Co z tą górą. Wysokie częstotliwości w systemach nagłośnieniowych

Pewnie też większość Czytelników zna zależność, która mówi, że tłumienie to wzrasta wraz z częstotliwością, a więc oddalając się od źródła dźwięku najpierw słyszalne będą ubytki w górze pasma, potem w środku, a częstotliwości najniższe będą nam towarzyszyły najdalej.

I faktycznie, będąc gdzieś przejazdem lub spacerem, gdzie w okolicy odbywa się jakiś koncert, przede wszystkim dobiega do nas bas, a dopiero gdy zbliżymy się odpowiednio do miejsca koncertu zaczynamy rozróżniać słowa czy poszczególne instrumenty.

Obecnie na wszelakich imprezach plenerowych w zasadzie królują systemy wyrównane liniowo (tudzież takie, które za liniowe starają się uchodzić). Mamy więc w jednym gronie zgromadzone kilka-kilkanaście modułów takiego systemu, będących w zasadzie samodzielnymi zestawami głośnikowymi, tylko że o dość mocno zawężonej charakterystyce kierunkowej w jednej z płaszczyzn. To, że taki pojedynczy moduł będzie sam brzmiał świetnie i charakteryzował się wręcz idealną charakterystyką częstotliwościową (a także fazową) wcale nie musi oznaczać, że jeśli zespolimy w jeden system kilka takich modułów, w dalszym ciągu wszystko będzie rewelacyjne – i charakterystyka wypadkowa, i efekt odsłuchowy. Poszczególne pasma czy też częstotliwości wpływają na siebie, dodając się, odejmując i interferując, często w sposób dla nas niezrozumiały. W tym artykule chciałbym zwrócić Waszą uwagę na pasmo najwyższe, czyli na „górę” – co dzieje się z wysokimi częstotliwościami, gdy połączymy w jedno grono kilka modułów systemu line array (co też i w dużej mierze będzie odnosiło się do „zwykłych” systemów, zbudowanych z kilku źródeł punktowych), i jaki wpływ na to będzie miało ugięcie całego grona.

W artykule tym będziemy posługiwać się dość często pojęciem „pasma mocy”. Co ukrywa się pod tą dość enigmatyczną nazwą? Jest to maksymalna moc wyjściowa systemu jako funkcja częstotliwości, czyli – mówiąc inaczej – charakterystyka częstotliwościowa przy maksymalnej mocy wyjściowej dla wszystkich głośników. Jest to o tyle ważny parametr, że dość często niestety – ze względów oszczędnościowych albo po prostu z powodu braku większej liczby modułów – systemy nagłośnieniowe składają się z minimalnej, a nierzadko wręcz mniejszej niż minimalna wymagana, liczby zestawów w gronie, co skutkuje tym, że podczas koncertów są one „katowane” do granic wytrzymałości. Przyglądnijmy się, jak w takiej sytuacji „zachowuje” się system liniowy.

W RZECZYWISTOŚCI

W praktycznych zastosowaniach niezbędne jest wygięcie systemu w celu zachowania wymaganego pokrycia dźwiękiem. Zawsze, kiedy system liniowy jest ugięty, jego poziom ciśnienia akustycznego mierzony w danym punkcie nagłaśnianego obszaru spada w zakresie wysokich częstotliwości. Przykładowo, na wykresie z rysunku 1, zaczerpniętym z jednego z programów modelujących systemy line array, przedstawiona jest charakterystyka częstotliwościowa progresywnie wygiętego systemu liniowego – osiem zestawów z kątami wzajemnego rozchylenia od 0 do 6o – mierzona w odległości 30 m. Założono, iż poszczególne zestawy mają płaską charakterystykę. Jak widać, stłumienie najwyższych częstotliwości sięga ok. 18 dB. Oznacza to, że w celu uzyskania płaskiej charakterystyki częstotliwościowej poszczególne moduły systemu line array muszą mieć podbite wysokie częstotliwości o 18 dB! W rzeczywistości wysokie częstotliwości będą wymagały podbicia przeważnie w zakresie od 12 do 20 dB. Im bardziej system ugięty, tym większego podbicia będzie wymagał. Dlaczego?

Niższy poziom wysokich częstotliwości wynika z faktu, iż fale dźwiękowe dodają się w miejscu, gdzie znajduje się słuchacz. Kąt promieniowania w pionie poszczególnych zestawów w systemie jest bardzo szeroki dla niskich częstotliwości, ale zwęża się wraz z ich wzrostem. Zatem w wygiętym systemie liniowym niskie częstotliwości będą się sumowały (ze wszystkich modułów w gronie) w punkcie odsłuchu, jednak dla wysokich częstotliwości źródłem sygnału, który dotrze do uszu słuchacza w tym miejscu, będzie tylko jeden zestaw, w którego obszarze promieniowania będzie się on znajdował (inaczej mówiąc, góra będzie pochodzić tylko z tej paczki, która będzie wycelowana w to miejsce). Pokazuje to rysunek 2.

