JBL CBT 50LA i CBT 100LA - kolumny głośnikowe w technologii Constant Beamwidth

Tak przy okazji - czym różni się kolumna głośnikowa od zestawu głośnikowego i czy poprawne jest nazywanie wszystkiego, co ma głośniki w obudowie kolumną (to taka moja mała, prywatna wojenka o poprawną nomenklaturę, którą toczę już od lat, z maym niestety skutkiem). Otóż kolumna głośnikowa to urządzenie głośnikowe złożone z kilku TAKICH SAMYCH głośników, umieszczonych w obudowie.

Z kolei zestaw głośnikowy jest pojęciem szerszym i oznacza urządzenie głośnikowe, składające się z kilku głośników w obudowie - uwaga, kilku DOWOLNYCH głośników. Mogą więc to być przetwoiki takie same, ale też i różne, np. nisko-, średnio- i wysokotonowy. W przypadku kolumn głośnikowych jest inaczej - wszystkie głośniki muszą być takie same. A więc - reasumując - każda kolumna głośnikowa jest zestawem głośnikowym, ale nie każdy zestaw będzie kolumną. I to może wystarczy w tym temacie. Przejdźmy do "dania głównego", a jest nim, a w zasadzie są, dwie kolumny (okreś lenie użyte tutaj z pełną świadomością) firmy JBL z serii

CBT

który to skrót należy rozszyfrować jako Constant Beamwidth Technology. Zanim więc przejdziemy do omówienia dwóch konkretnych przedstawicieli tejże serii, pomówmy o tym, cóż to jest ta technologia Constant Beamwidth. Constant Beamwidth Technology to w wolnym tłumaczeniu technologia wiązki o stałej szerokości - oczywiście wiązki promieniowanego dźwięku. W czym rzecz? Aby to zrozumieć musimy, niestety - bo wiem, że niektórzy są wręcz uczuleni na to słowo - zacząć od

HISTORII

czyli cofnąć się nieco w czasie, dokładnie do lat 30. ubiegłego stulecia, kiedy to rozpoczęły się pierwsze prace nad zwiększeniem kierunkowości emitowanego dźwięku za pomocą rozbudowywania systemów głośnikowych "wzdłuż" (array of loudspeaker), czyli dodawania kolejnych, takich samych głośników, usytuowanych w jednej osi. Mniemano wtedy, poniekąd słusznie, że zwiększenie kierunkowości przełoży się na poprawę zrozumiałości, co ma kluczowe znacznie w systemach PA. Początek lat 50. i 60 to eksplozja kolumn głośnikowych.

Tradycyjne myślenie jest takie, że kierunkowość jest w prostej linii zależna od długości kolumny. Równie powszechne jest też twierdzenie, że źródła liniowe, a za takie uważa się kolumny głośnikowe (a także powszechnie obecnie stosowane systemy liniowe), wytwarzają falę cylindryczną. I owszem, źródła liniowe o nieskończonej długości faktycznie powinny wytwarzać falę cylindryczną, ale - jak wszystko, co ma w swojej nazwie słowo "nieskończoność" - źródła takie nie istnieją.
Tak więc wszelkie systemy liniowe i kolumny głośnikowe muszą się kiedyś skończyć, tzn. ich długość jest ograniczona, a to oznacza, że ową falę cylindryczną (w pewnym, dużym przybliżeniu) produkują one tylko w wąskim zakresie, zarówno w przestrzeni, jak i częstotliwości, a zakres ten faktycznie zależy od efektywnej długości źródła. Jednak w zwykłym, prostym (nie ugiętym) źródle liniowym, zbudowanym w oparciu o promienniki dyskretne (czyli, mówiąc po ludzku, w modelu kolumny), pasmo zawęża się wraz ze wzrostem częstotliwości i do tego jeszcze nierównomieie. Dodatkowo charakterystyka zmienia się również wraz z odległością (patrz wykresy).

Pierwsze próby uzyskania spójnej wiązki dźwięku o stałej szerokości polegały na ograniczeniu częstotliwości pracy oraz poziomu emitowanego przez głośniki sygnału. Ponieważ uzyskanie stałej kierunkowości, jak wcześniej wspomniałem, wymaga zmiany efektywnej długości kolumny wraz z częstotliwością, za pomocą filtrów redukowano pasmo przenoszenia skrajnych głośników. Dzięki temu dla niskich częstotliwości pracowały wszystkie głośniki, a wraz ze zwiększaniem się częstotliwości sygnału źródła dźwięku zacieśniały się wokół środka kolumny (za co odpowiadały filtry dolnoprzepustowe głośników zewnętrznych).

To sprawiało, że wynikowa wielkość źródła dźwięku (apertura) zmniejszała się z częstotliwością, co pozwalało uzyskać relatywnie stałą szerokość wiązki dźwięku w funkcji częstotliwości. Koncepcja ta jednak była ograniczana przez wpływ charakterystyk fazowych filtrów, w wyniku których źródła nie pracowały w fazie przy wszystkich częstotliwościach. Dodatkowo wprowadzono też ograniczenie amplitudy sygnału głośników bliżej końca kolumny, co poprawiało dyspersję i ograniczało listki boczne wiązki dźwięku. W latach 80. wprowadzono kolejne ulepszenie metody, przez zastosowanie cyfrowego opóźniania sygnału, zaś wspomniane wcześniej ograniczanie amplitudy obliczono z wykorzystaniem funkcji Bessela.

Chociaż w dalszym ciągu wiązka odbiegała od ideału wykazano, że zastosowanie opóźnienia sygnału oraz wykorzystanie funkcji Bessela pozytywnie wpłynęło na efekt finalny. Koncepcje te wykorzystano też później, przy projektowaniu technologii CBT.

Dopóki królowała technika analogowa, nie udało się uzyskać zadawalających efektów, właśnie z powodu wspomnianej wcześniej charakterystyki fazowej filtrów. W momencie gdy technika cyfrowa weszła również do systemów nagłośnieniowych, wspomnianą niedogodność udało się usunąć za pomocą filtrów FIR o zerowym przesunięciu fazowym. Wróćmy jednak do podstawowej koncepcji.

Z przestawionych wyżej wykresów widać, że charakterystyka częstotliwościowa poza osią zwykłej, prostej kolumny jest bardzo zróżnicowana, i to już przy niewielkich odchyłkach kątowych, rzędu ±6°, szczególnie w zakresie najwyższych częstotliwości. Nie ma to więc przy wyższych częstotliwościach wiele wspólnego ze spójną wiązką o stałej szerokości, nie mówiąc już o jakiejkolwiek "fali cylindrycznej". Objawia się to tym, że w różnych miejscach brzmienie emitowane z tego typu kolumny będzie różne, a uzyskanie jednolitego brzmienia w założonym wycinku nagłaśnianej przestrzeni jest praktycznie niemożliwe.

Mało tego - jak widać na wykresach, natężenie dźwięku wyższych częstotliwości zwiększa się z odległością (z powodu tego, że wraz ze wzrostem odległości źródło liniowe staje się źródłem bardziej koherentnym), przez co źródło takie "gra dalej", tj. wykazuje mniejszy niż -6 dB spadek poziomu sygnału z podwojeniem odległości. Jest to fakt bezspoy przy wyższych częstotliwościach, niestety dla każdej częstotliwości objawia się to w inny sposób. Dla niskich częstotliwości (długość fali większa w porównaniu z wielkością źródła) poziom spada 6 dB na podwojenie odległości. Dzięki temu brzmienie kolumny (czy systemu liniowego) jest jaśniejsze wraz z odległością.

W pewnym punkcie, kiedy zostanie osiągnięta granica pola dalekiego, charakterystyka już się nie zmienia i wtedy dla wszystkich częstotliwości podwojenie odległości będzie skutkowało spadkiem poziomu sygnału o 6 dB. Od tego miejsca czoło fali dźwiękowej będzie miało kształt sferyczny, a nie cylindryczny, niezależnie od częstotliwości.

Kolejną bolączką zwykłych kolumn, o której jeszcze nie wspominaliśmy, są listki boczne. Oprócz tego że charakterystyka kierunkowa zwykłej kolumny zawęża się wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału, pojawiają się niepożądane listki boczne. Można je zaobserwować już przy częstotliwości 800 Hz, a im ona staje się wyższa, tym węższe i bliższe wiązki głównej stają się listki. Niestety, o ile przy 800 hercach mamy tylko dwa listki boczne (po jednym z każdej strony głównej wiązki), o tyle im częstotliwość wyższa, tym więcej zaczyna się ich pojawiać, a dla 5 kHz skrajne listki są niewiele mniejsze od głównego (patrz charakterystyka kierunkowa kolumny prostej). Jak widać, zwykła kolumna to wcale nie taki znów "cud techniki", dlatego też pojawiła się

TECHNOLOGIA CONSTANT BEAMWIDTH

Idea wiązki o stałej szerokości polega na ugięciu osi podłużnej źródła tak, aby uzyskać łuk o stałym promieniu, a także zastosowaniu systematycznego tłumienia sygnału, poczynając od głośników w środku do skrajnych, wg. specjalnej, skomplikowanej formuły matematycznej (funkcji Legendre’a), co eliminuje listki boczne oraz wytwarza wiązkę o perfekcyjnie stałej szerokości w obszarze 66% łuku. Później stwierdzono również, że fizyczne gięcie źródła w łuk można zastąpić wirtualnym, uzyskiwanym za pomocą odpowiedniego opóźnienia sygnałów docierających do poszczególnych głośników. Koncepcja ta może być wykorzystana przy "produkcji" wiązek dźwięku w bardzo szerokim zakresie kątów i jest ograniczona jedynie wielkością źródła oraz odległościami między głośnikami.

Wszystko pięknie, jeśli mamy urządzenie aktywne, z wbudowanym procesorem DSP i wzmacniaczami mocy (co jednakże dość drastycznie zwiększa jego cenę). Ale jak wykorzystać te idee w urządzeniach pasywnych?

Po pierwsze korzysta się z założenia, iż opóźnienie grupowe, którego przebieg jest płaski w funkcji częstotliwości, nie różni się zasadniczo niczym od cyfrowego opóźnienia sygnału. Wszystkie komponenty pasywne (reaktancyjne) charakteryzują się przesunięciem fazowym (w stopniach), które może być również wyrażone jako opóźnienie grupowe (w jednostkach czasu, np. ms). Opóźnienie grupowe pojedynczego elementu pasywnego nie jest jednak płaskie w funkcji częstotliwości. Jednakże sieć (układ) kondensatorów i cewek można skonfigurować tak, aby układ taki charakteryzował się opóźnieniem grupowym o płaskim przebiegu w szerokim zakresie częstotliwości. W wielu przypadkach takie rozwiązanie ma wadę - uzyskane w ten sposób opóźnienia są bardzo małe.

W tym jednak przypadku, gdy chcemy "ugiąć" nasze źródło, nie ma z tym problemu - wymagane wartości opóźnienia pomiędzy kolejnymi głośnikami w kolumnie są niewielkie, szczególnie gdy same głośniki mają małe membrany.

Rozwiązanie pasywne ma też pewną przewagę nad cyfrowym opóźnieniem sygnału. Próbkowanie sygnału z określoną częstotliwością wymusza również konieczność kwantyzacji interwałów czasowych, przy czym przy próbkowaniu 48 kHz minimalny odstęp czasowy sygnałów kolejnych głośników wynosi 20 µs, co odpowiada odległości 6 mm. To ogranicza możliwość uzyskania gładkiej krzywej wirtualnego ugięcia źródła.

W analogowym systemie CBT opóźnienie grupowe może być kumulowane w kolejnych ogniwach "drabiny". I na tym właśnie polega - mówiąc ogólnie - idea technologii CBT (plus ograniczenie amplitudy sygnału wyjściowego głośników bliżej końca kolumny), co zresztą widoczne jest po odkręceniu panelu z głośnikami. Zanim jednak zaglądniemy do wnętrza, przedstawmy naszych bohaterów.

CO WSPÓLNEGO?

Obudowy obu kolumn wykonane są z tego samego materiału - tworzywa sztucznego ABS wzmocnionego włóknem szklanym, zaś głośniki chroni aluminiowy, malowany farbą poliestrową wysokiej jakości grill o drobnych oczkach. Obudowy spełniają warunki normy IP-54, co oznacza, że są odpoe na promieniowanie UV, wilgoć oraz zachlapanie - również wodą morską (mogą być stosowane np. na promach i statkach). Urządzenia dostępne są w kolorach czaym i białym (w drugim przypadku z literami WH w nazwie).

Kolumny mogą pracować zarówno w instalacjach wysokonapięciowych (70/100 V), jak i podłączone do wzmacniacza z wyjściem niskoimpedacyjnym. We wszystkich przypadkach sygnał doprowadza się za pomocą złączy MTC-PC2, a wyboru trybu pracy dokonuje się przy użyciu obrotowego przełącznika, który służy też do wyboru mocy pobieranej z linii wysokonapięciowych przez kolumny. Zestawy wyposażone są w zabezpieczenie przed przeciążeniem Dynamic SonicGuard oraz obrotowy, dwustanowy przełącznik music/speech. Pierwsze ustawienie odpowiada płaskiej charakterystyce przenoszenia, zaś drugi powoduje podbicie średnicy o 5 dB. Skutkuje to nie tylko większą zrozumiałością mowy, ale również podniesieniem efektywności kolumny w zakresie częstotliwości średnich.

Jeśli mówimy o cechach wspólnych, to nie należy zapominać też o elementach (a w zasadzie elemencie) do podwieszania. Pozwala ono bowiem na ustawianie podwieszonych kolumn pod różnymi kątami w stosunku do pionu - można je nie tylko odchylać w dół, ale również w górę, jeśli zajdzie taka potrzeba. Zakres możliwych odchyleń teoretycznie wynosi ±15°, z krokiem co 5°, aczkolwiek - stąd słówko "teoretycznie" - jest to zależne od rodzaju (czy to będzie 50-tka czy 100-tka) oraz miejsca przykręcenia uchwytu.

W przypadku CBT 50LA mamy do dyspozycji 3 pozycje (i dla każdej z nich pełen zakres odchyleń), zaś CBT 100LA pozwala na wkręcenie uchwytu w 7 różnych pozycjach, przy czym skrajne pozycje nie pozwalają na odchylenie o kąt 10 i 15° (zależnie od tego czy będzie to mocowanie góe, czy dolne, wtedy - odpowiednio - ograniczone jest odchylenie w dół oraz w górę). Zmiany kąta odchylenia dokonuje się bardzo łatwo i szybko, operując tylko jedną śrubą z nakrętką (plus podkładki). Teraz kilka słów o różnicach.

CBT 50LA

to mniejszy z "braci", wyposażony w osiem 2-calowych (50 mm) głośników szerokopasmowych. Oczywiście, jak przystało na kolumnę, przetwoiki te ustawione są w jednej linii, toteż 50LA charakteryzuje się dość smukłą sylwetką (daleko mu jednak pod tym względem do 100LA), czyli wysokością nieco powyżej 52 cm, przy szerokości zaledwie niespełna 10 cm. Waga jednej sztuki to tylko 4 kg "z groszem". Wspomniany wyżej przełącznik wyboru trybu pracy pozwala również wybrać moc odbieraną przez urządzenie z linii wysokonapięciowych - 60, 30, 15 i 7,5 W (ten ostatni przypadek tylko dla linii 70 V). Więcej danych technicznych w ramce z parametrami kolumn, a do jej brzmienia wrócimy za chwilę.

CBT 100LA

To bardzo smukła, bo aż 1 metrowa kolumna, ważąca 7,2 kg. Na jej "pokładzie" znajduje się szesnaście przetwoików, takich samych, 2-calowych, jak w "pięćdziesiątce". Skoro jest ich więcej, toteż logiczne, że i moc i maksymalny poziom SPL przezeń produkowany będą większe. Jeśli chodzi o moc, to podobnie jak w 50LA dysponujemy przełącznikiem tryby pracy i watażu, przy czym do wyboru mamy wartości mocy: 120, 60, 30 i 15 W (ostatnia wartość tylko dla linii 70 V). Oprócz opisywanego wcześniej przełącznika music/ speech, który również znajdziemy w "pięćdziesiątce", 100LA dysponuje jeszcze jednym, pozwalającym na zmianę kąta rozproszenia dźwięku w pionie - wybierać możemy między 15 a 40 stopniami. Do przeprowadzenia tej operacji, podobnie jak do obsługi pozostałych przełączników, potrzebować będziemy niewielkiego płaskiego śrubokręta.

I to w zasadzie tyle, jeśli chodzi o wygląd czy też budowę obu kolumn, nie wnikając oczywiście zbytnio we wnętrze, gdyż tam znajdziemy faktycznie całą "armię" kondensatorów i cewek oraz rezystorów, odpowiedzialnych za "ukształtowanie" sygnałów docierających do poszczególnych głośników, zgodnie z ideą technologii CBT, opisaną wcześniej. I choć urządzenia są Made in China (aczkolwiek nie z jakiejś anonimowej manufaktury, ale chińskiej fabryki JBL-a), to nie można się w żaden sposób doczepić ani do wykonania, ani do innych aspektów produkcyjnych kolumn.

Skoro szczegóły anatomiczne mamy już za sobą, przejdźmy do bodajże najważniejszego tematu, czyli

BRZMIENIA

Już pierwsze dźwięki odtworzone nawet przez 50LA (a co dopiero 100LA) wprawiają w konsteację i człowiek zadaje sobie pytanie, gdzie i jak ukryli głoś nik niskotonowy? "Pięćdziesiątka" gra naprawdę szerokim pasmem, z basem jakby wewnątrz faktycznie ukryty był co najmniej 10-calowy woofer. Przy "setce" można się już pokusić o porównywanie jej z zestawem zbudowanym na 12-calowym głośniku niskotonowym. Nasuwa się od razu pewna wątpliwość, co do parametrów, jakie producent publikuje na swojej stronie - już "na ucho" słychać, że obie kolumny "na mur" nie mają takiego samego pasma, czyli wg. danych 80 Hz-20 kHz, i to przy spadku -10 dB. Wątpliwości budzi oczywiście ta pierwsza wartość.

O ile jeszcze można by się zgodzić z tym co do 50LA (aczkolwiek nasze pomiary przeczą temu i w tym przypadku), o tyle "setka" gra zdecydowanie niżej niż owe 80 Hz. Fakt, nasze, pomiary są mocno zgrubne, głównie z uwagi na brak odpowiedniego pomieszczenia do przeprowadzenia w pełni profesjonalnych pomiarów (zwłaszcza dla 100LA, którą wypadałoby mierzyć w polu dalekim, czyli dobrych kilka metrów od niej). Z konieczności więc mierzyliśmy obie kolumny w standardowej odległości 1 m, co jednak daje pewien pogląd, a co ważne potwierdza wrażenia słuchowe.

Użycie przełącznika "speech" słyszalnie podbija średnie pasmo, co w przypadku muzyki może nie brzmi zbyt naturalnie, ale przecież nie do tego zostało przeznaczone. Doskonale natomiast uwypukla głos ludzki, powodując zwiększenie zrozumiałości mowy. Jeszcze bardziej orientacyjne są pomiary charakterystyk kierunkowych, szczególnie CBT 100LA. O ile bowiem obracanie w osi pionowej, czyli mierzenie charakterystyki horyzontalnej, nie jest specjalnie trudnym zadanie, o tyle charakterystyka wertykalna to całkiem inna para kaloszy. Ale i w tym przypadku widać, że generalnie obie kolumny grają dość jednolitą wiązką w szerokim kącie promieniowania w poziomie, zaś w pionie obrócenie o kilkanaście stopniu skutkuje już znaczącym spadkiem w zakresie średnich i wyższych częstotliwości.

Widać też, że przełącznik zmiany szerokości wiązki w pionie w CBT 100LA to nie żaden "pic na wodę", ale rzeczywiście poszerza on kąt promieniowania kolumny w pionie. Tutaj też możemy odnieść się do wrażeń słuchowych - przechodząc z jednej strony kolumny na drugą (w płaszczyźnie horyzontalnej) nie słychać wyraźnych zmian barwy czy proporcji w miksie, podobnie oddalając się i przybliżając wzdłuż osi promieniowania brzmienie obu kolumn nie ulega znacznym zmianom, a i spadek poziomu sygnału na odległości, na jaką pozwalały nam warunki lokalowe (do ok. 5 m), był nieznaczny.

Możliwość obcowania z dwoma urządzeniami JBLa z serii CBT zburzyło moje "klasyczne" wyobrażenie na temat kolumn głośnikowych. Okazuje się, że za ich pomocą można nagłośnić nie tylko płomienne kazanie kaznodziei w kościele albo uzyskać w miarę czytelny przekaz słowny, ale również z bardzo dobrym skutkiem odtwarzać muzykę, w której bas może nie powali, ale jest wyraźnie słyszalny, wokal czytelny i generalnie zestawy dość wieie odtwarzają to, co pojawia się na ich wejściu. Fakt, CBT to nie zwykłe, tradycyjne kolumny, ale jednak... kolumny.

Możliwość odchylania kolumn przy montażu, poprawianie zrozumiałości mowy za pomocą dedykowanego przełącznika oraz możliwość współpracy z praktycznie każdym systemem (niskoomowym, wysokonapięciowym), to kolejne atuty przemawiające za zainteresowaniem się tymi urządzeniami. A jeśli ktoś nie wierzy mi na słowo, zapraszam wkrótce do Baltic Arena - będzie okazja sprawdzić to, co tutaj wypisywałem osobiście, bo 45 zestawów CBT 100LA będzie tam, miejmy nadzieję intensywnie, pracować. W imieniu dystrybutora zapraszamy!

POMIARY

Pomiary zostały wykonane za pomocą sygnału typu przemiatany sinus. Program pomiarowy SatLive, mikrofon pomiarowy Audix TR-40, moduł USB Emu Traker Pre. Charakterystyki z wygładzaniem 1/3 oktawy.

Charakterystyki kolumny CBT 50 LA (music) oraz CBT 100LA w konfiguracji music i speech. Ustawienie speech podobija średnie pasmo o ok. 3-5 dB, zwiększając zrozumiałość mowy. Jak widać z charakterystyk, trudno zgodzić się z producentem, że urządzenia przenoszą dopiero od 80 Hz, i to przy 10-decybelowym spadku. Co prawda 50-tka ma dość głęboką "zapaść" między 90 a 150 Hz, co zresztą jest słyszalne w konfrontacji z 100LA, która gra wyraźnie mocniejszym basem. Pomimo tego można przyjąć, że pasmo 50LA zaczyna się od ok. 68 Hz (-3 dB), a 100LA - od 55 Hz. Przy założonym spadku -10 dB będzie to jeszcze mniej, choć z drugiej strony różnica między kolumnami jest już mniejsza (52 i 55 Hz).

Charakterystyki kierunkowe CBT 50LA w poziomie. Jeśli spojrzymy na pasmo 1-4 kHz, w którym producent deklaruje dyspersję 120-stopniową, faktycznie nawet kolumna obrócona o 45° (a więc w sumie 90°) ujawnia spadek sygnału o 3 dB dopiero przy ok. 4 kHz. Wyżej spadek jest już bardziej zauważalny, ale krzywe biegną w mniej więcej podobnym interwale od siebie, co sprawia, że choć góra będzie mniej słyszalna wraz ze zwiększaniem kąt, proporcje w miksie powinny być zachowane.

Charakterystyki kierunkowe CBT 100LA w poziomie. Tutaj również widać, że w paśmie 1-4 kHz różnice w poziomie sygnałów dla różnych kątów są praktycznie niezauważalne. Wyżej jest mniejsza różnica w poziomach, niż to ma miejsce w przypadku 50-tki.

Charakterystyki kierunkowe CBT 100LA w pionie, przy konfiguracji 40-stopniowego kąta dyspersji. Jeśli porównamy ten wykres z następnym, dla zawężonego kąta dyspersji, widać wyraźnie, że "to działa". Nawet obrócenie o kąt 30° nie wprowadza znaczącego tłumienia częstotliwości z zakresu wyższego środka (nie więcej niż 5 dB).

Charakterystyki kierunkowe CBT 100LA w pionie, przy konfiguracji 15-stopniowego kąta dyspersji. Tutaj uwidacznia się już wyraźnie fakt, że kolumny mają zawężony zakres promieniowania w pionie, gdyż już dla kąta 15° poziom sygnału powyżej 1 kHz spada o więcej niż 3 dB, zaś dla 30° jest to już "przepaść", szczególnie między 3 a 9 kHz.

Piotr Sadłoń

Więcej informacji o kolumnach z serii CBT oraz innych produktach firmy JBL na stronie producenta: www.jblpro.com oraz polskiego dystrybutora: www.essaudio.pl.