Lydmodellering

Denne artikel er afsat til emnet højttalere. Vi vil forsøge at aflive mange myter om dem og forklare, hvad højttalere egentlig er, både traditionelle og dem med mulighed for akustisk strålemodellering.

Lad os først introducere nogle grundlæggende elektroakustikdefinitioner, som vi vil arbejde med i denne artikel. En højttaler er en enkelt elektroakustisk transducer, der er monteret i huset. Kun kombinationen af ​​flere højttalere i et hus skaber et højttalersæt. En særlig type højttalere er højttalere.

Hvad er en højttaler?

En højttaler er for mange mennesker enhver højttaler placeret i et hus, men det er ikke helt rigtigt. En højttalersøjle er en specifik højttalerenhed, som i sit hus har flere til et dusin eller deromkring af de samme elektroakustiske transducere (højttalere) anbragt lodret. Takket være denne struktur er det muligt at skabe en kilde med egenskaber svarende til en lineær kilde, naturligvis for et bestemt frekvensområde. De akustiske parametre for en sådan kilde er direkte relateret til dens højde, antallet af højttalere placeret i den og afstandene mellem transducerne. Vi vil forsøge at forklare princippet om drift af denne specifikke enhed, samt forklare princippet om drift af de stadig mere populære søjler med digitalt styret akustisk stråle.

Hvad er lydmodelleringshøjttalere?

De højttalere, der for nylig er fundet på vores marked, har mulighed for at modellere den akustiske stråle. Dimensionerne og udseendet ligner meget traditionelle højttalere, velkendte og brugte siden XNUMXs. Digitalt styrede højttalere bruges i lignende installationer som deres analoge forgængere. Denne type højttalerenheder findes blandt andet i kirker, passagerterminaler på banegårde eller lufthavne, offentlige rum, baner og sportshaller. Der er dog mange aspekter, hvor digitalt styrede akustiske strålesøjler opvejer traditionelle løsninger.

Akustiske aspekter

Alle de ovennævnte steder er kendetegnet ved relativt vanskelig akustik, relateret til deres kubature og tilstedeværelsen af ​​stærkt reflekterende overflader, hvilket direkte udmønter sig i den store efterklangstid RT60s (RT60 "efterklangstid") i disse rum.

Sådanne rum kræver brug af højttalerenheder med høj retningsvirkning. Forholdet mellem direkte og reflekteret lyd skal være højt nok til, at tale- og musikforståelighed er så høj som muligt. Hvis vi bruger traditionelle højttalere med mindre retningskarakteristika i et akustisk vanskeligt rum, kan det vise sig, at den genererede lyd vil blive reflekteret fra mange overflader, så forholdet mellem direkte lyd og reflekteret lyd vil falde betydeligt. I en sådan situation vil kun lyttere, der er meget tæt på lydkilden, være i stand til korrekt at forstå den besked, der når frem til dem.

Arkitektoniske aspekter

For at opnå det passende forhold mellem kvaliteten af ​​den genererede lyd i forhold til prisen på lydsystemet, bør der anvendes et lille antal højttalere med en høj Q-faktor (direktivitet). Så hvorfor finder vi ikke store rørsystemer eller line-array-systemer i de førnævnte faciliteter, såsom stationer, terminaler, kirker? Der er et meget simpelt svar her - arkitekter skaber disse bygninger i vid udstrækning styret af æstetik. Store rørsystemer eller line-array-klynger matcher ikke rummets arkitektur med deres størrelse, hvorfor arkitekter ikke er enige i deres brug. Kompromiset i dette tilfælde var ofte højttalerne, selv før specielle DSP-kredsløb og evnen til at styre hver af driverne blev opfundet til dem. Disse enheder kan nemt skjules i rummets arkitektur. De er normalt monteret tæt på væggen og kan farves med farven på de omgivende overflader. Det er en meget mere attraktiv løsning og frem for alt lettere accepteret af arkitekter.

Line-arrays er ikke nye!

