Моделирање на звук

Оваа статија е посветена на темата звучници. Ќе се обидеме да отфрлиме многу митови за нив и да објасниме што всушност се звучниците, како традиционалните, така и оние со можност за моделирање на акустични зраци.

Прво, да воведеме некои основни дефиниции за електроакустика што ќе ги оперираме во оваа статија. Звучникот е единечен електро-акустичен трансдуктор кој е монтиран во куќиштето. Само комбинацијата на неколку звучници во едно куќиште создава комплет звучници. Посебен тип на звучници се звучниците.

Што е звучник?

Звучникот за многу луѓе е секој звучник поставен во куќиште, но тоа не е сосема точно. Колона за звучници е специфичен уред за звучници, кој во своето куќиште има неколку до десетина исти електро-акустични трансдуктори (звучници) распоредени вертикално. Благодарение на оваа структура, можно е да се создаде извор со својства слични на линеарен извор, се разбира за одреден опсег на фреквенции. Акустичните параметри на таков извор се директно поврзани со неговата висина, бројот на звучници поставени во него и растојанијата помеѓу трансдукторите. Ќе се обидеме да го објасниме принципот на работа на овој специфичен уред, како и да го објасниме принципот на работа на сè попопуларните столбови со дигитално контролиран акустичен зрак.

Што се звучници за моделирање на звук?

Звучниците кои неодамна се најдоа на нашиот пазар имаат можност за моделирање на акустичниот зрак. Димензиите и изгледот се многу слични на традиционалните звучници, добро познати и користени уште од XNUMX. Дигитално контролирани звучници се користат во слични инсталации како нивните аналогни претходници. Овој тип на уреди за звучници може да се најде, меѓу другото, во цркви, патнички терминали на железнички станици или аеродроми, јавни простори, судови и спортски сали. Сепак, постојат многу аспекти каде што дигитално контролираните столбови на акустични зраци ги надминуваат традиционалните решенија.

Акустични аспекти

Сите горенаведени места се карактеризираат со релативно тешка акустика, поврзана со нивната кубатура и присуството на високо рефлектирачки површини, што директно се преведува во големото време на одекнување RT60s (RT60 „време на одек“) во овие простории.

Ваквите простории бараат употреба на уреди за звучници со висока директивност. Односот на директниот и рефлектираниот звук мора да биде доволно висок за разбирливоста на говорот и музиката да биде што е можно поголема. Ако користиме традиционални звучници со помалку насочени карактеристики во акустички тешка просторија, може да испадне дека генерираниот звук ќе се рефлектира од многу површини, така што односот на директен звук со рефлектираниот звук значително ќе се намали. Во таква ситуација, само слушателите кои се многу блиску до изворот на звук ќе можат правилно да ја разберат пораката што допира до нив.

Архитектонски аспекти

За да се добие соодветен сооднос на квалитетот на генерираниот звук во однос на цената на звучниот систем, треба да се користат мал број звучници со висок Q фактор (директивност). Па, зошто не наоѓаме системи со големи цевки или системи со линиска низа во гореспоменатите објекти, како што се станици, терминали, цркви? Овде има многу едноставен одговор - архитектите ги создаваат овие згради во голема мера водени од естетиката. Системи со големи цевки или кластери со линиска низа не одговараат на архитектурата на просторијата со нивната големина, поради што архитектите не се согласуваат со нивната употреба. Компромисот во овој случај често беа звучниците, дури и пред да бидат измислени специјални кола DSP и способност за контрола на секој од драјверите за нив. Овие уреди можат лесно да се сокријат во архитектурата на собата. Тие обично се монтираат блиску до ѕидот и можат да бидат обоени со бојата на околните површини. Тоа е многу поатрактивно решение и, пред сè, полесно прифатено од архитектите.

Линиските низи не се нови!

