Modelatge sonor

Aquest article està dedicat al tema dels altaveus. Intentarem esvair molts mites sobre ells i explicar què són realment els altaveus, tant els tradicionals com els que tenen la possibilitat de modelar feix acústic.

En primer lloc, introduïm algunes definicions bàsiques d'electroacústica que treballarem en aquest article. Un altaveu és un únic transductor electroacústic que es munta a la carcassa. Només la combinació de diversos altaveus en una carcassa crea un conjunt d'altaveus. Un tipus especial d'altaveus són els altaveus.

Què és un altaveu?

Un altaveu és per a moltes persones qualsevol altaveu col·locat en una carcassa, però no és del tot cert. Una columna d'altaveus és un dispositiu d'altaveu específic, que a la seva carcassa té de diversos a una dotzena més o menys dels mateixos transductors electroacústics (altaveus) disposats verticalment. Gràcies a aquesta estructura, és possible crear una font amb propietats semblants a una font lineal, per descomptat per a un determinat rang de freqüències. Els paràmetres acústics d'aquesta font estan directament relacionats amb la seva alçada, el nombre d'altaveus col·locats en ella i les distàncies entre els transductors. Intentarem explicar el principi de funcionament d'aquest dispositiu específic, així com el principi de funcionament de les columnes cada cop més populars amb feix acústic controlat digitalment.

Què són els altaveus de modelatge de so?

Els altaveus trobats recentment al nostre mercat tenen l'opció de modelar el feix acústic. Les dimensions i l'aspecte són molt semblants als altaveus tradicionals, coneguts i utilitzats des dels segles XX. Els altaveus de control digital s'utilitzen en instal·lacions similars als seus predecessors analògics. Aquest tipus d'altaveus es poden trobar, entre d'altres, a esglésies, terminals de passatgers d'estacions de ferrocarril o aeroports, espais públics, pistes i pavellons esportius. Tanmateix, hi ha molts aspectes en què les columnes de feix acústic controlades digitalment superen les solucions tradicionals.

Aspectes acústics

Tots els llocs esmentats es caracteritzen per una acústica relativament difícil, relacionada amb la seva cubatura i la presència de superfícies altament reflectants, que es tradueix directament en el gran temps de reverberació RT60s (RT60 "temps de reverbació") en aquestes sales.

Aquestes sales requereixen l'ús d'altaveus amb alta directivitat. La relació entre el so directe i el so reflectit ha de ser prou alta perquè la intel·ligibilitat de la parla i la música sigui tan alta com sigui possible. Si utilitzem altaveus tradicionals amb característiques menys direccionals en una habitació acústicament difícil, pot resultar que el so generat es reflectirà des de moltes superfícies, de manera que la proporció entre el so directe i el so reflectit disminuirà significativament. En aquesta situació, només els oients que estiguin molt a prop de la font sonora podran entendre correctament el missatge que els arriba.

Aspectes arquitectònics

Per tal d'obtenir la proporció adequada de la qualitat del so generat en relació amb el preu del sistema de so, s'hauria d'utilitzar un petit nombre d'altaveus amb un alt factor Q (directivitat). Llavors, per què no trobem grans sistemes de tubs o sistemes line-array a les instal·lacions esmentades, com estacions, terminals, esglésies? Aquí hi ha una resposta molt senzilla: els arquitectes creen aquests edificis guiats en gran mesura per l'estètica. Els sistemes de tubs grans o els clústers line-array no coincideixen amb l'arquitectura de l'habitació amb la seva mida, motiu pel qual els arquitectes no accepten el seu ús. El compromís en aquest cas eren sovint els altaveus, fins i tot abans que s'inventessin circuits especials DSP i la capacitat de controlar cadascun dels controladors. Aquests dispositius es poden amagar fàcilment a l'arquitectura de l'habitació. Normalment es munten prop de la paret i es poden acolorir amb el color de les superfícies circumdants. És una solució molt més atractiva i, sobretot, més acceptada pels arquitectes.

Els line-arrays no són nous!

