Zvukové modelování

Tento článek je věnován tématu reproduktorů. Pokusíme se o nich vyvrátit mnoho mýtů a vysvětlit, co to vlastně reproduktory jsou, jak ty tradiční, tak ty s možností akustického modelování paprsku.

Nejprve si uveďme některé základní elektroakustické definice, se kterými budeme v tomto článku pracovat. Reproduktor je jeden elektroakustický měnič, který je namontován v krytu. Pouze kombinace několika reproduktorů v jednom pouzdře vytváří reproduktorovou sestavu. Speciálním typem reproduktorů jsou reproduktory.

Co je to reproduktor?

Reproduktor je pro mnoho lidí jakýkoli reproduktor umístěný v pouzdře, ale není to tak úplně pravda. Reproduktorový sloup je specifické reproduktorové zařízení, které má ve svém pouzdře několik až tucet nebo více stejných elektroakustických měničů (reproduktorů) uspořádaných svisle. Díky této struktuře je možné vytvořit zdroj s vlastnostmi podobnými lineárnímu zdroji, samozřejmě pro určitý frekvenční rozsah. Akustické parametry takového zdroje přímo souvisí s jeho výškou, počtem v něm umístěných reproduktorů a vzdálenostmi mezi měniči. Pokusíme se vysvětlit princip fungování tohoto specifického zařízení, stejně jako vysvětlit princip fungování stále oblíbenějších sloupů s digitálně řízeným akustickým paprskem.

Co jsou reproduktory pro modelování zvuku?

Reproduktory nedávno nalezené na našem trhu mají možnost modelování akustického paprsku. Rozměry a vzhled jsou velmi podobné tradičním reproduktorům, dobře známým a používaným již od XNUMX. Digitálně řízené reproduktory se používají v podobných instalacích jako jejich analogové předchůdce. Tento typ reproduktorových zařízení lze nalézt mimo jiné v kostelech, terminálech pro cestující na nádražích nebo letištích, na veřejných prostranstvích, na kurtech a ve sportovních halách. Existuje však mnoho aspektů, kde digitálně řízené sloupy akustického paprsku převažují nad tradičními řešeními.

Akustické aspekty

Všechna výše zmíněná místa se vyznačují poměrně obtížnou akustikou související s jejich kubaturou a přítomností vysoce reflexních povrchů, což se přímo promítá do velké doby dozvuku RT60s (RT60 „doba dozvuku“) v těchto místnostech.

Takové místnosti vyžadují použití reproduktorových zařízení s vysokou směrovostí. Poměr přímého a odraženého zvuku musí být dostatečně vysoký, aby srozumitelnost řeči a hudby byla co nejvyšší. Pokud v akusticky obtížné místnosti použijeme tradiční reproduktory s menší směrovou charakteristikou, může se stát, že se generovaný zvuk bude odrážet od mnoha povrchů, takže poměr přímého zvuku k odraženému zvuku se výrazně sníží. V takové situaci budou pouze posluchači, kteří jsou velmi blízko zdroje zvuku, schopni správně porozumět zprávě, která se k nim dostane.

Architektonické aspekty

Pro získání odpovídajícího poměru kvality generovaného zvuku v poměru k ceně ozvučení by měl být použit malý počet reproduktorů s vysokým Q faktorem (směrovostí). Proč tedy ve zmíněných zařízeních, jako jsou stanice, terminály, kostely, nenajdeme velké trubkové systémy nebo systémy line-array? Zde je velmi jednoduchá odpověď – architekti vytvářejí tyto stavby převážně esteticky. Velké trubkové systémy nebo line-array clustery svou velikostí neodpovídají architektuře místnosti, a proto architekti nesouhlasí s jejich použitím. Kompromisem byly v tomto případě často reproduktory, ještě než pro ně byly vynalezeny speciální DSP obvody a možnost ovládat každý z měničů. Tato zařízení lze snadno skrýt v architektuře místnosti. Většinou se montují těsně ke stěně a lze je obarvit barvou okolních ploch. Je to mnohem atraktivnější řešení a především architekty snáze přijímané.

Line-arrays nejsou novinkou!

