Slim Array Technology - systemy nagłośnieniowe według K-Array

Systemy „wertykalne” prezentują szereg zalet – szczególnie w stosunku do swoich poprzedników, czyli systemów złożonych z klasycznych, najczęściej tubowych zestawów głośnikowych, zestawianych razem w formie „ściany”. Jakie to są zalety pisaliśmy niejednokrotnie na łamach LSI. Ot, choćby w ostatnim numerze w swoim artykule o historii systemów nagłośnieniowych wspominał o tym Marek Witkowski. Głównym obszarem innowacji w dziedzinie systemów nagłośnieniowych w ostatniej dekadzie była optymalizacja (o czym z kolei piszemy w artykule tego numeru, również autorstwa Marka Witkowskiego). Systemy line array już teraz wytwarzają stosunkowo stabilne i przewidywalne pole dźwiękowe na zdecydowanej większości obszaru, w którym znajduje się zgromadzona publiczność. Dalsza optymalizacja dąży do zmniejszenia różnic w odpowiedzi częstotliwościowej w polu bezpośrednim (czyli stosunkowo blisko sceny) i w dalszych sektorach widowni.

Pozytywne wyniki w tym temacie osiągnięto dzięki komputerowym programom predykcyjnym oraz procesorom DSP. W ostatnich latach coraz większą popularność zyskują wyrafinowane systemy ze sterowaną wiązką dźwięku (jak np. opisywany w poprzednim numerze Focus Venue niemieckiej firmy Fohhn Audio AG), które są w stanie wygenerować stabilne pole dźwiękowe w całym obszarze nagłaśnianym, a także skierować dźwięk w konkretne miejsca, z ominięciem innych (np. nagłaśniając balkony, omijając odbijającą tylną ścianę widowni).

K-ARRAY

I tutaj pojawia się bohater naszego artykułu, włoska firma K-Array ze swoją technologią SAT (Slim Array Technology). Zanim o niej, słów kilka o samej firmie, bo być może niektórzy z Czytelników w ogóle o niej nie słyszeli, a ci którzy słyszeli niezbyt wiele o niej wiedzą. Firma pojawiła się na rynku w roku 1990 i od tego czasu rozwija gamę swoich produktów, a przy okazji realizuje projekty nagłośnieniowe we Włoszech, jak i w innych krajach. Specjalizacją firmy z Florencji, miasta gdzie tworzył Leonardo Da Vinci, są systemy liniowe, ale oczywiście znajdziemy w ofercie firmy zestawy basowe oraz klasyczne źródła punktowe. Konstrukcje firmy to zarówno zestawy pasywne, jak i aktywne. Technologia SAT wykorzystana jest zarówno w serii Mugello (aktywne moduły KH2, KH3 i KH5), jak i we flagowej serii Firenze (pełnopasmowe, aktywne modele KH7 i KH8). W wymieniowych modułach producent położył nacisk na poprawienie reprodukcji dźwięku w zakresie niskich częstotliwości oraz niskiego środka, szczególnie jeśli chodzi o kontrolę nad dyspersją w tych zakresach. Pojedynczy moduł jest zaprojektowany tak, aby współdziałając z innymi zestawami w gronie pozwolił uzyskać wymaganą dyspersję w płaszczyźnie wertykalnej. Z drugiej strony charakteryzuje się on określoną dyspersją w płaszczyźnie horyzontalnej. Z racji tego, że w gronach moduły łączy się w pionie, ta dyspersja pojedynczego modułu determinuje dyspersję horyzontalną całego grona.

Przykład dystrybucji energii akustycznej w zakresie niskiego środka systemu SAT (po prawej) oraz porównanie z bardziej powszechnym konwencjonalnym rozwiązaniem za pomocą klasycznych systemów line array.

