Ως Line Array χαρακτηρίζεται ένα σύνολο από ακτινοβολούντα στοιχεία παραταγμένα σε μια κάθετη συστοιχία, λειτουργώντας με ίδιο πλάτος και σε φάση. Παρόλα αυτά ο ορισμός και μόνο δεν είναι αρκετός για να στηθούν και να ρυθμιστούν τέτοια συστήματα, όπως και η εμπειρία μόνη της και πάλι δεν είναι αρκετή!
Λίγη ιστορία
Αναφορά στον κάθετο προσανατολισμό των ηχητικών πηγών υπάρχει από το 1896. Κατά την δεκαετία του 50 οι γραμμικές συστοιχίες ηχείων παρείχαν εξαιρετική διαύγεια, κυρίως στην αναπαραγωγή φωνητικών, σε χώρους με αντήχηση. Τη βάση για την εξέλιξη των Line Array υλοποιήσεων αποτέλεσε η θεωρία του καθηγητή Harry Olson, η οποία παρουσιάστηκε το 1957 με τον τίτλο “Acoustical Engineering ”. Ο Olson είχε ένα συνεχές ενδιαφέρον για τη μουσική, την ακουστική, και την αναπαραγωγή του ήχου, και το 1934, τοποθετήθηκε υπεύθυνος για την ακουστική έρευνα στην RCA. Ως παραγωγικός εφευρέτης και μηχανικός κέρδισε περισσότερα από 100 διπλώματα ευρεσιτεχνίας για cardioid μικρόφωνα, μεγάφωνα baffles, μεγάφωνα air-suspension, isobaric μεγάφωνα, πρώιμο τηλεοπτικό εξοπλισμό καταγραφής, ακουστικό εξοπλισμό καταγραφής, pickups φωνογράφων, υποβρύχιο ακουστικό εξοπλισμό, μείωση θορύβου, ακουστική τεχνολογία στις βιομηχανίες ταινιών, και εσωτερικά μεγαφωνικά δίκτυα που ανέπτυξε. Το 1949, ο Olson βραβεύτηκε με το Audio Engineering Society's John H. Potts Memorial Award, όντας ο πρώτος παραλήπτης του, ένα πρόγραμμα βραβεύσεων που αργότερα μετονομάστηκε Gold Medal. Το 1952 ο Olson εργάσθηκε ως Πρόεδρος της Acoustical Society of America, η οποία του απένειμε το Silver Medal in Engineering Acoustics το 1974 και το Gold Medal το 1981.
Το θεωρητικό μοντέλο ενός line source array
Πριν περάσουμε στην ενδελεχή επισκόπηση των επαγγελματικών line array που εμφανίζονται στον χώρο του PA είναι σκόπιμη η ανάλυση του θεωρητικού μοντέλου στο οποίο βασίζεται η λειτουργία των ηχείων του τύπου αυτού. Η θεωρία του Olson για την δημιουργία ενός line source array αναφέρει ότι η απόσταση μεταξύ των ακουστικών κέντρων των γειτονικών οδηγών πρέπει να είναι μηδέν ( b → 0 ) και ο αριθμός των πηγών να είναι άπειρος ( N → ∞ ). Δηλαδή για να δημιουργηθεί ένα line source array χρειάζονται άπειρες σημειακές πηγές σε μηδενική απόσταση μεταξύ τους.
Θα πρέπει να τονίσουμε ξανά ότι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία για την επίτευξη ενός line source array, είναι ότι όλες οι πηγές πρέπει να λειτουργούν με ίδιο πλάτος και σε φάση.
Ο Olson παρατήρησε ότι αν έχουμε άπειρες σημειακές πηγές σε μηδενική απόσταση μεταξύ τους, δηλαδή καταφέρουμε να δημιουργήσουμε ένα line source array (γραμμική πηγή άπειρου μήκους), ο τρόπος διάδοσης του ήχου αλλάζει σε σχέση με μια μόνο σημειακή πηγή. Συγκεκριμένα θα δημιουργηθεί κυλινδρικό κύμα παρέχοντας έτσι πολύ κατευθυντική κάθετη κάλυψη.