Princip lineárního zdroje s matematickými výpočty a popis jejich směrových charakteristik velmi dobře popsal Hary F. Olson ve své knize „Acoustical Engineering“, vydané poprvé v roce 1940. Nalezneme zde velmi podrobné vysvětlení fyzikální jevy vyskytující se v reproduktorech využívajících vlastnosti linkového zdroje

Následující tabulka ukazuje akustické vlastnosti tradičních reproduktorů:

Jednou nevýhodnou vlastností reproduktorů je, že frekvenční odezva takového systému není plochá. Jejich konstrukce generuje mnohem více energie v nízkofrekvenčním rozsahu. Tato energie je obecně méně směrová, takže vertikální rozptyl bude mnohem větší než u vyšších frekvencí. Jak je všeobecně známo, akusticky obtížné místnosti se obvykle vyznačují dlouhou dobou dozvuku v oblasti velmi nízkých frekvencí, což může v důsledku zvýšené energie v tomto frekvenčním pásmu vést ke zhoršení srozumitelnosti řeči.

Abychom vysvětlili, proč se reproduktory chovají tímto způsobem, stručně projdeme některé základní fyzikální pojmy pro tradiční reproduktory a reproduktory s digitálním ovládáním akustického paprsku.

Interakce bodového zdroje

• Směrovost dvou zdrojů

Když dva bodové zdroje oddělené poloviční vlnovou délkou (λ / 2) generují stejný signál, signály pod a nad takovým polem se navzájem vyruší a na ose pole bude signál dvakrát zesílen (6 dB).

λ / 4 (jedna čtvrtina vlnové délky – pro jednu frekvenci)

Když jsou dva zdroje od sebe vzdáleny o délku λ / 4 nebo méně (tato délka se samozřejmě vztahuje k jedné frekvenci), zaznamenáme mírné zúžení směrových charakteristik ve vertikální rovině.

λ / 4 (jedna čtvrtina vlnové délky – pro jednu frekvenci)

Když jsou dva zdroje od sebe vzdáleny o délku λ / 4 nebo méně (tato délka se samozřejmě vztahuje k jedné frekvenci), zaznamenáme mírné zúžení směrových charakteristik ve vertikální rovině.

λ (jedna vlnová délka)

Rozdíl jedné vlnové délky zesílí signály jak vertikálně, tak horizontálně. Akustický paprsek bude mít podobu dvou listů

2l

S rostoucím poměrem vlnové délky ke vzdálenosti mezi měniči se zvyšuje i počet postranních laloků. Pro konstantní počet a vzdálenost mezi měniči v lineárních systémech se tento poměr zvyšuje s frekvencí (zde se hodí vlnovody, velmi často používané v sestavách line-array).

Omezení linkových zdrojů

Vzdálenost mezi jednotlivými reproduktory určuje maximální frekvenci, pro kterou bude systém fungovat jako linkový zdroj. Výška zdroje určuje minimální frekvenci, pro kterou je tento systém směrový.

Výška zdroje versus vlnová délka

λ / 2

U vlnových délek větších než dvojnásobek výšky zdroje téměř neexistuje žádná kontrola směrových charakteristik. V tomto případě lze zdroj považovat za bodový s velmi vysokou výstupní úrovní.

λ

Výška liniového zdroje určuje vlnovou délku, pro kterou budeme pozorovat výrazný nárůst směrovosti ve vertikální rovině.

2 l

Při vyšších frekvencích se výška paprsku snižuje. Začnou se objevovat postranní laloky, ale ve srovnání s energií hlavního laloku nemají žádný výrazný vliv.

4 l

Vertikální směrovost se stále více zvyšuje, energie hlavního laloku se stále zvyšuje.

Vzdálenost mezi jednotlivými měniči versus vlnová délka

λ / 2

Když jsou snímače od sebe vzdáleny maximálně o polovinu vlnové délky, zdroj vytváří velmi směrový paprsek s minimálními postranními laloky.

λ

S rostoucí frekvencí se tvoří postranní laloky s významnou a měřitelnou energií. To nemusí být problém, protože většina posluchačů je mimo tuto oblast.

2l

Počet postranních laloků se zdvojnásobí. Je extrémně obtížné izolovat posluchače a reflexní povrchy od této oblasti záření.

4l

Když je vzdálenost mezi měniči čtyřnásobkem vlnové délky, vytvoří se tolik postranních laloků, že zdroj začne vypadat jako bodový a směrovost výrazně klesne.

