Σάββατο, 24 Φεβρουαρίου 2018

Acoustical Crossovers | Το πιό σημαντικό σημείο στον Σχεδιασμό Συστημάτων Ήχου


Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσω να δώσω κάποια από τη θεωρία που αφορά στα Σημεία Ακουστικής Σύζευξης/Acoustical Crossovers και στη συνέχεια θα προσπαθήσω να εφαρμόσω τη θεωρία σε ένα βίντεο που θα ενσωματωθεί στο τέλος του άρθρου ώστε να γίνει πιό κατανοητή η αρχική θεωρητική περιγραφή. Φυσικά όποιος θέλει μπορεί να πάει κατευθείαν στο βίντεο και να προσπεράσει τα υπόλοιπα.

Ένα από τα πιό ιδιαίτερα και σημαντικά κομμάτια του σχεδιασμού ηχητικών συστημάτων είναι το κομμάτι της σωστής μετάδοσης του ήχου αλλά και του σωστού συνδυασμού διαφορετικών ηχητικών πηγών στο χώρο. Όταν αναφερόμαστε στον όρο σχεδίαση το μυαλό μας πάει, και σωστά, στην διαδικασία που θα πρέπει να ακολουθήσουμε ώστε να αποφασιστεί που θα τοποθετηθούν τα ηχεία που απαιτούνται και με ποιό τρόπο ώστε να καλυφθεί ηχητικά το κάθε ξεχωριστό τμήμα του χώρου.

  • Κάποια ηχεία θα έχουν κυρίαρχο ρόλο στην κάλυψη και κάποια θα έχουν συμπληρωματικό. 
  • Κάποια ηχεία θα αναλάβουν να αναπαράγουν όλο το ηχητικό φάσμα και κάποια άλλα θα αναλάβουν να αναπαράγουν συγκεκριμένες περιοχές του ηχητικού φάσματος. 

Σε κάθε περίπτωση θα υπάρχουν συγκεκριμένες περιοχές του χώρου που καλύπτονται από διαφορετικά ηχεία ταυτόχρονα, είτε από διαφορετικές θέσεις, είτε από ίδιες θέσεις αλλά για διαφορετικό κομμάτι του συχνοτικού φάσματος. Αυτές οι περιοχές μπορεί να είναι πολύ μικρές ή και εκτεταμένες σε μέγεθος. 

Τέτοιες περιοχές μπορεί να είναι: 
  • Mία όλόκληρη σειρά θέσεων μπροστά από τη σκηνή.
  • Mία μεγάλη τοξοτή περιοχή κάτω από κάποιο μπαλκόνι μακριά από τη σκηνή.
  • H περιοχή η οποία βρίσκεται μπροστά από ένα δίδρομο ηχείο όπου οι χαμηλές συχνότητες συναντούν τις υψηλές και δημιουργούν ένα πλήρες συχνοτικό φάσμα το οποίο μεταδίδεται στον χώρο.

Τα διάφορετικά αυτά σημεία ονομάζονται Σημεία Ακουστικής Σύζευξης ή Acoustical Crossovers. Είναι τα σημεία όπου δύο ηχητικά σήματα κοινής προέλευσης, στον ίδιο χώρο, αλλα από διαφορετικές ηχητικές πηγές συναντούνται με ίση ενέργεια. 
Εκεί γίνεται η σύζευξη, η διασταύρωση όλοκληρων ηχητικών περιοχών ή τμημάτων του ηχητικού φάσματος ανάλογα την σχεδίαση. Σε αυτά τα σημεία πρέπει να δώσουμε την μεγαλύτερη προσοχή ώστε η μετάβαση από το έναν χώρο όπου είναι κυρίαρχο το ένα ηχείο/δρόμος στον άλλο(δεύτερο ηχείο/δρόμος) να γίνει ομαλά. Ας δούμε όμως αναλυτικά με παραδείγματα και ορισμούς πόσα σημεία σύζευξης συναντούμε στην ηχητική αλυσίδα.

Σημείο Ηλεκτρονικής Σύζευξης | Electronic Crossover

Η πεπατημένη χρήση της ορολογίας crossover συνήθως αναφέρεται στη χρήση μιάς ηλεκτρονικής συσκευής η οποία χωρίζει το σήμα σε επιμέρους συχνοτικές περιοχές και στη συνέχεια τις προωθεί σε διαφορετικούς δρόμους ή ηχεία. Για να καταλαβαίνουμε πιο σωστά για τι μιλάμε θα ορίσουμε ως φασματικό διαιρέτη (στα αγγλικά Frequency Divider ή Spectral divider), αυτό που συνήθως αποκαλούμε crossover ή controller, αφού στην πραγματικότητα αυτή η συσκευή εκτός όλων των άλλων που κάνει(eq,delay κλπ) διαιρεί το πλήρες συχνοτικό φάσμα σε κομμάτια και το στέλνει στους αντίστοιχους δρόμους/ηχεία.

