Бас! Бас!

    Бас! Бас! Массивы НЧ кабинетов

    Гюнтер Й. Краус  EVI Audio GmbH
    Представлено на Straubing Hausmesse 24.-26.1.2003, Copyright: EVI Audio GmbH 1999-2003, V18.1.2003

    Удовлетворительное воспроизведение низких частот является одной из наиболее актуальных проблем звукоусиления.
    Распространение мощных высококачественных автомобильных и домашних аудиосистем привело в последние 15 лет к значительному повышению уровней звукового давления на крайне низких частотах.  Качество воспроизведения низких частот серьезно зависит от физического размещения громкоговорителей, а не только от качества самих драйверов и особенностей их акустического оформления. Как салон автомобиля, так и типичная жилая комната имеют наибольшие физические размеры сопоставимые с длинами волн басового диапазона, скажем 3 – 8м.  Типичная малая, либо средняя по размеру система звукоусиления излучает низкие частоты в открытое пространство, либо в помещение, размеры которого часто намного больше длины волны на низких частотах. Вдобавок, физические размеры профессиональных НЧ кабинетов и массивов, состоящих из них, значительно больше, чем у автомобильных или домашних громкоговорителей и, следовательно, не могут быть представлены как идеализированные точечные источники.
    Таким образом, опыт воспроизведения НЧ в автомобильных и домашних аудиосистемах не всегда может быть применим к малым, средним, либо крупным профессиональным системам звукоусиления.
    Обычная стереосистема с двумя колонками изначально страдает неравномерностью АЧХ из-за интерференции, что проявляется в наличии максимумов и минимумов звукового давления в пределах стереобазы. Заметность этой интерференции наибольшая на низких частотах. Так называемые «басовые дорожки» или «Hi-Fi – дорожки» есть области, где сигналы правого и левого массивов громкоговорителей интерферируют конструктивно, т.е. суммируется. Между этими «дорожками» есть мертвые области, где вышеназванные сигналы вычитаются или интерферируют деструктивно.  
    Сравнительно равномерное покрытие области озвучивания низкими частотами можно создать с помощью горизонтальных напольных массивов НЧ кабинетов, либо центрального НЧ кластера.  Кроме того, субъективное качество звучания и уровень звукового давления на низких частотах кА в аудитории, так и на сцене менее зависит от акустики помещения благодаря замечательным характеристикам направленности таких массивов, либо кластеров.  
    Пара (правый и левый) подвесных линейных массивов в принципе страдает от «басовых дорожек», но имеет преимущество в исключительной направленности в вертикальной плоскости вплоть до крайне низких частот. Таким образом, очень большие аудитории могут быть озвучены с заданным уровнем звукового давления на низких частотах. Крупномасштабные системы озвучивания требуют особого подхода по сравнению с малыми и средними системами, что выходит за рамки данной статьи.   
    1. Некоторые распространенные заблуждения, касающиеся низких частот и НЧ кабинетов.

    1.1 Бас излучается ненаправленно

    Это утверждение истинно, только если размеры НЧ кабинета намного меньше длин волн излучаемых им частот. Размеры профессиональных НЧ кабинетов не пренебрежимо малы, как следует из Рис.1.  на диаграмме приведены АЧХ типичного  18”  сабвуфера, размещенного на полу. Одна кривая записана на расстоянии 10м впереди кабинета. Другая же – в 10м позади него. Можно видеть, что сзади кабинет излучает меньше, чем спереди. Таким образом, он не является ненаправленным излучателем для верхней части басового диапазона из-за влияния диаметра диффузора и размеров оформления. 
                                 
    Рис.1 Амплитудно-частотная характеристика типичного 18” НЧ кабинета. Измерения показывают различие в излучении спереди и сзади. Частота кроссовера 124Гц, фильтр Линквица-Райли 24дБ/окт.

    1.2 Бас не локализуется, положение НЧ кабинетов никакой роли не играет

    Это верно только для случая полностью диффузного поля низких частот,  например в относительно большой жилой комнате с сильными отражениями на низких частотах. В такой ситуации мы не можем локализовать источник баса, поскольку расстояние между ушами на низких частотах не позволяет определить направление на источник звука. Если поле звукового давления на низких частотах не полностью диффузно, мы можем локализовать источник просто по изменению уровня звукового давления и «механическим ощущениям» баса.
         
