Длинная "массивная" история

Майк Манн

Рис.1. Линейный массив из восьми акустических систем JBL VT4889

В сущности, в развешивании акустических систем так называемыми линейными массивами (line array) нет ничего нового. Примеры размещения АС в линию одна под другой можно было наблюдать благодаря дизайну RCA аж в 30-х годах, а почти каждый шаг развития акустических систм основан на исследованиях доктора Гарри Олсона, опубликованных в 1957 г. С появлением рупоров, повысивших эффективность громкоговорителей в плане контроля направленности, "старомодные" системы стали использоваться в бюджетных инсталляциях. Системы, снабженные рупорами, имеют ряд преимуществ: они модульные, компактные и могут быть сконструированы в массивы для получения желаемого звукового покрытия. По мере роста требований к звуковому давлению возникли и другие проблемы, которые необходимо решить. Взаимное влияние рупоров системы, имеющей множество их, дает слышимые вариации в частотном диапазоне в любой точке звукового поля. В течение последних трех десятилетий звуковая индустрия пыталась усовершенствовать рупоры, зачастую игнорируя развитие линейных массивов, которые в общем-то не считаются шагом вперед в профессиональной акустике. Но тогда почему с недавних пор они стали применяться в системах с высоким звуковым давлением? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала необходимо разобраться, что же такое линейный массив.

Итак, линейный массив - это несколько акустических систем, собранных в вертикальную колонну. Взаимное позиционирование множества громкоговорителей, даже без использования рупоров, в этом случае влияет на зону звукового покрытия. Вертикальный массив имеет широкое и неконтролируемое горизонтальное покрытие. Эффект вертикальной дисперсии в линейном массиве весьма значителен даже при его умеренной длине, когда ширина звукового луча может составлять лишь несколько градусов. В горизонтальной плоскости нет надобности беспокоиться об интерференции, так как массив имеет ширину, равную одной колонке.

Рис.2. Доктор Кристиан Хэйл (компания L-Acousties)

Исследования Олсона показали, что зону покрытия можно контролировать изменением длины массива, но при условии, если расстояние между акустическими центрами смежных АС меньше, чем длина звуковой волны. Это порождает проблемы воспроизведения высоких частот. Акустические центры компрессионных драйверов являются их физическими центрами, поэтому драйверы в массиве, воспроизводящем высокие частоты, должны быть очень маленькими, чтобы их центры располагались близко друг к другу.

Для воспроизведения голоса с низким звуковым давлением и ограниченным частотным диапазоном это не является проблемой; массив с четырехдюймовыми громкоговорителями может работать в области 3 кГц без особых неприятностей. Однако когда нужны высокое давление и расширенный частотный диапазон (что потребует расположения драйверов всего лишь в нескольких миллиметрах друг от друга), необходимо альтернативное расположение частей, воспроизводящих высокие частоты, так как компрессионные драйверы в совокупности с рупорами очень громоздки.

Первым коммерчески успешным продуктом в этой области была система V-DOSC Кристиана Хейла, появившаяся в начале 90-х годов. Она позаимствовала название у камеры DOSC, которая получает сигнал с выхода компрессионного драйвера и преобразует его в узкую прямоугольную волну, распространяющуюся потом по волноводу как волна, имеющая полуцилиндрическую форму. Так как центром цилиндра является прямая, то можно располагать драйверы с возможностью направления сигналов так близко друг к другу, что их акустические центры чуть ли не касаются. Это почти идеально для создания массива, воспроизводящего высокие частоты, когда компоненты системы предлагают хорошую направленность в вертикальной плоскости и имеют широкую, но конкретную форму горизонтальной дисперсии. Вертикальную зону покрытия можно контролировать изменением угла расположения акустических систем, хотя во избежание появления пробелов в зоне покрытия угол изменения положения каждой колонки очень мал.

Рис.3. Волновод акустической системы JBL VT4889

Звуковая камера является важнейшим компонентом системы и имеется почти во всех акустических системах для мощных линейных массивов, выпущенных с момента появления V-DOSC. Теперь ведутся споры по поводу устройства самой камеры, что подчеркивает важность изобретения. Для воспроизведения частот ниже 1,3 кГц используются громкоговорители прямого излучения с коническими диффузорами. Ввиду того что расстояние между их акустическими центрами больше 25 см, они работают без дополнительной помощи.

