8.4. ЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ

Зональные системы бывают линейные и пространственные. Первые служат для озвучения длинных, но узких поверхностей (например, улиц), вторые — для озвучения больших площадей, когда их нельзя озвучить сосредоточенной системой. Кроме них есть еще зональные системы, состоящие из нескольких пар встречно работающих громкоговорителей. Чаще всего они бывают линейного типа. Такой системой можно озвучить длинный объект. Широкие объекты озвучиваются рядом параллельных линейных систем. В таких системах при использовании рупорных громкоговорителей приходится применять подзвучивание под громкоговорителями, т. е. в каждой точке расположения громкоговорителей применять их по три штуки: один вперед, другой назад и третий вниз.

Преимущество применения рупорных громт коговорителей в зональных системах — их меньшая общая стоимость по сравнению с другими громкоговорителями. Зональные системы в сравнении с сосредоточенными и распределенными имеют лучшую локализацию звукового поля, так как размеры частных зон невелики, а за их пределами уровень быстро падает.

Наиболее удобны для зонального озвучения широких площадей (рис. 8.10) радиальные громкоговорители или веерные групповые системы громкоговорителей (расположение нескольких звуковых колонок или рупорных громкоговорителей) около центральных точек частных зон озвучения. При таком расположении громкоговорителей уровень поля на стыке границ соседних частных зон озвучения (по отношению к уровню от действия громкоговорителя своей зоны) повышается на так как интенсивности от двух громкоговорителей складываются арифметически. В углах зон увеличение будет на (от четырех громкоговорителей). Уровень на всей границе зоны будет примерно один и тот же. Неравномерность озвучения для радиальных громкоговорителей можно определить, считая их

характеристику направленности в нижней половине вертикальной плоскости близкой к сферической (на самом деле под громкоговорителем получается уменьшение направленности на по сравнению с излучением под 90° к вертикальной оси), так как радиальный громкоговоритель излучает вниз Несколько слабее, чем в сторону. Внутри каждой зоны уровень может быть определен по характеристике направленности своего громкоговорителя, так как громкоговорители других зон практически ничего не добавляют.

Для точки, находящейся под громкоговорителем, звуковое давление и уровень поля соответственно равны где звуковое давление на расстоянии от громкоговорителя по его акустической оси; высота подвеса громкоговорителя над землей; вертикальная координата точки нахождения головы ближайшего слушателя.

Для точки, находящейся на расстоянии в сторону от оси (под углом у к ней): где коэффициент, учитывающий увеличение направленности излучателя. Под углом его можно считать равным 2. Неравномерность озвучения для одного громкоговорителя

а на стыке зон

Пример. Радиальные громкоговорители, подвешенные на высоте находятся на расстоянии друг от друга. Звуковые давления и уровни поля на высоте под громкоговорителем и на стыках зон от одного громкоговорителя для Па будут:

Добавляя к последнему 3 дБ от действия соседнего громкоговорителя, получаем Поэтому неравномерность озвучения будет

Подсчет неравномерности для углов зоны показывает, что если полагать то она будет менее а с учетом уменьшения излучения (для угла неравномерность будет несколько больше.

В зональных системах появляется опасность возникновения эха из-за разности хода между соседними громкоговорителями. Эхо может прослушиваться под громкоговорителем, так как разность хода в этой точке получается максимальной где высота подвеса громкоговорителя над озвучаемой поверхностью; расстояние между громкоговорителями).

Рис. 8.10. Иллюстрация озвучения большой площади зональной системой

Разность уровней определяется отношением расстояний и разностью в направленности т. е. Практически для радиальных громкоговорителей эхо не прослушивается, а в случае применения других громкоговорителей оно возможно и поэтому подлежит проверке (рис. 8.11). Особенно эхо проявляется при продольной ориентации акустических осей рупорных громкоговорителей: разность хода волн получается очень большая, а уровни от громкоговорителей уменьшаются с расстоянием очень медленно. На рис. показано такое расстояние громкоговорителей и указаны зоны эха. Они получаются очень большими, поэтому в таких случаях идут на расстыковку зон озвучения, т. е. заранее планируют необслуживаемые зоны. По существу, при этом имеет место несколько зон озвучения централизованными системами. Расчет этих зон ведут методами расчета сосредоточенных систем озвучения.

