archiv.hangaruhaz.hu

A Line array elmélet alapjait 1957-ben Olson fogalmazta meg Akusztikai tervezés c. könyvében. Mint ebben olvasható a line array rendszerek nagyon hasznosak olyan felhasználási esetekben amikor a hangot nagyobb távolságokra kell „kivetíteni” (egy ilyen rendszer függőleges irányítottsága igen erős).

A line array (szó szerinti fordításban: vonal-, vagy oszlop-mátrix) definíciója:

sugárzó elemek egy csoportja egymáshoz közel, egyenes vonalba rendezve, az egyes sugárzó elemek amplitúdója és fázisa azonos.

A rendszer működésének alapja a konstruktív és destruktív interferencia. Destruktív interferenciával mindennap találkozhatunk hangosítási problémák megoldása során: visszaverődésekből adódó kioltások, többszörös sugárzásból adódó fésűszűrő effektus stb. Konstruktív interferencia alakul ki két sugárzó elem között a sugárzás tengelyében a két sugárzótól azonos távolságban (itt hangnyomás-növekedés tapasztalható). Kevés matematikával könnyű belátni, hogy a sugárzás tengelyét elhagyva bizonyos frekvenciákon erősítést, másokon viszont kioltást tapasztalhatunk attól függően, hogy mekkora a két sugárzóból hozzánk eljutó hanghullámok úthosszának különbsége (fésűszűrő hatás!).

A line aray elmélet matematikai alapjai pontszerű hangforrásokat vesznek alapul amik adott távolságra vannak elhelyezve egymástól és azonos amplitúdóval és fázissal sugároznak, sugárzási iránykarakterisztikájuk gömb. Egy ilyen rendszer matematikai analízise oldalakat is megtöltene de enélkül is belátható, hogy a fenti „oszlopsugárzó” sugárzási tengelyében a konstruktív interferenciának köszönhetően hangnyomás-növekedés lép fel, más irányokban kioltás keletkezik. A konstruktív interferencia létrejöttét a sugárzók távolsága és működési frekvenciája befolyásolja. Anélklül, hogy belevesznénk a sokismetretlenes parametrikus egyenletek megoldásába is belátható, hogy a fizikai megvalósításnak több problémája is van:

• a frekvencia növekedésével a valós hangszórók iránykarakterisztikája elveszti gömb jellegét, egyre irányítottabbá válnak
• a magas frekvenciák lesugárzásánál már csak nagyon kis távolság lehetne az egyes sugárzók középpontjai között, ez fizikailag kivitelezhetetlen
• alacsony frekvencián a hangszórók jól közelítik a pontforrás modellt, itt működik a „line array” elv

1. ábra

A fenti okok miatt a középmagas frekvenciák lesugárzására egy teljesen új rendszer kell, a sugárzó oszlop teljes hosszában koherens hullámforrásként működő folytonos szalagsugárzó.

Ennek első prototípusait a ’90-es évek elején a Heil Acoustics készítette el. Azóta több ilyen és ehhez hasonló szerkezet készült más cégeknél is (általában mindegyiket valamilyen szabadalom védi), de működésüket tekintve megegyeznek abban, hogy egy hagyományos 1”, 1.4”, vagy 2” driver kör alakú szájnyílását egy akusztikai tápvonal segítségével egy lineáris szalagsugárzó elemmé alakítják át ami koherens hullámforrásként működik a teljes üzemi tartományában.

Itt meg kell említenünk, hogy a line array rendszereket gyártó igen neves cégek nem képviselnek egységes álláspontot a rendszerek működését és jellemzőit illetően, bár a fizikai megvalósításaik nagyon hasonlóak egymáshoz.

Az első működő line array rendszer a Cox Audio és a Heil Acoustics több éves együttnűködése segítségével született meg. Ezt a rendszert éveken át több ismert nemzetközi hangosító cég tesztjei és visszajelzései valamint Christian Heil professzor kutatásai alakították végleges formájára, jelenleg megtalálhatjuk az L-Acoustics cég termékpalettáján V-DOSC márkanévvel. Az egyik teret hódító nézetet talán épp ezért a Heil Acoustics képviseli (és még néhány cég akik hasonló állásponton vannak).

Dr. Cristian Heil szerint az alapvető különbség egy hagyományos pontszerű hangforrás (hagyományos hangfal) által és egy koherens line array forrás által keltett hangtér között, hogy:

Pontforrás esetén

• a hangintenzitás a távolsággal négyzetesen csökken
• az intenzitás egy adott távolságban nem függvénye a frekvenciának (feltételezve, hogy a forrás által sugárzott energia szintén állandó a frekvencia függvényében)

Egy koherens line array hangforrás olyan hangteret állít elő, aminek a hely függvényében két különböző viselkedési tulajdonságát figyelhetjük meg:

• A közeltérben a hangintenzitás egyenesen arányosan csökken a frekvenciával ÉS egyenesen arányosan a távolsággal (a hengeres hullámfront terjedési tulajdonságai miatt)
• A távoltérben a keltett hangtér viselkedése megegyezik a pontforrás által keltett hangtérével

2. ábra, Hagyományos hangdoboz által keltett hullámfront
3. ábra, Line array által keltett hullámfront

Fontos megjegyeznünk: az a távolság ahol a közeltér-távoltér határa húzódik, nem egy földrajzilag meghatározható határvonal, nem állandó és a frekvencia függvénye!

A közeltér hagyományos hangsugárzók esetén igen kicsi (a hangsugárzók előtti néhány méter).