Επιπλέον η διάδοση του ήχου σε ένα line source array κατά το θεωρητικό μοντέλο του Οlson θα έχει απώλεια 3 dB SPL για κάθε διπλασιασμό της απόστασης (αντί για 6 dB SPL, όπως ορίζει ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου και όπως είναι γνωστό για όλες τις ηχητικές πηγές σε κοντινό, ελεύθερο πεδίο. Αυτό συμβαίνει γιατί η κατανομή της ενέργειας γίνεται στην επιφάνεια του κυλίνδρου και όχι στην επιφάνεια της σφαίρας όπως στην περίπτωση της σημειακής πηγής. Οπότε λόγω του διαφορετικού γεωμετρικού σχήματος έχουμε και διαφορετικό τρόπο κατανομής του ήχου όσο απομακρυνόμαστε από την αρχική ηχητική πηγή. Συγκεκριμένα η επιφάνεια του κυλίνδρου που συνεχώς διευρύνεται είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης και όχι του τετραγώνου της απόστασης όπως συμβαίνει στην σφαίρα. Όλα αυτά βέβαια είναι εφικτά σε ένα θεωρητικό μοντέλο άπειρων σημειακών πηγών και όχι σε ένα πραγματικό line array PA σύστημα πλήρους συχνοτικού εύρους.
Επειδή στην πραγματικότητα και οι δυο συνθήκες (b→0, N→ ∞) είναι αδύνατες, στις επαγγελματικές εφαρμογές ο σχεδιαστής καλείται να επιτύχει την μικρότερη δυνατή απόσταση μεταξύ των πηγών και όσο μεγαλύτερο αριθμό πηγών επιτρέπει η γεωμετρία του συστήματος, η φυσική απόσταση μεταξύ των καμπινών και η ασφαλής τοποθέτηση του. Τι συμβαίνει λοιπόν στα line array PA συστήματα ήχου;
Κατευθυντικότητα των Line array
Σκοπός των line array συστημάτων που καλούνται να λειτουργήσουν σε περιβάλλον περιοδειών ή και μόνιμων εγκαταστάσεων, είναι η διαυγής αναπαραγωγή του ήχου με τον ίδια πιστότητα και σχεδόν στην ίδια ένταση σε όλο τον χώρο του ακροατηρίου. Είναι χρήσιμα σε εφαρμογές που ο ήχος πρέπει να φτάσει σε μακρινές αποστάσεις. Αυτό συμβαίνει γιατί τα line arrays έχουν πολύ κατευθυντική κάθετη κάλυψη και έτσι εκπέμπουν τον ήχο αποτελεσματικά.
Πως επιτυγχάνεται όμως η κατευθυντικότητα των line array; Τα line array επιτυγχάνουν αυτήν την κατευθυντικότητα με εποικοδομητικές και καταστρεπτικές συμβολές. Ένα απλό παράδειγμα θα εξηγήσει πως συμβαίνει αυτό. Θεωρήστε ένα ηχείο το οποίο αποτελείται από έναν 12ιντσο κώνο μέσα σε μια καμπίνα. Ξέρουμε ότι η κατευθυντικότητα αυτού του ηχείου ποικίλει ανάλογα την συχνότητα. Συγκεκριμένα στις χαμηλές συχνότητες θα είναι πανκατευθυντικό και καθώς το μήκος κύματος μικραίνει θα αυξάνεται η κατευθυντικότητα του και περίπου στα 2 KHz «εστιάζει», πλέον, υπερβολικά. Γι΄αυτόν το λόγο τα κλασσικά συστήματα PA χρησιμοποιούν crossover και πολλαπλά στοιχεία για να πετύχουν περισσότερο συνεπή κατευθυντικότητα στο φάσμα του ήχου.
