Fürjes Andor Tamás DDC/DDS HANGSUGÁRZÓ RENDSZEREK 1
Tartalom 1. A hangtér összetevői 2. Elemi és összetett hangforrások hangtere 3. Cluster és Array 4. Oszlopsugárzók, Line Array-k általában 5. Hangforrások összehangolása 6. Duran Audio Target és Intellivox hangsugárzó rendszerek 7. DDC - Direct Directivity Control 8. DDS - Direct Directivity Synthesis 9. Duran Audio szoftverek 10. Duran hangsugárzó rendszerek a Művészetek Palotájában 2
1. A hangtér összetevői A hangtér fogalma szabad hangtér félszabad hangtér zárt hangtér 3
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangteret a direkt és visszaverődő hangok együtt alkotják P hallgató = P direkt + P visszaverődések a valós hangforrások minden irányban sugároznak minden irányból érkező hangot hallunk 4
1. A hangtér összetevői (folyt.) A direkt hang jellemzői leggyorsabb (legrövidebb) hangút a hangforrás és hallgató között, meghatározott irányból érkezik a hallgatóhoz, minőségét csak a hangforrás határozza meg és a hangforrás irányfüggése ill. a hallgató-hangforrás távolság befolyásolja. P direkt = P főirány H iránykarakterisztika H pozíció a hangforrás jellemzői forrás-hallgató relatív pozíció a valós hangforrások minden irányban sugároznak minden irányból érkező hangot hallunk 5
1. A hangtér összetevői (folyt.) A visszaverődések jellemzői időzítésük változó, a direkténél hosszabb hangutak irányuk változó, az utolsó visszaverő felület határozza meg, minőségük a hangforrás és a hangútban résztvevő felületek minősége adja a visszaverő felületek alkotják a hangtér geometriáját (teremalak) P visszaverődések = P 1 + P 2 + P 3 +... forrás-terem-hallgató relatív pozíció anyagok a teremben egyetlen visszaverődés: P 1 = P főirány H iránykar.#1 H pozíció#1 H visszaverődések#1 a hangforrás jellemzői a valós hangforrások minden irányban sugároznak minden irányból érkező hangot hallunk 6
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangtér jellemzése a hallgatási pontban impulzusválasz direkt hang elkülöníthető ( korai ) visszaverődések összemosódó visszaverődések (zengés) Ebből számolható: hangtisztaság (beszédérthetőség, stb.): direkt-zengő arány hangnyomásszint: direkt és összes frekvencia-átvitel, fázis-átvitel a valós hangforrások minden irányban sugároznak minden irányból érkező hangot hallunk 7
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangtér tényezőinek hatása a hallgatási pontban hangzás főirányban és főirányon kívül, azonos irányítottságnál főirányban főiránytól távolodva 8
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangtér tényezőinek hatása a hallgatási pontban (folyt.) hangforrás irányítottságának hatása a főirányban kevésbé irányított erősen irányított 9
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangtér tényezőinek hatása a hallgatási pontban (folyt.) távolság hatása - távolabb 10
1. A hangtér összetevői (folyt.) A hangtér tényezőinek hatása a hallgatási pontban (folyt.) a teljesítmény hatása - felhangosítva 11
1. A hangtér összetevői (folyt.) A visszaverődések hatása a frekvencia-átvitelre egy visszaverődés fésűszűrő hatást okoz Pa db idő frekvencia minden visszaverődés további fésűszűrő hatásokat ad az átvitelhez Pa db idő frekvencia a zengés számos visszaverődésből áll... 12
1. A hangtér összetevői (folyt.) A visszaverődések hatása a frekvencia-átvitelre (folyt.) konkrét példa 1 1 1 0. 5 0. 5 0. 5 0 0 0-0. 5-0. 5-0. 5-1 0 2 0 4 0-1 0 2 0 4 0-1 0 2 0 4 0 1 5 1 5 1 5 1 0 1 0 1 0 5 5 5 0 0 0-5 - 5-5 - 1 0 1 0 2 1 0 4-1 0 1 0 2 1 0 4-1 0 1 0 2 1 0 4 13
1. A hangtér összetevői (folyt.) Következtetések a hangzás minőségét az iránykarakterisztika is nagymértékben befolyásolja minél nagyobb az utózengés, annál nehezebb a hangzást kézben tartani minél irányítottabb a hangsugárzó, annál kisebb az utózengés hatása - főirányban minél irányítottabb a hangsugárzó, annál kritikusabb a pozícionálás a hangerő nem befolyásolja a hangtisztaságot (eltekintünk az alapzajtól) a méretezést csak a közvetlen hangra lehet elvégezni csak a hangforrástól a hallgatóig közvetlenül jutó hang hasznos a hangsugárzó gyártók a direkt hangra adják a specifikációt 14
