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扬声器线阵列知识的深入探讨
阅读 次    时间:2019-03-18 11:08

  扬声器阵列(loudspeaker array)是扬声器或扬声器子系统按某种设计排列及组合成的系统,是为大型演出场馆及体育场扩声系统工程所需要的。其优点是声音辐射区的覆盖上得到改善,或者说是整个阵列的指向性上将得到更佳的控制。另外,就是观众区的声压级可得到提升,乃至离声源最远处的观众处也可获得足够清楚而良好音质的声音。

  扬声器线阵列( loudspeaker line array)是阵列系统中的扬声器或扬声器子系统按直线或曲线排列而成的系统。其外形特点是所构成的扬声器或扬声器子系统基本上排列成垂直的一条线(或相接的曲线)上,如图1所示。图l(a)所示声柱在文献[3-5]里均有介绍,图l(b)所示为近年来的流行的声阵列,是本文所要探讨的主要对象。

  声柱是最早出现的线阵列扬声器。它由扬声器单元组成,理论最早出现在1930年,WOLFF和MALTER发表了一个按直线排列的声源组合的远场指向性图案的公式。其后,BERANEK等推导出声源(中心)均匀排列的线阵列的一些特性,如远场的声压、指向性函数、旁瓣的峰及谷点处的频率及声压、四分之一声压功率的角度。到了1986年,LIPSHITZ,VANDERKOOY及SMITH等全面分析了线声源的轴上及偏离轴线处声场的声压响应,证明了线声源的近场及远场的声压级的下降规律,转换距离( transitiondistance)是声源线长及声波频率的函数,为SMITH,HEIL,JUNGER,FEIT及UREDA等所推导而得。

  中国的有关教授及专家在声柱的理论及产品实践上,早在二十世纪六十年代及七十年代就作出了突出成果,有关文献较多。

  WOLFF,MALTER,OLSON,ROSSI,KLEPPER,STEELE还对垂直方向的曲线或弧线排列的声源组的特性作了研究。直线排列的声源组合的远场指向性在水平面上和单个声源的指向性差不多,而在垂直平面上就可能表现出较为尖锐的指向性。这个优点能被用作将声音指向观众席,但是随频率的升高,这个锐角有时会变得过小,而照顾不到观众席的全部。曲线或弧线排列的声源组合在较高声频段上的垂直平面的指向角就较为宽大,声音的覆盖会加宽。

  弧线排列和直线排列结合的结果就是J型排列。直线型排列的声源组在上方,是为了远场,而下方的弧线排列的声源组是为了近场。它们在垂直平面的指向性是不对称型,很适合用于大型演出场馆。与J型相似的是一种名称为曲率递增型( progressive)的声源组合,其上部近于直线型,而下部的曲线型排列的曲率在不断加大,其不对称型的垂直平面的指向性将更为合用。

  正是由于上面所写到的理论模型的不断发展,JBL,Meyer,EAW,L'acoustics和Nexo等公司在几十年里开发出一代又一代的声阵列及线阵列扬声器产品。上述品牌的产品细节及设计理念可能有所差别,但最主要的概念是共通的。

  扬声器线阵列的原理

  1叠加原理

  两列或多列声波的合成声场的声压等于各列声波的声压的矢量和,相干声波的叠加所产生的声干涉现象是声阵列的最主要原理。

  扬声器线阵列中的扬声器或扬声器子系统在垂直排列时,它们的声波向前辐射,水平面和垂直面的指向性的表现不一样。线阵列的水平面的指向性和子系统的差不多,而线阵列垂直面的指向性图案将如图2所示那样。原因是扬声器接收声频电信号后,各子系统发出声音,在测试点子系统的声波将相互叠加,按叠加原理相加或相减(依据声波之间的相位差)。声源的尺寸、声源的位置及排列、线阵列的长度、测试点和线阵列的几何关系、声波频率等是产生相位差的决定性因素,它们的改变也决定了指向性的变化。这些是有关文献里数学表达的精华所在。