Στο μενού ενός Φασματικού Διαιρέτη/Frequency Divider συναντούμε το πρώτο crossover το οποίο ονομάζεται Σημείο Ηλεκτρονικής Σύζευξης/Electronic crossover

Σημείο Ηλεκτρονικής Σύζευξης/Electronic crossover

Ας υποθέσουμε πως θέλουμε να οδηγήσουμε ένα ηχείο δύο δρόμων. Τότε θα πρέπει να ορίσουμε αρχικά σε ηλεκτρονικό επίπεδο από ποιές μέχρι ποιές συχνότητες θα αποσταλλούν στον κόνο των χαμηλών συχνοτήτων και ποιές στην κόρνα όπου αναπαράγονται οι υψηλές συχνότητες. 
Ο στόχος μας είναι να διαιρέσουμε το συχνοτικό φάσμα σε κομμάτια σε ηλεκτρονικό επίπεδο, να το στείλουμε στο ηχείο/ηχεία/δρόμους και από εκεί να τα επανασυνδέσουμε με το σωστό τρόπο στο Σημείο Ακουστικής Σύζευξης όπως προαναφέρθηκε.
Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε με το πράσινο ίχνος τις χαμηλές συχνότητες και με μπλε τις υψηλές. Η σύζευξη γίνεται στο 1Khz.



Η συχνότητα του 1Khz ονομάζεται συχνότητα αποκοπής και είναι το σημείο διαχωρισμού μεταξύ της ζώνης διέλευσης και της ζώνης φραγής του φίλτρου.  

Το μέγεθος της περιοχής που θα γίνει η σύζευξη εξαρτάται από διαφορετικούς παράγοντες:

  • Τον τύπο του φίλτρου
Κάθε φίλτρο έχει και τα δικά του χαρακτηριστικά. Πέρα από την συχνότητα αποκοπής και την κλίση αυτό που έχει μεγαλύτερη σημασία και συμβάλει στην περιοχή σύζευξης είναι η κυμάτωση στην ζώνη διέλευσης(Passband Ripple). Κάθε τύπος φίλτρου δεν έχει μόνο διαφορετική κυμάτωση αλλά και διαφορετική φασική απόκριση.

  • Τη συχνότητα αποκοπής
Ανάλογα με την συχνότητα αποκοπής των δύο δρόμων θα διαμορφοθεί και η συχνοτική σύζευξη στην περιοχή του spectral crossover.

  • Την ασυμμετρία μεταξύ των συχνοτικών περιοχών
Στάθμη. Η ασυμετρία λόγω διαφοράς στη στάθμη των συχνοτικών περιοχών θα μετατοπίσει το σημείο σύζευξης προς τα πάνω ή προς τα κάτω. 
Κλίση. Η ασυμμετρία λόγω χρήσης διαφορετικής κλίσης στη ζώνη μετάδοσης θα επιρρεάσει την περιοχή σύζευξης.


Αναλόγως των παραπάνω περιπτώσεων θα έχουμε και τα αντίστοιχα αποτελέσματα στην περιοχή που γίνεται η σύζευξη όπως φαίνεται και στις  εικόνες. 




Unity / Εξισωμένο


Overlapped / Κυρτό



Gapped / Κοίλο



Χωρικό Σημείο Ακουστικής Σύζευξης | Spatial Acoustic Crossover

Ένα δεύτερο σημείο σύζευξης που συναντάμε στην ηχητική αλυσίδα είναι το Χωρικό Σημείο Ακουστικής Σύζευξης/Spatial Acoustic Crossover. Ως Χωρικό(Στο χώρο) Σημείο Ακουστικής Σύζευξης/Spatial Acoustic Crossover ορίζεται το σημείο εκείνο στο οποίο συγκλίνουν ίσης ακουστότητας ηχητικά σήματα από διαφορετικές πηγές, ηλεκτρονικά ή φυσικά διαχωρισμένες. 

Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε μία πιθανή εκδοχή του που μπορεί να συναντήσουμε ένα τέτοιο σημείο. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα οι δύο ηχητικές πηγές που αναπαράγουν πλήρες συχνοτικό φάσμα συναντούνται στο σημείο που είναι κυκλωμένο με κόκκινο.



