Ljudmodellering

Den här artikeln ägnas åt ämnet högtalare. Vi ska försöka skingra många myter om dem och förklara vad högtalare egentligen är, både traditionella och de med möjlighet till akustisk strålmodellering.

Låt oss först introducera några grundläggande elektroakustikdefinitioner som vi kommer att arbeta med i den här artikeln. En högtalare är en enda elektroakustisk givare som är monterad i höljet. Endast kombinationen av flera högtalare i ett hölje skapar en högtalarsats. En speciell typ av högtalare är högtalare.

Vad är en högtalare?

En högtalare är för många vilken högtalare som helst placerad i ett hus, men det är inte helt sant. En högtalarpelare är en specifik högtalaranordning, som i sitt hölje har flera till ett dussin eller så av samma elektroakustiska omvandlare (högtalare) anordnade vertikalt. Tack vare denna struktur är det möjligt att skapa en källa med egenskaper som liknar en linjär källa, naturligtvis för ett visst frekvensområde. De akustiska parametrarna för en sådan källa är direkt relaterade till dess höjd, antalet högtalare placerade i den och avstånden mellan givarna. Vi kommer att försöka förklara funktionsprincipen för denna specifika enhet, samt förklara funktionsprincipen för de allt mer populära kolumnerna med digitalt styrd akustisk stråle.

Vad är ljudmodelleringshögtalare?

De högtalare som nyligen hittats på vår marknad har möjlighet att modellera den akustiska strålen. Måtten och utseendet påminner mycket om traditionella högtalare, välkända och använda sedan XNUMXs. Digitalt styrda högtalare används i liknande installationer som deras analoga föregångare. Den här typen av högtalarenheter finns bland annat i kyrkor, passagerarterminaler på järnvägsstationer eller flygplatser, offentliga utrymmen, domstolar och sporthallar. Det finns dock många aspekter där digitalt styrda akustiska strålpelare uppväger traditionella lösningar.

Akustiska aspekter

Alla de ovan nämnda platserna kännetecknas av relativt svår akustik, relaterad till deras kubatur och närvaron av mycket reflekterande ytor, vilket direkt översätts till den stora efterklangstiden RT60s (RT60 "efterklangstid") i dessa rum.

Sådana rum kräver användning av högtalarenheter med hög riktningsförmåga. Förhållandet mellan direkt och reflekterat ljud måste vara tillräckligt högt för att förståelsen av tal och musik ska vara så hög som möjligt. Om vi ​​använder traditionella högtalare med mindre riktningsegenskaper i ett akustiskt svårt rum kan det visa sig att det genererade ljudet kommer att reflekteras från många ytor, varför förhållandet mellan direkt ljud och reflekterat ljud kommer att minska avsevärt. I en sådan situation kommer endast lyssnare som är mycket nära ljudkällan att kunna förstå meddelandet som når dem.

Arkitektoniska aspekter

För att erhålla rätt förhållande mellan kvaliteten på det alstrade ljudet i förhållande till priset på ljudsystemet bör ett litet antal högtalare med hög Q-faktor (direktivitet) användas. Så varför hittar vi inte stora rörsystem eller line-array-system i de tidigare nämnda anläggningarna, såsom stationer, terminaler, kyrkor? Det finns ett mycket enkelt svar här – arkitekter skapar dessa byggnader till stor del styrda av estetik. Stora rörsystem eller line-array-kluster matchar inte rummets arkitektur med deras storlek, varför arkitekter inte går med på deras användning. Kompromissen i det här fallet var ofta högtalarna, redan innan speciella DSP-kretsar och möjligheten att styra var och en av drivrutinerna uppfanns för dem. Dessa enheter kan lätt döljas i rummets arkitektur. De monteras vanligtvis nära väggen och kan färgas med färgen på omgivande ytor. Det är en mycket mer attraktiv lösning och framför allt mer accepterad av arkitekter.

Line-arrays är inte nytt!