  2理想声源和扬声器的差别

  前面所列出的文献,理论分析起始于理想声源的线阵列的分析。实际上,扬声器单元或扬声器子系统和理想声源存在差距。随频段的升高,其差距越大,所以按理论模型指导所开发出来的线阵列的实际性能虽在一定程度上符合理论预计,但是修正是必需的,开发过程中需要对第一次实际样品作测量和分析,找出规律作必要修正。

  ( 1 ) 在上面所列的文献里,在理论上声源是一个点,线阵列声源在理论上是一条线,是连续的。实际上,扬声器单元或子系统均不可能是无限小,在波长比扬声器大得多的频域或远场,扬声器可以按点源处理,此时理论和实测的符合程度较好。

  ( 2 ) 声原点和声中心

  如果是理想的点声源或是线声源,声原点及声中心就是声源的位置点,但扬声器子系统那样的实际装置,情况就较为复杂了。声原点(acoustical origin)是测量后再计算出的点,在扬声器上馈入一个脉冲信号,然后在声场中某点测出其响应,再计算出声波传播所需要的时间,最后计算出声波发出的原点。

  而声中心( acoustical center)是声场的远场向声源方向所观察到的球面声波的出发点。举例说明,只有圆锥形号筒扬声器的声原点,声中心才和音头的位置是一致的,其他指数型号筒扬声器、CD水平型号筒扬声器、CD垂直型号筒扬声器存在两者不一致的情况。实际情况将可能更加复杂。所构成的子系统如果器设号筒或其他声导向器件,则因声中心和声原点的不同而在声阵列的近远场特性及指向性上产生变数。

  3信号处理技术的作用

  信号处理一般是在输入声频电信号的电路上进行,主要是频率分量切除、频率均衡、动态压缩、信号延时处理等功能的调整。传统上可以在模拟域上作一定程度上的处理,而近年来,因数字技术的进展,数字信号处理( DSP)技术允许用相关芯片或电路来作实用,有关手段得到充分的发展。驱动每个子系统的电信号可被单独“裁剪”,可个别地滤波、均衡、延迟及电平调整,在功率放大前这种运用的灵活性使线阵列的指向性,声束的导向及声束的宽度在一定程度上可调,而且线阵列的有效长度也可随频率升高而调短。这样,线阵列的指向性的可调整性因DSP的正确使用而大为提高。线阵列扬声器的性能(指向性及声压级的分布)能满足现场的需求,DSP的作用不可忽视。

  4子系统的分频网络

  子系统分频网络的作用将不仅仅是频率响应曲线搭接平滑那样—个基本的需求,它可能对分频区频段中的指向性产生作用,是正向的还是负向的,需要测量、分析及改进,再作定论。

  5房间的作用

  仔细考察前面所列的线阵列的文献,理论分析的第一步是把线阵列的声场当作自由声场,在大的体育场(不是全封闭的大厅),而且如果声源的指向性能保证声音主要覆盖在观众席的话,自由声场的近似有其简单性并有利于求解。然而在大厅或壁面反射及混响不可忽视的条件下,房间的作用不可忽视,相关分析是必要的。

  6计算机技术应用

  目前大型的扬声器厂家的线阵列产品,可能带计算机控制接口,线阵列将可能由控制中心的计算机来控制线阵列的运用。另外,厂家需要向购置线阵列成套产品的用户提供一个计算软件,以便用户根据现场的声学条件,确定线阵列的安装(包括线阵列子系统的机械联接及子系统的位置及取向等)和参数调整及设定条件等要素。

  扬声器线阵列的组成及调整的举例

  以JBL VT4889 -1高指向性(Fullsize Three - Way High Directivity Line Array Element)线阵列子系统为例,来简要说明线阵列的构成。它和图l(b)所示的线阵列类似,这个VT4889 -1其实本身是个完整的扬声器系统,它可和其他VT4889 -1组装成一条阵列。