Vícekanálové obvody DSP mohou ovládat výšku zdroje

Ovládání horního frekvenčního rozsahu závisí na vzdálenosti mezi jednotlivými vysokofrekvenčními měniči. Výzvou pro konstruktéry je minimalizovat tuto vzdálenost při zachování optimální frekvenční odezvy a maximálního akustického výkonu generovaného takovým zařízením. Linkové zdroje se s rostoucí frekvencí stávají stále směrovějšími. Na nejvyšších frekvencích jsou dokonce příliš směrové na to, aby tento efekt vědomě využily. Díky možnosti použití samostatných DSP systémů a zesílení pro každý z měničů je možné řídit šířku generovaného vertikálního akustického paprsku. Technika je jednoduchá: stačí použít dolnopropustné filtry ke snížení úrovní a použitelného frekvenčního rozsahu pro jednotlivé reproduktory ve skříni. Pro posunutí paprsku od středu pouzdra změníme řadu filtrů a mezní frekvenci (nejšetrnější u reproduktorů umístěných ve středu pouzdra). Tento typ provozu by byl nemožný bez použití samostatného zesilovače a obvodu DSP pro každý reproduktor v takové lince.

Tradiční reproduktor umožňuje ovládat vertikální akustický paprsek, ale šířka paprsku se mění s frekvencí. Obecně řečeno, faktor směrovosti Q je proměnný a nižší, než je požadováno.

Akustické ovládání sklonu paprsku

Jak dobře víme, historie se ráda opakuje. Níže je tabulka z knihy Harryho F. Olsona „Acoustical Engineering“. Digitálně zpožďovat vyzařování jednotlivých reproduktorů linkového zdroje je úplně stejné jako fyzicky naklánět linkový zdroj. Po roce 1957 trvalo dlouho, než technologie tento fenomén využila a přitom udržela náklady na optimální úrovni.

Linkové zdroje s DSP obvody řeší mnoho architektonických a akustických problémů

• Variabilní faktor vertikální směrovosti Q vyzařovaného akustického paprsku.

DSP obvody pro linkové zdroje umožňují měnit šířku akustického paprsku. To je možné díky kontrole rušení pro jednotlivé reproduktory. Sloup ICONYX od americké firmy Renkus-Heinz umožňuje měnit šířku takového paprsku v rozsahu: 5, 10, 15 a 20°, samozřejmě pokud je takový sloup dostatečně vysoký (umožňuje pouze pouzdro IC24 vyberte paprsek o šířce 5°). Tímto způsobem úzký akustický paprsek zabraňuje zbytečným odrazům od podlahy nebo stropu ve vysoce dozvukových místnostech.

Konstantní činitel směrovosti Q s rostoucí frekvencí

Díky DSP obvodům a výkonovým zesilovačům pro každý z měničů můžeme udržovat konstantní směrový faktor v širokém frekvenčním rozsahu. Nejenže minimalizuje hladiny odraženého zvuku v místnosti, ale také konstantní zisk pro široké frekvenční pásmo.

Možnost nasměrovat akustický paprsek bez ohledu na místo instalace

I když je ovládání akustického paprsku z hlediska zpracování signálu jednoduché, z architektonických důvodů je velmi důležité. Takové možnosti vedou k tomu, že bez nutnosti fyzicky naklánět reproduktor vytváříme oku příjemný zdroj zvuku, který splyne s architekturou. ICONYX má také možnost nastavit umístění středu akustického paprsku.

Využití modelovaných lineárních zdrojů

• církve

Mnoho kostelů má podobné vlastnosti: velmi vysoké stropy, kamenné nebo skleněné reflexní povrchy, žádné absorbující povrchy. To vše způsobuje, že doba dozvuku v těchto místnostech je velmi dlouhá, dosahuje i několika sekund, což velmi zhoršuje srozumitelnost řeči.

• Zařízení veřejné dopravy

Letiště a nádraží jsou velmi často povrchově upravena materiály s podobnými akustickými vlastnostmi, jaké se používají v kostelech. Zařízení veřejné dopravy jsou důležitá, protože zprávy o příjezdech, odjezdech nebo zpožděních, které se dostávají cestujícím, musí být srozumitelné.