 

DRIVERY

W związku z tym, co napisałem wyżej, cieszyć może, że drivery ciśnieniowe są tak efektywnymi przetwornikami wysokich częstotliwości. W rzeczywistości są one efektywne w zakresie wysokiego środka. Wszystkie drivery ciśnieniowe wykazują spadek efektywności na końcu pasma, powyżej tzw. częstotliwości punktu wpływu masy. Jest to częstotliwość, powyżej której bezwładność membrany, związana z jej masą, nie może być już ignorowana. Występuje przeważnie w okolicy 3.500 Hz.

Na rysunku 3 przedstawiona jest charakterystyka typowego drivera ciśnieniowego. Jest to rzeczywista krzywa (oczywiście wygładzona) przebiegu charakterystyki współczesnego przetwornika z 3-calową membraną, 1,5-calowym wylotem i magnesem neodymowym. Czerwona linia reprezentuje przebieg poziomu ciśnienia akustycznego drivera. Niebieska linia pokazuje natomiast efekt dołączenia do drivera tuby o zmiennej kierunkowości. W tego rodzaju tubie rozproszenie zawęża się wraz ze wzrostem częstotliwości, „ściskając” zmniejszający się poziom emitowanych wysokich częstotliwości w mniejszym obszarze. Jeśli ustawimy się dokładnie na jej osi promieniowania, zamaskuje ona w ten sposób efekt wpływu masy. Jednakże we współczesnych systemach nagłośnieniowych stosuje się tuby o stałej kierunkowości (constant directivity horn), co w rezultacie sprawia, że jej promieniowanie jest bardziej zbliżone do tego, które reprezentuje linia czerwona.

Jaka więc jest charakterystyka pasma mocy kompletnego zestawu, z którego zbudowany jest system liniowy?

Rysunek 4 przedstawia charakterystykę przykładowego modułu line array, bardzo popularnego i będącego w ofercie wielu producentów – dwa 8-calowe woofery o mocy maksymalnej 200 W każdy (efektywność 95 dB/1 W/1 m), plus jeden driver ciśnieniowy z 3-calową membraną i 1,5-calowym wylotem (moc maksymalna 80 W), przy czym punkt podziału wypada przy 1.500 Hz. Biorąc pod uwagę punkt podziału, efektywność oraz możliwości mocowe trzech przetworników oraz efekt obciążenia wynikający z połączenia dwóch wooferów, przewidywana charakterystyka pasma mocy wyglądać będzie mniej więcej tak, jak na rysunku 4. Zielona linia odpowiada charakterystyce wooferów, czerwona – drivera ciśnieniowego, zaś niebieska to wypadkowa tych dwóch.

Z kolei na rysunku 5 widzimy efekt połączenia kilku tych zestawów w jeden klaster, w postaci charakterystyki pasma mocy takiego systemu, mierzonej (a w zasadzie szacowanej, bo są to charakterystyki nie rzeczywiste, ale „wydobyte” z programu symulacyjnego) w odległości 30 m na osi głównej systemu. Tutaj czerwona linia prezentuje maksymalny poziom ciśnienia akustycznego (SPL), otrzymany przy zasileniu systemu (głośników) maksymalną mocą. Wynika z tego, że system ma o ok. 20 dB „mocy pociągowej” mniej przy 15 kHz niż dla niskich częstotliwości!

Należy pamiętać, że czerwona linia pokazuje przebieg charakterystyki przy MOCY MAKSYMALNEJ, jaką można „wtłoczyć” w głośniki zestawów wchodzących w skład systemu nagłośnieniowego. Jeśli system będzie pracował poniżej (znacznie poniżej!) maksymalnej wartości mocy, można uzyskać płaską charakterystykę przenoszenia. Jednakże wymagać to będzie dużego podbicia zakresu wysokich częstotliwości. Gdy zaś będziemy próbować dokonać tej sztuki przy pełnej mocy, nie uzyskamy nic więcej niż drastyczne zwiększenie zniekształceń, co może skończyć się spaleniem driverów. Jeśli zaś system jest dobrze chroniony przez odpowiednio ustawione limitery, też nie uzyskamy pożądanego przez nas podbicia wysokich częstotliwości (limiter „nie puści”), a dodatkowo limiter zredukuje poziom sygnału całego pasma powyżej punktu podziału crossovera (oczywiście jeśli stosujemy osobne limitery dla pasma niskiego i wysokiego. Gdy mamy zapięty tylko jeden limiter dla całego pasma, będzie jeszcze gorzej). Oznacza to, iż wszystko, co znajduje się – w naszym przykładowym systemie – powyżej 1.500 Hz, zostaje ściszone. W ten sposób głośny sygnał wysokoczęstotliwościowy będzie modulował całe pasmo średnio-wysokoczęstotliwościowe, w tym wokal i inne instrumenty.