Другой путь радикального исключения возможностей возникновения эха — применение систем бегущей волны. В этом случае в каждый следующий громкоговоритель поступает напряжение, задержанное на время прохода звуковой волны от предыдущего громкоговорителя (см. рис. 8.11, д). Это можно легко осуществить, если мощный усилитель, питающий громкоговоритель, расположить рядом с ним (это будет необслуживаемый усилитель). В этом случае линии задержки располагаются на узловой станции. Если длина такой системы будет то максимальная задержка должна быть около 30 с.

Приведем некоторые данные по расчету эха в зональных системах.

Линейные зональные системы. Если оси громкоговорителей направлены по длине озвучиваемого объекта, то для расчета эха можно использовать выводы, полученные для комбинаций двух громкоговорителей с учетом дополнительного действия соседних громкоговорителей. Например, при встречной работе (см. рис. 8.11, в) полезный уровень под громкоговорителями увеличится на но и мешающий уровень тоже увеличится на а на других участках уровень помех немного увеличится из-за действия соседних громкоговорителей, поэтому запас по перепаду уровней

Рис. 8.11 Зональное озвучение длинных объектов: а — поперечное; б - продольное под углом; в — встречно работающими громкоговорителями; г - несколькими линейными системами с встречно работающими громкоговорителями; д - система бегущей волны

несколько снизится. Требуется подзвучивание под громкоговорителями.

Если оси громкоговорителей направлены поперек объекта (см. рис. 8.11), а) и цепочка одна (с одной стороны объекта), то значительные помехи могут быть только под громкоговорителями от действия соседних, если расстояние между громоговбрителями более (считая, что высота их подвеса более Для высоты подвеса и расстояния между громкоговорителями разность хода для точки под громкоговорителем а перепад уровней для звуковых колонок

где так как Полагая перепад уровней (с учетом помех от двух громкоговорителей)

Если взять ел (колонка (оптимальный по минимуму неравномерности для этой колонки), то перепад уровней будет время запаздывания Требуемый перепад из рис. 2.21 получается т. е. в норме для заметного эха. Примерно тот же перепад получается и для других наклонов осей в пределах так как и поэтому

Из практики известно, что предельное расстояние между колонками не должно быть более Заметим, что для рупорных громкоговорителей этот расчет не годится, так как эллиптическое приближение под такими большими углами не дает точных результатов. К тому же рупорные громкоговорители, как показывает практика, чаще всего используют вдоль длинного объекта, а поперек его редко. Исключение составляет звукофикация широкого объекта (площади), когда нельзя устанавливать столбы на площади для подвески громкоговорителей.

Заметим, что системы с громкоговорителями, расположенными вдоль объекта, обслуживают зону шириной до системы с поперечно расположенными громкоговорителями — зону шириной до появления эха) и до при заметном эхе.

Чтобы избежать мертвых зон под рупорными громкоговорителями и, следовательно, эха иногда используют (при высокой подвеске) строенные рупорные громкоговорители: один из них направляют осью вниз.

Пространственные зональные системы. Они могут быть составлены из нескольких линейных систем (см. рис. 8.11, г), каждая из которых обслуживает относительно узкую, но

длинную зону. В этом случае возможно появление взаимных помех.

Для поперечного расположения громкоговорителей в каждой узкой зоне помехи от соседних зон определяются так, как для продольного расположения громкоговорителей в линейных системах, а для продольного расположения в каждой узкой зоне так, как для поперечного расположения в линейных системах.

