對于線陣列音箱的最新研究結(jié)論顛覆你的認(rèn)知

來源：貝殼視聽編輯：VI菲 2021-08-17 21:31:04 加入收藏

在經(jīng)過飽受爭議的十幾年后，線性陣列的應(yīng)用才大規(guī)模普及，現(xiàn)在以至于每一家專業(yè)音響公司都基本涉足到了線陣音響的研發(fā)和生產(chǎn)。難道線性陣列音箱在理論和實(shí)際上真的對于遠(yuǎn)程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開討論。

　　近十幾年，線性聲源揚(yáng)聲器陣列技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，其替代了傳統(tǒng)的點(diǎn)聲源陣列成為擴(kuò)聲的主力。線陣揚(yáng)聲器從其誕生就一直爭議不斷。H.F奧爾森(Olson)在1957年出版的《聲學(xué)工程》闡述線陣?yán)碚摚▏鳯-ACOUSTICS公司于 1993 年首先才推出了V-DOSC系統(tǒng)。在經(jīng)過飽受爭議的十幾年后，線性陣列的應(yīng)用才大規(guī)模普及，現(xiàn)在以至于每一家專業(yè)音響公司都基本涉足到了線陣音響的研發(fā)和生產(chǎn)。難道線性陣列音箱在理論和實(shí)際上真的對于遠(yuǎn)程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開討論。

　　一 、 線性陣列 模擬實(shí)驗(yàn)

　　我們采用了MEYERSOUND公司的模擬軟件MAPP進(jìn)行模擬。模擬的目的為分析相同數(shù)量及不同數(shù)量的線性陣列音箱組成的垂直陣列在中遠(yuǎn)程各個頻率的表現(xiàn)情況。通過分析頻率響應(yīng)、聲壓級、指向性來得到結(jié)果。

　　1.1 標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)量 線性陣列 理想 聲場條件下的頻率和指向性之間的關(guān)系。

　　12 只相同型號垂直線性陣列，全部為0度的懸掛

　　12只線陣，J型懸掛(從第5只開始5度張角，最下面2只10度)

　　模擬結(jié)論：線陣在從低頻到中頻及高頻的各個頻段頻率響應(yīng)和指向性表現(xiàn)的完全不一致，其存在各種不同的指向性。

　　1、在本例的低頻(以315Hz為例)可以實(shí)現(xiàn)基本完全的疊加，且由于陣列長度使垂直的指向性有所減小。其相鄰聲源距離基本滿足小于1/4λ，且陣列長度與波長比值接近4，波形主瓣明顯。

　　2、線陣在中頻(以630Hz為例)逐漸呈現(xiàn)指向性向陣列中心匯集的趨勢，在線陣中心表現(xiàn)出了聲壓疊加，兩邊逐漸減小。陣列長度與聲源波長比值接近 8，主瓣開始尖銳。

　　3、線陣在高頻(以2.5KHz為例)，基本難以實(shí)現(xiàn)全面的聲壓疊加，表現(xiàn)形式為主瓣明顯分化成狹窄指向的聲線。聲源呈現(xiàn)相鄰音箱之間的疊加，而不會全部音箱疊加，造成了各個孤島。陰影區(qū)逐漸顯現(xiàn)。

　　4、線陣在高頻和超高頻(以4K和12K為例)，其主瓣分化趨勢更加嚴(yán)重，孤島、聲線更加明顯，陰影區(qū)域占比隨著頻率的升高而逐漸增大。

　　5、型線陣只是增了的箱體之間的角度，使各種趨勢更加明顯。

　　1.2 線性陣列的長度與聲壓的關(guān)系模擬

　　24 只相同型號的線陣，懸掛高度20米，全部0度，無張角，上吊架-6度。麥克風(fēng)在100米處，高度1.2米取得聲壓和頻率響應(yīng)。

　　與上述相同的型號線陣音箱。5只短線陣，懸掛高度為6米，前4只是0度，后面的一只是-6度，實(shí)際遠(yuǎn)場為4只音箱的陣列，最下面的-6 度為近場音箱。

　　備注：當(dāng)線性陣列音箱之間的張角為 0 度時，其可以獲得最佳疊加效果，聲壓最大。24只長線陣在本例模擬中在1K以后的高頻段發(fā)生明顯的聲壓變化，逐漸下掉。短線陣沒有明顯的變化。我們可以看到在6-8KHz的附近，24只長線陣和5只短線陣在高頻聲壓表現(xiàn)上已經(jīng)相近。為了實(shí)現(xiàn)模擬的公平性，麥克風(fēng)放置在長陣列的亮區(qū)中。同時我們看到了兩個模擬結(jié)果的指向性有著顯著的不同。長線陣聲源各個頻率指向性表現(xiàn)都不一樣，高頻呈線狀，中頻區(qū)塊狀，低頻收縮匯聚狀。短線陣高頻為區(qū)塊狀，中頻逐漸發(fā)散狀，低頻點(diǎn)聲源的發(fā)散狀。以上模擬至少可以得出的結(jié)論為：