2. Elemi és összetett hangforrások A hangtér leírása a hangtér leírása: p A (x,y,z,t) z A hangnyomás helyfüggés időfüggés y x Elemi hangforrások a legegyszerűbb, elméleti hangforrások pontforrás: gömszimmetrikus hangtér vonalforrás: hengerszimmetrikus hangtér 15
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A pontforrás a pontforrás ( monopólus ) hangtere adott frekvencián időfüggés helyfüggés z A p(r,t)= e j2πf(t-r/c) r r y hangnyomás helyfüggés x 16
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A pontforrás (folyt.) a pontforrás hangterének eloszlása a pontforrás hangterének távolságfüggése 40 40 6dB-s törvény szint (db) 30 20 10 0-10 szint (db) 30 20 10 0-10 -20-20 -30-30 -40-40 -50 0 20 40 60 80 100 távolság (m) -50-10 -5 0 5 10 távolság 2 (log m) 17
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A vonalforrás a vonalforrás hangtere adott frekvencián időfüggés helyfüggés z p(r,t)= e j2πf(t-r/c) r r A y hangnyomás x helyfüggés 18
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A vonalforrás (folyt.) a vonalforrás hangterének eloszlása a vonalforrás hangterének távolságfüggése 20 20 15 15 3dB-s törvény 10 10 szint (db) 5 0-5 szint (db) 5 0-5 -10-10 -15-15 -20-20 -25 0 20 40 60 80 100 távolság (m) -25-10 -5 0 5 10 távolság (log 2 m) 19
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A valós hangforrások a valós hangforrások elemi hangforrásokból állnak: összetett hangforrások az összetett hangforrás mérete: két legtávolabbi elemi forrás távolsága a valós hangforrások hangtere szabadtérben is interferencia a valós hangforrások hangtere az iránytól és a távolságtól is függ közeltér: nem érvényes a 6dB-s törvény, nem értelmezhető iránykarakterisztika távoltér: érvényes a 6dB-s törvény, iránykarakterisztika értelmezhető akusztikai középpont: az elemi források súlyozott geometriai középpontja (f!) 20
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Példa: összetett hangforrás hangtere 4 azonos pontforrásból álló összetett hangforrás hangtere 100 Hz 1 khz 4 khz 21
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Példa: összetett hangforrás hangtere (folyt.) 4 azonos pontforrásból álló összetett hangforrás távolságfüggés 22
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) A valós hangforrások modellje pontforrás iránykarakterisztikával az iránykarakterisztika csak a távoltérben értelmezhető! távoltér: r távoltér» L2 2λ hullámhossz: λ= c f 23
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Az iránykarakterisztika értelmezése az akusztikai középpont körül a főirányhoz képest számolt eltérés db-ben az iránykarakterisztikát csak a távoltérben értelmezhetjük 24
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Az iránykarakterisztika értelmezése (folyt.) sugárzási szög: a főirányhoz képesti első -6dB csökkenések közötti szög hagyományos koncepció: kerülni a hangsugárzók közötti interferenciát 0dB szinten hajtott front hangsugárzó -6dB-s sugárzási szög nézőtér kontúr -3dB szinten hajtott downfill hangsugárzó -18dB -24dB -18dB interferencia-határ -24dB 25
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Az iránykarakterisztika értelmezése (folyt.) új felfedezés: szűk iránykarakterisztika interferencia: főirányban erősítik egymást, oldalirányban gyengítik egymást a szűk iránykarakterisztika miatt a hallgatási sík nagyobb metszetén biztosít egyenletes lefedettséget látszólag a távolsággal nem változik a hangnyomás... 26
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Az iránykarakterisztika értelmezése (folyt.) az irányfüggés mindig 3 dimenziós! a lesugárzandó felület rendszerint 3 dimenziós! 100 Hz 1 khz 4 khz 27
