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Line Arrays: Teoria, Fato e Mito

08.02.2017

 

Line arrays surgiram com popularidade recentemente. Eles renovaram a aproximação para o controle acústico (anteriormente incorporados na família de caixas de coluna) agora dominam em larga escala o mercado de shows, e também vemos um rápido crescimento no mercado para locais pequenos e também para igrejas.

 

Por conta de uma inundação de novos produtos sendo introduzidos no mercado , a indústria se inclinou para os line arrays ,mas com isso gerou alguns conceitos equivocados— resultado muitas vezes das campanhas publicitárias duvidosas. Este texto traz a teoria básica e esclarece alguns pontos de possível confusão.

 

O que é um line array?

 

 

Um line array é um grupo de falantes empilhados , com dispersão omnidirecional em uma linha reta, estreitamente espaçados , operando em fase e com amplitude igual. Descrito por Olson no clássico texto de 1957 , Acoustical Engineering,  os line  arrays são excelentes onde o som deve ser projetado em longa distância.  Isto porque os line arrays permitem muita cobertura direcional na vertical e assim projetam o som de forma efetiva.

 

 

O MAPP Online (veja a figura lateral com MAPP Online) ilustra partes da figura 1 onde as características direcionais de um line array composto por 16 fontes omnidirecionais espaçadas uniformente por 0,5m podem ser vistas. O arranjo é altamente direcional em 500Hz , mas acima disto o direcionamento característico começa a cair. Preste atenção na força do lóbulo frontal : Todos os line arrays convencionalmente exibirão esse comportamento por conta deles serem omnidirecionais nesta faixa de frequência (A caixa line array M3D é, naturalmente, uma exceção notável) .Esta configuração também gera um forte lóbulo vertical em 500Hz.

Figura 1: Comportamento direcional de um longo arranjo de 8m com 16 fontes omnidirecionais.

 

O padrão horizontal deste sistema é independente do vertical , e é omnidirecional em todas as frequências— embora um sistema de forma prática mostraria direcionalidade horizontal nas médias e altas frequências.

 

Figura 2: Comportamento direcional de um longo arranjo de 8m com 32 fontes omnidirecionais.

 

Figura 2 mostra um line com 32 fontes omnidirecionais espaçadas por 25cm apenas. Note que este arranjo mantém a característica direcional em 1kHz , onde a força do lóbulo vertical aparece. Isto ilustra o fato que a direcionalidade nas altas frequências requer progressivamente um espaçamento mais estreito entre os elementos.

 

Como line arrays funcionam?

 

Line arrays alcançam diretividade através de interferência construtiva e destrutiva. Um simples pensamento ilustrará como isto ocorre.

 

Considere um único falante com cone de 12’ radiando em um gabinete. Sabemos, por experiência própria,  que a diretividade deste alto-falante varia com a frequência: em frequências baixas, é omnidirecional , mas a medida que o comprimento de onda do som aumenta, a diretividade se estreita. Acima de cerca de 2 kHz, torna-se muito estreito para a maioria das aplicações. É por isto que os projetos de sistemas práticos utilizam crossovers e múltiplos elementos para alcançar maior ou menor  diretividade consistente em toda banda de áudio.

 

Empilhando duas destas caixas uma encima da outra e colocando em ambas o mesmo sinal , temos como resultado um diferente padrão de dispersão. No eixo entre as duas haverá uma interferência construtiva , e um aumento da pressão sonora de 6dB comparado a uma única unidade. Em outros pontos fora do eixo , caminharão comprimentos de onda diferentes produzindo cancelamentos, resultando em um menor nível de pressão sonora. De fato, se você colocar em ambas as caixas uma onda senoidal , terão pontos onde o cancelamento será completo (a melhor demonstração é em uma câmara anecóica). Isto é interferência destrutiva , que é frequentemente referida para o combing.

 

Um line array é uma linha de caixas cuidadosamente espaçadas para que interferências construtivas ocorram no eixo do arranjo e interferências destrutivas (combing) sejam apontadas para as laterais. Enquanto cancelamentos tem sido tradicionalmente considerados indesejáveis , line arrays usam de interferência destrutiva para trabalhar efetivamente: sem interferência destrutiva , seria impossível criar diretividade.

 

Pode um line array realmente formar uma ‘’Onda cilindrica’’ ?

 

Em uma palavra , não.

 

Um equívoco comum quanto aos line arrays é que eles de alguma forma mágica combinam ondas sonoras , formando uma única ‘’onda cilíndrica’’ com características de propagação especiais. Segundo a teoria acústica linear, contudo , isto é impossível. ‘’Onda cilíndrica’’ é um conceito marketing , não uma realidade acústica verificável.

 

Ao contrário das ondas superficiais das águas , que são não-lineares e podem se combinar para formação de novas ondas , ondas sonoras na pressão comum de reforço sonoro não podem se juntar: Em vez disso, passam umas pelas outras linearmente.. Mesmo nos altos níveis presentes na boca dos drivers de compressão, as ondas sonoras estão em conformidade com a teoria linear e passam uma através da outra de forma transparente.

 

O gráfico no MAPP Online da Figura 3, que mostra um cross-fired de um par de caixas Meyer Sound MSL-4 ilustra bem este ponto. Na área marcada A, na região de cross-fired, há interferência destrutiva significativa nas áreas escuras. Na área marcada B , contudo, a saída correspondente do MSL-4 não é afetada pela unidade de cross-firing .Embora as ondas interfiram em A , a interferência é local para a área em especial , e elas ainda passam uma pela outra sem se afetar. Na verdade, você pode desligar a unidade de cross-fired e ouvir praticamente nenhuma alteração em B.

 

Figura 3: Cross-fired (cruzamento de energia ) 2 caixas MSL-4

 

Mas os line arrays não produzem ondas que somente caem 3dB com a duplicação da distância do arranjo?

 

 

Esta suposição simplista resulta de uma má aplicação da teoria clássica dos line arrays para sistemas práticos. A matemática clássica assume uma linha de fontes infinitamente pequenas ,perfeitamente omnidirecionais , muito grande em comparação com o comprimento de onda da energia emitida. Obviamente, os sistemas práticos não podem abordar essas condições, e seu comportamento é muito mais complexo do que é sugerido por essa suposição.

 

 

Ao modelar o comportamento de um falante de 15 "com funções Bessel , a Meyer Sound escreveu um código de computador personalizado para modelar line arrays com vários números de alto-falantes em vários espaçamentos. Este cálculo mostra que é teoricamente possível construir um line array de áudio que siga a teoria nas baixas frequências. No entanto, para fazê-lo o arranjo requer mais de 1.000 guias de 38cm, espaçados em 50cm  centro a centro.

 

É verdade que um line array produzirá ondas que cairão 3dB pelo dobro da distância em um campo próximo, mas a extensão do campo próximo depende da frequência do som e do comprimento do array. Alguns querem nos fazer acreditar que, um sistema híbrido de cone/guia de ondas, o campo próximo se estende por centenas de metros nas altas frequências. É possível ser mostrado matematicamente que isto é verdade para um line de 100 fontes pequenas e omnidirecionais espaçadas 2,54cm de distância, mas que dificilmente será uma prática dos sistemas de reforço sonoro e não é um modelo do comportamento dos guias de ondas.  

 

Nem a teoria computacional puramente pode refletir a realidade da absorção do ar e o seus efeitos nas altas frequências. Tabela 1 mostra a atenuação para várias distancias que um arranjo de 100 falantes (pistões) de 2,54cm , espaçados por uma distância de 2,54cm ,usando a função Bessel para modelar. Em 500Hz e acima , é mostrado também o total de atenuação quando a absorção do ar é inclusa usando o cálculo dado na ANSI Standard S1.26-1995 (as condições para esta tabela tem 20° C de temperatura ambiente e 11% de umidade relativa). Note que , enquanto em 16kHz o arranjo modelado pela função Bessel está se aproximando de uma atenuação de 3dB pelo dobro da distância , a absorção do ar torna seu comportamento real mais próximo de 6 dB por duplicação.

 

 

Uma pilha com 16 falantes de 15’’ mostrará um comportamento de line array com um leve efeito de" onda cilíndrica " perto de 350 Hz, teremos o campo próximo (onde há uma queda de 3dB) entre 2 e 4 metros do arranjo. Mais de 4 metros do arranjo, no entanto, o som se dispersa esfericamente, perdendo 6dB pelo dobro da distância. Esse comportamento pode ser confirmado com o MAPP usando a medição real de direcionalidade das caixas.

 

Em frequências abaixo de 100 Hz, os falantes de um line array serão omnidirecionais , mas o comprimento do arranjo será pequeno em comparação ao comprimento de onda do som, de modo que o sistema não estará em conformidade com a teoria do line array.  Acima , perto de 400 Hz, os falantes de baixa frequência tornam-se direcionais, novamente violando os pressupostos da teoria. E nas altas frequências, todos os sistemas usam guias de ondas direcionais cujo comportamento não pode ser descrito usando a teoria clássica  do line array.

 

Em suma, a geometria dos line arrays do mundo real é muito complicada para ser feita com precisão pela teoria "pura" dos line arrays. Em vez disso, fazê-los  com um grau de precisão útil requer um código computacional que usa medição de alta resolução da direcionalidade complexa de caixas reais, tal como faz o MAPP Online.