           
    Рис.2 Предельный случай локализуемого баса.

    1.3 Установка массива НЧ кабинетов на полу увеличивает звуковое давление на 3дБ
    Если кабинет установлен на полу, он излучает всю акустическую мощность в полупространство над полом, поэтому звуковое давление возрастает на 3дБ по сравнению с размещением его в свободном пространстве, вдали от отражающей поверхности.
    Однако, в то же самое время, сопротивление излучения кабинета удваивается, что приводит к прибавке 6дБ звукового давления вместо 3дБ.  [1]
    Следовательно, для достижения того же самого уровня звукового давления, массив, размещенный на полу, должен состоять из вдвое меньшего числа НЧ кабинетов по сравнению с подвесным.
    Когда НЧ кабинет расположен вблизи полностью отражающей поверхности, за этой поверхностью возникает его «зеркальное отражение». Чувствительность возрастает на 6 дБ, а эффективная высота кабинета удваивается. На Рис.3 показаны уровень звукового давления и диаграмма направленности ненаправленного точечного источника без какой-либо отражающей поверхности. Для простоты показана только верхняя половина диаграммы.
           
    Рис.3 Звуковое давление и направленность ненаправленного точечного источника без отражающей поверхности, 100Гц.
          
    Рис.4 НЧ кабинет на полу и его зеркальное отражение, 100Гц.

    На Рис.4 показан НЧ кабинет, установленный на полу, а также его зеркальное отражение. На низких частотах звуковое давление возрастает на 6дБ, а направленность изменяется из-за конечного расстояния между акустическими центрами. 

    1.4 Размещение НЧ кабинетов у стены или в углу усиливает бас

    Иногда да, иногда нет, также в зависимости от частоты. Это вновь зависит от физических размеров кабинета, диаметра диффузора и частоты.  На Рис.5 показан идеализированный НЧ кабинет глубиной 70см. Акустический центр не может быть помещен непосредственно в плоскости стены из-за размеров кабинета, потому зеркальное изображение находится примерно в 70см за стеной. Мы имеем два источника на расстоянии 1.4м друг от друга, и они в результате интерференции дают провал на частоте примерно 125Гц в направлении на слушателей, но пик величиной в 6дБ на этой же частоте, в направлении на потолок. Так что удар большого барабана теперь излучается в потолок, а не в аудиторию.
            
    Рис.5 Идеализированный НЧ кабинет глубиной 70 см, размещенный у стены, частота 100Гц (показан с зеркальным отражением).

    Во многих ситуациях, вероятно, лучше не размещать одиночные НЧ кабинеты у стен, или в углах. 
    Однако, плотно упакованные большие, либо средние по размеру массивы или кластеры НЧ кабинетов имеют хорошо определенные характеристики направленности на низких частотах и сравнительно большое отношение звукового давления фронт/тыл. Эта ситуация будет подробнее рассмотрена ниже.
    Если кабинет может быть установлен полностью заподлицо к стене или углу, ситуация кардинально изменяется, поскольку при этом акустические центры собственно кабинета и его зеркального отражения находятся очень близко друг к другу и деструктивная интерференция в интересующем нас частотном диапазоне отсутствует. 

    2. Проблема «басовых дорожек» в стереосистеме

    Стереофонические конфигурации с левым и правым кабинетами широко используются в небольших и средних системах звукоусиления. Хотя акустическая локализация может быть не столь хороша, как в системах с центральным кластером, удовлетворительное покрытие аудитории достигается без изначальной проблемы акустической обратной связи (завязки), характерной для последних. Но такие системы страдают от интерференции, вызванной различным расстоянием от правого и левого кабинетов до слушателей.
    На Рис.6 показаны два НЧ кабинета, сильно разнесенные по горизонтали. Для слушателя, находящегося на оси симметрии между ними, время распространения сигнала от обоих кабинетов одинаково и звуковое давление суммируется.
    Если слушатель находится не на оси симметрии, то разность длин пути звука от правого и левого кабинетов приводит к провалам АЧХ на всех частотах, для которых эта разность кратна половине волны.
    Линейная АЧХ имеет место только на оси симметрии, во всех других точках наблюдается эффект гребенчатой фильтрации. Эта проблема существует не только для баса, но также и для всех остальных частот. Но для средних и высоких частот этот эффект намного менее неприятен на слух по определенным психоакустическим причинам. Эта проблема свойственна всем стереосистемам и не зависит от типа примененных громкоговорителей. 
          
