EL Akustyka

Akustyka
Akustyka
Wiedza o dźwięku
W niniejszym rozdziale uzyskają Państwo podstawową wiedzę o elektroakustyce. Rozdział opisuje również sposób rozplanowania prostego systemu dźwiękowego. Ponadto, niektóre przedstawione informacje pomogą
Państwu zrozumieć niektóre aspekty istniejących systemów dźwiękowych
oraz elementy planowania systemu dźwiękowego.
System zapisu w decybelach
Pojęcie „decybel“ stosowane jest często w systemach komunikacyjnych.
Zapis decybelowy powstał z myślą o dopasowaniu poziom sygnału audio
do logarytmicznej percepcji ludzkiego ucha oraz do zmniejszenia szerokiego zakresu wartości fizycznych (ludzkie ucho posiada zakres dynamiczny
wynoszący 1:3 milionów). Wartość decybelowa (dB) jest logarytmem
współczynnika pomiędzy dwoma wartościami fizycznymi.
Decybel to dziesiąta część Bela, nazwanego tak na cześć Aleksandra
Grahama Bella.
W przypadku obliczania poziomu ciśnienia akustycznego, napięć i prądu,
wzór wygląda następująco:
dB = 20 x logarytm10 (wartość 1/wartość 2)
Dźwięk i częstotliwość
Na dźwięk składają się fale rzadkie i gęste (wibracje) przekazywane za pomocą powietrza. Fale powietrza sprężającego i rozrzedzającego stymulują
nasz zmysł akustyczny, co odczuwane jest jako dźwięk.
fala dźwiękowa
(dynamiczne ciśnienie atmosferyczne)
p (ciśnienie
atmosferyczne)
t (czas)
pojedynczy okres
Rysunek nr 1: Wahania fal dźwiękowych
(1)
W dalszej części, „logarytm10” zastąpiony został samym skrótem „log”.
Przykład: współczynnik napięcia obliczany jest jako: dB = 20 x log (U1/U2).
Dla obliczania mocy, wzór wygląda następująco:
dB = 10 x log (P1/P2)
Garść wiadomości o akustyce
(2)
Wzory przedstawione w dalszej części rozdziału nie zawierają wartości 2.
Oznacza to, że wartość 2 jest równa wartości 1 a jednostki miary dla obu
wartości są identyczne.
Wartość 2 może stanowić stały punkt odniesienia. Wówczas do skrótu „dB”
dodawana jest określona litera, która wskazuje wartość referencyjną:
Wartość
referencyjna
1 µV
1 mV
0,775 Vt
Decybel
dBµV
dBmV
dBu (dBm) dBV
1V
Częstotliwość to ilość okresów fal na sekundę. Jednostką okresów jest herc,
w skrócie Hz. 1000 Hz przedstawiane jest również jako 1 kHz (kiloherc).
W elektroakustyce słyszalny zakres częstotliwości wynosi od 16 Hz do 20
kHz.
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL)
Poziom ciśnienia akustycznego to natężenie lub głośność fal dźwiękowych.
Jego jednostką fizyczną jest Paskal [Pa]. W elektroakustyce przedstawiane
jest to jako dB SPL, co odnosi się do progu słyszalności.
Więcej informacji poświęconych SPL znajduje się w rozdziale poświęconym
głośnikom.
20 µPa *
dB SPL
* 20 µPa (mikropaskale = 0,00002 Pa) to najniższy poziom ciśnienia akustycznego słyszalnego
dla ludzkiego ucha przy 1 kHz. Poziom ten nazywany jest progiem słyszalności.
Tabela nr 1: Wartości referencyjne decybeli
Przetworniki dźwięku
Przetworniki dźwięku to urządzenia, które przetwarzają fale dźwiękowe na
sygnały elektryczne i odwrotnie.
Mikrofony
Obliczenia z użyciem decybeli
Poniższa tabela pokazuje niektóre z powiązań pomiędzy obliczeniami
a znaczeniem wartości fizycznych i decybeli:
Fizyczne
Mnożenie
Dzielenie
Decybel
Dodawanie
Odejmowanie
<1
1
>1
ujemne
ujemne
0
dodatnie
niemożliwe
Przetworniki mają kilka typów i zasad działania. Najczęściej spotykanymi
typami są mikrofony dynamiczne i elektretowe (pojemnościowe). Mikrofony dynamiczne są wytrzymałe i mogą przetwarzać wysoki poziom ciśnienia
akustycznego. Mikrofony elektretowe mają lepszą wydajność przy wysokich częstotliwościach, są tańsze od mikrofonów dynamicznych i wymagają
zasilania fantomowego bądz z wbudowanej baterii.
Mikrofony mają zróżnicowane charakterystyki zbiorcze. Główne z nich to
wielokierunkowe (odbierają dźwięk z każdego kierunku) oraz jednokierunkowe (odbierają dźwięk przede wszystkim z przodu).
Tabela nr 2: Zasady obliczeń z użyciem decybeli
Mikrofony dla systemów PA
Przykład 1: Wzmacniacz podbija sygnał wejściowy 1 mV (miliwolt) do
sygnału wyjściowego 1000 mV. Wzmocnienie jest wówczas 1000-krotne
(1000: 1) lub: 20 x log(1000) = +60 dB.