Альтернатива комбинации камера/волновод - использование драйверов, изначально воспроизводящих нужную форму волны, таких как Ribbon Compact Driver. Эти устройства уже несколько лет продает на рынке компания Stage Accompany. Пока другие фирмы не наладили производство аналогичных драйверов, Stage Accompany утверждает, что это более правильный метод генерирования волн цилиндрической формы, который не вносит искажения в звук в отличие от метода преобразования конической волны в плоскую. Похоже, что настоящий интерес к линейным массивам заставит производителей сделать шаг назад и сфокусировать больше внимания на этом типе драйвера.

Не касаясь дизайна устройств формирования высокочастотной волны, наиболее конкурирующим показателем системы с высоким давлением является зона звукового покрытия. Теперь концертные линейные массивы выпускаются такими компаниями, как EV, Apogee, Adamson, JBL и многими другими. На выставке AES в сентябре прошлого года EAW тоже имела подобную систему, но не распространялась об этом, а один или два разработчика, которые были еще недавно крайне против таких систем, по слухам, в тайне готовят свою версию. Каждый производитель небезосновательно заявляет, что их система привнесла в индустрию что-то новое. Конструкция VerTec от JBL использует комбинированную СЧ/ВЧ-секцию для воспроизведения сигнала выше 200 Гц. Это еще один шаг к созданию теоретически идеальной системы, где один массив воспроизводит все частоты.

Рис.4. Apogee Sound ALA-5

В системах Брока Адамсона звуковые камеры были заменены устройствами, содержащими смонтированные коаксиально СЧ- и ВЧ-драйверы, которые, по заявлению компании, внесли серьезные усовершенствования в воспроизведение звука этой частотной области. Другие производители предложили механические изменения. Например, крепление акустических систем в массиве в их фронтальной части для сохранения наименьшего расстояния между драйверами.

Когда слушателям впервые представили систему V-DOSC, они были поражены "пробиванием" высоких частот и близостью аудиообраза. Причиной тому могли быть две вещи: чем выше направленность массива на высоких частотах, тем меньше отражений происходит от пола и потолка. Это значит, что человек слышит меньше отраженного звука, чем ожидает. Второй фактор заключается в том, что уровень звукового давления линейного массива падает гораздо более плавно: 3 дБ при удвоении дистанции вместо 6 дБ. Так, при использовании простой системы, создающей уровень звукового давления 120 дБ на расстоянии 1 м, при удалении на 128 м слушатель ощутит лишь 78 дБ, в то время как при удалении на такое же расстояние от линейного массива с аналогичными параметрами этот показатель будет равен 99 дБ. В любом случае величина падения давления в 3 дБ применима лишь к "ближнему полю". Как только слушатель попадает в "дальнее поле", этот показатель становится равен 6 дБ. Эти цифры освободили организаторов концертов от использования систем задержки (за исключением очень больших площадок), а зрителей первых рядов уже не надо оглушать для того, чтобы последние ряды что-то услышали.

Рис.5. Линейный массив из систем EV X-Line

Несмотря на то что массивы пробивают высокими частотами большие расстояния, нижняя часть их диапазона достаточно слаба. Так происходит из-за точки, в которой достигается "дальнее поле". Расположение этой точки определяется двумя факторами: длиной массива и частотой сигнала. Волна высокой частоты имеет большее "ближнее поле", чем волна низкой частоты, поэтому длина линейного массива должна быть достаточной для создания приемлемого "ближнего поля" для всех частот. Пятиметровый массив, воспроизводящий сигнал 10 кГц, создаст "ближнее поле" длиной 360 м, а при сигнале 1 кГц длина составит 36 м, значение же для 100 Гц будет всего 3,6 м. Из этого следует, что, по мере того как слушатель будет удаляться от массива, частотный диапазон будет меняться.

Хотя воздух гораздо сильнее поглощает высокие частоты, в концертных условиях необходима некоторая коррекция, так как зрители, занимающие последние ряды, хотят слышать нижнюю часть диапазона так же, как и высокую. Это можно осуществить путем увеличения длины массива, но достижение "ближнего поля" в 100 м для 100 Гц потребует длины массива в 25 м! Перекос в угасании ВЧ и НЧ можно поправить варьированием уровня сигнала, посылаемого на разные элементы системы.

Наиболее общая форма такой техники известна как "power tapering". Она использовалась в многоэлементных высоковольтных системах (например, на 100 В). С помощью автотрансформатора сигнал, подаваемый на ВЧ-драйверы, уменьшался, эмулируя меньшую высоту колонны, в то время как НЧ-громкоговорители работали на полную мощность, увеличивая высоту массива. В крупных системах с множеством кабинетов сигнал проходит через специальный фильтр, регулирующий длину массива для каждой отдельно взятой частоты. Это, конечно, можно назвать ретроградством, но примеры звукового давления на концертах показывают, сколь эффективно работают ВЧ-компоненты в этом случае.

Фильтрация сигнала, поступающего на драйверы, привела к следующему шагу в развитии линейных массивов. С помощью фильтров зона покрытия массива может меняться для достижения наилучшего результата. Например, возможно создание несимметричного звукового поля (направив звуковой луч в пол, в то время как массив остается в вертикальном положении). В некоторых ситуациях высокое звуковое давление может быть создано в партере и на балконе, но в центре балкона давления не будет. Количество задач, стоящих перед такими массивами, может быть велико, но достижение нелегких целей по эффективному озвучиванию любых площадок представляется немножко более реалистичным.

Такой уровень фильтрации кажется невыполнимым без использования цифровых процессоров. Ранние попытки в 70-х годах задействовали приличное количество аналоговых фильтров, которые были нестабильны и недостаточно корректно работали. Каждая система была специально разработанной, это означало, что проблема понимается, но игнорируется большими компаниями-производителями. Развитие этих технологий в последние годы подразумевает возможность контроля над звуковым лучом, и пионерами здесь выступила Duran Audio из Голландии.

Рис.6. Боковой разрез линейного массива Adamson Y-axis

Duran Audio, более известная серией Intellivox, осуществляла прокат в Европе своей системы Target. Комбинируя направленность линейного массива с мощными фильтрами и алгоритмами задержки, Duran решила проблему постоянного изменения размеров помещений, их наполненности зрителями и ограничений в подвесе акустических систем. Это второе поколение линейных массивов, которое, как верит Duran Audio, существенно улучшило прокатный звук. Философия компании заключалась в том, чтобы сломать общее мнение: пользователя спрашивают, какую зону необходимо покрыть, а остальное сделает цифровой процессор.

Первое поколение линейных массивов показало пользователям, что теперь в конструкции акустических систем можно сделать гораздо больше, чем раньше. Кажется, у всех теперь появилась причина положительно отнестись к линейным массивам, с какой бы точки зрения они на них ни посмотрели. Начала быстро расти популярность системы V-DOSC, хотя, с другой стороны, можно было подумать, что это очередное веяние моды. Обладая основными общими характеристиками, линейные массивы (так же как и рупорные системы) отличались типами драйверов, физическими деталями и др., и каждый массив больше других подходил для выполнения определенных задач.

Успех Кристиана Хейла, чья неизвестная компания L Acoustics совершила гигантский прорыв, потряс индустрию. Потенциальные покупатели были вынуждены начинать работу по-новому, а производители должны были "исследовать" систему, прежде чем стать "партнерами". Также компания должна была наладить техническую поддержку, что было не очень легко, но требовалась бескомпромиссная позиция. В создании конструкции звуковая камера/волновод Хейл просто использовал хорошо изученные акустические принципы. Такую систему вряд ли осмелилась выпустить большая компания, а для коммерчески удачного старта потребовалось некоторое количество мистики.

Кое-какая документация распространялась на AES перед выходом спикеров на рынок, но информация не несла в себе рекламы. Индустрия рок-н-ролла не была готова к весомым математическим выкладкам и данным по акустике, система должна была быть оценена за то, что она делает, а не как она это делает. Интересно заметить, что более поздние линейные массивы сопровождались множеством технической документации и объяснений, вероятно, чтобы показать читателю, что для выпуска каждого нового продукта проводилось еще больше исследований.

Компании, имевшие больший опыт на рынке инсталляций (где акустики больше, чем инженеры, опробуют используемые продукты), сдвинули ситуацию со слишком научной точки, и ввиду того, что их клиенты обладали знаниями в теории акустики, информация, которую они предоставляли, была более легкой в понимании. Конфликт формы с функциональностью часто обозначает, что инсталлированная мощная акустическая система расположена не в идеальных условиях и возможность управления звуком сразу же становится огромным плюсом.

На туринговой арене, при ограниченных возможностях, такой научный подход может сыграть хорошую роль. Или консервативной публике может показаться, что данные попытки производителей, как того же Кристиана Хейла, являются чем-то из ряда вон выходящим. При сложившихся обстоятельствах за последние несколько лет было показано, что уже первое поколение линейных массивов при тех же размерах дает лучшие результаты, нежели традиционная система. Но готова ли индустрия к появлению второго поколения, где уровень контроля возрос в десятки раз? После всего сделанного и сказанного идея создать систему мощного звукоусиления, работающую с прекрасным звуком на любой площадке мира, все еще кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой. Не так ли?

Благодарим журнал "Pro Sound News Europe" за предоставленный материал.
"Pro Sound News Europe", 8 Montague Close, London Bridge, London, SE1 9UR.