Lydmodellering

Denne artikkelen er viet emnet høyttalere. Vi skal prøve å avlive mange myter om dem og forklare hva høyttalere egentlig er, både tradisjonelle og de med mulighet for akustisk strålemodellering.

Først, la oss introdusere noen grunnleggende elektroakustikkdefinisjoner som vi vil bruke i denne artikkelen. En høyttaler er en enkelt elektroakustisk svinger som er montert i huset. Bare kombinasjonen av flere høyttalere i ett hus skaper et høyttalersett. En spesiell type høyttalere er høyttalere.

Hva er en høyttaler?

En høyttaler er for mange en hvilken som helst høyttaler plassert i et hus, men det er ikke helt sant. En høyttalersøyle er en spesifikk høyttalerenhet, som i huset har flere til et dusin eller så av de samme elektroakustiske transduserne (høyttalere) plassert vertikalt. Takket være denne strukturen er det mulig å lage en kilde med egenskaper som ligner på en lineær kilde, selvfølgelig for et visst frekvensområde. De akustiske parametrene til en slik kilde er direkte relatert til høyden, antall høyttalere plassert i den og avstandene mellom svingerne. Vi vil prøve å forklare prinsippet for drift av denne spesifikke enheten, samt forklare prinsippet om drift av de stadig mer populære søylene med digitalt kontrollert akustisk stråle.

Hva er lydmodelleringshøyttalere?

Høyttalerne som nylig ble funnet på markedet vårt har muligheten til å modellere den akustiske strålen. Dimensjonene og utseendet ligner veldig på tradisjonelle høyttalere, godt kjent og brukt siden XNUMXs. Digitalt styrte høyttalere brukes i lignende installasjoner som deres analoge forgjengere. Denne typen høyttalerenheter finnes blant annet i kirker, passasjerterminaler på jernbanestasjoner eller flyplasser, offentlige rom, baner og idrettshaller. Det er imidlertid mange aspekter hvor digitalt styrte akustiske strålesøyler oppveier tradisjonelle løsninger.

Akustiske aspekter

Alle de ovennevnte stedene er preget av relativt vanskelig akustikk, relatert til kubaturen deres og tilstedeværelsen av svært reflekterende overflater, noe som oversetter seg direkte til den store etterklangstiden RT60s (RT60 "reverbation time") i disse rommene.

Slike rom krever bruk av høyttalerenheter med høy retningsvirkning. Forholdet mellom direkte og reflektert lyd må være høyt nok til at tale- og musikkforståelighet er så høy som mulig. Hvis vi bruker tradisjonelle høyttalere med mindre retningsegenskaper i et akustisk vanskelig rom, kan det vise seg at den genererte lyden vil reflekteres fra mange overflater, slik at forholdet mellom direkte lyd og reflektert lyd vil reduseres betydelig. I en slik situasjon vil bare lyttere som er svært nær lydkilden kunne forstå meldingen som når dem.

Arkitektoniske aspekter

For å få et passende forhold mellom kvaliteten på den genererte lyden i forhold til prisen på lydanlegget, bør et lite antall høyttalere med høy Q-faktor (direktivitet) brukes. Så hvorfor finner vi ikke store rørsystemer eller line-array-systemer i de nevnte anleggene, som stasjoner, terminaler, kirker? Det er et veldig enkelt svar her - arkitekter skaper disse bygningene i stor grad styrt av estetikk. Store rørsystemer eller line-array-klynger matcher ikke rommets arkitektur med størrelsen, og det er grunnen til at arkitekter ikke godtar bruken. Kompromisset i dette tilfellet var ofte høyttalerne, selv før spesielle DSP-kretser og muligheten til å kontrollere hver av driverne ble oppfunnet for dem. Disse enhetene kan enkelt skjules i rommets arkitektur. De monteres vanligvis tett inntil veggen og kan farges med fargen på de omkringliggende overflatene. Det er en mye mer attraktiv løsning og fremfor alt lettere akseptert av arkitekter.

Line-arrays er ikke nytt!