Τοποθετώντας δύο από αυτά τα ηχεία το ένα πάνω στο άλλο και οδηγώντας τα με το ίδιο σήμα έχει ως αποτέλεσμα ένα διαφορετικό διάγραμμα ακτινοβολίας. Σε σημεία on axis και των δύο θα έχουμε εποικοδομητική συμβολή και η ένταση του ήχου θα αυξηθεί κατά 6 dB SPL σε σχέση με την περίπτωση οδήγησης ενός ηχείου μόνου του. Σε σημεία off axis η διαδρομή που χρειάζεται να ακολουθήσει το ηχητικό κύμα του κάθε ηχείου είναι διαφορετική άρα θα υπάρχει ακύρωση έχοντας ως αποτέλεσμα μια χαμηλότερη ένταση. Στην πραγματικότητα αν οδηγηθούν και οι δύο οδηγοί με ένα ημιτονοειδές σήμα θα υπάρχουν σημεία που η ακύρωση θα είναι πλήρης (αυτό θα ήταν πιο φανερό σε έναν ανηχοϊκό θάλαμο). Αυτό ονομάζεται comb filter (φαινόμενο χτένας). Ένα line array είναι μια συστοιχία από woofers προσεχτικά απομακρυσμένα μεταξύ τους έτσι ώστε οι εποικοδομητικές συμβολές να συμβαίνουν on axis της συστοιχίας και οι καταστρεπτικές συμβολές να συμβαίνουν off axis. Παρόλο που το φαινόμενο του comb filter παραδοσιακά είναι ανεπιθύμητο, στα line array χρησιμοποιείται για την επίτευξη κατευθυντικότητας.
Συνθήκες για την προσέγγιση ενός line source array κατά την κατασκευή και εγκατάσταση ενός line array συστήματος
Έχοντας αναλύσει το θεωρητικό μοντέλο ενός line source array είμαστε σε θέση πια να μελετήσουμε τον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζεται η θεωρία του στην πράξη σε επαγγελματικά συστήματα ήχου. Εν συντομία μπορούμε να πούμε ότι ο Olson παρατήρησε ότι αν στοιχηθούν κάθετα άπειρες σημειακές πηγές σε μηδενική απόσταση μεταξύ τους αυτές θα λειτουργήσουν με ίδιο πλάτος και σε φάση και θα δημιουργήσουν ένα κυλινδρικό κύμα. Συνέπειες αυτού είναι η ελεγχόμενη κατευθυντικότητα του ήχου και η πτώση μόνο κατά 3 dB για κάθε διπλασιασμό της απόστασης σε κοντινό, ελεύθερο πεδίο.
Το θεωρητικό μοντέλο ενός line source array είναι αδύνατον να επιτευχθεί στα πραγματικά συστήματα αφού αρχικά θα πρέπει το σύστημα να απαρτίζεται από άπειρες σημειακές πηγές σε μηδενική απόσταση μεταξύ τους. Όπως είναι φανερό ένας οδηγός δεν μπορεί να έχει μηδενικό μέγεθος (σημειακή πηγή) ούτε να μην απέχουν μεταξύ τους οι οδηγοί, πόσο μάλλον σε μια συστοιχία ενός συστήματος να έχουμε άπειρα ηχεία! Όποτε οι κατασκευαστές πρέπει να τηρούν κάποιες συνθήκες προκειμένου να επιτύχουν σωστή ακουστική στοίχιση πολλών ανεξάρτητων πηγών έτσι ώστε να δημιουργηθεί κάποιο line array σύστημα το οποίο να προσεγγίζει όσο το δυνατόν καλυτέρα το θεωρητικό αυτό μοντέλο. Όμοίως κάποιες συνθήκες θα πρέπει να τηρούνται και κατά την εγκατάσταση τέτοιων συστημάτων.
