Линейный массив в деталях. Разбираемся вместе.

Дорогие и уважаемые наши читатели! Эту статью мы решили разделить на несколько разделов, дабы упростить чтение и понимание данного материала.

Первый раздел мы назвали так - "Возможные практические варианты построения кластеров".

Вы ведь наверняка немогли необратить внимание на то, что в последнее время в нашей стране начало появляться множество новых акустических систем звукоусиления, хотя не всегда результат оправдывает затраченные средства. И это видно не вооруженным глазом, особенно когда в нашу страну на гастроли приезжают мировые звезды шоу-бизнеса и привозят с собой дорогое звуковое оборудование, которое демонстрирует не только размах и уровень предприятния но и прекрасные характеристики и даже возможности.

Причина банально проста, т.к. у нас единичны специалисты, владеющие знаниями и опытом работы с данным оборудованием, и без которых нет возможности правильной установки, настройки и работы на оборудовании такого уровня. Всем известно и видно, что прогресс не стоит на месте, и в этой отрасли в том числе, чему стало подтверждением появление «больших» звуковых систем для «больших площадок», будь то спортивный стадион или концертный зал филармонии.

Что самое интересное, принцип согласованного и упорядоченного сложения  звуковых волн от большого количества близко расположенных источников звука и сформированное и заданное ими звуковое пространство открыли совершенно новые возможности переноса звука и его энергии в окружающее поле. Об этом-то  мы с Вами сегодня и поговорим, и еще разберем основные законы и правила построения и настройки данных звуковых систем, а также посмотрим на все этапы развития этих систем для разных концертных площадок.

 

Итак, посмотрим на хронологию событий по годам:  

В далеком 1979 году, начало восхождения группы “Воскресенье», и на этой волне техники группы после изучения заграничных рекламных журналов и проспектов решают самостоятельно изготовить совершенно новые в техническом плане  акустические системы, для чего приобретают два 15"громкоговорителя Selestion.

В качестве заглушки колонок был использован детский матрац, одного из участников группы, и даже снабдили систему фазоинвертором в виде трубы. Далее, одни из конкурентов и друзей группы «Воскресенье» (техники из группы «Аракс»), взяв за основу опыт «воскресенских» техников чуть позже заказали в институте НИКФИ качественно новый проект будущей акустической системы, образец которой представлял собой показательный двухметровый рупор.

Это было новое слово на нашей эстраде! Для транспортировки новинки использовали микроавтобус с открытыми задними дверями, потому что основание рупора не помещалось в салон. При первом же включении после первых нот бас-гитариста выявилось дребезжание всех деталей конструкции и явную хлипкость, после чего рупор отпилили.

А теперь вспомним 1980 год! Год олимпиады 80, появление пепси-колы, фанты, и конечное же толпы иностранцев. И в свете данного мероприятия наша страна вынужденно заказала у западных загнивающих империалистов звуковое оборудование Dynacord. Первой ласточкой стал «Самый первый в СССР»  звуко-усилительный комплекс оборудования, который отвечал всем требованиям и жанрам.

Этот комплекс оборудования был снабжен высококлассными  американскими динамиками, от НЧ рупоров до кольцевых твиттеров, частотный диапазон от 80 Гц – 16 кГц, с низким уровнем искажений и рассчитан был на средние залы, но это был настоящий прорыв во времени! Кстати, остатки той былой роскоши – той знаковой закупки - работают и по сей день, и что самое-то интересное можно редко, но! встретить в каких-нибудь ДК по Москве. И уже после олимпиады некоторые престижные рестораны Москвы взяли себе на заметку и начали оборудовать свои залы кустарными копиями таких акустических систем.

И вот уже ура, Горбачев, Ельцин, перестройка, гласность, консенсус, 1991 год! Если кто помнит приезд в Москву групп Metallica и AC/DC, которые стали фурором в Тушино, потому как ранее никто не мог об этом даже мечтать! Ведь согласитесь, такого еще не было - 200 киловатт звука! А привезенные музыкантами акустические системы Electro-Voice МТ-4 произвели незабываемое впечатление как на музыкантов и обслуживающий концерт персонал, так и на зрителей, начиная от сцены и заканчивая микшерным пультом. Хоть уже в 50 метрах качество ощутимо падало, но! для чего дабы сократить потери звукового давления на удалении от сцены были добавлены дополнительные системы.

