SpeakerPraat en meer - PHI

“SpeakerPraat”
en meer…..
Jan Hoekstra
Met medewerking van Michiel Cornelisse
Leeuwarden, 25 juli 2009
Inhoudsopgave:
Hoofdstuk 1 Inleiding.
Hoofdstuk 2 Wat is geluid?
2.1. Inleiding.
2.2. Geluid.
2.3. Geluidsbeeld.
2.4. Besproken begrippen.
Hoofdstuk 3
3.1. Inleiding.
3.2. Technische kwaliteit.
3.3. Karakteristieke kwaliteit.
Hoofdstuk 4. Speaker management systeem.
4.1. Inleiding.
4.2. Functies.
4.3. Besproken begrippen.
Hoofdstuk 5. Vermogensversterkers (power amplifier)
5.1. Inleiding.
5.2. Technische specificaties.
5.3. Besproken onderwerpen.
Hoofdstuk 6 Ontwerpoverwegingen.
6.1. Inleiding.
6.2. Hoeveel vermogen is noodzakelijk?
6.3. Geluidsveld.
6.4. Sublaag.
6.5. Top speakers.
6.6. Sublaag array modellen.
6.7. Line arrays.
6.8. Delay stacks.
6.9. Besproken begrippen.
3
4
4
4
9
11
12
12
12
16
17
17
17
22
23
23
23
25
26
26
26
29
34
40
43
44
48
48
Bronnen / naslag:
Sound reinforcement handbook Yamaha
Gary Davis & Ralf Jones
Handboek PA-techniek
Michael Ebner
JBL Professional Sound System Design Manual - 1999 Edition (Pt.1, 1, Pt. 2)
John Eargle
Vrije download bij www.jblpro.com (pdf format)
Internet:
Rane Pro Audio Reference
http://www.rane.com/digi-dic.html
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
2
Hoofdstuk 1. Inleiding.
Deze reader bevat een verzameling van wetenswaardigheden rond PA speakers. Onderwerpen die
zullen worden behandeld:
•
•
•
•
•
Wat is geluid?
dB’s.
Maximale belasting.
Processoren.
Speakerscenario’s.
Binnen deze reader maak ik gebruik van het programma Mapp Online van Meyer sound en Audia van
Biamp.
Mapp Online is gratis te gebruiken nadat je je hebt aangemeld bij www.meyersound.com. Audia is vrij
te downloaden bij www.biamp.com.
Voor de verschillende voorbeelden maak ik gebruik van speakers van Meyer sound, SkyTec, KS,
EAW en JBL.
De doelstelling van deze reader is het aanreiken van handvatten die je kunnen helpen bij het zo
optimaal mogelijk aansluiten, plaatsen en afregelen van speakers.
De onderliggende theorie is beperkt tot alleen het hoogst noodzakelijke.
Deze reader kan worden gebruikt binnen de opleiding Podium- en Evenemententechnicus Geluid
niveau 4.
Een aantal malen wordt verwezen naar boeken en/of internetsites voor verdieping.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
3
Hoofdstuk 2 Wat is geluid?
2.1. Inleiding.
Om te begrijpen hoe geluid zich gedraagt, is het belangrijk dat je een goed beeld hebt van wat geluid
is. Daarnaast is het van belang dat je weet hoe geluid wordt ervaren.
2.2. Geluid.
Het begint met het verstoren van de luchtdruk om ons heen. Over het algemeen heerst er rond ons
lichaam een luchtdruk die langzaam varieert tussen de 900 en 1030 mBar, dit afhankelijk van het
weer. Als deze luchtdruk wordt verstoord met variatie tussen de 20 en de 20000 keer per seconde
ervaren wij dit als geluid. Uiteraard moet de verstoring wel sterk genoeg zijn.
De verstoring kan door allerlei bronnen worden veroorzaakt. Door b.v. het trillen van een gitaarsnaar,
het trillen van je stembanden of het trillen van de conus van een luidspreker (figuur 1).
Figuur 1 Geluid.
Als de conus van de luidspreker naar voren beweegt, wordt de lucht voor de luidspreker in elkaar
geperst. Oftewel de luchtdruk neemt toe. De luchtmoleculen wordt dichter tegen elkaar aan gedrukt.
Deze zullen vervolgens de daar achter liggende moleculen samenpersen. De energie begint zich te
verplaatsen terwijl de moleculen nagenoeg op dezelfde plek blijven.
Zodra de conus van de speaker naar achteren beweegt wordt de luchtdruk voor de luidspreker
verlaagd. Ook deze verlaging van luchtdruk wordt doorgegeven aan de achterliggende moleculen.
Je kunt dit het beste vergelijken met een golfzwembad. Immers bij een golfzwembad wordt doormiddel
van een grote bewegende plaat, een peddel, de water druk afwisselend verhoogd en verlaagd. Het
water blijft nagenoeg op zijn plek maar de verhoogde- en verlaagde waterdruk verplaatst zich door het
zwembad. Na verloop van tijd merk je dat je door het water wordt opgetild of naar beneden zakt.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
4
De vorm van de luchtdrukvariatie is die van een natuurlijke golf, een sinusvormige golf. We spreken
dan ook over een geluidsgolf. Deze verplaatst zich met een snelheid van ongeveer 343 meter per
seconde. Dit noemen we de geluidssnelheid. Deze snelheid is afhankelijk van de temperatuur. 343
m/s geldt bij een temperatuur van 20˚C.
Het aantal luchtdrukvariaties, trillingen, per seconde noemen we de frequentie. Deze wordt
aangegeven met de eenheid Hertz (Hz). Het frequentiegebied van hoorbare frequenties ligt voor de
mens tussen 20- en 20000Hz. Oftewel 20- en 20kHz. We noemen dit ook wel het hoorbare
frequentiespectrum.
De luchtdrukvariatie noemen we de geluidsdruk, soundpressure. De sterkte van de geluidsdruk wordt
2
aangegeven in Newtons per m (vierkante meter) of Pascal. Vaak kom je het begrip SPL tegen. Dit
staat voor Sound Pressure Level oftewel het geluidsdrukniveau.
Bij 1000Hz, een frequentie waar ons oor erg gevoelig voor is, is de laagste hoorbare geluidsdruk
2
20ų N/m (0,000002) De pijngrens, het geluidsdrukniveau waarbij geluid echt pijnlijk wordt, ligt bij
2
20 N/m . Tussen de laagste en de hoogste waarde zit dus een factor 1000.000x! Om het vastleggen
van geluidsdrukken wat handzamer te maken is de Bel, genoemd naar Graham Bell, in het leven
geroepen. Omdat altijd tiende delen van een bel worden aangegeven spreken we over decibel. Een
decibel is geen eenheid maar een logaritmische schaal om verhoudingen aan te geven.
Ons oor gedraagt zich ook logaritmisch. Als wij geluid tweemaal zo hard willen horen hebben we
tienmaal zoveel geluidsdruk nodig. Dus dat komt goed uit.
Een decibel is een verhoudingsgetal. Dat betekent dat we de verhouding moeten bepalen tussen twee
waardes met dezelfde eenheid. Bij geluidsdruk wordt de verhouding bepaald tussen de werkelijke
2
druk en de laagst mogelijke geluidsdruk (20ų N/m ).
In formule vorm ziet dat er als volgt uit:
dB-SPL=20 log(geluidsdruk / 20ų N/M )
2
0dB-SPL is de gehoorgrens. Berekend: 20 log (20ų N/m / 20ų N/m ) = 0 dB-SPL.
2
2
2
120dB-SPL is de pijngrens. Berekend: 20 log (20 N/m / 20ų N/m ) = 120 dB-SPL, dus bij 20 N/m !
2
2
Het niveau van geluidsdruk wordt over het algemeen aangegeven in dB-SPL.
Omdat het verhoudingsgetal decibel ook voor andere eenheden wordt gebruikt, moet altijd worden
aangegeven welke eenheden worden gebruikt. Voor geluidsdruk wordt de toevoeging SPL gebruikt.
In het voorbeeld hierboven ben ik uitgegaan van 1000Hz. Nu is ons menselijk gehoor niet voor alle
frequenties even gevoelig. Voor lage frequenties, de bastonen, is ons gehoor veel minder gevoelig
dan voor frequenties rond 1000Hz.
Om een bastoon van 100Hz even hard te ervaren als een middentoon van 1000Hz, moet de bastoon
soms wel 100x (20dB-SPL) harder klinken dan de toon van 1000Hz.
Het is je misschien wel eens opgevallen dat een draagbare radio van 0,2 Watt opvallend veel lawaai
kan produceren. Maar er komen geen lage frequenties voor binnen het geluid van deze radio. Om dat
voor elkaar te krijgen heb je een zware versterker (b.v. 100 Watt) nodig met een bijbehorende
speaker.
Het is zelfs zo dat deze variatie in gevoeligheid afhankelijk is van de gemiddelde geluidsdruk. Als je
thuis heel zacht op de achtergrond een muziekje aan hebt, zul je merken dat er weinig bastonen te
horen zijn. Als je daarna het volume opschroeft wordt dit beter.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
5
De volgende grafiek geeft dit aan:
Figuur 2 Hardheid / Loudness.
Deze grafiek is proefondervindelijk ontstaan. Als uitgangspunt is gekozen voor de centrale frequentie
van 1000Hz. De daargenoemde geluidsdrukniveaus worden aangegeven in fon’s (phon). Deze komt
overeen met het aantal dB-SPL‘s bij 1000Hz.
Een stap van 10 fon wordt ervaren als tweemaal zo hard.
Gaan we uit van een hardheidsniveau (loudnesslevel) van 100 fon (phon) betekent dit dat wij alle
frequenties binnen het hoorbare spectrum als even hard ervaren dan het volume van de toon van
1000Hz. Volgen we de lijn van 100 fon naar b.v. 50Hz dan zien we dat deze frequentie met een
geluidsdruk van 110dB-SPL moet worden weergegeven om even hard te klinken als de toon van
1000Hz bij 100 dB-SPL. Volgen we de lijn van 100 fon naar b.v. 4kHz, dan zien we dat daar minder
geluidsdruk nodig is, n.l. 90dB-SPL.
Wat opvalt, is dat hoe lager de frequentie, des te meer vermogen er nodig is. Ten tweede, hoe hoger
het hardheidsniveau, des te kleiner het verschil tussen de verschillende frequenties.
