Направленный звук: технологии и принципы формирования звуковых полей.

Введение

Поля звука, распространяющиеся менее широко, чем большинство передач. Направленный звук – это использование различных устройств для создания звуковых полей, распространяющихся менее широко, чем у большинства традиционных (небольших) громкоговорителей. Существует несколько техник для достижения этого, и каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Выбор устройства направленного звука в конечном итоге во многом зависит от среды, в которой оно будет использоваться, а также от воспроизводимого контента. Учет этих факторов позволит добиться наилучших результатов при оценке технологий направленного звука. Системы, которые направляют эвакуирующихся во время чрезвычайной ситуации, излучая розовый шум в направлении выходов, также часто называют системами направленного звука.

Основная теория

Во всех источниках, генерирующих волны, направленность источника, в максимальной степени, определяется соотношением размера источника к длине волны излучаемого сигнала: чем больше размер источника по сравнению с длиной волны звука, тем более направленным будет луч. Конкретный метод преобразования не оказывает влияния на направленность создаваемого звукового поля; анализ основывается исключительно на апертурной функции источника, в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля. Ультразвуковые устройства достигают высокой направленности, модулируя слышимый звук на высокочастотный ультразвук. Звуковые волны более высокой частоты имеют меньшую длину волны и, следовательно, распространяются медленнее. Благодаря этому, направленность этих устройств значительно выше, чем физически достижимая для любой акустической системы. Однако, сообщается об их ограниченных возможностях воспроизведения низких частот. Дополнительную информацию можно найти в разделе "Звук от ультразвука".

Массивы динамиков

В то время как большой динамик естественным образом более направленный из-за своих больших размеров, источник с эквивалентной направленностью можно создать, используя массив традиционных небольших динамиков, все объединенные и управляемые в фазе. Акустически эквивалентный большому динамику, он создает больший размер источника по сравнению с длиной волны, что приводит к сужению звукового поля по сравнению с одиночным маленьким динамиком. Большие массивы динамиков использовались в сотнях звуковых систем для арен, чтобы уменьшить шум, который в противном случае распространялся бы в соседние районы, а также в ограниченном числе других приложений, где полезна определенная степень направленности, например, в музеях или аналогичных выставочных пространствах, допускающих большие размеры динамиков. Традиционные массивы динамиков могут быть изготовлены любой формы и размера, но уменьшение физических размеров (относительно длины волны) неизбежно приведет к снижению направленности в этом измерении. Чем больше массив динамиков, тем он более направленный, и чем меньше размер массива, тем менее направленный. Это фундаментальный принцип физики, который нельзя обойти, даже с использованием фазированных массивов или других методов обработки сигналов. Это связано с тем, что диаграмма направленности любого волнового источника является преобразованием Фурье исходной функции. Однако фазированные массивы иногда полезны для управления направлением луча или подавления боковых лепестков, но эти компромиссы неизбежно снижают направленность. С акустической точки зрения, массивы динамиков по сути идентичны звуковым куполам, которые также доступны уже несколько десятилетий; размер отверстия купола имитирует акустические свойства большого динамика того же диаметра (или, что эквивалентно, большого массива динамиков того же диаметра). Однако купола, как правило, значительно легче сопоставимых массивов динамиков (15 фунтов против 37 фунтов, согласно данным с веб-сайтов производителей) и значительно дешевле. Другие типы больших акустических панелей, такие как электростатические динамики, как правило, более направленные, чем маленькие динамики, по тем же причинам, что и выше; они лишь немного более направленные, поскольку обычно имеют большие физические размеры, чем большинство распространенных динамиков. Соответственно, электростатический динамик размером с небольшой традиционный динамик будет не направленным. В [указанном месте] приведена направленность для различных размеров и форм источников. Показано, что направленность зависит только от размера и формы источника, а не от конкретного типа используемого преобразователя.

While a large loudspeaker is naturally more directional because of its large size, a source with equivalent directivity can be made by utilizing an array of traditional small loudspeakers, all driven together in phase. Acoustically equal to a large speaker, this creates a larger source size compared to wavelength, and the resulting sound field is narrowed compared to a single small speaker. Large speaker arrays have been used in hundreds of arena sound systems to mitigate noise that would ordinarily travel to adjoining neighborhoods, along with limited applications in other applications where some degree of directivity is helpful, such as museums or similar display applications that can tolerate large speaker dimensions. Traditional speaker arrays can be fabricated in any shape or size, but a reduced physical dimension (relative to wavelength) will inherently sacrifice directivity in that dimension. The larger the speaker array, the more directional, and the smaller the size of the speaker array, the less directional it is. This is fundamental physics, and cannot be bypassed, even by using phased arrays or other signal processing methods. This is because the directivity pattern of any wave source is the Fourier Transform of the source function. Phased array design is, however, sometimes useful for beamsteering, or for sidelobe mitigation, but making these compromises necessarily reduces directivity. Acoustically, speaker arrays are essentially the same as sound domes, which have also been available for decades; the size of the dome opening mimics the acoustic properties of a large speaker of the same diameter (or, equivalently, a large speaker array of the same diameter). Domes, however, tend to weigh much less than the weight of comparable speaker arrays (15 lbs vs. 37 lbs, per the manufacturer's websites), and are far less expensive. Other types of large speaker panels, such as electrostatic loudspeakers, tend to be more directional than small speakers, for the same reasons as above; they are somewhat more directional only because they tend to be physically larger than most common loudspeakers. Correspondingly, an electrostatic loudspeaker the size of a small traditional speaker would be non directional. The directivity for various source sizes and shapes is given in. The directivity is shown to be a function only of the source size and shape, not of the specific type of transducer used.