Line array i beam steering

Pomimo tego że systemy typu line array ma już w swojej ofercie prawie każda firma nagłośnieniowa w Polsce i każdy już oswoił się z wiszącym obok sceny gronem złączonych razem, „szerszych niż dłuższych” zestawów głośnikowych, wciąż wiele niejasności i nieporozumień – żeby nie powiedzieć „wtop” – pojawia się podczas ich praktycznego wykorzystania.

W myśl więc zasady „wiedzy nigdy dość” w tym artykule poruszymy jeszcze raz kilka kluczowych kwestii dotyczących teorii źródła liniowego i tego, jak to się przekłada w praktyce (czyli w pracy z systemami liniowymi). Artykuł ten będzie też niejako wstępem do drugiego zagadnienia, jeszcze bardziej nowatorskiego, które również coraz śmielej wkracza na rynek sprzętu audio, a mowa tu o technologii wirtualnego sterowania wiązką dźwięku.

ZACZNIJMY OD POCZĄTKU

Dźwięk jest falą mechaniczną, której energia transportowana jest z jednego miejsca w przestrzeni do drugiego za pomocą właściwości mechanicznych ośrodka, w którym się porusza. Fakt, że mamy do czynienia z falą oznacza, że dźwięk charakteryzuje się zarówno właściwościami czasowymi (np. zawartość sygnału), jak i przestrzennymi (np. kierunkowe rozchodzenie się przestrzeni).

Rozpatrując wszelkie modele fal dźwiękowych najczęściej posługujemy się źródłem dźwięku (bo coś na początku tę falę musi wywołać), zwanym monopolem. Jest to źródło punktowe, czyli pulsująca całą swoją powierzchnią sfera o nieskończenie małych rozmiarach. Jak widać, już „na dzień dobry” mamy do czynienia z czymś nierealnym, nie występującym w przyrodzie, ale taki już „urok” wszelkich modeli, że – aby na początek jak najbardziej uprościć analizę – zakłada się pewne ograniczenia. Fala akustyczna emitowana przez takie źródło jest symetryczną falą kulistą, co oznacza, że energia jest promieniowana we wszystkich kierunkach (źródło wszechkierunkowe). Jak już wspomniałem, idealne źródło wszechkierunkowe nie istnieje, jednakże monopol jest często stosowany do opisywania promieniowania bardziej skomplikowanych źródeł, jak np. głośnik czy system liniowy.

LINE ARRAY

Źródło liniowe – w idealnym przypadku – jest grupą wszechkierunkowych elementów o nieskończonej liczbie, ustawionych blisko siebie w linii prostej, promieniujących falę dźwiękową z taką samą fazą i amplitudą. Taka „zgodna” współpraca owocuje stosunkowo dużą kierunkowością źródła liniowego, która jest tym większa, z im większej liczby źródeł punktowych nasz „array” się składa. Oprócz tego, a więc oprócz długości samego źródła liniowego, istotny wpływ na jego kierunkowość mają również odległości, w jakich usytuowane są źródła punktowe względem siebie. Jak to wygląda w teorii?

WIELKOŚĆ (DŁUGOŚĆ) ŹRÓDŁA

Wpływ długości źródła liniowego, czyli de facto liczby źródeł punktowych, z których się składa, prześledzimy na następującym przykładzie. Rozpatrzmy pionową kolumnę składającą się z kilku (od 2 do 16) źródeł punktowych (monopoli). Odległości między poszczególnymi monopolami są stałe i wynoszą 17 cm, co odpowiada połowie długości fali dla częstotliwości 1 kHz. Mamy więc do czynienia ze źródłami o różnych długościach, odpowiadających 2, 4, 8 i 16 monopolom rozmieszczonych co 17 cm. Wszystkie źródła punktowe zasilane są takim samym sygnałem o częstotliwościach 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz i 1 kHz. Rezultaty tych zabiegów przedstawione są na rysunku 1.

Analizując rysunek 1 możemy wysnuć dwa podstawowe wnioski:
1. Dla ustalonej częstotliwości kierunkowość systemu zwiększa się wraz ze zwiększeniem jego długości.
2. Dla określonej długości źródła liniowego jego kierunkowość zwiększa się wraz ze zwiększaniem częstotliwości sygnału.

