Modelado sonoro

Este artigo está dedicado ao tema dos altofalantes. Tentaremos desbotar moitos mitos sobre eles e explicar o que son realmente os altofalantes, tanto os tradicionais como os que teñen posibilidade de modelado de feixe acústico.

En primeiro lugar, imos presentar algunhas definicións básicas de electroacústica sobre as que operaremos neste artigo. Un altofalante é un único transdutor electroacústico que está montado na carcasa. Só a combinación de varios altofalantes nunha mesma carcasa crea un conxunto de altofalantes. Un tipo especial de altofalantes son os altofalantes.

Que é un altofalante?

Un altofalante é para moitas persoas calquera altofalante colocado nunha carcasa, pero non é do todo certo. Unha columna de altofalante é un dispositivo de altofalante específico, que na súa carcasa ten varios a unha ducia ou máis dos mesmos transdutores electroacústicos (altofalantes) dispostos verticalmente. Grazas a esta estrutura, é posible crear unha fonte con propiedades similares a unha fonte lineal, por suposto para un determinado rango de frecuencias. Os parámetros acústicos desta fonte están directamente relacionados coa súa altura, o número de altofalantes colocados nela e as distancias entre os transdutores. Tentaremos explicar o principio de funcionamento deste dispositivo específico, así como explicar o principio de funcionamento das columnas cada vez máis populares con feixe acústico controlado dixitalmente.

Que son os altofalantes de modelado de son?

Os altofalantes atopados recentemente no noso mercado teñen a opción de modelar o feixe acústico. As dimensións e o aspecto son moi similares aos altofalantes tradicionais, ben coñecidos e utilizados desde os XNUMX. Os altofalantes de control dixital utilízanse en instalacións similares aos seus predecesores analóxicos. Este tipo de altofalantes pódense atopar, entre outros, en igrexas, terminais de viaxeiros de estacións de ferrocarril ou aeroportos, espazos públicos, pistas e pavillóns deportivos. Non obstante, hai moitos aspectos nos que as columnas de feixe acústico controladas dixitalmente superan as solucións tradicionais.

Aspectos acústicos

Todos os lugares antes mencionados caracterízanse por unha acústica relativamente difícil, relacionada coa súa cubatura e a presenza de superficies altamente reflectantes, o que se traduce directamente no gran tempo de reverberación RT60s (RT60 “tempo de reverbación”) nestas salas.

Estes cuartos requiren o uso de altofalantes con alta directividade. A relación entre o son directo e o reflectido debe ser o suficientemente alta para que a intelixibilidade da fala e da música sexa o máis alta posible. Se utilizamos altofalantes tradicionais con características menos direccionais nunha sala acústicamente difícil, pode resultar que o son xerado se reflicta desde moitas superficies, polo que a relación entre o son directo e o son reflectido diminuirá significativamente. En tal situación, só os oíntes que estean moi preto da fonte sonora poderán comprender correctamente a mensaxe que lles chega.

Aspectos arquitectónicos

Para obter a proporción axeitada da calidade do son xerado en relación co prezo do sistema de son, débese empregar un pequeno número de altofalantes cun alto factor Q (directividade). Entón, por que non atopamos grandes sistemas de tubos ou sistemas line-array nas citadas instalacións, como estacións, terminais, igrexas? Aquí hai unha resposta moi sinxela: os arquitectos crean estes edificios en gran parte guiados pola estética. Os grandes sistemas de tubos ou os clusters line-array non coinciden coa arquitectura da sala co seu tamaño, polo que os arquitectos non están de acordo co seu uso. O compromiso neste caso eran moitas veces os altofalantes, mesmo antes de que se inventasen para eles circuítos DSP especiais e a capacidade de controlar cada un dos controladores. Estes dispositivos pódense ocultar facilmente na arquitectura da sala. Adoitan montarse preto da parede e pódense colorear coa cor das superficies circundantes. É unha solución moito máis atractiva e, sobre todo, máis aceptada polos arquitectos.

Os line-arrays non son novos!