El principi de la font lineal amb càlculs matemàtics i la descripció de les seves característiques de directivitat va ser molt ben descrit per Hary F. Olson en el seu llibre "Enginyeria acústica", publicat per primera vegada l'any 1940. Hi trobarem una explicació molt detallada de els fenòmens físics que ocorren en altaveus utilitzant les propietats d'una font de línia

La taula següent mostra les propietats acústiques dels altaveus tradicionals:

Una propietat desavantatge dels altaveus és que la resposta en freqüència d'aquest sistema no és plana. El seu disseny genera molta més energia en el rang de baixa freqüència. Aquesta energia és generalment menys direccional, de manera que la dispersió vertical serà molt més gran que per a freqüències més altes. Com se sap habitualment, les sales acústicament difícils es caracteritzen habitualment per un temps de reverberació llarg en el rang de freqüències molt baixes, que, a causa de l'augment d'energia en aquesta banda de freqüències, pot provocar un deteriorament de la intel·ligibilitat de la parla.

Per explicar per què els altaveus es comporten d'aquesta manera, repassarem breument alguns conceptes físics bàsics per als altaveus tradicionals i aquells amb control de feix acústic digital.

Interaccions de fonts puntuals

• Directivitat de dues fonts

Quan dues fonts puntuals separades per mitja longitud d'ona (λ / 2) generen el mateix senyal, els senyals per sota i per sobre d'aquesta matriu es cancel·laran mútuament i a l'eix de la matriu el senyal s'amplificarà dues vegades (6 dB).

λ / 4 (una quarta part de la longitud d'ona - per a una freqüència)

Quan dues fonts estan separades per una longitud de λ / 4 o menys (aquesta longitud, per descomptat, es refereix a una freqüència), observem una lleugera reducció de les característiques direccionals en el pla vertical.

λ / 4 (una quarta part de la longitud d'ona - per a una freqüència)

Quan dues fonts estan separades per una longitud de λ / 4 o menys (aquesta longitud, per descomptat, es refereix a una freqüència), observem una lleugera reducció de les característiques direccionals en el pla vertical.

λ (una longitud d'ona)

Una diferència d'una longitud d'ona amplificarà els senyals tant verticalment com horitzontalment. El feix acústic tindrà la forma de dues fulles

2l

A mesura que augmenta la relació entre la longitud d'ona i la distància entre els transductors, també augmenta el nombre de lòbuls laterals. Per a un nombre i distància constants entre transductors en sistemes lineals, aquesta relació augmenta amb la freqüència (aquí és on les guies d'ones són útils, molt sovint utilitzades en conjunts de matrius de línies).

Limitacions de les fonts de línia

La distància entre els altaveus individuals determina la freqüència màxima per a la qual el sistema actuarà com a font de línia. L'alçada de la font determina la freqüència mínima per a la qual aquest sistema és direccional.

Alçada de la font en funció de la longitud d'ona

λ/2

Per a longituds d'ona superiors al doble de l'alçada de la font, gairebé no hi ha control de les característiques direccionals. En aquest cas, la font es pot tractar com una font puntual amb un nivell de sortida molt alt.

λ

L'alçada de la font de la línia determina la longitud d'ona per a la qual observarem un augment significatiu de la directivitat en el pla vertical.

2 l

A freqüències més altes, l'alçada del feix disminueix. Els lòbuls laterals comencen a aparèixer, però en comparació amb l'energia del lòbul principal, no tenen cap efecte significatiu.

4 l

La direccionalitat vertical augmenta cada cop més, l'energia del lòbul principal continua augmentant.

Distància entre transductors individuals en funció de la longitud d'ona

λ/2

Quan els transductors no estan separats més de la meitat de la longitud d'ona, la font crea un feix molt direccional amb lòbuls laterals mínims.

λ

Els lòbuls laterals amb energia significativa i mesurable es formen amb freqüència creixent. Això no ha de ser un problema, ja que la majoria dels oients es troben fora d'aquesta àrea.

2l

El nombre de lòbuls laterals es duplica. És extremadament difícil aïllar els oients i les superfícies reflectants d'aquesta àrea de radiació.

4l

Quan la distància entre els transductors és quatre vegades la longitud d'ona, es produeixen tants lòbuls laterals que la font comença a semblar una font puntual i la directivitat baixa significativament.

