O ile w ostatnim dziesięcioleciu XX wieku można było zauważyć na rynku nagłośnieniowym „wysyp” aktywnych systemów nagłośnieniowych, o tyle początek XXI wieku to czas dominacji systemów wyrównanych liniowo, albo po prostu, systemów liniowych. Jak to w życiu bywa, każdy kto kiedykolwiek miał do czynienia z systemem liniowym, coś o ich zasadzie działania wie. To „coś” może jednak mieć różnoraki wymiar i znając życie, oprócz projektantów i inżynierów owych systemów, tak naprawdę to niewielu do końca wie o co w nich chodzi. Oczywiście, każdy system jest inny, każdy producent stosuje w swoich rozwiązaniach odmienne technologie (często opatentowane, a więc praktycznie niedostępne dla konkurencji), które jednak mają za zadanie jeden cel – stworzyć źródło zbliżone w swoim działaniu do źródła liniowego, na tyle na ile umożliwiają to prawa fizyki. O co więc tak naprawdę chodzi z tym źródłem liniowy?

Pojęcie i założenia źródła liniowego zostały opisane przez Harry’ego Olsona w 1957 roku, jednak dopiero w latach 90-tych ubiegłego wieku dr Christianowi Heilowi udało się przekuć teorię w praktykę i stworzyć pierwszy system wyrównany liniowy dla firmy L-Acoustics. Podstawową cechą źródła liniowego jest spadek poziomu emitowanego przez niego dźwięku o 3 decybele przy podwajaniu dystansu między nim a słuchaczem, w przeciwieństwie do źródła punktowego lub sferycznego, dla którego spadek ten wynosi 6 dB. Pod względem budowy, idealne źródło liniowe jest grupą (w teorii o nieskończonej liczbie) wszechkierunkowych elementów, ustawionych blisko siebie w linii prostej, promieniujących falę dźwiękową z taką samą fazą i amplitudą. Dzięki temu źródło liniowe emituje fale dźwiękowe z dużą kierunkowością (w pionie) i efektywnością.

Zasymulowane warunki pracy 16 takich wszechkierunkowych źródeł dźwięku, ustawionych względem siebie w odległości 0,5 m, przedstawia rysunek 1 (symulacja wykonana przez firmę Meyer Sound za pomocą oprogramowania MAPP Online). Źródło takie jest bardzo kierunkowe do częstotliwości 500 Hz, jednak powyżej niej jego kierunkowość zanika. Widać również duży listek promieniowania z tyły systemu dla niskich częstotliwości – tak zachowują się wszystkie klasyczne systemy liniowe.

Charakterystyka kierunkowa w poziomie jest niezależna od charakterystyki wertykalnej i jest teoretycznie wszechkierunkowa dla wszystkich częstotliwości. W praktyce, źródło liniowe wykazuje kierunkowość dla średnich i wysokich częstotliwości.

Rysunek 2 prezentuje „linijkę” zbudowaną z 32 źródeł wszechkierunkowych, usytuowanych w odległości 0,25 m od siebie. Jak widać, system wykazuje kierunkowość do częstotliwości 1 kHz, przy jednoczesnym dużym promieniowaniu w tył. Wynika z tego, że aby osiągnąć kierunkowość dla wysokich częstotliwości, wymagane jest zmniejszenie odległości pomiędzy elementami promieniującymi. Dlaczego tak się dzieje?

Kierunkowość systemów liniowych wynika z istnienia konstruktywnych i destruktywnych interferencji. Dla zilustrowania tego faktu wystarczy wykonać prosty eksperyment.

Weźmy 12-calowy głośnik w odpowiedniej obudowie. Z doświadczenia wiemy, że jego kierunkowość zmienia się wraz z częstotliwością: dla niskich częstotliwości jest on wszechkierunkowy, jednak wraz ze wzrostem częstotliwości, a więc kiedy fale emitowane stają się krótsze, głośnik promieniuje coraz węższą wiązkę. Przy ok. 2 kHz staje się ona już zbyt wąska dla większości zastosowań. Z tego powodu stosuje się podziały pasma i odtwarzani ich przez różne głośniki, zapewniające większą spójność charakterystyki kierunkowej w całym paśmie akustycznym.