O principio da fonte lineal con cálculos matemáticos e a descrición das súas características de directividade foi moi ben descrito por Hary F. Olson no seu libro “Enxeñería acústica”, publicado por primeira vez en 1940. Alí atoparemos unha explicación moi detallada de os fenómenos físicos que ocorren nos altofalantes utilizando as propiedades dunha fonte de liña

A seguinte táboa mostra as propiedades acústicas dos altofalantes tradicionais:

Unha propiedade desvantaxosa dos altofalantes é que a resposta en frecuencia deste sistema non é plana. O seu deseño xera moita máis enerxía no rango de baixa frecuencia. Esta enerxía é xeralmente menos direccional, polo que a dispersión vertical será moito maior que para frecuencias máis altas. Como é comúnmente coñecido, as salas acústicamente difíciles adoitan caracterizarse por un tempo de reverberación longo no rango de frecuencias moi baixas, o que, debido ao aumento da enerxía nesta banda de frecuencias, pode producir un deterioro da intelixibilidade da fala.

Para explicar por que os altofalantes se comportan deste xeito, repasaremos brevemente algúns conceptos físicos básicos para os altofalantes tradicionais e aqueles con control dixital de feixe acústico.

Interaccións de fontes puntuais

• Directividad de dúas fontes

Cando dúas fontes puntuais separadas por media lonxitude de onda (λ / 2) xeran o mesmo sinal, os sinais por debaixo e por riba desta matriz cancelaranse entre si, e no eixe da matriz o sinal amplificarase dúas veces (6 dB).

λ / 4 (un cuarto da lonxitude de onda - para unha frecuencia)

Cando dúas fontes están separadas por unha lonxitude de λ / 4 ou menos (esta lonxitude, por suposto, refírese a unha frecuencia), observamos un lixeiro estreitamento das características direccionais no plano vertical.

λ / 4 (un cuarto da lonxitude de onda - para unha frecuencia)

Cando dúas fontes están separadas por unha lonxitude de λ / 4 ou menos (esta lonxitude, por suposto, refírese a unha frecuencia), observamos un lixeiro estreitamento das características direccionais no plano vertical.

λ (unha lonxitude de onda)

Unha diferenza dunha lonxitude de onda amplificará os sinais tanto vertical como horizontalmente. O feixe acústico terá forma de dúas follas

2l

A medida que aumenta a relación entre a lonxitude de onda e a distancia entre os transdutores, o número de lóbulos laterais tamén aumenta. Para un número e distancia constantes entre transdutores en sistemas lineais, esta relación aumenta coa frecuencia (aquí é onde as guías de ondas son útiles, moi frecuentemente utilizadas en conxuntos de matrices de liña).

Limitacións das fontes de liña

A distancia entre os altofalantes individuais determina a frecuencia máxima para a que o sistema actuará como fonte de liña. A altura da fonte determina a frecuencia mínima para a que este sistema é direccional.

Altura da fonte fronte a lonxitude de onda

λ/2

Para lonxitudes de onda superiores ao dobre da altura da fonte, apenas hai control das características direccionais. Neste caso, a fonte pódese tratar como unha fonte puntual cun nivel de saída moi alto.

λ

A altura da fonte da liña determina a lonxitude de onda para a que observaremos un aumento significativo da directividade no plano vertical.

2 l

A frecuencias máis altas, a altura do feixe diminúe. Os lóbulos laterais comezan a aparecer, pero en comparación coa enerxía do lóbulo principal, non teñen ningún efecto significativo.

4 l

A direccionalidade vertical aumenta cada vez máis, a enerxía do lóbulo principal segue aumentando.

Distancia entre transdutores individuais en función da lonxitude de onda

λ/2

Cando os transdutores non están separados a máis da metade da lonxitude de onda, a fonte crea un feixe moi direccional con lóbulos laterais mínimos.

λ

Os lóbulos laterais con enerxía significativa e medible fórmanse con frecuencia crecente. Isto non ten que ser un problema xa que a maioría dos oíntes están fóra desta área.

2l

O número de lóbulos laterais duplícase. É extremadamente difícil illar os oíntes e as superficies reflectantes desta área de radiación.

