点声源与线声源

jskery · 发表于 2019-1-15

点声源与线声源

了解过线阵列扬声器系统的朋友都知道，线阵列扬声器系统与常规扬声器系统(为区别于线阵列扬声器系统的非标准名称)不同的是：常规扬声器系统所辐射的声波波阵面图形类似球状波，近似于点声源;而线阵列扬声器系统所辐射的声波波阵面图形类似柱状波，近似于线声源，但前提条件是在临界距离之内，在临界距离之外则与常规扬声器系统一样，开始由柱状波渐变过渡为球状波，因此，如果组阵是直线形并且各换能器的驱动信号是相等的，则响应是距离的函数，线阵列扬声器系统在临界距离内符合距离加倍，声压级衰减3dB，在临界距离外符合距离加倍，声压级衰减6dB的声压级衰减规律，这个声压级衰减量从3dB过渡到6dB的距离称为临界距离。临界距离与重放的频率和线阵列的长度有关，在满足标准线阵列条件的前提下，临界距离与重放的频率和线阵的长度平方成正比。低频信号发散距离较短，高频信号发散距离较长，有利于高频的传播。线阵列长度越长，柱面波发散成为球面波的距离越远。因此，在实际应用中，为取得有效的中低频传播距离，应使用较长的线阵列。

　　任何一个有限大小的声源在自由空间的辐射，其波阵面总是要发散的，柱面波最终会发散成为球面波，即由距离增加1倍声压级减小3dB，变为距离增加1倍声压级减小6dB。

　　柱面体的表面积计算公式如下：

　　

　　当r 延伸为原来的2倍时，则表面积变化为：A圆柱≤2π(2r)h>/(2πrh)=2。即：当r 延伸为原来的2倍时，圆柱表面积变化为原来的2倍。声强变化为原来的1/2，计算10Lg(1/2)=-3dB，即声压级衰减3dB。

　　球面体的表面积计算公式如下：

　　

　　当r 延伸为原来的2倍时，则表面积变化为：A球面≤4π(2r)>/(4πr2)=4。即：当r 延伸为原来的2倍时，球面表面积变化为原来的4倍。声强变化为原来的1/4，计算10Lg(1/4)=-6dB，即声压级衰减6dB。

　　以下为图解：

　　

　　图1 柱面波与球面波的几何分析

　　

　　图2 三种声辐射波阵面的几何模型

　　线性阵列简述

　　“线性阵列系统”——线性阵列的基本原理源于“线性声源”理论，即：只有符合“线性声源理论”，满足其构成条件的音箱阵列系统，才叫“线性阵列系统”。线声源阵列的理论早在1957年美国声学工程师HanyF.Olson就已在发表的论文《声学工程》中有所描述。Olson等人在声学研究中发现垂直阵列中声音辐射体，在垂直平面内有指向性增强的作用。

　　

　　图3 1只单元与2只单元覆盖模式图

　　1992年3月，MarcelUrban教授和ChristianHeil博士在维也纳92届AES会议上展示了线阵列研究成果，说明了如何把点声源产生的球面波校正到同相相加的圆柱面波，说明了线声源阵列的指向特性与声源模块之间的距离、线声源的长度和工作波长之间的关系。

　　图4 波源间距与干涉图样

　　经典的线声源的数学分析是：假定声源是由无限多个、间距极小(声源的间距与工作频率的波长相比很小，即间距小于工作频率的半个波长)，并且连续同相位、等声强振动单元按无限长度的一条直线排列组成，其声学波阵面为近似柱面波。

　　图5 线声源的雏形模型

　　构成线声源阵列的必要条件：

　　声源之间的间隔距离d 小于工作频率范围内*频率波长λ 的一半，即d≤λmin/2;

　　线声源阵列的长度L 应大于工作频率范围内*频率波长λ 的一半，即L≥λmax/2;

　　线声源阵列中各频段的扬声器单元必须排在一条直线上，即声柱状态，并且声源开口面积之和至少等于阵列面板面积的80%以上。

　　

　　赠送小菜一碟：

　　点声源、线声源、面声源，这是三种不同的声源辐射状态，孰优孰劣?提出这样的疑问，貌似要掀起一场声源之战，笔者的观点是，没有*的声源，*的答案取决于你要解决的棘手问题是什么?简单的讲，点声源为实现*的声音还原奠定了*的基础，线声源和面声源为实现*的指向控制奠定了*的基础，各自拥有独特的优势。其目的都是在设法改善声音的品质，这个“品质”是从广义的角度而言。例如：线声源和面声源是通过控制指向达到增加直达声的比例，进而提升声音清晰度，这个清晰度是相对于被反射声干扰的声音而言。

　　站在应用的角度，笔者向来主张因地制宜，换句话说，应该把最棘手的问题优先考虑解决，适合的就是*的。

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