2. Elemi és összetett hangforrások (folyt.) Az iránykarakterisztika értelmezése (folyt.) az intenzitás mellett a fázis is irányfüggő 100 Hz 1 khz 4 khz 28
3. Hangsugárzó csoportok Fogalmak csatorna: független hangjelek száma a hangsugárzó rendszer bemenetén cluster: szorosan helyezett hangsugárzó csoport ( fürt ) array: azonos elemekből álló szorosan helyezett hangsugárzó csoport ( tömb ) line array: vonal mentén elhelyezett azonos hangsugárzók elosztott hangsugárzó rendszer: egymástól nagy távolságra helyezett hangsugárzókból álló rendszer főirány, main lobe : hasznos nyaláb az iránykarakterisztikában (a legnagyobb) oldalirány, side lobe : zavaró nyaláb(ok) az iránykarakterisztikában 29
3. Hangsugárzó csoportok (folyt.) Gömbfelületet formáló hangsugárzó rendszerek klasszikus cluster képzés a cél, hogy a kiinduló hullámfront gömbhéjat formázzon általában széles irányszöget céloz, ezért rövid a hatótávolság (6dB-s törvény) Hengerfelületet formáló hangsugárzó rendszerek line-array elrendezés szűk függőleges iránykarakterisztika, sokszor már elemenként is nagyobb hatótávolság, de nem igaz a 3dB-s törvény! a szűk irányszög miatt a közeli területek felé hajlítják ( J - vagy banán -alak) 30
3. Hangsugárzó csoportok (folyt.) A line-array geometriája z akusztikai középpontok közötti minimális távolság L akusztikai középpontok közötti legnagyobb távolság görbület, alak 31
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k A hangsugárzók számának hatása L= 17 cm z= 17 cm 2 db L= 51 cm z= 17 cm 4 db L= 119 cm z= 17 cm 8 db 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000Hz λ = 274 cm λ = 137 cm λ = 69 cm λ = 34 cm 32
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k A hangsugárzók számának hatása (folyt.) felülnézetből... 1 db 2 db 4 db 8 db 16 db adott frekvencián nagyobb hangsugárzó szám erősebb irányítottságot eredményez adott hangsugárzó szám esetén a nagyobb frekvenciák felé nő az irányítottság érdemi irányítottsághoz: L > λ = c/f 33
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) A hangsugárzók távolságának hatása 17cm 34cm L = 2,72m 68cm 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000Hz λ = 274 cm λ = 137 cm λ = 69 cm λ = 34 cm 34
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) A hangsugárzók távolságának hatása (folyt.) adott frekvencián bizonyos hangsugárzó-távolság fölött már nincs kontroll adott hangsugárzó-távolság esetén bizonyos frekvencia fölött már nincs kontroll alulmintavételezettséghez -hez hasonló jelenség térbeli Nyquist-kritérium : z < λ / 2 vagy f < c 2 z 35
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) A hangsugárzók irányítottságának hatása az array hangsugárzói önmagukban csak nagyobb frekvenciákon irányítottak N=16, z=17cm szubkardioid N=16, z=17cm kardioid 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 36
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) Az array görbítésének hatása szükség esetén az array vonalának görbítésével lehet szélesíteni az irányszöget gömbi f=500hz z=0,17cm N=16 kardioid egyenes 10m 5m 2m az array görbületének sugara 37
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) A hangerőszabályozás hatása az array-ben a hangerő szabályozásával lehet az iránykarakterisztikát alakítani... gömbi f=500hz z=0,17cm N=16 kardioid 0dB +3dB +9dB +18dB a legalsó hangsugárzó szintje a legfelső hangsugárzó szintjéhez képest 38
4. Oszlopsugárzók, Line-Array-k (folyt.) A késleltetés hatása az array-ben a késleltetés szabályozásával lehet az iránykarakterisztikát állítani... gömbi f=500hz z=0,17cm N=16 kardioid 0ms 1ms 2ms 5ms a legalsó hangsugárzó késleltetése a legfelső hangsugárzó szintjéhez képest 39