И на столичную сцену спортивной арены полуголодной, но свободной страны выходит всемирноизвестный поп-король! А 1993 год стал знаковым с приездом Майкла Джексона. Его концерт проходил в Лужниках. Для короля поп-музыки была привезенатуровая звуковая система Clair Brothers S-4 series, очень внушительных размеров и заслужившая в 1985 награду за техническое совершенство.  

Тогда мы в первый раз стали свидетелями и увидели настолько мощные и качественные линейные массивы, которые были реальным воплощением новейших технологий того времени! Это высококлассное оборудование продемонстрировало нам на реальном примере взаимодействие большого количества источников звука, работа которых суммировалась выливаясь и показывая всю мощь и энергию звука, не мешая друг другу, а даже наоборот - дополняя и усиливая друг друга.

Площадь одновременно работающих источников звука была так велика, что находясь вблизи звуковой системы любой отрывистый звук воспринимался как продолжительный и этот похожий на гейт-реверб эффект, объясняется тем, что происходит индивидуальное запаздывание в приходе звука от группы излучателей от самого ближнего до самого дальнего. И по той же причине ровная частотная характеристика отдельной акустической системы в результате суммирования (или интерференции) между соседнимигромкоговорителями для разных направлений становится неоднородной. 

Классический вариант решением проблемы интерференции это созданиерадиальных кластеров, где для каждой акустической системы определен свой рабочий сектор пространства, например популярная серия акустических систем EAW KF850

Второй раздел мы назвали "Анализ работы радиальных кластеров"

В начале 90-х открылись очевидные недостатки радиальных кластеров:

Все профессиональные звуковые системы строятся на базе мощных громкоговорителей. Диапазон частот эффективной работы отдельного громкоговорителя, к сожалению, не превышает 10 октав, что заставляет разбивать звуковой диапазон на три полосы и объединять три типа громкоговорителей в одном кабинете. В последствии акустические системы должны объединиться в кластеры для достижения необходимой акустической мощности. 

Как видно на рисунке, в каждом диапазоне частот в процессе суммирования звукового давления акустических систем кластера звуковое поле искажается интерференцией между излучателями. На практике выяснилось, что сложение и вычитание звуковых волн не подчиняется стройной архитектуре кластера, а звуковое поле при перемещении по залу изменяется в зависимости от места и к месту.

Настройка звуковой системы в околомикшерной зоне не гарантирует такое же качество звучания на остальной площади. Что электромагнитные, что звуковые волны, направленные свойства излучателя зависят, прежде всего, от его габаритов и длины излучаемой волны.

Размеры акустической системы для НЧ звуковых волн намного меньше длины звуковой волны, и направленность отсутствует. А для ВЧ даже размеры отверстия драйвера создают значительную направленность, и приходится прибегать к специальным мерам для расширения диаграммы направленности. В области же СЧ направленность акустических систем растет по мере увеличения частоты. 

У кластеров большой мощности приходится увеличивать количество рядов акустических систем по вертикали, а это приводит к возникновению дополнительной интерференции в вертикальной плоскости и при перемещении от кластера в сторону зала ощущаются широкие частотные зоны избыточного звукового давления в области СЧ, а на ВЧ становится заметным запаздывание прихода звука от разных акустических систем кластера.

Часто допускается одна ошибка при расчетах - опускается важнейшая особенность акустических систем для радиальных кластеров — это переменная ширина диаграммы направленности. Важным параметром является поведение акустической системы за пределами рабочего сектора, несмотря на гарантированную равномерность звукового давления в этом секторе пространства.

За пределами рабочего сектора излучаемый звук  достигает слушателя в виде реверберации и портит АЧХ соседних громкоговорителей интерференцией, или синфазно добавляется к акустической мощности соседних кабинетов, что повышает эффективность кластера. 

Если рассмотреть акустическую систему EAW KF750 видно, что диаграмма направленности данной АС составляет 35 ? 35°, и индекс направленности Q для этого сектора должен составить 33. А на деле он зависит от частоты и показан в таблице, которую мы приводим ниже, для ряда частот. 