Принципот на линеарниот извор со математички пресметки и описот на нивните карактеристики на директност беше многу добро опишан од Хари Ф. Олсон во неговата книга „Акустичко инженерство“, објавена за прв пат во 1940 година. Таму ќе најдеме многу детално објаснување за физичките појави што се случуваат во звучниците користејќи ги својствата на линискиот извор

Следната табела ги прикажува акустичните својства на традиционалните звучници:

Едно неповолно својство на звучниците е тоа што фреквентниот одговор на таков систем не е рамен. Нивниот дизајн генерира многу повеќе енергија во опсегот на ниска фреквенција. Оваа енергија е генерално помалку насочена, така што вертикалната дисперзија ќе биде многу поголема отколку кај повисоките фреквенции. Како што е општо познато, акустично тешките простории обично се карактеризираат со долго време на одек во опсегот на многу ниски фреквенции, што, поради зголемената енергија во овој фреквентен опсег, може да резултира со влошување на разбирливоста на говорот.

За да објасниме зошто звучниците се однесуваат вака, накратко ќе разгледаме некои основни физички концепти за традиционалните звучници и оние со дигитална контрола на акустичниот зрак.

Точка извор интеракции

• Директивност на два извора

Кога два точкести извори разделени со половина бранова должина (λ / 2) ќе генерираат ист сигнал, сигналите под и над таквата низа ќе се поништат еден со друг, а на оската на низата сигналот ќе се засили двапати (6 dB).

λ / 4 (една четвртина од брановата должина - за една фреквенција)

Кога два извора се оддалечени за должина од λ / 4 или помалку (оваа должина, се разбира, се однесува на една фреквенција), забележуваме мало стеснување на насочните карактеристики во вертикалната рамнина.

λ / 4 (една четвртина од брановата должина - за една фреквенција)

Кога два извора се оддалечени за должина од λ / 4 или помалку (оваа должина, се разбира, се однесува на една фреквенција), забележуваме мало стеснување на насочните карактеристики во вертикалната рамнина.

λ (една бранова должина)

Разликата од една бранова должина ќе ги засили сигналите и вертикално и хоризонтално. Акустичниот зрак ќе има форма на две листови

2l

Како што се зголемува односот на брановата должина и растојанието помеѓу трансдукторите, се зголемува и бројот на страничните лобуси. За константен број и растојание помеѓу трансдукторите во линеарни системи, овој сооднос се зголемува со фреквенцијата (ова е местото каде што брановите водичи доаѓаат во рака, многу често се користат во множества со линиски низи).

Ограничувања на линиските извори

Растојанието помеѓу поединечните звучници ја одредува максималната фреквенција за која системот ќе дејствува како извор на линија. Висината на изворот ја одредува минималната фреквенција за која овој систем е насочен.

Висината на изворот наспроти брановата должина

λ / 2

За бранови должини поголеми од двапати од висината на изворот, речиси и не постои контрола на карактеристиките на насоката. Во овој случај, изворот може да се третира како точкаст извор со многу високо ниво на излез.

λ

Висината на линискиот извор ја одредува брановата должина за која ќе забележиме значително зголемување на насоченоста во вертикалната рамнина.

2 l

На повисоки фреквенции, висината на зракот се намалува. Почнуваат да се појавуваат странични лобуси, но во споредба со енергијата на главниот лобус, тие немаат значителен ефект.

4 l

Вертикалната насоченост се зголемува се повеќе и повеќе, главната енергија на лобусот продолжува да се зголемува.

Растојание помеѓу поединечни трансдуктори наспроти бранова должина

λ / 2

Кога трансдукторите не се оддалечени повеќе од половина од брановата должина, изворот создава многу насочен зрак со минимални странични лобуси.

λ

Со зголемена фреквенција се формираат странични лобуси со значителна и мерлива енергија. Ова не мора да биде проблем бидејќи повеќето слушатели се надвор од оваа област.

2l

Бројот на странични лобуси се удвојува. Исклучително е тешко да се изолираат слушателите и рефлектирачките површини од оваа област на зрачење.

4l

Кога растојанието помеѓу трансдукторите е четири пати поголемо од брановата должина, се создаваат толку многу странични лобуси што изворот почнува да изгледа како точкест извор и насоченоста значително опаѓа.

Повеќеканалните DSP кола можат да ја контролираат висината на изворот

Контролата на горниот фреквентен опсег зависи од растојанието помеѓу поединечните високофреквентни трансдуктори. Предизвикот за дизајнерите е да го минимизираат ова растојание додека го одржуваат оптималниот фреквентен одговор и максималната акустична моќност генерирана од таков уред. Линиските извори стануваат сè повеќе насочени како што се зголемува фреквенцијата. На највисоките фреквенции, тие се дури и премногу насочени за свесно да го користат овој ефект. Благодарение на можноста за користење на посебни DSP системи и засилување за секој од трансдуцерите, можно е да се контролира ширината на создадениот вертикален акустичен зрак. Техниката е едноставна: само користете нископропусни филтри за да ги намалите нивоата и употребливиот опсег на фреквенција за поединечните звучници во кабинетот. За да го тргнеме зракот подалеку од центарот на куќиштето, го менуваме редот на филтерот и фреквенцијата на исклучување (најнежните за звучниците лоцирани во центарот на куќиштето). Овој тип на работа би бил невозможен без употреба на посебен засилувач и DSP коло за секој звучник во таква линија.

Традиционалниот звучник ви овозможува да контролирате вертикален акустичен зрак, но ширината на зракот се менува со фреквенцијата. Општо земено, факторот на директивност Q е променлив и помал од потребното.

Контрола на навалување на акустичниот зрак

Како што добро знаеме, историјата сака да се повторува. Подолу е табела од книгата на Хари Ф. Олсон „Акустично инженерство“. Дигитално одложување на зрачењето на поединечните звучници на линискиот извор е сосема исто како и физичкиот наклон на изворот на линија. По 1957 година, на технологијата и требаше долго време да го искористи овој феномен, притоа да ги задржи трошоците на оптимално ниво.

Линиските извори со DSP кола решаваат многу архитектонски и акустични проблеми

• Променлив фактор на вертикална насоченост Q на зрачениот акустичен зрак.

DSP кола за линиски извори овозможуваат промена на ширината на акустичниот зрак. Ова е можно благодарение на проверката на пречки за поединечни звучници. Колоната ICONYX од американската компанија Renkus-Heinz ви овозможува да ја промените ширината на таков зрак во опсег: 5, 10, 15 и 20 °, се разбира, ако таквата колона е доволно висока (само куќиштето IC24 ви дозволува да изберете зрак со ширина од 5 °). На овој начин, тесниот акустичен зрак ги избегнува непотребните рефлексии од подот или таванот во просториите со голема одекнување.

Фактор на постојана насоченост Q со зголемена фреквенција

Благодарение на DSP кола и засилувачи на моќност за секој од трансдуцерите, можеме да одржуваме постојан фактор на насоченост во широк опсег на фреквенции. Тоа не само што ги минимизира рефлектираните нивоа на звук во просторијата, туку и постојано засилување за широк фреквентен опсег.

Можност за насочување на акустичниот зрак без разлика на местото на поставување

Иако контролата на акустичниот зрак е едноставна од гледна точка на обработка на сигналот, таа е многу важна од архитектонски причини. Ваквите можности водат до фактот дека без потреба од физички навалување на звучникот, создаваме извор на звук кој одговара на очите кој се вклопува со архитектурата. ICONYX исто така има можност да ја постави локацијата на центарот на акустичниот зрак.

Употреба на моделирани линеарни извори

• Цркви

Многу цркви имаат слични карактеристики: многу високи тавани, камени или стаклени рефлектирачки површини, без впивачки површини. Сето ова предизвикува времето на одек во овие простории да биде многу долго, достигнувајќи и неколку секунди, што ја прави многу слаба разбирливоста на говорот.

• Јавен превоз

Аеродромите и железничките станици многу често се завршуваат со материјали со слични акустични својства како оние што се користат во црквите. Јавните транспортни објекти се важни бидејќи пораките за пристигнување, поаѓање или доцнење пристигнување до патниците мора да бидат разбирливи.

• Музеи, аудиториуми, лоби

Многу згради од помал обем од јавниот превоз или цркви имаат слични неповолни акустични параметри. Двата главни предизвици за дигитално моделираните линиски извори се долгото време на одек што негативно влијае на разбирливоста на говорот и визуелните аспекти, кои се толку важни при конечниот избор на типот на системот за јавно обраќање.

Критериуми за дизајн. Акустична моќност со целосен опсег

Секој извор на линија, дури и оние со напредни DSP кола, може да се контролираат само во одреден корисен опсег на фреквенции. Сепак, употребата на коаксијални трансдуктори кои формираат коло со извор на линија обезбедува акустична моќност со целосен опсег во многу широк опсег. Звукот затоа е јасен и многу природен. Во типичните апликации за говорни сигнали или музика со целосен опсег, поголемиот дел од енергијата е во опсегот што можеме да го контролираме благодарение на вградените коаксијални двигатели.

Целосна контрола со напредни алатки

За да се зголеми ефикасноста на дигитално моделираниот линеарен извор, не е доволно да се користат само висококвалитетни трансдуктори. На крајот на краиштата, знаеме дека за да имаме целосна контрола врз параметрите на звучникот, мора да користиме напредна електроника. Ваквите претпоставки ја принудија употребата на повеќеканално засилување и DSP кола. Чипот D2, кој се користи во звучниците ICONYX, обезбедува повеќеканално засилување со целосен опсег, целосна контрола на DSP процесорите и опционално неколку аналогни и дигитални влезови. Кога кодираниот PCM сигнал се доставува до колоната во форма на дигитални сигнали AES3 или CobraNet, чипот D2 веднаш го претвора во сигнал PWM. Дигиталните засилувачи од првата генерација го конвертираа PCM сигналот прво во аналогни, а потоа во PWM сигнали. Оваа конверзија A / D - D / A, за жал, значително ги зголеми трошоците, изобличувањето и латентноста.

флексибилност

Природниот и јасен звук на дигитално моделираните извори на линија овозможува да се користи ова решение не само во објекти за јавен превоз, цркви и музеи. Модуларната структура на колоните ICONYX ви овозможува да собирате линиски извори според потребите на дадена просторија. Контролата на секој елемент од таков извор дава голема флексибилност при поставување, на пример, многу точки, каде што се создава акустичниот центар на зрачениот зрак, односно многу линиски извори. Центарот на таков зрак може да се наоѓа насекаде по целата висина на столбот. Тоа е можно поради одржување на мали константни растојанија помеѓу високофреквентните трансдуктори.

Хоризонталните агли на зрачење зависат од елементите на столбот

Како и кај другите извори на вертикална линија, звукот од ICONYX може да се контролира само вертикално. Хоризонталниот агол на зракот е константен и зависи од типот на користените трансдуктори. Оние што се користат во колоната IC имаат агол на зрак во широк фреквентен опсег, разликите се во опсег од 140 до 150 Hz за звук во опсегот од 100 Hz до 16 kHz.

Широкиот агол на зрачење дава поголема ефикасност

Широката дисперзија, особено на високи фреквенции, обезбедува подобра кохерентност и разбирливост на звукот, особено на рабовите на карактеристиката на насоченост. Во многу ситуации, поширок агол на светлото значи дека се користат помалку звучници, што директно се претвора во заштеда.

Вистинските интеракции на пикапите

Добро знаеме дека карактеристиките на директност на вистински звучник не можат да бидат униформни низ целиот фреквентен опсег. Поради големината на таков извор, тој ќе стане повеќе насочен како што се зголемува фреквенцијата. Во случајот на звучниците ICONYX, звучниците што се користат во него се омни-насочни во опсегот до 300 Hz, полукружни во опсег од 300 Hz до 1 kHz, а за опсегот од 1 kHz до 10 kHz, карактеристиката на директивност е конусен и неговите агли на сноп се 140 ° × 140 °. Идеалниот математички модел на линеарен извор составен од идеални сенасочни точкасти извори затоа ќе се разликува од вистинските трансдуктори. Мерењата покажуваат дека енергијата на заостанатото зрачење на реалниот систем е многу помала од математички моделираната.

ICONYX @ λ (бранова должина) извор на линија

Можеме да видиме дека гредите имаат слична форма, но за столбот IC32, четири пати поголем од IC8, карактеристиката значително се стеснува.

За фреквенција од 1,25 kHz, се создава зрак со агол на зрачење од 10 °. Страничните лобуси се 9 dB помалку.

За фреквенцијата од 3,1 kHz гледаме добро фокусиран акустичен зрак со агол од 10 °. Патем, се формираат два странични лобуси, кои се значително отстапени од главното светло, ова не предизвикува негативни ефекти.

Постојана директивност на колоните ICONYX

За фреквенцијата од 500 Hz (5 λ), насоченоста е константна на 10 °, што беше потврдено со претходните симулации за 100 Hz и 1,25 kHz.

Навалувањето на зракот е едноставно прогресивно забавување на последователните звучници

Ако физички го навалиме звучникот, ги поместуваме следните двигатели навреме во однос на положбата за слушање. Овој тип на поместување предизвикува „звучен наклон“ кон слушателот. Можеме да го постигнеме истиот ефект со закачување на звучникот вертикално и воведување на зголемени доцнења за возачите во насоката во која сакаме да го насочиме звукот. За ефективно управување (навалување) на акустичниот зрак, изворот мора да има висина еднаква на двојно поголема бранова должина за дадената фреквенција.

Со модуларната структура на столбовите ICONYX, можно е ефективно да се навалува зракот за:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX Column Beam Modeling софтвер

Методот на моделирање опишан претходно ни покажува каков тип на дејство на дигиталниот сигнал треба да примениме (променливи нископропусни филтри на секој звучник во колоната) за да ги добиеме очекуваните резултати.

Идејата е релативно едноставна – во случајот со колоната IC16, софтверот треба да конвертира и потоа да имплементира шеснаесет поставки за FIR филтер и шеснаесет независни поставки за одложување. За да го пренесеме акустичниот центар на зрачениот зрак, користејќи го постојаното растојание помеѓу високофреквентните трансдуктори во куќиштето на столбот, треба да пресметаме и имплементираме нов сет на поставки за сите филтри и одложувања.

Создавањето теоретски модел е неопходно, но мора да се земе предвид фактот дека звучниците всушност се однесуваат поинаку, повеќе насочено, а мерењата докажуваат дека добиените резултати се подобри од оние симулирани со математички алгоритми.

Во денешно време, со толку голем технолошки развој, компјутерските процесори веќе се еднакви на задачата. BeamWare користи графичко прикажување на резултатите од резултатите со графички внесување информации за големината на областа за слушање, висината и локацијата на колоните. BeamWare лесно ви овозможува да ги изнесете поставките во професионалниот акустичен софтвер EASE и директно да ги зачувате поставките во колоните DSP кола. Резултатот од работата во софтверот BeamWare е предвидливи, прецизни и повторливи резултати во реални акустични услови.

ICONYX – нова генерација на звук

• Квалитет на звукот

Звукот на ICONYX е стандард развиен одамна од продуцентот Renkus-Heinz. Колоната ICONYX е дизајнирана да репродуцира и говорни сигнали и музика со целосен опсег на најдобар начин.

• Широка дисперзија

Тоа е можно благодарение на употребата на коаксијални звучници со многу широк агол на зрачење (дури и до 150 ° во вертикалната рамнина), особено за највисокиот фреквентен опсег. Ова значи поконзистентен фреквентен одзив низ целата област и поширока покриеност, што значи користење на помалку такви звучници во објектот.

• Флексибилност

ICONYX е вертикален звучник со идентични коаксијални драјвери поставени многу блиску еден до друг. Поради малите и постојани растојанија помеѓу звучниците во куќиштето, поместувањето на акустичниот центар на зрачениот зрак во вертикалната рамнина е практично произволно. Овие типови својства се многу корисни, особено кога архитектонските ограничувања не дозволуваат соодветна локација (висина) на столбовите во објектот. Маржата за висината на суспензијата на таква колона е многу голема. Модуларниот дизајн и целосната конфигурација ви овозможуваат да дефинирате неколку извори на линија со една долга колона на располагање. Секој зрачен зрак може да има различна ширина и различен наклон.