Geluidsdrukmetingen waarbij enigszins rekening wordt gehouden met deze hoorgevoeligheidskromme
worden toegepast door overheidsinstellingen om te bepalen of maximale geluidsniveaus worden
overschreden.
De daarvoor gebruikte meetinstrumenten gebruiken een filter waarmee het laag onder 200Hz
enigszins wordt uitgefilterd, zie figuur 3.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
6
Figuur 3 Geluidsdrukmeter.
Zoals kunt zien, met een half gesloten oog, is de A-kromme het omgekeerde van de
gehoorsgevoeligheidskromme. Wordt deze filterkromme gebruikt, spreken we over een A-gewogen
meting. Daarbij worden vooral de lage frequenties minder zwaar meegenomen in het bepalen van de
geluidsdruk. Het geluidsdrukniveau wordt aangegeven in dB(A).
De maximaal veilige geluidsdruk is 80 dB(A).
De hierboven getoonde geluiddrukmeting kent ook nog een C-kromme. Deze kromme is nagenoeg
recht over het gehele frequentiespectrum en kan gebruikt worden om werkelijke geluidsdrukken te
meten.
Kortweg, een A-gewogen meting is een gevoelsmatig correctere manier van meten. Een C-gewogen
meting wordt gebruikt voor het bepalen van werkelijke geluidsdrukken.
Om een idee te krijgen van hoe hard bepaalde geluiden klinken de volgende tabel:
130 dB(A)
120 dB(A)
110 dB(A)
100 dB(A)
90 dB(A)
80 dB(A)
70 dB(A)
60 dB(A)
50 dB(A)
40 dB(A)
Een opstijgende straaljager op 60 meter afstand.
Pijngrens. Dodelijk voor een muis.
Flink popconcert. Het maximaal toegestane geluidsniveau in Paradiso Amsterdam is
105 dB(A)
Afluisterniveau geluidsstudio.
Geluid in een fabriekshal.
Geluidsniveau in een sportauto bij 120km/uur. Maximaal veilige geluidsniveau.
Stem van een leraar voor de klas.
Gesprek tussen twee personen.
Zeer stille woonkamer.
Geluid verplaatst zich met 343 m/s. De afstand die één golf aflegt, noemen we de golflengte. Hoe
hoger de frequentie des te korter de golflengte.
De golflengte kun je berekenen met de volgende formule:
Stel f = 100Hz, l = 343 / 100 = 3,43 meter.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
l = 343 / f
7
Een aantal golflengtes:
Frequentie:
20 Hz
50 Hz
100 Hz
250 Hz
500 Hz
1000Hz
4000 Hz
10000Hz
16000 Hz
Golflengte:
17,15 meter
6,86 meter
3,43 meter
1,37 meter
68 cm
34 cm
8,6 cm
3,4 cm
2,1 cm
De tijd die geluid nodig heeft om een bepaalde afstand te overbruggen noemen we looptijd (figuur 4).
Figuur 4 Looptijd.
De looptijd wordt berekend met de formule:
t = l / 343 m/s
Stel je staat op een afstand van 16 meter te luisteren naar een band. Dan is de looptijd:
t = 16 / 343 = 46,6mS. Handig om te weten, de looptijd bij een afstand van 1 meter is:
t = 1 / 343 = 2,9mS. Vaak wordt als vuistregel 3mS aangehouden. Je kunt dan vrij gemakkelijk uit je
hoofd voor de verschillende afstanden de looptijd berekenen.
Als je gebruik maakt van twee geluidsbronnen of je luistert met twee oren naar dezelfde geluidsbron
dan heb je te maken met twee geluidsgolven. Als er tussen deze geluidsgolven een looptijdverschil
bestaat spreken we over een faseverschil (figuur 5) tussen de twee geluidsgolven.
Looptijdverschillen kunnen ook bestaan doordat je luistert naar direct geluid uit de speaker maar ook
naar het tegen een muur gereflecteerd geluid.
Figuur 5 Faseverschuiving.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
8
Wanneer twee golven dusdanig ten opzichte van elkaar zijn verschoven dat zij elkaar volledig
tegenwerken, zijn de geluidsgolven in tegenfase (figuur 6). Dat betekent dat wanneer één geluidsbron
bezig is de luchtdruk te verhogen op dat zelfde moment de andere bron tegelijk bezig is deze
luchtdruk te verlagen. Het resultaat is dus dat de luchtdruk hetzelfde blijft. Dus; geen of in ieder geval
minder geluid!
Figuur 6 Tegenfase.
2.3. Geluidsbeeld.
In de vorige paragraaf zijn er allemaal begrippen besproken waarbij wordt uitgegaan van zuivere
tonen. Muziek en geluid over het algemeen bestaat natuurlijk uit een samenspel van verschillende
frequenties die ons met verschillende sterktes en vanuit verschillende hoeken benaderen.
Daarnaast is er de emotionele beleving van geluid. Bepaalde frequenties zijn in harmonie met elkaar,
terwijl andere combinaties vals klinken.
Je kunt naar een geweldige installatie en in een akoestisch perfecte ruimte naar muziek luisteren die
je totaal niets doet terwijl je op het strand naar een krakkemikkige radio kunt luisteren met je meest
favoriete nummer en kippenvel over je hele lichaam krijgt.
Hoe geluid wordt ervaren heeft sterk te maken met jezelf en de omgeving.
Tijdens het luisteren naar muziek ontstaat er een beeld van de bron(nen) in je hoofd. Je zult zelf ook
wel hebben ervaren dat wanneer je luistert naar een band vanaf een CD er automatisch een beeld
van deze band in je hoofd ontstaat. Zelfs al heb je de band nog nooit gezien dan nog ontstaat er vaak
een beeld.
Door ervaringen vanuit je jongere leven, maar ook door een natuurlijk voorstellingsvermogen, worden
ontbrekende delen van het beeld ingevuld.
Luister maar eens naar een opname van je meest favoriete band via een slechte weergever zoals b.v.
via de speakers van je telefoon. Het geluid is schel, mono, en bevat totaal geen lage frequenties.
Toch, zodra je direct, als een herinnering, de muziek nog een keer afspeelt in je gedachte, hoor je de
gehele band, in stereo, inclusief de lage frequenties.
Om te kunnen horen, geluid te kunnen ervaren, te kunnen beleven, worden er verschillende
onderdelen van je lichaam gebruikt. Natuurlijk je oren. Maar voor het “voelen” van de lage frequenties
wordt je gehele lichaam gebruikt. Ook je ogen spelen een rol. Je beleeft muziek veel sterker als je
erbij bent.
Alle ontvangen prikkels worden uiteindelijk verwerkt en geïnterpreteerd door de hersenen. Deze
zorgen voor het geluidsbeeld en hoe deze wordt ervaren.
Voor het bepalen van de richting van de verschillende geluidsbronnen spelen de volgende
geluidseigenschappen een belangrijke rol (figuur 7):
•
•
•
•
Looptijdverschillen tussen het linker- en rechteroor
Intensiteitverschillen tussen het linker- en rechteroor
Frequentieverschillen tussen het linker- en rechteroor
Faseverschil tussen het linker- en rechteroor
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
9
Figuur 7 Richting bepalen.
Looptijdverschil
Op het moment dat de oren zich op een ongelijke afstand van de geluidsbron bevinden, worden
gelijke klanken met zeer kleine tijdverschillen aan de oren aangeboden.
Intensiteitverschil
In het oor dat gericht is op geluidsbron is de intensiteit groter dan in het afgewende oor.
Frequentieverschil
Bij hogere frequenties werkt het hoofd als geluidsscherm. De klank bereikt het afgewende oor met een
ander frequentiespectrum.
Faseverschil
Bij het oor dat naar de geluidsbron gericht is, zullen de pieken en dalen van het signaal op een
gegeven ogenblik iets vroeger aankomen en wordt de toon in beide oren in fase verschoven
waargenomen
Geluidsgolven met een lage frequentie hebben een golflengte van enkele meters. Dat betekent dat je
met je gehele lichaam past binnen een halve golflengte (figuur 8). Net als in een golfzwembad neemt
de druk rond je lichaam overal gelijkmatig toe of af.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
10
Figuur 8 Lange golf.
Bij lage frequenties onder 200Hz is het volumeverschil tussen het linker- en het rechteroor minimaal.
Ook is het faseverschil verwaarloosbaar klein. Bij deze lage frequenties is het dus lastig te bepalen
waar het geluid vandaan komt.
2.4. Besproken begrippen.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wat is geluid?
Frequentie.
Frequentiespectrum.
Geluidsdruk.
Longitudinale golf.
Hardheid / Loudness
dB-SPL, dB(A), dB(C)
Geluidssnelheid.
Looptijd.
Fase.
Geluidsbeeld.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
11
Hoofdstuk 3 Speakerspecificaties.
3.1. Inleiding.
De speakers vormen de laatste schakel van een lange weg die het geluid heeft gevolgd voordat het
wordt weergegeven. Van microfoon naar voorversterker, via effectapparatuur, door EQ op de
mengtafel, front EQ en processor, naar de eindversterker en dan uiteindelijk naar de speaker.
Alle componenten beïnvloeden het geluid. Al zou je alle EQ’s en effectapparaten overbruggen
(bypass), doordat er in de signaallijn allerlei elektronica wordt toegepast, beïnvloed dit het geluid.
De kwaliteit van deze apparatuur bepaald in grote mate de beïnvloeding. Niet alle beïnvloeding is
ongewenst!
Het beoordelen van kwaliteit kun je onderverdelen in twee onderdelen:
•
•
Technische kwaliteit
Karakteristieke kwaliteit
Belangrijk is dat de informatie die je hebt van de verschillende apparaten betrouwbaar is, en die
informatie oplevert die je nodig hebt voor het samenstellen en/of afregelen van je geluidsset.
Dit hoofdstuk richt zich op de specificaties van speakersystemen.
3.2. Technische kwaliteit.
De technische kwaliteit kan worden bepaald aan de hand van de geleverde specificaties. Deze wordt
vaak geleverd in de vorm van getallen en/of grafieken. Het zijn de resultaten van metingen, al dan niet
volgens genormeerde standaarden.
Hoe gemeten wordt, en welke resultaten worden vrijgegeven, wordt door de fabrikant bepaald.
Voor het kunnen kiezen van een speaker zijn de volgende gegevens van belang:
•
•
•
•
•
Het werkbare frequentiespectrum.
Het continu- en peakvermogen.