 

Dito isto, os sistemas line arrays continuam a ser ferramentas muito úteis, independentemente de se aplicar a contínua equação dos line arrays. Eles ainda conseguem um controle direcional eficaz, e designers qualificados podem fazê-los se comportar muito bem em  aplicações long-throw.

 

 

Como os sistemas line arrays lidam com a alta frequência?

 

As Figuras 1 e 2 mostram que a teoria do line array funciona melhor para baixas frequências. À medida que o comprimento de onda do som diminui, mais e mais drivers, menores em tamanho e espaçados mais perto um do outro, são necessários para manter a diretividade.  Eventualmente, no entanto,  torna-se impraticável usar, por exemplo, centenas de espaçamentos curtos nos cones.

 

Sistemas line arrays assim sendo  atuam  como line arrays somente nas  frequências baixas e médias. Para as altas frequências, algum outro método deve ser empregado para atingir características direcionais que correspondam ao das baixas e médias frequências. O método mais prático para sistemas de reforço é usar guias de ondas  acoplados aos drivers de  compressão.

 

Em vez de usar interferência construtiva e destrutiva, as cornetas alcançam direcionalidade pela reflexão do som dentro de um padrão específico de  cobertura . 

Em um projeto propriamente de sistema line array, que o padrão deve corresponder às características direcionais das baixas frequências do arranjo: cobertura vertical muito estreita e ampla cobertura horizontal. (A cobertura vertical estreita tem o benefício de minimizar os cancelamentos, o que prejudicaria a inteligibilidade.) Se isso for alcançado, então os elementos do guia de onda podem ser integrados dentro de um line array, com equalização adequada e crossovers, o lóbulo das altas frequências e a interferência construtiva das baixas frequências são alinhados resultando em um sistema arrumado que consegue fornecer cobertura .

 

 

Você pode curvar um line array para estender a cobertura vertical?

 

Na prática, curvar suavemente um line array como um arco largo pode ajudar a alargar a área de cobertura no plano vertical. De fato, alguns sistemas line arrays como o M1D e o M2D da Meyer Sound são denominados "caixas de Arco Curvilíneo" porque são projetadas especificamente para permitir curvatura e ainda manter um desempenho ótimo. No entanto, curvar line arrays radicalmente introduz problemas.

 

Primeiramente, se a seção de alta frequência tem o padrão vertical estreito que é um fator necessário para fazer um trabalho de array reto, curvar o array pode produzir pontos com muita cobertura e áreas de baixa cobertura das altas frequências. Em segundo lugar, enquanto a curvatura pode espalhar altas frequências sobre uma área maior, não fará nada para as baixas frequências, que permanecerão direcionais, porque a curvatura é trivial em longos comprimentos de onda.

 

A Figura 4 ilustra estes pontos. À esquerda está uma imagem do MAPP On-line para um arranjo curvo, e à direita  de um arranjo reto. Ambos os arranjos tem caixas idênticas que possuem um falante de baixa frequência com cone de 12 "e uma corneta de alta frequência com um padrão vertical de 45 graus .

 

Notavelmente na parte esquerda da figura , enquanto direcionar a corneta ajuda a espalhar as altas frequências, também introduz considerados lóbulos devido à interferência. Em 1 kHz e abaixo, o array permanece altamente direcional, seguindo a teoria dos line arrays. 

 

 

                                       

                                                                                                                    Figura 4: Características direcionais de um line array                                                                                                                                                                                        curvado (esquerdo) e reto (direita) usando uma corneta                                                                                                                                                                                          de alta frequência com padrão vertical de 45 graus .

 

Na prática, este comportamento produziria uma cobertura muito desigual, com a resposta de frequência variando substancialmente entre a área de cobertura e também uma grande proporção daquela área ficando sem receber quase nenhuma energia de baixa frequência.

 

A série de gráficos à direita revela que uma caixa com uma corneta tendo uma cobertura vertical moderadamente ampla para arranjos curvos se comportará mal em um arranjo reto. Enquanto o array é altamente direcional, ocorre um lóbulo vertical considerável em 1 KHz e acima. Estes fortes lóbulos laterais desviam a energia da área de cobertura e excita o campo reverberante excessivamente, reduzindo inteligibilidade.

 

Em suma, é imprudente supor que qualquer line array pode ser radicalmente curvado e ainda fornecer os resultados desejados. As propriedades acústicas do sistema específico em questão deve ser examinada para determinar se uma configuração curva dará o resultado desejado. 

 

Você pode combinar line arrays com outros tipos de caixas?