• Muzea, posluchárny, lobby

Podobné nepříznivé akustické parametry má řada budov menšího rozsahu než MHD nebo kostely. Dvěma hlavními výzvami pro digitálně modelované linkové zdroje jsou dlouhá doba dozvuku, která nepříznivě ovlivňuje srozumitelnost řeči, a vizuální aspekty, které jsou tak důležité při konečném výběru typu systému veřejného rozhlasu.

Kritéria návrhu. Celopásmový akustický výkon

Každý linkový zdroj, dokonce i ty s pokročilými DSP obvody, lze ovládat pouze v určitém užitečném frekvenčním rozsahu. Použití koaxiálních měničů tvořících obvod linkového zdroje však poskytuje akustický výkon v plném rozsahu ve velmi širokém rozsahu. Zvuk je tedy čistý a velmi přirozený. V typických aplikacích pro řečové signály nebo hudbu v plném rozsahu je většina energie v rozsahu, který můžeme ovládat díky vestavěným koaxiálním měničům.

Plná kontrola s pokročilými nástroji

Pro maximalizaci účinnosti digitálně modelovaného lineárního zdroje nestačí používat pouze kvalitní převodníky. Ostatně víme, že abychom měli plnou kontrolu nad parametry reproduktoru, musíme použít pokročilou elektroniku. Tyto předpoklady si vynutily použití vícekanálových zesilovačů a DSP obvodů. Čip D2 použitý v reproduktorech ICONYX poskytuje vícekanálové zesílení v plném rozsahu, plné ovládání DSP procesorů a volitelně několik analogových a digitálních vstupů. Když je kódovaný signál PCM dodán do kolony ve formě digitálních signálů AES3 nebo CobraNet, čip D2 jej okamžitě převede na signál PWM. První generace digitálních zesilovačů převáděla signál PCM nejprve na analogové signály a poté na signály PWM. Tato A/D – D/A konverze bohužel značně zvýšila náklady, zkreslení a latenci.

Flexibilita

Přirozený a čistý zvuk digitálně modelovaných liniových zdrojů umožňuje použití tohoto řešení nejen v zařízeních hromadné dopravy, kostelech a muzeích. Modulární struktura sloupů ICONYX umožňuje sestavit liniové zdroje dle potřeb dané místnosti. Ovládání každého prvku takového zdroje dává velkou flexibilitu při nastavení např. mnoha bodů, kde vzniká akustický střed vyzařovaného paprsku, tedy mnoha liniových zdrojů. Střed takového nosníku může být umístěn kdekoli po celé výšce sloupu. Je to možné díky zachování malých konstantních vzdáleností mezi vysokofrekvenčními měniči.

Horizontální vyzařovací úhly závisí na sloupových prvcích

Stejně jako u jiných vertikálních zdrojů lze zvuk z ICONYX ovládat pouze svisle. Horizontální úhel paprsku je konstantní a závisí na typu použitých snímačů. Ty použité ve sloupci IC mají vyzařovací úhel v širokém frekvenčním pásmu, rozdíly jsou v rozsahu 140 až 150 Hz pro zvuk v pásmu od 100 Hz do 16 kHz.

Široký úhel vyzařování poskytuje vyšší účinnost

Široký rozptyl zejména na vysokých frekvencích zajišťuje lepší koherenci a srozumitelnost zvuku zejména na okrajích směrové charakteristiky. V mnoha situacích širší vyzařovací úhel znamená, že se používá méně reproduktorů, což se přímo promítá do úspor.

Skutečné interakce snímačů

Dobře víme, že směrové charakteristiky skutečného reproduktoru nemohou být jednotné v celém frekvenčním rozsahu. Vzhledem k velikosti takového zdroje se stane s rostoucí frekvencí více směrový. V případě reproduktorů ICONYX jsou v něm použité reproduktory všesměrové v pásmu do 300 Hz, polokruhové v rozsahu od 300 Hz do 1 kHz a pro pásmo od 1 kHz do 10 kHz je směrová charakteristika kuželový a jeho vyzařovací úhly jsou 140 ° × 140 °. Ideální matematický model lineárního zdroje složeného z ideálních všesměrových bodových zdrojů se tedy bude lišit od skutečných převodníků. Měření ukazují, že zpětná energie záření reálného systému je mnohem menší než matematicky modelovaná.

Linkový zdroj ICONYX @ λ (vlnová délka).

