مصفوفة خطية

نظام مكبرات الصوت الخطية هو نظام يتكون من عدد من مكبرات الصوت المتطابقة عادةً ، والمثبتة في خط مستقيم، والموصولة ببعضها البعض في نفس الطور، لتكوين مصدر صوت شبه خطي . المسافة بين مكبرات الصوت المتجاورة قريبة بما يكفي لتتداخل تداخلاً بناءً، مما يؤدي إلى إرسال موجات صوتية أبعد من مكبرات الصوت التقليدية ذات البوق ، وبنمط إخراج صوتي أكثر انتظامًا.

يمكن توجيه المصفوفات الخطية في أي اتجاه، لكن استخدامها الأساسي في أنظمة الصوت العامة يكون في المصفوفات الرأسية التي توفر نمط إخراج رأسي ضيق للغاية، وهو مفيد لتركيز الصوت على الجمهور دون إهدار طاقة الإخراج على الأسقف أو الهواء فوقهم. تعرض المصفوفة الخطية الرأسية نمطًا أفقيًا واسعًا عادةً، وهو مفيد لتوصيل الصوت إلى غالبية جمهور الحفلات الموسيقية . في المقابل، تتميز المصفوفات الخطية الأفقية بنمط إخراج ضيق جدًا أفقيًا، ولكن بنمط طويل رأسيًا. يمكن لصف من مكبرات الصوت الفرعية (الصب ووفر) على طول الحافة الأمامية لمسرح الحفلات الموسيقية أن يعمل كمصفوفة خطية أفقية ما لم يتم تعديل الإشارة المُزودة لها (تأخيرها، استقطابها، معادلتها) لتشكيل النمط بشكل مختلف. يمكن تصميم مكبرات الصوت بحيث تُوضع في مصفوفة أفقية دون أن تعمل كمصدر خطي أفقي. ^{[ 1 ]}

تستخدم أنظمة المصفوفات الخطية الحديثة وحدات تشغيل منفصلة لنطاقات الترددات العالية والمتوسطة والمنخفضة . ولضمان عمل مصدر الخط، يجب أن تكون وحدات التشغيل في كل نطاق تردد على خط واحد. لذا، يجب تصميم كل صندوق بحيث يمكن ربطه بإحكام لتشكيل أعمدة تتكون من وحدات تشغيل مكبرات الصوت عالية ومتوسطة ومنخفضة التردد . يؤدي زيادة عدد وحدات التشغيل في كل صندوق إلى زيادة نطاق التردد ومستوى ضغط الصوت الأقصى ، بينما يؤدي إضافة صناديق إضافية إلى المصفوفة إلى خفض التردد الذي تحقق فيه المصفوفة نمط تشتت اتجاهي.

أصبحت أنظمة المصفوفات الخطية كبيرة الحجم المعيارَ المعتمد في قاعات الحفلات الموسيقية الكبيرة والمهرجانات الخارجية، حيث يمكن تعليق هذه الأنظمة من عارضة هيكلية أو برج دعم أرضي ^{[ 2 ]} أو من برج دعامات عالي على شكل حرف A. ^{[ 3 ]} ونظرًا لأن الصناديق تُركّب معًا وتُعلّق من نقطة واحدة، فإن تجميعها وتوصيلها بالكابلات أسهل من طرق تركيب مكبرات الصوت الأخرى. عادةً ما يكون الجزء السفلي من المصفوفة الخطية منحنيًا للخلف لزيادة انتشار الصوت في أسفلها، مما يسمح بوصوله إلى عدد أكبر من الجمهور. تكون الصناديق المستخدمة في المصفوفات الخطية عادةً شبه منحرفة، وتُربط بواسطة تجهيزات تعليق متخصصة. ^{[ 4 ]}

أظهر رائد علم الصوت هاري أولسون لأول مرة تأثير المصفوفة الخطية المتمثل في تضييق الحزمة مع ازدياد التردد. [ ^{5 ] ونشر} نتائجه في كتابه " الهندسة الصوتية " عام 1957. ^{[ 6 ]} استخدم أولسون مفاهيم المصفوفة الخطية لتطوير مكبر الصوت العمودي، حيث أنتجت وحدات تشغيل مرتبة عموديًا في حاوية واحدة صوتًا متوسط ​​المدى بنمط أفقي واسع وعمودي ضيق. ظهرت المصفوفات الخطية منذ أكثر من نصف قرن، ولكن حتى وقت قريب، كانت معظمها مخصصة لنطاق الصوت البشري فقط. وكان استخدامها في الأماكن ذات الصدى العالي، حيث كان التصميم العمودي الضيق يمنع إثارة مجال الصدى. ^{[ 7 ]} اقترح جوزيف دابوليتو في عام 1983 عناصر مصفوفة خطية متعددة النطاقات في حاوية أفقية. ^{[ 8 ]} ومع ذلك، انتشر المنتج بشكل كبير بفضل مصفوفة V-DOSC الخطية من شركة L-Acoustics التي طُرحت عام 1992. ^{[ 9 ]} أدى ذلك إلى اكتشاف إمكانية الحصول على استجابة ترددية أكثر اتساقًا وسلاسة باستخدام عدد أقل من الصناديق في المصفوفة الخطية. وسرعان ما اكتشف القطاع أيضاً أنه لا يوجد تداخل هدّام في المستوى الأفقي، وأن الموجات تتحد في الغالب بنفس الطور في المستوى الرأسي، مما دفع العديد من مصنعي مكبرات الصوت إلى تطوير منتجات مماثلة خاصة بهم بسرعة. ^{[ 7 ]}

