Основные электроакустические параметры акустических систем

Основные электроакустические параметры

• звуковое давление и чувствительность акустических систем;
• мощность и запас по перегрузкам;
• рабочий диапазон частот;
• равномерность распределения звуковой энергии.

Звуковое давление

Как это не удивительно, но термин звуковое давление почти не используется в отечественной практике проектирования и инсталляции систем звукообеспечения. Поскольку мы говорим о системах искусственного звукообеспечения, то этот термин интересует нас в первую очередь применительно к работе акустических систем. Очень часто он подменяется понятием "мощности" громкоговорителей. Поскольку этот вопрос имеет исключительно важное практическое значение, следует рассмотреть его подробней.

Основной мерой КПД акустической системы является ее чувствительность, определяемая как "звуковое давление, развиваемое акустической системой на расстоянии 1 метр при подаче на нее стандартного тестового сигнала (обычно розового шума), электрическая мощность которого составляет 1 Вт". Зная значение чувствительности и номинальную мощность акустической системы можно достаточно просто рассчитать и теоретическое значение максимального уровня звукового давления, создаваемого акустической системой. Как известно, удвоение мощности обеспечивает прирост звукового давления на 3 дБ. Таким образом, акустическая система с чувствительностью 90 дБ и номинальной мощностью 65 Вт обеспечивает звуковое давление на расстоянии 1 м равное:

P = P0 + 10lgW = 90 + 10lg65 = 108 дБ

Система с чувствительностью 84 дБ при той же мощности обеспечивает максимальный уровень звукового давления:

P = 84 + 10lg65 = 102 дБ

Таким образом, разница между первой и второй системами составит 6 дБ, что эквивалентно 4-кратной мощности ! Иначе говоря, для того чтобы добиться одинакового уровня громкости нам потребуется при прочих равных обстоятельствах в систем 1-го типа в 4 раза меньше чем систем 2-го типа. Это соответственно приводит к уменьшению количества и мощности усилителей и сокращению потребления электроэнергии.

Мощность и запас по перегрузкам

После выбора акустических систем возникает вопрос относительно усилителей, и именно здесь встает вопрос мощности. Правильный подбор усилителей под акустические системы имеет крайне важное значение, во-первых с точки зрения надежности системы, во-вторых для реализации возможностей акустических систем в полном объеме.

Относительно правил выбора усилителя под акустическую систему существует широко распространенное заблуждение, которое требует разъяснений. Принято считать, что оптимальным является такой выбор, при котором номинальная (RMS в пер. с англ. "среднеквадратичная") мощность усилителя равна или несколько ниже номинальной (RMS) мощности громкоговорителя. В качестве обоснования выдвигается тезис о том, что при таком раскладе усилитель не может перегрузить динамическую головку громкоговорителя, а, следовательно, и вывести ее из строя в результате перегрева. Этому, однако, противоречит тот факт, что очень часто данное правило не срабатывает, и динамики все же "горят" даже будучи подключенными к менее мощным усилителям.

Правильным выбор является усилитель, мощность (RMS) которого в 1,5-2 раза превышает мощность акустической системы. Почему ? Здесь следует четко определить, о какой мощности идет речь в обоих случаях. Среди ведущих мировых производителей звукового оборудования принята следующая практика тестирования и, соответственно, указания в документации мощностных характеристик оконечных усилителей и акустических систем. Для усилителей номинальная мощность определяется при пропускании через усилитель тестирующего звукового сигнала в виде синусоидальной волны с частотой 1 кГц. Для акустических систем номинальная мощность определяется с помощью тестового сигнала, которым является т.н. "розовый шум". Разница в амплитудных значения синусоидального сигнала и "розового шума" при одинаковой мощности составляет примерно 3 дБ, что, как было уже указано выше, соответствует 2-кратному увеличению мощности. Таким образом, акустическая система, номинальная мощность которой указана производителем как 300 Вт, может быть подключена к усилителю мощностью 600 Вт (RMS) без всяких опасений.

С другой стороны более мощный усилитель обеспечивает и больший запас системы по перегрузкам. В общем случае, уровень программного материала является величиной непредсказуемой, и при превышении уровня сигнала на входе усилителя в последнем возникают искажения, как результат перегрузок. Искажения же представляют собой, фактически, паразитный сигнал, полностью рассеиваемый динамическими головками в виде тепла. Именно это, как правило, и приводит к перегреву и последующему выходу из строя динамиков (в первую очередь, высокочастотных головок). Наиболее частыми причинами перегрузок являются: неправильно рассчитанная диаграмма уровней в системе, неправильные настройки эквалайзеров и компрессоров/лимитеров на выходных линиях, а также ошибки службы эксплуатации.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон частот системы определяется поставленными перед ней задачами звукообеспечения. На практике приходится, обычно, иметь дело с двумя типами систем: речевыми и музыкальными. (Возможен, также смешанный вариант.) Очевидно, что частотный диапазон музыкальной системы должен быть шире, нежели чем речевой.

Какой диапазон частот следует считать приемлемым для чисто речевых систем ? Для полноценной передачи всех формант русской речи он должен находиться в пределах 300 - 8000 Гц. При необходимости обеспечения очень высоких уровней звукового давления (свыше 100 дБ), допускается некоторое сужение этого диапазона, особенно ВЧ составляющей, из-за прежде всего экономических соображений.

Для музыкальных систем звукообеспечения, требования к рабочему диапазону частот могут варьироваться в зависимости от характера мероприятий, обслуживаемых системой. Так, сеть трансляции музыкальных программ в офисном, гостиничном или торговом комплексе обычно не предназначена для воспроизведения частот в области ниже 100 Гц. Современная концертная система, как правило, должна эффективно воспроизводить звук в диапазоне 55 - 17000 Гц, что для аудитории, превышающей 50 человек требует применения выделенных громкоговорителей НЧ диапазона. В театральных и кино залах для воспроизведения специальных эффектов используются акустические системы, работающие в суб НЧ диапазоне - от 25-30 Гц.

