем, должны ее прочитать.

На рисунке 6 показана кривая, полученная Шулейном. Она показывает передаточную функцию уха, когда голова погружена в чисто реверберируемое звуковое поле, где звук идет одинаково со всех сторон. Такие поля находятся на большинстве мест на концертах в  аренах.

BerrymanLineArrayFigure6

Рисунок 6: Передаточная функция слуха в реверберационном поле.

Как вы можете видеть, ухо немного помогает твитерам в реверберирующих средах. С другой стороны, в нереверберирующих (безэховых) средах — например, на открытом воздухе — эта кривая не применима, и твитеры должны выполнять всю свою работу.

Эффективный полосовой отклик

Чтобы понять производительность массива на реальном концерте, мы объединяем передаточную функцию слуха с пропускным откликом массива. Результат —  кривая, которую я называю Эффективный Полосовой Отклик (ЭПО).

ЭПО — это максимальное воспринимаемое звуковое давление, которое может доставить массив. «Воспринимаемое» означает, что кривая отрегулирована для передаточной функции слуха.

Как мы видим, передаточная функция слуха различна в реверберированных и нереверберированных местах, поэтому мы должны обрабатывать эти два случая отдельно. Ни одна из этих кривых не включает в себя эффекты затухания в воздухе. Если бы мы учли и затухание в воздухе, это сделало бы картину еще хуже!

На рисунке 7 показан ЭПО для реверберированных (внутренних) и нереверберированных (наружных) мест. Вы когда-нибудь слышали линейный массив на концерте в арене и задавались вопросом, почему это звучало довольно хорошо, но только до 7-8 кГц? Конечно. Теперь мы начинаем понимать, почему.

BerrymanLineArrayFigure7

Рисунок 7: Эффективный полосовой отклик в реверберированном пространстве.

Как мы можем видеть, для наружных шоу проблема серьезная. Кто не был на открытом воздухе, где все обвиняли в отсутствии верха ветер, температуру или влажность? Ясно, что это не единственная проблема.

Эффективный хедрум

Чтобы увидеть, как ЭПО влияет на конкретное шоу, мы должны сравнить его со спектральным содержимым аудиопрограммы.

Я определяю термин Эффективный Хедрум (ЭХ) как разность между ЭПО и кривой спектральной амплитуды программного материала.

Как мы видели, оценочная кривая спектрального содержания зависит от типа материала программы и от того, кто делает оценку.

В помещении

В наилучших сценариях используется оценка спектрального содержания Денниса Бонна, в худшем случае — моя.

Здесь они изображены на рис. 8, для реверберирующих мест. Это не так уж плохо, в лучшем случае хедрум  имеет всего лишь 5 дБ на 20 кГц.

BerrymanLineArrayFigure8

Рисунок 8: Эффективный хедрум в зоне реверберации (в помещении).

Если это работает, то система потерять открытость и воздушность на высоких уровнях, но в противном случае, вероятно, будет звучать нормально. Однако интенсивный высокоуровневый ВЧ-режим не будет доступен.

На открытом воздухе

На рисунке 9 показан ЭХ для нереверберированных мест. Эти кривые говорят, что всё будет звучать довольно скучно всякий раз, когда система работает на максимуме.

BerrymanLineArrayFigure9

Рисунок 9: Эффективный хедрум в открытом месте.

Что все это значит?

Большинство современных линейных массивов используют очень много мускулистых компрессионных драйверов для воспроизведения высокочастотных гармоник.

Если событие громкое, это часто означает, что высокочастотные переходные процессы определяют для звуковой системы ограничения, и менее совершенные звуковые результаты.

Микс-инженеры могут (и должны) контролировать это явление, добавляя компрессию и/или ограничивая сигналы от высокочастотных инструментов. Иногда это случается, иногда нет.

Если вы хотите много воздуха и высокочастотного воздействия на высоких уровнях, вам понадобится гораздо больший линейный массив, чем вы могли подумать. А если вы на улице, вам понадобится еще больше. Интересная деталь здесь заключается в том, что скудный ресурс в данном случае не бас, а высокие частоты.

Сегодня большинство производителей знают об этих проблемах и выкатывают на рынок линейные массивы с большим и большим высокочастотным выходом. Компрессионные драйверы улучшаются. Лучшие 3-полосные системы с компрессионными драйверами теперь имеют очень хорошую точность в самых высокочастотных регионах, но полоса пропускания мощности по-прежнему значительно ниже идеальной.

Твитеры увеличивают высокочастотный выход и точность, но проблема включения их в конструкцию ячеек линейных массивов является сложной из-за малых задействованных длин волн. В общем, нужно ещё какое-то время для развития.

