Cardioid subwoofer oppsett

Har du noen gang stått bak et PA-anlegg og kjent nesten like mye bass som ute blant publikum? Det er ikke nødvendigvis fordi subwooferne står feil. Det er i stor grad et resultat av hvordan lave frekvenser oppfører seg.

En vanlig subwoofer er i praksis nesten rundstrålende ved lave frekvenser. Den sender derfor ikke bare energi fremover mot publikum, men også til sidene og bakover. På en scene kan dette bety mye unødvendig bass rundt mikrofoner, monitorer, instrumenter og artister. Innendørs sendes også mer energi mot vegger og andre flater, som igjen reflekterer lyden tilbake i rommet.

Et cardioid subwoofer-array er en måte å kontrollere denne energien på. Ved å bruke flere subwoofere sammen med riktig fysisk plassering og signalprosessering kan vi skape et system som sender mer bass fremover og betydelig mindre bakover.

For å forstå cardioid må vi først forstå hvorfor bass er vanskelig å styre. Lydens bølgelengde blir lengre jo lavere frekvensen er, og kan beregnes omtrent slik: bølgelengde = lydens hastighet / frekvens. Ved 20 °C beveger lyd seg omtrent 343 meter per sekund. Det betyr omtrent:

En 50 Hz lydbølge er altså nesten sju meter lang. Sammenlignet med disse bølgelengdene er selve subwooferkabinettet lite. Derfor har en vanlig subwoofer begrenset naturlig direktivitet ved lave frekvenser, og lyden sprer seg rundt kabinettet. Selv store doble 18-tommers subwoofere har relativt liten direktivitet i det dype bassområdet.

Tenk deg et band i et stort lokale med mye etterklang. Du øker bassen i PA-anlegget, men samtidig fylles scenen med lavfrekvent energi. Vokalisten får mer bass inn i monitorområdet, mikrofoner og instrumenter påvirkes, og bass som treffer bakveggen reflekteres tilbake i rommet.

Du trenger fortsatt bass til publikum. Du ønsker bare ikke like mye av den bak PA-anlegget. Det er her cardioid kommer inn.

Cardioid betyr hjerteformet og beskriver formen på systemets retningskarakteristikk. Begrepet brukes også om mikrofoner: en cardioid mikrofon er mest følsom foran og mindre følsom bak.

For et subwoofer-array ønsker vi omtrent det samme prinsippet: høy energi fremover mot publikum, lavere energi bakover mot scenen.

Cardioid beskriver egentlig ønsket spredningsmønster, ikke én bestemt måte å plassere subwoofere på. I live-lyd brukes betegnelsen ofte om såkalte gradient-arrays med front- og bakovervendte subwoofere.

Cardioid fungerer ved hjelp av interferens mellom lydbølger. Når to lydbølger møtes, summeres de. Er bølgene omtrent i fase, forsterker de hverandre – det kalles konstruktiv interferens. Er bølgene derimot ute av fase, kan den positive trykkdelen fra én bølge møte den negative delen fra en annen, og resultatet blir mindre lyd – destruktiv interferens.

Et cardioid-array bruker denne egenskapen bevisst. Vi ønsker at subwooferne i størst mulig grad skal summere mot publikum, samtidig som de kansellerer hverandre bak arrayet. Det oppnås gjennom en kombinasjon av fysisk plassering, avstand, delay, fase/polaritet og DSP.

Et vanlig cardioid-oppsett kan for eksempel bestå av tre identiske subwoofere: to frontvendte og én bakovervendt. Det kan virke merkelig å bruke en av subwooferne til å spille «feil vei».

Men den bakovervendte subwooferens hovedoppgave er ikke å levere bass til scenen. Den inngår i den akustiske prosesseringen av hele arrayet. Ved å kontrollere signalet til denne subwooferen kan vi få lydbølgen dens til å møte energien fra de frontvendte subwooferne på riktig tidspunkt. Bak systemet blir bølgene motsatt hverandre, og lydtrykket reduseres. Foran systemet opprettholdes den samlede responsen mot publikum.

Gradient-arrays kan bygges både vertikalt og horisontalt, og en vanlig konfigurasjon bruker omtrent én bakovervendt subwoofer for hver to frontvendte.

