Matriz de línea - Line array
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Una matriz en línea es un sistema de altavoces que se compone de una serie de elementos de altavoz normalmente idénticos montados en una línea y alimentados en fase, para crear una fuente de sonido nearline . La distancia entre los controladores adyacentes es lo suficientemente cercana como para que interfieran constructivamente entre sí para enviar ondas de sonido más lejos que los altavoces tradicionales cargados de bocina , y con un patrón de salida de sonido distribuido de manera más uniforme.
Los arreglos en línea se pueden orientar en cualquier dirección, pero su uso principal en megafonía es en arreglos verticales que proporcionan un patrón de salida vertical muy estrecho útil para enfocar el sonido al público sin desperdiciar energía de salida en techos o aire vacío sobre el público. Una matriz de líneas verticales muestra un patrón horizontal normalmente ancho útil para suministrar sonido a la mayoría de la audiencia de un concierto . Los arreglos de líneas horizontales, por el contrario, tienen un patrón de salida horizontal muy estrecho y un patrón vertical alto. Una fila de subwoofers a lo largo del borde frontal de un escenario de concierto puede comportarse como una matriz de línea horizontal a menos que la señal que se les suministra se ajuste (retardada, polarizada, ecualizada) para dar forma al patrón de otra manera. Los altavoces pueden diseñarse para disponerse horizontalmente sin comportarse como una fuente de línea horizontal.
Los arreglos en línea modernos utilizan controladores separados para bandas de paso de frecuencia alta, media y baja. Para que la fuente de línea funcione, los controladores de cada banda de paso deben estar en línea. Por lo tanto, cada gabinete debe estar diseñado para ensamblarse estrechamente para formar columnas compuestas por controladores de altavoz de alta, media y baja frecuencia . Aumentar el número de controladores en cada gabinete aumenta el rango de frecuencia y el nivel máximo de presión sonora, mientras que agregar cajas adicionales al arreglo también reducirá la frecuencia en la que el arreglo logra un patrón de dispersión direccional.
El arreglo en línea de gran formato se ha convertido en el estándar para grandes salas de conciertos y festivales al aire libre, donde dichos sistemas se pueden colgar (aparejar, suspender) desde una viga estructural, una torre de soporte en el suelo o desde una torre de armazón en forma de A. Dado que los gabinetes se ensamblan y cuelgan de un solo punto, son más convenientes de ensamblar y cablear que otros métodos de arreglos de altavoces. La parte inferior de la matriz de líneas generalmente se curva hacia atrás para aumentar la dispersión en la parte inferior de la matriz y permitir que el sonido llegue a más miembros de la audiencia. Por lo general, los gabinetes que se utilizan en los arreglos en línea son trapezoidales, conectados por hardware de aparejo especializado.
Historia
El efecto de matriz de líneas del estrechamiento del haz con el aumento de la frecuencia fue demostrado por primera vez por el pionero acústico Harry Olson . Publicó sus hallazgos en su texto de 1957, Ingeniería acústica . Olson utilizó conceptos de arreglo en línea para desarrollar el altavoz de columna en el que los controladores alineados verticalmente en un solo gabinete producían una salida de rango medio en un patrón ancho horizontal y vertical estrecho. Los arreglos en línea han existido durante más de medio siglo, pero hasta hace poco la mayoría eran solo de rango de voz. La aplicación de estos fue para espacios altamente reverberantes donde un diseño vertical estrecho evitaba excitar el campo reverberante.
Joseph D'Appolito sugirió un line array multibanda en un recinto orientado horizontalmente en 1983. Sin embargo, fue el line array V-DOSC de L-Acoustics a mediados de la década de 1990 lo que le mostraría al mundo de los conciertos un nivel más alto. y una respuesta de frecuencia más suave puede provenir de menos cajas en un arreglo lineal. Tan pronto como la gente se dio cuenta de que no había interferencia destructiva en el plano horizontal y las ondas se combinan principalmente en fase en el plano vertical, comenzó la carrera para los fabricantes de altavoces.
Teoría
La teoría de los arreglos lineales puros se basa en la geometría pura y el experimento mental del " campo libre ", donde el sonido puede propagarse libremente sin factores ambientales como los reflejos de la habitación o la refracción de la temperatura.
