Systemy elektroakustyczne

Systemy nagłośnienia (Systemy Public Address)

Systemy elektroakustyczne, są z reguły systemami monofonicznymi. Zazwyczaj zapewniają one dystrybucję jednego, bądź więcej sygnałów audio do różnych stref. Typowymi sygnałami audio, rozgłaszanymi przez systemy Public address są: muzyka w tle, manualne lub automatyczne komunikaty głosowe oraz różnego rodzaju dźwięki (np. gongi lub dźwięki alarmowe). Przeważnie sygnały audio, w systemie PA, nie są ze sobą miksowane. Pojedynczy sygnał audio może być transmitowany do jednej bądź wielu stref.

W celu uniknięcia niezamierzonego mieszania różnych sygnałów audio (np. kiedy wiele różnych komunikatów zostało nadanych do pojedynczej strefy w tym samym czasie), systemy PA zapewniają obsługę tak zwanych priorytetów. Większość systemów PA pracuje w połączeniu z głosnikami o wysokiej impedancji.


System centralny PA

W systemach centralnych wszystkie głośniki są zainstalowane w tej samej lokalizacji, np. po środku sufitu w hali.


Sceniczne systemy Public Address

W przypadku, kiedy wrażenia dźwiękowe towarzyszą wydarzeniu (odbieranemu, przez widownię głównie, przy użyciu zmysłu wzroku), dźwięk powinien dochodzić do widowni z tego właśnie kierunku. Widz (np. w teatrze, kinie czy sali konferencyjnej) staje się poirytowany oraz zdezorientowany, kiedy dźwięk dochodzi z innego kierunku. W większości przypadków, wydarzenia takie zlokalizowane są w przednich częściach pomieszczeń, np. na specjalnie skonstruowanych scenach. Głośniki umieszczane są z reguły po lewej i prawej stronie sceny/wydarzenia, dodatkowo powinny być umieszczone na takiej wysokości, aby poziom ciśnienia akustycznego w najbliższym sąsiedztwie słuchaczy nie był zbyt wysoki i aby zapobiec uszkodzeniom słuchu u osób zgromadzonych
na widowni.

Jeśli rozważane pomieszczenie jest głębokie, to należy rozważyć instalację, wzdłuż pomieszczenia, dodatkowych głośników sufitowych, lub naściennych, wspierających część sceniczną systemu PA. W celu zapewnienia akceptowalnego poziomu zrozumiałości, głośniki wspierające część sceniczną, powinny reprodukować dźwięk z odpowiednim opóźnieniem (adekwatnym do odległości, na jakiej znajduje się dany głośnik, od sceny). Taki zabieg wywołuje u słuchaczy wrażenie, że dźwięk dobiega
prosto ze sceny. Opóźnienie może zostać w prosty sposób wyznaczone przy pomocy następującego wzoru: T = d / 340 + 0.01s, gdzie:

T: Czas opóźnienia
D: Różnica w odległości pomiędzy głośnikami scenicznymi oraz głośnikiem z opóźnieniem (m).


Rozproszone systemy Public Address

W przypadku, gdy nie jest wymagane, aby dźwięk dochodził z określonego kierunku, lub mamy do czynienia z rozległym obiektem z nisko zawieszonym sufitem, instalowanie systemu PA typu scenicznego, nie jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem. W takich przypadkach, najlepiej sprawdzają się systemy typu rozproszonego, w których głośniki instalowane są tam, gdzie są potrzebne.

Głośniki sufitowe powinny być rozmieszczone równomiernie, na całym obszarze efektywnie pokrywanym przez system PA. Przeważnie głośniki systemu PA rozmieszcza się z identycznymi odstępami. W przypadku planowania takiego systemu kluczową rolę odgrywa wymagany stopień zrozumiałości mowy, który zależy od następujących czynników:

  • Wysokość zawieszenia sufitu
  • Charakterystyka kierunkowości głośników
  • Przeznaczenie głośników (jakość wytwarzanego dźwięku)

Im wyżej montowany jest głośnik, tym większy jest jego efektywny zasięg, a tym samym zwiększa się również zasięg jego odsłuchu na wysokości ludzkiego ucha (przyjmuje się około 1,5 m nad poziomem podłogi). Rozwiązanie takie nie jest jednak pozbawione wad, gdyż zmniejsza się w ten sposób poziom ciśnienia akustycznego, docierającego do uszu słuchacza.

W celu osiągnięcia dobrego stopnia zrozumiałości mowy, charakterystyka częstotliwościowa całego systemu powinna umożliwiać reprodukcję sygnału do 6 kHz, w każdym punkcie obszaru odsłuchu. W przypadku akceptowalnego stopnia zrozumiałości mowy system powinien zapewniać reprodukcję sygnału do 4 kHz. Wartości te powinny być ignorowane w przypadku muzyki w tle, dla której stopnia zrozumiałości mowy nie bierze się pod uwagę.