 

Sim, a partir de que ondas sonoras passam sem se  afetar uma através da outra desconsiderando se no meio elas são criadas por um radiador direto ou um guia de onda, isto faz possível a combinação de sistemas line arrays com outros tipos de caixas com suas correspondentes respostas de fase. Não há nada especial sobre as ondas sonoras que os line arrays criam. Eles possuem apenas o cone de saída de baixa frequência espaçado usando a teoria do line array , e nas altas frequências um guia de onda. Assim sendo, um designer experiente com as ferramentas apropriadas pode flexibilizar integração de outros tipos de caixas short-throw compatíveis para cobrir uma área .  

 

Na prática, grandes e pequenas versões de line arrays similares podem trabalhar extremamente bem juntos, com um design adequado as duas versões darão padrões de cobertura semelhantes. Por exemplo, a caixa curvilinea M2D da Meyer Sound é projetada para trabalhos  como front –fill  abaixo de um sistema line array M3D .

 

Como os line arrays se comportam no campo próximo e distante?

 

Como nós vimos, sistemas line arrays  como os usados em aplicações de alta potência são na verdade uma combinação de line arrays "clássicos" para as baixas frequências e guias de onda altamente direcionais para a alta frequência. Esta natureza híbrida torna difícil aplicar previsões a partir da teoria clássica dos line arrays em todo o espectro de áudio. No entanto, os line arrays podem ser fabricados para trabalhar razoavelmente bem no campo distante e moderadamente perto do array.

 

Visto a  partir do campo distante , as saídas das fontes individuais em um line array combinam construtivamente e parecem operar como uma única fonte. A Figura 6 ilustra este conceito. A figura mostra a resposta de frequência do campo distante  para line arrays de dois, quatro e oito radiadores omnidirecionais (uma única resposta omni é incluída para referência) espaçados 0,4 metros de distância. Observe que a cada duplicação do número de elementos temos um aumento uniforme de nível de 6 dB em toda a faixa de frequência de operação. A resposta de alta frequência é suave, devido as reflexões que trazem um natural roll-off por conta da absorção do ar (20 graus C e 50% de umidade relativa).

 

Figura 6: Resposta de frequência do campo distante de um line array com vários números de fontes mostrando queda das altas frequências devido a absorção do ar e humidade.

 

O comportamento de um line array no campo próximo é mais complexo. Em algum ponto do campo próximo está o eixo de somente uma corneta de alta frequência muito direcional., ainda "vemos" a energia da baixa frequência na maioria das caixas do array. Por esta razão, ao adicionar caixas ao array aumenta a energia  das baixas frequências no campo próximo , mas as altas frequências permanecem do mesmo jeito.

 

Isso explica por que os sistemas line arrays precisam de um aumento na equalização das altas frequências. No campo distante, a equalização efetivamente compensa a perda no ar. No campo próximo , compensa a adição construtiva das baixas frequências e a proximidade com o guia de onda da  alta frequência direcional .

 

Como faz para o M3D compensar as limitações dos line arrays no mundo real?

 

A Figura 7 ilustra como a baixa frequência de um line array e a alta frequência do guia de onda podem ser integrados e formar  um sistema consistente e com um bom comportamento. Ele mostra as características direcionais de um line array composto por 16caixas M3D. A virtude dos M3D's é  o REM (Fita Emulação Múltipla) , corneta com diretividade constante e o padrão de radiação das altas frequências quase correspondentes ao das baixas frequências.

 

Observe, também, a ausência de qualquer lóbulo traseiro significativo nas baixas frequências. Isso ilustra as vantagens da tecnologia direcional para baixa frequência do M3D. Também não há virtualmente lóbulo em 500 Hz, Como havíamos visto no array omni da Figura 1, o falante de 15 "e a corneta de alta frequência estão alinhados nesta região para trabalhar em conjunto e suprimir a energia fora do eixo.

 

 

Então, quando um line array é a melhor solução?

 

Embora alguns possam sugerir que um line array é a melhor solução em todas as situações, este não é decididamente o caso. Em geral, o line array é mais adequado para aplicações em que é desejado ampla cobertura horizontal ao longo de um determinado espaço, combinado com um tiro longo e uma dispersão vertical estreita. Em contraste, para aplicações de curto alcance ou outras situações em que é desejável maior dispersão vertical ou cobertura horizontal mais estreita, as únicas soluções para caixas  simples ou convencionais é usar arranjos "clusters" que normalmente proporcionam melhores resultados. Além disso, embora os line arrays menores possam ser usados ​​com sucesso em sistemas de distribuição, caixas convencionais simples ou pequenos clusters geralmente se mostram mais viáveis economicamente.

 

 

 

 

Figura 7: Comportamento direcional de um longo array de 8m com 16 caixas M3D.

 

 

 

 

TRADUZIDO NA INTEGRA POR DOUGLAS BARBA

FONTE : MEYER SOUND

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