Przykład 2: Tłumik redukuje napięcie do 1/10 wartości. Stosunek mocy
wejściowej do wyjściowej wynosi: Wyjście/Wejście = 0,1 : 1 = 0,1.
W decybelach wygląda to tak: 20 x log (0,1/1) = -20 dB.
Przykład 3: Tłumik (przykład 2) podłączony został do wzmacniacza (przykład 1). Całkowite wzmocnienie wynosi: 1000 x 0,1 = 100, a w decybelach
będzie to: 60 dB + (-20 dB) = 60 dB - 20 dB = 40 dB.
Mikrofon przywoławczy
Mikrofon przywoławczy to mikrofon połączony z przyciskiem do transmitowania mowy. Przycisk ten działa zwykle w tzw. trybie PTT (Press-To-Talk
- Naciśnij, aby mówić). Po jego naciśnięciu można zacząć mówić. Po zwolnieniu przycisku przekaz mowy zostaje wstrzymany. Mikrofon przywoławczy mocowany jest zwykle na statywie łamanym lub innym mechanicznie
przedłużanym statywie (biurkowym).
Mikrofon zdalny
Konstrukcja mikrofonu zdalnego jest podobna do budowy mikrofonu
przywoławczego. Posiada on jednak kilka dodatkowych przycisków, które
zdalnie sterują funkcjami systemu PA. W większości przypadków służą one
do wyboru obszaru.
AKUSTYKA
Głośniki
Głośniki przetwarzają elektryczne sygnały audio na fale dźwiękowe.
Projektowane są do różnych zastosowań i dlatego charakteryzują się różną
wydajnością. Niektóre cechy szczególne wyjaśnione zostały w kolejnym
rozdziale.
Typy głośników
Głośniki pełnopasmowe
Pełnopasmowy głośnik może odtworzyć szeroki zakres częstotliwości
a przynajmniej główne pasmo z pełnego zakresu słyszalności. Głośnikiem
pełnopasmowym nazywamy głośnik o charakterystyce częstotliwości od
250 do 8000 Hz, bądź wyższej.
Głośniki wielodrożne
W celu uzyskania dźwięku wysokiej jakości obejmującego szeroki zakres
częstotliwości łączy się ze sobą dwa lub więcej zestawów głośnikowych,
z których każdy odpowiada za określony zakres częstotliwości. Zależnie
od ilości połączonych zakresów częstotliwości głośnik taki określa się jako
dwudrożny, trójdrożny itd.
Typy obudowy
Zamknięty głośnik skrzynkowy jest łatwy w użyciu. Membrana płyty montażowej chroniona jest przed gwałtownymi ruchami dzięki przeciwciśnieniu
powierza znajdującego się w obudowie.
Głośniki typu Bass-Reflex mogą odtwarzać niskie częstotliwości lepiej niż
zamknięte głośniki skrzynkowe. Zaleca się jednak użycie filtra górnoprze-
pustowego (lub filtra low-cut) ustawionego na niższe częstotliwości w charakterystyce częstotliwości głośnika. Zapobiega to gwałtownym ruchom
membrany głośnika przy bardzo niskich częstotliwościach, które mogłyby
uszkodzić woofer.
Niektóre głośniki, na przykład głośniki sufitowe, nie posiadają obudowy.
Płyta montażowa głośnika ma za zadanie ograniczać ruchy membrany, co
zapobiegnie uszkodzeniu głośników.
Głośniki tubowe
Głośnik tubowy składa się z drivera, który przetwarza sygnał audio na fale
akustyczne oraz tuby, która wzmacnia i łączy fale dźwiękowe w wiązki.
Głośniki tubowe charakteryzują się dużą wydajnością i mogą osiągać bardzo wysoki SPL.
Systemy w układzie liniowym
Systemy w układzie liniowym działają jako tzw. źródło liniowe. Spadek SPL
następujący wraz z odległością jest mniejszy niż w przypadku głośników
konwencjonalnych, dzięki czemu głośniki w układzie liniowym nadają
się idealnie do objęcia szerokiego audytorium. Zapewniają one szeroki
zasięg poziomy oraz bardzo niewielki zasięg pionowy. Można je skierować
bezpośrednio na audytorium, przez co od ścian i sufitu odbije się jedynie
niewielka ilość fal dźwiękowych. Sprawia to, że głośniki w układzie liniowym
świetnie nadają się do przestrzeni z pogłosem. Kolejną zaletą głośników
w układzie liniowym jest to, że nie wywołują one zakłóceń po połączeniu
w kolumnę; innymi słowy jakość dźwięku nie ulega pogorszeniu.
