Куда ставить микрофон?

Александрас Ратмановас,
системный инженер, консультант,
официальный инструктор по Smaart
от Rational Acoustics LLC.



Вопрос, на который приходится отвечать при каждой настройке задержки субов с топами. Распространенные варианты ответов: на FOH, в центре помещения, на вертикальном угле раскрытия топов, далее перечислите сами. Задумывались ли вы, почему? Насколько каждый из этих вариантов обоснован и оптимален для конкретного случая? Сводить-то надо где-то в одной точке! Ведь должна быть одна — та самая оптимальная — точка в пространстве, где должна оказаться мембрана измерительного микрофона.

Для начала давайте обозначим цели. Звук, как и другие элементы шоу, должен создавать незабываемые впечатления. Слушатели, купившие билет, заслуживают одинакового качества впечатлений, независимо от того, в какой точке зала они находятся. Из этого можно сделать очень простой и логичный вывод: звук должен быть одинаковый на всей площади покрытия.

К сожалению, так не бывает, и звучание в разных точках зала может сильно отличаться. Таким образом, логично ввести параметр, показывающий степень отклонения звучания от эталонного: например, того, что на FOH.

Различие в звучании зависит от разных факторов, среди которых абсолютное давление, АЧХ, соотношение прямого и отраженного звуков, локализация источника, время реверберации и прочие параметры. Задача дизайнера системы звукоусиления и системного инженера крайне сложная: «удержать» актуальные параметры в заданных пределах на всей площади покрытия. В данной статье давайте ограничимся самым важным параметром – отклонением АЧХ в разных точках покрытия от целевой АЧХ системы. Это несложно померить и легко оценить.

На картинке (см. рис. 1) видна усредненная АЧХ (белый), которая является целевой АЧХ при настройке, а также АЧХ системы в разных репрезентативных точках покрытия. Из данного измерения видно, что отклонения от целевой АЧХ до 1 кГц укладываются в пределы +/-6 дБ, а выше 1 кГц в +/-3 дБ, что можно считать хорошим результатом, однако чем меньше отклонения, тем лучше.



Рисунок 1

Для примера возьмем типичную фестивальную поляну длиной 50 м, топы в подвесе на высоте 9 м, субы расположены на земле под топами, частота раздела между топами и субами 100 Гц. Проблема заключается в том, что свести по фазе два источника можно только в одной точке, в любой другой точке соотношение фаз топ/суб будет отличаться из-за расположения источников в пространстве. Это легко посчитать и показать, используя математику школьного уровня.

На рис. 2 видно расположение источников (суб и топ) в вертикальном разрезе поляны на оси одного из топов. Ось X — длина поляны с точкой отсчета от акустического центра субов. Ось Y — высота, на уровне 9 м находится точка подвеса линейного массива длиной в 4 м, значит акустический центр данного массива будет находиться на высоте примерно 7 м, он и обозначен на картинке как для массива, так и для суба.



Рисунок 2



Отметим три контрольные точки для анализа, первую расположим прямо перед сценой (X=5 м), вторую в центре площадки (X=25 м), третью в конце площадки (X=50 м), все точки на уровне ушей человека среднего роста (Y=1.7 м).
В методе расчета, который мы будем использовать, для упрощения допущены некоторые «поблажки». Во-первых, наши источники являются не точечными, а линейными, поэтому использование геометрического центра массива как акустического центра повлечет некую погрешность расчета.

Во-вторых, расчетная тенденция спада давления как топа, так и суба будет составлять 6 дБ на удвоение расстояния, однако они оба являются линейными источниками. Известно, что на определенном отдалении от линейного источника он начинает себя вести как точечный. Зона, в которой тенденция падения давления составляет 3 дБ на удвоение расстояния, называется «ближним полем», а зона с тенденцией падения в 6 дБ называется «дальним полем». Расстояние от источника, на котором находится грань между ближним и дальним полем, рассчитывается по формуле:

где F — частота, L — длина линейного источника.