Principen för den linjära källan med matematiska beräkningar och beskrivningen av deras riktningsegenskaper beskrevs mycket väl av Hary F. Olson i hans bok "Acoustical Engineering", publicerad för första gången 1940. Där hittar vi en mycket detaljerad förklaring av de fysiska fenomen som uppstår i högtalare med hjälp av egenskaperna hos en linjekälla

Följande tabell visar de akustiska egenskaperna hos traditionella högtalare:

En ofördelaktig egenskap hos högtalare är att frekvenssvaret för ett sådant system inte är platt. Deras design genererar mycket mer energi i lågfrekvensområdet. Denna energi är i allmänhet mindre riktad, så den vertikala spridningen blir mycket större än för högre frekvenser. Som det är allmänt känt kännetecknas akustiskt svåra rum vanligtvis av en lång efterklangstid inom området för mycket låga frekvenser, vilket på grund av den ökade energin i detta frekvensband kan resultera i en försämring av taluppfattbarheten.

För att förklara varför högtalare beter sig på detta sätt kommer vi kort att gå igenom några grundläggande fysiska koncept för traditionella högtalare och de med digital akustisk strålstyrning.

Punktkälla interaktioner

• Riktning av två källor

När två punktkällor separerade med halv våglängd (λ / 2) genererar samma signal, kommer signalerna under och över en sådan array att ta ut varandra, och på arrayens axel kommer signalen att förstärkas två gånger (6 dB).

λ / 4 (en fjärdedel av våglängden – för en frekvens)

När två källor är åtskilda med en längd på λ / 4 eller mindre (denna längd hänvisar naturligtvis till en frekvens), märker vi en liten avsmalning av riktningsegenskaperna i det vertikala planet.

λ / 4 (en fjärdedel av våglängden – för en frekvens)

När två källor är åtskilda med en längd på λ / 4 eller mindre (denna längd hänvisar naturligtvis till en frekvens), märker vi en liten avsmalning av riktningsegenskaperna i det vertikala planet.

λ (en våglängd)

En skillnad på en våglängd kommer att förstärka signalerna både vertikalt och horisontellt. Den akustiska strålen kommer att ha formen av två blad

2l

När förhållandet mellan våglängden och avståndet mellan givarna ökar, ökar också antalet sidolober. För ett konstant antal och avstånd mellan givare i linjära system ökar detta förhållande med frekvensen (det är här som vågledare kommer till nytta, mycket ofta används i line-array-uppsättningar).

Begränsningar för linjekällor

Avståndet mellan de enskilda högtalarna bestämmer den maximala frekvensen för vilken systemet kommer att fungera som en linjekälla. Källhöjden bestämmer den lägsta frekvens för vilken detta system är riktat.

Källhöjd kontra våglängd

λ / 2

För våglängder som är större än två gånger källans höjd finns det knappast någon kontroll över riktningsegenskaperna. I detta fall kan källan behandlas som en punktkälla med en mycket hög uteffekt.

λ

Höjden på linjekällan bestämmer den våglängd för vilken vi kommer att observera en signifikant ökning av riktverkan i vertikalplanet.

2 L

Vid högre frekvenser minskar strålhöjden. Sidolober börjar dyka upp, men jämfört med energin i huvudloben har de ingen signifikant effekt.

4 L

Den vertikala riktningen ökar mer och mer, huvudlobsenergin fortsätter att öka.

Avstånd mellan individuella givare kontra våglängd

λ / 2

När givarna inte är mer än halva våglängden från varandra skapar källan en mycket riktad stråle med minimala sidolober.

λ

Sidolober med betydande och mätbar energi bildas med ökande frekvens. Detta behöver inte vara ett problem eftersom de flesta lyssnarna befinner sig utanför detta område.

2l

Antalet sidolober fördubblas. Det är extremt svårt att isolera lyssnarna och reflekterande ytor från detta strålningsområde.

4l

När avståndet mellan givarna är fyra gånger våglängden produceras så många sidolober att källan börjar se ut som en punktkälla och riktningsförmågan sjunker avsevärt.

