Modelagem de som

Este artigo é dedicado ao assunto de alto-falantes. Tentaremos desfazer muitos mitos sobre eles e explicar o que realmente são os alto-falantes, tanto os tradicionais quanto os com possibilidade de modelagem de feixe acústico.

Primeiro, vamos apresentar algumas definições básicas de eletroacústica que iremos operar neste artigo. Um alto-falante é um único transdutor eletroacústico que é montado na caixa. Apenas a combinação de vários altifalantes numa caixa cria um conjunto de altifalantes. Um tipo especial de alto-falantes são os alto-falantes.

O que é um alto-falante?

Um alto-falante é para muitas pessoas qualquer alto-falante colocado em uma caixa, mas não é inteiramente verdade. Uma coluna de alto-falante é um dispositivo de alto-falante específico, que em seu alojamento tem vários a uma dúzia ou mais dos mesmos transdutores eletroacústicos (alto-falantes) dispostos verticalmente. Graças a essa estrutura, é possível criar uma fonte com propriedades semelhantes a uma fonte linear, é claro para uma determinada faixa de frequência. Os parâmetros acústicos de tal fonte estão diretamente relacionados à sua altura, ao número de alto-falantes colocados nela e às distâncias entre os transdutores. Tentaremos explicar o princípio de funcionamento deste dispositivo específico, bem como explicar o princípio de funcionamento das colunas cada vez mais populares com feixe acústico controlado digitalmente.

O que são alto-falantes de modelagem de som?

As caixas acústicas recentemente encontradas em nosso mercado têm a opção de modelar o feixe acústico. As dimensões e aparência são muito semelhantes aos alto-falantes tradicionais, bem conhecidos e usados ​​desde os XNUMXs. Altifalantes controlados digitalmente são usados ​​em instalações semelhantes aos seus antecessores analógicos. Este tipo de altifalantes pode ser encontrado, entre outros, em igrejas, terminais de passageiros em estações ferroviárias ou aeroportos, espaços públicos, campos e pavilhões desportivos. No entanto, existem muitos aspectos em que as colunas de vigas acústicas controladas digitalmente superam as soluções tradicionais.

Aspectos acústicos

Todos os locais acima mencionados são caracterizados por acústicas relativamente difíceis, relacionadas à sua cubatura e à presença de superfícies altamente refletivas, o que se traduz diretamente no grande tempo de reverberação RT60s (RT60 “tempo de reverberação”) nessas salas.

Tais salas requerem o uso de dispositivos de alto-falante com alta diretividade. A proporção do som direto para o refletido deve ser alta o suficiente para que a inteligibilidade da fala e da música seja a mais alta possível. Se usarmos alto-falantes tradicionais com características menos direcionais em uma sala acusticamente difícil, pode acontecer que o som gerado seja refletido de muitas superfícies, de modo que a proporção de som direto para som refletido diminuirá significativamente. Em tal situação, apenas ouvintes que estiverem muito próximos da fonte sonora poderão compreender adequadamente a mensagem que chega até eles.

Aspectos arquitetônicos

Para obter a relação adequada da qualidade do som gerado em relação ao preço do sistema de som, deve-se usar um pequeno número de alto-falantes com alto fator Q (diretividade). Então, por que não encontramos grandes sistemas de tubos ou sistemas line-array nas instalações mencionadas, como estações, terminais, igrejas? Há uma resposta muito simples aqui – os arquitetos criam esses edifícios em grande parte guiados pela estética. Grandes sistemas de tubos ou clusters line-array não combinam com a arquitetura da sala com seu tamanho, razão pela qual os arquitetos não concordam com seu uso. O compromisso neste caso era muitas vezes os alto-falantes, mesmo antes de circuitos DSP especiais e a capacidade de controlar cada um dos drivers serem inventados para eles. Esses dispositivos podem ser facilmente escondidos na arquitetura da sala. Geralmente são montados próximos à parede e podem ser coloridos com a cor das superfícies ao redor. É uma solução muito mais atractiva e, sobretudo, mais facilmente aceite pelos arquitectos.

Matrizes de linha não são novas!

