サウンドモデリング

この記事は、スピーカーのテーマに専念しています。 それらについての多くの神話を払拭し、伝統的なものと音響ビームモデリングの可能性のあるものの両方で、ラウドスピーカーが実際に何であるかを説明しようとします.

まず、この記事で扱う電気音響学の​​基本的な定義をいくつか紹介しましょう。 ラウドスピーカーは、ハウジングに取り付けられた単一の電気音響変換器です。 XNUMX つの筐体に複数のラウドスピーカーを組み合わせることによってのみ、ラウドスピーカー セットが作成されます。 特別なタイプのラウドスピーカーはラウドスピーカーです。

ラウドスピーカーとは？

ラウドスピーカーは、多くの人にとってハウジングに配置されたスピーカーですが、完全に真実ではありません。 ラウドスピーカーコラムは、特定のラウドスピーカーデバイスであり、そのハウジング内には、垂直に配置された同じ電気音響変換器 (スピーカー) が数個から十数個含まれています。 この構造のおかげで、もちろん特定の周波数範囲に対して、線形ソースに似た特性を持つソースを作成することが可能です。 このようなソースの音響パラメータは、その高さ、そこに配置されたスピーカーの数、およびトランスデューサー間の距離に直接関係しています。 この特定のデバイスの動作原理を説明するだけでなく、デジタル制御された音響ビームを備えたますます普及しているコラムの動作原理を説明しようとします。

サウンドモデリングスピーカーとは？

最近市場に出回っているラウドスピーカーには、音響ビームをモデリングするオプションがあります。 寸法と外観は、XNUMX年代からよく知られ、使用されている従来のスピーカーと非常によく似ています。 デジタル制御のラウドスピーカーは、アナログの前身と同様の設備で使用されます。 このタイプの拡声器装置は、とりわけ、教会、駅や空港の旅客ターミナル、公共スペース、裁判所、スポーツ ホールなどで見られます。 ただし、デジタル制御の音響ビーム カラムが従来のソリューションよりも優れている点が数多くあります。

音響面

上記のすべての場所は、その立方体と反射率の高い表面の存在に関連する比較的難しい音響によって特徴付けられます。これは、これらの部屋の大きな残響時間 RT60s (RT60「残響時間」) に直接変換されます。

このような部屋では、指向性の高いスピーカー デバイスを使用する必要があります。 直接音と反射音の比率は、音声と音楽の明瞭度をできるだけ高くするために十分高くなければなりません。 音響的に困難な部屋で指向特性の少ない従来のラウドスピーカーを使用すると、生成された音が多くの表面から反射されることが判明する可能性があるため、反射音に対する直接音の比率が大幅に低下します。 このような状況では、音源に非常に近いリスナーだけが、到達するメッセージを適切に理解できます。

建築的側面

サウンドシステムの価格との関係で生成されたサウンドの品質の適切な比率を得るために、高い Q ファクター (指向性) を持つ少数のラウドスピーカーを使用する必要があります。 では、なぜ駅、ターミナル、教会などの前述の施設に大型のチューブ システムやライン アレイ システムがないのでしょうか。 ここには非常に単純な答えがあります。建築家は主に美学に基づいてこれらの建物を作成します。 大きなチューブ システムやライン アレイ クラスターは、部屋の構造とそのサイズが一致しないため、建築家はその使用に同意しません。 この場合の妥協点は、多くの場合、特別な DSP 回路と各ドライバーを制御する機能が発明される前でさえ、ラウドスピーカーでした。 これらのデバイスは、部屋の構造に簡単に隠すことができます。 それらは通常壁の近くに取り付けられ、周囲の表面の色で着色することができます。 これははるかに魅力的なソリューションであり、何よりも建築家に受け入れられやすいものです。

ラインアレイは新しいものではありません!

数学的計算による線形音源の原理とその指向特性の説明は、Hary F. Olson によって 1940 年に初めて出版された彼の著書「音響工学」で非常によく説明されています。ラインソースの特性を使用してスピーカーで発生する物理現象

次の表は、従来のラウドスピーカーの音響特性を示しています。

ラウドスピーカーの不利な点の XNUMX つは、そのようなシステムの周波数応答がフラットでないことです。 それらの設計は、低周波数範囲でより多くのエネルギーを生成します。 このエネルギーは一般に指向性が低いため、垂直方向の分散は高周波数の場合よりもはるかに大きくなります。 一般に知られているように、音響的に困難な部屋は通常、非常に低い周波数範囲の残響時間が長いという特徴があり、この周波数帯域のエネルギーが増加するため、音声の明瞭度が低下する可能性があります。