Η συστοιχία ανεξαρτήτων πηγών με σταθερή απόσταση μεταξύ τους σε επίπεδο ή καμπύλη είναι ισοδύναμη με μια μοναδική ηχητική πηγή έχοντας τις ίδιες διαστάσεις με την ολική συστοιχία αν καλύπτονται οι παρακάτω συνθήκες:
1) Ο διαχωρισμός των πηγών (b), που καθορίζεται ως η απόσταση που έχουν τα ακουστικά κέντρα των ανεξάρτητων πηγών μεταξύ τους, να είναι μικρότερος του μισού του μήκους κύματος (λ/2) για το σύνολο των συχνοτήτων του εύρους που λειτουργούν.
2) Το μήκος της συστοιχίας να είναι τουλάχιστον 4 φορές μεγαλύτερο από το μήκος κύματος της χαμηλότερης συχνότητας που ακτινοβολείται.
3) Η απόκλιση που μπορεί να έχει από ένα επίπεδο ηχητικό μέτωπο (καμπύλωση) πρέπει να είναι λιγότερο του λ/4 της υψηλότερης συχνότητας λειτουργίας. Αυτό αντιστοιχεί σε λιγότερο από 5mm καμπύλωσης στα 16 kHz.
4) Η συνδυασμένη επιφάνεια της κυματομορφής που ακτινοβολείται από τις ανεξάρτητες πηγές της συστοιχίας να καλύπτει τουλάχιστον το 80% της στοχευμένης περιοχής.
5) Για καμπυλωτά arrays, οι γωνίες που καθορίζουν την θέση των καμπινών να κυμαίνονται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση από τους ακροατές.
6) Η τοποθέτηση της συστοιχίας πρέπει να είναι τέτοια ώστε να παρέχει αναλογία 4:1 ανάμεσα στις αποστάσεις κάλυψης του πιο απομακρυσμένου και κοντινότερου θεατή.
Τα τρία πρώτα κριτήρια αφορούν την κατασκευή ενός line array PA συστήματος ήχου και τα επόμενα τρία την εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήμτος.
Line array σύστημα και line source array
Οι συνθήκες 1 και 2 καθορίζουν το συχνοτικό εύρος λειτουργίας ενός line array σαν line source array. Η συνθήκη 1 καθορίζει τα όρια της υψηλότερης συχνότητας που μπορεί να αναπαραχθεί από ένα τέτοιο σύστημα και να ακολουθεί την θεωρία του Olson και η συνθήκη 2 τη χαμηλότερη συχνότητα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι μόνο πολύ μεγάλα line array μπορούν να λειτουργήσουν σαν line source array στις χαμηλές συχνότητες ενώ παράλληλα στις ψηλές συχνότητες μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις μπορούν οι οδηγοί να συμπεριφέρονται σαν line source array. Οπότε στην πραγματικότητα το εύρος μιας line source array συμπεριφοράς περιορίζεται σημαντικά σε σχέση με το ανθρώπινο ακουστό φάσμα.
Από την θεωρία στην πράξη
Τα line array συστήματα συνήθως είναι τρίδρομα ή τετράδρομα και αυτό γίνεται για να μπορέσει το κάθε crossover point να είναι ουσιαστικά αρκετά χαμηλά, έτσι ώστε η ακτινοβολία από κάθε δρόμο να είναι σε μήκη κύματος πάντα μεγαλύτερα από την απόσταση ανάμεσα στους οδηγούς (σύμφωνα με την συνθήκη 1). Αυτό είναι εύκολο να επιτευχθεί για τους οδηγούς των χαμηλών και των μεσαίων συχνοτήτων. Τι γίνεται όταν όμως θα πρέπει να αναπαραχθούν τα 16KHz; Ένα τέτοιο μήκος κύματος είναι της τάξης των ¾ της ίντσας και η απόσταση b θα πρέπει να είναι μικρότερη ή συγκρίσιμη με αυτήν την τιμή που είναι αδυνατο καθώς οι οδηγοι για τις υψηλές συχνότητες υπερβαίνουν αυτήν την απόσταση. Πρακτικά λοιπόν τα line arrays συστήματα λειτουργούν σαν line source array μόνο για το χαμηλομεσαίο και για το μεσαίο εύρος συχνοτήτων . Όσο αναφορά τις υψηλές συχνότητες πρέπει να εφαρμοσθεί μια άλλη μέθοδος προκειμένου να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά κατευθυντικότητας με τις μεσαίες και τις χαμηλομεσαίες. Η πρακτικότερη μέθοδος για τα συστήματα αυτά είναι να χρησιμοποιηθούν κυματοδηγοί χοάνης στην έξοδο των οδηγών συμπίεσης όπως συμβαίνει με τα συμβατικά συστήματα.
Οι χοάνες επιτυγχάνουν την κατευθυντικότητα ανακλώντας τον ήχο σε ένα καθορισμένο πεδίο κάλυψης και όχι με την χρήση της ενισχυτικής και καταστρεπτικής συμβολής. Σε ένα καλά σχεδιασμένο line array σύστημα αυτό το πεδίο θα πρέπει να ταιριάζει με το αντίστοιχο πεδίο κάλυψης του υπόλοιπου φάσματος συχνοτήτων του συστήματος. Δηλαδή να έχει περιορισμένη κάθετη και ευρεία οριζόντια κάλυψη. Σε αυτή την περίπτωση, οι κυματοδηγοί μπορούν να ενσωματωθούν στο line array και με κατάλληλο equalization και χρήση crossovers η δέσμη από τις υψηλές συχνότητες και η δέσμη του υπολοίπου φάσματος να ευθυγραμμιστούν ώστε να σχηματιστούν line arrays συστήματα που θα παρέχουν ομοιόμορφη κάλυψη στο χώρο.
Η κάθε εταιρία σχεδιάζει και τους δικούς της κυματοδηγούς χοάνης προκειμένου να έχει όσο πιο αποτελεσματική κάλυψη στο σύνολό του το σύστημα. Η κατευθυνικότητα λοιπόν στις ψηλές συχνότητες στα line array συστήματα καθορίζεται από τον σχεδιασμό του κυματοδηγού που θα προσαρμοστεί μπροστά στον οδηγό. Καταλήγουν λοιπόν οι κατασκευαστές σε υβριδικά συστήματα που συνδυάζουν την θεωρία του line source array για τις χαμηλομεσαίες και τις μεσαίες συχνότητες και κυματοδηγούς χοάνης για τις υψηλές.
Επιπλέον στόχοι των κατασκευαστών
Εκτός από τις συνθήκες που αναφέρθηκαν αρχικά και έχουν πρωτεύον ρόλο στους στόχους τον κατασκευαστών κάποιοι επιπλέον στόχοι είναι:
- Πλήρες bandwidth.
- Αξονική συμμετρία έτσι ώστε το σύνολο των clusters να συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο.
- Επιλογή μεγέθους οδηγών και απόστασης μεταξύ τους έτσι ώστε στο φάσμα λειτουργίας τους καλύπτεται η συνθήκη 1.
- Πολύ στενή κάθετη διασπορά από τους κυματοδηγούς για συχνότητες πάνω από το σημείο όπου τα ακουστικά κέντρα απέχουν περισσότερο από ½ του μήκους κύματος.
- Η έξοδος του κυματοδηγού πρέπει να κατέχει το 80% του ύψους της κάθε καμπίνας προκειμένου να παράγεται ένα συνεχές κυματικό μέτωπο.
- Το μικρότερο δυνατόν μέγεθος και βάρος για δεδομένη ισχύ.
- Απλό, γρήγορο και αξιόπιστο σύστημα ανάρτησης.
- Απλή, γρήγορη και αξιόπιστη καλωδίωση και ροή σήματος.
- Εκεί που χρησιμοποιούνται πολλοί οδηγοί για συγκεκριμένη συχνοτική περιοχή , η οριζόντια απόσταση τους θα πρέπει να είναι αρκετά κοντά για να παρέχεται ομοιόμορφη διασπορά σε όλη την περιοχή λειτουργίας του.
Η συνέχεια στο Β' Μέρος που θα ακολουθήσει την επόμενη εβδομάδα...