Конфигурация системы Частота, Гц
100 200 400 630 1000 3150
Измеренный индекс направленности акустической системы EAW KF750 2,4 3,2 11,2 18,1 23,7 38,5
Утечка мощности за пределы сектора 35 ? 35°, %  93 90 65 45 28 1,5

Индекс направленности для излучателя, не имеющего направленности, равен единице. По уменьшению реального индекса направленности видно, что происходит утечка звуковой энергии за пределы рабочего сектора. Для отдельного громкоговорителя утечка акустической мощности за пределы рабочего сектора 35 ? 35о равна от 1,5% на частотах выше 3 кГц, 33% на частоте 1000 Гц, 66% на частоте 400 Гц и 90% на частоте 200 Гц.

Объединение акустических систем в радиальный кластер с целью покрытия широкого горизонтального сектора существенно меняет эффективность системы на разных частотах. В таблице показано, какой резерв мощности может быть сфокусирован в нужном направлении при построении кластера.

Из той же таблицы видно, что на частотах ниже 400 Гц имеется большой запас акустической энергии, который при построении кластера синфазно добавляется к излучению соседних кабинетов и создает избыток давления 6 - 10 дБ по сравнению с ВЧ.

На этом простом примере видно почему появляется нехватка высоких частот, когда собирается кластер. В некогда популярных акустических системах Turbosound Flashlight эта неприятная особенность, если ее так можно назвать, доведена до предела.

Третий раздел называется "Новые принципы - новые кластеры"

К решению проблемы интерференции кластера - суммирование звука от многих излучателей, расположенных как внутри одного кабинета, так и в группе соседствующих кабинетов, подошли принципиально новым путем. Этим путем оказалось применение давно работающего в радиотехнике принципа согласованного, упорядоченного или когерентного сложения волн близко расположенных источников. На сегодняшний день существует несколько способов реализации этого принципа.

Рассмотрим компактные линейные массивы с небольшой мощностью.

Данные массивы выполняются в виде вертикально вытянутого корпуса с размещенными на передней плоскости громкоговорителями. Имеется встроенный цифровой процессор для вычисления индивидуальной передаточной функции каждого громкоговорителя. Коррекция с помощью многоканального усилителя обеспечивается для каждого громкоговорителя системы. 

Компания DURAN AUDIO выпустила линейку громкоговорителей AXYS® Intellivox, представляющих собой активные звуковые колонки высотой от 1,15 м до 5 м. Например в модели Intellivox-DSX500 размещены 28!!! широкополосных 4" громкоговорителей и восемь  1" твиттеров Акустическая система обеспечивает управляемую вертикальную диаграмму направленности шириной от 6 до 14° на частотах выше 1000 Гц с возможностью отклонения направления излучения от -16 до +16° по вертикали.

А компания EAW не стала стоять в стороне и выпустила 2х полосную систему EAW DSA250, применяющую процессор и 16 каналов усиления для управления восемью НЧ динамиками и восемью ВЧ излучателями.

Разделение спектра на две полосы позволило разместить громкоговорители на оптимальном для каждого диапазона расстоянии. По сравнению с широкополосными излучателями диапазон углов управления диаграммой направленности увеличился в несколько раз. Акустическая система позволяет формировать вертикальную диаграмму направленности от 15 до 120°, регулируя направление излучения в диапазоне вертикальных углов ±30°. 

А теперь перейдем к рассмотрению концертных линейных массивов.

На данный момент любой уважающий себя производитель акустических систем выпускает кабинеты этого типа. Состоит линейный массив из вертикальной колонны акустических систем, как правило порядком не менее четырех. Главный  способ настройки звукового пространства таких массивов является придание самому массиву кривизны в вертикальной плоскости с помощью дополнительных средств, ведь коррекцией звукового поля может быть плавное изменение усиления с краев массива.

И о фазированных точечных источниках.

Компания EAW выпустила серию акустики EAW KF900 специально ориентированную на  озвучивание пространства на расстоянии от 10 до 200 метров. Для реализации принципа фазированного точечного источника  был создан большой слоеный радиальный кластер, где каждый слой акустических систем обслуживает свой частотный диапазон.

В процессе моделирования, измерения на месте и оптимизации формируется передаточная характеристика каждого излучателя и выстраивается точное распределение акустической мощности в пространстве. Для того чтобы на 8 кГц получить уровень 90 дБ на расстоянии 256 метров, система, с учетом затухания в воздухе, должна развивать звуковое давление 162 дБ/1 м, не превышая при этом допустимый уровень громкости на зрительских местах на расстоянии 15 метров.

И наконец рассмотрим горизонтальный арочный массив.

Американская компания L-Acoustics является первооткрывателем в технологии линейных массивов и первой представила на суд радиальный кластер из четырех кабинетов серии ARCS.

