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| 列陣揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南 |
| 發(fā)布時(shí)間：2017-7-24 15:18:06 |
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列陣揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南
恰當(dāng)設(shè)計(jì)并安裝的線陣列揚(yáng)聲器可以提供平直的頻率響應(yīng)、高質(zhì)量的還音效果以及很強(qiáng)的、可控的覆蓋特性。本質(zhì)上，線陣列就是從不同的驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的相同輸出信號(hào)，在整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)滿足“同相”的要求。這聽(tīng)起來(lái)可能很簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)參數(shù)絕不是一件簡(jiǎn)單的事。了解線陣列的基本原理是重要的，因?yàn)檫@可以幫助你更好的運(yùn)用這種設(shè)備。線陣列的確可以表現(xiàn)出完美的聲音，但這只有在徹底的了解和正確的配置以后才行。
首先要了解它的基本概念。大家知道聲音是在空氣中傳播的周期性變化的波。換句話說(shuō)，聲音在空氣中傳播，而空氣本身并不產(chǎn)生移動(dòng)。因此，在討論聲輸出時(shí)，所有表述聲音是“空氣移動(dòng)”的觀點(diǎn)都是錯(cuò)誤的。這是很重要的一個(gè)特點(diǎn)。
另一個(gè)要了解的基本概念是“斷點(diǎn)頻率”。在此頻率之上，可以通過(guò)控制輻射體的度數(shù)(在本文中，就是線陣列的度數(shù))來(lái)控制它的指向性。
斷點(diǎn)頻率與揚(yáng)聲器長(zhǎng)度和輻射角度成反比。斷點(diǎn)頻率的公式(如下）是適用于所有揚(yáng)聲器的一個(gè)基本概念。對(duì)于線性陣列，音頻專業(yè)人員可以借此估算線陣列的尺寸以及指向性可控的起始頻率。
喇叭和線陣列
為了更好的了解斷點(diǎn)公式，想象一下把線陣列中取出一段作為單個(gè)揚(yáng)聲器模型。每個(gè)線陣列喇叭的覆蓋限制都取決于頻率。單個(gè)喇叭在低頻上是沒(méi)有指向性的；頻率指向性取決于輻射元件的尺寸。這些喇叭通過(guò)可調(diào)整的垂直張角組合在一起，箱體的范圍就可以直接決定線陣列的效果。
例如，一個(gè)典型的（經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的）喇叭在6kHz可以確保20度的垂直覆蓋，而在12kHz就只能覆蓋到一半了。這只隨著頻率的變化而改變，也稱為垂直覆蓋的“單調(diào)收縮”。所以如果我們知道線陣列的長(zhǎng)度，就可以根據(jù)斷點(diǎn)公式中的頻率很容易的計(jì)算出垂直面上的-6dB覆蓋角。相對(duì)的，知道了-6dB覆蓋角以及對(duì)應(yīng)的頻率，我們就能夠算出其他頻率下的覆蓋角度。
Φ-6=24000/fl
其中：Φ-6=-6dB對(duì)應(yīng)的覆蓋角(單位：度)
F=頻率(單位：赫茲)
l=線陣列片段長(zhǎng)度(單位：米)
線陣列的類型
線陣列有兩種組合方式：直線型和曲線形。直線型表現(xiàn)了“純粹的”線陣列特性，但是在實(shí)際使用中，必須進(jìn)行彎曲以滿足高頻的覆蓋要求。以下是幾種常用的線型結(jié)構(gòu)：
直線排列（圖1）：這種排列下，垂直覆蓋范圍是單調(diào)收縮的——線陣列越長(zhǎng)，覆蓋角越小。因此，直線排列具有非常窄的高頻垂直輻射寬度，投射的距離與頻率大小以及陣列長(zhǎng)度是成正比的。這一排列是“最佳聽(tīng)音位置”以及遠(yuǎn)聲場(chǎng)之間聲音最一致的陣列。不過(guò)因?yàn)檫h(yuǎn)處的高頻覆蓋太窄并且難以控制，所以很少在實(shí)際中被采用。
弓形（恒定半徑曲線）排列（圖2）：將排列以一個(gè)恒定的半徑進(jìn)行彎曲，可以得到一致的指向性，但將削弱聲音的相干性。“相干性”應(yīng)該理解為一種“相干”的狀態(tài)。相干，根據(jù)定義，是指具有相似的指向、大小和相位這三個(gè)條件的聲波。
許多情況下，使用的弓形曲線都經(jīng)過(guò)了折中處理。例如：一個(gè)八只喇叭組成的線陣列，每只喇叭之間張角為1度，那么它總的垂直覆蓋角度大約為7度。因此，對(duì)于斷點(diǎn)頻率之上所有頻譜的指向性，這種排列會(huì)有恒定的指向特性。
同時(shí)，微小的張角同樣意味著良好的相干性。如果兩個(gè)喇叭之間的張角增大到5度，垂直覆蓋角就增大到35度，這時(shí)指向性仍然不變，但相干性就會(huì)減弱。原因很簡(jiǎn)單：彎曲的程度越大，遠(yuǎn)處聽(tīng)音者所聽(tīng)到的喇叭就越少，在一個(gè)特定的聽(tīng)音軸向上，各個(gè)喇叭的輸出就有延時(shí)，于是相干性就減少了。因此，任何過(guò)于極端的曲線都是不可取的。最好是通過(guò)移動(dòng)揚(yáng)聲器的位置并采用較平和的曲線來(lái)得到想要的覆蓋角度。
J形線（圖3）：線陣列的使用者們最早發(fā)現(xiàn)直線型在靠近舞臺(tái)處無(wú)法提供足夠的高頻聲音，所以他們就讓陣列下方的喇叭指向下方。這在陣列中產(chǎn)生了一個(gè)“突變”，事實(shí)上這樣使得陣列不能很好的組合，導(dǎo)致了陣列的分離。指向性也受到了影響。一些使用者嘗試通過(guò)應(yīng)用分離的信號(hào)處理來(lái)適應(yīng)各種區(qū)域以“糾正”這種情況，但是無(wú)法修正在兩個(gè)不同的排列部分之間的轉(zhuǎn)變所造成的中斷。
漸開(kāi)線（圖4）：漸開(kāi)線是J型線的一種改進(jìn)型。改變喇叭的張角來(lái)除去J型線中生硬的中斷。漸開(kāi)線提供了恒定的指向性和一致的覆蓋角，而且總的覆蓋角相當(dāng)于各個(gè)張角之和。在垂直方向上，從線陣列底部的指向到頂部的指向，漸開(kāi)線的轉(zhuǎn)變是平穩(wěn)的。
覆蓋性與相干性
影響線陣列位置和配置的選擇的最主要因素是覆蓋性和相干性。在圖5中，顯示了一個(gè)吊掛在頂部的漸開(kāi)型陣列，到最近和最遠(yuǎn)聽(tīng)眾的距離是差不多相等的。那么在揚(yáng)聲器覆蓋范圍內(nèi)前后方的聲壓級(jí)和頻率響應(yīng)就差不多也是一致的。因?yàn)榇怪备采w角度很寬，所以對(duì)于絕大部分聽(tīng)眾來(lái)說(shuō)，直達(dá)聲和混響聲的比例也是一致的。
但是從聲音的角度來(lái)看，這個(gè)位置是不自然的。因?yàn)檫@個(gè)聲音的“定位”不是聲源的實(shí)際位置，它可能會(huì)使人們的注意力離開(kāi)舞臺(tái)上正在進(jìn)行的表演。一個(gè)解決的好辦法是在舞臺(tái)前方增加揚(yáng)聲器，就可以把聲像從最靠近舞臺(tái)的觀眾的頭頂來(lái)回到舞臺(tái)上來(lái)。
現(xiàn)在來(lái)看圖6，這個(gè)陣列的位置要低得多，各個(gè)喇叭的張角也小得多。在前后區(qū)的聲壓級(jí)更加平衡，頻響也更平直，直達(dá)聲和混響聲的比例也得到了改善。這種情況使得聽(tīng)音場(chǎng)地本身的聲能控制更加方便，引起反射的空間也更少。