Flerkanaliga DSP-kretsar kan styra höjden på källan

Styrningen av det övre frekvensområdet beror på avståndet mellan de enskilda högfrekvensgivarna. Utmaningen för designers är att minimera detta avstånd samtidigt som det optimala frekvenssvaret och den maximala akustiska effekten som genereras av en sådan enhet bibehålls. Linjekällor blir mer och mer riktade när frekvensen ökar. Vid de högsta frekvenserna är de till och med för riktade för att medvetet kunna använda denna effekt. Tack vare möjligheten att använda separata DSP-system och förstärkning för var och en av givarna är det möjligt att styra bredden på den genererade vertikala akustiska strålen. Tekniken är enkel: använd bara lågpassfilter för att minska nivåerna och det användbara frekvensområdet för de enskilda högtalarna i skåpet. För att flytta strålen bort från mitten av huset ändrar vi filterraden och gränsfrekvensen (den mest skonsamma för högtalarna som är placerade i mitten av huset). Denna typ av operation skulle vara omöjlig utan användningen av en separat förstärkare och DSP-krets för varje högtalare i en sådan linje.

En traditionell högtalare låter dig styra en vertikal akustisk stråle, men strålens bredd ändras med frekvensen. Generellt sett är riktningsfaktorn Q variabel och lägre än vad som krävs.

Akustisk strållutningskontroll

Som vi väl vet, gillar historien att upprepa sig. Nedan är ett diagram från boken av Harry F. Olson "Acoustical Engineering". Att digitalt fördröja strålningen från de enskilda högtalarna i en linjekälla är exakt samma sak som att fysiskt luta linjekällan. Efter 1957 tog det lång tid för tekniken att ta tillvara detta fenomen, samtidigt som kostnaderna hölls på en optimal nivå.

Linjekällor med DSP-kretsar löser många arkitektoniska och akustiska problem

• Variabel vertikal riktningsfaktor Q för den utstrålade akustiska strålen.

DSP-kretsar för linjekällor gör det möjligt att ändra bredden på den akustiska strålen. Detta är möjligt tack vare störningskontrollen för enskilda högtalare. ICONYX-kolonnen från det amerikanska företaget Renkus-Heinz låter dig ändra bredden på en sådan stråle i intervallet: 5, 10, 15 och 20 °, naturligtvis, om en sådan kolumn är tillräckligt hög (endast IC24-huset tillåter dig att för att välja en stråle med en bredd på 5 °). På så sätt undviker en smal akustisk stråle onödiga reflexer från golv eller tak i rum med hög efterklang.

Konstant riktningsfaktor Q med ökande frekvens

Tack vare DSP-kretsar och effektförstärkare för var och en av givarna kan vi upprätthålla en konstant riktningsfaktor över ett brett frekvensområde. Det minimerar inte bara de reflekterade ljudnivåerna i rummet, utan också en konstant förstärkning för ett brett frekvensband.

Möjlighet att rikta den akustiska strålen oavsett installationsplats

Även om styrningen av den akustiska strålen är enkel ur signalbehandlingssynpunkt är den mycket viktig av arkitektoniska skäl. Sådana möjligheter leder till att vi utan att behöva luta högtalaren fysiskt skapar en ögonvänlig ljudkälla som smälter in i arkitekturen. ICONYX har också möjlighet att ställa in platsen för den akustiska strålens centrum.

Användning av modellerade linjära källor

• Kyrkor

Många kyrkor har liknande egenskaper: mycket högt i tak, sten- eller glasreflekterande ytor, inga absorberande ytor. Allt detta gör att efterklangstiden i dessa rum är mycket lång, till och med några sekunder, vilket gör taluppfattbarheten mycket dålig.

• Kollektivtrafik

Flygplatser och järnvägsstationer är mycket ofta färdiga med material med liknande akustiska egenskaper som de som används i kyrkor. Kollektivtrafiken är viktig eftersom meddelanden om ankomster, avgångar eller förseningar som når passagerare måste vara begripliga.

• Museer, auditorier, lobby

Många byggnader av mindre skala än kollektivtrafik eller kyrkor har liknande ogynnsamma akustiska parametrar. De två huvudutmaningarna för digitalt modellerade linjekällor är den långa efterklangstiden som negativt påverkar taluppfattbarheten, och de visuella aspekterna, som är så viktiga i det slutliga valet av typen av högtalarsystem.

Designkriterier. Fullbands akustisk kraft

Varje linjekälla, även de med avancerade DSP-kretsar, kan endast styras inom ett visst användbart frekvensområde. Användningen av koaxialomvandlare som bildar en linjekälla-krets tillhandahåller emellertid full-range akustisk effekt över ett mycket brett område. Ljudet är därför tydligt och väldigt naturligt. I typiska applikationer för talsignaler eller fullfångsmusik finns det mesta av energin i det intervall som vi kan kontrollera tack vare de inbyggda koaxialdrivrutinerna.

Full kontroll med avancerade verktyg

För att maximera effektiviteten hos en digitalt modellerad linjär källa räcker det inte att endast använda högkvalitativa givare. Vi vet trots allt att för att ha full kontroll över högtalarens parametrar måste vi använda avancerad elektronik. Sådana antaganden tvingade fram användningen av flerkanalsförstärkning och DSP-kretsar. D2-chippet, som används i ICONYX-högtalarna, ger full-range flerkanalsförstärkning, full kontroll av DSP-processorer och valfritt flera analoga och digitala ingångar. När den kodade PCM-signalen levereras till kolumnen i form av AES3 eller CobraNet digitala signaler, omvandlar D2-chippet det omedelbart till en PWM-signal. Första generationens digitala förstärkare omvandlade PCM-signalen först till analoga signaler och sedan till PWM-signaler. Denna A/D – D/A-konvertering ökade tyvärr kostnaden, förvrängningen och latensen avsevärt.

Flexibilitet

Det naturliga och tydliga ljudet från digitalt modellerade linjekällor gör det möjligt att använda denna lösning inte bara i kollektivtrafik, kyrkor och museer. Den modulära strukturen hos ICONYX-kolonner gör att du kan montera linjekällor enligt behoven i ett givet rum. Styrning av varje element i en sådan källa ger stor flexibilitet vid inställning av t.ex. många punkter, där den utstrålade strålens akustiska centrum skapas, dvs många linjekällor. Centrum av en sådan balk kan placeras var som helst längs hela höjden av kolonnen. Det är möjligt på grund av att hålla små konstanta avstånd mellan högfrekventa givare.

De horisontella strålningsvinklarna beror på kolumnelementen

Som med andra vertikala linjekällor kan ljudet från ICONYX endast kontrolleras vertikalt. Den horisontella strålvinkeln är konstant och beror på vilken typ av givare som används. De som används i IC-kolonnen har en strålvinkel i ett brett frekvensband, skillnaderna ligger i intervallet 140 till 150 Hz för ljud i bandet från 100 Hz till 16 kHz.

Den breda strålningsvinkeln ger högre effektivitet

Den breda spridningen, speciellt vid höga frekvenser, säkerställer bättre koherens och förståelighet för ljudet, särskilt vid kanterna av riktverkan. I många situationer innebär en bredare strålvinkel att färre högtalare används, vilket direkt leder till besparingar.

Pickupernas faktiska interaktioner

Vi vet mycket väl att riktningsegenskaperna hos en riktig högtalare inte kan vara enhetliga över hela frekvensområdet. På grund av storleken på en sådan källa blir den mer riktad när frekvensen ökar. I fallet med ICONYX-högtalare är högtalarna som används i den rundstrålande i bandet upp till 300 Hz, halvcirkelformade i intervallet från 300 Hz till 1 kHz, och för bandet från 1 kHz till 10 kHz är riktningskarakteristiken konisk och dess strålvinklar är 140 ° × 140 °. Den ideala matematiska modellen av en linjär källa som består av idealiska rundstrålande punktkällor kommer därför att skilja sig från de faktiska omvandlarna. Mätningarna visar att den bakåtriktade strålningsenergin i det verkliga systemet är mycket mindre än den matematiskt modellerade.

ICONYX @ λ (våglängd) linjekälla

Vi kan se att balkarna har en liknande form, men för IC32-kolonnen, fyra gånger större än IC8, minskar karakteristiken avsevärt.