De impedantie.
Het rendement.
Het afstraalgedrag.
Het werkbare frequentiespectrum.
Binnen de PA-techniek is het nagenoeg niet mogelijk om met één luidspreker(-kast) het complete
hoorbare spectrum weer te geven. Fullrange speakers zoals b.v. de UPQ-1P van Meyersound heeft
een bruikbaar frequentiespectrum van 60Hz – 16kHz (±4dB). Dat betekent dat alle frequenties, tussen
de genoemde waarden, met een maximale afwijking van ±4dB ten opzichte van de nullijn worden
weergegeven. We spreken dan over een redelijke rechte karakteristiek. ±3dB was beter geweest.
Voor het weergeven van de sublage frequenties zullen we extra speakers moeten gebruiken die vanaf
b.v. 35Hz tot b.v. 120Hz een “rechte” karakteristiek hebben. Zoals b.v. de USW-1P van Meyersound.
Deze heeft een bruikbaar frequentiespectrum van 35Hz – 180Hz (±4dB).
Verstandig is om de speaker alleen in te zetten voor frequentiegebieden die vallen binnen het
bruikbare frequentiespectrum die door de fabrikant is opgegeven. Ga je de speaker gebruiken voor
frequenties die buiten dit spectrum vallen, kan zowel de speaker als de versterker defect raken!
Het continu- en peakvermogen.
Het continuvermogen, vaak ook wel (onterecht) RMS-vermogen genoemd, is het maximaal
toelaatbare vermogen dat de speaker gedurende lange tijd aan kan. Vaak is voor het bepalen van
deze waarde gebruik gemaakt van een zuiver sinussignaal of gewogen ruis. De speaker wordt op
deze manier continu zeer zwaar belast. Immers muziek, zelfs dead metal, kent momenten waarbij de
speaker gedurende een aantal milliseconden kan afkoelen.
Het peakvermogen is het maximale vermogen dat de speaker gedurende een zeer korte tijd aan kan.
Daarbij moet je denken aan maximaal 1/10 seconde.
De JBL JRX112M heeft een continuvermogen van 250W en een peakvermogen van 1000W.
Deze informatie is van belang voor het kiezen van een bijpassende versterker.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
12
De impedantie.
De luidspreker is een elektrisch apparaat dat, gebruikmakend van elektromagnetisme, een elektrisch
geluidssignaal omzet naar geluidsdruk. Het elektrische geluidsignaal is een wisselspanning. Deze
wordt aangesloten op de spoel van de luidspreker. In deze spoel, geplaatst in een magnetisch veld,
gaat een wisselende stroom vloeien die op zijn beurt rond de spoel een wisselend magnetisch veld zal
opwekken. De spoel wordt nu afwisselend aangetrokken en afgestoten waardoor de conus gaat
bewegen.
De impedantie is een maat voor de weerstand die de luidspreker vormt voor de versterker. Het
vervelende is dat deze niet gelijk is voor alle frequenties. Bij een zeer lage frequentie, b.v. 1Hz, is
deze b.v. 3 Ohm, namelijk nagenoeg de weerstand van het koperdraad waaruit de spoel is
opgebouwd. Bij de resonantiefrequentie van de speaker kan deze weerstand wel oplopen tot 30 Ohm!
Figuur 9 Impedantieverloop.
De opgegeven impedantie is de laagste weerstand na resonantie. In de hierboven getoonde grafiek
(figuur 9) ligt dat punt bij ongeveer 140Hz. De weerstand is dan 8 Ohm.
Het is niet verstandig om een speaker in te zetten in het gebied voor of op de resonantiefrequentie. De
fase verschuiving tussen de spanning en de stroom is dan erg groot waardoor er veel energie in de
versterker verloren gaat en het rendement erg laag is. Tevens is de vervorming over het algemeen
hoog binnen dat gebied. De hierboven genoemde speaker zou vanaf ongeveer 80Hz ingezet kunnen
worden.
Het rendement.
Het rendement is een maat voor hoeveel geluid een speaker produceert vanuit het aangeboden
vermogen. Deze wordt aangegeven in dB-SPL/1W/1m. Daarbij wordt de uitgangsspanning van de
versterker zo ingesteld dat deze uitgaande van de nominale impedantie van de speaker 1W opneemt.
Voor een speaker van 4Ohm betekent dit dat de uitgangsspanning wordt ingesteld op:
P = U /R of U= √(PxR) = √(1x4) = 2V
2
Het vermogen van 1W geldt dus alleen maar voor de frequentie waarbij de impedantie nominaal is n.l.
4 Ohm. Immers de impedantie neemt toe bij een toenemende frequentie.
Toch geeft deze waarde wel een duidelijke indicatie. Een gemiddelde HiFi speaker heeft over het
algemeen een rendement van niet meer dan 83dB-SPL/1W/1m. Terwijl een professionele PA speaker
al gauw 100 dB-SPL/1W/1m levert. Let wel, elke verhoging van 3 dB is vergelijk baar met het gebruik
van een 2x zoveel vermogen!
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
13
De genoemde HiFi speaker levert 93 dB-SPL aangesloten op een 10W versterker. De professionele
PA-speaker levert dan op één meter een geluidsdruk van 110dB-SPL!
Het afstraalgedrag.
Doordat tonen met een lage frequentie lange golven hebben, lang ten opzichte van de omvang van de
behuizing, zal de luchtdruk op- en afbouw rondom de gehele speaker merkbaar zijn (figuur 10).
Figuur 10 Meyersound UPQ-1P, 63Hz.
Het geluid straalt volledig rondom af. Of je nu achter of voor de speaker staat, voor lage frequenties
onder 200Hz zal het geluid overal nagenoeg even hard klinken.
Zodra de frequenties toenemen, en de golven dus kleiner worden, vormt de behuizing steeds meer
een obstakel waar het geluid niet meer doorheen kan. Daarnaast worden voor de hogere frequenties
hoorns gebruik die door hun directivity het geluid richting geven. Het geluid wordt gericht (figuur 11)
Figuur 11 Meyersound UPQ-1P, 2kHz.
Het afstraalgedrag wordt vaak voor het horizontale vlak en voor het verticale vlak aangegeven. Vaak
in de vorm van getallen b.v. Horizontaal 90˚ en Vertikaal 60˚, maar ook vaak in de vorm van grafieken
(figuur 12).
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
14
Figuur 12 Acoustic-Line TSM 12 Horizontal Directivity Plot.
Zoals je kunt zien worden alle genoemde frequenties, van 125Hz tot 16kHz nagenoeg recht
weergegeven zodra je recht voor de speaker staat, op 0˚, op de as. Zodra je van de as wegdraait b.v.
naar -45˚, zie je dat de weergave vooral in het hoge deel van het spectrum afneemt.
Voorbeelden specificaties.
Fabrikanten van speakers voor de “amateur”, gebruiken vaak grote getallen om hun speakers aan te
prijzen. B.v. de SkyTec Discospeaker. 400W vermogen, 3 weg systeem, dubbele baspoort,
SPL: 94dB, frequentiebereik 45Hz - 20000Hz. Voor nog geen 60 euro heb je veel speaker, maar de
genoemde getallen zeggen niets over de werkelijke technische kwaliteit.
Vragen die onbeantwoord blijven:
•
•
•
•
Is het genoemde vermogen het peakvermogen of het continu vermogen?
Geeft deze speaker alle frequenties binnen het genoemde spectrum nagenoeg even hard
weer (±3dB)?
Is de genoemde maximale geluidsdruk het resultaat voor één frequentie of is gebruik gemaakt
van ruis?
Wat is het afstraalgedrag?
Eigenlijk kun je met deze gegevens dus niet erg veel.
Fabrikanten die speakers maken voor het professionele segment verstrekken, over het algemeen,
duidelijke informatie. Voor de JBL JRX112M worden de volgende gegevens verstrekt: Powercapacity:
250W, Peak powercapacity: 1000W volgens IEC standaarden. Frequentierange: 60Hz – 16kHz (10dB), Frequency response: 70Hz – 12kHz (±3dB), maximum SPL: 129 dB-SPL, Horizontale
richtingsgevoeligheid 90˚ en verticale richtingsgevoeligheid 50˚.
De genoemde vermogens zijn vermogens die zijn bepaald aan de hand van een gestandaardiseerde
meetmethode. Het vermogen van 250W is dus ook het vermogen dat de speaker gedurende zeer
lange tijd aan kan.
De frequentiekarakteristiek is tussen 70Hz en 12kHz redelijk recht. De maximale afwijking ten opzichte
van de “nullijn” is ±3dB. De speaker is wel in staat frequenties weer te geven tot 16kHz. Geen HiFi
speaker maar wel een hoog rendement en recht binnen een duidelijk aangegeven bandbreedte
(70Hz – 12kHz).
Met deze gegevens kun je tenminste iets.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
15
3.3. Karakteristieke kwaliteit.
Technische specificaties zijn van belang om te bepalen of de technische kwaliteit voldoende is.
Daarbij kijk je naar de te produceren geluidsdruk, het weer te geven frequentiespectrum, enz.
Daarnaast heb je nog de karakteristieke kwaliteit. Deze heeft sterk te maken met het doel waarvoor de
speaker moet worden toegepast en je persoonlijke voorkeur.
Van twee verschillende speakers kunnen de technische specificaties nagenoeg gelijk zijn en toch
verschillend klinken.
Voor het bepalen van de karakteristieke kwaliteit moet je veel systemen gaan beluisteren, beoordelen.
Soms doe je concessies aan de technische kwaliteit omdat een speaker zo lekker klinkt. Belangrijk is
dat je bewust je keuzes maakt en weet waarmee je bezig bent.
3.4. Besproken begrippen.
•
•
•
•
•
Het werkbare frequentiespectrum.
Het continu- en peakvermogen.
De impedantie.
Het rendement.
Het afstraalgedrag.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
16
Hoofdstuk 4 Speaker management systeem.
4.1. Inleiding.
In PA systemen zie je geregeld een combinatie van een full-range speaker (een top) die loopt van
63Hz tot ongeveer 16kHz, gecombineerd met een lage tonen speaker (sublaag speaker) die loopt van
30Hz tot ongeveer 200Hz.
Elke speaker krijgt zijn eigen versterker. Het scheiden van de verschillende frequentiegebieden
gebeurt voor de eindversterkers (figuur 13).
