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不要误导线阵列扬声器系统的应用

信息产业部电视电声研究所教授级高级工程师王福津
〖摘要〗本文针对近一段时间以来,线阵列扬声器系统在应用方面所出现的一些误导的现象,应如何正确理解和把握其中的一些基本问题在此作了简要地讨论。
〖关键词〗线阵列、线声源、圆柱形波阵面、声场控制、声干涉、梳状滤波。
自二十世纪九十年代以来,扬声器产品大家族中又增加了一个新的成员《线阵列扬声器系统》。在使用中如果配置适当，线阵列扬声器系统在宽带范围内可以提供一个平滑的水平覆盖,以及一个“可控”的并具有很强的垂直指向特性。同时它可提供高声压级，适合于大场地远距离供声。特别是线阵列扬声器系统在现场安装、吊挂方便，这些显而易见的优异性能在现代的大型流动演出中深受使用者的喜爱。然而也要看到近一段时间以来,线阵列扬声器系统在应用方面,出现了一些误导的现象。主要表现为：
1.有些扬声器制造厂商在推介自身产品的特点时不够严谨，使人感到有商业性之嫌；
2.有的演出单位在刊物上介绍体育场、广场使用线阵列扬声器系统的体会时,有的论据不够准确,例如“线阵列扬声器系统的传输特性与常规的系统不同,它的自由行程距离每增加一倍声音只衰减 3dB。在200 米处的远场扩声声压级比常规扬声器系统会高出20dB 以上------”。
3.有些工程公司在一些剧院项目中,给业主方拟制的扩声系统方案中推介使用了线阵列扬声器系统，如果在建筑、室内装修等方面条件允许的情况下或许是一个不错的方案。问题是仅以使用了线阵列扬声器系统，就称之为“代表了系统的先进性”的提法值得商榷。
至于有些文章在介绍线阵列扬声器系统时,过于“理想化”或更多的阐述理论上推演的结果,并未有针对性的指出推演结果的近似条件和实际使用中的近似性,容易使一些读者误把“理想的线阵列”与“实际的线阵列扬声器系统”相等同。需要指出的是，线阵列在理论上推演出的结果与线阵列扬声器系统的特性之间在实际应用中会有较大的距离，但是理论上的阐述和推演出的结论，对于我们正确理解、认识和把握线阵列扬声器系统的应用是有帮助的。
一.线阵列扬声器系统的提出
以往为了解决大场地，如大型体育馆、体育场和广场扩声的需要，常采用几十只或上百只音箱组成大型的“音箱阵”或“音墙”来满足场地扩声声压级和声场覆盖的要求。这种方式延用了许多年直至今天还有使用，随着时间的延续组阵的单元音箱在不断地进步与更替。后来人们逐渐发现，这种传统的组阵方式虽然在总体上可以满足大场地扩声的需要，但是有两个最突出的问题显露出来。一是大型组阵现场搭建繁杂使用不便；二是扩声声场存在有明显的声干涉。
显然这些问题的存在对某些使用场合，特别是对重放音质要求高的场所将不能满足使用要求。为了能解决这些问题，近十几年来声学家和扬声器厂商又开始“重温” 美国著名声学家H.F奥尔森(Olson)在1957 年出版的《声学工程》(Acousticalngineering)一书中关于线阵列的论述,即“线阵列系统具有良好的垂直指向性覆盖和远距离声辐射的特点”。但是如何能完成宽音域声音的重放?只有伴随扬声器新技术、新的设计与加工工艺的进步才能得以实现。法国L-ACOUSTICS 公司于1993 年首先推出了V-DOSC 系统，在随后的几年里国际上一些著名的扬声器生产厂商也陆续推出了各自品牌的线阵列扬声器系统，自2002 年国内以锐丰音响公司为代表的一些国内扬声器生产厂商,也相继研发出自己的线阵列扬声器系统。
二.什么是线阵列扬声器系统
简单来说,可以把线阵列扬声器系统看成是一个“大型的全频扬声器”，它是借助线阵列（Line Array）的基本理论，在一定条件下予以近似而开发出的扬声器系统。需要注意的是,不能简单地把“线阵列”等同于实际的线阵列扬声器系统。线阵列基本上是由一组排列成直线，间隔紧密的辐射单元构成，这些辐射单元的声辐射应具有相同的振幅和相位。
1.形成线阵列的基本条件
线阵列要实现一个近似理想的“线声源”或“连续带状声源”其基本点是:
(1).阵列的每个声辐射器以一个同相位平面形波阵面工作
(2).阵列的声辐射器它们的声中心之间的间距应小于最高辐射频率波长的一半
2. 从线阵列理论出发,实际的线阵列系统只是低中频的线阵列。随着频率的增高(即波长的减小)需要辐射器的尺寸更小,间距更紧密来保持系统的指向性(即必须满足上述“声中心之间的间距应小于最高辐射频率波长的一半”的条件)。因而实际的办法是，高频部分采用高指向性的带有“波导号角”的驱动器来配合中低频单元。这样一种“组合方式”可以在宽频带内恒定地保持窄的垂直指向性。
3.线阵列扬声器系统与传统组阵系统的主要区别传统组阵的单元音箱是通用型产品，它即可以用于组阵也可以单独使用。而线阵列扬声器系统的单元音箱是根据线阵列的要求，专门研发的单元产品不能单独使用，这是两者在形式上
的区别。如果就扩声声场而言，传统组阵虽在物理尺度上能够很好的组合在一起，但是系统的声辐射图形(如指向性、频率特性)是很难控制的。因而会造成观众区声场不均匀，特别是扩声声场会出现明显的声干涉。这些会给扩声质量带来负面效果，或许说这是传统组阵在扩声应用中最“致命”的缺陷。线阵列扬声器系统保持了传统组阵可提供大声压级和远距离供声的特点，而声辐射图形容易控制，它的水平覆盖取决于单元音箱，垂直覆盖(或角度)是由单元音箱的数量和音箱间吊挂的角度来确定的。线阵列扬声器系统具有良好的指向特性，供声声场均匀，声场的声干涉也小，因而有利于提高扩声质量。此外，各种品牌的线阵列扬声器系统都能提供各自专门的吊挂机构，系统现场安装吊挂非常方便，这也是传统组阵所不能比的。
三.关于线阵列扬声器系统在近区与远区的声场覆盖
通常的线阵列扬声器系统上方大部分呈直线排列,提供较远听众区域的供声。阵列下方向内略弯曲呈J 字形，对较近听众区实现较宽展角的声场覆盖。线阵列扬声器系统对远距离供声具有明显的优越性，因为对于远区所有的阵列辐射单元作为一个整体共同起作用，阵列辐射单元(或箱体单元)的数量每增加一倍,声压级相应增加6dB。
理论上一个无限长的阵列才能形成圆柱形波阵面(即柱面波),对于通常仅有几米长的线阵列扬声器系统的声辐射不可能形成完整的、理想的柱面波。实际的线阵列扬声器系统在一定范围内,也会表现出有近场声压级衰减3dB 的区域,这是因为线阵列扬声器系统依照线阵列的基本理论在一定条件下的“近似性”所带来的结果。
线阵列对于近场与远场声辐射的声衰减是不一样的，当离开声源的距离以倍增时,近场的声压衰减为3dB，而远场声波呈球面波辐射,此时每增加一倍距离声压衰减为6dB。在远近场的交汇点距阵列的距离我们暂且称做“交汇距离” D,它是线阵列长度和信号频率的函数。可以用下面的关系式来表示：
D＝L2 ×f/2×340
式中，L 为线阵列的总长度,f 是信号频率,340 是声波在空气中的平均传播速度(米/秒)为常数项。对于线阵列扬声器系统声波辐射的衰变过程,不能简单地“套用”上面的公式进行计算。正如赵其昌先生在他撰写的文章“线阵列的柱面波及其发散”[12]一文中,对柱面波发散的问题进行了严格的数学推导,并指出了应用计算公式的适用条件,上面的计算式“只是对柱面波源适用”；“计算公式, 对线阵列的认识和使用或许有参考价值”。所以不能笼统地说，“线阵列扬声器系统供声的优越性就在于，当离开声源之距离以倍增时声压的衰减为 3dB------”。在线阵列扬声器系统的应用中要全面理解线阵列扬声器系统的基本特性，即它能提供高声压输出、辐射距离远、指向性可控以及覆盖的声场较均匀等。
四.线阵列扬声器系统均衡的必要性
从前面的计算式可以看出，线阵列要扩大近场的范围就必需增大阵列的长度。一般来说，高频信号会比低频信号传播的更远。这是根据计算式计算出的理想数据，实际情况是，由于大气中的声吸收会带来信号传播过程高频衰减的更快，因而高频不可能“永恒”维持在每增加一倍距离声压衰减3dB 的数值上，有可能是衰减6dB 或更多。依照线阵列的理论,美国Meyer Sound 公司曾经用计算机做过如下的计算,以贝赛尔函数模拟一组由100 个口径为一英寸的扬声器,其间隔距离也是一英寸组成的线阵列,该阵列从125Hz～16kHz 的声辐射在空气中传播声压衰减的数值(dB)随距离变化,见下表:
频率/距离 2m 4m 8m 16m 32m 64m 128m 256m
125Hz 0 5.5 11 17 23 29 35 41
250Hz 0 5 11 17 23 29 35 41
500Hz 0 2.3 7.2 13 19 25 31 37
计入空气吸收 38
1kHz 0 1.3 3.2 8.2 14 20 26 32
计入空气吸收 15 21 28 35
2kHz 0 3 5.2 7 12 18 24 30
计入空气吸收 8 13 21 29 41
4KHz 0 2.7 6.3 9 11 16 21 27
计入空气吸收 3.1 7.1 11 14 23 35 59
8kHz 0 2.8 5 8.6 11 13 18 24
计入空气吸收 3.5 6 12 17 25 42 72
16kHz 0 3.1 6.6 8.2 12 14 16 21
计入空气吸收 4.1 8.6 12 20 33 49 88
以3dB 倍数增加 0 3 6 9 12 15 18 21
以6dB 倍数增加 0 6 12 18 24 30 36 42
该表是参照美国ANSI 标准，采用环境温度为200C，相对湿度是11％条件下计算的结果。从表中可以看出:
1．在不计入空气吸收的情况下,250Hz 以下的低频段距离每增加一倍,声压衰减6dB。2kHz以上的高频段在一定距离内，距离每增加一倍,声压衰减3dB，频率越高延伸的距离越远；
2．当计入空气吸收的情况下, 2kHz 以上的高频段不再满足距离每增加一倍,声压衰减3dB而更接近衰减6dB，频率越高衰减得越快延伸的距离也越近。
同样线阵列扬声器系统的声辐射也会有类似的情况，为了补偿在较远距离高频因空气吸收所带来的过快衰减，对线阵列扬声器系统进行均衡是必要的。为此，各扬声器厂商在自己的线阵列扬声器系统中，大都配有专门的信号处理器，依据不同的使用需要对高频进行均衡。
五.线阵列扬声器系统是扬声器产品大家族中的一员
综上所述,线阵列扬声器系统所表现出的优异性能,使它在室内外扩声中得了广泛的使用，特别是大型场地的流动扩声。但是我们也应该看到线阵列扬声器系统仍是扬声器产品大家族中的一员。换句话说，它不可能完全取代常规扬声器系统，应该说线阵列扬声器系统更适合于能充分发挥它的“特长”的场合。
1.许多扬声器厂商在推出大型线阵列扬声器系统之后,也陆续开发出中小型线阵列扬声器系统并且在一些剧院的扩声中取得了成功。然而不能因此得出这样的结论：“线阵列扬声器系统重放的声音会比常规系统更好”；更不能笼统地说“线阵列扬声器系统是扬声器中最先进的产品”等等。
2.线阵列扬声器系统同样存在有扩声声场的声干涉。
如前所述, 线阵列扬声器系统与传统的大型扬声器系统组阵相比,会明显地减少扩声声场的声干涉,有利于音质的改善，但它同样存在有声干涉的问题。特别是在一些大型场地需要多组阵列同时工作的情况下，阵列间如果处理的不好扩声声场的声干涉会很严重。此外，为了解决近区的覆盖，通常将线阵列扬声器系统的下部弯曲呈J 形。近区阵列中的各单元会形成干涉产生梳状滤波；阵列弯曲后影响了它的指向特性，而且对不同频段的影响也各不相同，反映在不同观众区域会有不同的音质效果。所以有人提出在阵列的弯曲部分可以用常规音箱代替以覆
盖近区，这不失为一种好办法。
3.国内外不同品牌线阵列扬声器系统的性能和实际扩声效果存在有较大的差异，鉴别这些产品最好的方法是在典型的场地亲自去感受它的声音效果。在有条件时也可以带上测试仪器做些现场测量，主要有：阵列的指向性控制，阵列声辐射的衰变过程（或声场的均匀性）以及不同区域的梳状滤波情况等。
主要参考文献：
1．马大猷、沈壕著． [声学手册]修订版 2004 年 <科学出版社>．
2．H.F 奥尔森著. [声学工程] 1964 年 <科学出版社> (中译本).
3．王福津. “浅述减少扩声声场的声干涉及线性阵在扩中的应用”“电声技术”2003 年2 期.
4. 曾山、杨华编译. “关于线阵列的问答” “电声技术”2002 年 4 期
5. 曾山编译. “MEYER SOUND M3D 线阵列音箱” “电声技术”2002 年 5 期.
6. 项钰、钱祥编译. “JBL Ver Tec 新一代线阵列系统” “电声技术”2002 年 7 期.
7. 王以真. “线性阵列扬声器系统述评” “电声技术”2002 年10 期.
8. 张凤超. 编译. “关于线阵列” “电声技术”2002 年11 期.
9．张飞碧、宋树伟 “线声源扬声器阵列的原理与应用” “电声技术”2003 年1 期.
10. 曾山、苏文静、杨春霞译文. “线性阵列综述(一)” “电声技术”2003 年8 期.
11. 曾山、苏文静、杨春霞译文. “线性阵列综述(二)” “电声技术”2003 年9 期.
12.赵其昌. “线阵列的柱面波及其发散” “电声技术”2003 年11 期.

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