    Рис.6 Два НЧ кабинета на большом расстоянии по горизонтали. Большие разности хода приводят к полному подавлению излучения на отдельных частотах вне оси симметрии.

    На Рис.7 показан результат симуляции горизонтального покрытия двумя кабинетами, расположенными на расстоянии 10м, на частоте 100Гц. Каждая градация серой шкалы в направлении к черному соответствует ослаблению на 6дБ и мы имеем немало точек, где почти нет сигнала на 100Гц. Центральная, правая и левая «басовые дорожки» имеют линейную АЧХ в установившемся режиме, но отличаются с точки зрения времени прибытия сигнала. Звуковая волна от более удаленного кабинета приходит на 5мс позднее волны от ближнего кабинета. 
    Для всех симуляций использована модель ненаправленного точечного источника [2].
                        
    Рис.7 Басовые дорожки. Два НЧ кабинета, разнесенные на 10м. Горизонтальное покрытие на 100Гц.

    3.  Массивы НЧ кабинетов

    3.1 Как избавиться от «басовых дорожек»

    Проще всего решить эту проблему путем размещения НЧ кабинетов бок о бок в центре. Это показано схематически на Рис.8. Теперь разность хода волн относительно мала и полное подавление сигнала вне оси симметрии не имеет места на частотах, для которых длина волны много больше ширины массива излучателей.
    Рис.8. Два НЧ кабинета, размещенные бок о бок. На низких частотах разность хода невелика.Как видно из Рис.9, размещение кабинетов бок о бок полностью устраняет «басовые дорожки» и мы имеем почти равномерное покрытие аудитории в горизонтальной плоскости. 
    Рис.9 Однорядный массив из двух кабинетов(1*2). Горизонтальное покрытие на 100Гц. Два НЧ кабинета размерами 90см *60см бок о бок.

    На рис.10 показан вид спереди симулированного массива. Маленькие кабинеты на сцене справа и слева показаны для пояснения.
    Рис.10 Однорядный массив из двух НЧ кабинетов вместе с СЧ-ВЧ кабинетами на сцене.

    3.2 Управление горизонтальной направленностью

    При внимательном рассмотрении Рис.9 можно увидеть, что покрытие не круговое, но слегка овальное. Ширина массива примерно 1.2м и присутствует некоторая деструктивная интерференция в направлении, перпендикулярном  оси симметрии.  Теперь мы добавим еще по НЧ кабинету с каждой стороны массива. Ширина массива теперь составит 2.4м. Результирующее горизонтальное покрытие на частоте 100Гц показано на Рис.11. Массив стал сильно направленным в сторону слушателя. Высота массива на направленность в горизонтальной плоскости не влияет, она одинакова для массивов 1*4, 2*4, 3*4, и т.д.
    Рис.11. Массив 1*4, горизонтальное покрытие на 100Гц. Четыре кабинета 90см*60см бок о бок.

    На Рис.12 показан вид спереди симулированного массива 1*4. Маленькие кабинеты на сцене справа и слева показаны для пояснения.
    Рис.12. НЧ массив  1*4 вместе с СЧ-ВЧ кабинетами на сцене.В отдельных случаях, например, для звукоусиления в длинных и узких залах можно увеличить ширину массива и получить еще более узкую направленность на аудиторию. На Рис.13 показана симуляция для массива из 16 кабинетов. Ширина массива примерно 10м.
            
    Рис.13. Горизонтальный НЧ массив из 16 кабинетов, ширина приблизительно 10м, горизонтальное покрытие на 100Гц.

    3.3 Управление направленностью в вертикальной плоскости

    Добавим второй ряд НЧ кабинетов и получим массив 2*4. На Рис.14 показана симуляция покрытия в вертикальной плоскости для этого массива. Два зеркально отраженных кабинета при этом находятся ниже пола, удваивая высоту массива. Установленный на плоскости массив 2*4 излучает так же, как и массив 4*4 в свободном пространстве. Диаграмма направленности симметрична относительно главной оси полного массива.
          
    Рис.14 Массив 2*4 на частоте 100Гц с зеркально отраженными кабинетами. Вертикальное покрытие. Вид сбоку.