Voor het scheiden van de verschillende frequentiegebieden kunnen elektronische filters worden
toegepast die zijn gebaseerd op analoge techniek, maar veelal zie je digitale speakermanagement
controllers die naast het filteren nog veel meer functies in zich hebben.
Deze controllers zijn vaak opgebouwd uit één of meerdere DSP’s (digital sound processor).
Figuur 13 Speakermanagement controller.
4.2. Functies.
Scheidingsfilter.
Minimaal moet de controller zijn voorzien van een scheidingsfilter waarmee de verschillende
frequentiegebieden van elkaar kunnen worden gescheiden (figuur 14). Dit wordt soms ook wel het
crossoverfilter of de crossover of –x-over genoemd.
Figuur 14 Crossoverfilter.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
17
In figuur 14 zie je een voorbeeld van een filter voor drie verschillende frequentiegebieden. Daarbij
loopt het eerste gebied van 0Hz tot 120Hz, het tweede gebied van 120Hz tot 2400Hz en het laatste
gebied van 2400Hz tot 20kHz.
De steilheid en de vorm van de grafiek is vaak instelbaar. De meest bekende instellingen, voor wat
betreft de vorm, zijn Butterworth (Btw), Linkwitz-Riley (L-R) en Bessel.
Een belangrijk verschil tussen Butterworth en L-R is dat een scheidingsfilter, gebaseerd op
Butterworthfilters, bij het overnamepunt, de -3dB punten, een versterking hebben van +3dB.
Linkwist-Riley filters zijn zo gemaakt dat bij het overnamepunt de karakteristiek vlak is. Zie figuur 15.
Gain
Fase
Figuur 15 Butterworth, Linkwist-Riley (LR2) en Bessel.
Bij een Besselfilter is de fasedraaiing, die automatisch ontstaat bij filters, tot het overgangspunt
nagenoeg 0˚. Wordt dit type filter gebruikt in scheidingsfilter dan kan dat minder faseproblemen geven.
Gebruik je oren om te bepalen welke je het prettigst vindt. Soms geeft de speakerfabrikant advies over
de te gebruiken vorm. Bij veel van de digitale versies van de genoemde filters komen de “analoge”
problemen rond fasedraaiing, enz. minder tot geheel niet voor.
De steilheid van het filter wordt uitgedrukt in aantalen dB’s per octaaf. Bij 12dB/octaaf neemt de
versterking vanaf het overnamepunt met 12dB af bij halvering van de frequentie (1 octaaf verlaging)
(figuur 16).
Figuur 16 Steilheid.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
18
De keuze is afhankelijk van het type speaker. Gebruik ook hier de informatie van de fabrikant en
natuurlijk je eigen oren.
Belangrijk is je wel te realiseren dat als je een te grote overlap hebt tussen de verschillende
frequentiegebieden er sneller fase problemen kunnen ontstaan. Vooral wanneer de topkasten en de
sublaagkasten een aantal meters uit elkaar geplaatst worden kunnen looptijdverschillen dit versterken.
Door dan te kiezen voor een steile karakteristiek kunnen deze problemen deels worden voorkomen.
EQ.
Om het geluid eventueel te kunnen aanpassen aan de ruimte en de speakerset wordt de processor
vaak uitgerust met een multiband parametrische eq en een aantal hoog- en laagdoorlaat filters (highen lowpass filters).
Met behulp van hoog- en laagdoorlaatfilters kun je het frequentiegebied wat je wilt gebruiken scherp
afbakenen. Dit om te voorkomen dat je energie stopt in frequenties die niet van belang zijn.
Vaak zijn frequenties lager dan b.v. 30Hz, voor live geluid, niet van belang. (figuur 17).
Figuur 17 High Pass filter.
N.B. De getoonde filters behoren bij de Audia digital soundprocessor van Biamp. Binnen het digitale
domein zijn steilere karakteristieken en betere fase-eigenschappen mogelijk dan binnen het analoge
domein!
Figuur 18 Parametrische EQ.
Figuur 18 laat een vierbands parametrische EQ zien. Bij een parametrische EQ kun je zowel de
frequentie, gain (versterking of verzwakking) als de bandbreedte, van de te corrigeren frequentie,
bepalen.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
19
Je kunt dus zeer nauwkeurig de probleemfrequenties aanpakken.
De bandbreedte wordt in dit voorbeeld aangeven in de vorm van een deel van een octaaf. Voorbeeld:
de centrale frequentie is 50 Hz. Eén octaaf lager is dan 25Hz, één octaaf hoger is dan 100Hz. De
bandbreedte staat ingesteld op 0,5x één octaaf. Dat betekent dus dat de laagste frequentie is
ingesteld op 12,5Hz lager dan de centrale frequentie, dus 37,5Hz en de hoogste frequentie 25Hz
hoger dan de centrale frequentie, dus 75Hz. Deze waarden gelden voor de helft van de gain instelling
(figuur 19)
Bandbreedte = 1 octaaf
Bandbreedte = 0,1 octaaf
Figuur 19 Variabele bandbreedte.
Nu wordt het begrip: bandbreedte in het bovenstaande stukje niet geheel juist gebruikt. Formeel
spreken we over de bandbreedte als we het hebben over het frequentiegebied tussen de -3dB punten.
Oftewel die punten waarbij de signaalsterkte is gehalveerd. In figuur 20 kun je zien dat wanneer de
gain is ingesteld op -7dB de bandbreedte (-3dB punten) overeen komt met de gemaakte instelling
namelijk 30 Hz. Wordt de gain verlaagd tot -15dB dan kun je zien dat b.v. het -3dB punt van 50Hz
verschuift naar 80Hz. Dat betekent dat de bandbreedte bij toenemende of afnemende gain varieert.
Gain = -7dB
Gain = -15 dB
Figuur 20 Variabele Q-factor.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
20
In plaats van het kunnen instellen van de bandbreedte kom je ook regelaars tegen waarmee de
Q-factor kan worden ingesteld. De Q-factor wordt ook wel de kwaliteitsfactor van een filter genoemd.
De Q-factor kan worden berekend door:
Q = f0/(fh-fl)
Oftewel de centrale frequentie delen door de werkelijke bandbreedte, uitgaande van de -3dB punten.
Met behulp van de Q-factor kun je dus veel nauwkeuriger regelen welk deel van het
frequentiespectrum wordt beïnvloed door de gain. Figuur 21 laat een voorbeeld zien waarbij de
bandbreedte constant blijft.
Q = 45/(50-40) = 4,5
Gain = -7dB
Gain = -18dB
Figuur 21 Constante bandbreedte.
Limiter.
Een limiter (begrenzer) moet voorkomen dat er te grote signalen naar de versterkers worden gestuurd
waardoor apparatuur beschadigd kan raken of maximale geluidsniveaus worden overschreden.
Een limiter is een compressor waarbij de compressieverhouding groter is dan 10:1, een attacktijd
(<=10mS) en een snelle releasetijd (<=10mS).
Zodra het ingangssignaal van de limiter een grenswaarde overschrijdt (threshold) wordt het extra
signaal met een factor 10, of meer, verzwakt.
Als de limiter is ingesteld op +10dBu (threshold) en heeft een vaste compressieverhouding van 10:1.
Het aangeboden ingangssignaal, vanuit b.v. de mengtafel, heeft een niveau van 20dBu. Dan wordt het
uitgangsignaal van de limiter:
Extra signaal = Ingangssignaal – Threshold = 20 – 10 = 10 dBu
Effect limiter = Extra signaal / 10 = 1dBu
Uitgangssignaal = 10dBu + 1 dBu = 11dBu
Boven de ingestelde threshold wordt het aangeboden signaal op een resolute manier sterk
gecomprimeerd. Dat klinkt niet echt fraai. Een limiter heeft dus ook echt een duidelijke
veiligheidsfunctie en wordt niet ingezet om klank aan te passen.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
21
Figuur 22 laat een compressor, ingesteld als limiter, zien zoals die binnen de Audia kan worden
gebruikt.
4.3. Besproken begrippen.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Figuur 22 Limiter.
Speakermanagement controller
Scheidingsfilter
Filterkarakteristieken
Butterworth, Linkwist en Riley en Bessel
Hoog- en laagdoorlaat filters
Parametrische EQ
Bandbreedte
Q-factor
Limiter
Threshold
Compressieverhouding
Attack- en releasetijd
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
22
Hoofdstuk 5 Vermogensversterkers (power amplifier).
5.1. Inleiding.
De eindversterker, als laatste component voor de speaker, moet er voor zorgen dat het aangeboden
audiosignaal dusdanig wordt versterkt dat de speaker voldoende geluidsdruk kan leveren.
Vermogensversterkers zijn over het algemeen spanningsversterker. Dat betekent dat de aangeboden
ingangsspanning wordt versterkt tot een hogere uitgangsspanning. Door het aansluiten van een
speaker wordt de uitgang belast met een impedantie en gaat er stroom vloeien. Pas dan levert de
speaker pas geluidsdruk.
5.2. Technische specificaties.
Dempingsfactor
Figuur 23 Eindversterker.
Als je een eindversterker ziet als een zwarte doos met daarop aangesloten een speaker kun je deze
vervangen door de schakeling van figuur 23. De versterker bestaat dan uit een ideale spanningsbron
een spanningsbron met een inwendige weerstand van 0 Ohm, met daarmee in serie de
uitgangsweerstand van de versterker, de kabelweerstand en de nominale impedantie van de speaker.
Een speaker is een dynamisch apparaat waarin, doormiddel van een elektrische stroom, een spoel in
beweging wordt gebracht. Nadat de stroom weg is gevallen trilt de conus nog even na. Dit natrillen is
ongewenst, we willen namelijk dat de conus exact het audiosignaal volgt. Nu wekt de speaker, als de
conus, dus de spoel, in beweging wordt gebracht zijn eigen spanning op. Wordt deze spanning
kortgesloten, dan gaat er een kortsluitstroom door de spoel vloeien die de beweging zal tegenwerken
en dus dempen!
Dat betekent dat de uitgangsweerstand van de eindversterker, maar ook de kabelweerstand, zeer
laag moeten zijn.
De verhouding tussen de nominale speakerimpedantie en de uitgangsweerstand van de
eindversterker plus de kabelweerstand noemen we de dempingsfactor.