5. A hangforrások összehangolása Példa: két hangsugárzó összehangolása a cél, hogy azonos fázisban érkezzen két hangsugárzóból a hang a hallgatóhoz... adott frekvencián a hangsugárzók egymás hangját erősíthetik, ha r 1 -r 2 = nλ, ha n = 1, 2, 3,... vagy, mivel az eltérő pozíció eltérő időzítést jelent: 1 t 1 -t 2 = n, ha n = 1, 2, 3,... f r 2 r 2 r 1 r 1 az időzítési eltérést késleltetéssel lehet korrigálni... de: minden pozícióban más és más korrekció szükséges 40
5. A hangforrások összehangolása Általános problémafelvetés Tegyük fel, hogy: van N darab hangsugárzó, adott pozícióban, adott irányba állítva van M darab hallgatási pozíció, ahol adott direkt hangnyomást kell elérni ismert a hangsugárzók iránykarakterisztikája (irányfüggő intenzitás és fázis) N (hangsugárzó) M (hallgató) NM (hangút)? 41
6. Duran Audio Target és Intellivox hangsugárzó rendszerek Rendszertechnikai koncepció aktív felépítés, utankénti beépített processzálással (késleltetés, erősítés, szűrés) analogue gain A/D delay DSP D/A power amp A D T D A D A hűtés szabályozás D A külső hőmérséklet érzékelő külső hangnyomásszint érzékelő D A vezérlés RS 485 hálózat 42
7. DDC Alapelv egy dobozba, ismert pozíciókba épített hangsugárzó csoport, line-array előre ismert és ezért előre számolható beállítások (szűrők) DDC: Digital Directivity Control (vagy inkább Direct Directivity Control) Paraméterek DDC oszlopsugárzó oldalnyalábok akusztikai referencia sugárzási szög nyitási szög (opening angle) bólintási szög bólintási szög (elevation angle) fókusztávolság (focus distance) oldalnyalábok fókusztávolság fõnyaláb 43
7. DDS Alapelv ismert működésű hangsugárzók ismert elrendezésben ismert hallgatási pozíciók és hangnyomásszint-peremfeltételek optimalizálás minimális hibára (eltérés a peremfeltételektől) optimalizálás minimális teljesítményre, optimális érzékenységre robusztus (eltérésekre érzéketlen) algoritmus lineáris fázisú FIR (véges impulzusválaszú) szűrőrendszer DDS: Digital Directivity Synthesis 44
7. DDS (folyt.) Paraméterek hangsugárzó konfiguráció (típus, darabszám, pozíció, stb.) geometria (hallgatási terület, fülmagasság, peremsíkok) peremfeltételek (melyik felületen milyen hangnyomásszint) súlyozás (melyik peremfeltétel mennyire fontos) megengedett hangnyomásszint-esés 45
7. DDS (folyt.) Áttekintés geometria és kívánt SPL megvalósítható lesugárzás hangsugárzó elrendezés és sajátságok szűrőrendszer DDS db súlyozás, prioritások eredő iránykarakterisztika 46
9. Duran Audio szoftverek A hangsugárzó rendszerek kezeléséhez adott szoftverek DDA - Digital Directivity Analysis: előzetes számítások, ellenőrzések WinControl: számítási eredmények feltöltése, monitorozás, karbantartás DDA projekt-fájlok.mat - beállítások, kapcsolódó fájlok összefogása.gcf - geometria leírása a kívánt súlyozással, SPL-el.ucf - a hangsugárzó rendszer elemeit leíró fájl (típus, pozíció, irány).rcf - mikrofon pozíciók próbafuttatás adott frekvencián: Trial Run teljes számítás és WinControl fájlok generálása: Full Run 47
9. Duran Audio szoftverek (folyt.) DDA (folyt.) projekt... 48
9. Duran Audio szoftverek (folyt.) DDA (folyt.) a geometria, benne az array-vel, kívánt SPL és súlyozási beállításokkal, vevőkkel 49
9. Duran Audio szoftverek (folyt.) DDA (folyt.) próbafuttatás 1 khz-en, levegő elnyelés bekapcsolva... 50
9. Duran Audio szoftverek (folyt.) DDA (folyt.) teljes futtatás eredményei frekvencia átvitel szűrőrendszer bemutatása tartalékok 51
10. Duran Audio hangsugárzó rendszerek a Művészetek Palotájában Intellivox beszédcélú oszlopsugárzók LM rendezvényterem 2 db Intellivox 2c, DDC Előcsarnok 1 db Intellivox 6c, DDC 2 db Intellivox 2c, DDC 8 db Intellivox 1b, DDC NF koncertterem 2 db Intellivox 6c-xlh, DDS 2 db Intellivox 2c, DDC 52
10. Duran Audio hangsugárzó rendszerek a Művészetek Palotájában Target bal array 8 db Target U-16 center cluster 6 db Target B-215 bass array 11 db Target U-16 center array jobb array 8 db Target U-16 53