Что мы можем сделать прямо сейчас?

Вот несколько предложений для достижения линейными массивами оптимальной высокочастотной производительности:

1) Оцените вертикальную плотность мощности в диапазоне от 6 000 до 15 000 Гц. Под «вертикальной плотностью мощности» подразумевается выходную мощность на один фут длины массива. Очень грубый способ сделать это — посмотреть на размер и количество компрессионных драйверов по вертикали.

В этом подходе вы можете считать один 1,5-дюймовый рупорный драйвер, примерно равным 2,25 1-дюймовым рупорным драйверам. Предупреждение: это очень приблизительная техника.

Кроме того, взгляните на частоту кроссовера среднечастотного драйвера. Если она находится низко, тогда возникает большая конкуренция за выходную мощность драйвера, и, как правило, будут наблюдаться ограничения и интермодуляционные искажения. Для типичных 1,5-дюймовых рупорных драйверов я бы рекомендовал частоту кроссовера 1200 Гц или ниже; для 1-дюймовых драйверов частота выше — от 1500 до 2200 Гц — в зависимости от конструкции.

Если у ящика есть отдельные твитеры, драйверы среднего диапазона не будут пытаться воспроизводить очень высокие частоты, а частота кроссовера среднего диапазона может быть безопасно сдвинута ниже.

2) Из-за передаточной функции линейного массива, показанной на рисунке 1, вам понадобится выровнять общую кривую системы, которую я называю «лыжный холм» — длинный подъём, который заканчивается на 12-18 дБ выше (!) на 10 кГц, чем на 100 Гц.

Некоторого выравнивания можно добиться от самих ящиков — многие элементы линейного массива спроектированы с повышением частотной характеристики — но почти в каждом случае вам все равно нужен до-кроссоверный эквалайзер, способный создавать длинный пологий наклон без фазовых проблем.

Три-четыре секции параметрического эквалайзера  сделают это. Графический эквалайзер тоже может, но только тот, который хорош в суммировании между диапазонами (есть такие). Если бы у вас был Hi-Fi-усилитель 1960-х с регулировкой баса и верха, это тоже сработало бы (шутка).

Кроме того, тщательно подумайте о высокочастотном лимитировании. Если вы хорошо знакомы с многополосными компрессорами, они могут быть большой помощью, но они сложны в настройке, ихорошие устройства стоят дорого. Если вы являетесь продвинутым пользователем одного из реконфигурируемых многоканальных DSP-процессоров, вы можете настроить его как кроссовер с многодиапазонный лимитированием выходов.

3) Используйте самые длинные линейные массивы, которые вы можете позволить. На это есть несколько причин:

— Более длинные линейные массивы имеют тенденцию быть менее изогнутыми. Чем меньше линейный массив изогнут, тем меньше он ослабляет высокие частоты (т.е. имеет более плоскую кривую частотного отклика массива). Кроме того, меньшие межзонные углы обычно приводят к более плавному высокочастотному отклику, так что высокие частоты, которые вы получаете, в данном случае звучат лучше.

— Длинные линейные массивы означают больше компрессионных драйверов, а это означает, что в помещении имеется больше высокочастотной «мускулатуры».

— Более крупные линейные массивы намного лучше себя ведут с мид-басом. Этот момент не имеет ничего общего с темой этой статьи, но это такой важный принцип, что я не хотел, чтобы это игнорировалось.

-Если микс не имеет большого контроля над высокоамплитудными высокочастотными переходными процессами, обсудите это с микс-инженером (и если вы микс-инженер, поговорите сами с собой!), чтобы понять, нужны ли компрессоры/лимитеры на соответствующих каналах микширования.

В заключение

Проблемы с частотной характеристикой массива, описанные здесь, не являются уникальными только для линейных массивов. Всякий раз, когда вы подвешиваете любую группу громкоговорителей, они всегда будут иметь более высокий суммарный выходной уровень на низких частотах. Проблема линейного массива, однако, более проста в прогнозировании и решении.

Будущее принесет улучшенную технологию преобразования, чтобы обеспечить выход, который нам нужен, чтобы обеспечить опыт прослушивания с высоким уровнем ВЧ на расстоянии в 60 или 70 метров, и с приемлемым, хотя и более низким, уровнем на 100 метрах.

За этой дистанцией потери на поглощение в воздухе очень значительны, и для полной верности будут по-прежнему требоваться дополнительные кластеры задержки.

coda_f

Оригинал материала.

___________________________________________________________________________________

jeff_berrymanДжефф Берриман

Работает директором канадской туровой компании Jasonaudio, и возглавляет лабораторию Electro-Voice.

 

___________________________________________________________________________________

 


  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •