Sterowanie basem. Kształtowanie charakterystyki kierunkowej subwooferów

Wystarczyłoby ustawić zestaw/system nagłośnieniowy, skierować go w miejsce, które mamy nagłośnić (jak followspota), a fale dźwiękowe posłusznie podążyłyby w wyznaczonym kierunku.

Niestety – jak to w życiu – nie ma tak łatwo, szczególnie z niskimi częstotliwościami, które praktycznie rozchodzą się w każdym kierunku. Czy aby na pewno w każdym?

Jeśli mamy tradycyjny subwoofer, w którym pracuje jeden lub dwa głośniki niskotonowe, dźwięk faktycznie rozchodzi się w każdym kierunku i niewiele można na to poradzić. Jeśli jednak mamy większy, bardziej rozbudowany system, zbudowany z wielu takich głośników, lub też dysponujemy specjalnym, zaawansowanym typem obudowy, mamy kilka możliwości rozwiązania tego problemu. Jednym z nich jest zastosowanie elektronicznego opóźnienia w celu modyfikacji kierunkowości małych i dużych systemów głośnikowych – czym zajmiemy się właśnie w tym artykule.

STEROWANIE OPÓŹNIENIEM

Pod pojęciem „sterowanie opóźnieniem” (ang. delay steering) kryje się kształtowanie charakterystyki kierunkowej systemu zbudowanego z kilku zestawów głośnikowych poprzez selektywne opóźnianie sygnałów do nich docierających. Sterowanie opóźnieniem znane jest też pod pojęciem „formowania wiązki” (ang. beamforming lub beamshaping), pochodzącego pierwotnie z techniki hydrolokacyjnej (sonar).

JAK STEROWAĆ BASEM?

Sterowanie opóźnieniem może być pomocne jeśli:
– ograniczenia narzucone przez organizatora/producenta/reżysera/scenografa nie pozwalają na takie ustawienie głośników, jakie nam najbardziej pasuje,
– łatwiej jest ustawić głośniki na każdej imprezie w ten sam sposób, a końcowego zestrojenia dokonać elektronicznie, w zależności od wymagań imprezy,
– chcemy zrobić coś, co może być wykonane WYŁĄCZNIE na drodze elektronicznej.

Przyjrzymy się bliżej, jak to działa?

FORMOWANIE FALI

Głośnik, mówiąc w dużym uproszczeniu, jest pompą pneumatyczną. Przy dużych długościach fal częstotliwości basowych dokładny kształt i rozmiar obudowy głośnika nie ma tak istotnego znaczenia. To, co jest istotne, to wydajność naszej pompy i to, w jakim stopniu wyprodukowana przez nią fala dźwiękowa odzwierciedla sygnał wejściowy.

Jeśli ustawimy kilka zestawów głośnikowych obok siebie, tak że będą stanowiły zwartą „ścianę”, otrzymamy cały zestaw takich pomp. Kiedy pompy (głośniki) te są zsynchronizowane w czasie, to efektem ich pracy będzie fala płaska – jak na rysunku 1.

Jeśli opóźnimy sygnał docierający do któregoś zestawu, kształt fali zmieni się. Oto co się stanie, jeśli sukcesywnie będziemy zwiększać opóźnienie dla poszczególnych głośników – rysunek 2.

Jest to bardzo pożyteczne zjawisko, gdyż oznacza ono, że można osiągnąć efekt ustawienia naszej ściany głośników pod pewnym kątem, bez konieczności fizycznego ich przestawiania. W pracy nagłośnieniowej często chcemy ustawić subbasy poza sceną, jednak nie mamy możliwości takiego ich usytuowania lub choćby obrócenia na zewnątrz, aby osiągnąć podobny efekt. W takiej sytuacji możemy skorzystać z opóźnienia.

Jeśli obrócimy układ z rysunku 2 o 90o i wyobrazimy sobie nasze ustawienie głośników w pionie, zauważymy, że zastosowanie opóźnienia jest również bardzo przydatnym narzędziem do kontrolowania kierunkowości pionowej systemu podwieszanego. Sterując w ten sposób głośnikami można osiągnąć pożądany dla siebie schemat pokrycia dźwiękiem, którego nie da się uzyskać wyłącznie za pomocą fizycznego ustawienia głośników.

GEOMETRIA

Aby obliczyć, jak duże musi być opóźnienie, pozwalające osiągnąć wymagany kąt odchylania fali, musimy skorzystać z trygonometrii. Spójrzmy na rysunek 3.

Na rysunku tym czoło fali jest odchylone, ponieważ głośnik z prawej strony gra pierwszy. Mówiąc inaczej, głośnik lewy jest opóźniony w stosunku do prawego. Jak widać na rysunku, wielkość opóźnienia zależy od wymaganego kąta odchylenia czoła fali oraz od odległości między głośnikami. Obliczenia wykonujemy według następującego wzoru:

gdzie:
T – opóźnienie [ms],
l – odległość między głośnikami [m],
α – kąt [stopnie].