Wysokość położenia uszu
Rysunek nr 2: Poziom zasięg grupy głośników w układzie liniowym
Typy i zastosowania głośników
Istnieje wiele różnych konstrukcji głośników, które powstały z myślą o różnych zastosowaniach. Przykłady zastosowań pokazano w poniższej tabeli:
Typ głośników
Zastosowanie
Głośnik ścienny PA
Ogólne, muzyka w tle, mowa
Głośnik sufitowy PA
Ogólne, muzyka w tle, mowa
Projektor dźwiękowy PA
Kierunkowe rozprzestrzenianie dźwięku, muzyka w tle i na pierwszym planie, mowa
Głośnik wiszący PA
Ogólne, projektowanie wnętrz, muzyka w tle, mowa
Głośniki-lampy PA
Niezakłócony dźwięk, muzyka w tle, mowa
Głośniki o nowoczesnym wyglądzie
Głośniki o atrakcyjnym wyglądzie, muzyka na pierwszym planie, mowa
Głośnik tubowy (odbijający)
Duże powierzchnie, środowiska o dużym hałasie, na zewnątrz, mowa
Kolumna głośnikowa
Szerokie poziome i wąskie pionowe rozprzestrzenianie dźwięku, przestrzenie z pogłosem, mowa
Profesjonalne głośniki
Wzmocnienie dźwięku wysokiej jakości, muzyka na pierwszym planie, mowa
Profjesonalne głośniki wysokiej
mocy
Wzmocnienie dźwięku wysokiej jakości dla dużych obszarów, muzyka na pierwszym planie, mowa
Głośniki w układzie liniowym
Wzmocnienie dźwięku wysokiej jakości w przestrzeniach z pogłosem i dużych halach, grupy głośników nie
powodujące zakłóceń, muzyka na pierwszym planie, mowa
Subwoofer
Wzmocnienie bardzo niskich częstotliwości (dyskoteki, teatry, kina, koncerty pop)
Tabela 3
AKUSTYKA
Specyfikacje techniczne? Nie pozwalamy Wam zostać w tyle!
Specyfikacje głośników
Impedancja
Impedancja to rezystancja prądu zmiennego. Istnieją dwa typy systemów
impedancji głośnikowej: głośniki o wysokiej i niskiej impedancji. Głośniki o
niskiej impedancji posiadają impedancję wynoszącą 4, 8 lub 16 Ω. Wysoka
impedancja głośników zależy od mocy wejściowej i może znajdować się
w zakresie od 10 Ω do kilku tysięcy Ω.
Głośniki o małym kącie pokrycia sprawdzają się w przestrzeniach z pogłosem Jeśli kąt pokrycia obejmuje jedynie audytorium a nie odbicia od ścian
czy sufitu, wówczas odbicia i pogłos są niewielkie, co wpływa na lepszą czytelność dźwięku. Typowym głośnikiem dla przestrzeni z pogłosem jest głośnik kolumnowy. Zapewnia on szeroki zasięg poziom oraz bardzo niewielki
zasięg pionowy.
Widok z góry
Charakterystyka częstotliwościowa
audytorium
Charakterystyka częstotliwościowa to zakres częstotliwości, który
głośnik może odtworzyć. Można ją przedstawić za pomocą symbolu
(np. 50 Hz - 20 kHz) lub na wykresie:
Widok z boku
audytorium
Rysunek nr 5: Zasięg głośnika kolumnowego
średnia
Czułość głośnika
Różne głośniki oferują różne poziomy ciśnienia akustycznego, zależnie od
odlegości i mocy. Jest to właściwość konkretnego głośnika i nazywa się ją
czułością (pn), wyrażaną w postaci ÅgSPL (1W, 1m) Åh. Mierzy się ją na osi
głośnika (z przodu głośnika) w odległości 1m i przy mocy 1 wata. Jeśli nie
zostało ustalone inaczej, średnią (a nie maksymalną) wartość SPL określa
firma TOA (osiąganą tylko dla jednej częstotliwości). Jednostka zostanie zapisana jako:
dB SPL (1W, 1m)
lub
dB/Wm
Zakres częstotliwości
Częstotliwość
Podstawowa
Rysunek nr 3: Charakterystyka częstotliwościowa głośnika
Na wykresie widać, że SPL jest różny dla poszczególnych częstotliwości
a zatem zapis charakterystyki częstotliwościowej pokaże zakres, w którym
różnica wartości SPL nie przekracza 10 dB w stosunku do wartości średniej.
Dla powyższego przykładu, zapis charakterystyki częstotliwości będzie wyglądał tak: 100 Hz - 20 kHz.
Kierunkowość dźwięku i kąt pokrycia
Głośniki o słabej kierunkowości rozpraszają dźwięk na dużej przestrzeni
a głośniki o silnej kierunkowości ograniczają dźwięk do małego obszaru.
Kierunkowość wskazuje poziom na jakim głośnik zdolny jest ograniczyć
dźwięk.
Kąt pokrycia, zwany także szerokością wiązki, rozumiany jest jako kąt pomiędzy punktami, gdzie SPL znajduje się 6 dB poniżej SPL osi głośnika. Różne
głośniki oferują różne kąty pokrycia na płaszczyźnie pionowej i poziomej,
dzięki czemu określony zostaje kąt pokrycia pionowego i poziomego. Większość głośników sufitowych i kilka innych rodzajów gwarantują symetryczny kąt pokrycia. Wówczas określony zostaje tylko jeden kąt pokrycia.
Kąt pokrycia uzależniony jest od częstotliwości a informacje szczegółowe
na ten temat przedstawia wykres. Jeśli określany jest jedynie kąt pokrycia,
powinno określić się również częstotliwość (np. 100°, 4 kHz).