Ο βασικός στόχος σε αυτό το επίπεδο σχεδιασμού είναι να μπορέσουμε να ταιριάξουμε την φασική απόκριση των δύο σημάτων που φθάνουν σε αυτό το σημείο ώστε να γίνει η επίτευξη της μέγιστης απόδοσης του συστήματος. Το αποτέλεσμα αυτό  εξαρτάται από:

  • Τις συχνοτικές αποκρίσεις σε ηλεκτρονικό και ακουστικό επίπεδο των επιμέρους μερών/δρόμων.
  • Τις αναφορικές στάθμες μεταξύ τους σε επίπεδο ενίσχυσης
  • Τη απόσταση που έχουν μεταξύ τους τα διαφορετικά ηχητικά μέρη


Spectral Crossover / Περιοχή Φασματικής Σύζευξης

Spectral Crossover / Περιοχή φασματικής Σύζευξης ορίζεται η συχνοτική περιοχή αυτή στην οποία αλληλεπιδρούν δύο ίσης στάθμης ηχητικά σήματα που συναντιούνται σε αυτό το σημείο(Σημείο Φασματικής Σύζευξης) από την σύγκλιση εκεί ξεχωριστών πηγών. 
Παρατηρώντας την παρακάτω εικόνα φαίνεται το αποτέλεσμα του συνδυασμού των δύο δρόμων χαμηλών και υψηλών συχνοτήτων. Η περιοχή στο κέντρο της σύζευξης είναι η Περιοχή Φασματικής Σύζευξης με το Σημείο Φασματικής Σύζευξης να βρίσκεται εκεί που τέμνονται οι δύο συχνοτικές αποκρίσεις.

 

Όπως αναφέρθηκε και για το Χωρικό Σημείο Ακουστικής Σύζευξης/Spatial Acoustic Crossover, και εδώ ο στόχος μας είναι να μπορέσουμε να ταιριάξουμε την φασική απόκριση των δύο συχνοτικών περιοχών σε αυτή την περιοχή ώστε να γίνει η επίτευξη της μέγιστης συχνοτικής άθροισης.
Από τους δύο παραπάνω ορισμούς μπορούμε να συμπαιράνουμε πως το σημείο που που βρίσκεται μποστά από ένα ηχείο δύο δρόμων, σε ίση απόσταση από τον κάθε δρόμο, αποτελεί και το Χωρικό Σημείο Ακουστικής Σύζευξης αλλά και το Φασματικό Σημείο Σύζευξης.





Άλλοι παράγοντες που παίζουν σημαντικό ρόλο είναι:

  • Η Ποιότητα των Ηχείων και του κάθε εξαρτήματος ξεχωριστά
    • Στην περίπτωση, για παράδειγμα,  που η αποδοτικότητα της κόρνας ενός ηχείου είναι καλύτερη από αυτή του κόνου των χαμηλών συχνοτήτων, τότε η κεντρική συχνότητα σύζευξης μεταφέρεται προς τα κάτω επιρρεάζοντας την περιοχή σύζευξης. Σε περίπτωση τέτοιου προβλήματος θα γίνει αντιληπτό σε ακουστικό επίπεδο με την παρατήρηση της συχνοτικής απόκρισης στο χώρο. 
  • Η σχετική απόσταση μεταξύ των επιμέρους δρόμων του ηχείου στο χώρο
  • Οι στάθμες των επιμέρους δρόμων του κάθε ηχείου στο χώρο
    • Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα η ασυμμετρία στην στάθμη δηλαδή εάν αλλάξει η στάθμη ενός από τους δύο δρόμους τότε η κεντρική συχνότητα σύζευξης μετατοπίζεται επιρρεάζοντας την περιοχή σύζευξης. Εάν δυναμώσουμε την χαμηλή περιοχη τότε η συχνότητα σύζευξης μετατοπίζεται προς τα πάνω. Εάν δυναμώσουμε την υψηλή περιοχή τότε μετατοπίζεται προς τα κάτω.
Στο βίντεο που ακολουθεί φαίνεται πόσο σημαντικό είναι να υπάρχει φασική ομοιομορφία στις περιοχές της ακουστικής σύζεξης. Όποιος επιθυμεί να μελετήσει με περισσότερη λεπτομέρια τα Σημεία Ακουστικής Σύζευξης μπορεί να ανατρέξει στο  κεφάλαιο 2 του βιβλίου του Bob MacCarthy Sound System Design and Optimisation












1 σχόλιο: