Σύστημα ενίσχυσης ήχου εξωτερικού χώρου (Outdoor Sound Reinforcement System)

Transcript

1 Σύστημα ενίσχυσης ήχου εξωτερικού χώρου (Outdoor Sound Reinforcement System) Εισαγωγή Η μελέτη των συστημάτων ενίσχυσης ήχου αρχίζει με μια ανάλυση ενός απλού συστήματος εξωτερικού χώρου (outdoor system). Το εξωτερικό περιβάλλον είναι σχετικά χωρίς ανακλώμενες επιφάνειες, και θα κάνουμε την απλουστευτική υπόθεση ότι ισχύουν οι συνθήκες ελεύθερου πεδίου. Ένα βασικό ενισχυτικό σύστημα είναι αυτό στο σχήμα 1-Α. Τα απαραίτητα ακουστικά στοιχεία είναι ο ομιλητής, το μικρόφωνο, το μεγάφωνο και ο ακροατής. Το ηλεκτρικό διάγραμμα του συστήματος παρουσιάζεται στο 1-Β. Η διαστιγμένη γραμμή δείχνει την ακουστική πορεία ανάδρασης (feedback ) που μπορεί να υπάρχει γύρω από ολόκληρο το σύστημα. Σχήμα 1: Ένα απλό σύστημα ενίσχυσης ήχου εξωτερικού χώρου (outdoor system). Όταν το σύστημα τίθεται σε λειτουργία, το κέρδος (gain) του ενισχυτή μπορεί να προωθηθεί μέχρι κάποιο σημείο στο οποίο το σύστημα θα "μικροφωνήσει", δηλ. θα πάει σε κατάσταση ανάδρασης. Στην αρχή της ανάδρασης, το gain γύρω από την ηλεκτροακουστική πορεία είναι μοναδιαίο. Αυτή η συνθήκη παρουσιάζεται στο σχήμα 1-C, όπου η είσοδος στο μικρόφωνο ενός απλού παλμού θα προκαλέσει αύξηση σε ένα 1

2 επαναλαμβανόμενο σήμα στο μικρόφωνο, που ανατροφοδοτείται από το μεγάφωνο και που θα προκαλέσει γρήγορα αύξηση σε μια εξαναγκασμένη ταλάντωση σε μια απλή συχνότητα με περίοδο σχετική με dt. Ακόμη και σε στάθμες κάπως κάτω από την ανάδραση, η απόκριση του συστήματος θα είναι ακανόνιστη, λόγω του γεγονότος ότι το σύστημα "προσπαθεί" να πάει στην ανάδραση, αλλά δεν έχει αρκετό κέρδος στο βρόγχο για να το κρατήσει. Αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Σχήμα 2: Συχνοτική απόκριση ενός ηχητικού συστήματος 3 db κάτω από την ακουστική ανάδραση. Καταρχήν, σαν ένας πρακτικός κανόνας ένα σύστημα ενίσχυσης πρέπει να έχει ένα περιθώριο κέρδους 6 έως 10 db πριν από την ανάδραση. Η έννοια του ακουστικού κέρδους (Acoustical Gain) Ο Boner ποσοτικοποίησε την έννοια του ακουστικού κέρδους. Θα δούμε μια απλή, αλλά κομψή παραλλαγή αυτής της μελέτης. Το ακουστικό κέρδος ορίζεται ως η διαφορά της στάθμης που ένας δεδομένος ακροατής στο ακροατήριο αντιλαμβάνεται με το σύστημα σε λειτουργία, από την στάθμη που ο ακροατής λαμβάνει απευθείας από τον ομιλητή, όταν το σύστημα είναι κλειστό. Σύμφωνα με το σχήμα 3, ας υποθέσουμε ότι και τα δύο, δηλ. μεγάφωνο και μικρόφωνο είναι παντοκατευθυντικά. Τότε από τον νόμο του αντιστρόφου του τετράγωνου η στάθμη στον ακροατή θα είναι: 70 db - 20 log (7/1) = = 53 db Τώρα, θέτουμε σε λειτουργία το σύστημα και αυξάνουμε το gain έως ότου είμαστε ακριβώς στην αρχή της ανάδρασης. Αυτό θα προκύψει όταν το μεγάφωνο, κατά μήκος της πορείας D 1, παράγει μια στάθμη στο μικρόφωνο ίση με αυτή του ομιλητή, δηλ. 70 db. 2