Prinsippet for den lineære kilden med matematiske beregninger og beskrivelsen av deres retningsegenskaper ble meget godt beskrevet av Hary F. Olson i hans bok "Acoustical Engineering", utgitt for første gang i 1940. Der finner vi en meget detaljert forklaring av de fysiske fenomenene som oppstår i høyttalere ved å bruke egenskapene til en linjekilde

Følgende tabell viser de akustiske egenskapene til tradisjonelle høyttalere:

En ufordelaktig egenskap ved høyttalere er at frekvensresponsen til et slikt system ikke er flat. Designet deres genererer mye mer energi i lavfrekvensområdet. Denne energien er generelt mindre retningsbestemt, så den vertikale spredningen vil være mye større enn for høyere frekvenser. Som det er allment kjent, er akustisk vanskelige rom vanligvis preget av lang etterklangstid i området med svært lave frekvenser, som på grunn av den økte energien i dette frekvensbåndet kan resultere i en forringelse av taleforståelighet.

For å forklare hvorfor høyttalere oppfører seg slik, vil vi kort gå gjennom noen grunnleggende fysiske konsepter for tradisjonelle høyttalere og de med digital akustisk strålestyring.

Punktkildeinteraksjoner

• Direktivitet av to kilder

Når to punktkilder atskilt med halv bølgelengde (λ / 2) genererer det samme signalet, vil signalene under og over en slik matrise kansellere hverandre, og på matrisens akse vil signalet forsterkes to ganger (6 dB).

λ / 4 (en fjerdedel av bølgelengden – for én frekvens)

Når to kilder er adskilt med en lengde på λ / 4 eller mindre (denne lengden refererer selvfølgelig til én frekvens), merker vi en liten innsnevring av retningskarakteristikkene i vertikalplanet.

λ / 4 (en fjerdedel av bølgelengden – for én frekvens)

Når to kilder er adskilt med en lengde på λ / 4 eller mindre (denne lengden refererer selvfølgelig til én frekvens), merker vi en liten innsnevring av retningskarakteristikkene i vertikalplanet.

λ (én bølgelengde)

En forskjell på én bølgelengde vil forsterke signalene både vertikalt og horisontalt. Den akustiske strålen vil ha form av to blader

2l

Når forholdet mellom bølgelengden og avstanden mellom transduserne øker, øker også antallet sidelober. For et konstant antall og avstand mellom transdusere i lineære systemer, øker dette forholdet med frekvensen (det er her bølgeledere kommer godt med, veldig ofte brukt i line-array-sett).

Begrensninger for linjekilder

Avstanden mellom de enkelte høyttalerne bestemmer den maksimale frekvensen som systemet vil fungere som en linjekilde for. Kildehøyden bestemmer minimumsfrekvensen som dette systemet er retningsbestemt for.

Kildehøyde kontra bølgelengde

λ / 2

For bølgelengder større enn det dobbelte av kildens høyde er det knapt noen kontroll over retningsegenskapene. I dette tilfellet kan kilden behandles som en punktkilde med et meget høyt utgangsnivå.

λ

Høyden på linjekilden bestemmer bølgelengden som vi vil observere en betydelig økning i retningsvirkningen for i vertikalplanet.

2 l

Ved høyere frekvenser reduseres strålehøyden. Sidelapper begynner å dukke opp, men sammenlignet med energien til hovedlappen har de ingen signifikant effekt.

4 l

Den vertikale retningsevnen øker mer og mer, hovedlobenergien fortsetter å øke.

Avstand mellom individuelle transdusere kontra bølgelengde

λ / 2

Når transduserne ikke er mer enn halvparten av bølgelengden fra hverandre, skaper kilden en veldig retningsbestemt stråle med minimale sidelober.

λ

Sidelober med betydelig og målbar energi dannes med økende frekvens. Dette trenger ikke å være et problem siden de fleste lytterne er utenfor dette området.

2l

Antall sidelapper dobles. Det er ekstremt vanskelig å isolere lytterne og reflekterende overflater fra dette strålingsområdet.

4l

Når avstanden mellom transduserne er fire ganger bølgelengden, produseres så mange sidelober at kilden begynner å ligne en punktkilde og retningsevnen synker betydelig.

