Slim Array Technology - systemy nagłośnieniowe według K-Array

2019-12-16
Slim Array Technology - systemy nagłośnieniowe według K-Array

Nagłośnienie średnich i dużych koncertów (i nie tylko, również innego typu imprez, które wymagają nagłośnienia dużych przestrzeni czy dużej liczby zgromadzonych osób) zdominowane zostały przez systemy typu line array. Technologia ta bazuje na idei wielu pojedynczych modułów głośnikowych zaaranżowanych w formie wertykalnego grona. W znakomitej większości przypadków systemy te nie są „line”, w każdym razie nie „straight line”, czyli – mówiąc „po nosemu” – nie tworzą linii prostej, ale ugiętą, w taki sposób, aby zapewnić odpowiednie pokrycie całego nagłaśnianego obszaru. Dlatego też prawidłowo systemy te powinny nosić nazwę „vertical array” lub „curvilinear 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.

Live Sound & Instalation Newsletter
Krótko i na temat, zawsze najświeższe informacje