Princippet om den lineære kilde med matematiske beregninger og beskrivelsen af ​​deres retningsegenskaber blev meget godt beskrevet af Hary F. Olson i hans bog "Acoustical Engineering", udgivet for første gang i 1940. Der vil vi finde en meget detaljeret forklaring af de fysiske fænomener, der opstår i højttalere ved hjælp af egenskaberne for en linjekilde

Følgende tabel viser de akustiske egenskaber for traditionelle højttalere:

En ufordelagtig egenskab ved højttalere er, at frekvensresponsen af ​​et sådant system ikke er flad. Deres design genererer meget mere energi i lavfrekvensområdet. Denne energi er generelt mindre retningsbestemt, så den lodrette spredning vil være meget større end for højere frekvenser. Som det er almindeligt kendt, er akustisk vanskelige rum sædvanligvis karakteriseret ved en lang efterklangstid i området af meget lave frekvenser, hvilket på grund af den øgede energi i dette frekvensbånd kan resultere i en forringelse af taleforståeligheden.

For at forklare, hvorfor højttalere opfører sig på denne måde, vil vi kort gennemgå nogle grundlæggende fysiske koncepter for traditionelle højttalere og dem med digital akustisk strålestyring.

Punktkildeinteraktioner

• Direktivitet af to kilder

Når to punktkilder adskilt af halv bølgelængde (λ / 2) genererer det samme signal, vil signalerne under og over et sådant array ophæve hinanden, og på arrayets akse vil signalet blive forstærket to gange (6 dB).

λ / 4 (en fjerdedel af bølgelængden – for én frekvens)

Når to kilder er adskilt med en længde på λ / 4 eller mindre (denne længde refererer selvfølgelig til én frekvens), bemærker vi en lille indsnævring af retningskarakteristikaene i det lodrette plan.

λ / 4 (en fjerdedel af bølgelængden – for én frekvens)

Når to kilder er adskilt med en længde på λ / 4 eller mindre (denne længde refererer selvfølgelig til én frekvens), bemærker vi en lille indsnævring af retningskarakteristikaene i det lodrette plan.

λ (én bølgelængde)

En forskel på en bølgelængde vil forstærke signalerne både lodret og vandret. Den akustiske stråle vil have form af to blade

2l

Når forholdet mellem bølgelængden og afstanden mellem transducerne stiger, stiger antallet af sidesløjfer også. For et konstant antal og afstand mellem transducere i lineære systemer stiger dette forhold med frekvensen (det er her, bølgeledere er nyttige, meget ofte brugt i line-array-sæt).

Begrænsninger af linjekilder

Afstanden mellem de enkelte højttalere bestemmer den maksimale frekvens, som systemet vil fungere som en linjekilde for. Kildehøjden bestemmer den mindste frekvens, som dette system er retningsbestemt for.

Kildehøjde versus bølgelængde

λ / 2

For bølgelængder større end det dobbelte af kildens højde er der næppe nogen kontrol med retningsegenskaberne. I dette tilfælde kan kilden behandles som en punktkilde med et meget højt udgangsniveau.

λ

Højden af ​​linjekilden bestemmer den bølgelængde, for hvilken vi vil observere en signifikant stigning i retningsvirkningen i det lodrette plan.

2 l

Ved højere frekvenser falder strålehøjden. Sidelapper begynder at dukke op, men sammenlignet med energien i hovedlappen har de ingen signifikant effekt.

4 l

Den lodrette retningsvirkning øges mere og mere, hovedlappens energi fortsætter med at stige.

Afstand mellem individuelle transducere i forhold til bølgelængde

λ / 2

Når transducerne ikke er mere end halvdelen af ​​bølgelængden fra hinanden, skaber kilden en meget retningsbestemt stråle med minimale sidesløjfer.

λ

Sidelapper med betydelig og målbar energi dannes med stigende frekvens. Dette behøver ikke at være et problem, da de fleste af lytterne er uden for dette område.

2l

Antallet af sidelapper fordobles. Det er ekstremt vanskeligt at isolere lytterne og reflekterende overflader fra dette strålingsområde.

4l

Når afstanden mellem transducerne er fire gange bølgelængden, produceres der så mange sidesløjfer, at kilden begynder at ligne en punktkilde, og retningsvirkningen falder betydeligt.