Flerkanals DSP-kretser kan kontrollere høyden på kilden

Kontrollen for det øvre frekvensområdet avhenger av avstanden mellom de individuelle høyfrekvente transduserne. Utfordringen for designere er å minimere denne avstanden og samtidig opprettholde den optimale frekvensresponsen og den maksimale akustiske kraften som genereres av en slik enhet. Linjekilder blir mer og mer retningsbestemte ettersom frekvensen øker. Ved de høyeste frekvensene er de til og med for retningsbestemte til å bevisst bruke denne effekten. Takket være muligheten for å bruke separate DSP-systemer og forsterkning for hver av svingerne, er det mulig å kontrollere bredden på den genererte vertikale akustiske strålen. Teknikken er enkel: bare bruk lavpassfiltre for å redusere nivåene og det brukbare frekvensområdet for de enkelte høyttalerne i kabinettet. For å flytte strålen bort fra midten av huset, endrer vi filterraden og avskjæringsfrekvensen (den mest skånsomme for høyttalerne plassert i midten av huset). Denne typen operasjon ville vært umulig uten bruk av en separat forsterker og DSP-krets for hver høyttaler i en slik linje.

En tradisjonell høyttaler lar deg styre en vertikal akustisk stråle, men bredden på strålen endres med frekvensen. Generelt sett er retningsfaktoren Q variabel og lavere enn nødvendig.

Akustisk stråletiltkontroll

Som vi godt vet, liker historien å gjenta seg. Nedenfor er et diagram fra boken av Harry F. Olson "Acoustical Engineering". Digital forsinkelse av strålingen fra de individuelle høyttalerne til en linjekilde er nøyaktig det samme som å skråstille linjekilden. Etter 1957 tok det lang tid før teknologien tok i bruk dette fenomenet, samtidig som kostnadene ble holdt på et optimalt nivå.

Linjekilder med DSP-kretser løser mange arkitektoniske og akustiske problemer

• Variabel vertikal retningsfaktor Q for den utstrålte akustiske strålen.

DSP-kretser for linjekilder gjør det mulig å endre bredden på den akustiske strålen. Dette er mulig takket være interferenssjekken for individuelle høyttalere. ICONYX-søylen fra det amerikanske selskapet Renkus-Heinz lar deg endre bredden på en slik bjelke i området: 5, 10, 15 og 20 °, selvfølgelig, hvis en slik søyle er tilstrekkelig høy (bare IC24-huset lar deg for å velge en stråle med en bredde på 5 °). På denne måten unngår en smal akustisk stråle unødvendige refleksjoner fra gulv eller tak i rom med høy etterklang.

Konstant retningsfaktor Q med økende frekvens

Takket være DSP-kretser og effektforsterkere for hver av svingerne kan vi opprettholde en konstant retningsfaktor over et bredt frekvensområde. Det minimerer ikke bare de reflekterte lydnivåene i rommet, men også en konstant forsterkning for et bredt frekvensbånd.

Mulighet for å rette den akustiske strålen uavhengig av installasjonssted

Selv om styringen av den akustiske strålen er enkel fra et signalbehandlingssynspunkt, er det svært viktig av arkitektoniske årsaker. Slike muligheter fører til at uten at det er nødvendig å vippe høyttaleren fysisk, skaper vi en øyevennlig lydkilde som smelter sammen med arkitekturen. ICONYX har også muligheten til å stille inn plasseringen av det akustiske strålesenteret.

Bruk av modellerte lineære kilder

• Kirker

Mange kirker har lignende funksjoner: svært høye tak, reflekterende overflater av stein eller glass, ingen absorberende overflater. Alt dette fører til at etterklangstiden i disse rommene er veldig lang, og når til og med noen få sekunder, noe som gjør taleforståelsen svært dårlig.

• Offentlig transport

Flyplasser og jernbanestasjoner er svært ofte ferdige med materialer med lignende akustiske egenskaper som de som brukes i kirker. Tilrettelegging for kollektivtransport er viktig fordi meldinger om ankomster, avganger eller forsinkelser som når passasjerene må være forståelige.