Her er det lett å gjøre cardioid litt for enkelt. På nettet finner man oppskrifter som sier: «Mål dybden på subwooferen, konverter avstanden til millisekunder, snu polariteten og ferdig.» Prinsippet er relevant, men det finnes ikke én universell delayverdi som fungerer på alle subwoofere. Et manuelt konstruert gradient-array må ta hensyn til blant annet:

Målet er heller ikke perfekt kansellering ved alle frekvenser. Fordi bølgelengden varierer med frekvensen, vil systemets retningskarakteristikk også være frekvensavhengig. Derfor bør man enten måle og designe arrayet, eller følge produsentens dokumenterte cardioid-oppsett når høyttalersystemet har dette innebygget.

Et enkelt cardioid-array kan bygges med to subwoofere: én fremover og én bakover. Dette kan gi betydelig bakoverdemping, men en stor del av systemets kapasitet brukes på den bakovervendte kilden.

Derfor er 2:1-konfigurasjoner vanlige: to fremover og én bakover. Da har systemet mer fremoverrettet kapasitet, samtidig som den bakovervendte subwooferen brukes til å forme responsen. Men gradient-arrays er ikke gratis akustisk gevinst. De kan være mindre effektive enn enkelte andre array-prinsipper, og responsen ved de aller laveste frekvensene kan påvirkes når bølgelengdene blir svært lange.

Den største fordelen er ikke nødvendigvis at publikum får mer bass. Det er at vi får bedre kontroll over hvor bassen går.

En vanlig misforståelse er at cardioid gjør området bak subwooferne stille. Det gjør det ikke. Vi snakker om attenuation eller rear rejection – altså redusert lydtrykk. Hvor stor reduksjonen blir, avhenger blant annet av frekvens, arrayets konstruksjon, antall subwoofere, fysisk plassering, DSP, rommet, refleksjoner og hvor du måler.

Dette blir spesielt tydelig innendørs. Selv om arrayet sender betydelig mindre direkte energi bakover, kan bass treffe vegger, gulv og tak og returnere gjennom refleksjoner. Cardioid kontrollerer først og fremst hva arrayet selv sender i forskjellige retninger. Det fjerner ikke rommets akustikk.

Det finnes flere måter å lage retningsbestemt bass på. Et gradient-array bruker både fremover- og bakovervendte subwoofere sammen med prosessering. Et end-fire-array består vanligvis av flere subwoofere plassert etter hverandre i fysisk avstand, hvor signalene forsinkes progressivt.

End-fire kan gi høy effektivitet fremover, men krever fysisk plass. Gradient/cardioid kan ofte bygges innenfor omtrent samme fotavtrykk som et tradisjonelt subwoofer-array. Ingen av metodene er universelt «best» – de innebærer forskjellige kompromisser mellom plass, lydtrykk, direktivitet, antall subwoofere og prosessering.

Mange profesjonelle aktive subwoofere har DSP med ferdige cardioid-presets. Produsenten har da allerede utviklet prosesseringen for det aktuelle høyttalersystemet. Du trenger fremdeles riktig fysisk konfigurasjon, men slipper å gjette på delay, polaritet og filtre.

To eksempler er systemene vi bruker i Nordlys & lyd: Electro-Voice ETX-15SP og ETX-18SP har innebygget cardioid-prosessering og kan konfigureres med to eller tre identiske subwoofere. JBL SRX818SP og SRX828SP har egne Cardioid 60- og Cardioid 80-presets for de bakovervendte subwooferne. Se de egne guidene våre for hvert system.

På disse systemene bør produsentens anbefalte konfigurasjon brukes fremfor å forsøke å beregne egne generiske delay- og polaritetsverdier.

Mål. Du kan høre stor forskjell ved å gå fra forsiden til baksiden av et godt konfigurert array, men skal systemet optimaliseres skikkelig, bør det måles med målemikrofon og egnet programvare.

En enkel praktisk test er å måle på samme avstand foran arrayet, på siden og bak arrayet, og sammenligne responsen. Se ikke bare på totalnivået, men på hvilke frekvenser som faktisk blir redusert bak arrayet.

Ikke fordi det er kult å snu en subwoofer bakover. Bruk det når du faktisk har et problem du ønsker å løse: når artisten drukner i 60–100 Hz foran scenen, når du vil ha mindre bass bak scenen utendørs, eller når mye energi sendes mot en flate eller et område du vil skjerme.

I enkelte små oppsett kan det være bedre å bruke alle tilgjengelige subwoofere til vanlig fremoverrettet output. Cardioid er ikke automatisk bedre bass – det er et verktøy for bedre kontroll over bass.

God systemdesign handler ikke bare om hvor mye lyd vi kan produsere – men om hvor vi sender den.