D = Zspeaker / (Rkabel + Ru)
Een reële uitgangsweerstand van een goede eindeversterker is 0,03 Ohm. Als we daarbij uitgaan van
2
een kabel van ongeveer 4 meter lengte en een dikte van 2,5mm dan wordt de dempingsfactor:
D = 8 / (0,1 + 0,03) = 61
NB
Een kabel met een dikte van 2,5mm heeft een weerstand van 0,1Ohm.
2
In de specificaties van een eindversterker kom je dempingsfactoren van 300 of meer tegen. Daarbij is
de dempingsfactor berekend zonder rekening te houden met de kabelweerstand!
De invloed van de kabelweerstand is zeer groot.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
23
Zodra de dempingsfactor onder de 50 komt is het kwaliteitsverlies, vooral in het laag, duidelijk
hoorbaar. Het laag gaat minder strak of wolliger klinken.
Vervangen we de speaker in het vorige voorbeeld door een speaker met een nominale impedantie
van 4 Ohm, dat wordt de dempingsfactor:
D = 4 / (0,1 + 0,03) = 30!
Plaatsen we nu de versterker direct achter de speaker en vervangen we de kabel door één met een
lengte van 1,5 meter dan wordt de dempingsfactor:
D = 4 / (0,03 + 0,03) = 67
Kortweg:
•
•
•
•
Gebruik versterkers met een dempingsfactor van 200 of meer.
Gebruik kabels met voldoende dikte.
Gebruik kabels niet langer dan noodzakelijk.
Gebruik goed gemonteerde professionele connectoren zoals b.v. Speakon (lage
overgangsweerstand).
Vervorming.
Vervorming in een eindeversterker is het signaal dat deze versterker, ongevraagd, toevoegt aan het
uitgangssignaal.
Veel voorkomende komende aanduidingen voor vervorming zijn:
•
•
•
THD, total harmonic distortion
THD-N, total harmonic distortion + noise
IMD, intermodulation distortion
Bij het bepalen van de THD wordt een zuiver sinussignaal van b.v. 1000Hz aangeboden aan de
versterker. Aan de uitgang van de versterker wordt het versterkte signaal met dezelfde frequentie als
het ingangssignaal zorgvuldig weggefilterd. Wat er aan uitgangssignaal overblijft, is dus vervorming.
Door middel van een analyser wordt nu bij elke harmonische van het oorspronkelijke signaal gemeten
hoeveel spanning aanwezig is.
Harmonischen zijn een veelvoud van de grondfrequentie. Bijvoorbeeld:
Grondtoon
e
2 harmonische
e
3 harmonische
e
4 harmonische
e
5 harmonische
e
6 harmonische
e
7 harmonische
1000Hz
2000Hz
3000Hz
4000Hz
5000Hz
6000Hz
7000Hz
De totale vervorming wordt procentueel weergegeven. Bijvoorbeeld:
THD (5th-order) minder dan 0.01%, +4 dBu, 20-20 kHz, unity gain
Daarbij wordt aan de ingang een zuiver sinusvormig signaal aangeboden met een sterkte van +4dBu
e
(1,23V rms). Voor het filteren van de verschillende harmonischen en de grondfrequentie worden 5
orde filters gebruikt (-36dB / oct). Alle harmonischen binnen het hoorbare spectrum van 20 – 20kHz
worden meegenomen. Daarnaast worden verschillende grondfrequenties gebruikt. Dit bij
gelijkblijvende belastingsweerstand.
NB
Als alleen percentage wordt genoemd zegt deze waarde weinig. De condities waarbinnen de
meting is uitgevoerd zijn van groot belang om het resultaat te kunnen beoordelen!
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
24
De THD+N meting werkt op dezelfde wijze als de THD meting behalve dat aan de uitgang niet alleen
de harmonischen worden gemeten maar alles. Dat betekent dat de grondtoon zorgvuldig uit het
uitgangssignaal wordt gefilterd. Alles wat daarna overblijft is vervorming. Bijvoorbeeld.
THD+N less than 0.01%, +4 dBu, 20-20 kHz, unity gain, 20 kHz BW (bandbreedte)
IMD, intermodulation distortion, is de vervorming die ontstaat wanneer twee zuiver sinus vormige
signalen worden aangeboden. Vaak wordt daarbij de SMPTE standaard voor gebruikt. Deze maakt
gebruik van een 60Hz toon en een 7kHz toon. Daarbij wordt de 60Hz toon 12dB (4x) harder
uitgestuurd dan de toon van 7kHz.
Door filters worden, aan de uitgang, de 60Hz en 7kHz tonen uitgefilterd. Alles wat daarna aan
vermogen overblijft is intermodulaire vervorming.
Voorbeeld:
IMD (SMPTE) less than 0.01%, 60Hz/7kHz, 4:1, +4 dBu
Hoeveel vervorming acceptabel is hangt van een aantal factoren af. Niet alle harmonische zijn in
gelijke mate storend. Als het niveau van de vervorming 20dB-SPL lager ligt dan het niveau van de
muziek, is de vervorming niet meer hoorbaar. Dit geldt voor een totale vervorming van 1%. Waarden
van <= 0,01% bij genoemde specificaties zijn voor PA systemen prima.
Vermogen
Ga uit van het maximaal continu gemiddelde vermogen dat door de versterker kan worden geleverd.
Dit wordt ook wel, onterecht, het RMS vermogen genoemd. Belangrijk is ook dat genoemd wordt bij
welke impedantie het vermogen wordt geleverd. Bij 4Ohm ligt het vermogen vaak bijna 2x hoger dan
bij 8Ohm. Voorbeeld:
Continuous average output power per channel:
Figuur 24 Vermogen QSC RMX 1450.
5.3. Besproken onderwerpen.
•
•
•
Dempingsfactor.
Vermogen.
Vervorming (THD, THD+N, IMD)
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
25
Hoofdstuk 6 Ontwerpoverwegingen.
6.1. Inleiding.
Elke situatie is anders. De ene keer gaat het om het uitversterken van een spelleider tijdens een bingo
avond terwijl een andere keer je gevraagd wordt een set samen te stellen voor het uitversterken van
een festival voor 2000 mensen.
Het is dus onmogelijk om een standaard oplossing aan te reiken. Dat willen we ook niet want dan is de
lol er vanaf.
Vragen die je vooraf moet beantwoorden zijn o.a.:
•
•
•
•
Welk frequentiegebied moet worden weergegeven?
In welke mate heeft de ruimte invloed op het geluid?
Hoe groot is het te bespelen oppervlak?
Hoeveel vermogen is er nodig?
6.2. Hoeveel vermogen is noodzakelijk?
Als er wordt gesproken over vermogen dan heb je het over de combinatie speaker / versterker. Dit kan
zowel passief, als actief. Sluiten we meerdere speaker aan op één versterker dan wordt het vermogen
gedeeld door het aantal speakers.
Het rendement van een speaker wordt aangegeven in dB-SPL / 1 W / 1 m. Een speaker met een
rendement van 97 dB-SPL / 1W / 1m levert op één meter afstand een geluidsdruk van 97 dB-SPL
waarbij de versterker 1 W aan vermogen levert. Bij verdubbeling van het vermogen neemt de
geluidsdruk met 3dB toe. Bij vertienvoudiging van het vermogen neemt de geluidsdruk met 10dB toe.
Voorbeeld:
P = 100W (10x10x1W) ≡ 10dB+10dB = 20dB
De speaker levert dan 97dB-SPL+20dB = 117dB-SPL
Het continu vermogen van de versterker kan tweemaal groter worden gekozen als het continu
vermogen van de speaker. Dit kan omdat het continu vermogen van de speaker onder zeer zware
condities is bepaald waarbij ruis gebruikt is als bron. Door gebruik te maken van ruis (zie figuur 25)
krijgt de speaker totaal geen tijd om af te koelen. Immers in elke frequentie tussen de 20 en 20kHz
wordt de maximale energie gestopt.
Figuur 25 Roze ruis.
Bij muziek en/of spraak wordt de speaker nooit zo zwaar belast. Zelfs de muziek van een Speed Metal
band, zie figuur 26, kent momenten van milliseconden waarin de speaker kan afkoelen. Vandaar dat
het geen probleem is de speaker met het dubbele vermogen te belasten.
Figuur 26 Muziek.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
26
Voorbeeld:
Pcontinu speaker = 250W
Pcontinu versterker = 500W
Belangrijk is dat het peakvermogen van de speaker ruim boven het continu vermogen van de
versterker ligt!
Er zijn een aantal vuistregels die je kunnen helpen bij het maken van een schatting. De één gaat uit
van 10 Watt per persoon. Voor een zaal met 300 personen hebben we dan 3kW nodig. Een andere
2
2
vuistregel gaat uit van 5 Watt per m . Voor een ruimte van 120 m hebben we dan 600 Watt nodig.
Deze vuistregels zijn absoluut niet nauwkeurig. Voor een eenvoudig spraaksetje zijn deze vuistregels
te gebruiken. Voor het bereken van het benodigde vermogen voor een PA is het verstandig om een
nauwkeurigere methode toe te passen.
Handige regeltjes:
•
•
•
Verdubbelen van de afstand -> -6dB-SPL (uitgaande van een puntstraler)
Verdubbelen vermogen -> +3dB-SPL (uitgaande van een enkele speaker)
Vertienvoudigen van het vermogen -> +10dB-SPL
Deze regels gelden in de open lucht waarbij de speaker volledig vrij hangt. Een situatie die niet echt
vaak voorkomt maar toch zijn deze regels goed te gebruiken.
Stel, het geluid van een bandje in het locale clubhuis moet worden uitversterkt m.b.v. een uit de
kluiten gewassen zangset (figuur 27).
Figuur 27 Zangset.
Er wordt gebruik gemaakt van de JBL JRX125. Deze speaker heeft de volgende specificaties:
•
•
•
•
500W continu / 2000W peak
45 – 12kHz (±3dB)
100dB-SPL / 1W /1m
4 Ohm
Het werkbare gebied begint dus bij 45Hz. Verstandig is het om door middel van een laagaf filter de
speaker niet aan te sturen met frequenties lager dan 45Hz. De speaker kan deze frequenties toch niet
goed weergeven en hoogstwaarschijnlijk komt de speaker in de buurt van zijn resonantiefrequentie en
maakt de impedantie een sprong bij een grote faseverschuiving. Dat betekent dat er weinig vermogen
omgezet wordt in geluid maar in de versterker achterblijft in de vorm van warmte.