Stawiając dwie takie „paczki” jedna na drugiej, obie zasilane tym samym sygnałem, uzyskamy inny rozkład ich wspólnego promieniowania w przestrzeni. W punktach, leżących na wspólnej osi, występować będą interferencje konstruktywne, efektem czego nastąpi wzmocnienie dźwięku o 6 dB w stosunku do pojedynczego głośnika. W innych punktach, leżących poza osią wspólnego promieniowania, nastąpią wytłumienia, w rezultacie czego dźwięk będzie słabszy. Jeśli sygnałem testowym będzie sygnał sinusoidalny, znajdziemy takie miejsca gdzie sygnał będzie wytłumiony niemalże całkowicie (w komorze bezechowej) – jest to efekt działania interferencji destruktywnych, znany pod pojęciem efekty filtru grzebieniowego.

Systemy liniowe to ustawione w jednej linii głośniki, w odpowiednio dobranych odległościach od siebie, gdzie interferencje konstruktywne występują na osi systemu a destruktywne „pracują” nad zwiększeniu kierunkowości. Tak więc o ile w klasycznych systemach efekt filtru grzebieniowego jest nieprzewidywalny i szkodliwy, o tyle w systemach liniowych jest wykorzystywany z pożytkiem dla systemu – bez niego system liniowy straciłby swoja kierunkowość.

Co to jest fal cylindryczna i czy systemy liniowe faktycznie emitują falę cylindryczną? Zacznijmy od drugiej części pytania, odpowiadając krótko – nie. Albowiem, i tutaj pada odpowiedź na pierwszą część pytania, fala cylindryczna jest to tak naprawdę sformułowanie marketingowe i nie dajmy się na nie nabierać. Zgodnie bowiem z liniową teorią akustyki, wytworzenie takiej fali jest niemożliwe.

Inaczej jest to w przypadku płytkich fal na wodzie, które są nieliniowe i mogą się ze sobą łączyć tworząc nowe fale. Fale dźwiękowe występujące przy nagłaśnianiu w powietrzu nie „współpracują” ze sobą – przeważnie przechodzą przez siebie w sposób liniowy. Nawet w przypadku dużych ciśnień, jakie występują np. u wylotu driverów ciśnieniowych, fale emitowane „podporządkowują” się teorii liniowej, przenikając się wzajemnie całkowicie transparentnie. Ilustruje to rysunek 3. Dwa głośniki ustawione są względem siebie tak, że ich wiązki emitowanego dźwięku „krzyżują” się nawzajem. W obszarze oznaczonym literką A mamy pole wzajemnej, destruktywnej interferencji (ciemny kolor). Jednak jak widać, w dalszym obszarze emisji, oznaczonym literką B, sygnał przechodzi zupełnie bez zmian. Interferencja występuje więc w niewielkiej przestrzeni, podczas gdy w dalszej odległości od „skrzyżowania” wiązek, nie wpływają one wzajemnie na siebie.

Czy można więc wyprodukować system, który wytworzy nam falę zmniejszającą swój poziom o 3 dB przy podwojeniu dystansu od źródła?Jak widać, w tym przypadku kryterium rozmieszczenia głośników jest jeszcze ostrzejsze i trudniejsze do spełnienia. Nie można sobie tak po prostu „poupychać” kilka driverów koło siebie, gdyż odległości ich środków będą leżały zbyt daleko od siebie. Różni producenci stosują więc różne rozwiązania, mające na celu zachowanie płaskiego czoła fali, które nie będzie powodowało powstawania szkodliwych interferencji.

Jednym z takich rozwiązań, dodajmy jednym z pierwszych, jest falowód dr Heila (Rysunek 4), zastosowany w systemach firmy L-Acoustics, opatentowany 10 listopada 1992 roku. Firma Meyer Sound stosuje w swoich systemach rozwiązanie emulujący działanie przetwornika wstęgowego REM (Ribbon Emulation Manifold). Z kolei firma Adamson, jedna z pierwszych, po L-Acoustisc, która zajęła się opracowaniem systemu wyrównanego liniowo, położyła nacisk na zastosowanie głośnika koaksjalnego oraz dwóch komór akustycznych – jednej dla częstotliwości wysokich znajdującej się wewnątrz komory dla częstotliwości średnich. Natomiast dwie europejskie firmy – Nexo z Francji oraz Outline z Włoch – stosują podobne (ale nie takie same) technologie, oparte na zwierciadle akustycznym, pozwalającym na niemalże dowolne umieszczenie głośnika wysokotonowego wewnątrz obudowy zestawu głośnikowego. W przypadku firmy Nexo system ten nosi nazwę Hyperbolic Reflective Wavesource (więcej o tej technologii w artykule prezentującym systemy liniowe firmy Nexo w tym numerze LSP).

Innym problemem, związanym z wysokimi częstotliwościami, jest tłumienie tych częstotliwości w powietrzu. Nawet jeśli uda nam się stworzyć niemalże idealne źródło liniowe, które w szerokim zakresie częstotliwości wykazuje spadek poziomu dźwięku o 3 dB na podwojenie odległości, po uruchomieniu takiego systemu, okaże się, że już w stosunkowo niewielkiej odległości od systemu wysokie częstotliwości „zanikają” o 6 dB i więcej z podwojeniem dystansu – winę za to ponosi właśnie tłumienie w powietrzu.

Jak widać, praktyczny system liniowy musi być „hybrydą”, w której do odtwarzania niskich i średnich częstotliwości wykorzystuje się własności klasycznego źródła liniowego, natomiast kierunkowość wyższych częstotliwości uzyskuje się poprzez stosowanie falowodów i opartych na nich rozwiązaniach technologicznych. Aby zachować wyrównane brzmienie, nie tylko w polu bliskim ale i dalekim, potrzebne są dodatkowe zabiegi.

Rysunek 5 prezentuje charakterystykę częstotliwościową w polu dalekim systemów złożonych z dwóch, czterech i ośmiu wszechkierunkowych źródeł akustycznych (w stosunku do pojedynczego źródła – linia czerwona) rozmieszczonych w odstępach 0,4 m od siebie. Jak widać dwukrotnemu zwiększeniu ilości źródeł towarzyszy zwiększenie poziomu SPL o 6 dB, niemalże w całym zakresie częstotliwości. Jednak wysokie częstotliwości powyżej 4 kHz, z powodu tłumienia w powietrzu (20o C, wilgotność 50 %), szybko zanikają.

Zachowanie się rzeczywistego systemu liniowego w polu bliskim jest bardziej złożone. Każdy dowolny punkt wewnątrz tego pola jest na osi tylko jednego z wybitnie kierunkowych hornów, jednocześnie „widzi” energię niskiej częstotliwości z wielu zestawów wchodzących w skład systemu. Z tego powodu, dołożenie kolejnych modułów zwiększy energię niskich częstotliwości w polu bliskim, ale wysokie częstotliwości pozostaną niezmienione. Wyjaśnia to dlaczego systemy liniowe wymagają podbicia wysokich częstotliwości. W polu dalekim equalizacja (podbicie) kompensuje straty wynikające z tłumienia w powietrzu. W polu bliskim, podbicie to jest kompensowane przez konstruktywne sumowanie się niskich częstotliwości oraz bliską odległość od kierunkowych, wysokoczęstotliwościowych układów falowodowych.

