對于線陣列音箱的最新研究結論顛覆你的認知

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際上真的對于遠程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開討論。

　　近十幾年，線性聲源揚聲器陣列技術已經(jīng)被廣泛的應用，其替代了傳統(tǒng)的點聲源陣列成為擴聲的主力。線陣揚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《聲學工程》闡述線陣理論，而法國L-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際上真的對于遠程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開討論。

　　一 、 線性陣列 模擬實驗

　　我們采用了MEYERSOUND公司的模擬軟件MAPP進行模擬。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程各個頻率的表現(xiàn)情況。通過分析頻率響應、聲壓級、指向性來得到結果。

　　1.1 標準 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)

　　模擬結論：線陣在從低頻到中頻及高頻的各個頻段頻率響應和指向性表現(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。麥克風在100米處，高度1.2米取得聲壓和頻率響應。

　　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，實際遠場為4只音箱的陣列，最下面的-6 度為近場音箱。

　　備注：當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。為了實現(xiàn)模擬的公平性，麥克風放置在長陣列的亮區(qū)中。同時我們看到了兩個模擬結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，低頻點聲源的發(fā)散狀。以上模擬至少可以得出的結論為：

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

　　2、陣列的長度與其頻率波長相關，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：

　　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大就意味著高頻的疊加損失。這是與用線性陣列來實現(xiàn)遠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。但是通過波長和陣列的關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，不能構成全部音箱的聲壓疊加，在遠程表現(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，需要電子方式進行彌補。這樣單只音箱的高頻響應、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)生不可預知的相互調制，影響音質。

　　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工作。

　　二、對于擴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)點聲源構成柱狀聲源的原理，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，可以把單只揚聲器在保證具有良好的高頻響應的下，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 點的目標設定下，我們進行了方案實驗和測量。

　　三、具體解決方案

　　3.1 單體揚聲器的解決方案

　　突破傳統(tǒng)的線性聲源和點聲源的理論，由發(fā)明專利高頻聲波導技術和中低頻相位調整和壓縮技術的KE122主音箱完成主頻率還原(70Hz—19KHz)。充分發(fā)揮了驅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物理特性，保證了單只音箱高效率和高聲壓的設計目標。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，達到最大聲壓144dB。經(jīng)過物理層面的反復試驗，KE系列遠程音箱系統(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的相位調節(jié)和分割聲源的優(yōu)勢，采用了大型低曲率的波導替代了傳統(tǒng)線陣的小型波導。我們稱其為“3D束波聲源技術”。波導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。在精確計算兩只揚聲器的振膜延時距離后，我們直接采用兩只高頻驅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，使其靈敏度達到了116dB@16Ω 1m/1w,其最大聲壓級也可以達到 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 寸揚聲器單體，其非常緊密的靠近高頻的聲波導，以求得聲源距離的接近。同時這兩只揚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。加上為其精心設計的相位器使其具有非常平順的中低頻響應的同時，提高了其靈敏度。這樣使低頻的最大聲壓也達到了144dB。整個音箱的全頻段的平均最大聲壓達到了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現(xiàn)的。

　　3.2 實現(xiàn)簡單陣列使用

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

　　戶外實際測量結果(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，空氣的流動和環(huán)境的反射對于測量結果影響很大，故頻率響應和不均勻度發(fā)生變化。其通過聲級計測量105米得到聲壓級為115dB。

　　3.3 對于大型演出可以進行短陣列的組合

　　號角旋轉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，同時相鄰揚聲器可以實現(xiàn)高頻的疊加，其全頻段的傳輸特性得到了改善。