PROBLEM

Z powyższych rozważań wynika, że aby zapewnić w miarę równomierne odtwarzanie całego pasma, z częstotliwościami najwyższymi włącznie, nie możemy „żyłować” systemów, tzn. wykorzystywać ich pełnej mocy. Jeśli więc uzyskanie płaskiej charakterystyki częstotliwościowej wymaga podbicia zakresu góry pasma o co najmniej kilkanaście decybeli, wychodzi na to, że możemy używać tylko kilkunastu procent mocy dostępnej! Czy tak faktycznie jest?

TEORIA KONTRA RZECZYWISTOŚĆ

Okazuje się, że nie zawsze niezbędny będzie system z pełną, tj. co najmniej do 16 kHz, charakterystyką pasma mocy. Istnieją trzy czynniki zmniejszające „popyt” na wysokie częstotliwości:

• NATURA SYGNAŁÓW MUZYCZNYCH

Głośność sygnału muzycznego jest mniejsza przy wyższych częstotliwościach. Zostało to potwierdzone przez liczne badania, które dokonywane były w ciągu ostatnich 30 lat. Dennis Bohn na podstawie swojego doświadczenia sugeruje, że charakterystyka częstotliwościowa muzyki jest płaska do 5 kHz, a następnie, powyżej tego punktu, opada z nachyleniem 6 dB na oktawę (rysunek 6).

• STYL MUZYCZNY

Maksymalny poziom wysokich częstotliwości jest zależny od rodzaju (stylu) programu muzycznego. Dla programów muzycznych wyniki różnorakich badań najczęściej wskazują, iż muzyka klasyczna, jazz i pop charakteryzują się mniejszymi wymaganiami odnośnie wysokich częstotliwości (rysunek 7a i b). Z drugiej strony rock ma stosunkowo płaskie spektrum maksymalnej mocy akustycznej i dlatego wymaga takiej szerokości pasma mocy, która pozwala zagrać mocno całym pasmem (rysunek 7c). Stąd widać, że nie każdy system, który świetnie naddaje się do nagłaśniania koncertu symfonicznego czy arii operowych, równie dobrze sprawdzi się na koncercie kapel rockowych czy heavy metalowych.

• KOMPENSUJĄCE EFEKTY LUDZKIEGO SŁUCHU

W środowisku pogłosowym, gdzie słuchacz jest „zanurzony w morzu dźwięków” dochodzących z każdego kierunku, fale dźwiękowe uginają się wokół jego głowy, jak fale wodne, co wywołuje pewne podbicie (ok. 9 dB) wokół częstotliwości 8 kHz.

Funkcja przejścia (transfer function) ludzkiego ucha została opisana wiele lat temu w klasycznym już opracowaniu Audio Engineering Society (AES), autorstwa Roberta B. Schuleina z Shure Brothers. Rysunek 8 ilustruje krzywą, którą wyprowadził Schulein. Pokazuje ona funkcję przejścia ucha, gdy głowa jest zanurzona w czystym polu pogłosowym, gdzie dźwięk dociera mniej więcej ze wszystkich kierunków. Pole takie dobrze odzwierciedla sytuację, z jaką mamy do czynienia w większości koncertów, np. w halach sportowych. Jak można zobaczyć, ucho pomaga co nieco driverom w środowisku pogłosowym. Z drugiej strony, w niepogłosowym otoczeniu – np. w plenerach – krzywa ta nie funkcjonuje i drivery niestety muszą radzić sobie same.

CO Z TYM FANTEM ZROBIĆ?

Jeśli chcemy, aby w górze pasma było dużo „powietrza” i jednocześnie mocnego brzmienia przy dużych poziomach SPL, niezbędny będzie odpowiednio duży (w sensie zawierający dużą liczbę modułów) system liniowy, większy niż by się z pozoru wydawało. Jeśli impreza ma być grana w plenerze, wymagania odnośnie wielkości systemu dodatkowo wzrastają. Interesującą sprawą jest w tym to, że brakującym „zasobem” nie jest tu bas, ale sopran.