    На Рис.15 показан вид спереди симулированного массива 2*4.  Маленькие кабинеты на сцене справа и слева показаны для пояснения.  
          
    Рис.15 НЧ массив  2*4 вместе с СЧ-ВЧ кабинетами на сцене.

    3.4 АЧХ малых и средних массивов НЧ кабинетов 

    При построении НЧ массивов возникает вопрос каким образом изменяется частотная характеристика из-за близкого расположения, а так же как в результате возрастает сопротивление излучения. 
    На Рис.16 показаны сравнительные измерения одиночного кабинета COBRA-PWH и массива 2*4 из таких кабинетов. Ожидаемый прирост уровня звукового давления составляет 18дБ, а АЧХ изменяется слегка. Модификация какого-либо из пресетов цифрового контроллера вероятно не потребуется. Для массивов меньших размеров отличия от одиночного кабинета менее заметны.
    Для больших массивов или кабинетов других типов, например НЧ рупоров, либо закрытых ящиков, ситуация может быть другой.
            
    Рис.16 Сравнение АЧХ одиночного  18” НЧ кабинета с фазоинвертором и массива 2*4 из таких кабинетов. 

    3.5 Перепад звукового давления фронт/тыл

    На Рис.11 выше показано увеличение направленности в сторону аудитории при использовании горизонтального массива. Однако, как изменяется покрытие при использовании такого массива прямо впереди или ниже центра сцены?
    Рис.17 показывает измерения для массива 2*4. Одно измерение сделано на расстоянии 10м впереди массива, другое же – в 10м от задней стороны кабинетов. Высшие частоты басового диапазона ослаблены существенно. Даже в диапазоне 30 – 50Гц перепад фронт/тыл составляет 3-6дБ. Массив действует как один квадратный диффузор размерами 2.4м*2.4м. Нелегко найти такой диффузор на рынке.
    Значительное ослабление имеет место только, когда массив плотно упакован. Ослабление тылового излучения у плотно упакованного массива очень помогает в борьбе против акустической обратной связи на низких частотах.
                             
    Рис.17 Перепад фронт/тыл для плотно упакованного НЧ массива 2*4.

    В очень гулких помещениях может так случиться, что отражения от стен сильнее звука, излучаемого сзади массива, и исполнителям на сцене может показаться, что ударник играет неверный ритм. Эту проблему можно решить достаточно мощными мониторами, либо раздвинув кабинеты НЧ массива на 30-60см. В присутствии публики, создающей большее поглощение отраженного звука, эта проблема часто исчезает.

    3.6 Левый – центральный – правый массивы, часто хороший компромисс

    Напольные кластеры  с правой и левой сторон сцены часто используются в мобильных системах, благодаря простоте установки. Добавление центрального массива может существенно улучшить акустическую ситуацию и часто является хорошим компромиссом между бескомпромиссным центральным массивом и стереосистемой. Небольшие СЧ-ВЧ кабинеты на Рис.18 показаны только для ясности. На Рис. 19 дано симулированное покрытие в горизонтальной плоскости, если на все кабинеты подан сигнал одинакового уровня.
           
    Рис.18. Левый, центральный и правый массивы.
            
    Рис.19. Горизонтальное покрытие левого, центрального и правого массивов.

    Обычные стереофонические системы, состоящие из левого и правого кластеров, страдают от интерференции, приводящей к появлению «светлых» и «темных» пятен в аудитории и на сцене. Они  наиболее заметны на низких частотах.  Так называемые «басовые дорожки» или «Hi-Fi – дорожки» есть области, где сигналы правого и левого массивов громкоговорителей интерферируют конструктивно, т.е. суммируется. Между этими «дорожками» есть мертвые области, где вышеназванные сигналы вычитаются или интерферируют деструктивно. 
    Сравнительно равномерное покрытие области озвучивания низкими частотами можно создать с помощью горизонтальных напольных массивов НЧ кабинетов, либо центрального НЧ кластера.  Кроме того, субъективное качество звучания и уровень звукового давления на низких частотах кА в аудитории, так и на сцене менее зависит от акустики помещения благодаря замечательным характеристикам направленности таких массивов, либо кластеров. 

    4. Библиография

    [1]  Morse P.M., “Vibration and Sound”, 2d ed., McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948
    [2]  Beranek L.L., “Acoustics”, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1958