För frekvensen 1,25 kHz skapas en stråle med en strålningsvinkel på 10°. Sidoloberna är 9 dB mindre.

För frekvensen 3,1 kHz ser vi en väl fokuserad akustisk stråle med en vinkel på 10°. Förresten, två sidolober bildas, som avviker avsevärt från huvudbalken, detta orsakar inte negativa effekter.

Konstant riktad riktning för ICONYX-kolumner

För frekvensen 500 Hz (5 λ) är riktverkan konstant vid 10 °, vilket bekräftades av tidigare simuleringar för 100 Hz och 1,25 kHz.

Beam tilt är en enkel progressiv retardation av på varandra följande högtalare

Om vi ​​fysiskt lutar högtalaren förskjuter vi de efterföljande förarna i tid i förhållande till lyssningspositionen. Denna typ av förskjutning orsakar "ljudlutningen" mot lyssnaren. Vi kan uppnå samma effekt genom att hänga högtalaren vertikalt och införa ökande fördröjningar för förarna i den riktning som vi vill rikta ljudet. För effektiv styrning (tiltning) av den akustiska strålen måste källan ha en höjd lika med två gånger våglängden för den givna frekvensen.

Med den modulära strukturen hos ICONYX-pelare är det möjligt att effektivt luta strålen för:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling programvara

Modelleringsmetoden som beskrivits tidigare visar oss vilken typ av åtgärd på den digitala signalen vi behöver tillämpa (variabla lågpassfilter på varje högtalare i kolumnen) för att få de förväntade resultaten.

Idén är relativt enkel – i fallet med IC16-kolumnen måste programvaran konvertera och sedan implementera sexton FIR-filterinställningar och sexton oberoende fördröjningsinställningar. För att överföra den utstrålade strålens akustiska centrum, med hjälp av det konstanta avståndet mellan högfrekvensgivarna i kolumnhuset, måste vi beräkna och implementera en ny uppsättning inställningar för alla filter och fördröjningar.

Att skapa en teoretisk modell är nödvändigt, men vi måste ta hänsyn till att högtalarna faktiskt beter sig annorlunda, mer riktade, och mätningarna bevisar att de erhållna resultaten är bättre än de som simuleras med matematiska algoritmer.

Nuförtiden, med en så stor teknisk utveckling, är datorprocessorer redan lika med uppgiften. BeamWare använder en grafisk representation av resultaten av resultaten genom att grafiskt mata in information om storleken på lyssningsområdet, höjden och placeringen av kolumnerna. BeamWare låter dig enkelt exportera inställningarna till den professionella akustiska programvaran EASE och direkt spara inställningarna till kolumnen DSP-kretsar. Resultatet av att arbeta i programvaran BeamWare är förutsägbara, exakta och repeterbara resultat under verkliga akustiska förhållanden.

ICONYX – en ny generation ljud

• Ljudkvalitet

Ljudet av ICONYX är en standard utvecklad för länge sedan av producenten Renkus-Heinz. ICONYX-kolumnen är designad för att i bästa fall återge både talsignaler och fullfångsmusik.

• Stor spridning

Det är möjligt tack vare användningen av koaxialhögtalare med en mycket bred strålningsvinkel (även upp till 150 ° i vertikalplanet), speciellt för det högsta frekvensområdet. Detta innebär ett mer konsekvent frekvenssvar över hela området och bredare täckning, vilket innebär att man använder färre sådana högtalare i anläggningen.

• Flexibilitet

ICONYX är en vertikal högtalare med identiska koaxialelement placerade mycket nära varandra. På grund av de små och konstanta avstånden mellan högtalarna i huset är förskjutningen av den utstrålade strålens akustiska centrum i vertikalplanet praktiskt taget godtycklig. Dessa typer av egenskaper är mycket användbara, särskilt när de arkitektoniska begränsningarna inte tillåter korrekt placering (höjd) av kolumnerna i objektet. Marginalen för höjden på upphängningen av en sådan kolumn är mycket stor. Den modulära designen och full konfigurerbarhet gör att du kan definiera flera linjekällor med en lång kolumn till ditt förfogande. Varje utstrålad stråle kan ha olika bredd och olika lutning.

