Реальное покрытие Часть 1

Как обеспечить нормальное покрытие, или истинная ширина диаграммы направленности громкоговорителя

Заказчик начинает все больше и больше осознавать, что высокое качество звука - это неотъемлемая часть того впечатления, которое производит на посетителя его заведение. Результаты исследований показали, что качество звука воздействует на восприятие клиентом товаров и услуг компании. Оно также влияет на вкусовые ощущения посетителя и дружелюбное отношение обслуживающего персонала в ресторане.

Это явление можно частично объяснить тем, что потребители становятся более искушенными и требовательными к качеству музыки, чем раньше. Дома у них есть проигрыватели компакт- и видеодисков, они привыкли слушать звук хорошего качества у себя в гостиной, автомобиле и кинотеатре, поэтому их требования к качеству звука в местах проведения деловых встреч стали выше. Так что с вашей стороны будет грубой ошибкой установить звуковую систему для бизнеса с качеством АМ-вещания, если, конечно, вы не продавец антиквариата.

Каким же образом нужно создавать высококачественную музыкальную систему для бизнеса? Вопрос может показаться более простым, чем есть на самом деле. Нельзя проектировать систему как раньше, пользуясь устаревшими правилами или просто уменьшая громкость низкокачественного звука, и думать, что дело сделано.

Исследование перед началом проектирования

К каждому проекту необходим аналитический подход. Первый шаг - определите, чего же хочет и чего ожидает заказчик. Вопросы, которые вы зададите в первую очередь, помогут вам решить, какую звуковую систему нужно предложить. Несколько примеров таких вопросов, которые необходимо поставить перед началом проектирования, приведены в приложении "Чего хочет заказчик?"

Когда мы приступаем к проекту, нам необходимо перевести требования заказчика в термины ширины диаграммы направленности (ДН), приемлемого звукового уровня и ширины полосы. Как только эти требования определены, можно подумать о выборе громкоговорителя и других компонентов, о схеме расположения и плотности размещения громкоговорителей.

Если вы разрабатываете не какую-то автономную систему, которая активизируется одним нажатием кнопки (что часто является хорошим решением), то должны обеспечить ее оптимальную настройку после установки, чтобы добиться хорошего качества звучания.

В этой статье мы коснемся идей, описанных мною в книге "Руководство по эксплуатации потолочных громкоговорителей JBL", а также некоторых новых идей, которые пришли на ум уже после окончания книги. Я хочу помочь вам в проектировании и настройке музыкальных систем высокого класса для бизнеса, независимо от того, являетесь ли вы новичком или опытным разработчиком. Для более подробного ознакомления с существом вопроса вы можете найти "Руководство" на сайте www.jblpro.com.

Задачи электроники

Мы должны проверить функциональные возможности системы на предмет наличия всех необходимых функций управления.

• Имеются ли функции, которые обеспечивают действительно хорошее качество звука?
• Обеспечивается ли одинаково хорошее звучание при понижении и повышении музыкального уровня?
• Имеются ли функции, позволяющие поддерживать громкость на приятном для слуха уровне?
• Легко ли добавить субвуфер (сразу или позже) для расширения полосы частот?

Система также должна быть простой в установке и настройке, и, что, вероятно, наиболее важно, необходимо исключить возможность случайного доступа к органам управления и сбивания настройки.

Теперь перейдем к усилению мощности. Мы не знаем, каковы требования к мощности усилителя, пока не подберем громкоговорители, однако нам известны характеристики, которым обычно отдается предпочтение. Чтобы получить превосходное качество звука, следует использовать хороший усилитель мощности. В настоящее время становится все менее приемлемым применять бытовые усилители. Ведь речь идет о самом слабом звене системы, и если ваш усилитель не отвечает по своей части требованиям к качеству звука, то ухудшится функционирование и снизятся качественные показатели всей остальной системы.

Регуляторы уровня. Прежде чем начать разговор о громкоговорителях, коснемся регуляторов уровня. Я не поклонник регуляторов, расположенных на самом громкоговорителе. Если есть возможность, то гораздо лучше управлять уровнем сигнала в линии, до усилителя. В регуляторах уровня на громкоговорителе обычно используются автотрансформаторы с отводами. При этом с качеством звука могут происходить всякие странные вещи, например возникать грубые искажения. При изменении положения регулятора может меняться частотная характеристика. Автотрансформатор может войти в режим насыщения (это происходит при подаче низкочастотного напряжения большей величины, нежели той, на которую он рассчитан). Даже если вы и не услышите низкочастотных составляющих в громкоговорителе, насыщение может привести к срабатыванию схемы ограничителя тока в усилителе мощности, что в свою очередь вызывает искажения во всем диапазоне звуковых частот.

Лучше всего при использовании автотрансформаторов пропустить сигнал через фильтр верхних частот, но при этом все равно произойдет частичное ухудшение качества звучания. Кроме того, трудно найти автотрансформаторный регулятор, способный управлять таким уровнем мощности, который требуется для обеспечения покрытия типичной зоны в системе высокого качества. По возможности используйте регулятор, с помощью которого можно управлять уровнем сигнала в линии, что позволит избежать перечисленных выше проблем.

Теперь поговорим о громкоговорителях!

Диаграмма направленности потолочного громкоговорителя

Вы когда-либо слышали или следовали эмпирическому правилу, которое гласит, что "расстояние между потолочными громкоговорителями должно быть равно высоте потолка" или что "расстояние между потолочными громкоговорителями должно равняться расстоянию от уха слушателя до потолка"? Так же поступал и я. Однако когда я начал все больше и больше проверять, насколько хорошо работают эти правила, то понял, что, хотя им очень просто следовать, на самом деле они не очень верны. Эти правила были справедливы для условий функционирования бытовых систем, но они совершенно не удовлетворяют современным требованиям. И опять же, не существует единого жесткого правила для всех случаев. Вы должны выяснить, что же требуется заказчику, прежде чем начнете подбирать громкоговорители.

Ваша главная задача при выборе схемы размещения громкоговорителей в распределенной системе - обеспечить эффективное покрытие всей площади. Необходимо получить звук, который был бы хорошо и отчетливо слышен и на всей территории, а также, чтобы система была способна обеспечить любой требуемый для данного применения уровень звукового давления.

Распространенная ошибка. Непонимание сущности такого параметра, как ширина ДН громкоговорителя, может легко привести к ошибкам при проектировании системы. Очень часто берется ДН в полярной системе координат (полярная ДН) и считается, что громкоговоритель на самом деле имеет такую ширину ДН. Реально же громкоговорители покрывают меньшую территорию, чем указано в технических характеристиках. (Поясним, что под шириной ДН понимается угол, при котором уровень звука будет на 6 дБ ниже по сравнению с осевым уровнем, т.е. по направлению распространения звуковой энергии.)

Полярная ДН и ДН в плоскости прослушивания. Существуют два различных способа измерения ДН, которые часто путают друг с другом. Обычно для громкоговорителя указывается полярная ДН, т.е. для сферы с радиусом 1 м от громкоговорителя. Угол, при котором уровень звука уменьшается на 6 дБ по сравнению с осевым, называется краем полярной диаграммы. Именно он и указывается в технических характеристиках.

Это, безусловно, нужный параметр, однако он не дает представления о том, какой будет ДН в плоскости прослушивания, поскольку не учитывает разницу в расстояниях от слушателей до громкоговорителя. Если сделать проекцию центра громкоговорителя на плоскость прослушивания, то мы увидим, что звук проходит большее расстояние во внеосевом направлении (вбок), чем вдоль оси (прямо вниз от громкоговорителя). В результате уровень звука во внеосевом направлении уменьшается намного больше, чем в осевом, и реальная ширина ДН (по уровню -6 дБ) в плоскости прослушивания будет меньше указанной в характеристиках ширины полярной ДН. Некоторые производители потолочных громкоговорителей указывают полярную ДН, претендуя на якобы необычайно широкою зону покрытия. Не используйте эту характеристику для определения реального покрытия, обеспечиваемого вашими потолочными громкоговорителями!

Пример. Представьте себе громкоговоритель, у которого ширина полярной ДН указана 180°. Если вы по ошибке решите, что это 180° в плоскости прослушивания, тогда выходило бы, что вам для любого применения будет достаточно одного громкоговорителя. Однако вообразите единственный громкоговоритель, "пытающийся" покрыть целиком весь универмаг или ресторан. На самом деле, если громкоговоритель не может передавать во внеосевом направлении большее количество звуковой энергии, чем в осевом, то он никогда не обеспечит покрытие свыше 120°.

Проектировщик звуковой системы должен учитывать реальную ширину ДН в плоскости прослушивания, потому что это та плоскость, в которой мы находимся, слушая звук на высоте от 1 до 2 м от пола в зависимости от нашего роста и положения тела - стоя или сидя. Ширина ДН в плоскости прослушивания показывает реальную зону покрытия, обеспечиваемую громкоговорителем. Из законов физики следует, что ДН в плоскости прослушивания всегда уже полярной ДН.

На рис. 1 показан громкоговоритель, у которого ширина полярной ДН равна 140° (по уровню - 6дБ). Мы видим, что было бы ошибкой считать, будто этот громкоговоритель имеет ширину ДН 140° и в плоскости прослушивания. Действительно, уровень на краях этой диаграммы более чем на 15 дБ ниже по сравнению с уровнем, измеренным вдоль оси, а никак не на 6 дБ. Интересно, что те же самые соотношения сохраняются для потолка любой высоты. Независимо от того, насколько высок потолок, расстояние в боковом направлении будет больше во столько же раз. Таким образом, в нашем случае, будь высота потолка 3 или 6 м, люди, находящиеся на краях зоны покрытия в 140°, будут слышать звук с уровнем, который ниже не на 6 дБ, как можно было бы подумать, а на все 15 дБ.

Реальная ДН в плоскости прослушивания зависит от полярной ДН каждого из громкоговорителей. В среднем, если у громкоговорителя ширина полярной ДН 140°, в плоскости прослушивания она составит 90-110° (рис. 2).

Преобразование диаграммы направленности

Каким образом можно перейти от полярной ДН к ДН в плоскости прослушивания при проектировании звуковой системы? Существует два способа. Первый заключается в использовании компьютерной программы, которая выполнит это преобразование. Если у вас есть программа EASE, то вы помещаете громкоговоритель на потолок, задаете высоту плоскости прослушивания на том уровне, который характерен для данного применения, и смотрите, какая площадь при этом покрывается (по уровню -6дБ). Обычно этого бывает достаточно, но вы можете также сделать небольшие математические вычисления и выяснить, какую реальную ширину ДН в плоскости прослушивания имеет громкоговоритель. Я разработал простую программу под названием "Проектирование распределенных систем", позволяющую делать аналогичное преобразование для громкоговорителей, которые я продаю. Программа бесплатная, и вы можете свободно скачать ее с нашего сайта, но она рассчитана только на наши громкоговорители. Я думаю, что имеется одна или две программы у Syn-Aud-Con, в которых есть более универсальные базы данных громкоговорителей.

Второй способ вычисления ширины ДН в плоскости прослушивания заключается в том, что вы берете реальную полярную ДН громкоговорителя и используете переводную таблицу. (Реальные полярные диаграммы, снятые непосредственно на испытательном оборудовании, более точны, чем перерисовки художников.) Полярные диаграммы, как правило, нормируются по отношению к осевому уровню, который обычно обозначается как "0 dB". Для каждого угла по отношению к оси указывается разница между нормированным осевым значением и уровнем при этом угле.

Чтобы перейти к ДН в плоскости прослушивания, добавьте поправочный коэффициент DдБ из таблицы для данного угла к величине уровня на полярной ДН. Если вы все делаете правильно, диаграмма становится более узкой, чем исходная полярная диаграмма.

Взяв полярную диаграмму громкоговорителя и применяя поправочные коэффициенты из таблицы, найдите угол, при котором уровень снизится на 6 дБ. Это и будет реальная ширина ДН громкоговорителя, если его спроектировать на плоскость прослушивания. Помните, что этот угол остается неизменным при любой высоте потолка.

Пример 1. Если взглянуть на полярную диаграмму гипотетического громкоговорителя с шириной ДН 140°, то можно увидеть, что при угле 70 ° относительно оси (140° в обе стороны) уровень будет на 6 дБ ниже уровня в осевом направлении. В соответствии с переводной таблицей мы должны добавить -9,3 дБ к -6 дБ, чтобы найти фактический уровень в плоскости прослушивания под этим углом к оси. Находим, что уровень по краям ДН для громкоговорителя с шириной полярной ДН 140° будет реально ниже на 15,3 дБ, а не на 6 дБ. Таким образом, слушатели, расположенные под этим углом, будут слышать звук, уровень которого более чем на 15 дБ ниже того уровня, который слышит человек, находящийся прямо под громковорителем. Это очень большая разница.

Чтобы найти фактический уровень -6 дБ в плоскости прослушивания, возьмем исходную полярную диаграмму громкоговорителя и при каждом увеличении угла к оси на 5° прибавим поправочный коэффициент из переводной таблицы. Теперь ширина ДН определяется величиной нового угла, при котором новое значение уровня равно -6 дБ (величина в полярной системе координат плюс поправочный коэффициент). Поскольку итоговая ширина ДН зависит от исходной полярной ДН громкоговорителя, в среднем для большинства громкоговорителей с номинальной шириной полярной ДН 140° уровень -6 дБ достигается в пределах от 45 до 55° во внеосевом направлении, и реальная ширина ДН в плоскости прослушивания составит 90-110°.

Пример 2. Возьмем громкоговоритель, имеющий ширину полярной ДН 180°. Предположим далее, что это идеальный громкоговоритель, у которого уровень не уменьшается ни под каким углом. Его полярная ДН представляет собой ровную половину круга. Чтобы найти точку, в которой уровень уменьшится на 6 дБ, мы используем поправочный коэффициент и находим, что под углом 60° к оси (ширина ДН равна120°) уровень звука снизится на 6 дБ. Поэтому реальная ширина ДН в плоскости прослушивания для идеального 180-градусного громкоговорителя будет только 120°. Но мы понимаем, что если для громкоговорителя в характеристиках указана ширина полярной ДН 180°, то в направлении, перпендикулярном к оси, уже будет спад на 6 дБ. В этом случае его реальная ширина ДН будет меньше 120°.

Другие факторы

Из наших рассуждений следуют два интересных момента. Во-первых, позвольте отметить, что субвуферы напоминают громкоговоритель из второго примера. Они имеют круговую диаграмму с шириной 180° (в потолочном исполнении). У них так же ширина ДН в плоскости прослушивания будет только 120°.

Во-вторых, хотя это и выходит за рамки обсуждаемого предмета, вы видите, что правило, согласно которому реальная ДН будет уже полярной ДН, распространяется на все громкоговорители, которые куда-либо проецируются. Тот факт, что плоскость прослушивания в любом помещении едва ли представляет собой идеальную сферу с громкоговорителем в центре, означает, что всегда нужно делать проекцию громкоговорителя на плоскость прослушивания и реальная ширина ДН почти всегда будет меньше, чем указано в характеристиках.

Один студент однажды рассказал мне, как он делал инсталляцию для церкви. Он взял вид сбоку, обозначил громкоговорители, затем взял транспортир и нарисовал вертикальную ДН. Когда система была установлена, оказалось, что у них больше мертвых зон, нежели они предполагали. И только после лекции о реальной ширине ДН он понял, что все дело в проекции громкоговорителя на плоскость прослушивания, когда реальная ДН становится более узкой, чем нарисованная.

Частотный диапазон

Теперь немножко усложним задачу и перейдем к обсуждению ДН в полосе частот в отличие от ДН на одной частоте. Но даже в этом случае можно найти решение. Предположим, вы выполнили перевод в соответствии с алгоритмом, который описан выше, однако этот результат может применяться только к одной частоте! Если ДН громкоговорителя неодинакова на разных частотах, то соответственно ее ширина будет больше или меньше в зависимости от частоты.

