Кардиоидный массив с использованием активных сабвуферов

О чём этот материал

Низкие частоты сложнее всего поддаются контролю: они огибают препятствия, создают гул на сцене и неравномерно распределяются по залу. Кардиоидный массив решает эту задачу, направляя бас только туда, где он нужен — в зал, и убирая его со сцены. Разбираем, как это работает без лишней теории, на примере двух активных сабвуферов.

Управление звуком: зачем?

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.

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.

Основные условия для построения кардиоидной схемы:

• используются только идентичные сабвуферы;
• один сабвуфер устанавливается позади другого так, чтобы расстояние между их фронтальными панелями составляло четверть длины волны (для частоты 80 Гц это около 1 метра);
• полярность заднего сабвуфера («сабвуфера вычитания») инвертируется;
• время задержки заднего сабвуфера настраивается так, чтобы общая задержка (электронная + физическое расстояние) составляла половину длины волны (примерно 6–8 мс для 80 Гц);
• уровень усиления заднего сабвуфера снижается на 3 дБ для оптимального вычитания амплитуд.

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.

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.

  Однако инженерная мысль не стоит на месте. Описанный выше принцип (интерференция двух источников с задержкой и инверсией полярности) лёг в основу более эффективной конфигурации — три сабвуфера: два фронтальных, один тыловой. Современные активные сабвуферы со встроенным DSP содержат заводские пресеты для такой связки «2+1». При выборе соответствующего пресета система автоматически настраивает задержки, полярность и уровни для каждого корпуса.
 

  Заявленное подавление тылового излучения в этих конфигурациях — 15–30 дБ в рабочем диапазоне частот (40–100 Гц). Это паспортные данные производителей, подтверждённые измерениями.
 

Что даёт переход на 2+1 с готовыми пресетами:

• автоматизацию настройки вместо ручных расчётов;
• предсказуемый результат без сложных фазочастотных измерений;
• возможность быстро переключаться между режимами (кардиоида, суперкардиоида) под конкретную задачу.

   Таким образом, базовый принцип остаётся неизменным, а современные DSP-пресеты позволяют реализовать его с максимальной эффективностью при минимальных временных затратах. Исследование ФЧХ и измерения не становятся бесполезными — они нужны для понимания границ применимости готовых решений и для нестандартных акустических условий.