Poniżej kilka typowych wartości opóźnienia (w ms) dla różnych kątów, przy odległości między głośnikami równej 0,7 m.

 

OGRANICZENIA

Sterowanie basem jest możliwe tylko wtedy, gdy długość systemu jest większa niż połowa długości fali. Im dłuższy system (względem długości fali), tym bardziej radykalnie, a jednocześnie precyzyjnie można sterować wiązką dźwięku. Dla subwooferów, pracujących generalnie w zakresie częstotliwości 35-80 Hz, oznacza to, że sterowanie będzie skuteczne w górnej części zakresu częstotliwości ich pracy – dla systemu o długości 2,5 m, a w całym zakresie częstotliwości – dla długości 5 m.

Aby zabezpieczyć się przed problemami fazowymi współpracujących głośników (interferencje), system musi być stosunkowo „drobnoziarnisty”. Mam tu na myśli fakt, że różnica opóźnień pomiędzy sąsiednimi elementami musi wynosić mniej niż 1/8 okresu dla interesującej nas częstotliwości. Mały przykład:

Częstotliwość: 80 Hz
Okres: 12,5 ms
Maksymalna różnica opóźnienia pomiędzy głośnikami: 12,5/8 = 1,56 ms

W związku z tym niższe częstotliwości będą sprawiały nam mniej problemów z koherentnością niż częstotliwości wyższe.

UGINANIE CZOŁA FALI

Często duże systemy basowe są zbyt kierunkowe. Jest to szczególnie częste na koncertach, na których głośniki są stakowane. Aby rozwiązać ten problem, musimy ustawiać subwoofery tak, by ich czoła tworzyły łuk. Czasami też można sobie poradzić z tym problemem ustawiając głośniki w różnych kierunkach. Innym sposobem jest wykorzystanie opóźnienia, by uzyskać ugięte czoło fali. Aby to osiągnąć, musimy opóźnić oba końce systemu, jednak bez opóźniania środka. Nie ma prostej recepty, jak to zrobić, żeby osiągnąć zamierzony efekt – najlepszym, choć nie najszybszym, rozwiązaniem będzie metoda prób i błędów.

SUMOWANIE OPÓŹNIEŃ

Przeważnie będziemy musieli zarówno odchylić, jak i ugiąć czoło fali. Na nasze szczęście opóźnienia wynikające z jednego i drugiego odkształcenia fali można sumować.

Dla przykładu:

Kiedy zsumujemy już opóźnienia, powinniśmy sprawdzić, czy wartość ta nie przekracza wartości granicznej, o której pisałem powyżej. Przykładowo – różnica w opóźnieniu pomiędzy strefą 1 a 2 wynosi 1,7 ms, co jest nieco większą wartością od idealnej, jednak nie na tyle, aby zbytnio zaprzątać sobie tym głowę.

ZESTAW GŁOŚNIKOWY KIERUNKOWY

Umieszczając głośniki niskotonowe w pewien szczególny sposób oraz zasilając każdy z nich osobnym sygnałem o różnym opóźnieniu i equalizacji możemy uzyskać wymaganą charakterystykę kierunkową promieniowania basu dla małego systemu, a nawet pojedynczej obudowy. W zależności od szczegółów budowy oraz podawanego sygnału można osiągnąć typowe charakterystyki kierunkowe znane z mikrofonów – kardioidalną i hyperkardioidalną, a także bardzo wąskie charakterystyki, jakimi cechują się mikrofony typu „shot gun”. Technika ta zwana jest „gradientową”, ponieważ za pomocą odpowiedniego usytuowania głośników uzyskuje się specyficzne różnice ciśnienia dźwięku (gradient). Działa to w następujący sposób:

ZESTAWY GŁOŚNIKOWE GRADIENTOWE

Z zestawem gradientowym jest tak, jak w tym kawale:
P: Jak wyrzeźbić słonia?
O: Weź kawałek granitu i odkuj z niego wszystko to, co nie wygląda, jak słoń.

Zestaw głośnikowy gradientowy zbudowany jest z elementów ustawionych w ten sposób, aby pozbyć się promieniowania dźwięku w kierunkach niepożądanych, a pozostawić tylko w tym kierunku, w którym chcemy, aby dźwięk z głośnika dochodził.

Większość zestawów gradientowych ma co najmniej dwa niezależne elementy promieniujące, każdy zasilany z własnego wzmacniacza. Jeden z tych sygnałów jest opóźniony względem drugiego. Taki układ nazywany jest zestawem głośnikowym gradientowym drugiego rzędu. Inne systemy, składające się z większej liczby zestawów głośnikowych i wzmacniaczy, nazywane są trzeciego, czwartego itd. rzędu.

Zestaw gradientowy drugiego rzędu ma dwa głośniki/zestawy głośnikowe – jeden skierowany do przodu, a drugi grający do tyłu. Tylny głośnik podłączony jest w odwrotnej polaryzacji względem głośnika przedniego, a sygnał zasilający go jest dodatkowo opóźniony. Przeważnie oba głośniki są tej samej wielkości i typu, podawany jest też na obydwa sygnał o tej samej amplitudzie – rysunek 4.

Popularnie układ taki nazywamy kardioidalnym, co jest tylko po części prawdą. Dlaczego?

Czerwone kółko z symbolem „φ” reprezentuje odwracanie polaryzacji. W zależności od opóźnienia i odległości między głośnikami system taki może mieć charakterystykę kardioidalną, hyperkardioidalną, jak również ósemkową. Przykładowe wartości opóźnienia dla tych trzech charakterystyk, przy odległości między głośnikami równej 0,76 m, przedstawione są w ramce poniżej.

 

JAK TO DZIAŁA?

Aby dowiedzieć się, jak to działa, spójrzmy na tabelę powyżej. Jak wiemy, mikrofon kardioidalny charakteryzuje się całkowitym wytłumieniem sygnałów dobiegających z tyłu (z kierunku 180o). W kardioidalnym zestawie głośnikowym relacje pomiędzy opóźnieniem sygnału i odwrotną polaryzacją głośników wykorzystuje się do tego, aby osiągnąć ten sam efekt (tyle, że działający w drugą stronę – brak promieniowania z tyłu urządzenia).

Wyobraźmy sobie impuls dźwiękowy wyemitowany z prawego (przedniego) głośnika. Fala taka rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach z prędkością dźwięku i dokładnie 2,27 ms później przejdzie przez lewy (tylny) głośnik. W tym samym momencie z tylnego głośnika zostaje wyemitowany taki sam impuls dźwiękowy, ale w przeciwfazie. Nałożone na siebie impulsy sprawią, że na kierunku 180o względem przodu urządzenia otrzymamy niemalże całkowite wytłumienie sygnału.

Krótsze opóźnienia dadzą podobny efekt, z tym że całkowite wytłumienie wystąpi przy innym kącie – np. 120o dla charakterystyki hyperkardioidalnej. Bez żadnego opóźnienia wytłumienia wystąpią przy kątach 90o (w prawo i w lewo), co w efekcie da nam charakterystykę ósemkową.

OGRANICZENIA

Jak wszystko inne na świecie, również i ta technika działa z pewnymi ograniczeniami. Niektóre z nich to:

1. Odległość między głośnikami musi być mniejsza niż ok. 1/6 długości fali.
2. Im mniejsza odległość między głośnikami, tym mniejsza efektywność i poziom wyjściowy.
3. Układ ten nie spełnia wymagań, jeśli zostanie ustawiony blisko dużej ściany. Zakłócone zostanie w ten sposób prawidłowe dodawanie się dźwięków dobiegających z przedniego i tylnego głośnika.

Jeżeli weźmiemy pod uwagę punkty 1 i 2, stwierdzimy, że możemy mieć albo szerokie pasmo albo wysoką efektywność, ale nie jedno i drugie jednocześnie. Ten rodzaj ograniczenia jest często spotykany w dziedzinie audio.

INNE TRIKI

Aby osiągnąć rzeczywiście wąską charakterystykę, musimy stworzyć zestaw głośnikowy złożony z więcej niż dwóch elementów promieniujących, z opóźnieniem ustawionym tak, aby dźwięk pojawiał się poczynając od głośnika znajdującego się najbardziej w głębi sceny, sukcesywnie poprzez kolejne głośniki, aż do głośnika znajdującego się na froncie. Jest to z kolei układ popularnie zwany „end fired”.

Przykładowo, rysunek 5 przedstawia charakterystykę kierunkową dla częstotliwości 60 Hz systemu złożonego z siedmiu głośników niskotonowych, ustawionych w jednej linii o długości 9 m, skierowanych w kierunku promieniowania (np. z głębi sceny ku jej przodowi) oraz odpowiednio opóźnionych. Opóźnienie to jest tak dobrane, aby dźwięk pojawiał się poczynając od głośnika znajdującego się najdalej w głębi sceny, sukcesywnie poprzez kolejne głośniki, aż do głośnika znajdującego się na froncie. Jest to ogromny mikrofon „shot gun” o odwrotnym działaniu.

Tabela poniżej przedstawia wartość opóźnienia dla poszczególnych głośników. Kolumna „Pozycja” przedstawia pozycję głośnika na linii przód-tył sceny, przy czym numer 0 odpowiada głośnikowi znajdującemu się najdalej od frontu sceny.

Obliczenia przeprowadzone dla prędkości dźwięku 340 m/s, co odpowiada mniej więcej prędkości poruszania się fal akustycznych w powietrzu o temperaturze 15°C

Chociaż prawdopodobnie nie będziemy mieli okazji pracować z aż tak rozbudowanym zestawem end-fired – przeważnie stosuje się 2, 3 góra 4-rzędowy układ – warto wiedzieć, że kierunkowość takiego rozwiązani jest niesamowita. Z przyzwoitymi basami system taki może promieniować naprawdę mocny bas na odległość nawet 150 m!

Armand Szary