تعتمد نظرية المصفوفة الخطية النقية على الهندسة البحتة والتجربة الفكرية لـ " المجال الحر " حيث يكون الصوت حراً في الانتشار دون عوامل بيئية مثل انعكاسات الغرفة أو انكسار درجة الحرارة.

في المجال الحر، ينتشر الصوت الذي ينشأ من نقطة ( مصدر نقطي ) بالتساوي في جميع الاتجاهات ككرة. وبما أن مساحة سطح الكرة = ^4πr² حيث r هو نصف القطر، فإن كل مضاعفة لنصف القطر تؤدي إلى زيادة مساحة سطح الكرة أربعة أضعاف. ونتيجة لذلك، تنخفض شدة الصوت إلى الربع مع كل مضاعفة للمسافة من المصدر النقطي. شدة الصوت هي القدرة الصوتية لكل وحدة مساحة، وهي تتناقص مع زيادة مساحة السطح لأن القدرة الصوتية تتوزع على مساحة أكبر. تُعطى نسبة ضغطين صوتيين بالديسيبل بالمعادلة dB = 20log(p1/p2)، لذا مع كل مضاعفة للمسافة من المصدر النقطي، p1 = 1 و p2 = 2، وبالتالي ينخفض ​​ضغط الصوت بمقدار 6  ديسيبل تقريبًا.

المصدر الخطي هو مصدر صوتي افتراضي أحادي البعد، على عكس المصدر النقطي عديم الأبعاد. ولأن المصدر الخطي ينشر الصوت بالتساوي في جميع الاتجاهات في المجال الحر، فإنه ينتشر على شكل أسطوانة وليس كرة. وبما أن مساحة السطح المنحني للأسطوانة تساوي 2π rh، حيث r هو نصف القطر و h هو الارتفاع، فإن كل مضاعفة لنصف القطر تؤدي إلى مضاعفة مساحة السطح، وبالتالي تنخفض شدة الصوت إلى النصف مع كل مضاعفة للمسافة من المصدر الخطي. وبما أن p1 = 1 و p2 = 4 لكل مضاعفة للمسافة، فإن هذا يؤدي إلى انخفاض ضغط الصوت بمقدار 3  ديسيبل تقريبًا. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

في الواقع، لا يمكن أن توجد مصادر نقطية عديمة الأبعاد ومصادر خطية أحادية البعد؛ ومع ذلك، يمكن إجراء الحسابات بناءً على هذه النماذج النظرية لتبسيطها. وبالتالي، توجد مسافة محددة فقط يُنتج عندها مصدر خطي ذو طول محدود ضغطًا صوتيًا أعلى من مصدر نقطي بنفس شدة الصوت.

نمط التداخل هو المصطلح المستخدم لوصف نمط تشتت الصوت في مصفوفة خطية. ويعني ذلك أنه عند تكديس عدة مكبرات صوت عموديًا، تقل زاوية التشتت الرأسي لأن كل وحدة صوتية تكون خارج الطور مع الأخرى عند مواضع الاستماع خارج المحور في المستوى الرأسي. وكلما زاد ارتفاع المصفوفة، ضاق التشتت الرأسي وزادت الحساسية على المحور. ويكون لمصفوفة رأسية من وحدات الصوت نفس النمط القطبي الأفقي لوحدة صوتية واحدة.

