Звуково моделиране

Тази статия е посветена на темата за високоговорителите. Ще се опитаме да разсеем много митове за тях и да обясним какво всъщност представляват високоговорителите, както традиционните, така и тези с възможност за моделиране на акустичен лъч.

Първо, нека представим някои основни електроакустични дефиниции, с които ще работим в тази статия. Високоговорителят е единичен електроакустичен преобразувател, който е монтиран в корпуса. Само комбинацията от няколко високоговорителя в един корпус създава комплект високоговорители. Специален вид високоговорители са високоговорителите.

Какво е високоговорител?

Високоговорител за много хора е всеки високоговорител, поставен в корпус, но това не е съвсем вярно. Колоната за високоговорител е специфично високоговорително устройство, което в корпуса си има няколко до дузина еднакви електроакустични преобразуватели (високоговорители), разположени вертикално. Благодарение на тази структура е възможно да се създаде източник със свойства, подобни на линеен източник, разбира се за определен честотен диапазон. Акустичните параметри на такъв източник са пряко свързани с неговата височина, броя на високоговорителите, разположени в него, и разстоянията между трансдюсерите. Ще се опитаме да обясним принципа на действие на това специфично устройство, както и да обясним принципа на действие на набиращите популярност колони с цифрово управляван акустичен лъч.

Какво представляват високоговорителите за моделиране на звук?

Наскоро появилите се на нашия пазар високоговорители имат възможност за моделиране на акустичния лъч. Размерите и външният вид са много подобни на традиционните високоговорители, добре познати и използвани от XNUMX-те години насам. Дигитално управляваните високоговорители се използват в подобни инсталации като техните аналогови предшественици. Този тип високоговорители могат да бъдат намерени, между другото, в църкви, пътнически терминали на железопътни гари или летища, обществени места, съдилища и спортни зали. Въпреки това, има много аспекти, при които дигитално управляваните колони с акустичен лъч надделяват над традиционните решения.

Акустични аспекти

Всички горепосочени места се характеризират със сравнително трудна акустика, свързана с тяхната кубатура и наличието на силно отразяващи повърхности, което се превежда директно в голямото време на реверберация RT60s (RT60 „време на ревербация“) в тези стаи.

Такива помещения изискват използването на високоговорители с висока насоченост. Съотношението на директния към отразения звук трябва да бъде достатъчно високо, за да бъде разбираемостта на речта и музиката възможно най-висока. Ако използваме традиционни високоговорители с по-малко насочени характеристики в акустично трудна стая, може да се окаже, че генерираният звук ще се отрази от много повърхности, така че съотношението на директния звук към отразения звук ще намалее значително. В такава ситуация само слушатели, които са много близо до източника на звук, ще могат да разберат правилно посланието, което достига до тях.

Архитектурни аспекти

За да се получи подходящото съотношение на качеството на генерирания звук спрямо цената на озвучителната система, трябва да се използват малък брой високоговорители с висок Q фактор (насоченост). Така че защо не намираме големи тръбни системи или линейни системи в гореспоменатите съоръжения, като гари, терминали, църкви? Тук има много прост отговор – архитектите създават тези сгради до голяма степен водени от естетиката. Големите тръбни системи или линейни клъстери не отговарят на архитектурата на помещението с размерите си, поради което архитектите не са съгласни с използването им. Компромисът в този случай често бяха високоговорителите, дори преди за тях да бъдат измислени специални DSP схеми и възможност за управление на всеки от драйверите. Тези устройства могат лесно да бъдат скрити в архитектурата на стаята. Обикновено се монтират близо до стената и могат да бъдат оцветени в цвета на околните повърхности. Това е много по-атрактивно решение и преди всичко по-лесно се приема от архитектите.

Линейните масиви не са нови!