4l

Cando a distancia entre os transdutores é catro veces a lonxitude de onda, prodúcense tantos lóbulos laterais que a fonte comeza a parecer unha fonte puntual e a directividade cae significativamente.

Os circuítos DSP multicanle poden controlar a altura da fonte

O control do rango de frecuencia superior depende da distancia entre os transdutores de alta frecuencia individuais. O reto dos deseñadores é minimizar esta distancia mantendo a resposta en frecuencia óptima e a máxima potencia acústica xerada por tal dispositivo. As fontes de liña fanse cada vez máis direccionais a medida que aumenta a frecuencia. Nas frecuencias máis altas, incluso son demasiado direccionais para usar conscientemente este efecto. Grazas á posibilidade de utilizar sistemas DSP e amplificación separados para cada un dos transdutores, é posible controlar o ancho do feixe acústico vertical xerado. A técnica é sinxela: basta con usar filtros de paso baixo para reducir os niveis e o rango de frecuencias utilizables dos altofalantes individuais do armario. Para afastar o feixe do centro da carcasa, cambiamos a fila de filtros e a frecuencia de corte (a máis suave para os altofalantes situados no centro da carcasa). Este tipo de operación sería imposible sen o uso dun amplificador e un circuíto DSP separados para cada altofalante dunha liña deste tipo.

Un altofalante tradicional permítelle controlar un feixe acústico vertical, pero o ancho do feixe cambia coa frecuencia. En xeral, o factor de directividade Q é variable e inferior ao necesario.

Control de inclinación do feixe acústico

Como ben sabemos, a historia gústalle repetirse. Abaixo está un gráfico do libro de Harry F. Olson "Enxeñería acústica". Retrasar dixitalmente a radiación dos altofalantes individuais dunha fonte de liña é exactamente o mesmo que inclinar fisicamente a fonte de liña. Despois de 1957, a tecnoloxía pasou moito tempo en facer uso deste fenómeno, mantendo os custos nun nivel óptimo.

As fontes de liña con circuítos DSP resolven moitos problemas arquitectónicos e acústicos

• Factor de directividad vertical variable Q do feixe acústico irradiado.

Os circuítos DSP para fontes de liña permiten cambiar a anchura do feixe acústico. Isto é posible grazas á comprobación de interferencias dos altofalantes individuais. A columna ICONYX da empresa estadounidense Renkus-Heinz permítelle cambiar o ancho de tal feixe no rango: 5, 10, 15 e 20 °, por suposto, se tal columna é suficientemente alta (só a carcasa IC24 permíteche para seleccionar un feixe cunha anchura de 5 °). Deste xeito, un feixe acústico estreito evita reflexos innecesarios do chan ou do teito en salas moi reverberantes.

Factor de directividad constante Q con frecuencia crecente

Grazas aos circuítos DSP e aos amplificadores de potencia para cada un dos transdutores, podemos manter un factor de directividade constante nun amplo rango de frecuencias. Non só minimiza os niveis de son reflectidos na sala, senón tamén unha ganancia constante para unha ampla banda de frecuencia.

Posibilidade de dirixir o feixe acústico independentemente do lugar de instalación

Aínda que o control do feixe acústico é sinxelo dende o punto de vista do procesamento do sinal, é moi importante por razóns arquitectónicas. Tales posibilidades levan ao feito de que, sen a necesidade de inclinar fisicamente o altofalante, creamos unha fonte de son agradable para os ollos que se mestura coa arquitectura. ICONYX tamén ten a capacidade de establecer a localización do centro do feixe acústico.

Uso de fontes lineais modeladas

• Igrexas

Moitas igrexas teñen características semellantes: teitos moi altos, superficies reflectantes de pedra ou vidro, sen superficies absorbentes. Todo isto provoca que o tempo de reverberación nestas salas sexa moi longo, chegando incluso a uns poucos segundos, o que fai que a intelixibilidade da fala sexa moi pobre.

• Instalacións de transporte público

Os aeroportos e as estacións de ferrocarril están moi a miúdo acabados con materiais con propiedades acústicas similares ás usadas nas igrexas. As instalacións de transporte público son importantes porque as mensaxes sobre chegadas, saídas ou atrasos que chegan aos pasaxeiros deben ser comprensibles.