W praktyce bardzo rzadko stosuje się klastry składające się z zestawów ustawionych w linii prostej. Znacznie częściej systemy liniowe występują w postaci „zagiętej” – bądź w formie litery „J”, bądź jako cały system wygięty w łuk o stosunkowo niewielkim kącie pomiędzy poszczególnymi modułami. Bardziej radykalne skosowania „paczek” powoduje powstawanie kolejnych, dość trudnych do opanowania problemów.

Po pierwsze, sekcje wysokotonowe zaprojektowane do pracy w systemach „prostych”, posiadają wąską charakterystykę kierunkowości w pionie, toteż ich zakrzywienie może powodować powstawanie miejsc o kiepskim pokryciu wysokimi częstotliwościami. Po drugie, o ile zakrzywienie systemu zwiększa przestrzeń pokrywaną wysokimi częstotliwościami, o tyle w przypadku częstotliwości niskich już tak nie jest, ponieważ tak małe zakrzywienie systemu nie wpływa na ich promieniowanie (zachowują swoją bezkierunkowość). Ilustruje to rysunek 6. Po lewej stronie inżynierowi firmy Meyer Sound dokonali symulacji, za pomocą oprogramowania MAPP, systemu zakrzywionego, po prawej systemu prostego. Oba systemy zbudowane są w oparciu o głośniki 12-calowe LF oraz drivery HF z tubami o 45-stopniowym rozproszeniu dźwięku w pionie.

Pozostają jeszcze do omówienia dwie kwestię. Pierwsza – czy zestaw głośnikowy (moduł) systemu liniowego można używać osobno? Odpowiem przekornie – i tak, i nie. Tak – bo owszem, głośnik zagra i to całkiem przyjemnie, ale używanie pojedynczego modułu mija się z celem (jeśli liczymy na to że wyprodukuje nam ona owa mityczną „falę cylindryczną”). Taki pojedynczy zestaw głośnikowy ma charakterystykę kierunkową zbliżoną do porównywalnego „normalnego” zestawu głośnikowego.

Druga sprawa – czy system liniowy może współpracować z dowolnym innym systemem lub pojedynczym zestawem. Tutaj odpowiedź brzmi – zdecydowanie tak. Pod jednym warunkiem – zestawy muszą być zgodne fazowo. Nie jest to nic specjalnego w świecie nagłośnieniowym – często stosuje się podwieszane pod systemem głównym moduły innych (szerszych) systemów lub „zwykłe” szerokopasmowe zestawy głośnikowe, pełniące rolę downfilli (rysunek 7).

Czy, pomimo panującego trendu, zawsze opłaca się „grać” na systemach liniowych? Czy systemy tradycyjne odejdą wkrótce do lamusa? W jakich zastosowaniach trzeba, w jakich można a w jakich nie ma sensu stosować „liniówki”? Twierdzenie, że systemy liniowe są panaceum na każdą sytuację, w której trzeba dobrze nagłośnić imprezę, nie jest prawdziwe. Ogólnie rzecz ujmując, systemy liniowe doskonale sprawdzają się w sytuacjach, gdy mamy do nagłośnienia przestrzeń w szerokim kącie horyzontalnym i jednocześnie o dużej długości (odległości od sceny), ale przy dużej kierunkowości w pionie wiązki dźwięku. I na odwrót – w aplikacjach, gdzie nagłaśniana przestrzeń jest stosunkowo „krótka” i trzeba zagrać w nieco szerszym zakresie w pionie lub zawęzić przestrzeń nagłaśnianą w poziomie (aby np. uniknąć odbić od ścian) lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie tradycyjnych zestawów lub klastra złożonego ze zwykłych, szerokopasmowych „paczek”. I chociaż w wielu sytuacjach można  z powodzeniem użyć małe, kompaktowe systemy liniowe, to jednak zastosowanie tradycyjnych, pojedynczych zestawów lub kilku takich zestawów połączonych w jeden klaster, generalnie pozwoli nam na ograniczenie kosztów przy jednocześnie porównywalnej jakości nagłośnienia.