Punkt drugi jednak ma swoje ograniczenia – zwiększanie kierunkowości wraz z częstotliwością ma miejsce do określonej jej wartości. Jest to częstotliwość, przy której odpowiadająca jej długość fali jest nie mniejsza niż dwukrotność odległości pomiędzy monopolami źródła liniowego. Mówiąc inaczej, odległości pomiędzy źródłami nie mogą być większe niż pół długości fali przezeń emitowanej. Co się dzieje, jeśli warunek ten nie jest spełniony? Tutaj właśnie dochodzimy do drugiego kryterium kierunkowości źródła liniowego, czyli

ODLEGŁOŚCI MIĘDZY ŹRÓDŁAMI PUNKTOWYMI

Efekt rozmieszczenia tworzących źródło liniowe głośników względem siebie ilustruje rysunek 2.

Tutaj również mamy źródła liniowe, składające się z od 16 do 2 monopoli, których długość jest stała, równa 2,72 m. Oznacza to, że odległości między monopolami w każdym z czterech poniższych przypadków będą różne, a konkretnie 17 cm (szesnaście źródeł), 34 cm, 68 cm i 1,36 m (dwa źródła punktowe). I znów podajemy na wszystkie monopole ten sam sygnał, przy czym rozpatrujemy 4 przypadki, gdy jest to sinusoida o częstotliwości 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz i 1 kHz. O ile wykresy z pierwszego wiersza wyglądają OK – bowiem jest to dokładnie ta sama sytuacja, co w 4 wierszu z rysunku 1 – o tyle kolejne wykresy, a już szczególnie na samym dole, nie wyglądają zbyt „fajnie”, biorąc oczywiście pod uwagę, iż spodziewalibyśmy się raczej czegoś zupełnie innego, a nie takich „kwiatuszków”.

Jak widać, oprócz głównej wiązki dźwięku zaczynają się pojawiać listki boczne, które wraz ze wzrostem częstotliwości dorównują listkowi głównemu. Pierwsze symptomy czegoś takiego można było zresztą już zauważyć analizując rysunek 1, gdzie przy zwiększaniu częstotliwości sygnału owe listki boczne – aczkolwiek jeszcze bardzo nikłe – już zaczynały się pojawiać. Gdy jednak przekroczymy tzw. kryterium Nyquista, czyli częstotliwość sygnału będzie na tyle duża, że odpowiadająca jej długość fali będzie mniejsza niż odległość między źródłami razy dwa, wtedy kierunkowość źródła liniowego gwałtownie spada.

W PRAKTYCE

Z powyższych rozważań wynika, iż kierunkowość źródła liniowego, wynikająca z istnienia konstruktywnych i destruktywnych interferencji pomiędzy sąsiednimi źródłami punktowymi, dla których zachowane jest kryterium Nyquista, jest możliwa do uzyskania tylko w zakresie niskich i średnich częstotliwości. Nie ma możliwości takiego usytuowania driverów wysokotonowych, aby odległości między ich środkami akustycznymi były na tyle małe, aby spełnić kryterium Nyquista dla częstotliwości powyżej 10 kHz. Już powyżej 5 kHz w zasadzie nie uzyskamy tego metodą bliskiego umieszczenia głośników, gdyż odległości między nimi (a konkretnie ich środkami) musiałby być w zasadzie mniejsze niż 1 cal. A przecież układy magnetyczne driverów powodują, że nie sposób umieścić jednego takiego przetwornika obok drugiego w tak małej odległości. Dlatego też w przypadku wysokich częstotliwości kierunkowość systemów liniowych uzyskiwana jest w inny sposób – za pomocą odpowiednio zaprojektowanych falowodów. Nie może to być jednak zwykła tuba, bowiem czoło fali wychodzącej z przetwornika wysokotonowego powinno być maksymalnie płaskie, tak aby nie wytwarzać szkodliwych interferencji między głośnikami, co ma miejsce, gdy czoło fali będzie wycinkiem powierzchni kulistej. Tak więc zakrzywienie czoła fali musi spełniać warunek, iż odległość między środkami driverów musi być mniejsza już nie od połowy długości fali przez nie emitowanych, ale od 1/4 długości fali.

Rozwiązaniem tego problemu są opracowane na różne sposoby przez różnych producentów falowody, pozwalające na uzyskanie z jednej strony odpowiedniej kierunkowości, a drugiej płaskiego czoła fali u wylotu takiego falowodu.

W rzeczywistości więc systemy liniowe są hybrydą, w której do odtwarzania niskich i średnich częstotliwości wykorzystuje się własności klasycznego źródła liniowego, natomiast kierunkowość wyższych częstotliwości uzyskuje się poprzez stosowanie falowodów i opartych na nich rozwiązań technologicznych.

Rysunek 3 przedstawia rozkład poziomu ciśnienia akustycznego, w płaszczyźnie pionowej, emitowanego przez system złożony z sześciu modułów systemu line array, zestawionych w jednym prostoliniowym klastrze (zerowe kąty odchylenia poszczególnych modułów względem siebie). Zestawy wchodzące w skład systemu zbudowane są w oparciu o dwa przetworniki 10-calowe, odpowiedzialne za przetwarzania niskich i średnich częstotliwości, oraz driver ciśnieniowy, współpracujący z dedykowanym falowodem, zapewniającym wąską dyspersję wysokich częstotliwości. Na rysunku 3a zaprezentowano rozkład SPL dla częstotliwości 500 Hz, zaś na rysunku 3b dla częstotliwości 2 kHz. Poniżej, na rysunku 4 zaprezentowana jest charakterystyka przenoszenia systemu w polu dalekim (z rozdzielczością 1/3 oktawy), mierzona dokładnie na osi systemu. Jak widać, przebieg tej charakterystyki jest generalnie dość płaski, pomijając najwyższe częstotliwości, gdzie do głosu dochodzi m.in. tłumienie tych częstotliwości w powietrzu.

SYSTEMY „KRZYWOLINIOWE”

W praktyce, korzystając z modułowych systemów line array, czyli takich, jakie najczęściej spotykamy na koncertach, bardzo rzadko stosuje się klastry składające się z zestawów ustawionych w linii prostej. Znacznie częściej systemy liniowe występują w postaci „zagiętej” – bądź w formie litery „J”, bądź w progresywnie wygięty łuk, o stosunkowo niewielkim kącie pomiędzy poszczególnymi modułami. Tego rodzaju systemy określane są po angielsku jako „Curvilinear Arrays”, które w wolnym tłumaczeniu można by właśnie nazwać „Systemami Krzywoliniowymi”.

Zakrzywianie systemu sprawia, że musimy wziąć pod uwagę (i skompensować) pewne niekorzystne, wynikające stąd zjawiska. Spójrzmy na rysunek 5, gdzie ten sam system, co na rysunku 3, został nieco ugięty (kąt odchylanie między paczkami równy 5 stopni), aby lepiej wycelować nim w nagłaśniany obszar. Rysunek przedstawia pole akustyczne dla częstotliwości 500 Hz z 3 punktami, w których umieszczono wirtualne mikrofony. Charakterystyki, jakie zmierzą owe wirtualne mikrofony – dla pozycji A, B i C – zaprezentowane są na rysunku, odpowiednio, 6a, 6b i 6c.

Analizując owe charakterystyki zauważamy, że wszystkie charakteryzują się niższym niż na rysunku 4 poziomem ciśnienia akustycznego w zakresie wysokiego środka i góry pasma. Wynika to z faktu, że w dowolnym punkcie nagłaśnianej przestrzeni umieszczony tam mikrofon (albo słuchacz) „widzi”, a w zasadzie słyszy, dźwięk ze wszystkich głośników niskoi nisko-średniotonowych (czyli następuje sumowanie się sygnałów z poszczególnych modułów), zaś za reprodukcję pasma wyższego i najwyższego w tym punkcie odpowiada tylko jeden driver z tej paczki, która jest akurat wycelowana w to miejsce. Wynika to z faktu, że driver wysokotonowy z falowodem charakteryzuje bardzo wąski kąt dyspersji w pionie, zaś w przypadku głośników otwartych ich kąt promieniowania jest na tyle szeroki, że w dane miejsce dociera dźwięk z co najmniej kilku z nich (jeśli nie ze wszystkich).