  它是三分频的扬声器系统:低频为2个2255H单元(15 in(l in =2. 54 mm)),几何上并列;中频为4个2250型单元(8 in);高频为3个2435H驱动头(3 in振膜,1.5 in出口),竖直排列。

  VT4889 -1用在垂直取向的阵列VERTEC Sys-tem Arrays里,水平指向性覆盖角一般保持为900,阵列里的子系统的数量及取向的设定会决定阵列的垂直指向性的覆盖。子系统的倾角及数量是这一指向性调整的关键因素。VT4889 -1箱体由配套VT4889 - AF或VT4889 - SF阵列吊具作悬吊。由于JBL的悬吊系统设计的安全周到,所构成的阵列整体的倾角可以按径向调上或调下,前铰链紧固好以后,则由后铰链在相邻箱体间作0。- 10。的调整,由于箱体的梯形状结构,线阵列的整个前面不会出现空的间隔。

  配套VERTEC线阵列计算器(Line Array Calcu-lato,)是个基于微软软件的一个程序工具,让扩声系统设计师选择子系统的数量及相邻子系统的安装取向。设计师可在3个观众席面的前后长度及每个面的斜度、观众席到阵列的相对距离上选择。然后程序将要求使用者在100 Hz - 20 kHz的1/3 0ct倍频程里选定某一个频率带,接着是一个反复的观众席处的声压级的计算过程,再算出指向性函数的基本结果,与目标指向性作比较,设计师按结果再改变子系统的个数及相邻箱体的倾角,一个频带的数据算好后,再接着算另一个频带的数据,反复的计算及数据比较以后,设计师就从几种结果里选出较好的解决方案(包括有用的结构安装所需的有关信息)。注意,该子系统的声指标的测量是(子系统置于)地平面法,采用MLSSA测试系统,测量传声器位于箱体正向面的20m处高空。

  几个需要注意的关键

  关于线阵列,还有一些技术关键需要关注。

  1转换距离

  线源阵列有个远场界限点,超过这一点的声场为远声场,声压级的衰减按距离加倍声压级下降6 dB的规律减小。而在近声场,即测试点与线阵列所在点的距离小于转换距离的声场,按距离加倍声压级衰减3 dB的规律下降并在那基础上有小的起伏。这个界限点的近似公式如式(1)所示,它和线源阵列的长的平方成正比,与声波波长成反比,或可换算为与声波频率成正比。

  r= 12 f/700 (1)式中,r为转换距离,线阵列所在点作起始点;/为线阵列的长,两者均以m为单位,为声频电信号频率,以Hz为单位。

  2四分之一功率角

  线阵列在辐射声音时,辐射的指向性图案(在垂直面)有主瓣和副瓣,主瓣是所追求的,为作比较用,主瓣的四分之一功率角0-6dB是个可以用作判别的指标。

  0-6dB =24 000/f/ (2)式中,角度以。为单位f和/的含义及单位同式(1)。

  3线源阵列中的声源的间隔

  以上两式均是理想的连续的线源阵列的公式,如果线阵列里的子系统在几何上出现间断的话,线阵列的指向性会明显地改变,一般对主瓣的影响不大,但是将改变离轴旁瓣的结构。低声频段,间隔较波长小得多的情况下,间隔的影响小;高声频段,旁瓣随间隔长的变化越来越明显,旁瓣加宽,旁瓣的中心轴线也改变角度。

  结论

  线阵列扬声器的理论早就为人们所发现,近年来的看点是许多扬声器制造商取得了工程实践中的成功,线阵列有了较为理想的指向性,高输出功率以及在较宽频域上的高品质的声音,声效果较当年流行的声柱类型的扬声器有了显著的提高及改进。J型线阵列及曲率递增型这两种是好的产品事例,更多的改进还在持续中,值得业内人士紧密关注。

  扬声器产品和理论模型的差别客观存在,现场的情况千变万化,应用的重点差异客观存在,存在产品多样性的可能。


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