[转帖]列阵扬声器系统设计指南 - 音箱及分频器设计室 - 声学楼论坛

恰当设计并安装的线阵列扬声器可以提供平直的频率响应、高质量的还音效果以及很强的、可控的覆盖特性。本质上，线阵列就是从不同的驱动器发出的相同输出信号，在整个覆盖区域内满足“同相”的要求。这听起来可能很简单，但要实现这样的技术参数绝不是一件简单的事。了解线阵列的基本原理是重要的，因为这可以帮助你更好的运用这种设备。线阵列的确可以表现出完美的声音，但这只有在彻底的了解和正确的配置以后才行。

　　首先要了解它的基本概念。大家知道声音是在空气中传播的周期性变化的波。换句话说，声音在空气中传播，而空气本身并不产生移动。因此，在讨论声输出时，所有表述声音是“空气移动”的观点都是错误的。这是很重要的一个特点。

　　另一个要了解的基本概念是“断点频率”。在此频率之上，可以通过控制辐射体的度数(在本文中，就是线阵列的度数)来控制它的指向性。

　　断点频率与扬声器长度和辐射角度成反比。断点频率的公式(如下）是适用于所有扬声器的一个基本概念。对于线性阵列，音频专业人员可以借此估算线阵列的尺寸以及指向性可控的起始频率。

　　BF ＝ 24,000/Φ*Is
　　其中：Φ表示-6dB所对应的扬声器覆盖角度
　　Is表示线阵列的长度，单位：米

喇叭和线阵列
　　为了更好的了解断点公式，想象一下把线阵列中取出一段作为单个扬声器模型。每个线阵列喇叭的覆盖限制都取决于频率。单个喇叭在低频上是没有指向性的；频率指向性取决于辐射元件的尺寸。这些喇叭通过可调整的垂直张角组合在一起，箱体的范围就可以直接决定线阵列的效果。

　　例如，一个典型的（经过适当设计的）喇叭在6kHz可以确保20度的垂直覆盖，而在12kHz就只能覆盖到一半了。这只随着频率的变化而改变，也称为垂直覆盖的“单调收缩”。所以如果我们知道线阵列的长度，就可以根据断点公式中的频率很容易的计算出垂直面上的-6dB覆盖角。相对的，知道了- 6dB覆盖角以及对应的频率，我们就能够算出其他频率下的覆盖角度。

　　Φ-6=24000/fl
　　其中：Φ-6=-6dB对应的覆盖角(单位：度)
　　F=频率(单位：赫兹)
　　l=线阵列片段长度(单位：米)

线阵列的类型
　　线阵列有两种组合方式：直线型和曲线形。直线型表现了“纯粹的”线阵列特性，但是在实际使用中，必须进行弯曲以满足高频的覆盖要求。以下是几种常用的线型结构：

　　直线排列（图1）：这种排列下，垂直覆盖范围是单调收缩的——线阵列越长，覆盖角越小。因此，直线排列具有非常窄的高频垂直辐射宽度，投射的距离与频率大小以及阵列长度是成正比的。这一排列是“最佳听音位置”以及远声场之间声音最一致的阵列。不过因为远处的高频覆盖太窄并且难以控制，所以很少在实际中被采用。


图 1	图 2

　　弓形（恒定半径曲线）排列（图2）：将排列以一个恒定的半径进行弯曲，可以得到一致的指向性，但将削弱声音的相干性。“相干性”应该理解为一种“相干”的状态。相干，根据定义，是指具有相似的指向、大小和相位这三个条件的声波。

　　许多情况下，使用的弓形曲线都经过了折中处理。例如：一个八只喇叭组成的线阵列，每只喇叭之间张角为1度，那么它总的垂直覆盖角度大约为7度。因此，对于断点频率之上所有频谱的指向性，这种排列会有恒定的指向特性。

　　同时，微小的张角同样意味着良好的相干性。如果两个喇叭之间的张角增大到5度，垂直覆盖角就增大到35度，这时指向性仍然不变，但相干性就会减弱。原因很简单：弯曲的程度越大，远处听音者所听到的喇叭就越少，在一个特定的听音轴向上，各个喇叭的输出就有延时，于是相干性就减少了。因此，任何过于极端的曲线都是不可取的。最好是通过移动扬声器的位置并采用较平和的曲线来得到想要的覆盖角度。

J形线（图3）：线阵列的使用者们最早发现直线型在靠近舞台处无法提供足够的高频声音，所以他们就让阵列下方的喇叭指向下方。这在阵列中产生了一个 “突变”，事实上这样使得阵列不能很好的组合，导致了阵列的分离。指向性也受到了影响。一些使用者尝试通过应用分离的信号处理来适应各种区域以“纠正”这种情况，但是无法修正在两个不同的排列部分之间的转变所造成的中断。


图 3	图 4

　　渐开线（图4）：渐开线是J型线的一种改进型。改变喇叭的张角来除去J型线中生硬的中断。渐开线提供了恒定的指向性和一致的覆盖角，而且总的覆盖角相当于各个张角之和。在垂直方向上，从线阵列底部的指向到顶部的指向，渐开线的转变是平稳的。

覆盖性与相干性
　　影响线阵列位置和配置的选择的最主要因素是覆盖性和相干性。在图5中，显示了一个吊挂在顶部的渐开型阵列，到最近和最远听众的距离是差不多相等的。那么在扬声器覆盖范围内前后方的声压级和频率响应就差不多也是一致的。因为垂直覆盖角度很宽，所以对于绝大部分听众来说，直达声和混响声的比例也是一致的。

图 5

　　但是从声音的角度来看，这个位置是不自然的。因为这个声音的“定位”不是声源的实际位置，它可能会使人们的注意力离开舞台上正在进行的表演。一个解决的好办法是在舞台前方增加扬声器，就可以把声像从最靠近舞台的观众的头顶来回到舞台上来。

　　现在来看图6，这个阵列的位置要低得多，各个喇叭的张角也小得多。在前后区的声压级更加平衡，频响也更平直，直达声和混响声的比例也得到了改善。这种情况使得听音场地本身的声能控制更加方便，引起反射的空间也更少。

图 6

　　在室外工作时，这种方法也减少了空气的影响。阵列形状中的曲线越少，声音受到风和温度的影响就越小。这是什么呢？因为声音是在一个很宽的范围内辐射的，声波在传播过程中会在不同温度和风速的交界处发生折射和“弯曲”现象。所以当增大垂直辐射角度时，就增大了声音在空气中的传输范围，就更容易受到温度的影响。

近场VS.远场
　　在近场和远场时，线阵列的作用是完全两样的。近场是一个干涉场，当两个线阵列靠近时，损失的频率成分就越来越多。这些损失的增大甚至会影响到同一水平轴。

　　图7显示了选取一条阵列上的八个喇叭以及近场的四个不同点所建的模型。在距离最远的“D”点，响应是相对平坦的。但是，在靠近阵列时，高频就开始衰减，因为测试点受到边上声源的影响。在最近的“A”点，只有两个喇叭的高频才能覆盖到这个测试点，而低频却是所有的喇叭都能覆盖到。所以低于 100Hz的频率，远场和近场基本一致，但是当频率升高时，远场的频响会飞快的增大。

图7：中图A点，下图D点

　　因此这个阵列的所有远场有效区域是听音者能够听到全部阵列输出的所有频率的点的集合。由此又可以得到很简单的一点：你距离线阵列越近，你所听到的高频就越少，这就导致了频响的不平衡。这就是在室内做混音时不能坐在近场的原因——这里所听到阵列发出的声音肯定是不正确的。

图 8

　　可以通过线阵列的频率因素比较电平衰减和距离。图8以三个频率：100Hz、1kHz以及10kHz显示了这一点。（注意本图已经标准化以说明在100米远处电平的差异）本图清楚的显示了当声音的频率改变时电平所发生的变化。

图9：组成线阵列的喇叭数，上线为8个，中线为4个，下线为2个

　　从另一个角度来看，图9描述了不同长度的直线性阵列在8kHz时的不同数据。如果把一格标准化为1米，就可以很方便得看到在远场处高频输出的巨大差别。远场的距离与频率以及阵列的长度是成正比的。下面是这个公式表示的是直线型阵列，但也可以用于计算带有弧度的阵列到远场位置的距离：

DF=fl2/700
　　其中：DF表示到远场的距离(单位：米)
　　f表示频率(单位：Hz)
　　l表示线阵列扬声器的长度(单位：米)

　　另外一个需要考虑的因素是喇叭之间的交叠。在图10中，注意这一串阵列之间的交叠。在底部的喇叭之间交叠部分很少，在某些频率上，会使得只有个别喇叭发声。

图 10

　　曲线锐利的阵列每个喇叭的边缘在高频覆盖上就可能碰到这些问题，但是，因为曲线本身会有保护所以这些问题并不会一起出现。同时，直线型和高曲度型阵列在频响的平衡中会有相当多的不同点。

　　这种情况下一般的解决方法是把底部喇叭分开进行处理，但必须非常小心。喇叭与喇叭之间是逐渐变化的，但是趋向是用同样的处理使所有的喇叭达到同样的工作状态。空气也是一种因素，空气对高频的吸收会减轻远场用喇叭和近场用喇叭在高频平衡上的一些不同之处。

　　显然，有许多能直接使覆盖均匀并相干的因素，和频谱的平衡——远场和近场中都要平衡——所以所有环节都要仔细的进行考虑。

衰减VS.距离
　　图11比较了直线型阵列和弓形阵列载4kHz处的频响。直线阵列长5米，弓形阵列采用45度、半径8米的弓形，总长也是5米。我们看到直线型阵列在远场时距离每增大一倍电平衰减6dB，而在之前距离每增大一倍电平衰减3dB的区域产生了柱状滤波效应。

图 11

　　另一方面，弓形阵列极少产生梳状滤波效应，它的转折也更加柔和。

　　我们再来看图12，这里比较了三种不同的阵列（分别由两个喇叭、四个喇叭和八个喇叭所组成），阵列内喇叭的张角保持一致（7.5度）。因此，这三个阵列的角度分别为15度、30度和60度。注意比较三种阵列中距离变化所对应的衰减量。在40米远的测量点，弓形阵列在每倍距离衰减3dB到每倍距离衰减6dB之间的转折是非常连贯的。

图 12

线阵列的校正
　　最基本的理解来看，“校正”线阵列扬声器就是指运用物理或电子的方法，形成或调整一个阵列的有效覆盖区以使其满足特定的听音需求。有好几种方法可以校正线阵列：

　　1、分散校正是用来调节各喇叭之间的张角

　　2、放大校正是用来调节喇叭的电平

　　3、有效的延时校正可以改变线阵列的虚拟形状

　　所有这些方法在使用时都有所限制。多元补偿（也就是在每个喇叭上用不同的补偿）同样也是一种放大校正的形式，不过却是基于频率的方法。

　　分散校正大概是最可靠的校正方法。一般来说，直接指向听音者的喇叭不用尝试电子方式控制输出，导致了最好主观听觉感受——除了诸如温度梯度和相对湿度等环境因素造成的小小的影响，这些因素可能对高频产生很大的影响。

　　延时校正可以很好地调整被单个喇叭的垂直覆盖范围所限制的频率段。想象一下你要进行延时校正的阵列中的喇叭的最大垂直覆盖角为40度。另外，你还想把这个喇叭的输出减小30度。也就是说你希望通过延迟输入信号来使线阵列提供的有效输出在其覆盖界限以下10度。事实上延时校正不能超出设备固有的有效区域。

　　放大校正，基本上是用来处理已经做好分散校正的线阵列。换句话来说，线阵列的形状已经调整好了，需要做更进一步、更好的调整。

　　对于直线阵列，可以通过削弱用于最远处的喇叭来改进（或者加宽）高频部分的极坐标响应，但同时，这也就减小了整个线阵列的总辐射能量。因此，所得到的极坐标图还是取决于高频输出的性能。

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