En el campo libre, el sonido que tiene su origen en un punto (una fuente puntual ) se propagará igualmente en todas las direcciones como una esfera. Dado que el área de la superficie de una esfera = 4π r² donde r es el radio, cada duplicación del radio da como resultado un aumento de cuatro veces en el área de la superficie de la esfera. El resultado de esto es que la intensidad del sonido se reduce a cuartos por cada duplicación de la distancia desde la fuente puntual. La intensidad del sonido es la potencia acústica por unidad de área y disminuye a medida que aumenta el área de la superficie, ya que la potencia acústica se extiende sobre un área mayor. La relación entre dos presiones acústicas en decibeles se expresa mediante la ecuación dB = 20log (p1 / p2), por lo que por cada duplicación de la distancia desde la fuente puntual p1 = 1 y p2 = 2, hay una disminución de la presión sonora de aproximadamente 6 dB.
Una fuente lineal es una fuente de sonido hipotética unidimensional, a diferencia de la fuente puntual adimensional. Como una fuente lineal propaga el sonido por igual en todas las direcciones en el campo libre, el sonido se propaga en forma de cilindro en lugar de esfera. Dado que el área de la superficie curva de un cilindro = 2π rh, donde r es el radio y h es la altura, cada duplicación del radio da como resultado una duplicación de la superficie, por lo que la intensidad del sonido se reduce a la mitad con cada duplicación de la distancia. desde la fuente de línea. Dado que p1 = 1 y p2 = 4 por cada distancia duplicada, esto da como resultado una disminución de la presión sonora de aproximadamente 3 dB.
En realidad, las fuentes puntuales adimensionales y las fuentes lineales unidimensionales no pueden existir; sin embargo, los cálculos se pueden hacer basados en estos modelos teóricos para simplificar. Por lo tanto, solo hay una cierta distancia en la que una fuente lineal de longitud finita producirá una presión sonora más alta que una fuente puntual igualmente fuerte.
Patrón de interferencia es el término que se aplica al patrón de dispersión de un arreglo lineal. Significa que cuando se apilan varios altavoces verticalmente, el ángulo de dispersión vertical disminuye porque los controladores individuales están desfasados entre sí en posiciones de escucha fuera del eje en el plano vertical. Cuanto más alta sea la pila, más estrecha será la dispersión vertical y mayor será la sensibilidad en el eje. Una matriz vertical de controladores tendrá el mismo patrón polar horizontal que un solo controlador.
Aparte del estrechamiento de la cobertura vertical, la longitud de la matriz también influye en las longitudes de onda que se verán afectadas por este estrechamiento de la dispersión. Cuanto más larga sea la matriz, menor frecuencia controlará el patrón. A frecuencias por debajo de 100 Hz (longitud de onda de 11,3 pies), la matriz en línea que tiene menos de aproximadamente 3 metros de largo comenzará a volverse omnidireccional, por lo que el sistema no se ajustará a la teoría de matriz en línea en todas las frecuencias. Por encima de aproximadamente 400 Hz, los conos del controlador se vuelven direccionales, violando nuevamente los supuestos de la teoría, y en altas frecuencias, muchos sistemas prácticos usan guías de ondas direccionales cuyo comportamiento no se puede describir usando la teoría clásica de arreglos en línea. En resumen, la geometría de los arreglos lineales de audio del mundo real tal como se utilizan en los sistemas de megafonía solo puede modelarse aproximadamente mediante la teoría del arreglo lineal, y solo en el rango de 100 a 400 Hz.
Altas frecuencias
Los sistemas prácticos de arreglo en línea actúan como fuentes de línea solo en las frecuencias bajas y medias. Para las frecuencias altas, se debe emplear algún otro método para lograr características direccionales que coincidan con las de los bajos y medios. El método más práctico para los sistemas de refuerzo es utilizar guías de onda (cuernos) acopladas a controladores de compresión. Cada cuerno debe tener una dispersión vertical muy estrecha y una horizontal muy amplia.
En lugar de utilizar interferencias constructivas y destructivas, las bocinas logran direccionalidad al reflejar el sonido en un patrón de cobertura específico. En un sistema de arreglo lineal diseñado correctamente, ese patrón debe coincidir estrechamente con la característica direccional de baja frecuencia del arreglo. Si la dispersión vertical de la matriz es de 60 grados y hay 12 cajas, entonces cada bocina necesitaría tener una cobertura vertical de 5 grados. (La cobertura vertical estrecha tiene la ventaja de que minimiza las llegadas múltiples, lo que dañaría la inteligibilidad). Si esto se logra, entonces los elementos de la guía de ondas se pueden integrar en el arreglo lineal y, con la ecualización y los cruces adecuados, el haz de las frecuencias altas y se puede hacer que la interferencia constructiva de las bajas frecuencias se alinee de modo que el sistema en matriz resultante proporcione una cobertura uniforme.
Configuraciones
Dos configuraciones que rara vez se utilizan son la matriz recta y la curva. El problema con las matrices curvas es que no se adaptan muy bien al lugar promedio. Mientras que la mitad inferior estará inclinada hacia abajo para proporcionar una cobertura adicional en lugares cercanos al frente del escenario, la mitad superior estará inclinada hacia arriba en el techo. Además, el problema con los arreglos en línea recta es que el haz es demasiado estrecho a altas frecuencias. Una solución para utilizar las mejores características de ambas matrices es utilizar una matriz curvilínea o en 'J'. Este se compone de una parte en línea recta y una parte curva, normalmente en la parte inferior. Esto proporciona un componente de línea recta de largo alcance para personas relativamente lejanas, mientras que la curva en la parte inferior actúa como un relleno para el área debajo de la matriz que de otra manera se descuidaría.
Los arreglos en espiral son el siguiente desarrollo de los arreglos en J y tienen una respuesta de frecuencia superior debido a su patrón polar similar en las frecuencias cambiantes, al tiempo que conservan los beneficios de largo alcance y relleno que brindan los arreglos en J. El concepto es que las matrices en espiral se curvan a lo largo de la matriz, pero la curva es progresiva. Esto significa que la parte superior de la matriz es casi recta con ángulos de 1 ° entre cajas, y aumenta en la parte inferior entre 6 ° y aproximadamente 10 °. Una matriz en espiral bien diseñada podría tener un patrón de directividad casi constante con frecuencia, con algunos lóbulos pequeños exhibidos a bajas frecuencias.
Diseño y aparejo
Los arreglos lineales de gran formato están diseñados para grandes espacios o festivales al aire libre. Estas cajas incluían típicamente varios controladores de compresión de alta frecuencia alineados verticalmente y varios controladores de rango medio y bajo dispuestos simétricamente alrededor del controlador de compresión. El controlador de baja frecuencia tiene típicamente 15 o 18 pulgadas de diámetro. Los arreglos en línea de formato medio suelen ser de dos o tres vías y utilizan controladores de baja frecuencia de 10 o 12 pulgadas. La cobertura horizontal suele ser de 90 grados de ancho, pero algunos sistemas emplean cajas más estrechas en la parte superior o cajas más anchas en la parte inferior de la matriz. Usando un marco de transición (que alinea el aparejo en sistemas diferentes), los ingenieros de sistemas a veces pueden colgar una caja de formato medio debajo de una caja de formato grande para cubrir a los miembros más cercanos de la audiencia. Las cajas de altavoces de diferentes fabricantes no se mezclan porque cada sistema tiene una 'voz' particular que puede ser común a un solo fabricante.
Los fabricantes suelen proporcionar una hoja de cálculo o un programa personalizado para diseñar matrices. Los ejemplos incluyen L-Acoustics SOUNDVISION, Adamson Shooter, Electro-Voice LAPS (software de predicción de arreglos de línea), D&B Audiotechnik ArrayCalc y JBL Vertec Line Array Calculator. Renkus Heinz ofrece un programa llamado EaseFocus. Es similar a EASE, pero solo tiene funciones y cálculos específicos para los arreglos lineales. EaseFocus tiene datos de un gran número de fabricantes que permiten la comparación de varios sistemas de altavoces. Otras marcas de arreglos en línea que utilizan EaseFocus incluyen Bose Professional, Community Professional Loudspeakers, Electro-Voice, QSC, RCF y VUE Audiotechnik. Meyer Sound ofrece una solución diferente al proporcionar un sistema en línea llamado MAPP Online Pro. Nexo ofrece su software de modelado 3D, NS1.
El proceso de diseño comienza ingresando las dimensiones de la habitación y el nivel de presión sonora requerido. A continuación, el programa sugiere el número y la disposición de las cajas. Alternativamente, algunos programas requieren la cantidad de casillas ingresadas y predecirán los niveles de presión sonora resultantes en diferentes partes de la habitación.
Una vez diseñados, los puntos de aparejo se cuelgan de la estructura, seguidos de motores de cadena (o bloques), marco volante y luego los altavoces. Las cajas individuales pueden conectarse una a la vez o montarse juntas en el suelo y luego levantarse. A medida que se eleva la matriz, los ángulos de las cajas individuales se ajustan para que coincidan con el programa de predicción de la matriz. El marco superior puede tener un inclinómetro para confirmar el ángulo del marco o el láser adjunto que indica el punto de mira superior de la matriz.
Si la altura o la falta de puntos de montaje no permiten volar los altavoces, los altavoces normalmente se apilan en el escenario o en subwoofers utilizando un marco de apilamiento personalizado. El apilamiento de arreglos lineales es común en lugares más pequeños y en instalaciones temporales. En comparación con los altavoces volados, requieren menos dispersión vertical para cubrir de adelante hacia atrás y la matriz resultante tendrá poca curvatura.