3 Σχήμα 3: Υπολογισμοί κέρδους του συστήματος, μεγάφωνο και μικρόφωνο είναι και τα δύο παντοκατευθυντικά. Εάν το μεγάφωνο παράγει μια στάθμη 70 db στο μικρόφωνο, θα παράγει μια στάθμη στον ακροατή: log (6/4) = = 66.5 db Χωρίς περιθώριο ασφάλειας, το μέγιστο κέρδος που το σύστημα αυτό μπορεί να παράγει είναι: Ξαναγράφουμε τις εξισώσεις μας: = 13.5 db Αυτό απλοποιείται σε: log (D2/D1) log (D0/Ds) 20 log D0-20 log Ds + 20 log D1-20 log D2 Η προσθήκη ενός παράγοντα ασφάλειας 6 db μας δίνει την συνηθισμένη μορφή της εξίσωσης: 20 log D0-20 log Ds + 20 log D1-20 log D2 6 3

4 Με αυτήν την μορφή, η εξίσωση κέρδους μας λέει αρκετά πράγματα, μερικά από αυτά διαισθητικά προφανή: 1. Το κέρδος είναι ανεξάρτητο από την στάθμη του ομιλητή. 2. Μειώνοντας την Ds θα αυξηθεί το κέρδος. 3. Αυξάνοντας την D 1 θα αυξηθεί το κέρδος. Η επίδραση των κατευθυντικών μικροφώνων και ηχείων στο μέγιστο κέρδος του συστήματος Ας δουλέψουμε πάλι με το παράδειγμα του σχήματος 3, χρησιμοποιώντας όμως τώρα ένα κατευθυντικό ηχείο του οποίου τα πολικά χαρακτηριστικά σε μια μεσαία περιοχή συχνοτήτων είναι όπως φαίνεται στο σχήμα 4-Α. Είναι προφανές ότι ο ήχος που φθάνει στο μικρόφωνο κατά μήκος της διαδρομής D 1, θα είναι μειωμένος κατά 6 db σχετικά με το παντοκατευθυντικό ηχείο. Αυτά τα 6 db προστίθενται άμεσα στο διαθέσιμο κέρδος του συστήματος. Ομοίως παρατηρώντας το σχήμα 4-Β, βλέπουμε πως κερδίζουμε άλλα 6 db με την χρήση ενός κατευθυντικού (καρδιοειδούς στην συγκεκριμένη περίπτωση) μικροφώνου. Θα περίμενε κανείς ότι η συνδυασμένη χρήση και των δυο θα οδηγούσε σε αύξηση του διαθέσιμου κέρδους του συστήματος κατά 12 db. Σχήμα 4-αριστερά: Υπολογισμοί gain συστήματος με κατευθυντικό ηχείο. Σχήμα 4-δεξιά: Υπολογισμοί gain συστήματος με κατευθυντικό μικρόφωνο 4

5 Οι περισσότεροι σχεδιαστές υπολογίζουν όμως σε αυτή την περίπτωση της χρήσης κατευθυντικών στοιχείων αρκετά μικρότερο το προστιθέμενο κέρδος, συνολικά 4-6 db. Ο λόγος για αυτό είναι ότι η κατευθυντικότητα των μικροφώνων και των ηχείων μεταβάλλεται πολύ με την συχνότητα. Τα περισσότερα κατευθυντικά ηχεία, σε χαμηλές συχνότητες, εμφανίζονται να είναι σχεδόν παντοκατευθυντικά. Εάν απαιτείται λοιπόν περισσότερο κέρδος, ο απλούστερος τρόπος για να το πάρεις είναι να μειώσεις την Ds ή να αυξήσεις την D 1. Πόσο Gain απαιτείται; Οι παράμετροι ενός δοσμένου συστήματος ενίσχυσης ήχου πρέπει να είναι τέτοιοι που να έχουμε περισσότερο κέρδος από όσο χρειαζόμαστε. Είναι λοιπόν απαραίτητος κάποιος τρόπος που εκ των προτέρων να μπορούμε να καθορίσουμε πόσο πολύ κέρδος θα χρειαστούμε έτσι ώστε να αποφύγουμε ένα σύστημα που δεν θα μπορεί να λειτουργήσει στις απαιτούμενες στάθμες. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι με την έννοια της ισοδύναμης ακουστικής απόστασης (equivalent, or effective acoustical distance, EAD), όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Τα ενισχυτικά συστήματα ήχου μπορούν να θεωρηθούν ως προς τα αποτελέσματα τους σαν να μετακινούμε τον ακροατή πλησιέστερα στον ομιλητή. Σε ένα ήσυχο περιβάλλον, δεν θα θέλαμε να φέρουμε τον ομιλητή πιο κοντά από, για παράδειγμα, 3 μέτρα από τον ακροατή. Αυτό σημαίνει, κατά προσέγγιση, ότι η στάθμη που παράγεται από το σύστημα ενίσχυσης για έναν ακροατή στην Dο, θα είναι κατά προσέγγιση η στάθμη που παράγει ο ομιλητής σε μια απόσταση 3 μέτρων. Το απαραίτητο κέρδος για να συμβεί αυτό υπολογίζεται από τον νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου μεταξύ Dο και EAD: Necessary gain = 20 log D0-20 log EAD Στο προηγούμενο μας παράδειγμα, D0 = 7 meters. Θέτοντας EAD = 3 meters, τότε: Necessary gain = 20 log (7) - 20 log (3) = = 7.5 db Υποθέτοντας ότι μικρόφωνο και ηχείο είναι και τα δυο κατευθυντικά, το μέγιστο gain που περιμένω να πάρω, είναι: 20 log (7) - 20 log (1) + 20 log (4) - 20 log (6) db 5