O princípio da fonte linear com cálculos matemáticos e a descrição de suas características de diretividade foi muito bem descrito por Hary F. Olson em seu livro “Engenharia Acústica”, publicado pela primeira vez em 1940. Lá encontraremos uma explicação muito detalhada sobre os fenômenos físicos que ocorrem em alto-falantes usando as propriedades de uma fonte de linha

A tabela a seguir mostra as propriedades acústicas dos alto-falantes tradicionais:

Uma propriedade desvantajosa dos alto-falantes é que a resposta de frequência de tal sistema não é plana. Seu design gera muito mais energia na faixa de baixa frequência. Esta energia é geralmente menos direcional, então a dispersão vertical será muito maior do que para frequências mais altas. Como se sabe, salas acusticamente difíceis costumam ser caracterizadas por um longo tempo de reverberação na faixa de frequências muito baixas, o que, devido ao aumento de energia nessa faixa de frequência, pode resultar em uma deterioração da inteligibilidade da fala.

Para explicar por que os alto-falantes se comportam dessa maneira, abordaremos brevemente alguns conceitos físicos básicos para alto-falantes tradicionais e aqueles com controle de feixe acústico digital.

Interações de fontes pontuais

• Diretividade de duas fontes

Quando duas fontes pontuais separadas por meio comprimento de onda (λ / 2) geram o mesmo sinal, os sinais abaixo e acima de tal arranjo se cancelam, e no eixo do arranjo o sinal será amplificado duas vezes (6 dB).

λ / 4 (um quarto do comprimento de onda – para uma frequência)

Quando duas fontes são espaçadas por um comprimento de λ / 4 ou menos (este comprimento, é claro, refere-se a uma frequência), notamos um pequeno estreitamento das características direcionais no plano vertical.

λ / 4 (um quarto do comprimento de onda – para uma frequência)

Quando duas fontes são espaçadas por um comprimento de λ / 4 ou menos (este comprimento, é claro, refere-se a uma frequência), notamos um pequeno estreitamento das características direcionais no plano vertical.

λ (um comprimento de onda)

Uma diferença de um comprimento de onda amplificará os sinais tanto vertical quanto horizontalmente. O feixe acústico terá a forma de duas folhas

2l

À medida que a razão entre o comprimento de onda e a distância entre os transdutores aumenta, o número de lóbulos laterais também aumenta. Para um número e distância constantes entre transdutores em sistemas lineares, essa relação aumenta com a frequência (é aqui que os guias de onda são úteis, muito usados ​​em conjuntos de matriz de linha).

Limitações de fontes de linha

A distância entre os alto-falantes individuais determina a frequência máxima para a qual o sistema atuará como fonte de linha. A altura da fonte determina a frequência mínima para a qual este sistema é direcional.

Altura da fonte versus comprimento de onda

λ/2

Para comprimentos de onda maiores que duas vezes a altura da fonte, dificilmente há controle das características direcionais. Neste caso, a fonte pode ser tratada como uma fonte pontual com um nível de saída muito alto.

λ

A altura da fonte da linha determina o comprimento de onda para o qual observaremos um aumento significativo na diretividade no plano vertical.

2 l

Em frequências mais altas, a altura do feixe diminui. Os lóbulos laterais começam a aparecer, mas comparados com a energia do lóbulo principal, eles não têm efeito significativo.

4 l

A direcionalidade vertical aumenta cada vez mais, a energia do lóbulo principal continua a aumentar.

Distância entre transdutores individuais versus comprimento de onda

λ/2

Quando os transdutores não estão separados por mais da metade do comprimento de onda, a fonte cria um feixe muito direcional com lóbulos laterais mínimos.

λ

Lóbulos laterais com energia significativa e mensurável são formados com frequência crescente. Isso não precisa ser um problema, pois a maioria dos ouvintes está fora dessa área.

2l

O número de lobos laterais dobra. É extremamente difícil isolar os ouvintes e as superfícies reflexivas desta área de radiação.

4l

Quando a distância entre os transdutores é quatro vezes o comprimento de onda, são produzidos tantos lóbulos laterais que a fonte começa a parecer uma fonte pontual e a diretividade cai significativamente.