• Museer, auditorier, lobby

Mange bygninger i mindre skala enn kollektivtransport eller kirker har lignende ugunstige akustiske parametere. De to hovedutfordringene for digitalt modellerte linjekilder er den lange etterklangstiden som påvirker taleforståelighet negativt, og de visuelle aspektene som er så viktige i det endelige valget av type høyttaleranlegg.

Designkriterier. Full-band akustisk kraft

Hver linjekilde, selv de med avanserte DSP-kretser, kan kun kontrolleres innenfor et visst nyttig frekvensområde. Imidlertid gir bruken av koaksiale transdusere som danner en linjekildekrets full-range akustisk kraft over et meget bredt område. Lyden er derfor klar og veldig naturlig. I typiske applikasjoner for talesignaler eller full-range musikk, er mesteparten av energien i området som vi kan kontrollere takket være de innebygde koaksiale driverne.

Full kontroll med avanserte verktøy

For å maksimere effektiviteten til en digitalt modellert lineær kilde er det ikke nok kun å bruke høykvalitets transdusere. Vi vet tross alt at for å ha full kontroll over parametrene til høyttaleren, må vi bruke avansert elektronikk. Slike forutsetninger tvang bruken av flerkanalsforsterkning og DSP-kretser. D2-brikken, som brukes i ICONYX-høyttalerne, gir full-range multi-kanal forsterkning, full kontroll av DSP-prosessorer og valgfritt flere analoge og digitale innganger. Når det kodede PCM-signalet leveres til kolonnen i form av digitale AES3- eller CobraNet-signaler, konverterer D2-brikken det umiddelbart til et PWM-signal. Førstegenerasjons digitale forsterkere konverterte PCM-signalet først til analoge signaler og deretter til PWM-signaler. Denne A/D – D/A-konverteringen økte dessverre kostnadene, forvrengningen og ventetiden betraktelig.

fleksibilitet

Den naturlige og klare lyden av digitalt modellerte linjekilder gjør det mulig å bruke denne løsningen ikke bare i offentlige transportanlegg, kirker og museer. Den modulære strukturen til ICONYX-søyler lar deg sette sammen linjekilder i henhold til behovene til et gitt rom. Kontroll av hvert element i en slik kilde gir stor fleksibilitet ved innstilling av for eksempel mange punkter, hvor det akustiske senteret til den utstrålte strålen skapes, dvs. mange linjekilder. Sentrum av en slik bjelke kan plasseres hvor som helst langs hele søylens høyde. Det er mulig på grunn av å holde små konstante avstander mellom høyfrekvente transdusere.

De horisontale strålingsvinklene avhenger av søyleelementene

Som med andre vertikale linjekilder, kan lyden fra ICONYX kun kontrolleres vertikalt. Den horisontale strålevinkelen er konstant og avhenger av typen svingere som brukes. De som brukes i IC-kolonnen har en strålevinkel i et bredt frekvensbånd, forskjellene ligger i området 140 til 150 Hz for lyd i båndet fra 100 Hz til 16 kHz.

Den brede strålingsvinkelen gir større effektivitet

Den brede spredningen, spesielt ved høye frekvenser, sikrer bedre sammenheng og forståelighet av lyden, spesielt ved kantene av retningskarakteristikken. I mange situasjoner betyr en bredere strålevinkel at færre høyttalere brukes, noe som gir direkte besparelser.

Selve interaksjonene til pickupene

Vi vet godt at retningsegenskapene til en ekte høyttaler ikke kan være ensartet over hele frekvensområdet. På grunn av størrelsen på en slik kilde vil den bli mer retningsbestemt ettersom frekvensen øker. Når det gjelder ICONYX-høyttalere, er høyttalerne som brukes i den rundstrålende i båndet opp til 300 Hz, halvsirkelformede i området fra 300 Hz til 1 kHz, og for båndet fra 1 kHz til 10 kHz, er retningskarakteristikken konisk og dens strålevinkler er 140 ° × 140 °. Den ideelle matematiske modellen av en lineær kilde sammensatt av ideelle rundstrålende punktkilder vil derfor avvike fra de faktiske transduserne. Målingene viser at bakoverstrålingsenergien til det virkelige systemet er mye mindre enn det matematisk modellerte.