إلى جانب تضييق التغطية الرأسية، يؤثر طول المصفوفة أيضًا على الأطوال الموجية المتأثرة بهذا التضييق في التشتت. فكلما زاد طول المصفوفة، انخفض التردد الذي يتحكم فيه النمط. ^{[ 7 ]} عند الترددات الأقل من 100  هرتز (طول موجة 3.4 متر تقريبًا) ، تبدأ مصفوفة الخط التي يقل طولها عن 3 أمتار تقريبًا في أن تصبح شاملة الاتجاهات، وبالتالي لا يتوافق النظام مع نظرية مصفوفة الخط عبر جميع الترددات. ^{[ 15 ]} عند الترددات الأعلى من 400 هرتز تقريبًا، تصبح مخاريط مكبرات الصوت نفسها موجهة، مما يخالف افتراضات النظرية مرة أخرى، وعند الترددات العالية، تستخدم العديد من الأنظمة العملية موجهات موجية موجهة لا يمكن وصف سلوكها باستخدام نظرية مصفوفة الخط الكلاسيكية. باختصار، لا يمكن نمذجة هندسة مصفوفات الخط الصوتية في العالم الحقيقي، كما هو مستخدم في أنظمة الإذاعة العامة، إلا تقريبًا باستخدام نظرية مصفوفة الخط، وذلك فقط في نطاق 100-400 هرتز. ^{[ 15 ]}   

تعمل أنظمة المصفوفات الخطية العملية كمصادر خطية فقط في نطاق الترددات المنخفضة والمتوسطة. أما بالنسبة للترددات العالية، فيجب استخدام طريقة أخرى لتحقيق خصائص اتجاهية تضاهي تلك الموجودة في نطاقي الترددات المنخفضة والمتوسطة. وتُعدّ الطريقة الأكثر عملية لأنظمة التقوية هي استخدام الموجهات الموجية (الأبواق) الموصولة بمحركات ضغط. ويجب أن يتميز كل بوق بتشتت رأسي ضيق للغاية وتشتت أفقي واسع للغاية.

بدلاً من استخدام التداخل البنّاء والهدّام، تحقق مكبرات الصوت الاتجاهية من خلال عكس الصوت في نمط تغطية محدد. في نظام مصفوفة خطية مصمم بشكل صحيح، يجب أن يتطابق هذا النمط بدقة مع خاصية الاتجاهية للترددات المنخفضة للمصفوفة. إذا كان التشتت الرأسي للمصفوفة 60 درجة، وكان هناك 12 صندوقًا، فسيحتاج كل مكبر صوت إلى تغطية رأسية بزاوية 5 درجات. (تتميز التغطية الرأسية الضيقة بتقليل وصول الموجات المتعددة، مما قد يؤثر سلبًا على وضوح الصوت). إذا تحقق ذلك، يمكن دمج عناصر توجيه الموجة في المصفوفة الخطية، ومع معادلة الترددات العالية والتقاطعات المناسبة، يمكن جعل حزمة الترددات العالية والتداخل البنّاء للترددات المنخفضة متوافقة بحيث يوفر النظام المصفوفي الناتج تغطية متسقة. ^{[ 16 ]}

هناك نوعان من التكوينات الصوتية نادراً ما يُستخدمان، وهما المصفوفة المستقيمة والمصفوفة المنحنية. تكمن مشكلة المصفوفات المنحنية في عدم ملاءمتها للأماكن العادية. فبينما يُوجّه النصف السفلي منها للأسفل لتوفير تغطية إضافية في المواقع القريبة من مقدمة المسرح، يُوجّه النصف العلوي للأعلى باتجاه السقف. كما أن مشكلة المصفوفات المستقيمة تكمن في ضيق شعاعها عند الترددات العالية. ولحل هذه المشكلة، يُمكن استخدام المصفوفة المنحنية أو مصفوفة "J" للاستفادة من أفضل ميزات كلا النوعين. تتكون هذه المصفوفة من جزء مستقيم وجزء منحني، عادةً في الأسفل. يوفر هذا التصميم مكوناً مستقيماً ذا مدى طويل للأشخاص البعيدين نسبياً، بينما يعمل الجزء المنحني في الأسفل على ملء الفراغ أسفل المصفوفة الذي قد يُهمل لولا ذلك.

تُعدّ المصفوفات الحلزونية التطور التالي للمصفوفات J، وتتميز باستجابة ترددية فائقة نظرًا لتشابه نمطها القطبي عند الترددات المتغيرة، مع الحفاظ على مزايا المدى البعيد والتغطية الداخلية التي توفرها المصفوفات J. وتقوم فكرة المصفوفات الحلزونية على انحناء المصفوفة بالكامل، ولكن هذا الانحناء تدريجي. وهذا يعني أن الجزء العلوي من المصفوفة يكون شبه مستقيم بزوايا 1° بين المربعات، وتزداد هذه الزوايا في الأسفل لتتراوح بين 6° و10° تقريبًا. ويمكن لمصفوفة حلزونية مصممة جيدًا أن تتمتع بنمط توجيه ثابت تقريبًا مع التردد، مع ظهور بعض الفصوص الصغيرة عند الترددات المنخفضة. ^{[ 17 ]}

