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[图文]线阵列扬声器及其室内应用           ★★★
线阵列扬声器及其室内应用
发布者:imefan 文章来源:网络 点击数: 更新时间:2008-7-10 21:47:49

1、引言

  因为线阵列扬声器具有水平覆盖均匀、垂直指向性强、辐射区内声能衰减较小等数个非常实用的特点,在许多扩声领域正逐步替代传统扬声器阵列。对于在相同的地方以相同的音量扩声时,线阵列扬声器系统可能体积更小、更轻便、更加容易吊装。线阵列扬声器还可结合演出地点的具体形状,将其恰当的吊挂、瞄准和弯曲,能够对大多数的观众提供杰出的音质表现。现各品牌扬声器厂商所推出的线阵列扬声器,其设计原理、驱动单元组合方式、尺寸结构均有所不同。在此笔者以波导设计的角度对典型品牌的线阵列扬声器进行了分析,希望能加深大家对其的认识。

2、线阵列扬声器浅谈

 2.1线阵列不是线声源

  线声源是由一串距离相等的驱动器组成。其最初应用的雏形产生于十九世纪五十年代,当初是为了提高在混响厅堂内的语言清晰度而设计的。线声源的运用是基于其非常小的垂直指向角。若其垂直指向为0度,这就是我们所说的“圆柱波”。每当声源距离增加一倍圆柱波的能量会衰减3dB,然而声源距离增加一倍“球面波”能量会相应衰减6dB[1]。

  但是构成线声源有两个必需条件:1、其线性长度最少为所辐射波长的4倍以上,这才能保证其在垂直方向上的指向波形接近于平面波。2、与上一条件相反,其要求相邻扬声器单元中心之间的距离小于半波长。Olsoni于十九世纪四十年代推算出了两个距离小于1/4波长的邻近同相球状的辐射图形。在1/4波长和1/2波长之间是不会出现旁瓣(即副极大值,这种干涉波形通常是由破坏性的干涉导致)的,这一现象会持续直到间距大于1/2波长。

  这在实际应用中意味着只有非常长的线阵列才能在低频段符合线声源的工作原理,同时只有使用非常小口径的扬声器单元才能达到在高频段的耦合。而在现实应用中,大多数线阵列实际符合线声源工作原理的重放频段不超过一个倍频程。所以线阵列几乎不能认为是线声源。

 2.2线阵列的实际工作

  线阵列的出色能力在于它能够从观众席的前排至后排提供一致均匀的声压覆盖。其从后排到前排的声压级几乎都是一样的。若要究其原因,首先让我们回顾一些使用常规号筒和压缩驱动器设计的扩声系统的例子。水平阵列中使用的扬声器在设计时将其球面辐射波形压缩为馅饼状,例如60°x40°、90°x40°或其它类似的设计,使其对场地的扩声提供良好的覆盖。如果定向的覆盖小面积的区域,可以通过将扬声器的辐射主轴对准最后排,–6dB衰减角对准前排来得到一致均匀的声压覆盖。如果吊挂点的高度足够,可以通过固定扬声器的位置和角度的方式,使得第一排至号筒的距离为最后一排至号筒的距离的一半。这时,号筒本身对其辐射角度的离散控制能力能够很好的平衡这一切,从而使前后场得到一致均匀的声压覆盖和效果。

  如果建筑师们能够将公共场所建造的普遍适合号筒的辐射特性,且区域足够的小的话,那么一只扬声器就能够覆盖观众区的每一侧,从而我们也就不需要线阵列了。当然,场地尺寸、形状的多样化决定了这是不可能的。线阵列比普通的单一扬声器的声压输出多18到24dB,而其的垂直指向可通过弯曲阵列的方式以适应不同场地的扩声。就好像适当的固定传统号筒式扬声器位置和角度的方式一样,正确的弯曲线阵列能够对相同的观众区释放相同的声功率。这意味着当你离线阵列越近,其每一个扬声器模块的辐射角度应该越大,所以阵列从上至下箱体之间的间隔角度也应该是逐渐增大的。所以,对大多数场所而言,为了从前排至后排具有一致的声压覆盖,阵列的形状都普遍类似于“J”形[4]。

 2.3线阵列扬声器模块的功能需求

  当我们结合线声源耦合时的声学要求以及“J”形在实际应用的益处,线阵列扬声器模块的设计目标就变得清晰了。

  ●全频带的重放范围。

  ●独特的驱动器的选择和箱体设计,要求在其分频点以下纸盆驱动器之间的中心距离小于1/2波长。

  ●对于单元之间的中心距离大于1/2波长的部分,要求波导能够提供平直或十分狭窄的垂直指向(<10°)。

  ●为产生一个持续的波阵面,波导的出口高度不得小于扬声器模块高度的80%。

  ●在允许的输出功率的前提下具有最小的尺寸和重量。

  ●简单、快速、安全可靠的吊挂件。

  ●简单、快速、明了的线路和信号路由流程。

  ●配套的阵列设计软件能够方便设置阵列的长度、位置、指向方向、弯曲角度。同时,对场地提供正确的覆盖关系预测。

  ●在指定频段内(人耳的可闻域)的多单元的使用,要求单元之间的水平距离尽可能的小,以在重放频带内提供持续的辐射扩散。

 2.4线阵列扬声器模块的波导设计

  对于线阵列扬声器模块,最主要是要解决中、高频段的波阵面耦合问题。在过去的十年里,产生了许多新型波导技术,通过改变线阵列的弧度可调节线阵列输出的大概归纳为以下四种类型:带状高音、号筒、声反射镜、声透镜。