Wzmacniacz

Wzmacniacze systemów PA można podzielić na trzy podstawowe grupy. Pierwszą grupę stanowią wzmacniacze przeznaczone do pracy z głośnikami o niskiej impedancji wejściowej, których impedancja mieści się w granicach od 4 do 16 Ohmów. Drugą grupę stanowią wzmacniacze przeznaczone do pracy z głośnikami o wysokiej impedancji (najczęściej w technologii wysokonapięciowej: 50V, 70V lub 100V), istnieją również grupy wzmacniaczy, łącząca powyższe technologie. W przypadku technologii niskiej impedancji , istotnym ograniczeniem jest długość przewodów, w celu zapewnienia dobrej jakości odtwarzanego sygnału audio, należy używać krótkich przewodów (do 10 m), lub przewodów o dużym przekroju. Dodatkowo wzmacniacze niskiej impedancji pozwalają na obsługę niewielkiej ilości głośników. Systemy wysokiej impedancji, w odróżnieniu od poprzednio omawianych, pozwalają na znaczne zwiększenie ilości głośników znajdujących się na pojedynczej linii, oraz zwiększenie długości stosowanych przewodów.


Technologia niskiej impedancji

W przypadku systemów niskiej impedancji, należy pamiętać, że całkowita impedancja linii głośnikowej nie może być mniejsza niż minimalna impedancja wyjściowa toru wzmacniającego wzmacniacza. Zbyt niska, całkowita impedancja głośników, podłączonych do pojedynczego toru wzmacniającego, powoduje występowanie usterek oraz może doprowadzić nawet do uszkodzenia wzmacniacza. Połączenie pomiędzy wzmacniaczem, a głośnikami nie powinno być dłuższe niż około 10 m, przekroczenie tej wartości skutkuje wystąpieniem zbyt wielkich strat na linii głośnikowej, które to z kolei można zredukować zastosowaniem przewodów o większym przekroju poprzecznym.

Na pojedynczej linii należy używać wyłącznie identycznych głośników, ponieważ dystrybucja mocy na linii zależy od rodzaju połączenia oraz impedancji


Technologia 100 Volt

W przypadku rozległych powierzchniowo systemów PA, w celu zminimalizowania strat na linii głośnikowej stosuje się technologię 100-voltową. Systemy wysokiej impedancji charakteryzują się tym, że przy maksymalnym dopasowaniu linii, do toru wzmocnienia wzmacniacza, poziom sygnału może osiągać wartości do 100 V. W celu zapewnienia lepszej kompatybilności przy dostosowywaniu poziomu wyjściowego sygnału audio, lub w przypadku gdy przewidywana jest dalsza rozbudowa systemu, tory połączeniowe o wysokiej impedancji wykonywane są również w technikach 70 V oraz 50 V. Stosowanie techniki 100-voltowej niesie za sobą wiele innych korzyści:

  • Prostota instalacji

  • Możliwość integrowania wielkiej liczby głośników

  • Prostota rozbudowy systemu o kolejne głośniki, w przypadku połączenia równoległego

  • Możliwość sterowania głośnością pojedynczego głośnika, pojedyncze głośniki mogą być dowolnie włączane i wyłączane

  • W ramach jednej linii głośnikowej mogą operować różne głośniki o różnych odczepach mocowych

  • Duże długości przewodów/możliwość budowy rozległych systemów

  • Małe średnice przewodów głośnikowych

  • Niskie straty na liniach głośnikowych

  • Prosta do wyznaczenia minimalna moc toru wzmacniającego (wystarczy dodać moc wszystkich głośników dołączonych do linii głośnikowej)


Testowanie linii głośnikowych

Aby uniknąć technicznych problemów, występujących po modyfikacji istniejącego, lub przy instalacji nowego systemu PA, wszystkie linie głośnikowe należy przetestować, zanim przyłączy się je do torów wzmacniających wzmacniaczy. Cel ten można osiągnąć poprzez przeprowadzenie pomiaru impedancji linii głośnikowej, przy pomocy, np. klasycznego miernika impedancji. W przypadku, kiedy nie dysponujemy miernikiem impedancji, nadal możemy wyznaczyć impedancję linii głośnikowej, przy pomocy jednego prostego zabiegu. Sposób ten nie jest zawsze alternatywą dla bezpośredniego pomiaru, np. w przypadku procedur odbiorowych.

Podany poniżej wzór przedstawia zależność pomiędzy mocą elektryczną, maksymalną amplitudą sygnału oraz rezystancją (w Ohmach):

R = U² / P

R: Rezystancja (Ohm) U: Napięcie (Volt) P: Moc (Wat)

Obliczenia należy przeprowadzić podstawiając pod maksymalną amplitudę U napięcie 100 V.
Przykład: W ramach pojedynczej linii głośnikowej połączono ze sobą głośniki o sumarycznej mocy 75 W, jaka jest rezystancja linii głośnikowej? R = 10000/75 = 133 Ohm.


Zależność między przekrojem przewodu głośnikowego i długością linii

Tabela poniżej przedstawia zależność pomiędzy wymaganą minimalną średnicą przewodu do długości tegoż przewodu, dla określonych mocy. W systemach PA, linie głośnikowe są projektowane w taki sposób, aby straty na liniach wynosiły co najwyżej 10%.

Przekrój przewodnika w mm²

 

Długość przewodu

 Obciążenie 50 m 100 m 200 m 300 m 500 m 750 m 1000 m
 30 W 0,05 0,09 0,19 0,28 0,47 0,71 0,95
 60 W 0,09 0,19 0,38 0,57 0,95 1,42 1,89
 120 W 0,19 0,38 0,76 1,13 1,89 2,84 3,78
 240 W 0,38 0,76 1,51 2,27 3,78 5,67 7,56
 360 W 0,57 1,13 2,27 3,40 5,67 8,51 11,34
 420 W 0,66 1,32 2,65 3,97 6,62 9,92 13,23