Для пространственных зональных систем с обслуживанием их радиальными громкоговорителями помехи в виде мешающего эха появляются при расстояниях между громкоговорителями свыше Под каждым громкоговорителем получается перепад уровней, создаваемых своим громкоговорителем и четырьмя соседними

а разность хода во времени Например, подставляя в эти выражения значения получаем: и разность хода с, тогда как допустимая разность уровней для этого запаздывания составляет для появления мешающего эха также При этом неравномерность озвучения с учетом 3 дБ на стыке зон будет

Если сдвинуть громкоговорители на то соответственно перепад уровней будет и разность хода до Требуемый перепад для появления мешающего эха (см. рис. 2.21) составляет — а заметного По неравномерности можно было бы разнести громкоговорители и на большее расстояние, но существующие радиальные громкоговорители развивают недостаточно большой уровень, чтобы создать требуемый уровень для слушания на фоне акустических шумов.

Радиальные громкоговорители, составленные из звуковых колонок или рупорных, могут превысить большие расстояния при большей высоте подвеса. Так, громкоговоритель, составленный из шести при высоте подвеса 10 м обслуживает зону без мешающего эха.

Методы нейтрализации помех в системах зональной звукофикации. Как указывалось, помехи в системах звукофикации возникают от действия тех же громкоговорителей, которые установлены на заданном объекте звукофикации для его озвучения, а также от отражения звуковых волн от различных строений, стоящих около объекта или даже на самом объекте звукофикации. Помехи возникают и от других громкоговорителей, если размеры озвучиваемой поверхности велики и одним сосредоточенным источником звука не обойтись, и поэтому приходится использовать зональную или распределенную систему озвучения или по крайней мере иметь два источника звука, работающих навстречу друг другу. Поэтому важно определять уровни этих помех на озвучиваемой поверхности и способы их снижения.

Определение уровней, создаваемых системами озвучения. Если расстояние слушателя от звука, отражающегося от строения, не превышает то никакой помехи нет. Но в большинстве случаев размеры озвучиваемой поверхности гораздо больше и если строения находятся на краю озвучиваемой поверхности, то в ряде ее точек будет разность хода прямой и отраженной звуковых волн более 20 м. В таких случаях, чтобы уменьшить уровень отраженных звукрвых волн, надо создать наибольший градиент изменения уровня в направлении к этому строению. Эти требования можно выполнить, создавая уровень на границе озвучиваемой поверхности не более ниже максимального, тогда вследствие отражения, воспринимаемого слушателем, уровень будет только на ниже максимального и неравномерность не превысит нормы.

Для получения большого градиента изменения уровней угол наклона оси громкоговорителя нельзя брать меньше а для получения небольшой неравномерности на начальном участке нельзя брать угол наклона больше Следовательно, при больших размерах площади (например, надо подвешивать громкоговорители не ниже и не выше Только при такой высокой подвеске градиент изменения уровней будет предельно воможным.

Пример. Возьмем мощную звуковую колонку ее эксцентриситет При продольном размере площади 80 м, точке упора оси в озвучиваемую поверхность высоте подвеса колонки получим неравномерности озвучения на границе площади

Так как у края озвучиваемой поверхности находится строение, хорошо отражающее звуковые волны, то уровень повысится на 3 дБ и неравномерность снизится до Построим график уровней для в зависимости расстояния до громкоговорителя (рис. 8.12). Если отражающая поверхность будет на расстоянии от громкоговорителя, то для отраженной волны уменьшение уровня будет зеркальным отражением (кривая 1). Определим перепады уровней прямого и отраженного звука в зависимости от расстояния и времени запаздывания и результаты запишем в

Таблица 8.5. (см. скан) Перепады уровней для различных отражений при высоте

таблицу (отражение 1). Там же даем предельно возможные перепады уровней (граница мешающего эха). Как видим из этих данных, мешание будет в пределах от точки под громкоговорителем до 30 с от него. Избежать этого можно путем подзвучивания менее мощным громкоговорителем, направленным вниз под углом 60°, или озвучивать эту часть площади (на ней могут находиться трибуны) специальными громкоговорителями, находящимися на расстоянии от основных громкоговорителей и направленных на трибуны (навстречу основным).

