SpeakerPraat. en meer.. Jan Hoekstra Met medewerking van Michiel Cornelisse Leeuwarden, 25 juli 2009

Transcriptie

1 SpeakerPraat en meer.. Jan Hoekstra Met medewerking van Michiel Cornelisse

2 Inhoudsopgave: Hoofdstuk 1 Inleiding. 3 Hoofdstuk 2 Wat is geluid? Inleiding Geluid Geluidsbeeld Besproken begrippen. 11 Hoofdstuk Inleiding Technische kwaliteit Karakteristieke kwaliteit. 16 Hoofdstuk 4. Speaker management systeem Inleiding Functies Besproken begrippen. 22 Hoofdstuk 5. Vermogensversterkers (power amplifier) Inleiding Technische specificaties Besproken onderwerpen. 25 Hoofdstuk 6 Ontwerpoverwegingen Inleiding Hoeveel vermogen is noodzakelijk? Geluidsveld Sublaag Top speakers Sublaag array modellen Line arrays Delay stacks Besproken begrippen. 48 Bronnen / naslag: Sound reinforcement handbook Yamaha Gary Davis & Ralf Jones Handboek PA-techniek Michael Ebner JBL Professional Sound System Design Manual Edition (Pt.1, 1, Pt. 2) John Eargle Vrije download bij (pdf format) Internet: Rane Pro Audio Reference 2

3 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 Audia is vrij te downloaden bij 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. 3

4 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 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 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. 4

5 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 aangegeven in Newtons per m 2 (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 20ų N/m 2 (0,000002) De pijngrens, het geluidsdrukniveau waarbij geluid echt pijnlijk wordt, ligt bij 20 N/m 2. Tussen de laagste en de hoogste waarde zit dus een factor x! 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 druk en de laagst mogelijke geluidsdruk (20ų N/m 2 ). 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 2 / 20ų N/m 2 ) = 0 db-spl. 120dB-SPL is de pijngrens. Berekend: 20 log (20 N/m 2 / 20ų N/m 2 ) = 120 db-spl, dus bij 20 N/m 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. 5

6 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. 6

7 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) Een opstijgende straaljager op 60 meter afstand. 120 db(a) Pijngrens. Dodelijk voor een muis. 110 db(a) Flink popconcert. Het maximaal toegestane geluidsniveau in Paradiso Amsterdam is 105 db(a) 100 db(a) Afluisterniveau geluidsstudio. 90 db(a) Geluid in een fabriekshal. 80 db(a) Geluidsniveau in een sportauto bij 120km/uur. Maximaal veilige geluidsniveau. 70 db(a) Stem van een leraar voor de klas. 60 db(a) 50 db(a) Gesprek tussen twee personen. 40 db(a) 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. l = 343 / f 7

8 Een aantal golflengtes: Frequentie: Golflengte: 20 Hz 17,15 meter 50 Hz 6,86 meter 100 Hz 3,43 meter 250 Hz 1,37 meter 500 Hz 68 cm 1000Hz 34 cm 4000 Hz 8,6 cm 10000Hz 3,4 cm Hz 2,1 cm De tijd die geluid nodig heeft om een bepaalde afstand te overbruggen noemen we looptijd (figuur 4). De looptijd wordt berekend met de formule: Figuur 4 Looptijd. 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. 8

9 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 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 9

10 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. 10

11 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 Besproken begrippen. Wat is geluid? Frequentie. Frequentiespectrum. Geluidsdruk. Longitudinale golf. Hardheid / Loudness db-spl, db(a), db(c) Geluidssnelheid. Looptijd. Fase. Geluidsbeeld. 11

12 Hoofdstuk 3 Speakerspecificaties 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 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. 12

13 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 2 /R of U= (PxR) = (1x4) = 2V 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! 13

14 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). 14

15 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 Hz. 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. 15

16 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 Besproken begrippen. Het werkbare frequentiespectrum. Het continu- en peakvermogen. De impedantie. Het rendement. Het afstraalgedrag. 16

17 Hoofdstuk 4 Speaker management systeem 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 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. 17

18 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. 18

19 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. 19

20 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. 20

21 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 = f 0 /(f h -f l ) 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 = = 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. 21

22 Figuur 22 laat een compressor, ingesteld als limiter, zien zoals die binnen de Audia kan worden gebruikt 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 22

23 Hoofdstuk 5 Vermogensversterkers (power amplifier) 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 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 = Z speaker / (R kabel + R u ) Een reële uitgangsweerstand van een goede eindeversterker is 0,03 Ohm. Als we daarbij uitgaan van een kabel van ongeveer 4 meter lengte en een dikte van 2,5mm 2 dan wordt de dempingsfactor: D = 8 / (0,1 + 0,03) = 61 NB Een kabel met een dikte van 2,5mm 2 heeft een weerstand van 0,1Ohm. 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. 23

24 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 1000Hz 2 e harmonische 2000Hz 3 e harmonische 3000Hz 4 e harmonische 4000Hz 5 e harmonische 5000Hz 6 e harmonische 6000Hz 7 e harmonische 7000Hz De totale vervorming wordt procentueel weergegeven. Bijvoorbeeld: THD (5th-order) minder dan 0.01%, +4 dbu, khz, unity gain Daarbij wordt aan de ingang een zuiver sinusvormig signaal aangeboden met een sterkte van +4dBu (1,23V rms). Voor het filteren van de verschillende harmonischen en de grondfrequentie worden 5 e 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! 24

25 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, 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 Besproken onderwerpen. Dempingsfactor. Vermogen. Vervorming (THD, THD+N, IMD) 25

26 Hoofdstuk 6 Ontwerpoverwegingen 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. 26

27 Voorbeeld: P continu speaker = 250W P continu 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 vuistregel gaat uit van 5 Watt per m 2. Voor een ruimte van 120 m 2 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. 27

28 De speakers worden aangesloten op de QSC RMX2450. Deze versterker heeft de volgende specificaties: 650W continu per kanaal bij 4Ohm / FTC 20 Hz - 20 khz / 0.1% THD. NB 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): Geluidsdruk op één meter (db-spl): 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): Geluidsdruk (db-spl): 1 speaker 2 speakers NB 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. 28

29 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 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. 29

30 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 30

31 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. 31

32 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. 32

33 Figuur 36 laat de impulsresponse zien van de geluidsset zonder en met reflectie bij de mengtafel. a. Zonder reflectie b. Met 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. De afstand van de speakers tot aan de microfoon is dan l = ( ) = 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. Meetmicrofoon off-center. Impulsresponse Figuur 38 laat de frequentiekarakteristiek zien. Figuur 37 Impulsresponse off-center. 33

34 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 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. 34

35 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. 35

36 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 = ( ) = 10,3m 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 36

37 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: = 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. 37

38 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 38

39 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 39

40 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 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). 40

41 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. 41