Szerokość wiązki w funkcji częstotliwości
Obliczenia z użyciem głośników
SPL dla określonej mocy
SPL głośnika (w odległości 1m) dla danej mocy w watach obliczana jest
jako:
(3)
p = pn + 10 x log(P) [dB]
p : poziom ciśnienia akustycznego [dB] pn : czułość głośnika [dB]
P : moc (podawana do głośnika) [W]
Tabela nr 4 poniżej pokazuje niektóre wartości „dB“ dla różnego poziomu
mocy, które należy dodać do czułości głośnika. Jeśli w tabeli nie wykazano
danego poziomu mocy, wówczas można ją uzyskać poprzez mnożenie/
dzielenie wartości mocy (patrz przykłady).
Moc w
watach [W]
1
2
5
6
10
15
20
30
50
100
Wzrost SPL
[dB]
0
3
7
8
10
12
13
15
17
20
Tabela nr 4: Wzrost poziomu ciśnienia akustycznego dla różnych poziom podawanej mocy
Przykład: Do głośnika o czułości 90 dB/Wm podawane jest zasilanie 60 W;
-> SPL
= 90 dB + 8 dB (6 watów*) + 10 dB (10 watów*)
= 108 dB.
[st.]
* z tabeli nr 4
Szerokość wiązki
200
100
50
Poziomy kąt pokrycia
10
20
50
100
500
1k
Częstotliwość
5k
10k
Poz.
Pion.
20k
[Hz]
Rysunek nr 4: (L): Płaszczyzna pozioma i pionowa; (r): Kąt pokrycia a częstotliwość
AKUSTYKA
Konstrukcja systemu dźwiękowego
SPL dla określonej odległości
Scentralizowany system dźwiękowy
Poziom ciśnienia akustycznego dla głośników konwencjonalnych maleje
wraz ze wzrostem odległości, ponieważ:
W systemie scentralizowanym głośniki instalowane są w tym samym miejscu.
Gdy dźwięk łączony jest ze zdarzeniem optycznym, wówczas dźwięk powinien dochodzić z kierunku zdarzenia. Dźwięk idący z innego kierunku niż
zdarzenie wywołałby u odbiorcy irytację.
Zdarzenie ma często miejsce z przodu pomieszczenia, gdzie niejednokrotnie znajduje się scena. W wielu wypadkach głośniki ustawiane są po prawej
i lewej stronie miejsca, w którym odbywa się dane wydarzenie. Głośniki powinny być montowane na wysokości, aby w ich sąsiedztwie uzyskać niezbyt
wysoki SPL.
W przypadku pomieszczeń z głębią, głośniki można zamocować na ścianach
lub suficie, w kierunku propagacji dźwięku. Dobrym rozwiązaniem jest wysłanie sygnału audio do głośników znajdujących się z tyłu, dzięki czemu wydarzenie będzie nadal słyszalne z miejsca jego odbywania.
p = p0 - 20 x log (d) [dB SPL]
(4)
p : poziom ciśnienia akustycznego dla danej odległości
p0 : SPL przy odległości 1 m
d : odległość [m]
Mówiąc inaczej: podwojenie odległości (x 2) powoduje, że poziom ciśnienia
akustycznego zmniejsza się do jednej czwartej (1/4) lub o 6 dB.
Związek pomiędzy niektórymi odległościami a zmniejszaniem się poziomu
ciśnienia akustycznego jest następujący:
Odległość [m]
1
2
3
4
5
10
20
50
100
Redukcja
poziomu ciśnienia
akustycznego [dB]
0
6
9.5
12
14
20
26
34
40
Obliczanie czasu opóźnienia:
T = d/340 + 0,01s [s] (6)
Tabela nr 5: Redukcja SPL wraz z odległością; odległość referencyjna: 1 m
Przykład: Głośnik wytwarza SPL wynoszący 105 dB na odległość 1 m. Ile wyniesie SPL w odległości 5m? ‡ SPL = 105 dB - 14 dB (z tabeli nr 3) = 91 dB.
T: czas opóźnienia [s]
d: odległość między przednim głośnikiem a głośnikiem z opóźnieniem [m]
SPL dla danej mocy i odległości
12 m
Dla danego projektu, SPL musi zostać obliczone w oparciu o daną moc i odległość do głośnika(-ów). Połączone zostaną wówczas wzory SPL dla określonej mocy i SPL dla określonej odległości. SPL dla danej mocy i odległości
można obliczyć jako:
p = pn + 10 x log(P) - 20 x log (d) [dB SPL]
Głośniki
główne
(5)
p : poziom ciśnienia akustycznego [dB]
pn : czułość głośnika [dB]
d: odległość od głośnika
P : moc (podawana do głośnika) [W]
Przykład: Głośnik będzie stał w pokoju. Najdalsza odlegość do audytorium
wyniesie 8 metrów. Czułość głośnika wyniesie 90 dB/Wm, a moc wejściowa
30 watów. Ile wyniesie SPL w najdalszym punkcie od głośnika?
