Длина линейных источников звука

Сейчас все больше популярность получают вертикальные линейные массивы. В рекламных статьях в качестве одного из главных преимуществ представляется то, что такие массивы формируют цилиндрическую звуковую волну. В отличие от сферической звуковой волны цилиндрическая имеет затухание всего 3 дБ с удвоением расстояния. В этом утверждении есть доля истины. В этой статье мы попытались рассмотреть ограничения, присущие этому эффекту.

Все акустические системы производят звук как в ближнем поле (рядом с динамиком) и дальнем поле, когда расстояние увеличивается. Ближнее и дальнее поле, также известно как, соответственно, поле Френеля и Фраунгофера. Обычные точечные источники генерируют сферический волновой фронт и слушатель находится полностью в дальнем поле, в то время как для линейных массивов слушатель может находиться как в ближнем, так и в дальнем поле. На рисунке показан переход от ближнего поля к дальнему с увеличением расстояния от линейного источника звука. Высота звуковой колонны – h, расстояние от источника звука к слушателю – r.

В ближнем поле звуковое давление падает на 3 дБ при удвоении расстояния, при переходе в дальнее поле в звуковое давление начинает падать на 6 дБ при удвоении расстояния.

Также следует обратить внимание, что в ближнем поле излучение распространяется перпендикулярно оси излучателя и незначительно уходит по сторонам. Соответственно мало энергии будет уходить в стороны и отражаться от потолка и пола помещения. В дальнем поле излучение расширяется с увеличением расстояния, что может вызвать появление нежелательных отражений.

Очень важно понимать, где находится граница между ближним и дальным полем для линейного излучателя. Ее можно определить по приближенной формуле: D = 1.5 f * h2*, где f – частота, кГц; h – высота массива, метры; D – дистанция, метры. Для наглядности приведена таблица, показывающая расстояние до границы перехода ближнее/дальнее поле ( в метрах):

Частота, Гц	100	200	500	1000	2000	5000
Высота излучателя — 0.5 м	0.0375	0.075	0.1875	0.375	0.75	1.875
Высота излучателя — 1 м	0.15	0.3	0.75	1.5	3	7.5
Высота излучателя — 2 м	0.6	1.2	3	6	12	30

Эти подсчеты справедливы для открытых площадок. В помещениях отражения, возникающие от потолка и пола, виртуально удлиняют линейный источник, увеличивая расстояние до границы ближней/дальней зоны. В зависимости от длины источника, расстояния до пола и потолка и их отражающей способности виртуальное удлинение может составить до 3 раз. Но для эффективного использования этого эффекта расстояние от концов массива до потолка и пола должно быть не более одной длины волны звука требуемой частоты ( например для 340 Гц расстояние до пола и потолка должно быть не более 1 м.

С ростом частоты ситуация начинает изменяться. Компактный массив состоит из отдельных излучателей, расположенных с определенным шагом (например, при использовании 3” излучателей шаг составит 84 мм). Для получения нормальной совместной работы динамиков на высоких частотах (для получения изофазного звукового фронта) нужно выполнить условия: — в дальнем поле: расстояние между драйверами должно быть не более одной длины волны на максимальной частоте совместной работы — в ближнем поле — расстояние между драйверами должно быть не более 1/2 длины волны на максимальной частоте совместной работы.

На рисунке показан волновой фронт, создаваемый массивом (s— расстояние между излучателями, l – длина волны. Пока длина волны больше расстояния между излучателями – мы получаем плоский волновой фронт. При уменьшении длины волны (повышении частоты) появляется гребенчатая фильтрация и неравномерность волнового фронта. Линейный массив распадается на ряд независимых излучателей со своей диаграммой направленности. Подведем итоги. Линейный излучатель средней длины (1 м) формирует цилиндрическую звуковую волну в ограниченном частотном диапазоне. Нижняя частота прямо пропорциональна квадрату длины массива, верхняя – пропорциональна расстоянию между излучателями. Но в среднечастотном диапазоне массив может формировать цилиндрическую волну с затуханием 3 дБ/удвоение расстояния. Как следствие из этого – на дальнем расстоянии будет ощущаться некоторый недостаток высоких и низких частот (т.к. средние частоты имеют затухание 3 дБ/удвоение расстояния, низкие и высокие – 6 дБ). Для его компенсации можно вводить дополнительную компенсацию АЧХ в усилителе, а лучше всего иметь 2 пресета – дальний заброс и ближний заброс. Но вместе с тем массив высотой 2 метра может быть весьма эффективным излучателем. Приведем пример: Возьмем точечный излучатель (обычная колонка) и линейный массив. Оба обеспечивают звуковое давление 94 дБ на расстоянии 1 метр. На расстоянии 8 метров точечный источник (с затуханием 6 дБ/удвоение расстояния) обеспечит уровень 76 дБ, массив – 85 дБ. Если перевести эти уровни давления в уровни подводимой мощности – мы получим, что для получения звукового давления 85 дБ на расстоянии 8 метров точечный источник должен иметь в 8 раз больше мощность, чем линейный источник звука. Впечатляет! Можно представить, насколько дискомфортно будет находится вблизи такого источника звука! Кроме того за счет более острой направленности мы получим намного меньше отражений от потолка и пола помещения, что даст более ясный и разборчивый звук на дальнем расстоянии.

К числу достоинств линейных излучателей нужно отнести и существенно меньшую склонность к акустической обратной связи (‘заводке’ микрофонов). Петь можно практически рядом с колонками не опасаясь свистов! Преимущества вертикальных линейных массивов в первую очередь раскрываются при работе в длинных невысоких помещениях. В них можно обеспечить максимально равномерное звуковое покрытие и на близких и на дальних дистанциях прослушивания. Близко расположенные слушатели не испытывают дискомфорта от большой громкости звука и в то-же самое время далеко расположенные слушатели не испытывают недостатка в громкости и разборчивости звука.

Выводы:

граница между ближней и дальней зоной для массива длиной 1 м (это типичная длина массива на 8 динамиков диаметром 4”) на частоте 1кГц может находится на расстоянии всего 1,5 — 2 метра
эффективно работать могут только массивы большей длины — 2 м. Для них, с учетом малого расстояния от верхушки массива до потолка ближняя зона на частоте 100-120 Гц может быть расширена до 6 метров. Безусловно, это несколько упрощенный подход. В реальной жизни проявляется влияние еще ряда факторов:
направленность отдельно взятых динамиков, входящих в состав массива обостряет суммарную направленность на высоких частотах.
отражения от стен создают дополнительную реверберационную картину.