Efektem tego jest właśnie zachwianie równowagi między górą a dołem pasma, pomimo tego że charakterystyki przenoszenia poszczególnych zestawów wchodzących w skład systemu liniowego mogą mieć jak najbardziej płaski przebieg. Z tego powodu charakterystyki amplitudowe pojedynczych modułów już fabrycznie charakteryzują się pewnym podbiciem wysokiego środka i pasma wysokiego, aby niejako automatycznie kompensować opisane zjawisko. Dodatkowo wzięty jest też pod uwagę fakt rosnącego wraz z częstotliwością tłumienia w powietrzu fal dźwiękowych, a więc zjawisko, które dodatkowo będzie wpływać na obniżanie poziomu wyższych częstotliwości, tym większe, im dalej znajdować będziemy się od systemu. Producent jednak przyjmuje pewien uśredniony poziom podbicia tychże częstotliwości, co może być niewystarczające w niektórych sytuacjach (duża wilgotność, wysoka temperatura, duża przestrzeń do nagłośnienia), stąd zawsze warto, a nawet trzeba, samemu dokonać pomiarów charakterystyki zainstalowanego już systemu nagłośnieniowego, i to nie tylko koło stacka, który często ustawiony jest relatywnie blisko sceny – biorąc pod uwagę wielkość całej nagłaśnianej przestrzeni – ale również w nieco większych odległościach od nagłośnienia. No i oczywiście w razie dużych ubytków dokonać odpowiednich korekcji.

W sytuacji gdy bliżej sceny pasmo wygląda OK, a dalej zaczyna brakować góry, dobrze jest podzielić system na sekcje (przynajmniej dwie) i zequalizować, tzn. podbić wysoki środek i górę pasma, tylko w tej sekcji modułów, które znajdować będą się na samej górze klastra, tzn. będą grały najdalej. Jeśli bowiem podbijemy wyższe częstotliwości w całym systemie, może okazać się, że bliżej sceny góra będzie „przewalona”, co przysporzyć nam może więcej niezadowolonych widzów niż sytuacja odwrotna, gdy dalsze sektory widowni będą nieco uboższe w częstotliwości z tego zakresu.

BEAM STEERING

Nieco inaczej wygląda proces „celowania” dźwiękiem w przypadku systemów liniowych, składających się z jednego modułu (ewentualnie dwóch czy trzech) w formie kolumny głośnikowej. Tutaj niestety nie jesteśmy w stanie jej odpowiednio ugiąć (choć niektórzy producenci oferują takie „cuda”, z odpowiednio ukształtowaną obudową, np. w kształcie litery J). W takiej sytuacji, jeśli chcemy zagrać w konkretne miejsce (a nie np. nad głowami widzów), wyjścia mamy dwa: albo fizycznie odchylić zestaw, tak aby grał pod odpowiednim kątem w stosunku do poziomu, albo – jeśli jest to możliwe, ale bardzo trudne – skorzystać z urządzeń z zaimplementowaną technologią sterowania wiązką (beam steering), które ma w swojej ofercie już kilku producentów (np. opisywany niedawno Fohhn, czy Renkus- Heinz albo Duran Audio).

Sama technologia elektronicznego (lub wirtualnego) sterowania wiązką dźwięku wymaga osobnego artykułu, aby rzetelnie ją opisać – postaramy się temat ten przybliżyć bardziej szczegółowo w kolejnym numerze. Tutaj tylko zasygnalizujemy temat i przedstawimy główne założenia i problemy, na jakie napotykamy w przypadku sterowania wiązką za pomocą opóźnień sygnałów (bo nie jest to takie „hop siup”, jak by się pozornie wydawało).

Na początek parę słów o zaletach elektronicznego „ukierunkowywania” wiązki dźwięku w stosunku do fizycznego.

