Line Array I. 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,
3.ábra Hagyományos
hangdoboz által keltett
Line array által keltett hullámfront
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 |