Els circuits DSP multicanal poden controlar l'alçada de la font

El control del rang de freqüència superior depèn de la distància entre els transductors d'alta freqüència individuals. El repte dels dissenyadors és minimitzar aquesta distància mantenint la resposta en freqüència òptima i la màxima potència acústica generada per aquest dispositiu. Les fonts de línia es tornen cada cop més direccionals a mesura que augmenta la freqüència. A les freqüències més altes, fins i tot són massa direccionals per utilitzar conscientment aquest efecte. Gràcies a la possibilitat d'utilitzar sistemes DSP i amplificació separats per a cadascun dels transductors, és possible controlar l'amplada del feix acústic vertical generat. La tècnica és senzilla: només cal que utilitzeu filtres de pas baix per reduir els nivells i el rang de freqüències utilitzable per als altaveus individuals de l'armari. Per allunyar el feix del centre de la carcassa, canviem la fila de filtres i la freqüència de tall (la més suau per als altaveus situats al centre de la carcassa). Aquest tipus d'operació seria impossible sense l'ús d'un amplificador i un circuit DSP separats per a cada altaveu d'aquesta línia.

Un altaveu tradicional permet controlar un feix acústic vertical, però l'amplada del feix canvia amb la freqüència. En termes generals, el factor de directivitat Q és variable i inferior al requerit.

Control d'inclinació del feix acústic

Com bé sabem, la història li agrada repetir-se. A continuació es mostra un gràfic del llibre de Harry F. Olson "Enginyeria acústica". Retardar digitalment la radiació dels altaveus individuals d'una font de línia és exactament el mateix que inclinar físicament la font de línia. Després de 1957, la tecnologia va trigar molt a fer ús d'aquest fenomen, mantenint els costos en un nivell òptim.

Les fonts de línia amb circuits DSP resolen molts problemes arquitectònics i acústics

• Factor de directivitat vertical variable Q del feix acústic irradiat.

Els circuits DSP per a fonts de línia permeten canviar l'amplada del feix acústic. Això és possible gràcies a la comprovació d'interferències per a parlants individuals. La columna ICONYX de l'empresa nord-americana Renkus-Heinz us permet canviar l'amplada d'aquest feix en el rang: 5, 10, 15 i 20 °, per descomptat, si aquesta columna és prou alta (només la carcassa IC24 us permet per seleccionar un feix amb una amplada de 5 °). D'aquesta manera, un feix acústic estret evita reflexos innecessaris del terra o del sostre en sales altament reverberants.

Factor de directivitat constant Q amb freqüència creixent

Gràcies als circuits DSP i als amplificadors de potència per a cadascun dels transductors, podem mantenir un factor de directivitat constant en un ampli rang de freqüències. No només minimitza els nivells de so reflectits a l'habitació, sinó també un guany constant per a una àmplia banda de freqüència.

Possibilitat de dirigir el feix acústic independentment del lloc d'instal·lació

Tot i que el control del feix acústic és senzill des del punt de vista del processament del senyal, és molt important per motius arquitectònics. Aquestes possibilitats porten al fet que sense la necessitat d'inclinar físicament l'altaveu, creem una font de so agradable per als ulls que es combina amb l'arquitectura. ICONYX també té la capacitat d'establir la ubicació del centre del feix acústic.

L'ús de fonts lineals modelades

• Esglésies

Moltes esglésies tenen característiques semblants: sostres molt alts, superfícies reflectants de pedra o vidre, sense superfícies absorbents. Tot això fa que el temps de reverberació en aquestes sales sigui molt llarg, arribant fins i tot a uns pocs segons, fet que fa que la intel·ligibilitat de la parla sigui molt pobra.

• Equipaments de transport públic

Els aeroports i les estacions de ferrocarril estan molt sovint acabats amb materials amb propietats acústiques similars a les que s'utilitzen a les esglésies. Les instal·lacions de transport públic són importants perquè els missatges sobre arribades, sortides o retards que arriben als passatgers han de ser comprensibles.

• Museus, Auditoris, Vestíbul

Molts edificis de menor escala que el transport públic o les esglésies tenen paràmetres acústics desfavorables similars. Els dos principals reptes de les fonts de línia modelades digitalment són el llarg temps de reverberació que afecta negativament la intel·ligibilitat de la parla, i els aspectes visuals, que són tan importants en la selecció final del tipus de megafonia.

Criteris de disseny. Potència acústica de banda completa

Cada font de línia, fins i tot aquelles amb circuits DSP avançats, només es pot controlar dins d'un determinat rang de freqüència útil. Tanmateix, l'ús de transductors coaxials que formen un circuit de font de línia proporciona una potència acústica de rang complet en un rang molt ampli. Per tant, el so és clar i molt natural. En aplicacions típiques per a senyals de parla o música de gamma completa, la major part de l'energia es troba en el rang que podem controlar gràcies als controladors coaxials integrats.

Control total amb eines avançades

Per maximitzar l'eficiència d'una font lineal modelada digitalment, no n'hi ha prou amb utilitzar només transductors d'alta qualitat. Al cap i a la fi, sabem que per tenir un control total sobre els paràmetres de l'altaveu, hem d'utilitzar electrònica avançada. Aquests supòsits van obligar a utilitzar circuits d'amplificació multicanal i DSP. El xip D2, utilitzat als altaveus ICONYX, proporciona una amplificació multicanal de gamma completa, un control total dels processadors DSP i, opcionalment, diverses entrades analògiques i digitals. Quan el senyal PCM codificat es lliura a la columna en forma de senyals digitals AES3 o CobraNet, el xip D2 el converteix immediatament en un senyal PWM. Els amplificadors digitals de primera generació van convertir el senyal PCM primer en senyals analògics i després en senyals PWM. Aquesta conversió A / D - D / A, malauradament, va augmentar considerablement el cost, la distorsió i la latència.

Flexibilitat

El so natural i clar de les fonts de línia modelades digitalment permet utilitzar aquesta solució no només en instal·lacions de transport públic, esglésies i museus. L'estructura modular de les columnes ICONYX permet muntar fonts de línia segons les necessitats d'una habitació determinada. El control de cada element d'aquesta font dóna una gran flexibilitat a l'hora de fixar, per exemple, molts punts, on es crea el centre acústic del feix radiat, és a dir, moltes fonts de línia. El centre d'un feix d'aquest tipus es pot localitzar en qualsevol lloc al llarg de tota l'alçada de la columna. És possible gràcies a mantenir petites distàncies constants entre transductors d'alta freqüència.

Els angles de radiació horitzontals depenen dels elements de la columna

Igual que amb altres fonts de línia vertical, el so de l'ICONYX només es pot controlar verticalment. L'angle del feix horitzontal és constant i depèn del tipus de transductor utilitzat. Els que s'utilitzen a la columna IC tenen un angle de feix en una banda de freqüència àmplia, les diferències estan en el rang de 140 a 150 Hz per al so a la banda de 100 Hz a 16 kHz.

El gran angle de radiació dóna una major eficiència

L'àmplia dispersió, especialment a les freqüències altes, garanteix una millor coherència i intel·ligibilitat del so, especialment a les vores de la característica de directivitat. En moltes situacions, un angle de feix més ampli significa que s'utilitzen menys altaveus, la qual cosa es tradueix directament en estalvis.

Les interaccions reals de les pastilles

Sabem molt bé que les característiques de directivitat d'un altaveu real no poden ser uniformes en tot el rang de freqüències. A causa de la mida d'aquesta font, serà més direccional a mesura que augmenta la freqüència. En el cas dels altaveus ICONYX, els altaveus utilitzats en ell són omnidireccionals en la banda de fins a 300 Hz, semicirculars en el rang de 300 Hz a 1 kHz, i per a la banda d'1 kHz a 10 kHz, la característica de directivitat és cònic i els seus angles de feix són 140 ° × 140 °. Per tant, el model matemàtic ideal d'una font lineal composta per fonts puntuals omnidireccionals ideals diferirà dels transductors reals. Les mesures mostren que l'energia de radiació cap enrere del sistema real és molt més petita que la modelada matemàticament.