Czas opóźnienia T
= 12/340 + 0,01
= 0,045s
Głośniki
pomocnicze
(opóźniające)
Rysunek nr 7: Przedni system dźwiękowy ze wspomagającymi (opóźniającymi) głośnikami
System dźwiękowy zdecentralizowany
8m
8m
Jeśli z dźwiękiem nie jest połączone żadne zdarzenie optyczne lub mamy do
czynienia z niskimi sufitami np. w supermarkecie, wówczas przedni system
dźwiękowy nie jest potrzebny. Lepszym rozwiązaniem jest system dźwięku
zdecentralizowanego (rozproszonego), w którym głośniki umieszczane są
W
tam, gdzie będą przydatne.
Sufitowe systemy emisji dźwięku
Głośniki sufitowe powinny być rozmieszczone równo na danym obszarze
tzn w tej samej odlegości od siebie. Dla skonstruowania takiego systemu
ważna jest wymagana czytelność dźwięku. Zależy ona od:
Rysunek nr 6: Przykładowa odległość głośnika
Obliczenia:
SPL
= 90 dB SPL+ 10 x log(30) - 20 x log (8)
= 90 dB + 15 dB - 18 dB = 87 dB SPL
Zastosowanie tabeli 2 i 3:
SPL
= 90 dB SPL + 15 dB (tabela 2) - 12 dB (tabela 3) - 6 dB (tabela 3)
= 87 dB SPL
-
wysokości sufitu
-
kąta pokrycia głośnika
-
celu użycia (jakości dźwięku)
Im wyżej znajdzie się głośnik, tym większy obszar odsłuchu może pokryć
(wysokość położenia uszu) - wynosi on w przybliżeniu 1,5 m nad podłożem.
Aby uzyskać dobrą czytelność dźwięku, częstotliwość 6 kHz powinna być
dobrze klarowna w każdym miejscu. Na poziomie 4 kHz uzyskuje się wystarczającą czytelność, ale pogorszeniu może ulec BGM (muzyka tła).
AKUSTYKA
Kąt pokrycia
dobra
czytelność
wystarczająca
czytelność
Muzyka tła
Standardowe głośniki
sufitowe
60°
90°
120°
Standardowe głośniki
sufitowe TOA (seria PC600/PC-1800)
75°
100°
140°
a
kąt pokrycia
h
kąt pokrycia
wysokość położenia uszu
Głośniki sufitowe TOA o 150°
dużej dyspersji (seria F)
180°
180°
Rysunek nr 8: Graficzny opis instalacji głośników dla określonych kątów pokrycia
Tabela nr 6: kąt pokrycia
Odległość i minimalny SPL pomiędzy standardowym głośnikiem sufitowym
TOA przy różnej czytelności i mocy wynoszącej 6 watów:
Wysokość sufitu
h
[m]
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Dobra czytelność
a
[m]
2,30
3,10
3,80
4,60
5,40
6,10
6,90
min. SPL
[dB]
92
90
88
86
85
84
83
Wystarczająca
czytelność
a
[m]
3,60
4,80
6,00
7,20
8,30
9,50
10,70
min. SPL
[dB]
90
88
86
84
83
82
81
Muzyka tła
a
[m]
8,20
11,00
13,70
16,50
19,20
22,00
24,70
79
78 Parking 76
min. SPL
[dB]
85
W
82
81
75
Tabela nr 7: Odległość dla standardowych głośników sufitowych TOA dla różnego poziomu czytelności w systemie głośników sufitowych
Systemy do przekazywania komunikatów
Systemy PA zawsze działają w trybie mono. Stosuje się je do emisji jednego
lub więcej sygnałów dźwiękowych w różnych strefach (obszarach transmisyjnych). Sygnały audio mogą pochodzić z muzyki tła (BGM), ręcznych lub
automatycznych komunikatów (przywoływanie) lub prostych sygnałów
(gong, sygnały alarmowe). Sygnały audio nie są zazwyczaj mieszane a do
danej strefy lub stref wysyłany jest tylko jeden sygnał. W celu uniknięcia
konfliktów stosuje się system sterowania priorytetami, gdy dwa lub więcej
sygnałów audio będzie emitowanych do tych samych stref. Większość systemów PA działa w oparciu o linie głośników o wysokiej impedancji.
System priorytetów
Niektóre z emitowanych sygnałów są ważniejsze od innych. Sterowanie
priorytetami pozwala na przypisywanie różnych poziom ważności do określonych źródeł audio. Przykład:
Ostrzeżenie > wywoływanie > muzyka tła
Jeśli kilka źródeł audio ma ten sam poziom priorytetu uaktywnia się kolejny
rodzaj priorytetowości:
– FIFO (pierwszy na wejściu, pierwszy na wyjściu) (obsługa priorytetów):
Priorytet otrzyma pierwsze aktywowane źródło.
– LIFO (ostatni na wejściu, pierwszy na wyjściu) (obsługa priorytetów):
Priorytet otrzyma ostatnie aktywowane źródło.
System priorytetów ma także znaczenie dla prawidłowej obsługi systemu
PA. Działa on automatycznie i eliminuje konflikty poprzez nakładanie komunikatów na siebie.
Głośniki w układzie liniowym o wysokiej impedancji
(systemy 100-woltowe)
Systemy o wysokiej impedancji doprowadzają do głośnika sygnał liniowy
o napięciu 100 V (przy pełnej mocy sygnału audio), czasem 70 lub 50 V. System ten ma kilka zalet w porównaniu do systemów o niskiej impedancji
i sprawia, że są one idealne dla typowych zastosowań PA.