• Lägre kostnader

Återigen, tack vare användningen av koaxialhögtalare, låter varje ICONYX-högtalare dig täcka ett mycket brett område. Vi vet att höjden på kolonnen beror på hur många IC8-moduler vi kopplar till varandra. En sådan modulär struktur möjliggör enkel och billig transport.

De främsta fördelarna med ICONYX-kolumner

• Effektivare kontroll av källans vertikala strålning.

Storleken på högtalaren är mycket mindre än de äldre designerna, samtidigt som den bibehåller bättre riktning, vilket direkt översätts till förståelighet i efterklangsförhållanden. Den modulära strukturen gör det också möjligt att konfigurera kolonnen efter anläggningens behov och ekonomiska förutsättningar.

• Full-range ljudåtergivning

Tidigare högtalarkonstruktioner hade gett få tillfredsställande resultat med avseende på frekvenssvaret för sådana högtalare, eftersom den användbara bearbetningsbandbredden låg i intervallet 200 Hz till 4 kHz. ICONYX-högtalare är en konstruktion som möjliggör generering av fullfångsljud i området från 120 Hz till 16 kHz, samtidigt som en konstant strålningsvinkel i horisontalplanet bibehålls i hela detta område. Dessutom är ICONYX-moduler elektroniskt och akustiskt mer effektiva: de är minst 3-4 dB "högre" än sina föregångare av liknande storlek.

• Avancerad elektronik

Var och en av omvandlarna i huset drivs av en separat förstärkarkrets och DSP-krets. När AES3 (AES / EBU) eller CobraNet-ingångar används är signalerna "digitalt klara". Detta innebär att DSP-kretsar direkt omvandlar PCM-ingångssignaler till PWM-signaler utan onödig A/D- och C/A-omvandling.

• Avancerade DSP-kretsar

De avancerade signalbehandlingsalgoritmerna som utvecklats speciellt för ICONYX-kolonner och det ögonvänliga BeamWare-gränssnittet underlättar användarens arbete, tack vare vilket de kan användas i ett brett utbud av sina möjligheter i många anläggningar.

Summering

Den här artikeln ägnas åt en detaljerad analys av högtalare och ljudmodellering med avancerade DSP-kretsar. Det är värt att understryka att teorin om fysiska fenomen som använder både traditionella och digitalt modellerade högtalare beskrevs redan på 50-talet. Endast med användning av mycket billigare och bättre elektroniska komponenter är det möjligt att helt kontrollera de fysiska processerna i behandlingen av akustiska signaler. Denna kunskap är allmänt tillgänglig, men vi träffas ändå och vi kommer att möta fall där missförstånd av fysiska fenomen leder till frekventa fel i högtalares uppställning och placering, ett exempel kan vara den ofta horisontella monteringen av högtalare (av estetiska skäl).

Naturligtvis används den här typen av åtgärder också medvetet, och ett intressant exempel på detta är den horisontella installationen av pelare med högtalare som pekar nedåt på järnvägsstationernas perronger. Genom att använda högtalarna på detta sätt kan vi komma närmare "dusch"-effekten, där ljudnivån sjunker avsevärt, utöver räckvidden för en sådan högtalare (spridningsområdet är pelarens hölje). På så sätt kan den reflekterade ljudnivån minimeras, vilket uppnår en betydande förbättring av taluppfattbarheten.

I dessa tider av högt utvecklad elektronik möter vi allt oftare innovativa lösningar, som dock använder samma fysik som upptäcktes och beskrevs för länge sedan. Digitalt modellerat ljud ger oss fantastiska möjligheter att anpassa oss till akustiskt svåra rum.

Producenterna tillkännager redan ett genombrott inom ljudkontroll och hantering, en av sådana accenter är utseendet på helt nya högtalare (modulära IC2 av Renkus-Heinz), som kan sättas ihop på vilket sätt som helst för att få en högkvalitativ ljudkälla, helt hanterad samtidigt som den är en linjär källa och punkt.