Vidíme, že paprsky mají podobný tvar, ale pro sloup IC32, čtyřikrát větší než IC8, se charakteristika výrazně zužuje.

Pro frekvenci 1,25 kHz je vytvořen paprsek s vyzařovacím úhlem 10°. Boční laloky jsou o 9 dB méně.

Pro frekvenci 3,1 kHz vidíme dobře zaostřený akustický paprsek s úhlem 10°. Mimochodem, jsou vytvořeny dva boční laloky, které jsou výrazně odkloněny od hlavního paprsku, to nezpůsobuje negativní účinky.

Konstantní směrovost kolon ICONYX

Pro frekvenci 500 Hz (5 λ) je směrovost konstantní na 10°, což bylo potvrzeno předchozími simulacemi pro 100 Hz a 1,25 kHz.

Naklonění paprsku je jednoduchá progresivní retardace po sobě jdoucích reproduktorů

Pokud fyzicky nakloníme reproduktor, posuneme následné měniče v čase vzhledem k poslechovému místu. Tento typ posunu způsobuje „sklon zvuku“ směrem k posluchači. Stejného efektu dosáhneme zavěšením reproduktoru vertikálně a zavedením zvyšujících se zpoždění pro měniče ve směru, kterým chceme zvuk nasměrovat. Pro efektivní řízení (naklánění) akustického paprsku musí mít zdroj výšku rovnou dvojnásobku vlnové délky pro danou frekvenci.

Díky modulární struktuře sloupů ICONYX je možné efektivně naklápět nosník pro:

• IC8: 800 Hz

• IC16: 400 Hz

• IC24: 250 Hz

• IC32: 200 Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling software

Výše popsaná metoda modelování nám ukazuje, jaký typ akce na digitální signál musíme použít (variabilní dolní propusti na každém reproduktoru ve sloupci), abychom získali očekávané výsledky.

Myšlenka je poměrně jednoduchá – v případě sloupce IC16 musí software převést a následně implementovat šestnáct nastavení FIR filtru a šestnáct nezávislých nastavení zpoždění. Abychom mohli přenést akustický střed vyzařovaného paprsku pomocí konstantní vzdálenosti mezi vysokofrekvenčními měniči v pouzdře sloupu, musíme vypočítat a implementovat novou sadu nastavení pro všechny filtry a zpoždění.

Vytvoření teoretického modelu je nutné, ale musíme vzít v úvahu skutečnost, že reproduktory se ve skutečnosti chovají jinak, více směrově a měření dokazují, že získané výsledky jsou lepší než ty simulované matematickými algoritmy.

V dnešní době, s tak velkým technologickým rozvojem, se již počítačové procesory vyrovnají tomuto úkolu. BeamWare využívá grafické znázornění výsledků výsledků pomocí grafického zadávání informací o velikosti poslechové plochy, výšce a umístění sloupců. BeamWare jednoduše umožňuje exportovat nastavení do profesionálního akustického softwaru EASE a přímo uložit nastavení do sloupcových DSP obvodů. Výsledkem práce v softwaru BeamWare jsou předvídatelné, přesné a opakovatelné výsledky v reálných akustických podmínkách.

ICONYX – nová generace zvuku

• Kvalita zvuku

Zvuk ICONYX je standard vyvinutý již dávno výrobcem Renkus-Heinzem. Sloupec ICONYX je navržen tak, aby co nejlépe reprodukoval jak řečové signály, tak hudbu v plném rozsahu.

• Široký rozptyl

Je to možné díky použití koaxiálních reproduktorů s velmi širokým úhlem vyzařování (dokonce až 150° ve vertikální rovině), zejména pro nejvyšší frekvenční rozsah. To znamená konzistentnější frekvenční odezvu v celé oblasti a širší pokrytí, což znamená použití méně takových reproduktorů v zařízení.

• Flexibilita

ICONYX je vertikální reproduktor s identickými koaxiálními měniči umístěnými velmi blízko u sebe. Vzhledem k malým a konstantním vzdálenostem mezi reproduktory v pouzdře je posunutí akustického středu vyzařovaného paprsku ve vertikální rovině prakticky libovolné. Tyto typy vlastností jsou velmi užitečné, zvláště když architektonická omezení neumožňují správné umístění (výšku) sloupců v objektu. Rozpětí pro výšku zavěšení takového sloupku je velmi velké. Modulární design a plná konfigurovatelnost vám umožní definovat několik zdrojů linek s jedním dlouhým sloupcem, který máte k dispozici. Každý vyzařovaný paprsek může mít jinou šířku a jiný sklon.