صُممت أنظمة مكبرات الصوت الخطية كبيرة الحجم للجولات في الساحات والمدرجات، والأماكن الكبيرة، والمهرجانات الخارجية. تتضمن هذه الأنظمة عادةً عدة مكبرات صوت عالية التردد مُرتبة عموديًا، بالإضافة إلى عدة مكبرات صوت متوسطة ومنخفضة التردد مُرتبة بشكل متناظر حول مكبر الصوت عالي التردد . يبلغ قطر مكبر الصوت منخفض التردد عادةً 15 أو 18  بوصة. أما أنظمة مكبرات الصوت الخطية متوسطة الحجم، فهي عادةً ثنائية أو ثلاثية الاتجاه، وتستخدم  مكبرات صوت منخفضة التردد بقطر 10 أو 12 بوصة. تغطي هذه الأنظمة عادةً زاوية 90 درجة أفقيًا، ولكن بعض الأنظمة تستخدم مكبرات صوت أضيق في الأعلى أو أعرض في الأسفل. باستخدام إطار انتقالي (يُستخدم لمحاذاة التجهيزات في الأنظمة المختلفة)، قد يقوم مهندسو الأنظمة أحيانًا بتعليق مكبر صوت متوسط ​​الحجم أسفل مكبر صوت كبير الحجم لتغطية أقرب الجمهور. لا يتم دمج مكبرات الصوت من مختلف الشركات المصنعة لأن لكل نظام "صوتًا" خاصًا به، والذي قد يكون مشتركًا بين منتجات الشركة المصنعة نفسها.

عادةً ما توفر الشركات المصنعة جداول بيانات أو برامج مخصصة لتصميم المصفوفات الصوتية. ومن الأمثلة على ذلك: L-Acoustics SOUNDVISION، ^{[ 18 ]} وAdamson Blueprint، ^{[ 19 ] و} Electro-Voice LAPS (برنامج التنبؤ بالمصفوفات الخطية)، ^{[ 20 ]} و d&b audiotechnik ArrayCalc، وJBL Vertec Line Array Calculator. ^{[ 21 ]} كما تقدم Renkus Heinz برنامجًا يُسمى EaseFocus، وهو مشابه لبرنامج EASE ولكنه يقتصر على ميزات وحسابات خاصة بالمصفوفات الخطية. يحتوي EaseFocus على بيانات لعدد كبير من الشركات المصنعة، مما يسمح بمقارنة العديد من أنظمة مكبرات الصوت. ومن بين العلامات التجارية الأخرى للمصفوفات الخطية التي تستخدم EaseFocus: Bose Professional، وCommunity Professional Loudspeakers، وElectro-Voice، وQSC، وRCF، وVUE Audiotechnik. تقدم Meyer Sound حلاً مختلفًا من خلال نظام عبر الإنترنت يُسمى MAPP Online Pro. ^{[ 22 ]} كما تقدم Nexo برنامجها للنمذجة ثلاثية الأبعاد، NS1. كما تقدم شركة EAW برنامجها الخاص، والذي يُسمى Resolution.

تبدأ عملية التصميم بإدخال أبعاد الغرفة ومستوى ضغط الصوت المطلوب. ثم يقترح البرنامج عدد الصناديق وترتيبها. وبدلاً من ذلك، تتطلب بعض البرامج إدخال عدد الصناديق، ثم تقوم بتوقع مستويات ضغط الصوت الناتجة في أجزاء مختلفة من الغرفة.

بعد تصميم نقاط التثبيت، تُعلق من الهيكل، ثم تُركب محركات السلسلة (أو البكرات)، ثم الإطار العلوي، وأخيرًا مكبرات الصوت. يمكن توصيل الصناديق بشكل فردي أو تثبيتها معًا على الأرض ثم رفعها. أثناء رفع المصفوفة، تُضبط زوايا كل صندوق لتتوافق مع برنامج التنبؤ الخاص بها. قد يحتوي الإطار العلوي على مقياس ميل لتأكيد زاوية الإطار، أو على مؤشر ليزر لتحديد نقطة التوجيه العلوية للمصفوفة.

إذا لم يسمح الارتفاع أو عدم وجود نقاط تعليق بتعليق مكبرات الصوت، فعادةً ما يتم تكديسها على المسرح أو على مضخمات الصوت الفرعية ^{[ 23 ]} باستخدام إطار تكديس مُصمم خصيصًا. يُعد تكديس المصفوفات الخطية شائعًا في الأماكن الصغيرة والتركيبات المؤقتة. بالمقارنة مع مكبرات الصوت المعلقة، فإنها تتطلب تشتتًا رأسيًا أقل لتغطية المنطقة الأمامية والخلفية، وستكون المصفوفة الناتجة ذات انحناء طفيف.