При подстановке значений нашей модели получается, что для топов граница находится на расстоянии 2,28 м, что меньше, чем расстояние до самой ближней точки покрытия топов. Можно считать, что на частоте раздела топ-суб на всей площади покрытия тенденция падения давления составляет 6 дБ на удвоение расстояния. Последний фактор, влияющий на погрешность расчета, — это то, что мы подразумеваем, будто наши источники являются всенаправленными, но на самом деле они имеют определенную диаграмму направленности на частоте раздела, что влечет некую неточность в суммировании источников.

Все эти факторы внесут некую погрешность, но на понимание принципов и логику анализа это не повлияет. Позже, чтобы убедиться в достоверности наших расчетов, мы сравним их с симуляцией в программе MAPP XT от компании Meyer Sound.
Результаты расчетов для удобства и простоты будем округлять. Для нахождения дистанции между источником и контрольной точкой используем теорему Пифагора:


Находим расстояния до суба и топа в каждой контрольной точке и их разницу в каждой точке. Находим скорость звука при t воздуха 20° С по формуле:

где t — температура воздуха в градусах по шкале Цельсия.


 
Далее полученное относительное расстояние топ-суб переводим в относительную фазу на частоте раздела (100 Гц). Для этого находим длину волны в метрах на частоте 100 Гц при температуре 20° С, поделив скорость звука на частоту.



Теперь рассчитываем относительную фазу по разнице расстояния топ-суб в каждой точке. К примеру, в контрольной точке 1 относительная разница в расстоянии составляет 2,27 м, выражаем это значение в фазе.



Повторим тот же расчет в других точках, результат — в таблице. Значения фазы округлены до целого числа.



Так выглядит относительная фаза топ-суб без настройки. В таком случае в конце площадки (50 м) относительная фаза топ-суб будет составлять примерно 29 град., что в данной точке практически не повлечет нежелательных проявлений. В центре площадки (25 м) относительная фаза в 58 град. даст погрешность в суммировании давления топ-суб примерно в -1,14 дБ, чем в реальности тоже можно пренебречь. Если рассмотреть ситуацию в контрольной точке 1 (5 м), то 238 град. поглотят примерно 6 дБ давления на частоте раздела, что является большим недостатком, однако, важно понять – там, где относительная фаза составит 180 град., будет наибольшее вычитание.

На относительной фазе в виде графика (см. рис. 3) осью X является расстояние от мнимой сцены, а ось Y это и есть относительная фаза топ-суб. Красной линией обозначен предел 120 град., а черной — 180 град. При суммировании двух источников с равной амплитудой и относительной фазы в 120 град. прирост суммарной амплитуды равен 0 дБ. Другими словами, сумма двух источников равна амплитуде одного из них и никакого прибавления амплитуды не происходит.


Рисунок 3 

При 180 град. относительной фазы и одинаковых амплитудах сигналов происходит полное вычитание, но в нашем случае есть один нюанс: в точке вычитания присутствует относительная разница в расстоянии между источниками, суб ближе, чем топ, в силу их расположения в пространстве. Поэтому в данном месте суб создает большее давление, чем топ, и из-за этого вычитание не идеальное, а примерно -15 дБ, что играет нам на руку, однако провал АЧХ системы в 15 дБ на частоте раздела нас не устроит, т.к. огорчит наших слушателей.

На следующем графике (см. рис. 4) показано, как топ и суб суммируются на протяжении площадки при условии, что каждый источник создает давление в 100 дБ на расстоянии 1 м.


Рисунок 4

Также на графике показано давление каждого источника отдельно. Расчет суммирования произведен по следующей формуле:



где А и Б — это давление источников в линейной шкале, а Ф — относительная фаза.