Kontrola nad stabilną dyspersją horyzontalną jest obecnie uzyskiwana w wielu systemach, jednak do pewnej częstotliwości, poniżej której kierunkowość pojedynczego modułu jest uzależniona od jego fizycznych wymiarów. Idąc dalej, w zestawach z dwoma głośnikami niskotonowymi jest ona uzależniona od wzajemnej odległości między środkami tych przetworników. Z tego powodu znakomita większość systemów line array poniżej pewnej częstotliwości charakteryzuje się dyspersją częstokroć przekraczająca 180 stopni, a duża ich część – w zależności od szerokości modułu – staje się wręcz źródłem wszechkierunkowym. Szczególnie w typowych układach stereo, czyli gronach w aranżacji lewy-prawy, ten szeroki kąt pokrycia poniżej pewnej częstotliwość może spowodować rozprzestrzenianie się energii niskich i nisko-średnich częstotliwości wokół gron, wysyłając sporo dźwięku w stronę sceny, środkowej części pierwszych rzędów widowni czy w stronę ścian bocznych, w przypadku zainstalowania gron w pobliżu ścian. Badania inżynierów z firmy K-Array skoncentrowały się na obciążeniu akustycznym przetworników pracujących w obudowie, tak aby wyeliminować rezonans powietrza zamkniętego w jej wnętrzu, który pogarsza definicję dźwięku w zakresie niskich częstotliwości i niskiego środka. Zaprojektowano więc zestaw głośnikowy w postaci przegrody, skupiając się na jego możliwościach w zakresie basu i niskiego środka. Przedni panel przegrody został zaprojektowany w taki sposób, aby uzyskać jak największą powierzchnię aktywną, w celu skompensowania niższej efektywności w porównaniu do tradycyjnej obudowy głośnikowej. W celu utrzymania utraty wydajności na jak najniższym poziomie i jednocześnie zredukowania efektu podcięcia najniższych częstotliwości przegroda została zaprojektowana podobnie do obudowy otwartej, ale z tylnym panelem, składającym się z grubej warstwy gęstego włóknistego materiału absorpcyjnego. Ta szczególna konfiguracja redukuje emisję tylnej strony membrany głośnika dając w efekcie zmniejszenie efektu podcięcia niskich częstotliwości.

Przykład dystrybucji energii akustycznej w zakresie niskiego środka systemu SAT (po prawej) oraz porównanie z bardziej powszechnym konwencjonalnym rozwiązaniem za pomocą klasycznych systemów line array.

Naturalna dyspersja przegrody ma charakterystykę dipolową, czyli – inaczej mówiąc – ósemkową. To dodatkowo pomaga w zminimalizowaniu energii wysłanej w kierunku sceny, środkowej części pierwszych rzędów widowni i ścian bocznych. Oczywiście dyspersja o charakterystyce ósemkowej ma wadę, polegającą na stosunkowo silnej emisji w tył. Ten szczególny aspekt wymagał optymalizacji w celu zmniejszenia tylnej emisji do minimum, na takim poziomie, aby był on akceptowalny, ale aby nadal mógł działać jako czynnik anulowania emisji na boki. Po wielu żmudnych obliczeniach i próbach dotyczących obciążenia akustycznego inżynierowie K-Array doszli do takiego rozwiązania, które pozwoliło uzyskać charakterystykę kierunkową systemu zbliżoną do superkariodidalnej. Wynik był wystarczający, aby zachować pożądaną kierunkowość z minimalną emisją wsteczną. Przykład tej dystrybucji energii w zakresie niskiego środka pokazuje rysunek 1 po prawej, zaś po lewej dla porównania pokazano bardziej powszechne, konwencjonalne podejście. Kolejną korzyścią tego rozwiązania jest polepszenie charakterystyki impulsowej. Zestawy głośnikowe w obudowie bass-reflex wykorzystują rezonans masy powietrza, który ma  tendencję do pogarszania definicji dźwięku w zakresie niskiego środka, co skutkuje pogorszeniem reprodukcji szybkich transjentów. W przeciwieństwie do takiego rozwiązania, technologia SAT pozwala na natychmiastowe „wyjście” dźwięku, bez rezonowania, generując znaczne ciśnienie akustyczne w zakresie niskich częstotliwości oraz niskiego środka, z natychmiastową reakcją na transjenty (rysunek 2). Reasumując, hiperkardioidalna charakterystyka dyspersji w zakresie niskich częstotliwości połączona z szybką odpowiedzią impulsową może pomóc w uzyskaniu lepszego efektu finalnego, szczególnie pod względem pokrycia w obszarze widowni i „zanieczyszczenia” hałasem poza nim.

SMUKŁY PROFIL

Układ elementów składowych w modułach SAT jest prosty, opierający się na idei wykorzystania odpowiedniej liczby źródeł promieniowania, przy zachowaniu całkowitej głębokości modułu tak małej, jak to możliwe. Przykładowo w modułach KH8 wygląda to następująco: osiem 8-calowych przetworników zainstalowanych jest w dwóch zorientowanych horyzontalnie rzędach, po 4 przetworniki w każdym, osiem 4-calowych głośników średniotonowych zaaranżowanych jest w 4 horyzontalnych rzędach (po dwa w każdym z nich), zaś cztery 1,4-calowe drivery umieszczone są w jednej pionowej linii. Kształt każdego modułu jest zbliżony do głośnika panelowego, co tyczy się również głębokości, która jest wyjątkowo mała. W rezultacie tego stosunkowo łatwo jest zbudować klaster o bardzo smukłych kształtach, dodatkowo umożliwiając taką aranżację modułów, która – w razie potrzeby – może nadać klastrowi całkowicie płaski kształt.

Rysunek 2. Charakterystyka impulsowa systemu SAT i tradycyjnego typu bass-reflex.

Pojedyncza ramka jest w stanie zmieścić trzy moduły. Ramkę można zamocować do stalowej ramy nośnej (bumper), która pozwala na podwieszanie kolejnych ramek z modułami – w sumie w jednym klastrze może być do 24 modułów. Wszystkie moduły mogą pracować – jeśli to konieczne – w pionowej orientacji lub mogą być obrócone wokół swojej osi poziomej, aby uzyskać odpowiednie nachylenie dla uzyskania żądanego pokrycia. Ta elastyczność montażu poszczególnych modułów pozwala na podwieszenie całego klastra w pozycji pionowej, nawet pomimo tego, że poszczególne elementy będą odchylone pod dużym kątem.

ELEKTRONICZNE STEROWANIE WIĄZKĄ DŹWIĘKU

Oprócz fizycznego kierowania dźwięku, za pomocą ustawienia odpowiedniego kąta pochylenia poszczególnych modułów, systemy K-Array oferują również możliwość elektronicznego sterowania wiązką dźwięku. Technika ta opiera się na cyfrowej optymalizacji interakcji między falami akustycznymi emitowanymi przez każdy element klastra. Poprzez precyzyjną regulację fazy i amplitudy sygnału wysyłanego do każdej sekcji klastra można skupić wiązkę dźwięku w obszarze widowni i zagwarantować stałą równowagę tonalną od jej początku do końca (rysunek 3).

Rysunek 3. Poprzez precyzyjną regulację fazy i amplitudy sygnału wysyłanego do każdej sekcji klastra można skupić wiązkę dźwięku w obszarze widowni i zagwarantować stałą równowagę tonalną od jej początku do końca.

Jedną z właściwości, która czyni filtry typu FIR idealnymi do elektronicznego sterowania wiązką jest to, że mogą one zmieniać fazę sygnału bez zmiany amplitudy i odwrotnie. Ponieważ każdy filtr FIR ma setki regulowanych współczynników, użytkownicy mogą manipulować amplitudą i fazą sygnału z niezwykle dużą rozdzielczością częstotliwościową.