Oczywiście najważniejszym aspektem używania kolumn ze sterowaną wiązką jest to, że można je zamontować w pozycji pionowej, np. wzdłuż ściany czy filara, co niewątpliwie wpływa na ich widoczność, a to może mieć kluczowe znaczenie, jeśli mamy do czynienia z obiektami zabytkowymi lub takimi, gdzie niemile widziane są rzucające się w oczy urządzenia. Drugi plus używania tego typu sprzętu jest taki, iż wieszając na ścianie zwykłą kolumnę, której kierunek padania wiązki dźwięku ustalamy poprzez fizyczne jej odchylenie, mamy do czynienia z wiązką bezpośrednią i odbitą (bo również i tylna część będzie w pewnym stopniu „grała”), przy czym obie wiązki – zgodnie z prawem odbicia – będą rozchodziły się w różnych kierunkach, z tym że wiązka odbita będzie podążała w niepożądanym przez nas kierunku, tzn. w górę (patrz rysunek 7a).

A więc to, co zyskaliśmy dzięki zastosowaniu źródła liniowego – wąski kąt dyspersji w pionie i wycelowanie wiązki w konkretny obszar, z pominięciem miejsc niepożądanych (jak np. sufit) – z miejsca tracimy, bo okazuje się, że w ów nieszczęsny sufit i tak trafia fala dźwiękowa, tyle że tym razem z wiązki odbitej od ściany, na której wisi urządzenie. W przypadku skierowania wiązki w sposób elektroniczny obie wiązki – bezpośrednia i odbita – podążają w tę samą stronę (rysunek 7b). Jeśli ktoś powątpiewa, że tak faktycznie jest i obie wiązki się sumują pod tym samym kątem, to rysunek 7b można porównać z sytuacją, gdy ściana, na której wisi nasze źródło, została doskonale wytłumiona, a więc odbicie nie występuje (rysunek 7c). I faktycznie, wiązka dźwięku jest nieco „uboższa” w stosunku do tej z rysunku 7b, gdzie fala odbita zsumowała się z bezpośrednią.

OK., to były zalety. A wady? Oczywiście najważniejsza to dużo większy koszt samego urządzenia, wynikający z faktu, że każdy głośnik w takim źródle musi być sterowany z osobnego DSP i osobnego wzmacniacza – łatwo policzyć, jak to wpływa na ogólny koszt, porównując to ze zwykłą kolumną, w której wszystkie głośniki napędzane są z jednego kanału wzmacniacza i w zasadzie nie ma potrzeby stosowania DSP. Co więcej? Może nie jako wadę, ale trudność trzeba też wymienić fakt, że sterowanie wiązką dźwięku nie jest takie proste, jak by się z pozoru wydawało. Nie wystarczy tylko odpowiednio poopóźniać sygnał docierający do kolejnych głośników systemu, i sprawa załatwiona. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę co najmniej trzy aspekty – relatywnie duży zakres częstotliwości odtwarzanych przez takie źródło (tym szerszy, im bardziej zależy nam na wysokiej jakości dźwięku, a więc na pokryciu jak najszerszego pasma z zakresu częstotliwości słyszalnych przez człowieka), problem z falowodami/tubami oraz kwestię emisji tylnej.

Generalnie, aby móc z sukcesem zastosować technologię beam steering, trzeba spełnić cztery podstawowe warunki:
1. Poszczególne źródła wchodzące w skład systemu liniowego muszą być idealnie wszechkierunkowe lub możliwie jak najbardziej zbliżone do wszechkierunkowych.
2. Odległości pomiędzy tymi źródłami muszą być mniejsze niż połowa długości fali najwyższej częstotliwości przetwarzanej przez kolumnę.
3. Całkowita długość źródła musi być większa niż długość fali najmniejszej częstotliwości, jaką będzie odtwarzać.
4. Odpowiednia liczba procesorów DSP niezbędna do sterowania KAŻDYM elementem źródła liniowego osobno – zarówno fazy, jak i amplitudy sygnału doń docierającego.

Jak widać, kwestia sterowania wiązką dźwięku jest dość złożonym problemem i niejeden producent już się na nim „wyłożył”, dlatego też wciąż niewielu jest takich, którzy z sukcesem zaimplementowali tę technologię w swoich produktach. Szerzej o tym jednak napiszemy w kolejnym numerze.

Piotr Sadłoń