Стоит обратить внимание на то, что чем ближе к сцене, тем больше разница в давлении между топом и субом, т.к. при приближении к субу расстояние изменяется практически линейно, а расстояние до топа пропорционально косинусу угла, под которым находится слушатель. В результате получается, что источники в противофазе вычитаются хуже, если они находятся ближе к сцене, это свойство мы подробно рассмотрим позже.

Понятно, что с ненастроенными системами никто не работает, поэтому давайте сведем по фазе топ и суб в конце площадки и посмотрим, что изменится. Для этого обратимся к нашей таблице с расчетами относительной фазы в разных контрольных точках. В точке 3 относительная фаза составляет 29 град. Сведение по фазе топ/суб подразумевает компенсацию фазового сдвига при помощи абсолютной задержки субов, т.к. они находятся ближе топа в любой точке зоны покрытия. Для этого находим задержку равной данному фазовому сдвигу. Задержка=1000 мс/100 Гц/360  29 ≈ 0,8 мс.

Задерживаем субы на полученное значение и смотрим, как изменилась фаза в остальных контрольных точках. Узнать значение фазы после сведения в любой точке очень легко: надо просто вычесть 29 градусов из исходного значения фазы. Таким образом, примененная задержка повлияла на фазу во всех точках на одно и тоже значение. Пользуясь этим методом, рассчитываем, какова будет относительная фаза во всех контрольных точках при сведении системы в каждой контрольной точке.



Теперь можно сравнить и проанализировать полученный результат. Не надо бояться получившегося числа 180 град., она будет на любой поляне, где акустический центр топа минимум на половину длины волны частоты раздела выше акустического центра субов. Вопрос, в каком месте будут эти зловещие 180 град. и как сильно они будут влиять на АЧХ системы.

Как показывают графики, разница может быть огромной: например, при сведении данной системы в контрольной точке 2 (25 м) вычет будет проявляться в точке номер 1 (5 м), а если свести систему в точке номер 1 (5 м), то вычет получится во второй точке (25 м), где, вероятней всего, будет расположена операторная. Посмотрим, как выглядят графики суммирования при каждом сведении на одной системе координат (см. рис. 5)



Рисунок 5
 
Сравним несведенную систему со сведенной в контрольной точке 3. Сдвиг фазы после применения задержки составил примерно 29 град., это практически не повлияло на суммирование источников в конце площадки. Наибольшее влияние оказалось в зоне, где источники вычитаются из-за относительной фазы в 180 градусов. Место вычитания сместилось ближе к сцене, и, поскольку при приближении к сцене возрастает разница в давлении между источниками, эффективность вычитания уменьшается, что делает покрытие более равномерным.

При сведении системы во второй контрольной точке (коррекция фазы ~58 градусов) в конце площадки никаких отрицательных проявлений в качестве суммирования не наблюдается, а точка вычитания сдвигается еще ближе к сцене, практически в первую контрольную точку, и становится еще менее выраженной.

Мы наблюдаем хорошую тенденцию, и, кажется, следующий шаг должен быть многообещающим: наконец-то мы исправим эту зловещую противофазу, и все встанет на свои места.
Но не тут-то было! Если свести систему в первой точке (5 м), то коррекция составит ~238 град., при такой коррекции в конце площадки относительная фаза составит ~210 град., в центре площадки (25 м) 180 град., в первой точке все ок, т.к. мы в ней и сводили.