Для некоторых потолочных громкоговорителей производитель указывает ширину ДН лишь на одной частоте, например 2 кГц, поскольку считается, что только по поводу этой частоты стоит беспокоиться. Но ДН может быть значительно более узкой на верхних частотах и более широкой на нижних. Такие громкоговорители не обеспечивают равномерную ДН во всем диапазоне звуковых частот. Каждый участок на плоскости прослушивания имеет различную частотную характеристику и различный звуковой уровень (рис. 3). Помимо того, при этом становится невозможно определить ширину ДН, также сводятся на нет все попытки эквализации помещения, так как какую бы область вы ни выбрали и ни установили эквалайзер, в другом месте все будет иначе.

Но я обещал вам решение, я его даю: всегда, где только можно, используйте громкоговорители, которые имеют постоянную ширину ДН в большом диапазоне частот. Один из вариантов заключается в применении громкоговорителей очень малого диаметра (они не имеют выраженных направленных свойств вплоть до самых верхних частот) или многополосных громкоговорителей, где верхние частоты воспроизводятся небольшими драйверами (твитерами или компрессионными драйверами для сигнала большой мощности). Рупоры на высокочастотных возбудителях также помогают добиться равномерной ширины ДН на всех частотах. Пример равномерной ширины ДН на всех частотах показан на рис. 4.

Подведение промежуточных итогов

Давайте еще раз вернемся к старому эмпирическом правилу, согласно которому необходимо размещать громкоговорители друг от друга на расстоянии, равном расстоянию от слушателя до громкоговорителя. Это правило основывалось на предположении, что громкоговоритель имеет ширину ДН 90°. Я надеюсь, вы теперь понимаете, что даже для громкоговорителей, у которых на некоторых частотах ширина ДН действительно 90°, это справедливо только для одной частоты, но и на этой частоте фактическая ширина ДН громкоговорителя никогда не будет равна 90°. В современных высококачественных звуковых системах вы должны учитывать реальную, а не полярную ширину ДН.

Рик Кэмлет - директор по коммерческому звуку в JBL Professional. Его прежние должности: старший менеджер по производству, директор по разработке, директор технических служб и менеджер по внутренним продажам у различных производителей профессиональной аудиоаппаратуры. Благодарим журнал "Sound&Video Contractor" за предоставленный материал. "Sound&Video Contractor" P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901; www.svconline.com

Чего хочет заказчик?

Прежде чем вы приступите к разработке звуковой системы для бизнеса, выясните у заказчика следующее:

• Требования к качеству воспроизведения. Либо потребитель хочет иметь хорошую базовую систему, либо что-нибудь немного выше среднего уровня, либо систему с максимальной шириной полосы и точностью воспроизведения?
• Требования к уровню звука. Будет ли система использоваться только для фоновой музыки или музыка будет "греметь"?
• Использование. Какая музыка будет звучать? Например, если это - городской фанк, тогда вам необходимо подумать о качестве басов и способности воспроизводить громкую музыку.
• Вариант исполнения. Хочет ли заказчик потолочные громкоговорители или настенные?
• Требования к ДН. Насколько равномерной должна быть ДН? Достаточно, если она будет ощутимо меняться по уровню в различных точках, или же нужно, чтобы она была равномерной по всей территории? Имеются ли зоны, которые не должны быть покрыты вообще или где, может быть, нужен более низкий уровень, как, например, в районе кассовых аппаратов в магазине?
• ДН в области низких частот. Насколько равномерной должна быть ДН в области низких частот? Если вы используете субвуферы, достаточно ли небольшого их количества, при этом звук будет громким вблизи от них и более тихим в других местах, или же субвуферы должны покрывать все пространство равномерно?
• Служебная связь. Нужна ли служебная связь? Если да, то насколько важна ее разборчивость?
• Зоны. Сколько зон нуждается в отдельной регулировке громкости, отдельном управлении источником в выделении присвоением каналов для служебной связи?
• Сравнительная оценка. Хочет ли заказчик, чтобы система по качеству не отставала от его главного конкурента? Если так, то потребуется сравнительная оценка.
• Стоимость. Отвечает ли система, которую хочет заказчик, его требованиям по стоимости? Если нет, то какие функции и параметры можно упростить, чтобы уложиться в бюджетные рамки?

Соберите эту информацию и переговорите с заказчиком, чтобы быть уверенным, что вы правильно понимаете друг друга, прежде чем приступить к разработке системы. Вы получите более ясное представление о том, что вам делать, если будете знать, чего хочет заказчик.