Multi-kanal DSP kredsløb kan styre højden af ​​kilden

Styringen af ​​det øvre frekvensområde afhænger af afstanden mellem de enkelte højfrekvente transducere. Udfordringen for designere er at minimere denne afstand og samtidig bevare den optimale frekvensrespons og den maksimale akustiske effekt, der genereres af en sådan enhed. Linjekilder bliver mere og mere retningsbestemte, efterhånden som frekvensen stiger. Ved de højeste frekvenser er de endda for retningsbestemte til bevidst at bruge denne effekt. Takket være muligheden for at bruge separate DSP-systemer og forstærkning for hver af transducerne, er det muligt at styre bredden af ​​den genererede lodrette akustiske stråle. Teknikken er enkel: Brug blot lavpasfiltre for at reducere niveauer og det anvendelige frekvensområde for de enkelte højttalere i kabinettet. For at flytte strålen væk fra midten af ​​huset ændrer vi filterrækken og afskæringsfrekvensen (den mest skånsomme for højttalerne placeret i midten af ​​huset). Denne type operation ville være umulig uden brugen af ​​en separat forstærker og DSP-kredsløb for hver højttaler i en sådan linje.

En traditionel højttaler giver dig mulighed for at styre en lodret akustisk stråle, men bredden af ​​strålen ændres med frekvensen. Generelt set er retningsfaktoren Q variabel og lavere end påkrævet.

Akustisk strålehældningskontrol

Som vi godt ved, gentager historien sig gerne. Nedenfor er et diagram fra Harry F. Olsons bog "Acoustical Engineering". At forsinke strålingen fra de enkelte højttalere i en linjekilde digitalt er nøjagtig det samme som en fysisk skråning af linjekilden. Efter 1957 tog det lang tid for teknologien at gøre brug af dette fænomen, samtidig med at omkostningerne blev holdt på et optimalt niveau.

Linjekilder med DSP-kredsløb løser mange arkitektoniske og akustiske problemer

• Variabel vertikal retningsfaktor Q for den udstrålede akustiske stråle.

DSP-kredsløb til linjekilder gør det muligt at ændre bredden af ​​den akustiske stråle. Dette er muligt takket være interferenstjekket for individuelle højttalere. ICONYX-søjlen fra det amerikanske firma Renkus-Heinz giver dig mulighed for at ændre bredden af ​​en sådan stråle i området: 5, 10, 15 og 20 °, selvfølgelig, hvis en sådan søjle er tilstrækkelig høj (kun IC24-huset giver dig mulighed for for at vælge en stråle med en bredde på 5 °). På denne måde undgår en smal akustisk stråle unødvendige refleksioner fra gulv eller loft i rum med høj efterklang.

Konstant retningsfaktor Q med stigende frekvens

Takket være DSP-kredsløb og effektforstærkere til hver af transducerne kan vi opretholde en konstant retningsfaktor over et bredt frekvensområde. Det minimerer ikke kun de reflekterede lydniveauer i rummet, men også en konstant forstærkning for et bredt frekvensbånd.

Mulighed for at rette den akustiske stråle uanset installationssted

Selvom styringen af ​​den akustiske stråle er enkel ud fra et signalbehandlingssynspunkt, er det meget vigtigt af arkitektoniske årsager. Sådanne muligheder fører til, at vi, uden at det er nødvendigt at vippe højttaleren fysisk, skaber en øjenvenlig lydkilde, der blander sig med arkitekturen. ICONYX har også mulighed for at indstille placeringen af ​​det akustiske strålecenter.

Brugen af ​​modellerede lineære kilder

• Kirker

Mange kirker har lignende funktioner: meget højt til loftet, sten- eller glasreflekterende overflader, ingen absorberende overflader. Alt dette medfører, at efterklangstiden i disse rum er meget lang, og når op på nogle få sekunder, hvilket gør taleforståeligheden meget dårlig.

• Offentlige transportfaciliteter

Lufthavne og banegårde er meget ofte færdige med materialer med lignende akustiske egenskaber som dem, der bruges i kirker. Offentlige transportfaciliteter er vigtige, fordi beskeder om ankomster, afgange eller forsinkelser, der når passagererne, skal være forståelige.

• Museer, auditorier, lobby

Mange bygninger af mindre skala end offentlig transport eller kirker har lignende ugunstige akustiske parametre. De to hovedudfordringer for digitalt modellerede linjekilder er den lange efterklangstid, som negativt påvirker taleforståeligheden, og de visuelle aspekter, som er så vigtige i det endelige valg af typen højttaleranlæg.

Design kriterier. Full-band akustisk kraft

Hver linjekilde, selv dem med avancerede DSP-kredsløb, kan kun styres inden for et bestemt nyttigt frekvensområde. Imidlertid giver brugen af ​​koaksiale transducere, der danner et linjekildekredsløb, fuld-range akustisk effekt over et meget bredt område. Lyden er derfor klar og meget naturlig. I typiske applikationer til talesignaler eller fuld-range musik er det meste af energien i det område, som vi kan kontrollere takket være de indbyggede koaksiale drivere.

Fuld kontrol med avancerede værktøjer

For at maksimere effektiviteten af ​​en digitalt modelleret lineær kilde er det ikke nok kun at bruge transducere af høj kvalitet. Vi ved jo, at for at have fuld kontrol over højttalerens parametre skal vi bruge avanceret elektronik. Sådanne antagelser tvang brugen af ​​flerkanalsforstærkning og DSP-kredsløb. D2-chippen, der bruges i ICONYX-højttalerne, giver fuld-range multi-kanal forstærkning, fuld kontrol af DSP-processorer og valgfrit flere analoge og digitale indgange. Når det kodede PCM-signal leveres til kolonnen i form af AES3- eller CobraNet-digitale signaler, konverterer D2-chippen det straks til et PWM-signal. Første generations digitale forstærkere konverterede PCM-signalet først til analoge signaler og derefter til PWM-signaler. Denne A/D – D/A konvertering øgede desværre omkostninger, forvrængning og latens betydeligt.

Fleksibilitet

Den naturlige og klare lyd fra digitalt modellerede linjekilder gør det muligt at bruge denne løsning ikke kun i offentlige transportfaciliteter, kirker og museer. Den modulære opbygning af ICONYX-søjler giver dig mulighed for at samle linjekilder i henhold til behovene i et givet rum. Styring af hvert element i en sådan kilde giver stor fleksibilitet ved indstilling af f.eks. mange punkter, hvor det akustiske centrum af den udstrålede stråle skabes, altså mange linjekilder. Midten af ​​en sådan bjælke kan være placeret hvor som helst langs hele søjlens højde. Det er muligt på grund af at holde små konstante afstande mellem højfrekvente transducere.

De vandrette strålingsvinkler afhænger af søjleelementerne

Som med andre vertikale linjekilder kan lyden fra ICONYX kun styres lodret. Den vandrette strålevinkel er konstant og afhænger af den anvendte type transducere. Dem, der anvendes i IC-søjlen, har en strålevinkel i et bredt frekvensbånd, forskellene er i området 140 til 150 Hz for lyd i båndet fra 100 Hz til 16 kHz.

Den brede strålingsvinkel giver større effektivitet

Den brede spredning, især ved høje frekvenser, sikrer bedre sammenhæng og forståelighed af lyden, især ved kanterne af retningskarakteristikken. I mange situationer betyder en bredere strålevinkel, at der bruges færre højttalere, hvilket direkte udmønter sig i besparelser.

Pickuppernes faktiske interaktioner

Vi ved godt, at en rigtig højttalers retningsegenskaber ikke kan være ensartede over hele frekvensområdet. På grund af størrelsen af ​​en sådan kilde vil den blive mere retningsbestemt, når frekvensen stiger. I tilfældet med ICONYX-højttalere er højttalerne, der bruges i det, rundstrålende i båndet op til 300 Hz, halvcirkelformede 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 model af en lineær kilde sammensat af ideelle rundstrålende punktkilder vil derfor adskille sig fra de faktiske transducere. Målingerne viser, at den bagudrettede strålingsenergi i det virkelige system er meget mindre end det matematisk modellerede.

ICONYX @ λ (bølgelængde) linjekilde

Vi kan se, at bjælkerne har en lignende form, men for IC32-søjlen, fire gange større end IC8, indsnævres karakteristikken betydeligt.

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

For frekvensen på 3,1 kHz ser vi en velfokuseret akustisk stråle med en vinkel på 10°. Forresten dannes der to sidelapper, som afviger væsentligt fra hovedstrålen, dette forårsager ikke negative effekter.

Konstant retningsbestemmelse af ICONYX-søjler

For frekvensen 500 Hz (5 λ) er retningsbestemmelsen konstant ved 10 °, hvilket blev bekræftet af tidligere simuleringer for 100 Hz og 1,25 kHz.

Beam tilt er en simpel progressiv retardering af på hinanden følgende højttalere

Hvis vi fysisk vipper højttaleren, flytter vi de efterfølgende drivere i tid i forhold til lyttepositionen. Denne type skift forårsager "lydhældningen" mod lytteren. Vi kan opnå samme effekt ved at hænge højttaleren lodret og indføre stigende forsinkelser for chaufførerne i den retning, vi ønsker at rette lyden i. For effektiv styring (vipning) af den akustiske stråle skal kilden have en højde svarende til to gange bølgelængden for den givne frekvens.

Med den modulære opbygning af ICONYX-søjler er det muligt effektivt at vippe bjælken for:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling software

Modelleringsmetoden beskrevet tidligere viser os, hvilken type handling på det digitale signal, vi skal anvende (variable lavpasfiltre på hver højttaler i kolonnen) for at få de forventede resultater.

Ideen er forholdsvis enkel – i tilfælde af IC16-kolonnen skal softwaren konvertere og derefter implementere seksten FIR-filterindstillinger og seksten uafhængige forsinkelsesindstillinger. For at overføre det akustiske centrum af den udstrålede stråle ved hjælp af den konstante afstand mellem højfrekvenstransducerne i søjlehuset, skal vi beregne og implementere et nyt sæt indstillinger for alle filtre og forsinkelser.

Det er nødvendigt at lave en teoretisk model, men vi skal tage højde for, at højttalerne faktisk opfører sig anderledes, mere retningsbestemt, og målingerne beviser, at de opnåede resultater er bedre end dem, der er simuleret med matematiske algoritmer.

Nu til dags, med så stor en teknologisk udvikling, er computerprocessorer allerede lig med opgaven. BeamWare bruger en grafisk repræsentation af resultaterne af resultaterne ved grafisk at indtaste information om størrelsen af ​​lytteområdet, højden og placeringen af ​​kolonnerne. BeamWare giver dig nemt mulighed for at eksportere indstillingerne til den professionelle akustiske software EASE og gemme indstillingerne direkte i kolonnens DSP-kredsløb. Resultatet af at arbejde i BeamWare-softwaren er forudsigelige, præcise og gentagelige resultater under virkelige akustiske forhold.

ICONYX – en ny generation af lyd

• Lydkvalitet

Lyden af ​​ICONYX er en standard udviklet for længe siden af ​​producenten Renkus-Heinz. ICONYX-søjlen er designet til at gengive både talesignaler og fuld-range musik i bedste fald.

• Bred spredning

Det er muligt takket være brugen af ​​koaksiale højttalere med en meget bred strålingsvinkel (selv op til 150 ° i det lodrette plan), især for det højeste frekvensområde. Dette betyder en mere ensartet frekvensrespons på tværs af hele området og bredere dækning, hvilket betyder, at der bruges færre sådanne højttalere i anlægget.

• Fleksibilitet

ICONYX er en lodret højttaler med identiske koaksiale drivere placeret meget tæt på hinanden. På grund af de små og konstante afstande mellem højttalerne i huset er forskydningen af ​​det akustiske centrum af den udstrålede stråle i det lodrette plan praktisk talt vilkårlig. Disse typer egenskaber er meget nyttige, især når de arkitektoniske begrænsninger ikke tillader den korrekte placering (højde) af søjlerne i objektet. Marginen for højden af ​​suspensionen af ​​en sådan søjle er meget stor. Det modulære design og den fulde konfigurerbarhed giver dig mulighed for at definere flere linjekilder med en lang søjle til din rådighed. Hver udstrålet stråle kan have en forskellig bredde og forskellig hældning.