　　1、聲波中高頻的遠(yuǎn)距離傳輸是與其垂直陣列的數(shù)量(長度)關(guān)系不大。

　　2、陣列的長度與其頻率波長相關(guān)，且影響指向性變化較大。

　　3、陣列越長其各個頻率指向性表現(xiàn)的越顯著，以至于每個頻率都會隨著陣列的長度增加表現(xiàn)各異。

　　1.3 總結(jié)：

　　1.3.1 我們原本想通過線陣得到近場衰減 3dB的柱狀聲源，增加投射距離。實(shí)際上通過加大線陣長度來獲得的柱狀聲波極為有限。柱狀聲源的形成只適合相對應(yīng)的低頻頻率，且近場距離十分有限。尤其是中高頻通過增加音箱的數(shù)量并不能得到聲壓的疊加。線陣的長度增加造成了聲源距離的增加，使得垂直指向性的減少。如果音箱之間的角度擴(kuò)大就意味著高頻的疊加損失。這是與用線性陣列來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投射的初衷相互矛盾。

　　1.3.2 我們想得到全頻段的相位重疊，獲得聲壓疊加，獲得更好的音質(zhì)。但是通過波長和陣列的關(guān)系只能得到相鄰音箱的增量耦合疊加，且線陣越長旁瓣越多，有害的干涉越多。在聲源距離大于二分之一波長后，指向性逐漸尖銳，主瓣和付瓣的關(guān)系變化明顯，主瓣逐漸減小，旁瓣增多。聲壓只是臨近音箱之間的疊加，不能構(gòu)成全部音箱的聲壓疊加，在遠(yuǎn)程表現(xiàn)為聲壓不會變大，暗區(qū)范圍增加。

　　1.3.3 由于各個頻率隨著陣列長度的增加，表現(xiàn)的完全不同。其相位、傳輸頻率特性和均勻度特性都受到了很大的影響。在覆蓋范圍內(nèi)，中低頻呈逐漸收窄的趨勢，中高頻呈現(xiàn)出狹窄的線狀聲源的趨勢，這樣就造成了在覆蓋區(qū)域內(nèi)部的相位、聲壓、頻率的不一致，也得不到很好的傳輸特性和均勻度。

　　1.3.4 線性陣列高頻的聲波導(dǎo)的傳輸過程中，其狹窄聲道造成了聲染色;其過于彎曲的通道造成了高頻的損失，需要電子方式進(jìn)行彌補(bǔ)。這樣單只音箱的高頻響應(yīng)、功率和最大聲壓受到了很大的壓縮。

　　1.3.5 由于陣列的長度的增加，多組相同的聲源在不同的距離下產(chǎn)生的疊加方式不同，干涉的旁瓣也不同，這樣就會產(chǎn)生大量難以控制的波束形態(tài)，其指向性難以控制。同時多組不同聲源由于旁瓣的產(chǎn)生也會產(chǎn)生不可預(yù)知的相互調(diào)制，影響音質(zhì)。

　　1.3.6 由于線陣的發(fā)明，解決了在大型演出的舞臺搭建困難的問題，這是非常顯著的。線陣在音箱的數(shù)量上并沒有減少很多，仍然會造成了大量的搭建和搬運(yùn)工作。

　　二、對于擴(kuò)聲解決方案的新思考

　　通過大量的國內(nèi)外一線品牌線性陣列的測量，對于線性陣列的遠(yuǎn)程傳輸效果很多人早就發(fā)生了疑問。同時上例中的 4 只音箱組成的短線陣我們可以稱作為“波長陣列”在遠(yuǎn)距離傳輸時，與長度為 24 只音箱的長陣列表現(xiàn)相近，這樣給了我們很大啟發(fā)。

　　2.1 把低頻和中高頻分為兩種解決方案。由于低頻的波長長，延續(xù)點(diǎn)聲源構(gòu)成柱狀聲源的原理，搭建成有限長度的低頻陣列，其長度不超過其 4 倍波長，這樣可以得到有效疊加又可控的柱狀波。這是符合柱狀聲源的形成原理的。

　　2.2 既然垂直線陣無法實(shí)現(xiàn)高頻的有效疊加，我們又要減少陣列數(shù)量，可以把單只揚(yáng)聲器在保證具有良好的高頻響應(yīng)的下，通過做大聲壓來確保有限距離的高頻覆蓋。并且可以組成短陣列，這樣的效果好于加長線陣的長度，在有限的陣列長度中不再追求實(shí)現(xiàn)線性聲源，卻以提高聲壓級、不均勻度和指向性能為最終目的。