ラウドスピーカーがこのように動作する理由を説明するために、従来のラウドスピーカーとデジタル音響ビーム制御を備えたラウドスピーカーの基本的な物理的概念について簡単に説明します。

点源相互作用

• XNUMX つのソースの指向性

半波長 (λ / 2) 離れた 6 つの点光源が同じ信号を生成する場合、そのようなアレイの下と上の信号は互いに打ち消し合い、アレイの軸上で信号は XNUMX 倍 (XNUMX dB) 増幅されます。

λ / 4 (波長の XNUMX 分の XNUMX – XNUMX つの周波数に対して)

4 つの光源が λ / XNUMX 以下の長さで離れている場合 (もちろん、この長さは XNUMX つの周波数を指します)、垂直面の指向特性がわずかに狭くなっていることに気付きます。

λ / 4 (波長の XNUMX 分の XNUMX – XNUMX つの周波数に対して)

4 つの光源が λ / XNUMX 以下の長さで離れている場合 (もちろん、この長さは XNUMX つの周波数を指します)、垂直面の指向特性がわずかに狭くなっていることに気付きます。

λ（XNUMX波長）

波長が XNUMX つ異なると、垂直方向と水平方向の両方で信号が増幅されます。 音響ビームは XNUMX 枚の葉の形をとります

2l

トランスデューサ間の距離に対する波長の比率が増加すると、サイドローブの数も増加します。 リニアシステムのトランスデューサ間の数と距離が一定の場合、この比率は周波数とともに増加します (これは、ラインアレイセットで非常に頻繁に使用される導波管が役立つ場所です)。

線源の制限

個々のスピーカー間の距離によって、システムがライン ソースとして機能する最大周波数が決まります。 音源の高さは、このシステムが指向性を持つ最小周波数を決定します。

光源高と波長

λ/2

光源の高​​さの XNUMX 倍を超える波長では、指向特性をほとんど制御できません。 この場合、ソースは非常に高い出力レベルを持つ点光源として扱うことができます。

λ

線源の高さによって、垂直面で指向性が大幅に増加する波長が決まります。

2のリットル

より高い周波数では、ビームの高さが減少します。 サイド ローブが現れ始めますが、メイン ローブのエネルギーと比較すると、大きな影響はありません。

4のリットル

垂直方向性はますます増加し、メインローブのエネルギーは増加し続けます。

個々のトランスデューサ間の距離と波長

λ/2

トランスデューサが波長の半分以下しか離れていない場合、光源はサイドローブが最小限の非常に指向性の高いビームを生成します。

λ

重要で測定可能なエネルギーを持つサイドローブは、周波数の増加とともに形成されます。 ほとんどのリスナーはこの領域の外にいるため、これは問題になる必要はありません。

2l

サイドローブの数が XNUMX 倍になります。 この放射領域からリスナーと反射面を分離することは非常に困難です。

4l

トランスデューサ間の距離が波長の XNUMX 倍になると、非常に多くのサイド ローブが生成され、ソースが点光源のように見え始め、指向性が大幅に低下します。

ソースの高さを制御できるマルチチャンネル DSP 回路

上限周波数範囲の制御は、個々の高周波トランスデューサー間の距離に依存します。 設計者にとっての課題は、このようなデバイスによって生成される最適な周波数応答と最大の音響出力を維持しながら、この距離を最小限に抑えることです。 ラインソースは、周波数が高くなるにつれて指向性が増します。 最高周波数では、意識的にこの効果を使用するには指向性が強すぎます。 トランスデューサごとに個別の DSP システムと増幅を使用できるため、生成される垂直音響ビームの幅を制御できます。 手法は簡単です。ローパス フィルターを使用して、キャビネット内の個々のラウドスピーカーのレベルと使用可能な周波数範囲を減らすだけです。 ビームをハウジングの中心から遠ざけるには、フィルター列とカットオフ周波数を変更します (ハウジングの中心にあるスピーカーに対して最も穏やかです)。 このタイプの操作は、そのようなラインの各ラウドスピーカーに個別のアンプと DSP 回路を使用しないと不可能です。

従来のラウドスピーカーでは垂直方向の音響ビームを制御できますが、ビームの幅は周波数によって変化します。 一般的に言えば、指向性係数 Q は可変であり、必要以上に低くなります。

音響ビームチルト制御

よく知られているように、歴史は繰り返すのが好きです。 以下は、Harry F. Olson の著書「Acoustical Engineering」からのチャートです。 ライン ソースの個々のスピーカーの放射をデジタル的に遅延させることは、ライン ソースを物理的に傾斜させることとまったく同じです。 1957年以降、コストを最適なレベルに保ちながら、テクノロジーがこの現象を利用できるようになるまでには長い時間がかかりました。

DSP回路を備えたラインソースは、多くの構造上および音響上の問題を解決します

• 放射音響ビームの可変垂直方向係数 Q。

ラインソース用のDSP回路により、音響ビームの幅を変更することができます。 これは、個々のスピーカーの干渉チェックによって可能になります。 アメリカの会社 Renkus-Heinz の ICONYX カラムを使用すると、そのようなビームの幅を 5、10、15、20 ° の範囲で変更できます。幅24°のビームを選択します）。 このようにして、狭い音響ビームは、残響の多い部屋の床や天井からの不要な反射を回避します。

周波数の増加に伴って一定の指向性係数 Q

各トランスデューサーの DSP 回路とパワーアンプのおかげで、広い周波数範囲にわたって一定の指向性係数を維持できます。 部屋の反射音レベルを最小限に抑えるだけでなく、広い周波数帯域で一定のゲインを維持します。

設置場所に関係なく音響ビームを向けることが可能

音響ビームの制御は、信号処理の観点からは単純ですが、構造上の理由から非常に重要です。 このような可能性は、ラウドスピーカーを物理的に傾ける必要がなく、建築物と調和する目に優しい音源を作成するという事実につながります。 ICONYX には、音響ビームの中心の位置を設定する機能もあります。

モデル化された線形ソースの使用

•教会

多くの教会には同様の特徴があります。非常に高い天井、石またはガラスの反射面、吸収面はありません。 これらすべてが、これらの部屋の残響時間が非常に長く、数秒に達することもあり、音声の明瞭度が非常に低くなります。

• 公共交通機関

空港や鉄道駅は、教会で使用されているものと同様の音響特性を持つ素材で仕上げられていることがよくあります。 公共交通機関の施設は、到着、出発、遅延に関するメッセージが乗客に届くように理解できるものでなければならないため、重要です。

• 博物館、講堂、ロビー

公共交通機関や教会よりも小規模な建物の多くは、同様の好ましくない音響パラメータを持っています。 デジタルでモデル化されたライン ソースの XNUMX つの主な課題は、音声の明瞭度に悪影響を及ぼす長い残響時間と、拡声システムのタイプを最終的に選択する際に非常に重要な視覚的側面です。

設計基準。 フルバンド音響パワー

各ラインソースは、高度な DSP 回路を備えたものであっても、特定の有用な周波数範囲内でのみ制御できます。 しかし、ラインソース回路を形成する同軸トランスデューサを使用すると、非常に広い範囲にわたってフルレンジの音響パワーが得られます。 そのため、音はクリアで非常に自然です。 音声信号またはフルレンジ音楽の典型的なアプリケーションでは、内蔵の同軸ドライバーにより、ほとんどのエネルギーが制御可能な範囲内にあります。

高度なツールによる完全な制御

デジタルでモデル化された線形ソースの効率を最大化するには、高品質のトランスデューサのみを使用するだけでは十分ではありません。 結局のところ、スピーカーのパラメーターを完全に制御するには、高度な電子機器を使用する必要があることを知っています。 このような仮定により、マルチチャネル増幅および DSP 回路の使用が余儀なくされました。 ICONYX ラウドスピーカーで使用される D2 チップは、フルレンジのマルチチャンネル増幅、DSP プロセッサの完全な制御、およびオプションでいくつかのアナログおよびデジタル入力を提供します。 エンコードされた PCM 信号が AES3 または CobraNet デジタル信号の形式でカラムに配信されると、D2 チップは即座にそれを PWM 信号に変換します。 第一世代のデジタル アンプは、PCM 信号を最初にアナログ信号に変換し、次に PWM 信号に変換しました。 この A/D - D/A 変換は、残念ながらコスト、歪み、レイテンシーを大幅に増加させました。

柔軟性

デジタル モデリングされたライン ソースの自然でクリアなサウンドにより、公共交通機関、教会、美術館だけでなく、このソリューションを使用することができます。 ICONYX コラムのモジュラー構造により、特定の部屋のニーズに応じてライン ソースを組み立てることができます。 このようなソースの各要素の制御は、例えば、放射ビームの音響中心が生成される多くのポイント、つまり多くの線ソースを設定する場合に大きな柔軟性を提供します。 このような梁の中心は、柱の高さ全体に沿ってどこにでも配置できます。 これは、高周波トランスデューサ間の距離を小さく一定に保つことで可能になります。

水平放射角は柱要素に依存します

他の垂直ライン ソースと同様に、ICONYX からのサウンドは垂直方向にのみ制御できます。 水平方向のビーム角度は一定で、使用するトランスデューサのタイプによって異なります。 ICコラムで使われているものは広い周波数帯域でビーム角があり、140Hzから150kHzの帯域の音に対して100から16Hzの範囲で差があります。

放射角が広いため、効率が向上します。

特に高周波数での広い分散により、特に指向特性のエッジで、サウンドのより良いコヒーレンスと明瞭度が保証されます。 多くの場合、ビーム角度が広いということは、使用するラウドスピーカーの数が少なくなることを意味し、直接節約につながります。

ピックアップの実際の相互作用

私たちは、実際のスピーカーの指向特性が周波数範囲全体で均一にならないことをよく知っています。 このようなソースのサイズにより、周波数が高くなるにつれて指向性が高くなります。 ICONYXラウドスピーカーの場合、それに使用されるスピーカーは、300 Hzまでの帯域で無指向性、300 Hzから1 kHzの範囲で半円形、1 kHzから10 kHzの帯域では指向特性が円錐形で、そのビーム角は 140 ° × 140 ° です。 したがって、理想的な無指向性点光源で構成された線形光源の理想的な数学的モデルは、実際のトランスデューサーとは異なります。 測定値は、実際のシステムの後方放射エネルギーが、数学的にモデル化されたものよりもはるかに小さいことを示しています。

ICONYX @ λ (波長) 線源

ビームは同様の形状を持っていることがわかりますが、IC32 の 8 倍の大きさの ICXNUMX カラムでは、特性が大幅に狭くなっています。

1,25 kHz の周波数では、ビームは 10 ° の放射角で作成されます。 サイドローブは 9 dB 少なくなっています。

3,1 kHz の周波数では、10 ° の角度で集束された音響ビームが見られます。 ちなみに、メインビームから大きく外れているXNUMXつのサイドローブが形成されていますが、これは悪影響を及ぼしません。

ICONYX カラムの定方向性

500 Hz (5 λ) の周波数の場合、指向性は 10 ° で一定です。これは、100 Hz および 1,25 kHz の以前のシミュレーションで確認されました。

ビームの傾きは、連続するラウドスピーカーの単純な漸進的な遅延です

ラウドスピーカーを物理的に傾けると、後続のドライバーをリスニング位置に対して時間的にシフトします。 このタイプのシフトは、リスナーに向かって「音の傾き」を引き起こします。 スピーカーを垂直に吊り下げ、サウンドを向けたい方向にドライバーの遅延を増やすことで、同じ効果を得ることができます。 音響ビームを効果的にステアリング (傾斜) させるには、光源の高さが、特定の周波数の波長の XNUMX 倍に等しい必要があります。

ICONYX コラムのモジュール構造により、ビームを効果的に傾けることができます。

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare – ICONYX コラム ビーム モデリング ソフトウェア

前述のモデリング方法は、期待される結果を得るためにデジタル信号に適用する必要があるアクションのタイプ (列内の各ラウドスピーカーに可変ローパス フィルター) を示しています。

アイデアは比較的単純です。IC16 カラムの場合、ソフトウェアは XNUMX の FIR フィルター設定と XNUMX の独立した遅延設定を変換してから実装する必要があります。 放射ビームの音響中心を転送するには、カラム ハウジング内の高周波トランスデューサ間の一定の距離を使用して、すべてのフィルタと遅延の新しい設定を計算して実装する必要があります。

理論的なモデルを作成する必要がありますが、スピーカーが実際には異なる動作をし、より指向性が高く、得られた結果が数学的アルゴリズムでシミュレートされた結果よりも優れていることを測定が証明しているという事実を考慮に入れる必要があります。

今日では、このような大きな技術開発により、コンピュータ プロセッサはすでにタスクに匹敵します。 BeamWare は、リスニング エリアのサイズ、列の高さ、位置に関する情報をグラフィカルに入力することにより、結果のグラフィカルな表現を使用します。 BeamWare を使用すると、設定をプロの音響ソフトウェア EASE に簡単にエクスポートし、設定をコラム DSP 回路に直接保存できます。 BeamWare ソフトウェアでの作業の結果は、実際の音響条件で予測可能で正確かつ再現可能な結果になります。

ICONYX – 新世代のサウンド

• 音質

ICONYX のサウンドは、プロデューサー Renkus-Heinz によってずっと前に開発された標準です。 ICONYX コラムは、音声信号とフルレンジ音楽の両方を最高の状態で再現するように設計されています。

