Optimized geometric and electronic wavefront shaping with line source arrays for large-scale sound reinforcement
Straube, Florian
Line Source Arrays (LSAs) are used for large-scale sound reinforcement aiming at the synthesis of homogeneous wavefronts for the whole audio bandwidth. The deployed loudspeaker cabinets are rigged with different tilt angles and/or are electronically controlled in order to provide the intended coverage of the audience zones and to avoid radiation towards reflective ceilings, sidewalls or residential areas. In this thesis, different frequency domain optimization schemes for the geometric and electronic wavefront shaping with LSAs are revisited, compared and enhanced. For that purpose, an analytical approach for finding appropriate tilt angles of the LSA cabinets, denoted as polygonal audience line curving (PALC), and a mixed analytical-numerical approach for optimizing the individual loudspeakers’ driving functions, referred to as line source array venue slice drive optimization (LAVDO), are introduced. LAVDO is meant to overcome the non-smooth frequency responses resulting from purely numerical frequency domain approaches without additional frequency-connecting constraints.
A mathematically explicitly formulated framework serves as basis for all calculations. This incorporates a modified complex-directivity point source (CDPS) model for ideal as well as measured loudspeaker data providing realistic sound pressure levels, an enclosed geometric model in order to exactly specify the source and receiver positions of the LSA configurations and the consideration of practical loudspeaker multiway designs with respect to the frequency crossover filters. Both straight and curved LSA configurations are analyzed for exemplary sound reinforcement venues. The results are evaluated with the help of a comprehensive set of graphical representations and technical quality measures for sound field as well as source-related characteristics. Finally, the conversion from optimized driving functions to practical finite impulse response (FIR) filters is considered.
Line Source Arrays (LSAs) werden heutzutage typischerweise für Großbeschallungsaufgaben (z. B. bei Open-Air-Veranstaltungen, in Arenen und Stadien) eingesetzt, um möglichst homogene Wellenfronten im gesamten Audio-Frequenzbereich zu generieren. Die verwendeten Lautsprecherboxen werden zueinander angewinkelt und/oder geeignet elektronisch angesteuert, um wie beabsichtigt die Zuhörerbereiche zu beschallen und die Abstrahlung in Richtung reflektierenden Decken, Wänden und bewohnten Gebieten zu vermeiden. In dieser Dissertation werden verschiedene Verfahren im Frequenzbereich zur Optimierung der Geometrie und der elektronischen Ansteuerung von LSAs untersucht, verglichen und erweitert. Dazu werden ein analytischer Ansatz zum Finden geeigneter Neigungswinkel der LSA-Boxen, der als Polygonal Audience Line Curving (PALC) bezeichnet wird, und ein gemischt analytisch-numerischer Ansatz zum Optimieren der Treiberfunktionen der einzelnen Lautsprecher eingeführt. Das zuletzt genannte Verfahren wird Line Source Array Venue Slice Drive Optimization (LAVDO) genannt und soll glatte Frequenzgänge garantieren, die mit rein numerischen Frequenzbereichsmethoden ohne zusätzliche frequenzverbindende Randbedingungen in der Regel nicht oder nur mit erhöhtem Rechenaufwand realisiert werden können.
Ein mathematisch explizites Formelwerk dient als Grundlage für alle Berechnungen. Es umfasst ein angepasstes Complex-Directivity-Point-Source-Modell für ideale und gemessene Lautsprecherdaten, das realistische Schalldruckpegel liefert, sowie ein geschlossenes geometrisches Modell, um die Quellen- und die Empfängerpositionen der LSA-Anordnungen exakt zu spezifizieren, und es berücksichtigt den Mehrwegeaufbau von existierenden Lautsprechern in Form der Frequenzübergangsfilter. Sowohl gerade als auch gekrümmte LSA-Konfigurationen werden für typische Beschallungssituationen untersucht. Die jeweiligen Ergebnisse werden mit Hilfe einer umfassenden Sammlung von graphischen Darstellungen und technischen Qualitätsmaßen evaluiert, die sowohl Schallfeld- als auch quellenbezogene Eigenschaften zeigen. Auch die Überführung der optimierten Treiberfunktionen in einsetzbare Finite-Impulse-Response-Filter wird betrachtet.
