Sơ lược về lịch sử
Line array không mới. Nguyên tắc cấu thành một cột loa làm từ những loa đặt gần nhau đã có từ nhiều thập kỷ, được thực hiện chủ yếu là những loa cột được dùng trong những môi trường có nhiều âm vang dội như là nhà thờ và nhà ga. Line array tăng tính định hướng theo chiều dọc và cung cấp một chùm tia hẹp thẳng đứng trong khi phạm vi bao phủ theo chiều ngang vẫn giữ như là một thiết bị duy nhất.Nguyên tắc của line array được mô tả trong quyển sách “Các yếu tố của kỹ thuật âm học” (Elements of Acoustical Engineering) của tác giả Olsen được xuất bản dài của cột loa, với điều kiện khoảng cách giữa các loa phải nhỏ hơn bước sóng được sinh ra.
Trong âm thanh biểu diễn, những cột loa trong những năm 1960 không thể cạnh tranh với tiếng gào thét của những khán giả và vào giữa những năm 1970 những hệ thống âm thanh biểu diễn đã tiến bộ hơn khi dùng nhiều họng loa tần số cao hiệu quả cao để nâng cao SPL và dải tần.
Những họng loa này được cấu hình thành những thùng loa rời theo kiểu thấp, trung và cao. Điều này có nghĩa là những thùng loa tần số thấp (bass) được xếp với nhau để tăng sự kết hợp tần số thấp và những thùng tần số cao và trung được xếp theo chiều dọc như line array để thu hẹp để thu hẹp góc phủ theo chiều dọc và tăng khả năng phóng xa.
Hình 1: Âm thanh của những năm 70
Suốt những năm 1980 và 1990, sự xếp dặt hiệu quả về âm thanh này phần lớn đã được thay thế bằng những cụm loa được xếp theo chiều ngang với những thùng loa 3 way giống nhau với cả 3 loa thấp, trung, cao trong một thùng.
Bước đi được cho là đi lùi lại này chủ yếu là do một mong muốn có những hệ thống được đóng thùng thuận tiện có thể treo trên sân khấu hơn là chồng lên nhau. Những cụm loa treo ngang này bỏ đi yếu tố kết hợp liền kề về âm học trong sự ưa chuộng triết lý cá nhân “point and shoot”. Vấn đề chính với những hệ thống treo cụm này là sự giao thoa gây nên bởi nhiều nguồn có thể gây nên những sự thay đổi lớn trong đáp ứng tần số trên khu vực người nghe.
Từ khi không có sự ghép nối tần số cao (HF) của những loa gần nhau, việc đi xa của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào từng loa HF và gần như luôn cần thiết phải có những hệ thống delay để mang lại tần số cao ở mỗi 50m. Ngoài ra, như một hệ quả việc kết hợp tần số thấp không mong muốn,tần số thấp (low) và trung thấp (low mid) được sinh ra làm méo đáp tuyến tần số tổng thể khi kích thước cụm loa tăng lên ngay cả khi bắt đầu ghép cụm loa với từng thùng có đáp tuyến tần số bằng phẳng.
Line array cho âm thanh biểu diễn
Từ đầu những năm 90, những nguyên lý về line array được sử dụng lại cho những vấn đề của âm thanh biểu diễn – lúc này là dạng đã được đóng thuận tiện cho việc treo. Line array bây giờ là công nghệ chính cho hệ thống âm thanh biểu diễn và được nhận ra là mang lại lợi ích đáng kể hơn những cụm loa treo ngang – như là một đáp ứng tần số phù hợp hơn với khu vực người nghe, tăng khả năng phóng xa tần số cao và giảm thời gian treo.
Hình 2: thùng loa line array W8L
Hình 2 cho ta thấy một thùng loa line array 3 way W8L hiện tại của Martin Audio được treo đơn giản thành một cột tối đa tới 16 thùng
Hình 3: loa line array W8L treo
Đây là một hệ thống loa 3 way với 1 loa tần số thấp horn 15”, 2 loa trung horn 8”, 3 loa cao horn 1”. Hiệu quả mang lại cho 1W đầu vào là 106dB cho tần số thấp, 108dB cho tần số trung và 113dB cho tần số cao. Điểm giao tần số là 220Hz và 2.5KHz.
Chìa khoá cho việc tần số cao phóng xa của hệ thống line array
Khoảng cách giữa các loa càng nhỏ hay phát trực tiếp thì dạng sóng sinh ra bởi các loa này càng phẳng. Nói một cách đơn giản, nếu mỗi loa có công suất càng lớn kết hợp với nhau theo một cấu trúc thì công suất của toàn hệ thống sẽ càng tăng. Để minh hoạ điều này, sự khác nhau giữa 3 họng loa đặt gần nhau và 3 họng loa 30°đặt cách nhau 1m (điển hình cho một cụm) được thể hiện ở hình 4 và 5.
Hình 4: W8L 3 x 1” HF ở 8kHz, phân bố dọc.
Hình 5: 3 họng 30° đặt cách 1 m ở 8KHz
Những line array thẳng
Ở những line array thẳng, tính định hướng được tăng cường này trong mặt phẳng thẳng đứng có thể dẫn tới những góc phủ dưới 1° ở tần số cao. Trong khi chùm tia hẹp này có thể phù hợp với mục tiêu thông báo bằng giọng nói trong các nhà ga bến bãi, nó ít dùng thực tế trong các ứng dụng biểu diễn nơi mà ít khán giả có vị trí thuận lợi.Phần lớn những quan điểm cho rằng những line array thẳng đứng sinh ra một dạng sóng thẳng đứng với công suất phát ra sẽ giảm đi 3dB khi khoảng cách tăng lên gấp đôi hơn là liên kết 6dB với dạng sóng hình cầu được chia ra trên cả mặt phẳng. Độ đi xa được tăng lên bằng cách mở rộng những trụ loa gần ra khoảng cách lớn hơn đã được dựng là một trong những lợi ích chính của công nghệ line array.
Có hai vấn đề với khái niệm này trong các hệ thống thực tế. Đầu tiên là một sóng hình trụ sẽ đòi hỏi một cột từ sàn tới trần trong một sân vận động điển hình để bao phủ sàn và cả ghế cao nhất.
Thứ hai là chỉ có một đường cao vô hạn có thể sản xuất một cột sóng hình trụ ở tất cả các tần số. Một nguồn âm thực tế với chiều dài hữu hạn sẽ chỉ tiếp cận "trụ" cho một khoảng cách nhất định sau đó sẽ phân tán trong mặt phẳng thẳng đứng. Về mặt lý thuyết, với một array cao 3m liên tục, sự chuyển đổi từ 3dB để 6dB sẽ xảy ra ở những khoảng cách sau đây:
100Hz 500Hz 1KHz 5KHz 10KHz
1.3m 6.5m 13m 65m 130m
Có lẽ về mặt lý thuyết, hiệu ứng hình trụ này ít được dùng trong thực tế, nó chỉ dùng khi phát những tần số cao. Nếu chúng ta nhớ rằng độ bao phủ theo chiều dọc của một hệ thống line array thẳng có thể chỉ ít hơn 1°, rõ ràng là rất ít người nghe được hưởng lợi từ một chùm tia hẹp như vậy.
Bẻ cong array
Để đạt được độ rộng dọc để bao phủ một khu vực khán giả thực tế, những line array dùng cho âm thanh biểu diễn gần như luôn luôn được bẻ cong theo bề mặt phẳng đứng. Phỏng theo nguyên tắc line array từ những array thẳng trên lý thuyết cho những array cong trên thực tế có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế âm thanh, triển khai về mặt vật lý và điều khiển điện tử của những line array thực tế cho âm thanh biểu diễn.Trước hết, ta cần xác định chính xác dạng cong nào cần thiết để đạt được tính định hướng mong muốn cho một địa điểm cụ thể. Thứ hai, ta cần phải xác định độ cong dạng sóng thích hợp của từng loa để tránh quá nhiều sự giao thoa chồng lên nhau khi array thẳng hoặc trống khi array quá cong.