Font de línia ICONYX @ λ (longitud d'ona).

Podem veure que les bigues tenen una forma similar, però per a la columna IC32, quatre vegades més gran que IC8, la característica s'estreny significativament.

Per a la freqüència d'1,25 kHz, es crea un feix amb un angle de radiació de 10 °. Els lòbuls laterals són 9 dB menys.

Per a la freqüència de 3,1 kHz veiem un feix acústic ben enfocat amb un angle de 10 °. Per cert, es formen dos lòbuls laterals, que es desvien significativament del feix principal, això no causa efectes negatius.

Directivitat constant de les columnes ICONYX

Per a la freqüència de 500 Hz (5 λ), la directivitat és constant a 10 °, cosa que va ser confirmada per simulacions anteriors per a 100 Hz i 1,25 kHz.

La inclinació del feix és un simple retard progressiu d'altaveus successius

Si inclinem físicament l'altaveu, canviem els controladors posteriors en el temps en relació amb la posició d'escolta. Aquest tipus de desplaçament provoca la "pensió del so" cap a l'oient. Podem aconseguir el mateix efecte penjant l'altaveu verticalment i introduint retards creixents per als controladors en la direcció en què volem dirigir el so. Per a una direcció eficaç (inclinació) del feix acústic, la font ha de tenir una alçada igual al doble de la longitud d'ona per a la freqüència donada.

Amb l'estructura modular de les columnes ICONYX, és possible inclinar efectivament la biga per:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare: programari ICONYX Column Beam Modeling

El mètode de modelització descrit anteriorment ens mostra quin tipus d'acció sobre el senyal digital hem d'aplicar (filtres de pas baix variables a cada altaveu de la columna) per obtenir els resultats esperats.

La idea és relativament simple: en el cas de la columna IC16, el programari ha de convertir i després implementar setze configuracions de filtre FIR i setze configuracions de retard independents. Per transferir el centre acústic del feix radiat, utilitzant la distància constant entre els transductors d'alta freqüència de la carcassa de la columna, hem de calcular i implementar un nou conjunt de paràmetres per a tots els filtres i retards.

La creació d'un model teòric és necessari, però cal tenir en compte el fet que els parlants realment es comporten de manera diferent, més direccionalment, i les mesures demostren que els resultats obtinguts són millors que els simulats amb algorismes matemàtics.

Avui en dia, amb un desenvolupament tecnològic tan gran, els processadors d'ordinadors ja estan a l'alçada de la tasca. BeamWare utilitza una representació gràfica dels resultats dels resultats introduint gràficament informació sobre la mida de l'àrea d'escolta, l'alçada i la ubicació de les columnes. BeamWare us permet exportar fàcilment la configuració al programari acústic professional EASE i desar directament la configuració als circuits DSP de la columna. El resultat de treballar amb el programari BeamWare és resultats previsibles, precisos i repetibles en condicions acústiques reals.

ICONYX: una nova generació de so

• Qualitat del so

El so de l'ICONYX és un estàndard desenvolupat fa temps pel productor Renkus-Heinz. La columna ICONYX està dissenyada per reproduir tant els senyals de parla com la música de gamma completa de la millor manera.

• Àmplia dispersió

És possible gràcies a l'ús d'altaveus coaxials amb un angle de radiació molt ampli (fins i tot fins a 150 ° en el pla vertical), especialment per al rang de freqüències més alt. Això significa una resposta de freqüència més consistent a tota l'àrea i una cobertura més àmplia, cosa que significa utilitzar menys altaveus d'aquest tipus a la instal·lació.

• Flexibilitat

L'ICONYX és un altaveu vertical amb controladors coaxials idèntics situats molt a prop els uns dels altres. A causa de les petites i constants distàncies entre els altaveus de la carcassa, el desplaçament del centre acústic del feix radiat en el pla vertical és pràcticament arbitrari. Aquest tipus de propietats són molt útils, sobretot quan les restriccions arquitectòniques no permeten la ubicació correcta (alçada) de les columnes a l'objecte. El marge de l'alçada de la suspensió d'aquesta columna és molt gran. El disseny modular i la configurabilitat completa us permeten definir diverses fonts de línia amb una columna llarga a la vostra disposició. Cada feix radiat pot tenir una amplada i un pendent diferent.

