Моделювання звуку

Ця стаття присвячена темі гучномовців. Ми постараємося розвіяти багато міфів про них і пояснити, що таке насправді гучномовці, як традиційні, так і з можливістю моделювання акустичного променя.

Спочатку давайте познайомимося з основними визначеннями електроакустики, якими ми будемо оперувати в цій статті. Гучномовець являє собою єдиний електроакустичний перетворювач, який вмонтований в корпус. Лише поєднання кількох динаміків в одному корпусі створює набір динаміків. Особливим видом гучномовців є динаміки.

Що таке гучномовець?

Гучномовцем для багатьох вважається будь-який динамік, розміщений в корпусі, але це не зовсім так. Гучномовна колонка — це специфічний гучномовець, у своєму корпусі якого розміщено від кількох до десятка однакових електроакустичних перетворювачів (динаміків), розташованих вертикально. Завдяки такій структурі можна створити джерело з властивостями, подібними до лінійного джерела, звичайно для певного діапазону частот. Акустичні параметри такого джерела безпосередньо залежать від його висоти, кількості розміщених у ньому колонок і відстані між перетворювачами. Ми спробуємо пояснити принцип роботи цього специфічного пристрою, а також пояснити принцип роботи все більш популярних колонок з цифровим управлінням акустичним променем.

Що таке колонки моделювання звуку?

Гучномовці, які нещодавно з'явилися на нашому ринку, мають можливість моделювання акустичного променя. Розміри та зовнішній вигляд дуже схожі на традиційні гучномовці, добре відомі та використовувані з XNUMX-го століття. Гучномовці з цифровим керуванням використовуються в подібних установках, як і їхні аналогові попередники. Цей тип гучномовців можна знайти, серед іншого, у церквах, пасажирських терміналах на вокзалах чи аеропортах, громадських місцях, кортах і спортивних залах. Однак існує багато аспектів, коли колони з акустичним променем з цифровим керуванням переважують традиційні рішення.

Акустичні аспекти

Усі вищезазначені місця характеризуються відносно складною акустикою, пов’язаною з їхньою кубатурою та наявністю поверхонь із високим ступенем відбивання, що безпосередньо перетворюється на великий час реверберації RT60s (RT60 «час ревербації») у цих приміщеннях.

Такі приміщення вимагають використання гучномовців з високою спрямованістю. Співвідношення прямого звуку до відбитого має бути достатньо високим, щоб розбірливість мови та музики була максимально високою. Якщо ми використовуємо традиційні гучномовці з меншими характеристиками спрямованості в акустично складному приміщенні, може виявитися, що генерований звук буде відбиватися від багатьох поверхонь, тому співвідношення прямого звуку і відбитого істотно зменшиться. У такій ситуації лише ті слухачі, які перебувають дуже близько до джерела звуку, зможуть правильно зрозуміти повідомлення, що доходить до них.

Архітектурні аспекти

Щоб отримати відповідне співвідношення якості генерованого звуку по відношенню до ціни звукової системи, слід використовувати невелику кількість гучномовців з високим коефіцієнтом добротності (спрямованістю). Тож чому ми не знаходимо великих систем труб або лінійних систем у вищезгаданих об’єктах, таких як станції, термінали, церкви? Відповідь тут дуже проста – архітектори створюють ці будівлі, багато в чому керуючись естетикою. Великі трубні системи або лінійні кластери своїми розмірами не відповідають архітектурі приміщення, тому архітектори не погоджуються на їх використання. Компромісом в даному випадку часто були динаміки, ще до того, як для них були винайдені спеціальні схеми DSP і можливість управління кожним з драйверів. Ці пристрої можна легко заховати в архітектурі приміщення. Зазвичай вони кріпляться впритул до стіни і можуть бути забарвлені в колір оточуючих поверхонь. Це набагато привабливіше рішення і, перш за все, більш охоче сприймається архітекторами.

Лінійні масиви не новинка!

Принцип лінійного джерела з математичними розрахунками та описом їх характеристик спрямованості дуже добре описав Гарі Ф. Олсон у своїй книзі «Акустична інженерія», опублікованій вперше в 1940 році. Там ми знайдемо дуже докладне пояснення фізичні явища, що відбуваються в гучномовцях з використанням властивостей лінійного джерела

У наступній таблиці наведено акустичні властивості традиційних гучномовців:

Недоліком гучномовців є те, що частотна характеристика такої системи не є плоскою. Їх конструкція генерує набагато більше енергії в діапазоні низьких частот. Ця енергія, як правило, менш спрямована, тому вертикальна дисперсія буде набагато більшою, ніж для вищих частот. Як відомо, акустично складні приміщення зазвичай характеризуються тривалим часом реверберації в діапазоні дуже низьких частот, що через підвищену енергію в цій смузі частот може призвести до погіршення розбірливості мови.

Щоб пояснити, чому гучномовці поводяться таким чином, ми коротко розглянемо деякі основні фізичні поняття для традиційних гучномовців і тих, що мають цифрове керування акустичним променем.

Взаємодія точкових джерел

• Спрямованість двох джерел

Коли два точкові джерела, розділені половиною довжини хвилі (λ / 2), генерують однаковий сигнал, сигнали під і над таким масивом гасять один одного, а на осі масиву сигнал посилиться вдвічі (6 дБ).

λ / 4 (одна чверть довжини хвилі – для однієї частоти)

Коли два джерела віддалені один від одного на довжину λ / 4 або менше (ця довжина, звичайно, відноситься до однієї частоти), ми помічаємо невелике звуження характеристик спрямованості у вертикальній площині.

λ / 4 (одна чверть довжини хвилі – для однієї частоти)

Коли два джерела віддалені один від одного на довжину λ / 4 або менше (ця довжина, звичайно, відноситься до однієї частоти), ми помічаємо невелике звуження характеристик спрямованості у вертикальній площині.

λ (одна довжина хвилі)

Різниця в одну довжину хвилі посилить сигнали як вертикально, так і горизонтально. Акустичний промінь матиме форму двох листочків

2l

У міру збільшення відношення довжини хвилі до відстані між перетворювачами кількість бічних пелюсток також збільшується. Для постійної кількості та відстані між перетворювачами в лінійних системах це співвідношення зростає з частотою (тут стають у нагоді хвилеводи, які дуже часто використовуються в наборах лінійних масивів).

Обмеження лінійних джерел

Відстань між окремими гучномовцями визначає максимальну частоту, для якої система працюватиме як лінійне джерело. Висота джерела визначає мінімальну частоту, для якої ця система є спрямованою.

Залежність висоти джерела від довжини хвилі

λ / 2

Для довжин хвиль, що перевищують подвійну висоту джерела, навряд чи існує будь-який контроль характеристик спрямованості. У цьому випадку джерело можна розглядати як точкове з дуже високим рівнем виходу.

λ

Висота лінійного джерела визначає довжину хвилі, для якої ми будемо спостерігати значне збільшення спрямованості у вертикальній площині.

2 л

На більш високих частотах висота променя зменшується. Починають з'являтися бічні пелюстки, але порівняно з енергією головної пелюстки вони не мають значного впливу.

4 л

Вертикальна спрямованість зростає все більше і більше, енергія основної пелюстки продовжує збільшуватися.

Відстань між окремими перетворювачами в залежності від довжини хвилі

λ / 2

Коли перетворювачі знаходяться не більше ніж на половині довжини хвилі один від одного, джерело створює дуже спрямований промінь з мінімальними бічними пелюстками.

λ

Бічні пелюстки зі значною та вимірюваною енергією утворюються зі зростаючою частотою. Це не повинно бути проблемою, оскільки більшість слухачів знаходяться за межами цієї області.

2l

Кількість бічних часток збільшується вдвічі. Ізолювати слухачів і відбиваючі поверхні від цієї зони випромінювання вкрай складно.

4l

Коли відстань між перетворювачами в чотири рази перевищує довжину хвилі, утворюється стільки бічних пелюсток, що джерело починає виглядати як точкове, а спрямованість значно падає.

Багатоканальні схеми DSP можуть контролювати висоту джерела

Регулювання верхнього частотного діапазону залежить від відстані між окремими високочастотними перетворювачами. Завдання для розробників полягає в тому, щоб мінімізувати цю відстань, зберігаючи оптимальну частотну характеристику та максимальну акустичну потужність, яку створює такий пристрій. Лінійні джерела стають все більш спрямованими зі збільшенням частоти. На найвищих частотах вони навіть занадто спрямовані, щоб свідомо використовувати цей ефект. Завдяки можливості використання окремих систем DSP і підсилення для кожного з перетворювачів, можна контролювати ширину генерованого вертикального акустичного променя. Техніка проста: просто використовуйте фільтри низьких частот, щоб зменшити рівні та корисний діапазон частот для окремих гучномовців у кабінеті. Щоб відвести промінь від центру корпусу, змінюємо ряд фільтрів і частоту зрізу (найбільш щадну для динаміків, розташованих в центрі корпусу). Цей тип роботи був би неможливий без використання окремого підсилювача та схеми DSP для кожного гучномовця в такій лінії.

Традиційний гучномовець дозволяє керувати вертикальним акустичним променем, але ширина променя змінюється з частотою. Загалом, коефіцієнт спрямованості Q є змінним і нижчим за необхідний.

Контроль нахилу акустичного променя

Як відомо, історія любить повторюватися. Нижче наведено діаграму з книги Гаррі Ф. Олсона «Акустична інженерія». Цифрова затримка випромінювання окремих динаміків лінійного джерела точно така ж, як фізичне нахил лінійного джерела. Після 1957 року знадобилося багато часу, щоб технологія використовувала це явище, утримуючи при цьому витрати на оптимальному рівні.

Лінійні джерела зі схемами DSP вирішують багато архітектурних і акустичних проблем

• Змінний коефіцієнт вертикальної спрямованості Q випромінюваного акустичного променя.

Схеми DSP для лінійних джерел дозволяють змінювати ширину акустичного променя. Це можливо завдяки перевірці перешкод для окремих динаміків. Колона ICONYX від американської компанії Renkus-Heinz дозволяє змінювати ширину такої балки в діапазоні: 5, 10, 15 і 20 °, звичайно, якщо така колона досить висока (це дозволяє тільки корпус IC24). вибрати промінь шириною 5°). Таким чином, вузький акустичний промінь запобігає непотрібним відбиттям від підлоги чи стелі в приміщеннях із сильною реверберацією.

Постійний коефіцієнт спрямованості Q зі збільшенням частоти

Завдяки схемам DSP і підсилювачам потужності для кожного з перетворювачів ми можемо підтримувати постійний коефіцієнт спрямованості в широкому діапазоні частот. Це не тільки мінімізує рівні відбитого звуку в кімнаті, але й забезпечує постійне посилення для широкого діапазону частот.

Можливість направлення акустичного променя незалежно від місця установки

Хоча керування акустичним променем просте з точки зору обробки сигналу, це дуже важливо з архітектурних причин. Такі можливості призводять до того, що без необхідності фізично нахиляти гучномовець, ми створюємо приємне для ока джерело звуку, яке поєднується з архітектурою. ICONYX також має можливість встановити розташування центру акустичного променя.

Використання змодельованих лінійних джерел

• Церкви

Багато церков мають подібні риси: дуже високі стелі, кам'яні або скляні відбиваючі поверхні, відсутність поглинаючих поверхонь. Все це призводить до того, що час реверберації в цих приміщеннях дуже великий, досягаючи навіть декількох секунд, що робить розбірливість мови дуже поганою.

• Громадський транспорт

Аеропорти та вокзали дуже часто оздоблюються матеріалами з акустичними властивостями, подібними до тих, що використовуються в церквах. Об’єкти громадського транспорту важливі, оскільки повідомлення про прибуття, відправлення або затримки, що надходять до пасажирів, мають бути зрозумілими.

• Музеї, аудиторії, фойє

Багато будівель меншого масштабу, ніж громадський транспорт чи церкви, мають схожі несприятливі акустичні параметри. Двома основними проблемами для лінійних джерел із цифровим моделюванням є тривалий час реверберації, який негативно впливає на розбірливість мови, і візуальні аспекти, які є такими важливими при остаточному виборі типу системи оповіщення.

Критерії проектування. Повносмугова акустична потужність

Кожне лінійне джерело, навіть із вдосконаленими схемами DSP, можна керувати лише в межах певного корисного діапазону частот. Однак використання коаксіальних перетворювачів, що утворюють ланцюг лінійного джерела, забезпечує повнодіапазонну акустичну потужність у дуже широкому діапазоні. Тому звук чистий і дуже природний. У типових програмах для мовних сигналів або повнодіапазонної музики більша частина енергії знаходиться в діапазоні, який ми можемо контролювати завдяки вбудованим коаксіальним драйверам.

Повний контроль за допомогою передових інструментів

Щоб максимізувати ефективність цифрово змодельованого лінійного джерела, недостатньо використовувати тільки високоякісні перетворювачі. Адже ми знаємо, що для того, щоб мати повний контроль над параметрами гучномовця, ми повинні використовувати передову електроніку. Такі припущення змусили використовувати багатоканальне підсилення та схеми DSP. Мікросхема D2, яка використовується в гучномовцях ICONYX, забезпечує повнодіапазонне багатоканальне підсилення, повний контроль над процесорами DSP і, за бажанням, кілька аналогових і цифрових входів. Коли закодований PCM-сигнал надходить на колонку у вигляді цифрових сигналів AES3 або CobraNet, мікросхема D2 негайно перетворює його в ШІМ-сигнал. Цифрові підсилювачі першого покоління перетворювали сигнал PCM спочатку в аналогові сигнали, а потім у сигнали ШІМ. Це A / D – D / A перетворення, на жаль, значно збільшило вартість, спотворення та затримку.

Гнучкість

Природний і чистий звук цифрово змодельованих лінійних джерел дозволяє використовувати це рішення не тільки в громадському транспорті, церквах і музеях. Модульна структура колон ICONYX дозволяє збирати лінійні джерела відповідно до потреб даного приміщення. Керування кожним елементом такого джерела дає велику гнучкість при встановленні, наприклад, багатьох точок, де створюється акустичний центр випромінюваного променя, тобто багатьох лінійних джерел. Центр такої балки може розташовуватися в будь-якому місці по всій висоті колони. Це можливо завдяки дотриманню малих постійних відстаней між високочастотними перетворювачами.

Горизонтальні кути випромінювання залежать від елементів колони

Як і в інших вертикальних лінійних джерелах, звуком від ICONYX можна керувати лише вертикально. Горизонтальний кут променя постійний і залежить від типу використовуваних перетворювачів. Ті, що використовуються в колонці IC, мають кут променя в широкій смузі частот, відмінності знаходяться в діапазоні від 140 до 150 Гц для звуку в смузі від 100 Гц до 16 кГц.

Широкий кут випромінювання дає більшу ефективність

Широка дисперсія, особливо на високих частотах, забезпечує кращу когерентність і розбірливість звуку, особливо на краях характеристики спрямованості. У багатьох ситуаціях ширший кут променя означає, що використовується менше гучномовців, що безпосередньо перетворюється на економію.

Фактичні взаємодії датчиків

Ми добре знаємо, що характеристики спрямованості реального динаміка не можуть бути рівномірними у всьому діапазоні частот. Через розмір такого джерела воно стане більш спрямованим із збільшенням частоти. У випадку з гучномовцями ICONYX динаміки в ньому використовуються всеспрямовані в діапазоні до 300 Гц, напівкруглі в діапазоні від 300 Гц до 1 кГц, а для діапазону від 1 кГц до 10 кГц характеристика спрямованості становить конічний, а його кути променя 140 ° × 140 °. Тому ідеальна математична модель лінійного джерела, що складається з ідеальних всеспрямованих точкових джерел, буде відрізнятися від фактичних перетворювачів. Вимірювання показують, що енергія зворотного випромінювання реальної системи набагато менша, ніж математично змодельована.

ICONYX @ λ (довжина хвилі) лінійне джерело

Ми бачимо, що пучки мають схожу форму, але для колони IC32, у чотири рази більшої за IC8, характеристика значно звужується.

Для частоти 1,25 кГц створюється пучок з кутом випромінювання 10°. Бічні пелюстки на 9 дБ менше.

Для частоти 3,1 кГц ми бачимо добре сфокусований акустичний промінь з кутом 10°. До речі, утворюються дві бічні пелюстки, які значно відхилені від основного променя, це не викликає негативних наслідків.

Постійна спрямованість колон ICONYX

Для частоти 500 Гц (5 λ) спрямованість є постійною при 10°, що було підтверджено попереднім моделюванням для 100 Гц і 1,25 кГц.

Нахил променя - це просте прогресивне уповільнення послідовних гучномовців

Якщо ми фізично нахиляємо гучномовець, ми зміщуємо наступні драйвери в часі відносно позиції слухача. Цей тип зсуву викликає «звуковий нахил» у бік слухача. Ми можемо досягти такого ж ефекту, повісивши динамік вертикально та ввівши збільшені затримки для динаміків у напрямку, у якому ми хочемо спрямувати звук. Для ефективного керування (нахилу) акустичного променя джерело повинно мати висоту, що дорівнює подвоєній довжині хвилі для даної частоти.

Завдяки модульній структурі колон ICONYX можна ефективно нахиляти балку для:

• IC8: 800 Гц

• IC16: 400 Гц

• IC24: 250 Гц

• IC32: 200 Гц

BeamWare – Програмне забезпечення для моделювання колонних балок ICONYX

Метод моделювання, описаний раніше, показує, який тип дії на цифровий сигнал потрібно застосувати (змінні фільтри низьких частот на кожному гучномовці в колонці), щоб отримати очікувані результати.

Ідея відносно проста – у випадку колонки IC16 програмне забезпечення має перетворити, а потім реалізувати шістнадцять параметрів FIR-фільтра та шістнадцять незалежних параметрів затримки. Щоб передати акустичний центр випромінюваного променя, використовуючи постійну відстань між високочастотними перетворювачами в корпусі колонки, нам потрібно розрахувати та реалізувати новий набір налаштувань для всіх фільтрів і затримок.

Створення теоретичної моделі є необхідним, але ми повинні враховувати той факт, що динаміки насправді поводяться по-іншому, більш спрямовано, і вимірювання доводять, що отримані результати кращі, ніж ті, які моделюються за допомогою математичних алгоритмів.

У наш час, з таким великим технологічним розвитком, комп’ютерні процесори вже справляються з цим завданням. BeamWare використовує графічне представлення результатів шляхом графічного введення інформації про розмір зони прослуховування, висоту та розташування стовпців. BeamWare дозволяє легко експортувати налаштування в професійне акустичне програмне забезпечення EASE і безпосередньо зберігати налаштування в схемах колонки DSP. Результатом роботи в програмному забезпеченні BeamWare є передбачувані, точні та повторювані результати в реальних акустичних умовах.

ICONYX – нове покоління звуку

• Якість звуку

Звук ICONYX - це стандарт, давно розроблений виробником Renkus-Heinz. Колонка ICONYX призначена для найкращого відтворення як мовних сигналів, так і повного діапазону музики.

• Широка дисперсія

Це можливо завдяки використанню коаксіальних колонок з дуже широким кутом випромінювання (навіть до 150° у вертикальній площині), особливо для найвищого діапазону частот. Це означає більш узгоджену частотну характеристику по всій зоні та ширше покриття, що означає використання меншої кількості таких гучномовців у закладі.

• Гнучкість

ICONYX — це вертикальний гучномовець з ідентичними коаксіальними драйверами, розташованими дуже близько один до одного. Завдяки малим і постійним відстаням між гучномовцями в корпусі зміщення акустичного центру випромінюваного променя у вертикальній площині практично довільне. Ці типи властивостей дуже корисні, особливо коли архітектурні обмеження не дозволяють належного розташування (висоти) колон в об’єкті. Запас по висоті підвісу такого стовпа дуже великий. Модульна конструкція та повна конфігурація дозволяють визначати кілька лінійних джерел з одним довгим стовпцем у вашому розпорядженні. Кожен випромінюваний промінь може мати різну ширину та різний нахил.

• Зниження витрат

Знову ж таки, завдяки використанню коаксіальних динаміків кожен динамік ICONYX дозволяє охоплювати дуже широку область. Ми знаємо, що висота колони залежить від того, скільки модулів IC8 ми підключаємо один до одного. Така модульна структура забезпечує легке та дешеве транспортування.

Основні переваги колон ICONYX

• Більш ефективний контроль вертикального випромінювання джерела.

Розмір гучномовця набагато менший, ніж у старих конструкцій, але при цьому зберігається краща спрямованість, що безпосередньо перетворюється на розбірливість в умовах реверберації. Модульна структура також дозволяє конфігурувати колонку відповідно до потреб закладу та фінансових умов.

• Відтворення звуку в повному діапазоні

Попередні конструкції гучномовців дали мало задовільних результатів щодо частотної характеристики таких гучномовців, оскільки корисна смуга пропускання була в діапазоні від 200 Гц до 4 кГц. Гучномовці ICONYX - це конструкція, яка дозволяє генерувати звук повного діапазону в діапазоні від 120 Гц до 16 кГц, зберігаючи постійний кут випромінювання в горизонтальній площині в цьому діапазоні. Крім того, модулі ICONYX є електронними та акустичними більш ефективними: вони щонайменше на 3-4 дБ «гучніші» за своїх попередників аналогічного розміру.

• Вдосконалена електроніка

Кожен із перетворювачів у корпусі керується окремою схемою підсилювача та схемою DSP. Коли використовуються входи AES3 (AES / EBU) або CobraNet, сигнали «цифрово чисті». Це означає, що схеми DSP безпосередньо перетворюють вхідні сигнали PCM у сигнали ШІМ без непотрібного аналого-цифрового та цифрово-аналогового перетворення.

• Розширені схеми DSP

Удосконалені алгоритми обробки сигналів, розроблені спеціально для колон ICONYX, і зручний для ока інтерфейс BeamWare полегшують роботу користувача, завдяки чому вони можуть використовуватися в широкому діапазоні своїх можливостей на багатьох об'єктах.

Підсумовування

Ця стаття присвячена детальному аналізу гучномовців і моделюванню звуку за допомогою передових схем DSP. Варто підкреслити, що теорія фізичних явищ, яка використовує як традиційні, так і цифрово змодельовані гучномовці, була описана ще в 50-х роках. Тільки з використанням набагато дешевших і якісніших електронних компонентів можна повністю контролювати фізичні процеси при обробці акустичних сигналів. Ці знання загальнодоступні, але ми все ще зустрічаємо і будемо зустрічати випадки, коли нерозуміння фізичних явищ призводить до частих помилок в розташуванні і розташуванні гучномовців, прикладом може бути часто горизонтальна збірка гучномовців (з естетичних міркувань).

Звісно, ​​цей вид дії також використовується свідомо, і цікавим прикладом цього є горизонтальне встановлення колон колонками донизу на перонах вокзалів. Використовуючи динаміки таким чином, ми можемо наблизитися до ефекту «зливу», коли при виході за межі діапазону такого динаміка (область розсіювання – корпус колонки) рівень звуку значно падає. Таким чином можна мінімізувати рівень відбитого звуку, досягаючи значного покращення розбірливості мови.

У ті часи високорозвиненої електроніки ми все частіше зустрічаємо інноваційні рішення, які, однак, використовують ту ж фізику, яка була відкрита й описана давно. Цифрово змодельований звук дає нам дивовижні можливості для адаптації до акустично складних приміщень.

Виробники вже анонсують прорив в контролі та управлінні звуком, одним із таких акцентів є поява абсолютно нових динаміків (модульні IC2 фірми Renkus-Heinz), які можна будь-яким чином компонувати для отримання якісного джерела звуку, повністю керований, будучи лінійним джерелом і точкою.