12kHz is voor een HiFi installatie niet hoog. Voor een PA is deze frequentie acceptabel.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
27
De speakers worden aangesloten op de QSC RMX2450. Deze versterker heeft de volgende
specificaties:
•
NB
650W continu per kanaal bij 4Ohm / FTC 20 Hz - 20 kHz / 0.1% THD.
De speaker wordt dus niet maximaal belast!
Voor het bepalen van de maximale geluidsdruk die de speaker / versterker combinatie kan leveren
kunnen we een tabel opzetten. Per verdubbeling van het vermogen neemt de geluidsdruk 3dB-SPL
toe. De beginwaarde is het rendement opgegeven door de fabrikant, 100 dB-SPL / 1W / 1m.
Vermogen (W):
1
2
4
8
16
32
64
128
512
1024
2048
Geluidsdruk op één meter (dB-SPL):
100
103
106
109
112
115
118
121
124
127
130
Het, door de versterker maximaal continu geleverd, vermogen is 650W. Dit ligt tussen de 512W en
1024W. De geluidsdruk ligt dus tussen de 124 en 127 dB-SPL. Omdat 650W dichter tegen de 512W
aan ligt dan 1024W ga ik uit van de maximale geluidsdruk van 125dB-SPL.
De mengtafel bevindt zich op 10 meter van elke speaker. In overleg met de eigenaar van het clubhuis
is afgesproken dat het geluidsniveau niet boven de 100 dB(A) mag komen. Eerst zal moeten worden
bepaald of de set krachtig genoeg is.
Per verdubbeling van de afstand neemt de geluidsdruk met 6dB af.
Afstand (m):
1
2
4
8
16
32
NB
Geluidsdruk (dB-SPL):
1 speaker
125
119
113
107
101
95
2 speakers
128
122
116
110
104
98
Door gebruik te maken van twee speaker / versterkercombinaties wordt het vermogen nog
een keer verdubbeld. Vandaar dan in de kolom “2 speakers” begonnen wordt met 128dB-SPL.
Tot nu toe lijkt alles okay. Maar er is geen rekening gehouden met het feit dat ons gehoor minder
gevoelig is voor vooral lage frequenties. Tijdens het meten van de maximale geluidsdruk in het kader
van allerlei wet- en regelgeving, wordt daarmee wel rekening gehouden.
Er moet ook worden bepaald of er voldoende geluidsdruk kan worden geproduceerd in de lage
frequenties.
Figuur 28 kan daarvoor worden gebruikt.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
28
Figuur 28 Hardheid.
Ten eerste wordt de loudness (hardheid) bepaald. Daarvoor kan het maximale aantal dB(A) worden
gebruikt. Deze lijn vertegenwoordigt de gevoeligheidskromme van het oor bij 100 fon. Dit komt aardig
overeen met 100dB(A).
Ten tweede wordt het snijpunt met de 45Hz lijn bepaald. Deze staat niet op de x-as maar door tussen
de 40Hz en 50Hz lijn een extra lijn te tekenen moet dat lukken. Let daarbij wel op dat de x-as
logaritmisch is!
Ten slotte lees je vanuit dat snijpunt op de y-as het benodigde dB-SPL bij 45Hz af. Het resultaat is
112dB-SPL! Volgens de tabel kan het systeem maximaal 110dB-SPL leveren op 8 meter.
Mogelijke oplossingen:
•
•
•
Je afvragen of frequenties beneden de 45Hz wel van belang zijn!
Zwaardere versterker, een versterker van 2x 1000W continu levert ongeveer 2dB-SPL extra.
Het laagaf filter instellen op 50Hz waardoor er beduidend minder vermogen in het laag
noodzakelijk is.
6.3. Geluidsveld.
Door de speaker geluid te laten produceren ontstaat er rond de speaker een geluidsveld. Bij lage
frequenties nagenoeg omni directioneel terwijl bij hogere frequenties dit uni directioneel gebeurt.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
29
Figuur 29 laat het geluidsveld van een full-range speaker bij 100Hz en 4kHz.
100Hz
4kHz
Figuur 29 Afstraalgedrag full-range speaker.
Bij de mengtafel ziet de frequentiekarakteristiek er als volgt uit (figuur 30):
Figuur 30 Frequentiespectrum full-range speaker.
Zodra de tweede speaker wordt ingeschakeld ontstaan er twee geluidsvelden die elkaar gaan
beïnvloeden. Alleen op de loodrechte lijn, getrokken vanuit de mengtafelpositie, naar het podium
zullen geluidsgolven van verschillende frequenties elkaar ondersteunen. Buiten deze lijn ontstaan er
looptijdverschillen tussen de geluidsgolven uit de linker- en de rechter speaker.
Figuur 31 laat de frequentiekarakteristiek zien die geldt voor een bezoeker die zich twee meter buiten
de centrale lijn bevindt, wordt vaak “off axis” genoemd.
Figuur 31 Off axis positie.
Tja, dat ziet er niet zo fraai uit. Toch valt het wel mee. Bij frequenties hoger dan ongeveer 500Hz,
golflengte 68 cm, is de golflengte dusdanig klein dat het ene oor in een piek zit terwijl de ander zich in
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
30
een dal bevindt. De hersenen gebruiken deze fase verschuiving voor het bepalen van de richting maar
de hardheidsindruk wordt daar niet door beïnvloed.
Voor tonen met lange golven, lage frequenties, worden sommige frequenties rond het lichaam volledig
onderdrukt (cancellation) of juist versterkt. Hier ervaart de bezoeker dan ook duidelijk gaten in het
frequentiespectrum.
Figuur 32 Off axis, 1/3 octaaf.
Door, op de karakteristiek van figuur 31, 1/3 octaaf “smoothing” toe te passen, wordt de grafiek
vloeiender en laat deze duidelijk zien waar de kwalijke pieken en dalen liggen. Er is een duidelijke dip
op 100Hz, een piek op 175Hz, vervolgens een dal op 300Hz, enz.
Figuur 33 laat het geluidsveld zien bij respectievelijk 100 en 1kHz.
100Hz
1kHz
Figuur 33 Cancellation effect.
Bij het gebruik van twee full-range speakers valt tegen dit probleem weinig te doen. Nu laat figuur 33
de situatie zien waarbij geen rekening is gehouden met reflectie. Door reflectie van het geluid tegen
de vloer, het plafond en wanden ontstaan veel meer geluidsbronnen (direct en indirect) die het
geluidsveld beïnvloeden.
Figuur 34 laat het geluidsveld bij 100Hz in een ruimte zien waarbij de wanden bestaan uit geschilderd
gegoten beton.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
31
Figuur 34 Geluidsveld inclusief reflectie bij 100Hz.
Zoals je kunt zien is het geluidsveld een stuk gelijkmatiger geworden. Minder donker blauwe vlakken.
Een ruimte kan een bijdrage leveren in de verspreiding van de geluidsgolven. Iedereen heeft volgens
mij wel eens ervaren dat je HiFi set in de huiskamer veel harder klinkt dan in de tuin tijdens een BBQ.
Natuurlijk heeft de ruimte wel invloed op het karakter van het geluid.
•
•
•
•
Wanden zijn van een bepaald materiaal gemaakt en bekleed. Dit bepaalt in welke mate
bepaalde frequenties worden gereflecteerd of worden gedempt. Dit kleurt het geluid.
Een ruimte resoneert bij bepaalde frequenties. Bepaalde frequenties zullen daardoor harder
klinken.
Reflecties (figuur 35), early reflections, met een looptijd langer dan 20mS worden ervaren als
echo’s.
Herhaalde reflecties (figuur 35), late reflections, verliezen hun definitie. Deze vormen galm die
de meeste energie heeft.
Dit hoeft niet vervelend te zijn. Ruimtes kunnen mooi klinken. Toch zijn dit punten waarmee je
rekening moet houden.
Waarom klinkt een goede koptelefoon zo lekker strak? Totaal geen reflectie! 100% direct geluid. Total
control.
Figuur 35 Reflecties.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
32
Figuur 36 laat de impulsresponse zien van de geluidsset zonder en met reflectie bij de mengtafel.
b. Met reflectie
a. Zonder reflectie
Figuur 36 Impulsresponse.
Bij het meten van de impulsresponse wordt een korte geluidspuls de ruimte ingestuurd. Zoals je in
figuur 33 kunt zien staan de meetmicrofoon op 10 meter afstand van het podium.
2
2
De afstand van de speakers tot aan de microfoon is dan l = √(5 + 10 ) = 11,2 meter. De looptijd is dan
t = 3 x 11,2 = 33,6mS.
Figuur 36 laat zien dat de puls inderdaad na ongeveer 33mS aankomt. In figuur 36b, met reflectie, zie
je dat er na 40mS en 64mS nog een aantal pulsen te zien zijn. Het niveau van de puls op 40 mS ligt
veel lager dan de puls op 33mS. Deze puls komt minder dan 20mS later. Deze puls zal dan ook
weinig invloed hebben op het geluidsbeeld.
Het niveau van de puls van 64mS ligt op een hoger niveau. Daarnaast is de tijd tussen de puls op
33mS en die van 64mS langer dan 20mS namelijk 31mS. Deze puls wordt ervaren als een
zelfstandige reflectie.
Verplaatsen we de meetmicrofoon naar rechtsachter in de zaal dan ontstaat de impulsresponse zoals
weergegeven in figuur 37.
Impulsresponse
Meetmicrofoon off-center.
Figuur 37 Impulsresponse off-center.
Figuur 38 laat de frequentiekarakteristiek zien.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
33
Figuur 38 Frequentiekarakteristiek rechts achter.
Kunnen we het geluidsbeeld verbeteren? Een aantal overwegingen.
Resonantiefrequenties kunnen we enigszins aanpakken m.b.v. een EQ. Door minder energie te
stoppen in die frequenties waarop de ruimte gaat resoneren, kunnen we de frequentiekarakteristiek
enigszins rechttrekken. Dit kan een rustiger geluidsbeeld opleveren.
Daarbij moet je wel realiseren dat je vaak de set afregelt op de plek waar de mengtafel staat. Een plek
waar je vaak het minst last hebt van het cancellation effect.
Beluister de set dus ook vanuit verschillende plekken in de zaal. Probeer een goed gemiddelde te
zoeken.
Pieken en dalen in het geluidsveld ontstaan doordat geluiden vanuit verschillende bronnen, direct of
door reflectie, de luisteraar bereiken.