　　2.3 為了獲得較大的垂直指向，需要減少陣列的長度，保證主要頻段干涉減少。單只揚(yáng)聲器在需要具有一定的垂直指向，又要保證縱向面的覆蓋。

　　2.4 采用盡可能簡單方便的吊裝方式和控制方式，讓用戶使用方便。

　　在以上 4 點(diǎn)的目標(biāo)設(shè)定下，我們進(jìn)行了方案實(shí)驗(yàn)和測量。

　　三、具體解決方案

　　3.1 單體揚(yáng)聲器的解決方案

　　突破傳統(tǒng)的線性聲源和點(diǎn)聲源的理論，由發(fā)明專利高頻聲波導(dǎo)技術(shù)和中低頻相位調(diào)整和壓縮技術(shù)的KE122主音箱完成主頻率還原(70Hz—19KHz)。充分發(fā)揮了驅(qū)動單元的高頻延展能力，做到單只音箱的全頻段都保持在良好聲學(xué)物理特性，保證了單只音箱高效率和高聲壓的設(shè)計(jì)目標(biāo)。嘗試解決了小體積大聲壓的行業(yè)難題，做到了在近似單15寸音箱的體積下，達(dá)到最大聲壓144dB。經(jīng)過物理層面的反復(fù)試驗(yàn)，KE系列遠(yuǎn)程音箱系統(tǒng)已經(jīng)找到了有效的聲波耦合方案。我們更希望可以讓系統(tǒng)簡單好用，靈活輕便。

　　通過保留線性陣列聲波導(dǎo)的相位調(diào)節(jié)和分割聲源的優(yōu)勢，采用了大型低曲率的波導(dǎo)替代了傳統(tǒng)線陣的小型波導(dǎo)。我們稱其為“3D束波聲源技術(shù)”。波導(dǎo)的開口是逐漸展開的，最終是一個大型的開口面積，這樣減少了高頻的損失，減少了彎曲聲道帶來的聲染色問題。在精確計(jì)算兩只揚(yáng)聲器的振膜延時距離后，我們直接采用兩只高頻驅(qū)動器共用一個傳輸腔體，把相位和耦合的問題一起解決。這樣就大大的增加了整體中高頻的傳輸效率，使其靈敏度達(dá)到了116dB@16Ω 1m/1w,其最大聲壓級也可以達(dá)到 144dB。

　　對于中低頻我們也采用了接近物理極限的解決方案。采用了兩只大功率的 12 寸揚(yáng)聲器單體，其非常緊密的靠近高頻的聲波導(dǎo)，以求得聲源距離的接近。同時這兩只揚(yáng)聲器的布置并非傳統(tǒng)的縱向布置，而是水平呈一定的斜角布置。加上為其精心設(shè)計(jì)的相位器使其具有非常平順的中低頻響應(yīng)的同時，提高了其靈敏度。這樣使低頻的最大聲壓也達(dá)到了144dB。整個音箱的全頻段的平均最大聲壓達(dá)到了143.6dB! 這樣的一切都是在具有水平65 度和垂直40度的指向特性，以及與傳統(tǒng)15寸音箱相近的體積大小上實(shí)現(xiàn)的。

　　3.2 實(shí)現(xiàn)簡單陣列使用

　　通過進(jìn)行戶外的測量，兩只KE122系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輻射百米左右的簡單陣列。

　　戶外實(shí)際測量結(jié)果(兩只高音相鄰放置陣列，距離地面2米，測量高度3米，聲壓的測量為1/48倍頻程，頻率的分度為3dB一格)。紅色線條是戶外環(huán)境對于音箱傳輸?shù)挠绊?。由于距離遠(yuǎn)，空氣的流動和環(huán)境的反射對于測量結(jié)果影響很大，故頻率響應(yīng)和不均勻度發(fā)生變化。其通過聲級計(jì)測量105米得到聲壓級為115dB。

　　3.3 對于大型演出可以進(jìn)行短陣列的組合

　　號角旋轉(zhuǎn)90度后，其水平和垂直的方向互換。陣列采用固定角度的夾角方式，以求在保證中高頻疊加的前提下，垂直方向有較大的覆蓋能力，同時可以在陣列的最下方懸掛一只近場覆蓋音箱，保證整體的覆蓋面積。

　　通過垂直陣列的組合，其更像接近于得到相位修正和3D束波的點(diǎn)聲源，在垂直指向性方面不會得到太大的壓縮，故其指向性較為均勻。由于縮小了陣列的長度從而減小了多級旁瓣的互調(diào)，同時相鄰揚(yáng)聲器可以實(shí)現(xiàn)高頻的疊加，其全頻段的傳輸特性得到了改善。