• Museos, Auditorios, Vestíbulo

Moitos edificios de menor escala que o transporte público ou as igrexas teñen parámetros acústicos desfavorables similares. Os dous principais retos para as fontes de liña modeladas dixitalmente son o longo tempo de reverberación que afecta negativamente á intelixibilidade da fala e os aspectos visuais, que son tan importantes na selección final do tipo de megafonía.

Criterios de deseño. Potencia acústica de banda completa

Cada fonte de liña, incluso aquelas con circuítos DSP avanzados, só se pode controlar dentro dun determinado rango de frecuencia útil. Non obstante, o uso de transdutores coaxiais que forman un circuíto fonte de liña proporciona unha potencia acústica de rango completo nun rango moi amplo. O son, polo tanto, é claro e moi natural. Nas aplicacións típicas para sinais de voz ou música de rango completo, a maior parte da enerxía está no rango que podemos controlar grazas aos controladores coaxiais incorporados.

Control total con ferramentas avanzadas

Para maximizar a eficiencia dunha fonte lineal modelada dixitalmente, non é suficiente usar só transdutores de alta calidade. Despois de todo, sabemos que para ter un control total sobre os parámetros do altofalante, debemos empregar unha electrónica avanzada. Tales supostos obrigaron a utilizar circuítos de amplificación multicanle e DSP. O chip D2, usado nos altofalantes ICONYX, ofrece amplificación multicanle de rango completo, control total dos procesadores DSP e, opcionalmente, varias entradas analóxicas e dixitais. Cando o sinal PCM codificado envíase á columna en forma de sinais dixitais AES3 ou CobraNet, o chip D2 convérteo inmediatamente nun sinal PWM. Os amplificadores dixitais de primeira xeración converteron o sinal PCM primeiro en sinais analóxicos e despois en sinais PWM. Desafortunadamente, esta conversión A / D - D / A aumentou considerablemente o custo, a distorsión e a latencia.

Flexibilidade

O son natural e claro das fontes de liña modeladas dixitalmente fai posible utilizar esta solución non só en instalacións de transporte público, igrexas e museos. A estrutura modular das columnas ICONYX permítelle montar fontes de liña segundo as necesidades dunha determinada sala. O control de cada elemento de tal fonte dá unha gran flexibilidade á hora de establecer, por exemplo, moitos puntos, onde se crea o centro acústico do feixe irradiado, é dicir, moitas fontes de liña. O centro de tal feixe pódese situar en calquera lugar ao longo de toda a altura da columna. É posible debido ao mantemento de pequenas distancias constantes entre transdutores de alta frecuencia.

Os ángulos de radiación horizontais dependen dos elementos da columna

Do mesmo xeito que con outras fontes de liña vertical, o son do ICONYX só se pode controlar verticalmente. O ángulo do feixe horizontal é constante e depende do tipo de transdutores utilizados. Os utilizados na columna IC teñen un ángulo de feixe nunha banda de frecuencia ampla, as diferenzas están no rango de 140 a 150 Hz para o son na banda de 100 Hz a 16 kHz.

O gran ángulo de radiación dá unha maior eficiencia

A ampla dispersión, especialmente nas altas frecuencias, garante unha mellor coherencia e intelixibilidade do son, especialmente nos bordos da característica de directividade. En moitas situacións, un ángulo de feixe máis amplo significa que se utilizan menos altofalantes, o que se traduce directamente nun aforro.

As interaccións reais das pastillas

Sabemos moi ben que as características de directividade dun altofalante real non poden ser uniformes en toda a gama de frecuencias. Debido ao tamaño desta fonte, farase máis direccional a medida que aumente a frecuencia. No caso dos altofalantes ICONYX, os altofalantes utilizados nel son omnidireccionais na banda de ata 300 Hz, semicirculares no rango de 300 Hz a 1 kHz e para a banda de 1 kHz a 10 kHz, a característica de directividade é cónico e os seus ángulos de luz son 140 ° × 140 °. Polo tanto, o modelo matemático ideal dunha fonte lineal composta por fontes puntuais omnidireccionais ideais diferirá dos transdutores reais. As medicións mostran que a enerxía de radiación cara atrás do sistema real é moito menor que a modelada matematicamente.

Fonte de liña ICONYX @ λ (lonxitude de onda).

Podemos ver que as vigas teñen unha forma similar, pero para a columna IC32, catro veces maior que IC8, a característica se estreita significativamente.

Para a frecuencia de 1,25 kHz, créase un feixe cun ángulo de radiación de 10 °. Os lóbulos laterais son 9 dB menos.

Para a frecuencia de 3,1 kHz vemos un feixe acústico ben enfocado cun ángulo de 10 °. Por certo, fórmanse dous lóbulos laterais, que se desvían significativamente do feixe principal, isto non causa efectos negativos.

Directividad constante das columnas ICONYX

Para a frecuencia de 500 Hz (5 λ), a directividade é constante a 10 °, o que foi confirmado por simulacións anteriores para 100 Hz e 1,25 kHz.

A inclinación do feixe é un simple retardo progresivo dos sucesivos altofalantes

Se inclinamos fisicamente o altofalante, cambiamos os controladores posteriores no tempo en relación coa posición de escoita. Este tipo de desprazamento provoca a "pendente do son" cara ao oínte. Podemos conseguir o mesmo efecto colgando o altofalante verticalmente e introducindo retardos crecentes para os controladores na dirección na que queremos dirixir o son. Para unha dirección eficaz (inclinación) do feixe acústico, a fonte debe ter unha altura igual ao dobre da lonxitude de onda para a frecuencia dada.

Coa estrutura modular das columnas ICONYX, é posible inclinar eficazmente a viga para:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare: software de modelado de vigas de columnas ICONYX

O método de modelado descrito anteriormente móstranos que tipo de acción sobre o sinal dixital debemos aplicar (filtros pasabaixos variables en cada altofalante da columna) para obter os resultados esperados.

A idea é relativamente sinxela: no caso da columna IC16, o software ten que converter e despois implementar dezaseis opcións de filtro FIR e dezaseis opcións de retardo independentes. Para transferir o centro acústico do feixe irradiado, utilizando a distancia constante entre os transdutores de alta frecuencia na carcasa da columna, necesitamos calcular e implementar un novo conxunto de configuracións para todos os filtros e atrasos.

É necesario crear un modelo teórico, pero hai que ter en conta que os falantes en realidade se comportan de xeito diferente, máis direccional, e as medicións demostran que os resultados obtidos son mellores que os simulados con algoritmos matemáticos.

Hoxe en día, cun desenvolvemento tecnolóxico tan grande, os procesadores de ordenadores xa están á altura. BeamWare utiliza unha representación gráfica dos resultados dos resultados introducindo gráficamente información sobre o tamaño da área de escoita, a altura e a localización das columnas. BeamWare permítelle exportar facilmente a configuración ao software acústico profesional EASE e gardar directamente a configuración nos circuítos DSP da columna. O resultado de traballar no software BeamWare é resultados previsibles, precisos e repetibles en condicións acústicas reais.

ICONYX: unha nova xeración de son

• Calidade do son

O son do ICONYX é un estándar desenvolvido hai moito tempo polo produtor Renkus-Heinz. A columna ICONYX está deseñada para reproducir o mellor tanto sinais de voz como música de rango completo.

• Ampla dispersión

É posible grazas ao uso de altofalantes coaxiais cun ángulo de radiación moi amplo (incluso ata 150 ° no plano vertical), especialmente para o rango de frecuencia máis alto. Isto significa unha resposta de frecuencia máis consistente en toda a área e unha cobertura máis ampla, o que significa usar menos altofalantes deste tipo na instalación.

• Flexibilidade

O ICONYX é un altofalante vertical con controladores coaxiais idénticos situados moi preto uns dos outros. Debido ás pequenas e constantes distancias entre os altofalantes da carcasa, o desprazamento do centro acústico do feixe radiado no plano vertical é practicamente arbitrario. Este tipo de propiedades son moi útiles, especialmente cando as restricións arquitectónicas non permiten a localización (altura) adecuada das columnas no obxecto. A marxe para a altura da suspensión desta columna é moi grande. O deseño modular e a configurabilidade total permítenche definir varias fontes de liña cunha longa columna á túa disposición. Cada feixe radiado pode ter un ancho e unha pendente diferentes.