Circuitos DSP multicanal podem controlar a altura da fonte

O controle da faixa de frequência superior depende da distância entre os transdutores de alta frequência individuais. O desafio para os projetistas é minimizar essa distância, mantendo a resposta de frequência ideal e a potência acústica máxima gerada por tal dispositivo. As fontes de linha tornam-se cada vez mais direcionais à medida que a frequência aumenta. Nas frequências mais altas, eles são muito direcionais para usar conscientemente esse efeito. Graças à possibilidade de usar sistemas DSP separados e amplificação para cada um dos transdutores, é possível controlar a largura do feixe acústico vertical gerado. A técnica é simples: basta usar filtros passa-baixa para reduzir os níveis e a faixa de frequência utilizável para os alto-falantes individuais no gabinete. Para afastar o feixe do centro da caixa, alteramos a linha do filtro e a frequência de corte (a mais suave para os alto-falantes localizados no centro da caixa). Este tipo de operação seria impossível sem o uso de um amplificador e circuito DSP separados para cada alto-falante em tal linha.

Um alto-falante tradicional permite controlar um feixe acústico vertical, mas a largura do feixe muda com a frequência. De um modo geral, o fator de diretividade Q é variável e inferior ao necessário.

Controle de inclinação do feixe acústico

Como bem sabemos, a história gosta de se repetir. Abaixo está um gráfico do livro de Harry F. Olson "Engenharia Acústica". Atrasar digitalmente a radiação dos alto-falantes individuais de uma fonte de linha é exatamente o mesmo que inclinar fisicamente a fonte de linha. Depois de 1957, a tecnologia levou muito tempo para fazer uso desse fenômeno, mantendo os custos em um nível ótimo.

Fontes de linha com circuitos DSP resolvem muitos problemas arquitetônicos e acústicos

• Fator de diretividade vertical variável Q do feixe acústico irradiado.

Os circuitos DSP para fontes de linha permitem alterar a largura do feixe acústico. Isso é possível graças à verificação de interferência para alto-falantes individuais. A coluna ICONYX da empresa americana Renkus-Heinz permite alterar a largura de tal viga no intervalo: 5, 10, 15 e 20 °, é claro, se essa coluna for suficientemente alta (somente a carcaça IC24 permite para selecionar uma viga com uma largura de 5 °). Desta forma, um feixe acústico estreito evita reflexões desnecessárias do piso ou teto em salas altamente reverberantes.

Fator de diretividade constante Q com frequência crescente

Graças aos circuitos DSP e amplificadores de potência para cada um dos transdutores, podemos manter um fator de diretividade constante em uma ampla faixa de frequência. Ele não apenas minimiza os níveis de som refletidos na sala, mas também um ganho constante para uma ampla faixa de frequência.

Possibilidade de direcionar o feixe acústico independentemente do local de instalação

Embora o controle do feixe acústico seja simples do ponto de vista do processamento do sinal, é muito importante por razões arquitetônicas. Tais possibilidades levam ao fato de que sem a necessidade de inclinar fisicamente o alto-falante, criamos uma fonte de som amigável aos olhos que combina com a arquitetura. O ICONYX também tem a capacidade de definir a localização do centro do feixe acústico.

O uso de fontes lineares modeladas

• Igrejas

Muitas igrejas têm características semelhantes: tetos muito altos, superfícies refletivas de pedra ou vidro, sem superfícies absorventes. Tudo isso faz com que o tempo de reverberação nessas salas seja muito longo, chegando até a alguns segundos, o que torna a inteligibilidade da fala muito ruim.

• Instalações de transporte público

Aeroportos e estações ferroviárias são muitas vezes acabados com materiais com propriedades acústicas semelhantes às usadas nas igrejas. Os meios de transporte público são importantes porque as mensagens sobre chegadas, partidas ou atrasos que chegam aos passageiros devem ser compreensíveis.