Może kiedyś doczekamy się systemów, które równie dobrze będą radziły sobie w środku pasma, jak i w górze. Póki co nie pozostaje nam nic innego, jak zwrócić baczną uwagę na kilka aspektów, które choć trochę pomogą nam złagodzić niedomagania współczesnych systemów w zakresie najwyższych częstotliwości:

1. Kupując nowy system warto prześledzić nie tylko jaką mocą dysponuje i jaki maksymalny SPL jest w stanie wyprodukować, ale również przyjrzeć się częstotliwości podziału pomiędzy driverami a głośnikami nisko-średniotonowymi (zakładając, że interesuje nas system dwudrożny). Jeśli jest ona stosunkowo niska, będzie to prawdziwa „orka” dla driverów, i musimy liczyć się z tym, że zarówno ograniczenia sygnałów, jak i zniekształcenia intermodulacyjne będą miały tendencję do dosyć częstego pojawiania się przy dużych poziomach na wyjściu. Dla typowych driverów z 1,5-calowym wylotem częstotliwości podziału poniżej 1.200 Hz można uważać za zbyt niskie. Dla driverów 1-calowych częstotliwość podziału powinna być jeszcze wyższa, od 1.500 do 2.200 Hz, w zależności od konstrukcji przetwornika.

2. Konfigurując i używając system na co dzień musimy pamiętać o niezbędnej dodatkowej equalizacji całego systemu, której charakterystyka w większości przypadków przypomina skocznię narciarską – wznosząca się krzywa, która kończy się 12-18 dB wyżej przy 10 kHz niż dla 100 Hz. Część z tej korekcji może pochodzić od samych zestawów – wiele modułów systemów wyrównanych liniowo zostało zaprojektowanych z rosnącą charakterystyką częstotliwościową – jednak prawie w każdym przypadku wciąż niezbędny będzie equalizer zdolny do wytworzenia łagodnego zbocza (im łagodniejsze zbocze, tym mniej problemów fazowych). Dlatego lepiej zastosować do tych celów korektor parametryczny, np. w procesorze głośnikowym, bez którego praktycznie żaden system liniowy obecnie się nie obejdzie.

3. Jeśli jesteśmy obyci z kompresorem pasmowym, warto przemyśleć zastosowanie tego typu urządzenia na sumie sygnałów z miksera. Rozważna kompresja najwyższych częstotliwości pozwoli na wyrównanie często dość znacznych szczytów sygnałów występujących w tym zakresie (transjentów), co pozwoli albo na podniesienie poziomu głośności sopranów (jeśli pierwotnie zabezpieczyliśmy odpowiedni zapas poziomu sygnału (headroom) dla tychże szczytów), albo na pozbycie się „pompowania” całego pasma przez limiter zabezpieczający wyjście w takt pojawiania się tych szczytów (jeśli headroom jest za mały).

4. Przy projektowaniu konfiguracji systemu nagłośnieniowego staraj się korzystać z możliwie najdłuższej liniówki. Wynika to z kilku powodów:
– dłuższe systemy line array z natury są mniej zakrzywione. Im mniejsza krzywizna łuku podwieszonego systemu, tym mniejsze tłumienie wysokich częstotliwości (bardziej płaska charakterystyka częstotliwościowa). Także mniejsze kąty pomiędzy poszczególnymi modułami przeważnie prowadzą do bardziej wyrównanej (gładkiej) charakterystyki w zakresie wysokich częstotliwości, tak więc „góra” takiego systemu po prostu brzmi lepiej
– dłuższe systemy liniowe dysponują sumarycznie większą liczbą driverów ciśnieniowych, co przekłada się na większą liczbę źródeł emitujących wysokie częstotliwości
– dłuższe systemy line array zachowują się lepiej w zakresie niskiego środka. Ten punkt ma się, co prawda, nijak do tematu naszego artykułu, jednak jest to bardzo ważna reguła, o której warto wspomnieć.

NIE TYLKO LINE ARRAY

Problemy z charakterystyką częstotliwościową w systemach nagłośnieniowych, które opisaliśmy tutaj, nie dotyczą tylko i wyłącznie systemów line array. Niezależnie od tego, czy powiesimy prawdziwy system liniowy, czy po prostu pewną liczbę zestawów głośnikowych (źródeł punktowych), zawsze będziemy mieli do czynienia z tendencją do większego sumowania poziomu wyjściowego w zakresie niskich częstotliwości. Aczkolwiek problem z systemami liniowymi jest bardziej bezpośredni i przewidywalny.

Piotr Sadłoń