Vì những câu hỏi này quá phức tạp để có thể trả lời bằng những lý luận đơn giản, một mô hình máy tính đã được phát triển kết hợp với các đặc tính âm thanh và những thông số điện cơ của từng mỗi loa có tần số thấp, trung và cao và mỗi loa được điều khiển bằng bộ chia tần số ảo. Hiện tượng tần số cao bị hấp thu bởi không khí ở khoảng cách xa cũng được đưa vào tính toán.
Phát triển mô hình
Việc phát triển các mô hình để mô phỏng hoạt động của line array cong liên quan đến:
. Tính toán áp lực âm thanh từ những array cong
. Bù lại sự hấp thụ của không khí
. Điều khiển sự thay đổi về không gian của array
. Mô phỏng các chức năng của sự cân bằng âm sắc chung
. Đo lường dạng cong của dạng sóng
. Xác nhận
1. Tính toán áp lực
Việc mô tả chung nhất về một trường âm thanh do một cá thể đơn phát ra được tính bằng phương trình tích phân Kirchoff-Helmholtz. Chúng ta đang phát triển những kỹ thuật số học để giải phương trình này, tuy nhiên, trong khi đó ta có thể dùng xấp xỉ. Phương pháp này dùng nguyên tắc Huygens-Fresnel đã được sửa đổi cho ra những kết quả giống như KHIE ngoại trừ khi dịch pha 90°. Nguyên tắc này được phát biểu là “ Mỗi điểm không bị cản trên một sóng tại một thời điểm được cho tức thì được cho như là nguồn của những sóng lan truyền thứ cấp. Độ lớn của trường tại bất cứ điểm nào bên ngoài là sự chồng nhau của những sóng lan truyền này” (every unobstructed point on a wavefront at a given instant in time, serves as a source of secondary spherical wavelets. The amplitude of the field at any point beyond is the superposition of all of these wavelets). Định nghĩa là bao gồm một hàm số được gọi là yếu tố xiên sinh ra hướng sóng lan truyền thứ cấp. Sự giao nhau với những sóng ngược lại này được ngụ ý bởi những sóng lan truyền thứ cấp.
Ψ là góc được tạo với đáp tuyến của sóng chính
Hình 6: Tính toán áp lực
Trong đó
Rcurve = bán kính của độ cong của cột loa
σcurve = ½ góc của cột loa – L cho sẵn
ps = một điểm trên cột loa
pr = một điểm nhận âm thanh
r = khoảng cách từ ps đến pr
Ψ = góc tạo bởi đường ps pr với trục cột loa
R = khoảng cách từ tâm cột loa đến pr
θ = góc tạo bởi đường thẳng từ tâm cột loa đến pr và trục của cột loa
Áp lực của toàn bộ cột loa được tính bằng
Trong đó
β(σ) = phase dọc theo đường cong (tính tới 0)
U(σ) = độ lớn dọc theo đường cong
Thông thường r trong mẫu số của tích phân được đưa ra ngoài bằng cách giả sử trong môi trường xa. Ta cũng có thể tính toán nó từ khi máy tính rẻ đi và chúng ta quan tâm đến nó ở tầm gần hơn là ở tầm xa.
Với phương trình đó chúng ta có thể cộng tổng công suất của tất cả các cột loa cong cho nhiều điểm nghe và cả bao gồm mức gain dự phòng và khoảng hấp thụ của không khí.
Trong trường hợp này ta có thể bỏ qua lỗi rất nhỏ khi dùng R thay cho sử dụng r chính xác hơn trong sự suy giảm do không khí
2. Sự hấp thụ không khí
Quá trình để xác định hệ số hấp thụ không khí tính bằng dB/m được mô tả ở [4]. Phương pháp đã được bổ sung đầy đủ để tính toán độ suy giảm không khí trong phương trình trên.3. Sự thay đổi về không gian:
Để những mô hình có ích cho những sự thay đổi cần phải tương quan với các thông số thực tế. Mỗi thùng loa phải được định nghĩa trong không gian như sau. Chiều cao của thùng loa
. Chiều sâu của thùng loa
. Chiều dài của khoảng không gian không phát âm được. Độ sâu của họng loa.
. Số loa trong một thùng.
. Góc xoay của họng loa.
. Dạng sóng của từng thùng loa
. Chiều cao của thùng loa tính từ mặt đất.
. Góc của lưới.
. Góc xoay của thùng loa.
. Chức năng chuyển tiếp H(k) của từng thùng loa.
. Chỗ của người nghe – mặt bằng, hướng.
Ngoài ra còn có tần số, nhiệt độ, độ ẩm và âm sắc. Tất cả quá trình này được thực hiện trong MathCAD để nghiên cứu hơn là để ứng dụng.
4. Âm sắc
Chúng tôi đã nhân rộng các chức năng lọc của Martin Audio DX1 để cung cấp dữ liệu cho chức năng tính toán phuong trình 35. Đo đạc dạng sóng
Chúng tôi dùng một kỹ thuật được tìm ra trong mục [5] là nơi phân phối pha tại miệng của thùng loa được đo bằng 1 micro nhỏ và tại một vị trí nhất định. Phép đo được thực hiện bằng MLSSA và một chương trình được viết để chuyển những thông tin thu được tương thích với MathCAD. Dữ liệu pha này sẽ được mở và hiển thị ở dạng 2D và 3D để phân tích. Việc này cung cấp số liệu cho Rcurve trong biểu thức 2.6. Xác nhận
Để xác nhận mô hình của họng loa HF 1W28L đã được sắp thành 1 hàng với mặt nghiên của chúng như đã chỉ ra ở trên. SPL đo được ở mỗi 20cm trên một đường 12m tới hàng đặt ở trung tâm.
Các giá trị được đo đạc và dự đoán như sau:
Với mô hình này, ta đã có thể dự đoán những đường cong đáp ứng tần số tại nhiều điểm trong khu vực khán giả và dùng những kết quả này để tối ưu hoá độ cong của array.
Trong những trường hợp gần đây, các mô hình máy tính mang lại những cải tiến cho line array cong (hình 8), trong đó độ cong được tăng từ trên xuống dưới. Điều này tạo ra một đáp tuyến phù hợp từ những hàng ghế đầu cho đến những hàng ghế cuối hơn là array kiểu J có dạng ở trên thẳng, đi xa trên đầu array, phần cuối cong hơn.
Hình 8: Array cong cải tiến
Hình 9: Array kiểu J
Độ cong của sóng âm
Suốt những năm 1990 khi line array nổi lên như là định dạng chính trong âm thanh lưu diễn, lập luận được đưa ra là tập trung vào sự cần thiết phải đạt được dạng sóng phẳng từ mỗi thùng loa.Trong khi điều này có thể đáng khen trong 1 line array thẳng, một dạng sóng đặc biệt phẳng hoàn toàn không phải là bắt buộc và thật sự có thể gây ra những vấn đề trong array cong nơi có những trạng thái phức tạp và những thoả hiệp quan trọng đã được thực hiện. Có nhiều độ cong của dạng sóng hơn sẽ ảnh hưởng xấu đến độ kết hợp và ngõ ra trên đỉnh array nơi thường có rất ít hoặc không có độ nghiêng giữa mỗi thùng loa.
Không có độ nghiêng sóng sẽ cho những điểm tần số cao đáng lưu ý tại đó góc nghiêng của các thùng loa sẽ lớn, điển hình là khu vực gần tại cuối array. Điều này tồi tệ khi các điểm bản lề ở tại phía sau của thùng loa và array cong có những điểm trống phía trước.
Tiêu chí nửa để cải tiến line array cho những khoảng cách dọc giữa các loa ít hơn một bước sóng của tần số cao nhất được tái tạo. Điều này có thể đúng cho những sóng âm trực tiếp, nhưng đây là một khu vực mà nơi âm thanh phát ra bởi họng và phát trực tiếp có thể khác nhau, một họng có thể có nhiều loa (hình 10a) lớn hơn một bước sóng ngoài tại tần số cao nhất nơi chúng tái tạo và sản sinh một dạng sóng có độ cong thấp được chỉ ra ở hình 10b
Hình 10a: Một họng loa trung W8L
Hình 10b: Họng loa trung W8L – dạng sóng cong được đo tại tần số 2.5KHz
Điều này đã được khẳng định bằng cách đo sự phân bố pha trên miệng của họng loa mid W8L tạo bởi 2 loa 8” được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc. Kết quả cho thấy họng loa mid sinh ra dạng sóng có độ cong thấp trong mặt phẳng đứng cho tới tần số 2.5KHz, giới hạn tần số trên của nó. (Chú ý rằng độ cong từ trái qua phải là do sự phân tán ngang 900 của họng.
Vị trí bản lề
Bởi vì cần được uốn cong nên line array thực tế thường được liên kết bằng các móc treo với những bản lề đằng trước hoặc sau cho một loạt góc nghiêng được tạo ra – thông thường là từ 0 đến 5 và 100, phụ thuộc vào thiết kế đặc biệt.
Không chỉ việc vị trí các bản lề làm cong line array một cách chính xác rất quan trọng để đạt được dải tần số phù hợp tại bất kỳ điểm nào trong khu vực người nghe, mà nó còn giữ một phần quyết định. Với một vị trí bản lề đằng trước loa, khoảng cách giữa mỗi thùng loa như nhau, không phân biệt góc nghiêng. Đây là một lợi thế khi góc nghiêng tăng, thông thường thì đối với đáy của array (hình 11). Với những điểm bản lề phía sau, độ suy giảm đáng lưu ý xảy ra đối với dãy tần số cuối phía trên khi người nghe đứng ngoài trục của mỗi thùng loa. (hình 12)
Hình 11: 11 bản lề trước, 8 thùng loa tại tần số 5.6KHz
Hình 12: 12 bản lề sau, 8 thùng loa tại tần số 5.6KHz
Sự hấp thụ không khí và cân bằng âm sắc
Trong khi line array có khả năng sinh ra tần số cao nhiều hơn đối với những loa cụm, tất cả các hệ thống âm thanh vẫn còn bị giới hạn bởi hiện tượng hấp thụ không khí, đặc trưng là nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển và tần số (hình 13)
Hình 13: Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm
Mối quan hệ giữa các đại lượng là khá phức tạp nhưng suy hao luôn luôn tăng khi tần số tăng và khoảng cách từ nguồn phát tăng. Lưu ý, hiệu ứng này là nằm ngoài suy hao SPL tổng mất đi khi gia tăng khoảng cách. Ví dụ, có những điều kiện thời tiết có thể làm giảm đi 12dB tại tần số 8KHz chỉ với ở khoảng cách 50m cách nguồn âm. Ở những lúc khác hệ thống như vậy có thể đi xa tới hơn 200m. Đây rõ ràng là một tác động đáng kể cần phải được giải quyết bằng cách cân bằng âm sắc thích hợp.
Để bù đắp sự ảnh hưởng của hấp thụ không khí đòi hỏi phải tăng dần EQ khi khoảng cách tới array tăng lên. Vì do sự hấp thụ không khí chủ yếu ảnh hưởng tới tần số cao, cho nên đó là thuận lợi để chia loa tần số cao vào một số kênh riêng (thông thường là 3 kênh) để mà EQ tối ưu có thể được thêm vào cho phù hợp với yêu cầu phóng gần, xa và trung bình của array.
Bằng cách sử dụng kỹ thuật “qui hoạch tần số cao” này mà những người ở gần phía trước không phải nghe thêm EQ ở tần số cao giống như những người ở xa phải nghe để có thể có tần số cao đầy đủ. Kỹ thuật đơn giản này có thể cung cấp chất lượng âm thanh phù hợp trên toàn bộ khu vực người nghe. (hình 14)
Hình 14: Qui hoạch tần số cao để bù sự hấp thụ của không khí
Những công cụ thực tiễn
Trong việc điều chỉnh về vật lý và điện tử, những line array gần như không bỏ qua những hệ thống loa cụm (point and shoot) và chúng ta cần phải tìm một cách để loại ra những phỏng đoán trong việc thiết lập hình dạng array, chiều dài cột loa và thông số điều khiển tốt nhất cho bất kỳ địa điểm cụ thể nào. Những quy tắc cong cải tiến được thiết lập bởi những mô hình toán học được đưa vào một chương trình tối ưu độc quyền Viewpoint (hình 15) nó sẽ tự động tối ưu hoá độ cong của array để phù hợp với địa điểm tổ chức. Những thiết kế đó có thể lưu vào đĩa và in ra sẵn sàng để cung cấp cho tổ kỹ thuật lắp đặt array.
Hình 15: Tổng thể
Trước khi có line array dùng cho nhạc sống, thông thường dùng một bộ điều khiển kỹ thuật số cho một hệ thống loa đặc biệt, người dùng có thể thêm EQ yêu thích và thay đổi bộ lọc tần số. Trong khi sự đơn giản của phương pháp này vẫn có thể giữ được một số yêu thích thì line array thuận lợi hơn từ những thông số định sẵn được đưa vào có thể thay đổi như độ dài của cột loa và độ cong.
Mô hình toán học cho phép xác định một số mẫu thiết lập được tối ưu cho nhiều độ cong array khác nhau và cũng có tính đến các tác động rất khác nhau của sự hấp thụ không khí. Những thiết lập này được gọi bởi chương trình Viewpoint trong suốt quá trình thiết kế array và đảm bảo chất lượng âm thanh phù hợp với khu vực khán giả với bất kỳ kích thước hay dạng của array và điều kiện khí quyển trong ngày.
Vấn đề lớn hơn
Với rất nhiều sự chú ý dành cho các khía cạnh theo chiều dọc của line array, câu chuyện của line array có thể trở nên hơi một chiều. Phải có nhiều hơn nữa về hình ảnh tổng thể hơn là chỉ thực hiện trong mặt phẳng thẳng đứng. Cách mà các nguyên tắc line array được thực hiện trong từng loa có tần số thấp, trung và cao của thiết kế là quan trọng hàng đầu.Như với bất kỳ loại loa nào, hiệu suất đo được và chìa khoá âm thanh phụ thuộc vào chuyên môn của nhà thiết kế và sở thích của họ. Ví dụ, một số thiết kế dùng loa tần số thấp và trung phát trực tiếp trong khi những người khác lại dùng họng. Kể từ khi một số line array thiết kế bộ lọc tần số cho những loa nén dưới 700Hz trong khi những bộ lọc khác phải trên 2KHz, không ngạc nhiên là những hệ thống line array từ những nhà sản xuất khác nhau có số đo và âm thanh rất khác nhau.
Trong mặt phẳng ngang, hầu hết các line array có góc phủ 900. Đạt được định hướng ngang phù hợp trên một dải tần số là thách thức đối với các nhà thiết kế và với sự tập trung chính vào việc bao phủ theo chiều dọc, điều quan trọng là quyết định thiết kế thích hợp với tiêu chuẩn thẳng đứng không làm ảnh hưởng đến hiệu suất ngang của array. Đặc biệt quan trọng là đáp ứng tần số của hệ thống không thay đổi khi người nghe đi trên trục đến 450 ngoài trục, nhưng chỉ giảm độ lớn đi 6dB.
Một trong những cách được chấp nhận để đạt được vùng phủ sóng ngang phù hợp là sử dụng những họng có định hướng liên tục để xác định mô hình bao phủ. Những họng loa định hướng liên tục W8L sử dụng cho cả loa tần số cao và trung có góc phủ ngang 900 (-6dB) trên 200Hz. Hình 16 cho ta thấy mô hình cực ngang bao phủ tốt từ 200Hz trở lên.