Een overweging is dus het verminderen van het aantal bronnen. Dit kun je doen door de speakers
dusdanig te plaatsen of te vliegen dat de luisteraar zoveel mogelijk direct wordt aangestraald.
Daarnaast kun je overwegen het geluid te verdelen over meerdere speakers. Natuurlijk kun je de
instrumenten verdelen over link en rechts, maar ook het gebruik van een gevlogen centercluster,
waarover de vocalen apart worden weergegeven, kan een gelijkmatiger geluidsbeeld geven.
6.4. Sublaag.
Over het algemeen zijn de pieken en dalen in het geluidsveld voor de lage frequenties tot ongeveer
250Hz het meest opvallend. Op verschillende plekken kan, v.w.b. de hogere frequenties, de klankkleur
wel enigszins verschillen maar zolang je als luisteraar niet veel loopt is dit vaak niet hinderlijk.
Een lage frequentie bevat weinig tot geen richtingsinformatie. Deels doordat we de basinstrumenten
centraal in de mix plaatsen, maar ook doordat de golven lang zijn en we dus niet in staat zijn om goed
de richting te kunnen bepalen (par. 2.2).
Een optie is dan ook om het laag te scheiden van het mid-laag, mid-hoog en hoog en centraal vanuit
één punt weer te geven. De sublaagspeaker(s) worden dan centraal voor het podium geplaatst. Zie
figuur 39.
Figuur 39 Sublaag speaker centraal.
Je moet je daarbij wel realiseren dat vooral in het overgangsgebied, tussen de verschillende
frequentiegebieden, alle drie speakers elkaar beïnvloeden. Figuur 40 laat de geluidsvelden zien bij
verschillende frequenties.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
34
80Hz
125Hz
1kHz
8kHz
Figuur 40 Geluidsvelden PA met centrale sublaagpeaker.
Zoals je kunt zien blijven er gaten vallen binnen het geluidsveld. Toch zijn de gaten minder diep en is
het gebied dat voorzien wordt van het sublaag een stuk groter.
Door te kiezen voor een steil scheidingsfilter (b.v. L-R -48 dB per octaaf) kun je het frequentiegebied
waarbinnen de sublaagspeaker en de topjes elkaar beïnvloeden sterk verkleinen (figuur 41).
Figuur 41 Linkwitz-Riley -48dB / oct.
Gebruik je analoge scheidingsfilters dan kan het zijn dat er fase problemen ontstaan bij deze steilheid.
Digitale filters hebben daar over het algemeen minder last van. Toch zul je je ervan moeten overtuigen
of dat klopt. Is de digitale variant van een Linkwitz-Riley scheidingsfilter een echte kopie van het
originele analoge filter, dan zal ook daar de fase gaan verschuiven.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
35
Een andere overweging is om de lijn waarop de speakers zijn geplaatst te zien als een deel van een
cirkelomtrek waarbij het midden van het luistergebied het midden vormt van deze cirkel
(figuur 42).
Figuur 42 Cirkel.
De sublaagspeaker bevindt zich op 9 meter van het middelpunt van de cirkel. De topjes staan op 10
meter uit elkaar aan weerzijde van het podium. Met behulp van de stelling van Pythagoras kun je nu
de straal van de cirkel berekenen.
r = √(9 + 5 ) = 10,3m
2
2
Dat betekent dat we de sublaagspeaker 10,3 – 9 = 1,3m naar achteren moeten plaatsen. Dit kunnen
we doen door een vertragingstijd voor de sublaagspeaker in te stellen.Deze kunnen we als volgt
berekenen:
t(1 meter) = 1/344 = 2,91mS
t = 2,91 x 1,3m = 3,8mS
Deze delay tijd voeren we in het speakermanagementsysteem in (figuur 43).
Figuur 43 Instellen delay.
Figuur 44 laat het verschil zien van het geluidsveld zonder en met een delay van 3,8mS
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
36
Delay van 0 S
Delay van 3,8mS
Figuur 44 Met en zonder delay.
Door meerdere sublaag speakers naast elkaar te plaatsen kunnen we het geluid polariseren. Dat
betekent dat we instaat zijn het geluid te richten. We spreken dan over een Sublaag array. Richten lukt
alleen indien de afstand tussen te speakers vele male kleiner is dan de kleinste golflengte waarvoor
we het richten willen laten gelden. Dus voor hogere frequenties is dit lastiger dan voor lage
frequenties.
1 sublaagspeaker, 100Hz
6 sublaagspeakers, 100Hz
Figuur 45 Sublaag array.
Het naast elkaar plaatsen van sublaag speakers heeft nog een aantal voordelen.
Stel we hebben één sublaag speaker met een rendement van 100dB-SPL/1w/1m (half space, oftewel
geplaatst op de grond) die is geplaatst aan de linkerkant van het podium. We sluiten deze speaker
aan op een 100W versterker. De speaker levert dan maximaal 120dB-SPL.
De mengtafel is 8 meter verwijderd van de speaker. De geluidsdruk op mengtafel positie is dan: 120 –
18 = 102dB=SPL.
Plaatsen we aan de rechterzijde van het podium een zelfde speaker / versterker combinatie dan
neemt de geluidsdruk, in het ideale geval, toe met 3dB tot 105dB-SPL (figuur 46).
Figuur 46 Sublaag speaker links - rechts.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
37
Schuiven we vervolgens de sublaag speakers naar het midden, figuur 47, en plaatsen we deze strak
tegen elkaar aan, polariseert het geluid. Geluidsenergie die bij een enkele sublaag speaker rondom
zou uitstralen wordt bij gekoppelde speakers naar voren en naar achteren gericht.
Dit heeft tot gevolg dat de geluidsdruk bij twee speaker/versterkercombinaties niet met 3dB maar met
6dB toeneemt. Daarnaast is het verval geen 6dB per verdubbeling van de afstand, maar 3dB per
verdubbeling van de afstand. Ten minste de eerste meters!.
Figuur 47 Sublaag speakers in het midden.
Wat voor gevolgen heeft dit voor ons zangsetje (figuur 48). Voor het podium zijn 6 sublaag speakers
geplaatst op een hart-tot-hart afstand ten opzichte van elkaar van 1 meter. Uitgaande van een
crossover frequentie van 100Hz is de afstand tussen de speakers nog ruim kleiner dat de grootste
golflengte die de speakers moeten weergeven. Immers l(100Hz) = 3,44m. De speakers zullen dus prima
koppelen.
Delay van 0 S
Delay van 3,8mS
Figuur 48 Sublaag array bij 100Hz.
Zoals je kunt zien is de invloed van de topjes op het geluid van de sublaag speakers sterk verminderd.
Natuurlijk blijft de beïnvloeding door de reflectie tegen de wanden. Door de sublaag speakers met
3,8mS te vertragen (zodat deze weer op de virtuele cirkel wordt geplaatst) wordt de sublaag lob weer
een stukje breder.
Bij het gebruik van sublaag speakers, die van nature rondom uitstralen, gaat even veel geluid naar
achteren als naar voren. Nu hoeft dat niet vervelend te zijn. Meestal geven monitoren niet zoveel druk
in het laag als de sublaag speakers van de PA. Dus vormt het laag van de PA een prettige aanvulling.
Toch, als de set groter wordt en de afstand tussen de sublaag speakers en de monitoren groot is, is
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
38
het prettig het laag meer naar voren te kunnen richten. We hebben het dan over het eenzijdig
polariseren van het laag.
Figuur 49 Sublaag array.
Dit kun je realiseren door twee sublaag speakers op een vooraf berekende afstand achter elkaar te
plaatsen (figuur 50).
Figuur 50 Sublaag speakers achter elkaar.
De afstand is een kwart van de golflengte die je wilt gaan polariseren. Ga je b.v. uit van een frequentie
van 100Hz dan wordt deze afstand:
l = 1/f x 344 =
l = 1/100 x 344 = 3,44m
¼ l = 3,44/4 = 0,86m
Vervolgens stel je voor de voorste speaker een delay in van:
t = ¼ l / 344 =
t = 0,86m / 344 = 2,5mS
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
39
Dit levert het volgende resultaat op (figuur 51):
Zonder extra speaker.
Met extra speaker.
Figuur 51 Polariseren van het laag bij 100Hz.
Natuurlijk werkt dit alleen maar optimaal bij de frequentie waarmee de afstand en delay tijd is
berekend. Het is dus verstandig die frequentie te kiezen waarin de meeste energie wordt gestopt.
Passen we dit principe toe op ons al niet meer zo kleine zangsetje dan levert dit het volgende
resultaat op (figuur 52).
Delay van 0 mS
Delay van 3,8 mS
Figuur 52 Gepolariseerd laag.
Natuurlijk zal er door reflectie wel laag achter de speakers hoorbaar zijn. Ook de topjes zullen aan de
achterzijde rond de crossover frequentie een bijdrage leveren. Toch is de geluidsdruk in het laag
beduidend minder dan zonder de extra speakers.
Door alle sublaag speakers nog eens extra met 3,8mS vertragen, zodat deze weer op de virtuele
cirkel wordt geplaatst, wordt de sublaaglob weer een stukje breder getrokken.
6.5. Top speakers.
Voor het laag hebben we het nu wel aardig voor elkaar. Inmiddels liggen er voor het podium 12
sublaag speakers van elk 1kW. Oftewel 12kW voor alleen het laag! Uitgaande van een rendement van
ongeveer 100dB-SPL / 1W / 1m levert dit een geluidsdruk op van maximaal 141dB-SPL op één meter
afstand!
Dit staat natuurlijk in geen verhouding tot de top speakers. Vandaar dat in de processor het laag met
12dB wordt verminderd tot maximaal 129 dB-SPL.
De topkasten in het voorbeeld hebben een spreidingshoek van maximaal 60˚. Om een breder gebied
te kunnen bedienen worden er twee topkastjes bijgeplaatst. Door dat hogere frequenties korte
golflengtes hebben is het nagenoeg niet mogelijk om topkastjes zo te plaatsen dat speakers
akoestisch koppelen. Dat betekent dat speakers onder een hoek moeten worden geplaatst zodat de
geluidsvelden elkaar zo weinig mogelijk beïnvloeden (figuur 53).
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
40
Figuur 53 Spreidingshoek topkasten.
Dat is lastig. Uitgaande van een crossover frequentie van b.v. 125Hz geven de topkasten toch nog wel
vrij veel midlaag weer. Ook deze frequenties worden voor een deel rondom uitgestraald. Dus vindt er
cancelation plaats.