• 分散が広い

これは、特に最高周波数範囲で、非常に広い放射角度 (垂直面で最大 150 °) を持つ同軸スピーカーを使用することで可能になります。 これは、エリア全体でより一貫した周波数応答とより広いカバレッジを意味し、施設内でそのようなラウドスピーカーの使用を減らすことを意味します。

•柔軟性

ICONYX は、同一の同軸ドライバーが互いに非常に近くに配置された縦型ラウドスピーカーです。 ハウジング内のラウドスピーカー間の距離が小さく一定であるため、垂直面内の放射ビームの音響中心の変位は実質的に任意です。 これらのタイプのプロパティは、特にアーキテクチャ上の制約により、オブジェクト内の列の適切な位置 (高さ) が許可されていない場合に非常に役立ちます。 このようなコラムのサスペンションの高さのマージンは非常に大きいです。 モジュラー設計と完全な構成可能性により、XNUMX つの長い列を自由に使用して複数のライン ソースを定義できます。 各放射ビームは、異なる幅と異なる勾配を持つことができます。

• 低コスト

繰り返しになりますが、同軸スピーカーの使用により、各 ICONYX スピーカーは非常に広いエリアをカバーできます。 柱の高さは、相互に接続する IC8 モジュールの数に依存することがわかっています。 このようなモジュラー構造により、簡単で安価な輸送が可能になります。

ICONYX カラムの主な利点

• ソースの垂直放射をより効果的に制御します。

ラウドスピーカーのサイズは、従来の設計よりもはるかに小さくなっていますが、優れた指向性を維持しながら、残響条件での明瞭度に直接変換されます。 モジュール構造により、施設のニーズや財務状況に応じてカラムを構成することもできます。

• フルレンジのオーディオ再生

以前のラウドスピーカー設計では、そのようなラウドスピーカーの周波数応答に関して満足のいく結果はほとんど得られませんでした。有効な処理帯域幅は 200 Hz から 4 kHz の範囲にあったからです。 ICONYX ラウドスピーカーは、120 Hz から 16 kHz の範囲でフルレンジ サウンドを生成できる構造であり、この範囲全体で水平面の放射角度を一定に維持します。 さらに、ICONYX モジュールは、電子的および音響的に効率的です。同様のサイズの先行モデルよりも、少なくとも 3 ～ 4 dB 「大きく」なっています。

• 高度な電子機器

ハウジング内の各コンバーターは、個別のアンプ回路と DSP 回路によって駆動されます。 AES3 (AES / EBU) または CobraNet 入力を使用すると、信号は「デジタル的にクリア」になります。 これは、DSP 回路が不要な A/D および C/A 変換を行うことなく、PCM 入力信号を直接 PWM 信号に変換することを意味します。

• 高度な DSP 回路

特にICONYXカラム用に開発された高度な信号処理アルゴリズムと目に優しいBeamWareインターフェースは、ユーザーの作業を容易にし、多くの施設で幅広い可能性で使用することができます。

まとめ

この記事では、高度な DSP 回路を使用したラウドスピーカーとサウンド モデリングの詳細な分析に専念します。 従来のラウドスピーカーとデジタルでモデル化されたラウドスピーカーの両方を使用する物理現象の理論は、50 年代にすでに説明されていたことを強調する価値があります。 音響信号の処理における物理的プロセスを完全に制御するには、はるかに安価で優れた電子部品を使用する必要があります。 この知識は一般的に利用可能ですが、物理現象の誤解がラウドスピーカーの配置と配置の頻繁なエラーにつながるケースにまだ遭遇し、遭遇するでしょう。例としては、ラウドスピーカーのしばしば水平な組み立て（美的理由による）があります。

もちろん、このような行為も意識的に行われており、興味深い例としては、鉄道駅のプラットホームにスピーカーが下向きに設置された柱が水平に設置されています。 このようにラウドスピーカーを使用することで、「シャワー」効果に近づけることができます。この場合、そのようなラウドスピーカーの範囲を超えると（分散領域はコラムのハウジングです）、サウンドレベルが大幅に低下します。 このようにして、反射音のレベルを最小限に抑えることができ、音声の明瞭度が大幅に向上します。

高度に発達したエレクトロニクスの時代に、革新的なソリューションに出会うことがますます多くなっていますが、それはずっと前に発見され説明されたのと同じ物理学を使用しています. デジタルでモデリングされたサウンドは、音響的に困難な部屋に適応する驚くべき可能性を与えてくれます。

プロデューサーはすでにサウンド コントロールとマネジメントのブレークスルーを発表しています。そのようなアクセントの 2 つは、まったく新しいラウドスピーカー (Renkus-Heinz によるモジュラー ICXNUMX) の登場です。線形のソースおよびポイントでありながら、完全に管理されています。