Требования ширине и равномерности частотного диапазона определяют в значительной мере количество полос воспроизведения акустических систем. Для речевых и музыкально-речевых (трансляционных) систем практически всегда оптимальным выбором являются 2-полосные системы с пассивным разделением сигнала на ВЧ и НЧ составляющие в самом громкоговорителе. В некоторых случаях, когда требуется речевое оповещение на значительном удалении от места размещения громкоговорителя, а также для создания высоких уровней звукового давления (например, оповещение в рабочих цехах предприятий и пр.) возможно применение однополосных систем направленного (рупорного) типа. Театральные и концертные системы, как правило, строятся по 3-х или даже 4-полосному принципу. При этом, важную роль приобретают такие устройства, как активные кроссоверы - устройства для разделения звукового сигнала на несколько составляющих. Это дает возможность осуществлять усиление в различных полосах спектра в независимом режиме, что в свою очередь позволяет обеспечить оптимальный режим работы для каждого динамика в акустической системе. В оптимальном варианте в качестве кроссоверов могут применяться контроллеры акустических систем, обеспечивающие не только разделение полос, но и динамическую защиту, частотную и временную коррекцию. Контроллеры разделяются на два вида: специальные (предназначенные для одного или нескольких видов акустических систем конкретного производителя) и универсальные (представляющие собой набор необходимых элементов с варьируемыми параметрами).

Равномерность распределения звуковой энергии

Равномерность распределения звуковой энергии по всей площади озвучивания является одним из важнейших параметров оценки качества системы звукообеспечения. Стандартным требованием является неравномерность звукового поля в пределах ±3 дБ. При этом под озвучиваемой площадью мы подразумеваем места возможного расположения слушателей. (См. выше.) Естественно, что больше время реверберации в помещении, то есть чем больше роль отраженного звука, тем более равномерно распределяется в пространстве зала звуковая энергия, излучаемой акустическими системами. Однако, как мы уже говорили, во многих случаях слишком большое влияние диффузной составляющей является негативным фактором. Таким образом, следует в первую очередь говорить о равномерности прямого звука. С другой стороны, мы не можем рассчитывать на помощь отраженных сигналов на открытых площадках. При определении равномерности озвучивания той или иной площади очень полезным может оказаться проведение электроакустического расчета с помощью одной из существующих на сегодняшний день программ для ПК. Наиболее распространенной программой, дающей неплохую сходимость результатов является программа EASY. При этом, однако, следует принимать во внимание, что подобные расчеты обеспечивают достаточную степень достоверности только для прямого звука, и позволяют лишь оценить влияние диффузной составляющей. Разумеется, чем точней компьютерная модель озвучиваемого объекта, тем более точной является такая оценка.

Наиболее типичные проблемы, связанные с неравномерностью распределения звуковой энергии, имеют место в следующих случаях:

• "теневые" зоны озвучивания;
• значительная разница в удаленности от акустических систем слушателей.

Теневые зоны возникают в тех случаях, когда часть пространства озвучиваемой территории оказывается вне зоны охвата "лепестков" направленности акустических систем. Такие зоны чаще всего имеют место:

• в пространстве под балконом зала и на самом балконе;
• в первых рядах слушательских мест при значительной высоте подвеса громкоговорителей или большой ширине сцены;
• возле стен, особенно если они сделаны из хорошо отражающего звук материала;
• вблизи акустических систем с узкой диаграммой направленности. (Характерный пример: громкоговорители рупорного типа, расположенные возле электронного табло с расписанием поездов на вокзале очень плохо слышно в непосредственной близости от табло.)

Общим решением, практически для всех случаев, является применение дополнительных громкоговорителей, размещенных в соответствующей теневой зоне. Естественно, что эти дополнительные акустические системы должны быть согласованы по времени прихода сигнала к слушателю с помощью линий задержки.

Различие в дистанции между различными слушателями до мест размещения акустических систем могут достигать нескольких десятков, а иногда (на больших открытых площадках) и сотен метров. При проектировании систем звукообеспечения для такого рода объектов следует помнить о двух важных обстоятельствах:

• при удвоении расстояния от слушателя до громкоговорителя уровень звукового давления прямого излучения падает на 6 дБ (то есть в 4 раза);
• поглощение звука в воздухе на разных частотах происходит неравномерно (высокие частоты поглощаются сильней).

Для решения проблемы различной удаленности слушателей от акустических систем применяются, в основном три варианта решений: размещение акустических систем на максимально допустимой высоте; использование дополнительных громкоговорителей, отнесенных от основной системы и приближенных к удаленно расположенным слушателям; применение акустических систем с различными характеристиками в рамках одной или нескольких основных систем.

Установка акустических систем на максимально большой высоте позволяет уменьшить относительную разницу в расстоянии от громкоговорителей до слушателей в различных точках зала. Как правило, данный вариант решения является наименее дорогостоящим, однако, к сожалению, не всегда применимым. Использование отнесенных от основной системы громкоговорителей требует опять-таки согласования их во времени с основной системой, а также протяжки длинных коммутационных линий, что не всегда возможно и целесообразно. Что касается применения различных типов акустических систем в рамках одной группы (чаще всего в подвесном кластере), то это требует очень точного моделирования данной группы в целом, наличия необходимого количества независимых каналов звукоусиления для раздельного управления отдельными громкоговорителями, а также хорошо продуманной системы креплений и подвесов.