• Lavere omkostninger

Endnu en gang, takket være brugen af ​​koaksiale højttalere, giver hver ICONYX højttaler dig mulighed for at dække et meget bredt område. Vi ved, at højden på søjlen afhænger af, hvor mange IC8-moduler vi forbinder med hinanden. En sådan modulær opbygning muliggør nem og billig transport.

De vigtigste fordele ved ICONYX-søjler

• Mere effektiv kontrol af kildens lodrette stråling.

Størrelsen på højttaleren er meget mindre end de ældre designs, samtidig med at den bevarer bedre retningsbestemmelse, hvilket direkte udmønter sig i forståelighed under efterklangsforhold. Den modulære struktur gør det også muligt at konfigurere søjlen i overensstemmelse med anlæggets behov og økonomiske forhold.

• Lydgengivelse i fuld rækkevidde

Tidligere højttalerdesigns havde kun givet få tilfredsstillende resultater med hensyn til sådanne højttaleres frekvensrespons, da den nyttige behandlingsbåndbredde var i området fra 200 Hz til 4 kHz. ICONYX-højttalere er en konstruktion, der muliggør generering af fuld-range lyd i området fra 120 Hz til 16 kHz, og samtidig opretholde en konstant strålingsvinkel i det vandrette plan i hele dette område. Derudover er ICONYX-moduler elektronisk og akustisk mere effektive: De er mindst 3-4 dB "højere" end deres forgængere af tilsvarende størrelse.

• Avanceret elektronik

Hver af konverterne i huset er drevet af et separat forstærkerkredsløb og DSP-kredsløb. Når AES3 (AES / EBU) eller CobraNet indgange bruges, er signalerne "digitalt klare". Det betyder, at DSP-kredsløb direkte konverterer PCM-indgangssignaler til PWM-signaler uden unødvendig A/D- og C/A-konvertering.

• Avancerede DSP-kredsløb

De avancerede signalbehandlingsalgoritmer udviklet specielt til ICONYX-søjler og den øjenvenlige BeamWare-grænseflade letter arbejdet for brugeren, takket være hvilken de kan bruges i en lang række af deres muligheder i mange faciliteter.

summering

Denne artikel er afsat til en detaljeret analyse af højttalere og lydmodellering med avancerede DSP-kredsløb. Det er værd at understrege, at teorien om fysiske fænomener, der bruger både traditionelle og digitalt modellerede højttalere, blev beskrevet allerede i 50'erne. Kun ved brug af meget billigere og bedre elektroniske komponenter er det muligt fuldt ud at kontrollere de fysiske processer i behandlingen af ​​akustiske signaler. Denne viden er generelt tilgængelig, men vi mødes stadig, og vi vil møde tilfælde, hvor misforståelser af fysiske fænomener fører til hyppige fejl i opsætning og placering af højttalere, et eksempel kan være den ofte horisontale samling af højttalere (af æstetiske årsager).

Denne type handling bruges naturligvis også bevidst, og et interessant eksempel på dette er den vandrette installation af søjler med højttalere, der peger nedad på banegårdes perroner. Ved at bruge højttalerne på denne måde kan vi komme tættere på "bruser"-effekten, hvor lydniveauet falder betydeligt, når man går ud over rækkevidden af ​​en sådan højttaler (spredningsområdet er søjlens hus). På denne måde kan det reflekterede lydniveau minimeres, hvorved der opnås en væsentlig forbedring af taleforståelighed.

I den tid med højt udviklet elektronik møder vi oftere og oftere innovative løsninger, som dog bruger den samme fysik, som blev opdaget og beskrevet for længe siden. Digitalt modelleret lyd giver os fantastiske muligheder for at tilpasse os akustisk vanskelige rum.

Producenterne annoncerer allerede et gennembrud inden for lydstyring og -styring, en af ​​sådanne accenter er udseendet af helt nye højttalere (modulære IC2 fra Renkus-Heinz), som kan sættes sammen på enhver måde for at opnå en lydkilde af høj kvalitet, fuldt styret samtidig med at det er en lineær kilde og et punkt.