Если отражающая поверхность находится на расстоянии или за краем озвучиваемой поверхности то аналогично строим кривую отраженных уровней (кривые 2 и 3) и из них находим перепады уровней прямого и отраженного звука. Эти данные сводим в ту же табл. 8.5. Для (отражение 2) только точки под громкоговорителем имеют перепад уровня меньше допустимого на а при перепад уровней обеспечивает отсутствие эха (запас

Рис. 8.12. Пример расчета перепада уровней прямого и отраженного звуков от препятствий на расстояниях

Если необходимо, то можно подзвучить маломощными громкоговорителями. Для отражающей поверхности на расстоянии от края озвучиваемой поверхности перепады получились больше допустимых на на всей площади.

Для мощного рупорного громкоговорителя при тех же установочных данных

Рассуждая аналогично предыдущему случаю, получаем перепады уровней прямого и отраженного звука. Сравнивая эти данные с предыдущими, видим, что они мало отличаются друг от друга. Разница между этими громкоговорителями только в том, что у колонки нет необслуживаемой зоны под громкоговорителем (неравномерность не более а у рупорного она есть (в данном случае она получается и при неравномерности

Определим точку, в которой уровень равен уровню в точке упора оси. Имеем а уровень под громкоговорителем в этом случае на -ниже, чем в точке упора оси. Поэтому необслуживаемая зона будет шириной около Преимуществом рупорного является большая громкость передачи (примерно на 6 дБ).

Как колонки, так и рупорные громкоговорители, применяемые для озвучения больших площадей, создают недостаточно большой градиент уменьшения уровней для того, чтобы не мешать в соседних зонах. Даже при (для нашего случая это уровень снижается по отношению к максимальному только на т. е. при максимальном уровне это будет что около санитарной нормы для внешнего шума жилой зоны. Таким образом, зона мешания простирается на от озвучиваемой площади. Такой системой можно пользоваться только в особых случаях (праздничное гулянье и т. п.).

Звуковые колонки много излучают и назад, причем дальность этого действия приме но в 5 раз меньше, т. е. составляет около В этом отношении рупорные громкоговорители лучше, так как они почти не излучают назад и помехи от них в эту сторону не будут далее

Рис. 8.13. Иллюстрация расчета перепадов уровней для двух встречно работающих громкоговорителей при разных углах наклона их осей к горизонту: а и и

Два громкоговорителя, работающие встречно, на середине между ними создают одинаковые уровни, и поэтому общий уровень на средней линии на 3 дБ выше, чем при одиночной работе громкоговорителя. В обе стороны от этой точки на 10 м помех не будет, так как разность хода с учетом высоты подвеса будет меньше 20 м. Дальше этого расстояния возможно появление эха. Как было показано ранее, отраженный звук от препятствия, находящегося на краю озвучиваемой поверхности длиной 80 м, еще не создает мешающего эха. Но это равносильно встречной работе громкоговорителей, находящихся на расстоянии 160 м друг от друга (и даже они могут быть на расстоянии 200 м, так как при этом еще нет мешающего эха). Только в этом случае потребуется озвучивать ближнюю зону около громкоговорителей.

Предыдущее рассмотрение относится к работе мощных громкоговорителей с озвучением большой площади. Часто требуется озвучить двумя громкоговорителями небольшую улицу или площадь. В этом случае используют звуковые колонки или рупорные громкоговорители средней и иногда небольшой мощности, чаще всего рупорные (громкоговоритель и звуковые колонки или смотря по назначению системы: применяют для передачи художественных программ). В данных случаях имеют дело только с взаимными помехами.