• Menors costos

Un cop més, gràcies a l'ús d'altaveus coaxials, cada altaveu ICONYX permet cobrir una àrea molt àmplia. Sabem que l'alçada de la columna depèn de quants mòduls IC8 connectem entre si. Aquesta estructura modular permet un transport fàcil i econòmic.

Els principals avantatges de les columnes ICONYX

• Control més efectiu de la radiació vertical de la font.

La mida de l'altaveu és molt més petita que els dissenys anteriors, tot i que es manté una millor directivitat, que es tradueix directament en intel·ligibilitat en condicions de reverberació. L'estructura modular també permet configurar la columna segons les necessitats de la instal·lació i les condicions financeres.

• Reproducció d'àudio de gamma completa

Els dissenys d'altaveus anteriors havien produït pocs resultats satisfactoris pel que fa a la resposta de freqüència d'aquests altaveus, ja que l'amplada de banda de processament útil estava en el rang de 200 Hz a 4 kHz. Els altaveus ICONYX són una construcció que permet la generació de so de gamma completa en el rang de 120 Hz a 16 kHz, mantenint un angle constant de radiació en el pla horitzontal en tot aquest rang. A més, els mòduls ICONYX són electrònicament i acústicament més eficients: són almenys 3-4 dB "més forts" que els seus predecessors de mida similar.

• Electrònica avançada

Cadascun dels convertidors de la carcassa està accionat per un circuit amplificador i un circuit DSP separats. Quan s'utilitzen entrades AES3 (AES / EBU) o CobraNet, els senyals són "digitalment clars". Això vol dir que els circuits DSP converteixen directament els senyals d'entrada PCM en senyals PWM sense conversió innecessària A / D i C / A.

• Circuits DSP avançats

Els algorismes avançats de processament de senyals desenvolupats especialment per a columnes ICONYX i la interfície BeamWare amigable amb els ulls faciliten el treball de l'usuari, gràcies al qual es poden utilitzar en un ampli ventall de les seves possibilitats en moltes instal·lacions.

Suma

Aquest article està dedicat a una anàlisi detallada dels altaveus i el modelatge de so amb circuits DSP avançats. Val la pena destacar que la teoria dels fenòmens físics que utilitzen altaveus tant tradicionals com digitals es va descriure ja als anys 50. Només amb l'ús de components electrònics molt més barats i millors és possible controlar completament els processos físics en el processament de senyals acústics. Aquest coneixement està generalment disponible, però encara ens trobem i coneixerem casos en què la incomprensió dels fenòmens físics condueix a errors freqüents en la disposició i ubicació dels altaveus, un exemple pot ser el muntatge sovint horitzontal dels altaveus (per motius estètics).

Per descomptat, aquest tipus d'accions també s'utilitzen de manera conscient, i un exemple interessant d'això és la instal·lació horitzontal de columnes amb altaveus apuntant cap avall a les andanes de les estacions de ferrocarril. Utilitzant els altaveus d'aquesta manera, podem apropar-nos a l'efecte "dutxa", on, més enllà del rang d'un altaveu d'aquest tipus (l'àrea de dispersió és l'allotjament de la columna), el nivell de so baixa significativament. D'aquesta manera, es pot minimitzar el nivell sonor reflectit, aconseguint una millora important de la intel·ligibilitat de la parla.

En aquells temps d'electrònica molt desenvolupada, ens trobem cada cop més sovint amb solucions innovadores, que, però, utilitzen la mateixa física que es va descobrir i descriure fa molt de temps. El so modelat digitalment ens ofereix increïbles possibilitats per adaptar-nos a sales acústicament difícils.

Els productors ja anuncien un avenç en el control i la gestió del so, un d'aquests accents és l'aparició d'altaveus completament nous (modular IC2 de Renkus-Heinz), que es poden combinar de qualsevol manera per obtenir una font de so d'alta qualitat, gestionat completament mentre és una font i un punt lineals.