A fenti elmélet célja, hogy a közeltéri hangteret kiterjessze a közönség túlnyomó részére. Ennek feltétele az, hogy hengeresen terjedő hullámfrontot alakítsunk ki, amit Dr. Heil szerint egy megfelelő méretű koherens szalagsugárzóval elő tudunk állítani. A szalagsugárzót speciális kialakítású line array elemek egymásra helyezésével, vagy szorosan egymás alá függesztésével hozzák létre. Az így kialakuló hanghullámfront az oszlop magasságában hengerpalást formájában terjed (a rendszer vízszintes iránykarakterisztikáján belül).

(A line array elemek fizikai kialakításáról később…)

4. ábra

A másik szintén prominens cégek (pl. Meyersound) által képviselt nézet szerint azonban a line array rendszerek nem képesek hengeresen terjedő hullámfront kialakítására, de jól kontrollálható vízszintes és függőleges iránykarakterisztikájuk miatt eredményesen használhatók nagytávolságú hangosításokban és visszhangos környezetben (ahol cél, hogy a reflektáló felületeket ne sugározzuk be).

Miért is ez a nagy igény erre a hengeres hullámfrontra?

Visszatekintve a fenti definíciókra (Heil Acoustics) jól látható, hogy a közeltérben (hengeres hullámterjedés) a hangintenzitás lineárisan míg a távoltérben négyzetesen csökken. Lefordítva ezt szigorú decibelekre: míg a közeltérben a hangnyomás a távolság duplázásakor csak 3 dB-lel a távoltérben a távolság duplázásakor 6 dB-lel csökken. Ha sikerül kiterjesztenünk a közelteret egy nagyobb régióra (sikerül hengeresen terjedő hullámfrontot kialakítanunk) akkor:

• adott induló hangnyomás (1m-en) mellett nagyobb távolságba tudunk sugározni
• egyenletesebb hangnyomás-eloszlást érhetünk el (16 métertől 64 méterig csak 6dB csökkenés)
• kisebb beépített erősítő teljesítmény szükséges

A másik álláspont szerint, valóban megfigyelhető enyhe hengeres hullámterjedési effektus alacsonyabb frekvenciákon (ahol a line array rendszerek mély és mélyközépsugárzói működnek) magasabb frekvenciákon azonban több problémát is felvetnek:

• a line array rendszerek közép-magas sugárzói nem direktsugárzók, hanem valamilyen tölcséreket vagy akusztikai tápvonalakat használnak egy kívánt sugárzási karakterisztika megvalósítására így ezekre nem érvényes a klasszikus line array elmélet matematikája.
• magasabb frekvenciákon nagy távolságokra a levegő csillapítása (lég-párna hatás) olyan mértékű, hogy a távolság duplázásakor fellépő hangnyomás-csökkenés a 6dB-hez van közelebb mint a 3dB-hez így fizikailag nem itt sem kimérhető a hengeres hullámterjedés hatása.
• szimulációk szerint a legalacsonyabb frekvenciákon kb. 1000 darab 15”-es hangszóróra lenne szükség egymástól 50 cm-re elhelyezve, hogy egy valódi audió line array-t alkossanak ami viselkedésében követi az elméletet: ez fizikailag kivitelezhetetlen!
• A dolog szépsége az, hogy mindkét álláspont képviselői könyveket tudnának megtölteni matematikai levezetésekkel, kutatási eredményekkel, komoly számítógépes szimulációkkal és mérési eredményekkel a saját elméletük és nem utolsó sorban termékük „igazolására”, a másik eredményeit általában cseles marketing fogásoknak állítva be.

5.-6.-7. ábra

Miért is jó akkor egy line array rendszer?

Az biztos, hogy nagy hangosításoknál a jól kézben tartható iránykarakterisztika miatt egy adott komplex terület (pl stadion lelátókkal + küzdőtérrel, színházak, hangversenytermek) lefedése sokkal egyenletesebben megoldható. Ezek a rendszerek általában mind rendelkeznek szoftveres támogatással: az ember megmondja a behangosítandó terület geometriáját és -voilá a gép megmondja, hogy hova és milyen fürtöt kell fellógatni. Nagy utazó hangosításoknál fontos szempont a méret: ezek a rendszerek általában mind kompakt méretű azonos line array elemekből épülnek fel, jól átgondolt riggelési rendszerrel így valóban töredékét foglalják el térfogatban a kamionon a helynek mint egy hagyományos rendszer ami ugyanakkora terület besugárzására képes.

8.-9. ábra Bonyolult formájú nézőterek optimális lefedése függesztett illetve
színpadra állított (stacked) line array rendszerrel

Azt, hogy hangzásban, távoltéri hangnyomásban és egyéb a „hangzatos marketing” által érintett területeken mennyivel nyújt többet egy line array rendszer azt csak az tudja megmondani aki dolgozott már ilyennel, sőt továbbmegyek: több típussal is dolgozott és volt alkalma összehasonlítani őket.

Van még egy nagyon fontos tény a line array rendszerekkel kapcsolatban amiről még nem tettünk említést, pedig minden gyártó nagy hangsúlyt helyez rá ezért fontos megértenünk:

a line array rendszerek nem tipikus hangosító rendszerek, csak jól átgondolt és megtervezett összeállításokban használható ki a bennük rejlő potenciál, hozzá nem értő kezek közt ne várjunk átütő eredményt. Ezek a rendszerek nem az átlagos hangosítók, vagy a „gyakorlott kezdők” rendszerei.

Következő számunkban megismerkedünk a line array és rendszerek és komponenseik fizikai felépítésével és tipikus megvalósításaival.

Kovács Dénes
Okl. villamosmérnök

Ha bővebben szeretnél foglalkozni a témával, többet megismerni a hangosítás alapjairól, válaszd valamelyik tanfolyamunkat