STEROWANIE I OPTYMALIZACJA

Współczesne systemy nagłośnieniowe nie mogą obejść się bez odpowiednich narzędzi do projektowania ich konfiguracji i optymalizacji. K-Array do swoich systemów SAT stosuje wyrafinowany, kontrolowany przez komputer proces, który dobiera odpowiednie warunki pracy dla grup przetworników w każdym module. Wymaga to zastosowania 8 kanałów DSP dedykowanych dla każdego elementu klastra. Komputerowa symulacja/optymalizacja dokonywana jest w programie EASE Focus firmy AFMG, przy wsparciu wtyczki FIRmaker. Aby to działało z najwyższą wydajnością, konieczne było stworzenie dokładnych modeli elementów SAT i klastrów w każdej możliwej konfiguracji. To kompleksowe modelowanie 3D zawiera pełne sferyczne informacje o kierunkowości dla każdego pasma, wraz z ich odpowiedzią czasową i właściwościami mechanicznymi. Informacje te pochodzą z rzeczywistych pomiarów dokonywanych w certyfikowanych laboratoriach pomiarowych (komorze bezechowej).

Ramkę można zamocować do stalowej ramy nośnej (bumper), która pozwala na podwieszanie kolejnych ramek z modułami – w sumie w jednym klastrze może być do 24 modułów.

Dla każdej aplikacji systemu SAT użytkownik może w programie w prosty sposób stworzyć precyzyjną mapę nagłaśnianego obszaru/pomieszczenia. Następnie oprogramowanie uruchamia zaawansowany proces optymalizacji, prezentując szereg złożonych funkcji przejścia filtru, które mogą być wstawione do łańcucha przetwarzania sygnału każdego pasma, co w efekcie daje zestaw ośmiu dedykowanych funkcji przejścia dla każdego pojedynczego modułu. Przykładowo klaster złożony z 12 modułów dostanie 96 dedykowanych funkcji przejścia. Każda z nich jest zrealizowana za pomocą współczynników filtru FIR, które są wstawiane w łańcuch przetwarzania do dedykowanej komórki filtru. Obróbka sygnału jest dokonywana w karcie DSP firmy Powersoft, kontrolowanej za pomocą oprogramowania sterującego Armonia Pro. Oprócz wynikowych funkcji przejścia program może również prezentować użytkownikowi przykładowe kalkulacje odpowiedzi częstotliwościowej w różnych lokalizacjach nagłaśnianego obszaru. Jest to pomocne w analizie stabilności ogólnego balansu tonalnego na całym tym obszarze.

KONKLUZJA

Koncepcja rozwiązania SAT jest użytecznym narzędziem w szerokim zakresie aplikacji systemów nagłośnieniowych. Szczególnie cenna jest tutaj możliwość praktycznie całkowitej eliminacji propagacji dźwięku na boki systemu, w zakresie niskich i nisko-średnich częstotliwości. Drugą zaletą jest możliwość zainstalowania pionowego, liniowego klastra, bez konieczności jego wyginania (jak to ma miejsce w klasycznych liniówkach). Funkcja elektronicznego sterowania wiązką dźwięku daje dodatkowy oręż w ręce inżyniera systemu, pozwalając mu na dokładne skierowanie dźwięku tam, gdzie ma dotrzeć, z ominięciem tych rejonów, gdzie jest on niepożądany.

I tylko szkoda, że w Polsce tego systemu póki co nie zobaczymy i nie posłuchamy, bowiem nawet nie ma kogo o niego zapytać (brak polskiego przedstawiciela K-Array). Jeśli ktoś byłby zainteresowany produktami K-Array musi udać się albo bezpośrednio do producenta, do słonecznej Italii, albo do naszych sąsiadów Czechów lub bratanków Węgrów, którzy takowych przedstawicieli posiadają.

Więcej informacji o systemach firmy K-Array na stronie internetowej producenta: www.k-array.com.