ICONYX @ λ (bølgelengde) linjekilde

Vi kan se at bjelkene har en lignende form, men for IC32-søylen, fire ganger større enn IC8, smalner karakteristikken betydelig inn.

For frekvensen 1,25 kHz opprettes en stråle med en strålingsvinkel på 10 °. Sidelobene er 9 dB mindre.

For frekvensen 3,1 kHz ser vi en godt fokusert akustisk stråle med en vinkel på 10°. Forresten dannes to sidelober, som avviker betydelig fra hovedbjelken, dette forårsaker ikke negative effekter.

Konstant retningsbestemmelse av ICONYX-søyler

For frekvensen 500 Hz (5 λ) er retningsvirkningen konstant ved 10 °, noe som ble bekreftet av tidligere simuleringer for 100 Hz og 1,25 kHz.

Stråletilt er en enkel progressiv retardering av påfølgende høyttalere

Hvis vi fysisk vipper høyttaleren, forskyver vi de påfølgende driverne i tid i forhold til lytteposisjonen. Denne typen skift forårsaker "lydhellingen" mot lytteren. Vi kan oppnå samme effekt ved å henge høyttaleren vertikalt og innføre økende forsinkelser for sjåførene i den retningen vi ønsker å rette lyden i. For effektiv styring (tilting) av den akustiske strålen må kilden ha en høyde lik to ganger bølgelengden for den gitte frekvensen.

Med den modulære strukturen til ICONYX-søyler er det mulig å vippe strålen effektivt for:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling programvare

Modelleringsmetoden beskrevet tidligere viser oss hvilken type handling på det digitale signalet vi må bruke (variable lavpassfiltre på hver høyttaler i kolonnen) for å få de forventede resultatene.

Ideen er relativt enkel – når det gjelder IC16-kolonnen, må programvaren konvertere og deretter implementere seksten FIR-filterinnstillinger og seksten uavhengige forsinkelsesinnstillinger. For å overføre det akustiske senteret til den utstrålte strålen, ved å bruke den konstante avstanden mellom høyfrekvente transdusere i kolonnehuset, må vi beregne og implementere et nytt sett med innstillinger for alle filtre og forsinkelser.

Å lage en teoretisk modell er nødvendig, men vi må ta hensyn til at høyttalerne faktisk oppfører seg annerledes, mer retningsbestemt, og målingene beviser at resultatene som oppnås er bedre enn de som er simulert med matematiske algoritmer.

I dag, med en så stor teknologisk utvikling, er dataprosessorer allerede lik oppgaven. BeamWare bruker en grafisk representasjon av resultatene av resultatene ved grafisk å legge inn informasjon om størrelsen på lytteområdet, høyde og plassering av kolonnene. BeamWare lar deg enkelt eksportere innstillingene til den profesjonelle akustiske programvaren EASE og lagre innstillingene direkte til kolonnens DSP-kretser. Resultatet av å jobbe i BeamWare-programvaren er forutsigbare, presise og repeterbare resultater under ekte akustiske forhold.

ICONYX – en ny generasjon lyd

• Lydkvalitet

Lyden til ICONYX er en standard utviklet for lenge siden av produsenten Renkus-Heinz. ICONYX-søylen er designet for å gjengi både talesignaler og full-range musikk på det beste.

• Bred spredning

Det er mulig takket være bruken av koaksiale høyttalere med en veldig bred strålingsvinkel (selv opp til 150 ° i vertikalplanet), spesielt for det høyeste frekvensområdet. Dette betyr en mer konsistent frekvensrespons over hele området og bredere dekning, noe som betyr at man bruker færre slike høyttalere i anlegget.

• Fleksibilitet

ICONYX er en vertikal høyttaler med identiske koaksiale drivere plassert svært nær hverandre. På grunn av de små og konstante avstandene mellom høyttalerne i huset, er forskyvningen av det akustiske sentrum av den utstrålte strålen i vertikalplanet praktisk talt vilkårlig. Disse typene egenskaper er svært nyttige, spesielt når de arkitektoniske begrensningene ikke tillater riktig plassering (høyde) av søylene i objektet. Marginen for høyden på opphenget av en slik søyle er veldig stor. Den modulære designen og full konfigurerbarhet lar deg definere flere linjekilder med én lang søyle til din disposisjon. Hver utstrålt stråle kan ha ulik bredde og ulik helning.