• Menores custos

Unha vez máis, grazas ao uso de altofalantes coaxiais, cada altofalante ICONYX permite cubrir unha zona moi ampla. Sabemos que a altura da columna depende de cantos módulos IC8 conectemos entre si. Tal estrutura modular permite un transporte sinxelo e barato.

As principais vantaxes das columnas ICONYX

• Control máis eficaz da radiación vertical da fonte.

O tamaño do altofalante é moito menor que os deseños máis antigos, mantendo unha mellor directividade, o que se traduce directamente en intelixibilidade en condicións de reverberación. A estrutura modular tamén permite configurar a columna segundo as necesidades da instalación e as condicións económicas.

• Reprodución de audio de gama completa

Os deseños de altofalantes anteriores produciran poucos resultados satisfactorios con respecto á resposta en frecuencia destes altofalantes, xa que o ancho de banda de procesamento útil estaba no rango de 200 Hz a 4 kHz. Os altofalantes ICONYX son unha construción que permite a xeración de son de rango completo no rango de 120 Hz a 16 kHz, mantendo un ángulo constante de radiación no plano horizontal en todo este rango. Ademais, os módulos ICONYX son electrónica e acústicamente máis eficientes: son polo menos 3-4 dB "máis altos" que os seus predecesores de tamaño similar.

• Electrónica avanzada

Cada un dos conversores da carcasa está accionado por un circuíto amplificador e un circuíto DSP separados. Cando se usan entradas AES3 (AES / EBU) ou CobraNet, os sinais son "dixitalmente claros". Isto significa que os circuítos DSP converten directamente os sinais de entrada PCM en sinais PWM sen conversións A/D e C/A innecesarias.

• Circuítos DSP avanzados

Os avanzados algoritmos de procesamento de sinal desenvolvidos especialmente para columnas ICONYX e a interface BeamWare amigable para os ollos facilitan o traballo do usuario, grazas ao cal poden ser utilizados nunha ampla gama das súas posibilidades en moitas instalacións.

Suma

Este artigo está dedicado a unha análise detallada dos altofalantes e do modelado de son con circuítos DSP avanzados. Cómpre subliñar que a teoría dos fenómenos físicos que usan altofalantes tanto tradicionais como de modelado dixital foi descrita xa nos anos 50. Só co uso de compoñentes electrónicos moito máis baratos e mellores é posible controlar totalmente os procesos físicos no procesamento de sinais acústicos. Estes coñecementos están xeralmente dispoñibles, pero aínda nos atopamos e atoparémonos con casos nos que a incomprensión dos fenómenos físicos leva a erros frecuentes na disposición e localización dos altofalantes, un exemplo pode ser a montaxe moitas veces horizontal dos altofalantes (por razóns estéticas).

Por suposto, este tipo de actuacións tamén se empregan de forma consciente, e un exemplo interesante diso é a instalación horizontal de columnas con altofalantes apuntando cara abaixo nas plataformas das estacións de ferrocarril. Usando os altofalantes deste xeito, podemos achegarnos ao efecto "ducha", onde, superando o alcance de tal altofalante (a área de dispersión é a carcasa da columna), o nivel sonoro baixa significativamente. Deste xeito, pódese minimizar o nivel sonoro reflectido, conseguindo unha mellora significativa na intelixibilidade da fala.

Naqueles tempos de electrónica moi desenvolvida, cada vez atopamos con máis frecuencia solucións innovadoras, que, porén, empregan a mesma física que se descubriu e describiu hai moito tempo. O son modelado dixitalmente ofrécenos posibilidades incribles para adaptarnos a salas acústicamente difíciles.

Os produtores xa están anunciando un avance no control e xestión do son, un destes acentos é a aparición de altofalantes completamente novos (modular IC2 de Renkus-Heinz), que se poden unir de calquera forma para obter unha fonte de son de alta calidade, totalmente xestionado sendo unha fonte e un punto lineais.