Cechy i zalety:
-> z uwagi na niskie wartości płynącego prądu można stosować długie
przewody
m
->
->
->
->
małe straty na linii
wszystkie głośniki można łączyć równolegle
Strefa sprzedaży
prosta instalacja
można włączać i wyłączać pojedyncze głośniki a kontrolki głośności
można używać bezm
wpływania na inne połączone linie głośnikowe
-> różne typy głośników o różnej mocy w watach mogą być podłączane
do tej samej linii głośników
-> łatwe obliczanie wymaganego zasilania dla wzmacniacza mocy:
m dodać do siebie moce głośników; łączna (nominalna) moc
wystarczy
głośników nie może przekraczać łącznej (nominalnej) mocy wyjściom
m wej wzmacniacza mocy
6W
3W
0~6W
60W
Rysunek nr 9: Na jednej linii o mocy 100 woltów mogą znajdować się różne obciążenia, przełączniki i kontrolki głośności
Powyższy rysunek ilustruje opisywane powyżej zalety. Wymagana moc jest
sumą wszystkich mocy w watach dla poszczególnych głośników:
6W + 3W + 6W + 60W = 75W
Obliczanie mocy i impedancji
Po rozplanowaniu i zainstalowaniu głośników w linii(-ach), należy je sprawdzić pod kątem przeciążeń na wzmacniaczu oraz przerw i zwarć. Można
tego dokonać poprzez zmierzenie impedancji linii za pomocą miernika impedancji (np. TOA ZM-104). Poniższy wzór pokazuje związek między napięciem liniowym głośnika, mocą w watach a impedancją.
Z = U2/P = 10,000/P
(7)
Z : impedancja [ohm]
U : napięcie [wolty] P : moc [waty]
Przykład: Głośniki o łącznej mocy 75 watów podłączone są do linii głośników. Jaką impedancję ma linia głośników?
Z = 10000/75 = 133 Ω
AKUSTYKA
Rozplanowanie systemu
Obliczanie efektywnego obszaru kabla
Rozplanowanie systemu PA
Linia głośników w systemach PA zaprojektowana jest tak, aby strata nie
przekraczała 10%. Wymagany efektywny obszar przekroju poprzecznego
kabla dla linii głośników znajduje się w poniższej tabeli:
Sposób rozplanowania systemu PA zostanie opisany na poniższym przykładzie.
Przykład: Supermarket
Supermarket posiada następującą specyfikację:
Minimaly efektywny obszar przekroju poprzecznego kabla w mm2 przy stracie 10%
długości kabla
Sufit
Obszar
Wymiary
Typ
Wysokość Szum
Hałasy
otoczenia wywołujące
irytację
zasilanie 50 m
100 m
200 m
300 m
500 m
750 m
1000 m
30 W
0,05
0,09
0,19
0,28
0,47
0,71
0,95
60 W
0,09
0,19
0,38
0,57
0,95
1,42
1,89
Dział
sprzedaży
1120 m2
podwieszany
4m
55 dB SPL 80 dB SPL
120 W 0,19
0,38
0,76
1,13
1,89
2,84
3,78
Magazyn
260 m2
właściwy
5m
65 dB SPL 75 dB SPL
240 W 0,38
0,76
1,51
2,27
3,78
5,67
7,56
360 W 0,57
1,13
2,27
3,40
5,67
8,51
11,34
420 W 0,66
1,32
2,65
3,97
6,62
9,92
13,23
pomieszczenia
pracownicze,
biurowe
80 m2
podwieszany
4m
50 dB SPL 75 dB SPL
Pokój
techniczny
20 m2
właściwy
5m
85 dB SPL 85 dB SPL
Parking
800 m2
-
-
60 dB SPL 80 dB SPL
Tabela nr 8: Efektywny obszar przekroju poprzecznego w odniesieniu do długości kabla i mocy
Dla linii głośników stosowane są zazwyczaj kable z izolacją papierową (nieplecione). Izolacja powinna wytrzymać 500... 600 VDC.
Tabela nr 9: Specyfikacje dla supermarketu
Funkcje wymagane dla systemu PA:
– Muzyka tła dla wybranych stref – każdy z obszarów
stanowi strefę -> 5 stref
– 1 mikrofon zdalny w biurze dyrektora
– 3 mikrofony wywoławcze dla kasjerów
– Funkcje awaryjne:
alarm głosowy automatyczny i ręczny
mikrofon awaryjny w pomieszczeniu socjalnym
Wymiary supermarketu:
Parking
10 m
40 m
Magazyn
15 m
Strefa sprzedaży
24 m
10 m
5m
6,4 m
4m
pomieszcz.
techniczne
Biuro,
pom. osobiste
Pomieszczenie
z elektryką
System wykrywania
pożaru
System PA
AKUSTYKA
Bez dźwięku nie ma systemu
Wybór głośników
W wypadku sytuacji wyjątkowej system dźwiękowy musi zapewnić poziom
ciśnienia akustycznego na min. poziomie 6dB powyżej poziomu paniki.
Jego minimalna czytelność powinna być odpowiednia.