Принципът на линейния източник с математически изчисления и описанието на техните характеристики на насоченост е много добре описан от Хари Ф. Олсън в книгата му „Акустично инженерство“, публикувана за първи път през 1940 г. Там ще намерим много подробно обяснение на физическите явления, възникващи в високоговорители, използващи свойствата на линеен източник

Следващата таблица показва акустичните свойства на традиционните високоговорители:

Едно недостатъчно свойство на високоговорителите е, че честотната характеристика на такава система не е равна. Техният дизайн генерира много повече енергия в нискочестотния диапазон. Тази енергия обикновено е по-малко насочена, така че вертикалната дисперсия ще бъде много по-голяма, отколкото при по-високи честоти. Както е известно, акустично трудни помещения обикновено се характеризират с дълго време на реверберация в диапазона на много ниски честоти, което поради повишената енергия в тази честотна лента може да доведе до влошаване на разбираемостта на речта.

За да обясним защо високоговорителите се държат по този начин, ще разгледаме накратко някои основни физически концепции за традиционните високоговорители и тези с цифрово управление на акустичния лъч.

Взаимодействия с точков източник

• Насоченост на два източника

Когато два точкови източника, разделени на половин дължина на вълната (λ / 2), генерират един и същ сигнал, сигналите под и над такъв масив ще се компенсират взаимно и по оста на масива сигналът ще бъде усилен два пъти (6 dB).

λ / 4 (една четвърт от дължината на вълната – за една честота)

Когато два източника са отдалечени на разстояние от λ / 4 или по-малко (тази дължина, разбира се, се отнася за една честота), забелязваме леко стесняване на характеристиките на посоката във вертикалната равнина.

λ / 4 (една четвърт от дължината на вълната – за една честота)

Когато два източника са отдалечени на разстояние от λ / 4 или по-малко (тази дължина, разбира се, се отнася за една честота), забелязваме леко стесняване на характеристиките на посоката във вертикалната равнина.

λ (една дължина на вълната)

Разлика от една дължина на вълната ще усили сигналите както вертикално, така и хоризонтално. Акустичният лъч ще бъде под формата на две листа

2l

Тъй като съотношението на дължината на вълната към разстоянието между преобразувателите се увеличава, броят на страничните лобове също се увеличава. За постоянен брой и разстояние между преобразувателите в линейни системи, това съотношение се увеличава с честотата (това е мястото, където вълноводите са полезни, много често използвани в комплекти от линейни масиви).

Ограничения на линейните източници

Разстоянието между отделните високоговорители определя максималната честота, за която системата ще действа като линеен източник. Височината на източника определя минималната честота, за която тази система е насочена.

Височината на източника спрямо дължината на вълната

λ / 2

За дължини на вълните, по-големи от два пъти височината на източника, едва ли има някакъв контрол върху характеристиките на посоката. В този случай източникът може да се третира като точков източник с много високо ниво на изход.

λ

Височината на линейния източник определя дължината на вълната, за която ще наблюдаваме значително увеличение на насочеността във вертикалната равнина.

2 л

При по-високи честоти височината на лъча намалява. Започват да се появяват странични лобове, но в сравнение с енергията на главния лоб, те нямат съществен ефект.

4 л

Вертикалната насоченост се увеличава все повече и повече, енергията на главния лоб продължава да се увеличава.

Разстоянието между отделните преобразуватели спрямо дължината на вълната

λ / 2

Когато преобразувателите са на разстояние не повече от половината от дължината на вълната, източникът създава много насочен лъч с минимални странични листа.

λ

Странични лобове със значителна и измерима енергия се формират с нарастваща честота. Това не трябва да е проблем, тъй като повечето слушатели са извън тази област.

2l

Броят на страничните лобове се удвоява. Изключително трудно е да се изолират слушателите и отразяващите повърхности от тази зона на излъчване.

4l

Когато разстоянието между преобразувателите е четири пъти по-голямо от дължината на вълната, се получават толкова много странични листа, че източникът започва да изглежда като точков източник и насочеността спада значително.

Многоканалните DSP схеми могат да контролират височината на източника

Контролът на горния честотен диапазон зависи от разстоянието между отделните високочестотни преобразуватели. Предизвикателството за дизайнерите е да минимизират това разстояние, като същевременно поддържат оптималната честотна характеристика и максималната акустична мощност, генерирана от такова устройство. Линейните източници стават все по-насочени с увеличаване на честотата. При най-високите честоти те дори са твърде насочени, за да се използва съзнателно този ефект. Благодарение на възможността за използване на отделни DSP системи и усилване за всеки от преобразувателите, е възможно да се контролира ширината на генерирания вертикален акустичен лъч. Техниката е проста: просто използвайте нискочестотни филтри, за да намалите нивата и използваемия честотен диапазон за отделните високоговорители в кабинета. За да отдалечим лъча от центъра на корпуса, променяме филтърния ред и честотата на срязване (най-нежната за високоговорителите, разположени в центъра на корпуса). Този тип работа би била невъзможна без използването на отделен усилвател и DSP схема за всеки високоговорител в такава линия.

Традиционният високоговорител ви позволява да управлявате вертикален акустичен лъч, но ширината на лъча се променя с честотата. Най-общо казано, коефициентът на насоченост Q е променлив и по-нисък от изисквания.

Контрол на наклона на акустичния лъч

Както добре знаем, историята обича да се повтаря. По-долу има диаграма от книгата на Хари Ф. Олсън „Акустично инженерство“. Цифровото забавяне на излъчването на отделните високоговорители на линеен източник е точно същото като физическото наклоняване на линейния източник. След 1957 г. отне много време на технологиите, за да се възползват от този феномен, като същевременно поддържат разходите на оптимално ниво.

Линейните източници с DSP схеми решават много архитектурни и акустични проблеми

• Променлив коефициент на вертикална насоченост Q на излъчения акустичен лъч.

DSP схемите за линейни източници позволяват промяна на ширината на акустичния лъч. Това е възможно благодарение на проверката за смущения за отделните високоговорители. Колоната ICONYX на американската компания Renkus-Heinz ви позволява да променяте ширината на такъв лъч в диапазона: 5, 10, 15 и 20 °, разбира се, ако такава колона е достатъчно висока (само корпусът IC24 ви позволява за избор на лъч с ширина 5°). По този начин, тесният акустичен лъч избягва ненужните отражения от пода или тавана в силно ехтящи помещения.

Постоянен фактор на насоченост Q с увеличаване на честотата

Благодарение на DSP схемите и усилвателите на мощността за всеки от преобразувателите можем да поддържаме постоянен фактор на насоченост в широк честотен диапазон. Той не само минимизира нивата на отразения звук в стаята, но и постоянно усилване за широка честотна лента.

Възможност за насочване на акустичния лъч независимо от мястото на монтаж

Въпреки че управлението на акустичния лъч е лесно от гледна точка на обработката на сигнала, то е много важно по архитектурни причини. Подобни възможности водят до факта, че без да е необходимо физически да накланяме високоговорителя, създаваме удобен за очите източник на звук, който се слива с архитектурата. ICONYX също има възможност да зададе местоположението на центъра на акустичния лъч.

Използване на моделирани линейни източници

• Църкви

Много църкви имат подобни характеристики: много високи тавани, отразяващи повърхности от камък или стъкло, без абсорбиращи повърхности. Всичко това води до това, че времето за реверберация в тези помещения е много дълго, достигайки дори няколко секунди, което прави разбираемостта на речта много лоша.

• Съоръжения за обществен транспорт

Летищата и железопътните гари много често са завършени с материали с подобни акустични свойства на тези, използвани в църквите. Съоръженията на обществения транспорт са важни, тъй като съобщенията за пристигащи, заминаващи или закъснения, достигащи до пътниците, трябва да бъдат разбираеми.

• Музеи, Аудитории, Лоби

Много сгради с по-малък мащаб от градския транспорт или църкви имат подобни неблагоприятни акустични параметри. Двете основни предизвикателства за цифрово моделирани линейни източници са дългото време на реверберация, което се отразява неблагоприятно на разбираемостта на речта, и визуалните аспекти, които са толкова важни при окончателния избор на типа система за оповестяване.

Критерии за проектиране. Пълнолентова акустична мощност

Всеки линеен източник, дори и тези с усъвършенствани DSP схеми, може да се управлява само в определен полезен честотен диапазон. Въпреки това, използването на коаксиални преобразуватели, образуващи верига от линейни източници, осигурява пълна акустична мощност в много широк диапазон. Следователно звукът е чист и много естествен. В типичните приложения за говорни сигнали или музика с пълен обхват, по-голямата част от енергията е в диапазона, който можем да контролираме благодарение на вградените коаксиални драйвери.

Пълен контрол с усъвършенствани инструменти

За да се увеличи максимално ефективността на дигитално моделиран линеен източник, не е достатъчно да се използват само висококачествени преобразуватели. В крайна сметка знаем, че за да имаме пълен контрол върху параметрите на високоговорителя, трябва да използваме модерна електроника. Такива предположения наложиха използването на многоканално усилване и DSP схеми. Чипът D2, използван в високоговорителите ICONYX, осигурява пълнообхватно многоканално усилване, пълен контрол на DSP процесорите и по избор няколко аналогови и цифрови входа. Когато кодираният PCM сигнал се достави до колоната под формата на AES3 или CobraNet цифрови сигнали, D2 чипът веднага го преобразува в PWM сигнал. Цифровите усилватели от първо поколение преобразуваха PCM сигнала първо в аналогови сигнали и след това в PWM сигнали. Това A / D – D / A преобразуване за съжаление увеличи значително разходите, изкривяването и латентността.

Гъвкавост

Естественият и ясен звук на цифрово моделираните линейни източници прави възможно използването на това решение не само в съоръжения за обществен транспорт, църкви и музеи. Модулната структура на колоните ICONYX ви позволява да сглобите линейни източници според нуждите на дадено помещение. Управлението на всеки елемент от такъв източник дава голяма гъвкавост при задаване например на много точки, където се създава акустичният център на излъчвания лъч, т.е. много линейни източници. Центърът на такъв лъч може да бъде разположен навсякъде по цялата височина на колоната. Това е възможно благодарение на поддържането на малки постоянни разстояния между високочестотните преобразуватели.

Хоризонталните ъгли на излъчване зависят от елементите на колоната

Както при другите вертикални линейни източници, звукът от ICONYX може да се контролира само вертикално. Ъгълът на хоризонталния лъч е постоянен и зависи от вида на използваните преобразуватели. Използваните в колоната IC имат ъгъл на излъчване в широка честотна лента, разликите са в диапазона от 140 до 150 Hz за звук в лентата от 100 Hz до 16 kHz.

Широкият ъгъл на излъчване дава по-голяма ефективност

Широката дисперсия, особено при високи честоти, осигурява по-добра кохерентност и разбираемост на звука, особено в краищата на характеристиката на насоченост. В много ситуации по-широкият ъгъл на лъча означава, че се използват по-малко високоговорители, което се превръща директно в спестявания.

Действителните взаимодействия на пикапите

Ние знаем много добре, че характеристиките на насоченост на един истински високоговорител не могат да бъдат еднакви в целия честотен диапазон. Поради размера на такъв източник, той ще стане по-насочен с увеличаване на честотата. При високоговорителите ICONYX използваните в него говорители са всепосочни в диапазона до 300 Hz, полукръгли в диапазона от 300 Hz до 1 kHz, а за диапазона от 1 kHz до 10 kHz характеристиката на насоченост е конична и ъглите на лъча са 140 ° × 140 °. Следователно идеалният математически модел на линеен източник, съставен от идеални многопосочни точкови източници, ще се различава от действителните преобразуватели. Измерванията показват, че енергията на обратното излъчване на реалната система е много по-малка от математически моделираната.

