Принцип линейного массива

Сергей Агеев

Как известно (в том числе и из повседневного опыта), наиболее частой проблемой при создании систем звукоусиления, особенно в больших помещениях, является обеспечение хорошей разборчивости речи и (или) музыки. Вспомните, как часто вам приходилось искать на вокзале место, где можно разобрать, что же именно говорит диспетчер!

Источник этих проблем хорошо известен – это реверберация.

Сущность реверберации состоит в том, что энергия звуковых волн накапливается в помещении, при этом создается фон из звуков, перемешанных во времени и пространстве. При большом времени реверберации уровень этого фона может намного превосходить уровень полезного сигнала. Как следствие, резко падает разборчивость речи и музыки.

Увеличение мощности звукоусилительной системы в таком случае бесполезно, гораздо больше пользы приносит снижение времени реверберации и обеспечение такой направленности излучения звука, чтобы большая часть звуковой энергии от громкоговорителей попадала непосредственно на слушателей.

Цель этих мер – увеличить отношение мощности прямого звука к реверберационному фону (гулу). Еще один метод, применяемый для улучшения разборчивости речи, заключается в “срезании” низкочастотной части спектра (обычно ниже 400 Гц - 1 кГц). При этом используется тот фактор, что выше 1 кГц время реверберации обычно уменьшается, а направленность громкоговорителей возрастает.

Несмотря на то что эффективность всех этих методов повышения разборчивости проверена временем, им присущ ряд принципиальных проблем. Во-первых, снижение времени реверберации и подавление наиболее мешающих отражений в уже имеющихся помещениях неизбежно требует перепланировки или установки звукопоглощающих элементов. А это далеко не всегда возможно. Например, в историческом здании изменение интерьера зачастую недопустимо в принципе. Во-вторых, традиционные направленные громкоговорители на основе рупоров обладают удовлетворительными характеристиками, но весьма громоздки – для эффективной работы поперечник (и длина) рупора должен быть сравним с длиной волны, а длина звуковой волны на частоте 100 Гц составляет 3,35 м. Подобные габариты в помещениях, тем более исторических, обычно неприемлемы. И в-третьих, “срезание” низкочастотной части спектра резко искажает тембр звучания, что недопустимо в случае художественной речи.

А теперь представьте себе такую ситуацию: нужно озвучить гулкий старинный собор. Звукопоглотители ставить некуда – на стенах фрески, да и интерьер менять нельзя. Единственное, что можно сделать в такой ситуации – использовать максимально направленные акустические системы, чтобы к слушателям приходила как можно большая доля прямого звука по сравнению с отраженным. Однако устанавливать громоздкую традиционную акустику в подобных случаях, как правило, тоже некуда, да и выглядит она инородным телом. А звукоусилительная система необходима.

До недавнего времени такая ситуация была практически безвыходной, если не считать крайне неудобных вариантов с установкой громкоговорителей в каждое кресло (тем, кто стоит, ничего не будет слышно, да и кресла есть далеко не всегда) или раздачей наушников.

Сейчас подобные проблемы можно решить путем использования акустических систем с иным способом формирования направленности – не при помощи рупоров, а при помощи массива излучателей.

Для формирования направленного излучения звука в принципе есть два основных способа. Первый – это всем известные громоздкие рупорные системы, они, кстати, обладают и наивысшим коэффициентом полезного действия (доходящим до 30%). Второй – использование массивов излучателей, когда благодаря совместной работе многих громкоговорителей формируется направленный источник звука. Есть и третий – применение зеркал, фокусирующих звук, но они еще более громоздки, чем рупоры.

Идея использования массива излучателей не нова и известна еще с 40–50-х годов (см.: Олсон, “Acoustical Engineering”, 1940 г., где рассматриваются массивы градиентных микрофонов, и Беранек, “Acoustics”, 1954 г., где есть глава о линейных массивах). В 70-е годы фирма JBL поставляла две подобные системы – 4375 и 4380.

Рис.1.Вертикальный ряд излучателей

Принцип создания направленного действия массива излучателей (рис. 1) состоит в том, что когда все излучатели создают одинаковые звуковые волны, то в направлении А они складываются. При отклонении от этого направления появляется разность расстояний до различных излучателей и соответственно разность фаз. При этом эффективность суммирования уменьшается, более того, возможно даже полное уничтожение излучения в определенных направлениях из-за взаимной компенсации излучений, находящихся в противофазе из-за разности путей к соответствующим излучателям (см. рис. 1, направление B). Чем больше размер массива излучателей по отношению к длине волны, тем острее оказывается его направленность. Основным достоинством массива излучателей является его компактность – большие размеры нужны только в одном направлении, причем перпендикулярном к направлению излучения, т.е. такая система может быть сделана плоской (формируется узкий луч) или в виде узкой колонны (диаграмма направленности представляет собой диск, “нанизанный” на колонну). Именно компактность таких систем и представляет интерес.

Вышеизложенное справедливо в случае, когда все громкоговорители идеально одинаковы, не обладают собственной направленностью излучения и работают на одной-единственной частоте. На практике же эти условия выполнить напрямую невозможно, хотя бы потому, что любая акустическая система должна работать в некоторой полосе частот, а следовательно, и длин волн. Типичным диапазоном частот для высококачественных систем озвучивания может служить 100 Гц - 10 кГц. При этом длины звуковых волн отличаются в 100 раз, и если на низких частотах направленность, как правило, недостаточна, то на высоких теоретически оказывается чрезмерно велика (на практике разброс характеристик излучателей приводит к невозможности точного суммирования, что уменьшает направленность). Кроме изменения степени направленности с частотой, на средних частотах обычно возникает много побочных максимумов (лепестков) излучения. Наконец, эффективность подобных акустических систем (в смысле отдачи акустической мощности на единицу электрической) оказывается ниже, чем у рупорных систем, что требует большей мощности усилителей, но сейчас это не проблема.

Рис. 2. Карты коэффициента звуковой разборчивости и звукового давления при разных вариантах озвучания

Перечисленные обстоятельства привели к тому, что несмотря на компактность коммерческие образцы акустики направленного действия на основе линеек излучателей до последнего времени по характеристикам были неконкурентоспособны с рупорными.

Однако в последние несколько лет ситуация принципиально изменилась, и благодаря появлению новых технологий цифровой обработки сигналов акустические системы на основе массива излучателей оказались не только конкурентоспособны, но и незаменимы, когда нужно качественно озвучить “тяжелейшие” объекты, например храм с временем реверберации около 9 с.

Ключом к успеху послужило появление возможности цифрового формирования независимых сигналов для каждого громкоговорителя (или каждой пары громкоговорителей), входящих в состав колонны, с отдельными усилителями. Благодаря этому удалось не только практически устранить изменения диаграммы направленности с частотой, но и получить возможность электронного управления ее формой, причем при необходимости – с учетом условий установки. Далее, практически цилиндрическая форма волны, генерируемая этими системами, обеспечивает меньшее затухание на начальном этапе ее распространения и существенно уменьшает неравномерность уровней звукового давления по сравнению с обычными системами (рис. 2).

Рис. 3. Акустическая система в Храме Христа Спасителя

Эти свойства активных акустических систем с цифровым управлением направленностью AXYS, выпущенных голландской фирмой Duran Audio, и позволили выполнить много проектов (озвучивание соборов практически без нарушения интерьеров), ранее считавшихся неосуществимыми (рис. 3).

Это стало возможно благодаря сочетанию достижений как в технике (создание многоканальных усилителей и цифровых процессоров обработки), так и в математическом обеспечении (создание алгоритмов обработки для формирования сигналов с учетом характеристик конкретных громкоговорителей и условий получения требуемых диаграмм направленности (рис. 4,5). Чрезвычайно сжатая по вертикали диаграмма направленности как раз и способствует повышению доли прямого звука – от пола и потолков при правильной установке просто нечему отражаться!

Рис. 4. Вид пространственной диаграммы направленности

Кроме того, поскольку системы изначально предназначены для решения сложных задач, в цифровом контроллере предусмотрена возможность его программирования на заказ, с учетом конкретных обстоятельств (например, при изменении конструкции акустической системы, вызванной стилизацией под данный интерьер). Имеется также программный комплекс для проектирования и “привязки” систем озвучивания к конкретным условиям.

Рис. 5. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости. Хорошо видно практическое отсутствие побочных лепестков

В настоящее время, помимо Duran Audio, системы такого класса не предлагает никто. Причин тому несколько. Во-первых, разработка технологии требует не только денег, но и значительного времени (не менее нескольких лет). Во-вторых, несмотря на известность общего принципа построения подобных систем (аналогичным образом построены современные радары), особенности, которые и обеспечивают эффективную работу, надежно защищены пакетом патентов. Конечно, не исключено, что подобная технология будет освоена кем-либо еще, например JBL, но лишь в отдаленной перспективе. Важно, что в настоящем и обозримом будущем имеется лишь один поставщик подобной технологии – Duran Audio NV.

Цены на продукцию и услуги Duran Audio хотя и довольно высоки (от 8 до 20 тыс. долл. за одну активную колонку), но, учитывая сложность решаемых с их помощью задач, отнюдь не являются заоблачными. Необходимо, правда, иметь в виду, что “умная” техника сама по себе – лишь некоторое количество материалов и не более того. Решают проблемы люди, поэтому нужно отдавать себе отчет в том, что разработка акустического дизайна, “привязка”, а иногда и программирование системы, учитывая все сложности, может стоить больше, чем собственно техника. Шаблона, естественно, здесь быть не может, и решения, в том числе финансовые, в каждом конкретном случае принимаются независимо.