Door de buitenste topkasten met 2mS te vertragen, dus virtueel ongeveer 75cm naar achteren te
plaatsen wordt dit enigszins opgeheven (figuur 54).
Zonder delay
Delay van 2mS
Figuur 54 Delay op de buitenste topkasten.
Figuur 55 laat de frequentieresponse zien van de gehele set.
Figuur 55 Frequentieresponse PA.
Door middel van EQ-ing kunnen de pieken rond de 40Hz en de 160Hz enigszins worden gecorrigeerd.
Figuur 56 laat het programma in de dsp (digital sound processor) zien.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
41
Figuur 56 Programma in de Audia DSP.
Het signaal komt stereo binnen. Door middel van een signal present meter, die staat ingesteld op
-30dB, kan het binnenkomen van het signaal worden gecontroleerd. Via twee faders gaat het signaal
naar een stereo 31 bands EQ voor het afregelen van de zaal. De sterkte van het aangeboden signaal
wordt weergegeven op een VU-meter.
Het scheidingsfilter staat ingesteld op een Linkwitz-Riley filter met een steilheid van -48dB/oct. Het
hoog wordt opgesplitst in een stereo signaal dat via faders wordt aangeboden aan de uitgangen 1 en
2, en in een, met 2mS vertraagd, signaal dat via faders wordt aangeboden aan de uitgangen 3 en 4.
Het laag wordt via een standaard mixer tot een monosignaal gemengd. Deze wordt met een delay
van 3,8mS via een fader aangeboden aan uitgang 5. Door de vertraging wordt de sublaag speaker op
de virtuele cirkel geplaatst.
Voor het polariseren van het laag wordt het laag vertraagd met 6,3mS aangeboden aan uitgang 6.
Priklijst:
In:
Functie:
1
Links in.
2
Rechts in.
Out:
1
2
3
4
5
6
Functie:
Top links.
Top rechts.
Top vertraagd links.
Top vertraagd rechts.
Sub array achter
Sub array voor (+86cm)
Het controlpanel ziet er als volgt uit:
Figuur 57 Controlpanel Audia DSP.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
42
Figuur 58 Audia DSP met LapTop en Yamaha M7CL.
Figuur 58 laat de Biamp Audia DSP zien met de daarbij behorende besturingsprogrammatuur. De
laptop wordt door middel van een ethernetverbinding gekoppeld met de processor. Als
netwerkprotocol wordt gebruik gemaakt van TCP/IP, het zelfde protocol dat ook wordt gebruikt voor
het normale internetverkeer.
Door gebruik te maken van een WiFi verbinding is de laptop in bovenstaand figuur draadloos met de
processor verbonden. De geluidstechnicus kan hierdoor op elke willekeurige plek in de zaal gaan
staan en het geluidsbeeld corrigeren.
6.6. Sublaag array modellen.
Zoals je in de vorige paragrafen hebt kunnen lezen kun je het afstraal gedrag van speakers door
gebruikt te maken van delays sterk beïnvloeden. Door het gebruik van digitale sound processors is het
ook gemakkelijker geworden om delays toe te voegen aan de verschillende signaallijnen.
Jeroen Frissen, E Projects, heeft een spreadsheet ontwikkeld waarmee voor het sublaag de
vertragingstijden voor verschillende afstraalmodellen kunnen worden berekend (figuur 59).
Figuur 59 SubARCV1.
Voor de volgende modellen kun je de vertragingstijden laten berekenen:
•
•
•
•
ARC Circle
ARC Quadratic
ARC Progressive
Sub matrix
Nadat je alle benodigde gegevens in de groene velden hebt ingevoerd, komen de resultaten in de gele
velden te staan. Tevens laat het spreadsheet, in de vorm van een grafiek, de virtuele speakerplaatsing
zien (figuur 60).
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
43
Figuur 60 Virtuele speakerplaatsing.
Je kunt dit spreadsheet vinden bij de bronnen op BlackBoard (course PET / AV).
6.7. Line arrays.
Tot ongeveer midden jaren tachtig was het gebruikelijk bij grote concerten de speakers meters hoog te
stacken om voldoende geluidsdruk te kunnen produceren. En hard ging het, vooral in de buurt van de
PA speakers ging het vaak snerpend hard.
Voor deze stacks werden vaak hornloaded speakersystemen gebruikt (figuur 61).
Figuur 61 PA Stack.
De gehele stack klonk vaak als een uit de kluiten gewassen gitaarversterker. In die tijd niet echt een
probleem. Een PA mocht als een PA klinken. Men accepteerde dat het geluid ander klonk dan thuis
over de HiFi installatie.
Halverwege de jaren negentig werd de roep naar kwaliteit sterker en wilden de bezoekers achter op
het festivalterrein ook kwalitatief goed geluid kunnen horen.
In die tijd werd de line source techniek weer uit de kast gehaald. Daarnaast zocht men naar een
oplossing waarbij het gehele hoorbare frequentiespectrum zo recht mogelijk kan worden
weergegeven.
Begin jaren vijftig heeft Harry F. Olson (figuur 62) baanbrekend werk verricht in de ontwikkeling van de
line array.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
44
Figuur 62 Harry F. Olsen met zijn line array.
Hij kwam tot ontdekking dat als je een groot aantal speakers op een afstand vele malen kleiner dan
hoogste golflengte van het gewenste frequentiespectrum boven elkaar plaatst, en het totale oppervlak
van de speakers meer dan 80% is van het gehele klankbord gebied, de richtingsgevoeligheid in het
verticale vlak sterk toeneemt. In plaats van een bolvormig afstraal gedrag verandert deze in een meer
cilindervormig afstraal gedrag (figuur 63).
Bolvormig
Cilindervormig
Figuur 63 Line array principe.
Dat betekent dat, theoretisch, de geluidsenergie bij het cilindervormig afstraalgedrag bij vergroting van
de afstand binnen het tweedimensionale vlak afneemt. Dus in plaats -6dB per verdubbeling van de
afstand, -3dB per verdubbeling van de afstand. Dit gedrag geldt alleen bij een oneindig lange array!
Zodra de array eindig is geldt deze regel maar voor een beperkte afstand. Toch blijft de
richtingsgevoeligheid groot. Daardoor is het mogelijk veel directer het publiek aan te stralen zonder
daarbij last te krijgen van teveel reflectie. Immers, de array straalt niet naar boven en onderen af.
Nu is het voor lage frequenties niet een groot probleem om de afstand van de speakers vele male
kleiner te laten zijn dan de golflengte. In paragraaf 6.4. wordt hierop ingegaan. Het probleem zit vooral
in de hogere frequenties. De golflengte van b.v. 4000Hz is 8,6cm!
De eerste doorbraak ontstond toen Dr Christian Heil de V-DOSC line array ontwikkelde. Nog niet alle
problemen waren opgelost maar er was een werkbaar systeem.
Heil’s oplossing voor de hoge frequenties bestond uit het gebruik van een wave-transformer (figuur
64).
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
45
Figuur 64 Wave transformer.
Door de constructie van de transvormer wordt het geluid van de driver, met een bolvormig afstraal
gedrag, omgezet naar een cilindervormig afstraal gedrag.
Zo konden er dus nu line array elementen worden gefabriceerd waarbij ook het hoog cilindervormig
uitstraalt.
Figuur 65 KF760 van EAW.
Als voorbeeld de KF760 van EAW (figuur 65). Dit 3 weg line array element heeft een werkbaar
frequentiebereik van 80Hz tot 16kHz. Het laag, mid en hoog moet door aparte versterkers worden
gevoed (4x!). Voor het laag 2x 1000W (8Ohm), het mid 1x 800W (8Ohm) en voor het hoog 1x 300W
(8Ohm). De maximale geluidsdruk in het laag is 129dB-SPL, in het mid 136dB-SPL en in het hoog
138dB-SPL. Uitgaande van de grafiek in figuur 29 (hardheid) kan dit element maximaal 123db(A)
leveren op 1 meter afstand.
Voor het laag en het mid wordt gebruikt gemaakt van gevouwen hoorns. Voor het hoog wordt gebruik
gemaakt van een hoorn in de vorm van een wave transformer. Deze kun je goed zien zitten.
Let wel, bij het gebruik van een los line array element zullen alleen de hoge frequenties cilindervormig
afstraal gedrag vertonen. Voor het cilindervormig afstralen van het mid en het laag moeten meerdere
elementen gekoppeld worden. Liefst zoveel als mogelijk.
Figuur 66 laat het verschil zien van het afstraal gedrag van 12 standaard fullrange speakers onder
elkaar geplaatst en een line array met 12 elementen.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
46
Full range, 4kHz
Line array, 4kHz
Figuur 66 Conventioneel versus Line array.
Duidelijk is de zien dat de geluidsdruk bij de line array tot over een grote afstand hoog blijft. Ook het
cancelation effect bij de hogere frequenties is beduidend minder bij de line array.
Figuur 67 Afgeregelde line array.
Figuur 67 laat een afgeregelde line array zien. Zoals je kunt zien vormen de bovenste 7 elementen
een rechte verticale line array. Deze vormen gezamenlijk een long throw line array. Daardoor bereikt
het geluid prima het eind van de zaal. De daarop volgende 4 elementen vormen een te korte lijn om
een grote afstand te over bruggen. Maar dit is ook niet echt nodig. De resterende drie speakers zijn
fill-in speakers gericht op het publiek direct voor het podium.
Door het gebruik van line arrays is het mogelijk om een goed verdeeld geluidsveld te krijgen.
Figuur 68 Line array van KS.
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
47
6.8. Delay stacks.
Delay stacks worden gebruikt om geluid een grotere afstand te kunnen laten overbruggen. Speakers
worden in de lijn geplaatst van de speakers bij het podium.
Belangrijk is dat de luisteraar het gevoel blijft behouden dat het geluid van het podium komt. Daarvoor
moet de vertragingstijd goed worden berekend en ingesteld en mag de gain bij een delay stack niet
groter zijn dan 8dB.
Figuur 69 laat ons uit de kluiten gewassen zangsetje zien, uitgebreid met delay speakers.
Figuur 69 Delay stacks.
6.9. Besproken begrippen.
•
•
•
•
•
•
Benodigd vermogen.
Sublaag
Sublaag arrays
Polariseren
Line arrays
Delay stacks
SpeakerPraat en meer……
Leeuwarden, 25 juli 2009
HoJa
48