Obliczenia dla poszczególnych stref
Strefa/wybór
głośnika
Strefa sprzedaży
Standardowe
głośniki sufitowe
TOA
Magazyn
Wymagane/
uzyskane dB
SPL
80 + 6 = 86
/
86
75 + 6 = 81
2 głośniki tubowe
SC-610M
/
86
Biuro
Standardowe
głośniki sufitowe
TOA
75 + 6 = 81
/
83
83
Pokój techniczny
1 głośnik tubowy
SC-610M
Strefa parkingowa
3 głośniki tubowe
SC-610M
81
85 + 6 = 91
/
94 dB
80 + 6 = 86
/
89 dB
Obliczenia
Wymagana moc
głośnika
Wykorzystując tabelę nr 4, przy przyzwoitej czytelności, wysokości sufitu 4 m
i minimalnym SPL = 86 dB
-> odległość między głośnikami: 6 m (kolor szary w tabeli)
32 x 6 watów =
192 waty
Przy równomiernym rozłożeniu głośników 1120 m2 / 36 m2 = 31,1 -> 32 wymagane
głośniki sufitowe
Instalacja: na wysokości 5 m od środka długiej ściany zewnętrznej, każdy głośnik zwrócony 2 x 1 wat =
w przeciwległy róg
2 waty
-> maksymalna odległość: sqrt (122+102+3,52) = 16 m.
Wzór (5) dla 16 m i 10 wat: 110 dB + 10 x log(10) - 20 x log(16) = (110 + 10 – 24) dB = 96 dB.
96 dB to znacznie więcej niż 81 dB -> głośniki należy ustawić na 1 wat, -> tabela nr 2: (96
– 10) dB SPL = 86 dB SPL
Jeden głośnik sufitowy na jedno pomieszczenie.
Duże pomieszczenia: wymiary najdłuższego pomieszczenia wynoszą około 6 m i podobnie
jak dla rozmieszczenia głośników w strefie sprzedaży wysokość jest ta sama. Wymagany
SPL: 5 dB mniej niż dla strefy sprzedaży, tzn. że można zmniejszyć moc głośników.
Podczepianie kolejnego głośnika: 3 waty (1/2 mocy := -3 dB, patrz tabela nr 2) -> (86 – 3)
dB = 83 dB
3 x 3 waty
Małe pomieszczenia: połowa długości dużych pomieszczeń, tabela nr 3 -> SPL zwiększony = 9 watów
o 6 dB, można wyrównać go o -6 dB, tabela nr 2: ćwierć mocy dla dużych pomieszczeń -> 3
waty/4 = 0,75 wata -> podczepianie głośnika: 0,8 wata
Podłoga: Mniej niż podwójna długość dużego pomieszczenia, tabela nr 3 -> mniej niż
6 dB SPL (4-5 dB), można wyrównać go o 3 dB mocy (SPL już jest o 2 dB wyższe od
wymaganego), tabela 2: podwójna moc dla dużych pomieszczeń -> 2 x 3 waty = 6 watów
1x 0,8 wata
1x 6 watów
Instalacja w pobliżu sufitu pomieszczenia -> maksymalna odległość do wysokości poziomu
uszu wynosi około 6m (szacunkowo). Obliczenia podobne jak te dla magazynu, wzór (5)
z 20m i 10 watami: 110 dB + 10 x log(10) - 20 x log(6) = (110 + 10 – 16) dB = 104 dB to
znacznie więcej niż 91 dB -> ustawienia głośników na 1 wat -> tabela nr 2: (104 – 10) dB
SPL = 94 dB SPL
1x 1 wat
2 głośniki zainstalowane na długiej ścianie i 1 na mniejszej ścianie na wysokości 5m.
Najdłuższa odległość po prawej stronie: d = sqrt(152 + 122 + 52) około 20m. Wzór 5 dla
20m i 10 wat: 110 dB + 10 x log(10) - 20 x log(20) = 110 dB + 10 dB - 26 dB = 94 dB. Daje
to 8 dB więcej niż wymagane -> niższy pobór: 3 waty, redukcja SPL o 5 dB (wzór nr 3: 10x
log(10/3)).
3x 3 waty
= 9 watów
Łączna wymagana moc głośnika:
219,8 wata
Wybór systemu wzmacniaczy
Wymagane funkcje można osiągnąć dzięki systemowi VM-2000. System zarządzania VM-2240 (240 watów) zapewnia głośnikom wystarczającą
moc (219,8 wata).
AKUSTYKA
Mikrofony i wzmacniacze
Mikrofony
Okablowanie mikrofonów
przewód ekranowany do łączenia wyjścia niesymetrycznego.
Wyjście mikrofonu jest dość słabe. Ważne jest zatem, aby stosować
przewód ekranowany, i wyeliminować szumy liniowe. Ekranowane
przewody o niskiej impedancji dla mikrofonów są powszechnie
dostępne. Kabel ekranowany jest stosowany do przekazywania
sygnałów audio z mikrofonów (-70 dB/0,3 mV) lub sprzętu źródłowego
(0 dB/ 1V).