ВЧ секция выполнена с применением технологии формирования фазового фронта в виде горизонтальной дуги размером 22,5°. При установке четырех смежных кабинетов в горизонтальный кластер формируется непрерывный волновой фронт шириной 90°, исключающий интерференцию между соседними кабинетами. 

Четвертый раздел мы назвали "Тонкости и особенности в работе линейных массивов"

Конечно же наибольший опыт в работе с разнообразными звуковыми системами и акустическими условиями залов и площадок имеют туровые звукоинженеры, и всегда когда ставится задача создания сложного кластера, инженер склоняется к проверенной туровой технологии. А если возникают вопросы взаимодействия отдельных громкоговорителей, у турового инженера найдется ответ, что созданные для работы в кластере громкоговорители будут работать в любом случае. Ежели поднимется вопрос об интерференции, то ответ только один - «так было всегда». Не всегда практический опыт турового инженера позволит ему проанализировать все факторы, учитываемые при создании акустической системы. Поэтому для устранения пробела в предсказании поведения нового типа кластера мы с Вами рассмотрим теоретические особенности работы линейного массива.

«Acoustical Engineering» - это библия звукоинженера и именно в ней в 1957 году впервые термин «линейный массив» применил Гарри Олсон. И именно в ней он утверждал, что линейные массивы полезны в случаях, когда звук должен преодолевать большие расстояния, а происходит это из-за свойства линейных массивов обеспечивать высокую направленность в вертикальной плоскости. И это  свойство отлично работает для вертикального ряда ненаправленных излучателей. В горизонтальной плоскости массива ничего не меняется в сравнении с одиночным излучателем.

Для сложения звукового поля ненаправленных излучателей расстояние между ними не должно превышать ?/2 излучаемой волны. Поэтому, для работы массива на ВЧ требуется уменьшать расстояния между отдельными излучателями. А если же увеличивать расстояние между соседними ненаправленными излучателями свыше ?/2, то поначалу появятся вторичные лепестки диаграммы направленности, затем их величина будет расти и, в конце концов, направленные свойства массива и вовсе исчезнут.

Этот принцип использовался и ранее, однако зависимость направленности от частоты и появление интенсивных боковых лепестков диаграммы направленности ограничивали частотные свойства таких систем речевым диапазоном. Также существует распределение амплитуды и фазы сигнала на громкоговорителях в соответствии с функцией Бесселя. Основной недостаток такого линейного массива — пониженная излучаемая мощность, а для применения функции Бесселя количество излучателей должно быть равно пяти, ведь этого количества явно недостаточно для большинства случаев. 

Рассмотрим поведение линейных источников. 

Математические модели для предсказания диаграммы направленности бесконечной цепи излучателей существуют более 70 лет. В последние годы были созданы компьютерные модели, позволяющие предсказать частотную характеристику системы в конкретной точке пространства. Эти модели просто суммируют комплексные величины звукового давления от всех излучателей. Вот как это делается.

Вы видите на рисунке линейный источник можно смоделировать как ряд бесконечно малых отрезков, распределенных вдоль линии l. Акустическое давление от источника будет представлять собой сумму акустических давлений каждого отрезка, с учетом расстояния r, угла наблюдения ?, амплитуды A и фазы ?.

Важной характеристикой излучателя является функция направленности R(?), которая определяется, как величина звукового давления в направлении под углом ?, соотнесенная с максимальным звуковым давлением. Если принять допущения, что мы измеряем в дальней зоне, а линейный источник имеет постоянную амплитуду и фазу по всей длине, то уравнение направленности будет иметь вид такого плана (рисунок  справа) 

На данной подборке (выше) показаны диаграммы направленности линейного массива постоянной амплитуды и фазы в зависимости от отношения длины массива и длины волны. Эти диаграммы широкие для малых отношений l/?. С увеличением этого отношения растет направленность, и появляются боковые лепестки и нули. Как можно видеть, боковые лепестки имеют значительный уровень.

Бороться с ними можно, осуществляя затенение, или меняя распределение амплитуд вдоль массива таким образом, чтобы к краям массива амплитуда уменьшалась. Рассмотрим распределение амплитуды, показанное на рисунке ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

Мы видим, что амплитуда возбуждения линейного источника снижается на краях линейного излучателя, что сглаживает характер интерференции между крайними зонами излучателя.

Диаграммы направленности затененного массива показаны на рисунке ниже. Главный лепесток диаграммы стал шире, чем в случае одинаковой амплитуды, а боковые лепестки диаграммы значительно уменьшились. 

А теперь посмотрим на линейный и криволинейный массивы. 

Можно предположить, что линейный массив излучателей одинаковой амплитуды и фазы обеспечивает желаемую диаграмму направленности, однако в реальности звуковое поле далеко от равномерного.

На высоких частотах диаграмма направленности сужается настолько, что становится бесполезной для покрытия аудитории. Естественно желание исправить положение, придав массиву кривизну для расширения диаграммы направленности. Как можно видеть из рисунке ниже, диаграмма направленности выравнивается для разных длин волны.

В зависимости от того, какое звуковое давление нужно создать для озвучивания дальней зоны, массиву придается форма дуги малой кривизны вверху и максимальной внизу. Как правило, не применяются углы больше 5° между соседними кабинетами по причине появления провалов в распределении высоких частот.

На рисунке показаны диаграммы направленности J-образного массива, для условий равной амплитуды звукового давления прямолинейной части АL и криволинейной части АC линейного массива, где длина вертикального участка L = 2 м, радиус криволинейной части R = 1 м, отрезок дуги ? = 60°.

Далее, в следующей статье о линейных массивах мы продолжим разговор. Продолжение следует... 

  • 1
  • 2
  • 3
Prev Next

Новые наборы DrumPacks для ударных от Sontronics

Новые наборы DrumPacks для ударных от Sontronics

Британский микрофонный бренд Sontronics сегодня подтвердил запуск своих новых наборов микрофонов DrumPack и DrumPack Plus, которые революционизируют звук Ваших барабанов, будь то в студии или на сцене.  Собрав вместе удостоенные наград... Подробнее

Новая британская CORONA только для изысканных вокалистов!

Новая британская CORONA только для изысканных вокалистов!

И вот, специально для ВАС, теперь уже новый Sontronics CORONA! Мы представляем Вам модель 2018 года, предварительно анонсированную на зимней NAMM-show 2018. Это специально разработанный микрофон для вокала, основанный на внешнем... Подробнее

Новый динамический микрофон Sontronics SOLO уже в продаже!

Новый динамический микрофон Sontronics SOLO уже в продаже!

Новый динамический суперкардиоидный микрофон Sontronics SOLO был представлен на выставке NAMM в Нэшвиле в июле 2017 года. Sontronics SOLO - это первый динамический микрофон, который сделан в Великобритании и имеет плотную... Подробнее

SONTRONICS MERCURY - новинка 2017 года!

SONTRONICS MERCURY - новинка 2017 года!

Выпущенный в 2017 году и уже представленный 19 января на NAMM Show новый вариаторный ламповый микрофон SONTRONICS MERCURY является эталоном качества микрофона премиум-класса, разработанного для сногсшибательного звучания всего, Подробнее

SONTRONICS - признан лучшим микрофонным брендом 2015 года по мнению Mu…

SONTRONICS - признан лучшим микрофонным брендом 2015 года по мнению Music Industries Association (MIA)!

Компания М-Стар рада сообщить, что наш партнер - британский производитель профессиональных микрофонов компания Sontronics, официальным  представителем  которого  мы  являемся в России, выиграл награду Подробнее

Sontronics ARIA - идеальный микрофон для вокала!

Sontronics ARIA - идеальный микрофон для вокала!

В 2014 году компания Sontronics выпустила новый ламповый кардиоидный конденсаторный микрофон ARIA, который был разработан специально для студийной работы с мужским и женским вокалом!  Sontronics ARIA дает потрясающе красивые результаты на... Подробнее

GSL использует инсталляционные усилители Kittek Stamer (GERMANY)

GSL использует инсталляционные усилители Kittek Stamer (GERMANY)

Компания Galaxy Sound Laboratory или GSL за 10 лет своего существования по праву занимает одно из ведущих мест на российском рынке PRO Audio, разрабатывая и производя широкий ассортимент активных и пассивных акустических... Подробнее

Мобильный хоровой станок Wenger Tourmaster® - №1 в мире!

Мобильный хоровой станок Wenger Tourmaster® - №1 в мире!

На современной сцене, как и в современной жизни происходят те же самые перемены, только более специфические, более музыкальные, более профессиональные. И эти перемены несет нам не стоящий на месте прогресс,... Подробнее