6 Σχήμα 5: Η έννοια της ισοδύναμης ακουστικής απόστασης (equivalent, or effective acoustical distance, EAD). Όπως μπορούμε να δούμε, το απαραίτητο κέρδος και το μέγιστο κέρδος είναι και τα δύο 7,5 db, έτσι το σύστημα θα λειτουργήσει σωστά. Εάν όμως, θεωρήσουμε ένα σύστημα για ένα θορυβωδέστερο περιβάλλον θα απαιτείται μια μικρότερη απόσταση EAD. Π.χ. μια νέα απόσταση EAD 1,5 μέτρων θα απαιτούσε 6 db περισσότερο ακουστικό κέρδος. Όπως έχουμε συζητήσει, η χρησιμοποίηση ενός κατευθυντικού μικροφώνου και ενός κατευθυντικού ηχείου θα μας έδινε περίπου τα αναγκαία 6 db. Μια απλούστερη, και καλύτερη, λύση θα ήταν να μειώσουμε την Ds σε 0,5 μέτρα προκειμένου να πάρουμε τα επιπλέον 6 db του κέρδους. Γενικά, σε ένα σύστημα εξωτερικού χώρου, ικανοποιητική σαφήνεια στην άρθρωση προκύπτει όταν οι κορυφές του λόγου (peaks) είναι περίπου 25 db υψηλότερα από την στάθμη του θορύβου περιβαλλοντος (a-weighted). Μια τυπική συνομιλία πραγματοποιείται σε επίπεδα 60 με 65 db σε μια απόσταση ενός μέτρου. Κατά συνέπεια, με ένα θόρυβο περιβάλλοντος 50 db, θα απαιτούσαμε peaks 75 έως 80 db για άνετο αντίληψη και αυτό θα απαιτούσε μια EAD στα 0,25 μέτρα, που υπολογίζεται ως εξής: Speech level at 1 meter = 65 db Speech level at 0.5 meter = 71 db Speech level at 0.25 meter = 77 db Ας δούμε τι πρέπει να κάνουμε στο σύστημα μας για να λειτουργήσει σωστά υπό αυτούς τους νέους όρους. Κατ' αρχάς, υπολογίζουμε το απαραίτητο ακουστικό κέρδος: Necessary gain = 20 log D0-20 log EAD Necessary gain = 20 log (7) - 20 log (.25) Necessary gain = = 29 db 6

7 Όπως είδαμε σε ένα προηγούμενο παράδειγμα, το σύστημά μας έχει μόνο 7,5 db μέγιστο κέρδος διαθέσιμα με ένα παράγοντα ασφαλείας 6 db. Με τη χρήση, ταυτόχρονα, κατευθυντικού μικροφώνου και κατευθυντικού ηχείου, μπορούμε να αυξήσουμε αυτό το μέγιστο κέρδος κατά περίπου 6 db, έχοντας πλέον συνολικά ένα μέγιστο κέρδος 13,5 db. Άρα χρειαζόμαστε ακόμα περίπου 16 db. Η λύση είναι προφανής: ένα φορητό (hand-held) μικρόφωνο θα είναι απαραίτητο προκειμένου να επιτευχθεί το απαιτούμενο αυτό κέρδος. Για 16 db του προστιθέμενου κέρδους, η Ds θα έχει για να μειωθεί στην αξία που υπολογίζεται κατωτέρω: 16 = 20 log (1/x) 16/20 = log (1/x) 1/x = /x = 6.31 x = 0.16 μέτρα (16 cm) Φυσικά, υπάρχει το πρόβλημα ότι με ένα φορητό (hand held) μικρόφωνο είναι δύσκολο για το χρήστη να διατηρεί μια σταθερή απόσταση μεταξύ του μικροφώνου και του στόματος του. Κατά συνέπεια, το κέρδος του συστήματος μεταβάλλεται αρκετά με τις μικρές αλλαγές στην απόσταση εκτελεστή-μικροφώνου. Είναι πάντα καλύτερα η χρήση μικροφώνου που να φοριέται από το χρήστη. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα μικρόφωνο προσαρμόζεται στο κεφάλι του ομιλητή, παρέχοντας έτσι την ελάχιστη επιθυμητή τιμή στην απόσταση Ds. Αυτός ο τύπος μικροφώνου έχει γίνει αρκετά δημοφιλής και ένα μεγάλο αριθμός καλλιτεχνών τον έχει υιοθετήσει. 7