在室外工作時(shí)，這種方法也減少了空氣的影響。陣列形狀中的曲線越少，聲音受到風(fēng)和溫度的影響就越小。這是什么呢？因?yàn)槁曇羰窃谝粋€(gè)很寬的范圍內(nèi)輻射的，聲波在傳播過(guò)程中會(huì)在不同溫度和風(fēng)速的交界處發(fā)生折射和“彎曲”現(xiàn)象。所以當(dāng)增大垂直輻射角度時(shí)，就增大了聲音在空氣中的傳輸范圍，就更容易受到溫度的影響。
近場(chǎng)VS.遠(yuǎn)場(chǎng)
在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，線陣列的作用是完全兩樣的。近場(chǎng)是一個(gè)干涉場(chǎng)，當(dāng)兩個(gè)線陣列靠近時(shí)，損失的頻率成分就越來(lái)越多。這些損失的增大甚至?xí)绊懙酵凰捷S。
圖7顯示了選取一條陣列上的八個(gè)喇叭以及近場(chǎng)的四個(gè)不同點(diǎn)所建的模型。在距離最遠(yuǎn)的“D”點(diǎn)，響應(yīng)是相對(duì)平坦的。但是，在靠近陣列時(shí)，高頻就開(kāi)始衰減，因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)受到邊上聲源的影響。在最近的“A”點(diǎn)，只有兩個(gè)喇叭的高頻才能覆蓋到這個(gè)測(cè)試點(diǎn)，而低頻卻是所有的喇叭都能覆蓋到。所以低于100Hz的頻率，遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)基本一致，但是當(dāng)頻率升高時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)的頻響會(huì)飛快的增大。
圖7：中圖A點(diǎn)，下圖D點(diǎn)
因此這個(gè)陣列的所有遠(yuǎn)場(chǎng)有效區(qū)域是聽(tīng)音者能夠聽(tīng)到全部陣列輸出的所有頻率的點(diǎn)的集合。由此又可以得到很簡(jiǎn)單的一點(diǎn)：你距離線陣列越近，你所聽(tīng)到的高頻就越少，這就導(dǎo)致了頻響的不平衡。這就是在室內(nèi)做混音時(shí)不能坐在近場(chǎng)的原因——這里所聽(tīng)到陣列發(fā)出的聲音肯定是不正確的。
可以通過(guò)線陣列的頻率因素比較電平衰減和距離。圖8以三個(gè)頻率：100Hz、1kHz以及10kHz顯示了這一點(diǎn)。（注意本圖已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以說(shuō)明在100米遠(yuǎn)處電平的差異）本圖清楚的顯示了當(dāng)聲音的頻率改變時(shí)電平所發(fā)生的變化。
圖9：組成線陣列的喇叭數(shù)，上線為8個(gè)，中線為4個(gè)，下線為2個(gè)
從另一個(gè)角度來(lái)看，圖9描述了不同長(zhǎng)度的直線性陣列在8kHz時(shí)的不同數(shù)據(jù)。如果把一格標(biāo)準(zhǔn)化為1米，就可以很方便得看到在遠(yuǎn)場(chǎng)處高頻輸出的巨大差別。遠(yuǎn)場(chǎng)的距離與頻率以及陣列的長(zhǎng)度是成正比的。下面是這個(gè)公式表示的是直線型陣列，但也可以用于計(jì)算帶有弧度的陣列到遠(yuǎn)場(chǎng)位置的距離：
DF=fl2/700
其中：DF表示到遠(yuǎn)場(chǎng)的距離(單位：米)
f表示頻率(單位：Hz)
l表示線陣列揚(yáng)聲器的長(zhǎng)度(單位：米)
另外一個(gè)需要考慮的因素是喇叭之間的交疊。在圖10中，注意這一串陣列之間的交疊。在底部的喇叭之間交疊部分很少，在某些頻率上，會(huì)使得只有個(gè)別喇叭發(fā)聲。
曲線銳利的陣列每個(gè)喇叭的邊緣在高頻覆蓋上就可能碰到這些問(wèn)題，但是，因?yàn)榍€本身會(huì)有保護(hù)所以這些問(wèn)題并不會(huì)一起出現(xiàn)。同時(shí)，直線型和高曲度型陣列在頻響的平衡中會(huì)有相當(dāng)多的不同點(diǎn)。