При таком раскладе вычет приходится в потенциальном месте расположения операторной, а относительная фаза на таком расстоянии не так сильно зависит от перемены расстояния, как ближе к сцене, и на расстоянии от 15 м до конца площадки относительная фаза находится в пределах 150-180-210 град.,  обуславливающих провал АЧХ на 100 Гц минимум -6 дБ на 70% площади покрытия. Это, без сомнения, является самым наихудшим из всех возможных вариантов. Чтобы убедиться в достоверности наших расчетов, сравним их с симуляцией в программе MAPP XT.
Результат сведения во 2-й контрольной точке (см. рис. 6):

 
Рисунок 6

На симуляции видно, что точка вычитания находится на расстоянии 5 м от акустического центра субов, что совпадает с нашими расчетами.
Результат сведения в 1-й контрольной точке (см. рис. 7):

 
Рисунок 7

Точка вычитания находится на расстоянии 25 м, что тоже совпадает с нашими расчетами.
Какие выводы можно сделать из вышеизложенного? Определенно, точка сведения сильно влияет на равномерность покрытия. Если свести в неверной точке, то можно все испортить, и сведенная система будет звучать хуже, чем несведенная. Идеально суммировать не получится, но попробуем обозначить параметры оптимизации системы. Наша цель — достичь как можно меньшего отклонения АЧХ на площади покрытия.

Основываясь на приведенном выше эксперименте, можем сказать, что покрытие будет более равномерным, если зона вычитания находится ближе к сцене, значит, надо найти способ максимально приблизить эту зону. Нам нужна  предельно допустимая фазовая коррекция, но главное — не перегнуть палку, чтобы не испортить качество суммирования источников в конце площадки.

Возникает вопрос: какое максимальное расхождение по фазе мы можем себе позволить? Вопрос можно перефразировать так: какой провал АЧХ на частоте раздела мы можем себе позволить в конце площадки? Какой провал будет оправдан более равномерным покрытием у сцены? 0,5 дБ? 1 дБ? Приведем таблицу с качеством суммирования двух одинаковых по амплитуде источников с разной относительной фазой:



Теперь мы знаем, какая относительная фаза должна быть в конце нашей площадки, чтобы получилось нужное качество суммирования. Какое из них будет оптимальным? Проведем анализ систем, сведенных так, чтобы в конце площадки были фазовые сдвиги, приведенные в таблице, и выясним, который из них является наилучшим компромиссом для нашей системы (см. рис. 8).

 

Рисунок 8

При относительной фазе в -54 град. в конце площадки сумма источников составляет +5 дБ, однако вычет выглядит лучше, чем при сведении в центре площадки (-29 град.). Сведение с расхождением фазы в 65 град. дает сумму примерно в 4,5 дБ, то есть потеря составляет -1.5 дБ от идеального суммирования, но вычет у сцены выглядит еще  предпочтительней, т.к. провал в амплитуде еще меньше, а сам вычет ближе к сцене. Варианты со сдвигом в 75 и 90 град. показывают несущественное улучшение в зоне вычитания, а потеря давления в конце площадки составляет соответственно -2 дБ и -3 дБ, что уже слышно «невооруженным» ухом.

Из этого можно сделать вывод, что система будет оптимально сведена, если относительная фаза в конце площадки  составляет примерно -65 град. Это звучит нелепо, но для получения наиболее точного результата стоит задуматься о сведении фазы именно таким образом: ставить микрофон в конце площадки и достигать относительной фазы в -65 градусов.

Однако коллеги вас могут не понять, т.к. микрофон будет стоять в необычном месте и картина анализатора со стороны будет выглядеть «неправильно». Лучше найти ту точку, куда ставить измерительный микрофон, и сводить фазу в ноль, как от вас и ожидают. Точку найти довольно легко: надо просто отыскать то место, где относительная фаза будет равна 0 при относительной фазе в конце площадки в -65 градусов. Посмотрим на график относительной фазы при таком сведении (см. рис. 9).

 

Рисунок 9
 
Тут отчетливо видно, что график относительной фазы пересекает точку 0 на дистанции около 15 м, там и надо ставить микрофон и сводить в ноль. Забавно, что можно легко рассчитать задержку. Мы знаем, что в нашей системе без сведения относительная фаза на расстоянии 50 м составит 29 град., а нам нужно, чтобы было -65. Сдвиг составит -94 град., или 1000 мс/100 Гц/360*94=2,61 мс.