• Museus, Auditórios, Lobby

Muitos edifícios de menor escala do que o transporte público ou igrejas têm parâmetros acústicos desfavoráveis ​​semelhantes. Os dois principais desafios para fontes de linha modeladas digitalmente são o longo tempo de reverberação, que afeta negativamente a inteligibilidade da fala, e os aspectos visuais, tão importantes na seleção final do tipo de sistema de sonorização.

Critérios de projeto. Potência acústica de banda completa

Cada fonte de linha, mesmo aquelas com circuitos DSP avançados, só podem ser controladas dentro de uma certa faixa de frequência útil. No entanto, o uso de transdutores coaxiais formando um circuito de fonte de linha fornece potência acústica de faixa completa em uma faixa muito ampla. O som é, portanto, claro e muito natural. Em aplicações típicas para sinais de fala ou música de alcance total, a maior parte da energia está na faixa que podemos controlar graças aos drivers coaxiais integrados.

Controle total com ferramentas avançadas

Para maximizar a eficiência de uma fonte linear modelada digitalmente, não basta usar apenas transdutores de alta qualidade. Afinal, sabemos que para ter controle total sobre os parâmetros do alto-falante, devemos usar eletrônica avançada. Tais suposições forçaram o uso de circuitos de amplificação multicanal e DSP. O chip D2, usado nos alto-falantes ICONYX, fornece amplificação multicanal de alcance total, controle total dos processadores DSP e, opcionalmente, várias entradas analógicas e digitais. Quando o sinal PCM codificado é entregue à coluna na forma de sinais digitais AES3 ou CobraNet, o chip D2 o converte imediatamente em um sinal PWM. Os amplificadores digitais de primeira geração converteram o sinal PCM primeiro em sinais analógicos e depois em sinais PWM. Esta conversão A/D – D/A infelizmente aumentou consideravelmente o custo, a distorção e a latência.

Flexibilidade

O som natural e nítido das fontes de linha modeladas digitalmente torna possível a utilização desta solução não apenas em instalações de transporte público, igrejas e museus. A estrutura modular das colunas ICONYX permite montar fontes de linha de acordo com as necessidades de uma determinada sala. O controle de cada elemento de tal fonte dá grande flexibilidade ao definir, por exemplo, muitos pontos, onde é criado o centro acústico do feixe irradiado, ou seja, muitas fontes de linha. O centro de tal viga pode estar localizado em qualquer lugar ao longo de toda a altura da coluna. Isso é possível devido à manutenção de pequenas distâncias constantes entre os transdutores de alta frequência.

Os ângulos de radiação horizontais dependem dos elementos da coluna

Tal como acontece com outras fontes de linha vertical, o som do ICONYX só pode ser controlado verticalmente. O ângulo do feixe horizontal é constante e depende do tipo de transdutor utilizado. Os usados ​​na coluna IC possuem ângulo de feixe em uma ampla faixa de frequência, as diferenças estão na faixa de 140 a 150 Hz para som na faixa de 100 Hz a 16 kHz.

O amplo ângulo de radiação proporciona maior eficiência

A ampla dispersão, especialmente em altas frequências, garante melhor coerência e inteligibilidade do som, principalmente nas bordas da característica de diretividade. Em muitas situações, um ângulo de feixe mais amplo significa que menos alto-falantes são usados, o que se traduz diretamente em economia.

As interações reais dos captadores

Sabemos muito bem que as características de diretividade de um alto-falante real não podem ser uniformes em toda a faixa de frequência. Devido ao tamanho de tal fonte, ela se tornará mais direcional à medida que a frequência aumentar. No caso dos alto-falantes ICONYX, os alto-falantes nele utilizados são omnidirecionais na faixa de até 300 Hz, semicirculares na faixa de 300 Hz a 1 kHz, e para a faixa de 1 kHz a 10 kHz, a característica de diretividade é cônico e seus ângulos de feixe são 140 ° × 140 °. O modelo matemático ideal de uma fonte linear composta por fontes pontuais omnidirecionais ideais será, portanto, diferente dos transdutores reais. As medições mostram que a energia de radiação inversa do sistema real é muito menor do que a modelada matematicamente.

Fonte de linha ICONYX @ λ (comprimento de onda)

Podemos ver que as vigas têm formato semelhante, mas para o pilar IC32, quatro vezes maior que o IC8, a característica estreita-se significativamente.

Para a frequência de 1,25 kHz, um feixe é criado com um ângulo de radiação de 10 °. Os lóbulos laterais são 9 dB a menos.

Para a frequência de 3,1 kHz vemos um feixe acústico bem focalizado com um ângulo de 10°. By the way, dois lóbulos laterais são formados, que são significativamente desviados do feixe principal, isso não causa efeitos negativos.

Diretividade constante das colunas ICONYX

Para a frequência de 500 Hz (5 λ), a diretividade é constante em 10°, o que foi confirmado por simulações anteriores para 100 Hz e 1,25 kHz.

A inclinação do feixe é um retardo progressivo simples de alto-falantes sucessivos

Se inclinarmos fisicamente o alto-falante, mudamos os drivers subsequentes no tempo em relação à posição de audição. Esse tipo de deslocamento causa a “inclinação do som” em direção ao ouvinte. Podemos obter o mesmo efeito pendurando o alto-falante verticalmente e introduzindo atrasos crescentes para os drivers na direção em que queremos direcionar o som. Para uma direção efetiva (inclinação) do feixe acústico, a fonte deve ter uma altura igual a duas vezes o comprimento de onda para a frequência dada.

Com a estrutura modular dos pilares ICONYX, é possível inclinar efetivamente a viga para:

• IC8: 800 Hz

• IC16: 400 Hz

• IC24: 250 Hz

• IC32: 200 Hz

BeamWare – software de modelagem de vigas de colunas ICONYX

O método de modelagem descrito anteriormente nos mostra que tipo de ação no sinal digital precisamos aplicar (filtros passa-baixa variáveis ​​em cada alto-falante da coluna) para obter os resultados esperados.

A ideia é relativamente simples – no caso da coluna IC16, o software tem que converter e então implementar dezesseis configurações de filtro FIR e dezesseis configurações de atraso independentes. Para transferir o centro acústico do feixe irradiado, usando a distância constante entre os transdutores de alta frequência no alojamento da coluna, precisamos calcular e implementar um novo conjunto de configurações para todos os filtros e atrasos.

Criar um modelo teórico é necessário, mas devemos levar em conta o fato de que os alto-falantes realmente se comportam de forma diferente, mais direcional, e as medições comprovam que os resultados obtidos são melhores do que os simulados com algoritmos matemáticos.

Hoje em dia, com um desenvolvimento tecnológico tão grande, os processadores de computador já estão à altura da tarefa. O BeamWare usa uma representação gráfica dos resultados dos resultados inserindo graficamente informações sobre o tamanho da área de escuta, altura e localização das colunas. O BeamWare permite exportar facilmente as configurações para o software acústico profissional EASE e salvar diretamente as configurações nos circuitos DSP da coluna. O resultado de trabalhar no software BeamWare são resultados previsíveis, precisos e repetíveis em condições acústicas reais.

ICONYX – uma nova geração de som

• Qualidade de som

O som do ICONYX é um padrão desenvolvido há muito tempo pelo produtor Renkus-Heinz. A coluna ICONYX foi projetada para reproduzir, da melhor forma, sinais de fala e música de alcance total.

• Ampla dispersão

É possível graças ao uso de alto-falantes coaxiais com um ângulo de radiação muito amplo (até 150 ° no plano vertical), especialmente para a faixa de frequência mais alta. Isso significa uma resposta de frequência mais consistente em toda a área e uma cobertura mais ampla, o que significa usar menos alto-falantes nas instalações.

• Flexibilidade

O ICONYX é um alto-falante vertical com drivers coaxiais idênticos colocados muito próximos uns dos outros. Devido às pequenas e constantes distâncias entre os alto-falantes na carcaça, o deslocamento do centro acústico do feixe irradiado no plano vertical é praticamente arbitrário. Esses tipos de propriedades são muito úteis, principalmente quando as restrições arquitetônicas não permitem a localização adequada (altura) das colunas no objeto. A margem para a altura da suspensão de tal coluna é muito grande. O design modular e a total configurabilidade permitem definir várias fontes de linha com uma longa coluna à sua disposição. Cada feixe irradiado pode ter uma largura e inclinação diferentes.

• Custos mais baixos

Mais uma vez, graças ao uso de alto-falantes coaxiais, cada alto-falante ICONYX permite cobrir uma área muito ampla. Sabemos que a altura da coluna depende de quantos módulos IC8 conectamos uns aos outros. Essa estrutura modular permite um transporte fácil e barato.

As principais vantagens das colunas ICONYX

• Controle mais eficaz da radiação vertical da fonte.

O tamanho do alto-falante é muito menor do que os designs mais antigos, mantendo uma melhor diretividade, o que se traduz diretamente em inteligibilidade em condições de reverberação. A estrutura modular também permite que a coluna seja configurada de acordo com as necessidades da instalação e condições financeiras.

• Reprodução de áudio de alcance total

Projetos de alto-falantes anteriores produziram resultados pouco satisfatórios em relação à resposta de frequência de tais alto-falantes, pois a largura de banda útil de processamento estava na faixa de 200 Hz a 4 kHz. Os alto-falantes ICONYX são uma construção que permite a geração de som de faixa completa na faixa de 120 Hz a 16 kHz, mantendo um ângulo de radiação constante no plano horizontal em toda essa faixa. Além disso, os módulos ICONYX são eletronicamente e acusticamente mais eficientes: são pelo menos 3-4 dB “mais altos” que seus predecessores de tamanho similar.

• Eletrônica avançada

Cada um dos conversores na carcaça é acionado por um circuito amplificador e um circuito DSP separados. Quando as entradas AES3 (AES / EBU) ou CobraNet são usadas, os sinais são “digitalmente claros”. Isso significa que os circuitos DSP convertem diretamente os sinais de entrada PCM em sinais PWM sem conversão desnecessária de A/D e C/A.

• Circuitos DSP avançados

Os algoritmos avançados de processamento de sinal desenvolvidos especialmente para as colunas ICONYX e a interface amigável do BeamWare facilitam o trabalho do usuário, graças ao qual podem ser usados ​​em uma ampla gama de possibilidades em muitas instalações.

Resumo

Este artigo é dedicado a uma análise detalhada de alto-falantes e modelagem de som com circuitos DSP avançados. Vale ressaltar que a teoria dos fenômenos físicos que utilizam alto-falantes tradicionais e modelados digitalmente foi descrita já na década de 50. Somente com o uso de componentes eletrônicos muito mais baratos e melhores é possível controlar totalmente os processos físicos no processamento de sinais acústicos. Esse conhecimento está geralmente disponível, mas ainda nos encontramos e encontraremos casos em que a incompreensão de fenômenos físicos leva a erros frequentes na disposição e localização de alto-falantes, um exemplo pode ser a montagem muitas vezes horizontal de alto-falantes (por razões estéticas).

Claro que esse tipo de ação também é usado de forma consciente, e um exemplo interessante disso é a instalação horizontal de colunas com alto-falantes apontando para baixo nas plataformas das estações ferroviárias. Ao usar os alto-falantes dessa forma, podemos nos aproximar do efeito “chuveiro”, onde, indo além do alcance de tal alto-falante (a área de dispersão é o alojamento da coluna), o nível do som diminui significativamente. Desta forma, o nível de som refletido pode ser minimizado, obtendo uma melhora significativa na inteligibilidade da fala.

Nesses tempos de eletrônica altamente desenvolvida, encontramos cada vez mais soluções inovadoras, que, no entanto, usam a mesma física que foi descoberta e descrita há muito tempo. O som modelado digitalmente nos dá possibilidades incríveis de adaptação a salas acusticamente difíceis.

Os produtores já estão anunciando um avanço no controle e gerenciamento de som, um desses destaques é o aparecimento de alto-falantes completamente novos (IC2 modular da Renkus-Heinz), que podem ser montados de qualquer maneira para obter uma fonte de som de alta qualidade, totalmente gerenciado enquanto é uma fonte e um ponto linear.