這種情況下一般的解決方法是把底部喇叭分開(kāi)進(jìn)行處理，但必須非常小心。喇叭與喇叭之間是逐漸變化的，但是趨向是用同樣的處理使所有的喇叭達(dá)到同樣的工作狀態(tài)?？諝庖彩且环N因素，空氣對(duì)高頻的吸收會(huì)減輕遠(yuǎn)場(chǎng)用喇叭和近場(chǎng)用喇叭在高頻平衡上的一些不同之處。
顯然，有許多能直接使覆蓋均勻并相干的因素，和頻譜的平衡——遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)中都要平衡——所以所有環(huán)節(jié)都要仔細(xì)的進(jìn)行考慮。
衰減VS.距離
圖11比較了直線型陣列和弓形陣列載4kHz處的頻響。直線陣列長(zhǎng)5米，弓形陣列采用45度、半徑8米的弓形，總長(zhǎng)也是5米。我們看到直線型陣列在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)距離每增大一倍電平衰減6dB，而在之前距離每增大一倍電平衰減3dB的區(qū)域產(chǎn)生了柱狀濾波效應(yīng)。
另一方面，弓形陣列極少產(chǎn)生梳狀濾波效應(yīng)，它的轉(zhuǎn)折也更加柔和。
我們?cè)賮?lái)看圖12，這里比較了三種不同的陣列（分別由兩個(gè)喇叭、四個(gè)喇叭和八個(gè)喇叭所組成），陣列內(nèi)喇叭的張角保持一致（7.5度）。因此，這三個(gè)陣列的角度分別為15度、30度和60度。注意比較三種陣列中距離變化所對(duì)應(yīng)的衰減量。在40米遠(yuǎn)的測(cè)量點(diǎn)，弓形陣列在每倍距離衰減3dB到每倍距離衰減6dB之間的轉(zhuǎn)折是非常連貫的。
線陣列的校正
最基本的理解來(lái)看，“校正”線陣列揚(yáng)聲器就是指運(yùn)用物理或電子的方法，形成或調(diào)整一個(gè)陣列的有效覆蓋區(qū)以使其滿足特定的聽(tīng)音需求。有好幾種方法可以校正線陣列：
1、分散校正是用來(lái)調(diào)節(jié)各喇叭之間的張角
2、放大校正是用來(lái)調(diào)節(jié)喇叭的電平
3、有效的延時(shí)校正可以改變線陣列的虛擬形狀
所有這些方法在使用時(shí)都有所限制。多元補(bǔ)償（也就是在每個(gè)喇叭上用不同的補(bǔ)償）同樣也是一種放大校正的形式，不過(guò)卻是基于頻率的方法。
分散校正大概是最可靠的校正方法。一般來(lái)說(shuō)，直接指向聽(tīng)音者的喇叭不用嘗試電子方式控制輸出，導(dǎo)致了最好主觀聽(tīng)覺(jué)感受——除了諸如溫度梯度和相對(duì)濕度等環(huán)境因素造成的小小的影響，這些因素可能對(duì)高頻產(chǎn)生很大的影響。
延時(shí)校正可以很好地調(diào)整被單個(gè)喇叭的垂直覆蓋范圍所限制的頻率段。想象一下你要進(jìn)行延時(shí)校正的陣列中的喇叭的最大垂直覆蓋角為40度。另外，你還想把這個(gè)喇叭的輸出減小30度。也就是說(shuō)你希望通過(guò)延遲輸入信號(hào)來(lái)使線陣列提供的有效輸出在其覆蓋界限以下10度。事實(shí)上延時(shí)校正不能超出設(shè)備固有的有效區(qū)域。
放大校正，基本上是用來(lái)處理已經(jīng)做好分散校正的線陣列。換句話來(lái)說(shuō)，線陣列的形狀已經(jīng)調(diào)整好了，需要做更進(jìn)一步、更好的調(diào)整。
對(duì)于直線陣列，可以通過(guò)削弱用于最遠(yuǎn)處的喇叭來(lái)改進(jìn)（或者加寬）高頻部分的極坐標(biāo)響應(yīng)，但同時(shí)，這也就減小了整個(gè)線陣列的總輻射能量。因此，所得到的極坐標(biāo)圖還是取決于高頻輸出的性能。
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