(a) Łącze
symetryczne
Mikrofon
Sygnał
(GORĄCY)
Przewód ekranowany MIN lub
(rdzeń pojedynczy) uziemienie
Niesymetryczna wtyczka mikrofonowa
ZIMNY
ZIMNY
Wzmacniacz
(b) Łącze
niesymetryczne
Mikrofon
(UZIEM.)
Przewód mikrofonowy
(jednożyłowy, ekranowany)
GORĄCY
GORĄCY
ZIMNY
(UZIEM.)
ZIMNY
(UZIEM.)
Wzmacniacz
Niesymetryczne wejście
na wzmacniacz
(ZIMNY)
Przewód ekranowany MIN lub
(rdzeń podwójny) uziemienie
GORĄCY
(UZIEM.)
Połączenie z korpusem mikrofonu
Typ symetryczny i niesymetryczny
(GORĄCY)
Przewód mikrofonowy
(dwużyłowy, ekranowany)
GORĄCY
Sygnał
(ZIMNY)
Sygnał
(GORĄCY)
(GORĄCY)
Symetryczne wejście
na wzmacniacz
Symetryczna wtyczka mikrofonowea
Typ symetryczny i niesymetryczny
Istnieją dwa rodzaje wyjść mikrofonowych: symetryczny i niesymetryczny. Na wyjściu symetrycznym sygnał audio pojawia się między sygnałem
gorącym (stały sygnał audio) a zimnym (powracający sygnał audio), które
są uziemione oddzielnie. Na wyjściu niesymetrycznym sygnał audio
pojawia się między sygnałem gorącym a uziemieniem (podłączonym do
sygnału zimnego). Połączenie między symetrycznym wyjściem i
wejściem (po stronie wzmacniacza) nie podlega wpływowi zewnętrznych szumów liniowych i wykorzystywane jest do instalacji okablowania
między dużymi odległościami. Dwużyłowy przewód ekranowany
stosowany jest do łączenia wyjścia symetrycznego,a jednożyłowy
Długość przedłużenia dla przewodów mikrofonowych
Poniższa tabela przedstawia maksymalne długości przedłużenia
przewodów mikrofonowych. Jeśli długości przekroczą podane wartości,
wówczas nadmierne szumy sprawią, że mikrofon stanie się nieprzydatny
i konieczne będzie użycie przedwzmacniacza mikrofonowego do
wzmocnienia poziomu sygnału i zminimalizowania efektu szumów.
Wyjście mikrofonowe
Wejście wzmacniacza
Niesymetryczne
Symetryczne
Symetryczne
Niesymetryczne
Niesymetryczne
Symetryczne
Długość przedłużenia
przewodu mikrofonu
20 m
20 m
100 m
Wzmacniacze
-#$- # . $ -/0 +, 0 1%0$!%+ % $(! #&$ %-$-%$ !%66
6)+, 0+,(%! #&$ %-$-%$ !% ) , 0 $(! #&$ *2,+$ () " #1 "%0 1%0$!5+ % % &'-,$+"! %"1%0#/-,+-#$-#1%0$!#
%!%1% #)'5+, 0 +,(%! #&$ ()%(%+$ ()
" *2 "-, 1%0$!5+ &'-, *2 1*%0 %!"%+$
1%0$! - )'$(%'#)%'# ()%(%+$ (. " +, 03 % *2 #&$ "(,()#5+$"2,+#'/#%2"+%0()%(%
+3&%1.-$%+,(%! #&$ # .$*+-&%1.-
$$+10+,1%0$!5++, $%03)'$(#( (
%$-$ (),1.-$#&$ + 031%0$!%+,,1+/!(-"*'5+$
#&$ +, 0%+ +-#$- &'-+$,# '- +-#$- $ /-
-11&'+1%+%"*()"$
"1%03#/-,+-#$-#1%0$!#$#%2,3+/!(-$2#)'5+
0" () +/!(- +5+-( #% +, 0%+ $ +-#$-* -%()$ -*2,) !%
$'+!"%1%0$!$-%()$&%$+,()'- .#%%#%2
(&%+%%+3*)')/ !%04+/!*
(
"(,()#5+!)5'% #* .*2,%(-'1*%03%!"%+$/-+/!(-
+/()%(%+$/-15+$&%1.-$%+,(%! #&$ &%1.-$%
+,(%! #&$ +(-,()! 1%0$! !2, - )'$(%'#)%'# /. 1.-%$
'5+$%"""2,*$!31.-$),1%0$!5+-1%0$!#-)'$(%'#)%
'5+
&%1.-$%+,(%! #&$ 0"-%+$ ()'5+$%"1&%1.-$
+,()'-,*()"31.-$.#%+, 0%+.1%0$!5+$&%-%#'5+$,#"*$2(-,#
% #%, +, 0%+ +-#$- %#%2 )% +,"#$%+3 (!%#&"!%+$
%"-$#&$ $%+
%
$'
%
$'
%
$'
"
+&+*'%$
"
)
&+*
#+
% +&+%
%+
+)&%-(1.-$1%0$!5+%'52$ #%,+ 0%+ $+,().&.&'%"#,
0"1.-$#%1%0$!5+++)$&'-!'%-,#%,+, 0%+ +-#$-
)
%+ &+*
)
%+ &+*
$%+
%
$'
"
%
$'
%
$'
%
$'
%
$'
)
&+*
#+
%!
+&+%