• Lavere kostnader

Nok en gang, takket være bruken av koaksiale høyttalere, lar hver ICONYX-høyttaler deg dekke et veldig bredt område. Vi vet at høyden på søylen avhenger av hvor mange IC8-moduler vi kobler til hverandre. En slik modulær struktur muliggjør enkel og billig transport.

De viktigste fordelene med ICONYX-søyler

• Mer effektiv kontroll av kildens vertikale stråling.

Størrelsen på høyttaleren er mye mindre enn de eldre designene, samtidig som den opprettholder bedre retningsevne, noe som oversetter seg direkte til forståelighet under etterklangsforhold. Den modulære strukturen gjør det også mulig å konfigurere søylen i henhold til anleggets behov og økonomiske forhold.

• Full-range lydgjengivelse

Tidligere høyttalerdesign hadde gitt lite tilfredsstillende resultater med hensyn til frekvensresponsen til slike høyttalere, da den nyttige behandlingsbåndbredden var i området 200 Hz til 4 kHz. ICONYX-høyttalere er en konstruksjon som muliggjør generering av lyd i hele området fra 120 Hz til 16 kHz, samtidig som de opprettholder en konstant strålingsvinkel i horisontalplanet gjennom hele dette området. I tillegg er ICONYX-moduler elektronisk og akustisk mer effektive: de er minst 3-4 dB "høyere" enn deres forgjengere av tilsvarende størrelse.

• Avansert elektronikk

Hver av omformerne i huset drives av en separat forsterkerkrets og DSP-krets. Når AES3 (AES / EBU) eller CobraNet-innganger brukes, er signalene "digitalt klare". Dette betyr at DSP-kretser direkte konverterer PCM-inngangssignaler til PWM-signaler uten unødvendig A/D- og C/A-konvertering.

• Avanserte DSP-kretser

De avanserte signalbehandlingsalgoritmene utviklet spesielt for ICONYX-søyler og det øyevennlige BeamWare-grensesnittet letter arbeidet til brukeren, takket være at de kan brukes i et bredt spekter av deres muligheter i mange fasiliteter.

summering

Denne artikkelen er viet en detaljert analyse av høyttalere og lydmodellering med avanserte DSP-kretser. Det er verdt å understreke at teorien om fysiske fenomener som bruker både tradisjonelle og digitalt modellerte høyttalere ble beskrevet allerede på 50-tallet. Bare ved bruk av mye billigere og bedre elektroniske komponenter er det mulig å fullt ut kontrollere de fysiske prosessene i behandlingen av akustiske signaler. Denne kunnskapen er allment tilgjengelig, men vi møter fortsatt og vi vil møte tilfeller der misforståelser av fysiske fenomener fører til hyppige feil i oppstilling og plassering av høyttalere, et eksempel kan være den ofte horisontale monteringen av høyttalere (av estetiske årsaker).

Selvfølgelig brukes også denne typen handlinger bevisst, og et interessant eksempel på dette er den horisontale installasjonen av søyler med høyttalere som peker nedover på plattformene til jernbanestasjonene. Ved å bruke høyttalerne på denne måten kan vi komme nærmere "dusj"-effekten, der lydnivået synker betydelig, når det går utover rekkevidden til en slik høyttaler (spredningsområdet er huset til søylen). På denne måten kan det reflekterte lydnivået minimeres, og oppnå en betydelig forbedring i taleforståelighet.

I disse tider med høyt utviklet elektronikk møter vi stadig oftere innovative løsninger, som imidlertid bruker den samme fysikken som ble oppdaget og beskrevet for lenge siden. Digitalt modellert lyd gir oss fantastiske muligheter til å tilpasse oss akustisk vanskelige rom.

Produsentene annonserer allerede et gjennombrudd innen lydkontroll og styring, en av slike aksenter er utseendet til helt nye høyttalere (modulære IC2 av Renkus-Heinz), som kan settes sammen på alle måter for å oppnå en lydkilde av høy kvalitet, fullt administrert samtidig som det er en lineær kilde og et punkt.