При работе с известным аппаратом, который сфазирован при отсутствии относительного расстояния между топом и субом, а также при соответствии реального расположения источников  расчетным можно сразу применить найденную коррекцию, и все будет так, как мы предвидели. Другими словами, если хорошо сделана «домашняя работа», то на площадке можно сэкономить немало времени.

На данный момент универсальным принципом оптимального сведения является оптимизация вычета источников  путем его приближения к той зоне, где  наблюдается большая разница в амплитуде между топом и субом. Это достигается максимально допустимым фазовым сдвигом в конце площадки, который равен примерно -65 град.

Попробуем выяснить, насколько универсален этот принцип, применяя его для систем с другими параметрами, например, высоты акустического центра топов. Ниже представлены графики оптимизированной относительной фазы систем с высотой акустического центра топов в 3, 5, 7, 10 и 15 м (см. рис. 10).



Рисунок 10

Можно взглянуть и на суммирование источников (см. рис. 11).



Рисунок 11

При высоте акустического центра в 3 м перемена относительной фазы является минимальной и не вносит никаких существенных недостатков, при этом с дистанции 5 м перемена фазы настолько мала, что практически не важно, на каком отдалении сводить систему. Из этого можно сделать важный вывод: при высоте акустического центра топов ниже, чем половина длины волны частоты раздела, или когда суб и топ расположены на полу, практически нет разницы, в какой точке сводить систему по фазе.

При высоте акустического центра топа, равной 5 м, данный принцип оптимизации работает отлично. Падение давления в месте вычета из-за относительной фазы в 180 град. является настолько незначительным, что давление на расстоянии от 2 до 5 м практически одинаковое. Точка сведения — на расстоянии 7,5 м.

Пример с высотой акустического центра в 7 м и есть тот, по которому мы оптимизировали систему. Точка сведения — на расстоянии 15 м, провал АЧХ составляет -10 дБ относительно идеальной суммы и примерно -4 дБ относительно давления на расстоянии 10 м, где провал уже перестает себя проявлять. Это является оптимальным компромиссом для данной системы.

Все усложняется с увеличением высоты акустического центра до 10 м. Фаза на протяжении площадки смещается примерно на два периода частоты раздела, что влечет за собой две зоны вычитания на расстоянии 2,5 и 10 м, последняя дает вычет в -17дБ относительно идеальной суммы и -12 дБ относительно точки, где вычет перестает проявляться (на расстоянии 17 м).

Точка сведения — на отдалении 25 м. При высоте акустического центра топа в 15 м ситуация кажется печальной, и предложенный принцип оптимизации теряет смысл, т.к. относительная фаза на протяжении площадки сдвигается больше, чем на 3 периода частоты раздела, поэтому три зоны попадают на противофазу (180, 540 и 900 град.), причем зона вычитания на 180 град. находится в потенциальном месте операторной. Как же быть?

Главным параметром оптимизации является степень отклонения АЧХ от целевой, но, когда у нас неизбежно будет несколько сильных вычетов на площади покрытия,  стоит задуматься о том, чтобы эти вычеты сместить в такие места, где они менее значимы, например, в проходы между сидений, между партером и трибуной и т.д. Это мы детально рассмотрим в следующих статьях.

Из проведенного опыта понятно, что чем выше акустический центр топа, тем сложнее найти оптимальную точку для сведения системы, однако при высоте акустического центра топа в диапазоне примерно от одной до двух длин волн частоты раздела топ-суб принцип оптимизации методом сведения системы в -65 град. в конце площадки отлично работает.

К сожалению, производители акустических систем не дают  возможности видеть относительную фазу на протяжении площадки, но, понимая принцип,  легко найти способ оптимизировать систему, используя инструменты, предоставляемые такими производителями акустических систем, как d&b, L-Acoustics, Meyer Sound, EAW, Nexo и другие.

Продолжение следует.СохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранитьСохранить