阵列应用的前世、今生、未来

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线阵列应用的前世、今生、未来
近年来，线阵列扬声器系统以它独特的优势广泛用于大型的扩声场所。线阵列扬声器系统是应市场需求而产生的，也是高新技术的产物，因此备受人们的关注。







几种线阵列扬声器





一.线阵列扬声器系统的产生



上世纪六七十年代在欧美兴起了以“披头士”乐队为代表的摇滚乐，到广场上看摇滚音乐会的观众多达几十万，扩声是个大问题。



比如，1977年9月3日在英国的New Jersey举行的一场摇滚音乐会就有60万人参加。扩声系统采用多只音箱叠放在一起组成的“音塔”，安装调试非常麻烦。



经过精心设计和调试，花费了很多精力，扩声效果总是不尽人意。这种现象提供了一个市场信息，大型巡回演出需要功率大、安装调试方便的扩声系统。



一些大公司看准市场需求，致力于开发大功率、远投射的扩声系统。从声学角度来考虑，有两种方法可以获得大功率、远投射的效果。




01一种是号筒






使声能量通过号筒集中在一个方向辐射出去，控制指向性，提高辐射效率，达到远投射的效果。例如20世纪50年代，我们对金门、马祖的广播系统就曾经采用过大号筒，一个号筒长达十几米，传播距离达几公里。号筒的研究成功地开发了恒指向性号筒扬声器、多驱动单元的号筒扬声器等。




02另一种是扬声器阵





20世纪30年代就提出的扬声器阵，利用干涉原理控制指向性。事实上，当时已经流行一种柱型音箱——声柱。声柱具有比较窄的垂直指向性，但是功率不够大，投射不远，声音的动态和频宽等还存在一些需要克服的问题。一些大公司根据自己的情况，各有侧重。



法国L-Acoustics公司于1993年首先推出了V- DOSC系统，它是由一列单元音箱组成的阵列，工作原理类同于声柱。其垂直指向性可控制，由单元箱的数目决定，水平辐射角120°。



每只单元箱的频响为50Hz～18kHz±3dB，功率1500W，灵敏度134dB。高频单元通过波导管向外辐射。这是最早推出的线阵列产品，一开始就引起了人们的关注。



市场的需求，高新技术的发展和应用，使得线阵列扬声器系统成为各公司显耀自己实力的标志性产品。现在线阵列已是号筒技术和阵列技术的结合，使得辐射性能更完美。





二线阵列扬声器系统的特点






01单元箱规则排列






线阵列扬声器系统是由一列单元箱组成，这些单元箱按一定规则排列，根据声场需要可以排成直线和“J”字形。单元箱的数目由扩声声场的需求决定，但是必须满足形成线阵列的基本要求；



即线阵列的长度至少应大于辐射声波的波长的一半。每一只单元箱的辐射特性有严格的要求。例如，辐射声功率、频率特性、水平指向性、失真和线性相位等必须满足线阵列对它的要求。




02功率大、投射距离远






例如，EAW KF761的单元箱中的低频单元承受功率1200W，灵敏度96dB；中频单元功率500W，灵敏度107dB；高频单元功率150W，灵敏度 112dB。



单元箱组成阵列以后，由于单元箱之间的相互作用，使得扬声器的辐射阻抗得到了提升，提高了辐射效率。因此，采用线阵列扬声器系统作为声源在100m以外希望获得100dB以上的声压级是轻而易举的。






03覆盖的声场比较均匀，干涉区域小，重放分辨率高






线阵列的垂直指向性很尖锐，一般在10°左右，最窄的可达3°。辐射的声束窄，到达相应的观众区域的直达声比较强，辐射的距离又比较远；



在很大的区域内的声压级的变化比较小。由于线阵列的旁瓣控制使得辐射声场的重叠区相对比较小，干涉面小。直达声为主的区域，听感好、声音清晰、分辨率高。





三.线性阵列音箱是如何工作的？



线阵列如何工作可以是一个相当深入的讨论。在这里，我们将不会过于详尽的解释整个理论的细节。下面将用简单的语言和数学计算，让大家首先了解典型的扬声器发出的声音是如何随着距离的增大而分散传播的。






01反平方定律






声学中反平方定律的内容是，声强度的大小和听音位置与声源之间距离呈平方反比。其结果是听音者距离点声源的距离每增加一倍，声压衰减6dB。这是我们通常情况下使用的扬声器的表现，虽然实际和理论会有很多细微差别。






02点声源










反平方定律的前提是假设扬声器能够全向辐射。而对于实体扬声器来说，这种情况很少见，除非扬声器发出很低的频率（这也是我们为什么一直强调低音或者超低音没有指向性的原因）。



然而，随着声音传播距离的增加，即使典型的定向扬声器（例如具有90°水平覆盖角和90°垂直覆盖角的号筒扬声器）也会遵从于反平方定律，像理论上的点声源一样进行声音的扩散（即全向辐射）。




03线声源





线性阵列音箱的声压覆盖则靠近所谓的线声源理论，每当听音距离加倍时，电平不会下降6dB。从理论上来讲，它只会下降3dB，但在实际应用中，结果并没有这样理想。



关于为什么会有这些差别，本文不作详细论述。但即便如此，相对于点声源扬声器而言，线性阵列音箱在垂直覆盖角度上有着得天独厚的优势。



具有线性声源辐射特点的扬声器可以达到如下效果：您可以在大厅或户外空间的后方区域感受到相对比较大的声压级，而为了做到这一点，你不需要像操作普通点声源音箱一样，特意加大其功率以致于让前方离PA系统比较近的人听到过于大的声音。它的优势在于声音垂直扩散角度复杂多变的可控性。



那么如何实现线性声源辐射？答案是相位抵消。



相位抵消通常是在音响系统中需要工程师们尝试去避免的事情之一，但它对线阵扬声器在一起工作时能够提供具有较窄的垂直覆盖角度起着中心作用。



即使使用了高级别的扬声器箱体设计来塑造垂直方向的覆盖，在线阵列中的扬声器之间仍然有很多实际上的重叠。换句话说，线阵列扬声器的垂直覆盖角度并非是单只喇叭就可以形成的，它是多只扬声器在出口处形成有效干涉的结果。



然而，现实状况中，每个线阵列扬声器与观众之间的距离会稍有不同，这样就会引起小程度的相位抵消。当然，你也可以通过引入电子延时的手段，对线阵列音箱的垂直覆盖角度进行人工干预，并进行细微调整（EAW Anya和Anna系统则应用了此项技术）。






04线阵列系统使用的注意事项






虽然应用相位抵消可以形成扬声器在线阵列中的垂直覆盖角度收窄的效果，但是它们的水平覆盖角度是不受影响的。因此，现实中的线阵列中的单个扬声器可以有90°水平覆盖角，而仅以20°或者更小的角度进行垂直覆盖。



此外，即使相位抵消可以实现线源分布并且显着地改善长距离覆盖，但是随着距离增加，线阵列也会开始呈现点源特性，并屈服于反平方定律距离每增大一倍衰减6dB的规律 。



线阵列具有近似线源函数的能力，但也有一些局限性和需要注意的事项。首先，阵列总体从上到下的长度确定了具有线声源覆盖特性的最低频率。



这是因为随着波长变长，在收听位置处，声音从不同扬声器单元到达听音者位置的相对应时间之间的差距必须更大才能得以实现线性声源的效果。



这样便需要一个更大的阵列长度。在频谱的另一端，波长变得如此短以至于驱动器太大而不能足够靠近地放置在一起，因此相对相位差变得太大以致不能实现线源功能。



在这些情况下，各大厂家都会使用波导结构用于实现从点声源向线声源功能的转换。虽说所有的波导结构都是为了实现同样的目的，但是每个厂家几乎都使用了不同的结构，并且都有自己的专利用于保护自己的知识产权。这也是一个厂家在研发线性阵列音箱的过程中，难度最大的一个环节。



线阵列在声学上具有挑战性的空间中非常有用，因为您可以控制它们的垂直扩散并减少声音的反射。



想办法让声音的覆盖区域离开天花板和地板是一个很好的开端，然后选择具有特定水平覆盖角度的扬声器，这将帮助你保持多余的声音远离侧面墙壁，从而得到更好的室内扩声清晰度。




大规模的线阵列覆盖安装在U2 2015年世界巡回演唱会现场（照片提供：Royer Labs）






05线阵列的形态






因为每个扬声器的垂直辐射非常窄，所以，可以有效地将听音空间分成从前到后的多个部分，前部仅由少量扬声器覆盖，而更多的扬声器可以覆盖后部。



依据这个想法，形成了非常流行的J形排布的线阵列，这在音乐厅和户外场所中经常出现。



线阵列确切的安装形状将根据需要覆盖的区域的布局和尺寸而变化。一般情况下，前排的覆盖因为距离近的缘故只需要少量的几只就可以满足声压要求，但是因为考虑到均匀覆盖的因素线阵列之间的安装角度也需要设计的比较大。



而中后方因为距离比较远的原因，则需要更多数量的音箱集中角度安装，这样才可以达到远距离覆盖的效果。刚才大致概括描述的这种做法，有助于提高整体覆盖的一致性。



近些年也发展出了用户可以通过调节传送到每个扬声器箱的功率来进行细微的能量分布调整的办法——这种技术通常被称为功率渐层。






06微型线阵列






虽然线阵列技术最常见于专业的大型室内外扩声应用，但有许多公司，如Bose，Fishman，Turbosound等，提供小型的个人PA系统，使用小型扬声器的微型阵列（通常为2"-4"的尺寸）以产生相同的线源覆盖效应。正确的使用这些系统，可以让它们在小型场地提供良好的覆盖。






07线阵列的挑战和局限性






虽然线阵列可以帮助解决某些空间的问题，但它们有复杂的限制。除了需要足够的长度以控制较低频率的覆盖角度这一挑战之外，线阵列有时可能会遭受到奇怪的异常，例如某些频率可能在阵列正上方和下方的区域形成波瓣。



而如果这种情况恰巧发生在一个不良的声学空间，则可能会带来很严重的后果。例如你的声乐话筒放置在线阵列下方，你可能会遇到反馈问题。



此外，在声音质量方面，即使在最好的情况下，线阵列也不可能与高质量的单驱动器扬声器或者单只的两分频或者三分频驱动扬声器所发出的声音的纯度相媲美。



这也是为什么它们在较小空间中不大可能出现的一个原因。小场合的扩音，能够发声的音箱数量如果能做到较少会更加合适。当然，成本和空间也是考虑因素。