• Пониски трошоци

Уште еднаш, благодарение на употребата на коаксијални звучници, секој звучник ICONYX ви овозможува да покриете многу широк простор. Знаеме дека висината на колоната зависи од тоа колку IC8 модули ќе поврземе еден со друг. Ваквата модуларна структура овозможува лесен и евтин транспорт.

Главните предности на колоните ICONYX

• Поефикасна контрола на вертикалното зрачење на изворот.

Големината на звучникот е многу помала од постарите дизајни, додека одржува подобра директивност, што директно се преведува во разбирливост во услови на одек. Модуларната структура овозможува и конфигурирање на колоната според потребите на објектот и финансиските услови.

• Репродукција на звук со целосен опсег

Претходните дизајни на звучниците дадоа малку задоволителни резултати во однос на фреквентниот одговор на таквите звучници, бидејќи корисниот пропусен опсег на обработка беше во опсег од 200 Hz до 4 kHz. Звучниците ICONYX се конструкција што овозможува генерирање звук со целосен опсег во опсег од 120 Hz до 16 kHz, додека одржува постојан агол на зрачење во хоризонталната рамнина низ овој опсег. Дополнително, модулите ICONYX се електронски и акустички поефикасни: тие се најмалку 3-4 dB „погласни“ од нивните претходници со слична големина.

• Напредна електроника

Секој од конверторите во куќиштето е управуван од посебно коло за засилувач и коло DSP. Кога се користат влезовите AES3 (AES / EBU) или CobraNet, сигналите се „дигитално јасни“. Ова значи дека DSP кола директно ги претвораат влезните сигнали на PCM во PWM сигнали без непотребна конверзија A / D и C / A.

• Напредни DSP кола

Напредните алгоритми за обработка на сигнали развиени специјално за колоните ICONYX и интерфејсот BeamWare, кој е прилагоден за очи, ја олеснуваат работата на корисникот, благодарение на што можат да се користат во широк опсег на нивните можности во многу објекти.

Сумација

Оваа статија е посветена на детална анализа на звучниците и моделирање на звук со напредни DSP кола. Вреди да се нагласи дека теоријата на физички феномени кои користат и традиционални и дигитално моделирани звучници беше опишана веќе во 50-тите години. Само со употреба на многу поевтини и подобри електронски компоненти е можно целосно да се контролираат физичките процеси при обработката на акустичните сигнали. Ова знаење е генерално достапно, но сè уште се среќаваме и ќе сретнеме случаи каде што погрешното разбирање на физичките појави доведува до чести грешки во распоредот и локацијата на звучниците, пример може да биде често хоризонталното склопување на звучниците (од естетски причини).

Секако, овој вид на дејствување се користи и свесно, а интересен пример за тоа е хоризонталното поставување на столбови со звучници насочени надолу на пероните на железничките станици. Со користење на звучниците на овој начин, можеме да се доближиме до ефектот „туш“, каде што, надминувајќи го опсегот на таков звучник (областа на дисперзија е куќиштето на колоната), нивото на звук значително опаѓа. На овој начин, рефлектираното ниво на звук може да се минимизира, постигнувајќи значително подобрување во разбирливоста на говорот.

Во тие времиња на високо развиена електроника, сè почесто сретнуваме иновативни решенија, кои, сепак, ја користат истата физика што беше откриена и опишана многу одамна. Дигитално моделираниот звук ни дава неверојатни можности да се прилагодиме на акустички тешки простории.

Продуцентите веќе најавуваат пробив во контролата и управувањето со звукот, еден од таквите акценти е појавата на целосно нови звучници (модуларен IC2 од Renkus-Heinz), кои може да се спојат на кој било начин за да се добие висококвалитетен извор на звук, целосно управуван додека е линеарен извор и точка.