ICONYX @ λ (дължина на вълната) линеен източник

Виждаме, че гредите имат подобна форма, но за колоната IC32, четири пъти по-голяма от IC8, характеристиката се стеснява значително.

За честота от 1,25 kHz се създава лъч с ъгъл на излъчване 10 °. Страничните лобове са с 9 dB по-малко.

За честота от 3,1 kHz виждаме добре фокусиран акустичен лъч с ъгъл 10 °. Между другото, образуват се два странични лоба, които са значително отклонени от основния лъч, това не причинява отрицателни ефекти.

Постоянна насоченост на колоните ICONYX

За честота от 500 Hz (5 λ) насочеността е постоянна при 10 °, което беше потвърдено от предишни симулации за 100 Hz и 1,25 kHz.

Наклонът на лъча е просто прогресивно забавяне на последователни високоговорители

Ако физически наклоним високоговорителя, ние изместваме следващите драйвери във времето спрямо позицията на слушане. Този тип изместване причинява „наклон на звука“ към слушателя. Можем да постигнем същия ефект, като окачим високоговорителя вертикално и въведем нарастващи закъснения за драйверите в посоката, в която искаме да насочим звука. За ефективно управление (накланяне) на акустичния лъч, източникът трябва да има височина, равна на удвоената дължина на вълната за дадената честота.

С модулната структура на колоните ICONYX е възможно ефективно накланяне на гредата за:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling софтуер

Методът за моделиране, описан по-рано, ни показва какъв тип действие върху цифровия сигнал трябва да приложим (променливи нискочестотни филтри на всеки високоговорител в колоната), за да получим очакваните резултати.

Идеята е сравнително проста – в случая на колоната IC16, софтуерът трябва да конвертира и след това да приложи шестнадесет настройки на FIR филтъра и шестнадесет независими настройки за забавяне. За да прехвърлим акустичния център на излъчения лъч, като използваме постоянното разстояние между високочестотните преобразуватели в корпуса на колоната, трябва да изчислим и внедрим нов набор от настройки за всички филтри и закъснения.

Създаването на теоретичен модел е необходимо, но трябва да вземем предвид факта, че високоговорителите всъщност се държат по различен начин, по-насочено, а измерванията доказват, че получените резултати са по-добри от тези, симулирани с математически алгоритми.

В днешно време, с такова голямо технологично развитие, компютърните процесори вече се справят със задачата. BeamWare използва графично представяне на резултатите от резултатите чрез графично въвеждане на информация за размера на зоната за слушане, височината и местоположението на колоните. BeamWare ви позволява лесно да експортирате настройките в професионалния акустичен софтуер EASE и директно да запишете настройките в колонните DSP схеми. Резултатът от работата в софтуера BeamWare са предвидими, прецизни и повтарящи се резултати в реални акустични условия.

ICONYX – ново поколение звук

• Качество на звука

Звукът на ICONYX е стандарт, разработен отдавна от производителя Renkus-Heinz. Колоната ICONYX е проектирана да възпроизвежда както говорни сигнали, така и музика в пълен диапазон в най-добрия случай.

• Широка дисперсия

Това е възможно благодарение на използването на коаксиални високоговорители с много широк ъгъл на излъчване (дори до 150 ° във вертикална равнина), особено за най-високия честотен диапазон. Това означава по-последователна честотна характеристика в цялата област и по-широко покритие, което означава използването на по-малко такива високоговорители в съоръжението.

• Гъвкавост

ICONYX е вертикален високоговорител с идентични коаксиални драйвери, разположени много близо един до друг. Поради малките и постоянни разстояния между високоговорителите в корпуса, изместването на акустичния център на излъчвания лъч във вертикалната равнина е практически произволно. Тези типове свойства са много полезни, особено когато архитектурните ограничения не позволяват правилното разположение (височина) на колоните в обекта. Маржът за височината на окачването на такава колона е много голям. Модулният дизайн и пълната конфигурируемост ви позволяват да дефинирате няколко линейни източника с една дълга колона на ваше разположение. Всеки излъчен лъч може да има различна ширина и различен наклон.

• По-ниски разходи

Още веднъж, благодарение на използването на коаксиални високоговорители, всеки високоговорител ICONYX ви позволява да покриете много широка област. Знаем, че височината на колоната зависи от това колко IC8 модула свързваме помежду си. Такава модулна структура позволява лесен и евтин транспорт.

Основните предимства на колоните ICONYX

• По-ефективен контрол на вертикалното излъчване на източника.

Размерът на високоговорителя е много по-малък от по-старите дизайни, като същевременно се поддържа по-добра насоченост, което се превръща директно в разбираемост в условията на реверберация. Модулната структура също така позволява колоната да бъде конфигурирана според нуждите на обекта и финансовите условия.

• Възпроизвеждане на звук в пълен обхват

Предишните дизайни на високоговорители не дадоха задоволителни резултати по отношение на честотната характеристика на такива високоговорители, тъй като полезната честотна лента на обработка беше в диапазона от 200 Hz до 4 kHz. Високоговорителите ICONYX са конструкция, позволяваща генериране на звук в пълен диапазон в диапазона от 120 Hz до 16 kHz, като същевременно се поддържа постоянен ъгъл на излъчване в хоризонталната равнина в целия този диапазон. Освен това модулите ICONYX са електронно и акустично по-ефективни: те са поне 3-4 dB „по-шумни“ от своите предшественици с подобен размер.

• Модерна електроника

Всеки от преобразувателите в корпуса се управлява от отделна усилвателна верига и DSP верига. Когато се използват входове AES3 (AES / EBU) или CobraNet, сигналите са „цифрово чисти“. Това означава, че DSP схемите директно преобразуват PCM входните сигнали в PWM сигнали без ненужно A / D и C / A преобразуване.

• Разширени DSP схеми

Усъвършенстваните алгоритми за обработка на сигнали, разработени специално за колони ICONYX и удобният за окото интерфейс BeamWare улесняват работата на потребителя, благодарение на което те могат да се използват в широк диапазон от своите възможности в много съоръжения.

сумиране

Тази статия е посветена на подробен анализ на високоговорителите и моделирането на звука с усъвършенствани DSP схеми. Струва си да се подчертае, че теорията за физическите явления, които използват както традиционни, така и цифрово моделирани високоговорители, е описана още през 50-те години. Само с използването на много по-евтини и по-добри електронни компоненти е възможно да се контролират напълно физическите процеси при обработката на акустични сигнали. Това знание е общодостъпно, но все още срещаме и ще срещаме случаи, при които неразбирането на физическите явления води до чести грешки в подредбата и местоположението на високоговорителите, пример може да бъде често хоризонталното сглобяване на високоговорителите (поради естетически причини).

Разбира се, този тип действие се използва и съзнателно, като интересен пример за това е хоризонталното монтиране на колони с високоговорители, насочени надолу, върху пероните на железопътните гари. Използвайки високоговорителите по този начин, можем да се доближим до ефекта на „душа“, при който, излизайки извън обхвата на такъв високоговорител (зоната на дисперсия е корпусът на колоната), нивото на звука спада значително. По този начин нивото на отразения звук може да бъде сведено до минимум, като се постига значително подобрение в разбираемостта на речта.

Във времената на силно развита електроника все по-често срещаме иновативни решения, които обаче използват същата физика, открита и описана преди много време. Цифрово моделираният звук ни дава невероятни възможности за адаптиране към акустично трудни помещения.

Производителите вече обявяват пробив в контрола и управлението на звука, като един от тези акценти е появата на изцяло нови високоговорители (модулен IC2 от Renkus-Heinz), които могат да се сглобяват по всякакъв начин, за да се получи висококачествен източник на звук, напълно управляван, докато е линеен източник и точка.