Есть два метода снижения этих помех. Один был рассмотрен ранее (подвеска громкоговорителей с большой крутизной подвески и направлением осей громкоговорителей на точки ближесередины зоны (на 0,2 ... 0,25 расстояния между громкоговорителями). Второй метод—подвеска громкоговорителей на небольшой высоте с тем, чтобы под ними уровень был на выше, чем на середине зоны.

По первому методу строим зависимость уровней от расстояния до громкоговорителей (рис. 8.13, а). В середине на стыке зон уровни увеличиваются на 3 дБ из-за суммирования интенсивностей. В результате получаем перепады уровней, приведенные в табл. 8.6, и разность времени прихода звуковых волн в зависимости от расстояния с учетом высоты подвеса громкоговорителей. Как видим, по этому методу есть запас на если считать, что под громкоговорителем в небольшой зоне шириной около 3 м будет мешающее эхо. При необходимости там надо поместить небольшие громкоговорители для озвучения этой части площадки. Можно было бы раздвинуть громкоговорители на расстояние до 120 м друг от друга — эхо не будет мешающим. Но для такого расстояния мощности громкоговорителей

Таблица 8.6. (см. скан) Сравнение двух методов по перепадам уровней

Таблица 8.7. (см. скан) Сравнение двух методов по перепаду уровней

будет недостаточно для получения приемлемых уровней передачи.

По втброму методу (рис. 8.13, б) перепады несколько меньше» чем по первому методу, кроме участка под громкоговорителями. Но и такие перепады Вполне достаточны. Неравномерность озвучения получается

Можно использовать промежуточные варианты: увеличение высоты подвеса с приближением точки оси ближе к границе раздела зон.

Рассмотрим те же методы применительно к рупорным громкоговорителям, в частности к Строим зависимости уровней от расстояния до громкоговорителей (рис. 8.13, г и д) и рассчитаем перепады уровней для тех же расстояний и углов наклона оси громкоговорителей, как и в предыдущем случае. Данные расчетов сводим в таблицу 8.7 для обоих методов.

Как видно данных, по первому методу только в зоне под громкоговорителем шириной 10 м перепад меньше дойустимого, т. е. требуется дополнительное подзвучивание этой зоны. По второму методу то же самое, но требуется подзвучениё той же зоны с более высоким уровнем, это вполне понятно, так как рупорные громкоговорители почти не излучают под углом и слабо излучают под большими углами.

В рассмотренных случаях исходили из условия отсутствия мешающего эха. Но при озвучении с более высокими требованиями следует исходить из условия заметного эха. В этом случае допустимые перепады уровней гораздо меньшие и поэтому расстояния между громкоговорителями надо брать вдвое меньше Дело в том, что абсциссы кривой заметности эха и кривой мешающего эта отличаются примерно вдвое, и поэтому для одних и тех же перепадов уровней время запаздывания надо иметь вдвое меньшее.

Сравним рассмотренные методы озвучения с зональной системой» Состоящей из громкоговорителей, оси которых Направлены в одну сторону по длине объекта. Если взять два громкоговорителя с расстоянием между ними и направить Ось одного из них в точку под следующий за ним Громкоговоритель, то можно найти йрейады уровней в различных точках по Линии громкоговорителей. Получаются достаточно большие перепады, но при большой неравномерности озвучения. Выходов два: сблизить громкоговорители, например до или оставить громкоговорители на прежних местах, но изменить наклон их осей, взяв промежуточный наклон между двумя методами. При таком условии перепады сильно уменьшаются. Для примера рассмотрим один случай: звуковые колонки подвешены на высоте 10 м с углом наклона 11,3° Расчет уровней, развиваемых колонками, дает перепады уровней, приведенные ниже.

Как видим, около громкоговорителя перепад меньше требуемого. Этот вариант уступает предыдущим по количеству точек озвучения (требуется опор вдвое больше). Его преимущество в том, что звук как бы идет в одном направлении. Примерно такие же результаты получаются и для рупорных громкоговорителей. Но для них обязательно требуется подзвучивание под громкоговорителями.