ACOUS'TIPS #06 - Luidspreker met groot bereik: mythe of realiteit?

Er wordt vaak gesproken over het bereik van een luidspreker, vooral in het lage register, bijvoorbeeld met de term "long-throw subwoofer".

De term bereik, of projectie, verwijst naar de afstand die het geluid kan afleggen terwijl het "voldoende" luid blijft, tot waar de luidspreker nog hoorbaar is. Spreken over een luidspreker met groot bereik suggereert dus dat sommige luidsprekers het geluid verder kunnen projecteren dan andere. Klopt dit in werkelijkheid?

Om dit te begrijpen, moeten we een omweg maken via enkele akoestische principes, met name de verschillende soorten bronnen en de begrippen nabij- en verveld.

Eenvoudige bron

Een puntbron, het eenvoudigste model van een akoestische bron, genereert een omnidirectionele golf (dat wil zeggen dat de golf zich op dezelfde manier in alle richtingen voortplant, waardoor het geluidsniveau overal rond de bron gelijk is), waarvan de intensiteit op een afstand r gelijk is aan I = P/ (4πr²), waarbij P het akoestische vermogen is dat door de bron wordt uitgezonden. Merk de term 1/4πr² op: dit betekent dat telkens wanneer de afstand wordt verdubbeld, het oppervlak van de bol die het golffront voorstelt, wordt vermenigvuldigd met vier. Qua geluidsniveau betekent dit dat we een afname van 6 dB waarnemen bij elke verdubbeling van de afstand; dit wordt geometrische afname genoemd, in tegenstelling tot de absorptiemechanismen die optreden tijdens de voortplanting: onvolmaakte adiabatische processen, wrijving, enzovoort, waarbij akoestische energie wordt omgezet in warmte.

Nabij/verre veld

Deze afnamewet geldt voor alle bronnen, mits men zich in het verre veld van de luidspreker bevindt, waar druk en golfsnelheid in fase zijn. In het nabije veld liggen de zaken iets ingewikkelder. De grensafstand tussen nabij veld en ver veld hangt af van de frequentie en de grootte van de bron: hoe groter de bron (voor een gegeven frequentie), hoe verder de grens nabij veld/ver veld van de bron ligt.

Directiviteit van een bron

Een subwoofer kan worden beschouwd als een puntbron, vanwege de verhouding tussen zijn grootte en de golflengte van de gegenereerde golven. Hij is dus omnidirectioneel.

Een tweeter daarentegen straalt geluid doorgaans alleen uit binnen een kegel, met weinig energie buiten die kegel. De reden hiervoor is eveneens de verhouding tussen de korte golflengtes van hoge frequenties en de grootte van de luidspreker.

Het is ook mogelijk, bijvoorbeeld met behulp van hoorns, de directiviteit van een luidspreker aan te passen zodat energie alleen naar de gewenste zone wordt gestuurd; dit heeft tot gevolg dat het geluidsniveau tussen de as van de luidspreker en de zijkanten of de achterkant verandert.

Dit verandert echter niets aan de regel van de geometrische afname: eenmaal in het verre veld zal het geluidsniveau blijven afnemen met 6 dB per verdubbeling van de afstand, ongeacht de directiviteit van de luidspreker, of deze nu omnidirectioneel is zoals een sub of zeer directief, en ongeacht de belasting, direct of hoorngeladen.

Om hiervan overtuigd te raken, volstaat het luidsprekers van verschillende types te meten en de afnamecurve uit te zetten.

Tegenvoorbeeld: de line-array

Zogenaamde line-array luidsprekers hebben als bijzonderheid dat het bronnen zijn die golven genereren die in hun nabije veld met 3 dB per verdubbeling van de afstand afnemen. Door een aantal ontwerp- en implementatieregels te volgen, de zogenaamde WST-wet (Wavefront Sculpture Technology), en door veel luidsprekers in een lijn te plaatsen, binnen een bepaalde grens, zorgt de line array voor een geringere afname dan een puntbron. Men spreekt dan van een cilindrische golf (dit is bijvoorbeeld het geval bij het geluid van een drukke weg).

Voorbij een bepaalde afstand valt men echter terug op de algemene regel van 6 dB, met een sferische golf. Deze afstand hangt af van de lengte van de lijn en de frequentie van de golf, en wordt berekend met de formule D ≈ 1.57 × L² / λ

NB: een enkele line-array luidspreker gedraagt zich als een puntbron; het is door het koppelen van veel bronnen dat men het hierboven beschreven principe verkrijgt.

Conclusie

Een klassiek geluidssysteem, dat gedeeltelijk kan worden beschouwd als het puntbronmodel, genereert een golf die in het verre veld met -6 dB per verdubbeling van de afstand afneemt, ongeacht de directiviteit of de belasting.

De enige manier om op grote afstand van een bron, omnidirectioneel of niet, een hoog geluidsniveau te bereiken, is een hoog niveau dicht bij de bron te hebben, ongeacht de gebruikte akoestische belasting, met de opmerkelijke uitzondering van lijnbronsystemen.

Een directieve luidspreker daarentegen maakt het mogelijk energie over het publiek heen te sturen en verre punten te bereiken zonder een te hoog geluidsniveau dicht bij de luidspreker buiten zijn as te hebben; dit is misschien de reden waarom men spreekt van groot bereik, maar dit verandert niets aan de wet van 6 dB per verdubbeling van de afstand.

Om te besluiten: de term luidspreker met groot bereik is een oneigenlijk taalgebruik dat niet overeenkomt met een akoestische realiteit, het is beter te spreken van een directieve luidspreker of van een luidspreker die in staat is een hoog geluidsdrukniveau te genereren, naargelang het geval.

Om grote ruimtes van geluid te voorzien met een homogeen niveau, dat wil zeggen een gematigd verschil in niveau tussen de eerste en de laatste rijen van het publiek bij gebruik van puntbronluidsprekers, bestaan er verschillende oplossingen: opgehangen systemen, gebruik van delay-luidsprekers, of, zoals we hebben gezien, directieve luidsprekers.