• Nižší náklady

Opět díky použití koaxiálních reproduktorů každý reproduktor ICONYX umožňuje pokrýt velmi širokou oblast. Víme, že výška sloupu závisí na tom, kolik modulů IC8 k sobě připojíme. Taková modulární struktura umožňuje snadnou a levnou přepravu.

Hlavní výhody sloupů ICONYX

• Efektivnější kontrola vertikálního vyzařování zdroje.

Velikost reproduktoru je mnohem menší než u starších konstrukcí, při zachování lepší směrovosti, což se přímo promítá do srozumitelnosti v podmínkách dozvuku. Modulární struktura také umožňuje konfiguraci sloupu podle potřeb zařízení a finančních podmínek.

• Plnohodnotná reprodukce zvuku

Předchozí konstrukce reproduktorů produkovaly málo uspokojivé výsledky s ohledem na frekvenční odezvu takových reproduktorů, protože užitečná šířka pásma zpracování byla v rozsahu 200 Hz až 4 kHz. Reprosoustavy ICONYX jsou konstrukcí umožňující generování zvuku v plném rozsahu v rozsahu od 120 Hz do 16 kHz při zachování konstantního úhlu vyzařování v horizontální rovině v celém tomto rozsahu. Moduly ICONYX jsou navíc elektronicky a akusticky účinnější: jsou minimálně o 3-4 dB „hlasitější“ než jejich předchůdci podobné velikosti.

• Pokročilá elektronika

Každý z převodníků v pouzdře je buzen samostatným obvodem zesilovače a obvodem DSP. Při použití vstupů AES3 (AES / EBU) nebo CobraNet jsou signály „digitálně čisté“. To znamená, že obvody DSP přímo převádějí vstupní signály PCM na signály PWM bez zbytečné A/D a C/A konverze.

• Pokročilé obvody DSP

Pokročilé algoritmy zpracování signálu vyvinuté speciálně pro sloupy ICONYX a oku příjemné rozhraní BeamWare usnadňují práci uživatele, díky čemuž je lze využít v široké škále svých možností v mnoha zařízeních.

Sumace

Tento článek je věnován podrobné analýze reproduktorů a modelování zvuku s pokročilými obvody DSP. Je třeba zdůraznit, že teorie fyzikálních jevů využívajících tradiční i digitálně modelované reproduktory byla popsána již v 50. letech. Pouze s použitím mnohem levnějších a lepších elektronických součástek je možné plně řídit fyzikální procesy při zpracování akustických signálů. Tyto poznatky jsou obecně dostupné, ale stále se setkáváme a budeme setkávat s případy, kdy nepochopení fyzikálních jevů vede k častým chybám v uspořádání a umístění reproduktorů, příkladem může být často horizontální montáž reproduktorů (z estetických důvodů).

Tento typ akce je samozřejmě využíván i vědomě a zajímavým příkladem je horizontální instalace sloupů s reproduktory směřujícími dolů na nástupištích železničních stanic. Použitím reproduktorů se tímto způsobem můžeme přiblížit „sprchovému“ efektu, kdy překročením dosahu takového reproduktoru (rozptylovou plochou je pouzdro sloupu) výrazně klesá hladina zvuku. Tímto způsobem lze minimalizovat hladinu odraženého zvuku a dosáhnout tak výrazného zlepšení srozumitelnosti řeči.

V oněch dobách vysoce rozvinuté elektroniky se stále častěji setkáváme s inovativními řešeními, která však využívají stejnou fyziku, která byla objevena a popsána již dávno. Digitálně modelovaný zvuk nám dává úžasné možnosti přizpůsobení se akusticky náročným místnostem.

Výrobci již avizují průlom v ovládání a managementu zvuku, jedním z takových akcentů je vzhled zcela nových reproduktorů (modulární IC2 od Renkus-Heinz), které lze jakkoli poskládat a získat tak vysoce kvalitní zdroj zvuku, plně spravované a přitom lineární zdroj a bod.