Управление низкими частотами является одной из главных проблем при построении звуковой системы. Мы сталкиваемся со специфическими особенностями помещений, архитектурными резонансами и неравномерным покрытием. В последнее десятилетие широкому кругу потребителей стали доступны устройства цифровой обработки сигналов (DSP), цифровые пульты и контроллеры, что позволяет легко создавать низкочастотные массивы направленного излучения. Активная акустика является логическим продолжением эволюции нашего стремления к полному и точному контролю. Встроенные усилители мощности звука и цифровая обработка обеспечивают гибкость и простоту использования. Для решения поставленной задачи активные сабвуферы можно использовать с акустическими стерео процессорами, но даже DSP-модуль цифрового микшерного пульта позволяет создать простой направленный низкочастотный массив.
Управление звуком: зачем?
Массивы сабвуферов предназначены для точного контроля басового сигнала. Это не так уж и сложно. Необходимо понять физику действия, правильно разместить кабинеты и настроить модуль цифровой обработки (инверсия полярности, несколько миллисекунд задержки и небольшая редукция усиления). В этом примере мы рассмотрим реализацию конфигурации массива сабвуферов известного как кардиоидный массив – названный так в честь диаграммы направленности – широко распространенного и в тоже время довольно простого для построения вида низкочастотных массивов.
Акустика помещения – заклятый враг звукоинженера! Чтобы одолеть его, профессионалы используют несколько разных приемов: эквализация, направленные беспроводные микрофоны для изоляции исполнителей и инструментов, высокочастотные и среднечастотные рупоры, направляющие звук на аудиторию. Управление низкими частотами является следующим рубежом в управлении акустикой помещения. В дополнение к этому, часто бывает полезно снизить низкочастотную энергию для исполнителей на сцене или в соответствии с требованиями конкретного мероприятия. Точный контроль низких частот позволяет убрать "грязь", которая облаком заполняет мониторные миксы и мешает исполнителям. Управление низкими частотами, безусловно, дает существенные преимущества.
Управление звуком: как?
Строительство направленного массива начинается с использования идентичных сабвуферов, так как комбинировать можно только точно соответствующие источники звука. Чтобы придать направленные свойства этой паре кабинетов, нужно обеспечить такие условия, чтобы при интерференции волн, излучаемых в одну сторону, происходило сложение их амплитуд, а в другую сторону происходило их вычитание. Тогда преимущественное излучение пары сабвуферов будет происходить в направлении сложения волн. Поскольку скорость звука постоянна, источник звука, который находится дальше – аудитория услышит позже. Обычно сабвуфер работает в диапазоне 40 – 120 Гц, середина диапазона (80 Гц) имеет длину волны 4,2 метра. Итак, два кабинета разделены в пространстве, один за другим. Это условие является отличным решением, когда высота сцены невелика, но есть достаточная глубина. Один сабвуфер устанавливается позади второго так, чтобы расстояние между их фронтальными панелями составляло четверть длины волны, в результате чего будет осуществляться вычитание звука позади пары кабинетов и сложение спереди. Далее необходимо инвертировать полярность установленного позади сабвуфера, назовем его "сабвуфер вычитания". Изменение полярности заставляет его создавать звуковое давление напротив главного сабвуфера. Теперь необходимо скорректировать время задержки сабвуфера вычитания по отношению к главному сабвуферу, так чтобы волна, распространяющаяся к слушателю от сабвуфера вычитания, достигая главного сабвуфера, претерпевала общую задержку в половину длины волны (четверть волны приходится на электронную задержку, а четверть – на преодоление реального расстояния между излучателями). В совокупности с инверсией фазы получается максимальное сложение амплитуд излучателей с фронтальной стороны главного сабвуфера. Задержка в четверть волны компенсирует четвертьволновую задержку в электрическом тракте (3 – 4 мс). Оставшаяся разность фаз обеспечивает вычитание волн, распространяющихся позади пары низкочастотных систем. Таким образом, образуется кардиоидная диаграмма направленности. И наконец, необходимо снизить уровень усиления сабвуфера вычитания на 3 дБ, для достижения оптимального вычитания амплитуд.
Важные замечания
Вместо задержки сигнала необходимую фазовую коррекцию можно внести с помощью фазовых фильтров. Уменьшив внесенную задержку в предложенной схеме, можно получить гиперкардиоидную характеристику. С понижением частоты эффективность описанного кардиоидного излучателя снижается. Этот эффект можно снизить с помощью специальной фазовой коррекции, но платить за это придется снижением направленности на более низких частотах. Следует учитывать, что на практике не все кабинеты имеют круговую диаграмму направленности, что вносит поправки в теоретические расчеты. Любые фильтры, включенные в тракт (в том числе фильтры кроссовера и обрезные фильтры), вносят свой вклад в общий фазовый сдвиг.
Выводы
Без исследования фазочастотных характеристик всех элементов кардиоидного массива сабвуферов и соответствующих измерений создать эффективно работающую конструкцию очень трудно. Также стоит отметить, что это практически единственный способ формирования направленности на самых низких частотах, не требующий в обязательном порядке большого количества кабинетов, что даёт возможность использовать его в небольших помещениях и недорогих инсталляциях.