 (1)带状高音

  将压缩驱动器的圆形出口若干等分,经过几个等长的路径到达波导出口。一个典型的高输出带状高音大约6英吋(0.15m)高,在不超过4.5kHz范围内均能符合线声源的工作条件。超过该频点后,需考虑旁瓣的影响。(如图1所示)典型的代表品牌有Electro-Voice、MeyerSound等。
图1:带状高音

 (2)号筒

  号筒能够提供持续的垂直覆盖,但须注意几何应用中的限制。把圆形出口渐变为方形出口,其理论根据为各条路径差最大不超过λ/8,即近似于同相。因此号筒的口径与深度必须具有良好的比例。

  同时对于一个具有12英寸(0.3m)纸盆的线阵列模块,必然要求将多个压缩驱动器和号筒安装在约14英寸(0.36m)高的箱体内,以减少相邻单元之间的距离,尽量符合线声源的工作原理。(如图2所示)典型的代表品牌有JBL、Martin等。
图2:号筒

 (3)声反射镜

  反射波导已经应用了几十年了,但主要是在微波领域,而近年来也被引入到音频。它的出现是因为微波和声波的波长具有同性。例如,13.76kHz的声波的声速约为344米/秒,波长0.25米。12GHz的微波的光速约为300,000千米/秒,波长同样为0.25米。无论是微波还是声音,反射镜工作于“放射”模式:由于撞击能量之波长短,所有的能量均被反射。声反射镜通过抛物线反射镜完成压缩驱动器出口到号筒出口的波形转变,该种设计须注意其“放射”模式的有效频段范围,低频段由于波长较长,当遇到障碍时,将会产生折射或衍射,而不是反射。(如图3所示)典型的代表品牌有NEXO、OUTLINE等。
图3:声反射镜
(4)声透镜

  与反射镜类似,近几十年来透镜也被应用于微波和声学的控制领域。主要有两种类型:障碍型和等长折射型。障碍型其工作原理就像玻璃镜片聚焦光线一样,类似于透镜,其障板(也称相位塞,可为球状、圆盘状、带状或其它不规则形状,只要其对于所涉及的频率而言尺寸足够小)当声音经过它时会降低声速。一个障碍型的声透镜根据其形状的不同能够产生声聚焦、声扩散或平面波。在线阵列系统中应用的是平面波。

  对于这种类型的透镜,必须在特定频段内选择特定的材料。高于一定频段,材料会吸收声能,转换成热能和动能。低于一定频段,声波将无障碍通过。当然,这些频点对于单独的材料来说都是十分特殊的。典型的代表品牌有L-Acoustics、ADAMSON等。
障碍型声透镜

   等长折射型采用碟状障板(与波长相比,其间隔的空间尺寸较小),加强声波播送至更远的距离。对于需折射声波处,障板可呈“z”形放置或简单的倾斜。等长折射型声透镜能够在宽频带范围内产生平面波。当较高的频率通过时,它是“束状效应”工作的。

  当波长较长,声透镜的“波状效应”起作用,这时等长折射型声透镜会像紧密间隔的衍射槽般发生作用。典型的代表品牌有Renkus-Heinz等。
等长折射型声透镜

  所有的从微波研究借鉴来的波形控制技术对于产生持续的高频波阵面都是十分图7等长折射型声透镜有用的。因为该扩散角是独立的与驱动器至波导出口的路径长度及号筒的几何形状无关。采用声反射镜或声透镜波导技术的线阵列扬声器均能够在4-6个倍频程的频带范围内良好的控制扩散角。

 2.5“J”形阵列的声压级和频率响应

  从波导至直接辐射式纸盆驱动器的分频点以下,“J”形阵列会使主瓣方向倾斜向下,并扩展低频范围,但这只是近似结果。在波导的操作频带范围内,其扩散角度的离散控制更加精确。波导的直接输出与“J”形阵列的弯曲形状紧密结合,能够产生一个杰出的接近于持续、连贯的波阵面,并且能够保持其从前排到后排的输出一致性。理论和实践证明,对于较短的线阵列,其后场的声音会显得单薄,因为高频段比低频段会显得更加的突出和连贯。而对于较长的线阵列情况往往相反,低频的指向性更强,大部分是指向于座区的上部,这是与“J”形阵列的倾斜角度和扩声效能无关的[4]。

3、线阵列扬声器的室内应用

  如前所述,由于线阵列扬声器所具有的若干特点,近年来已得到大力的发展和应用,尤其是在户外流动扩声领域已成为主流产品。但是在室内尤其是大型的体育馆、厅堂,由于受资金的限制或认识的不足,其推广受到一定的限制。笔者通过对线阵列扬声器与传统扬声器的比较,根据室内电声设计的指标要求,归纳了几点线阵列扬声器在室内使用的优势(见下文),希望能够加深读者对其在室内应用的认识。

 (1)室内声场分布更加均匀

  利用线阵列扬声器的指向性因数及其强指向性,可以补偿远处因距离加大而使声压级衰减过多的缺陷,可使室内声场分布趋向于更加均匀。同时,由于室内混响的作用,其混响声能的产生,能够在此基础上进一步改善室内声场的均匀性。结合本特点可更好的满足室内扩声系统声学特性指标关于声场不均匀度要求。

 (2)降低厅堂内的有效混响时间

  线阵列在厅堂内使用时,可使厅堂内的有效混响时间缩短。这是因为线阵列扬声器具有较强的指向性,将主声束射向观众席,可加强直达声能,减少了房间的声学比,从而降低了有效混响时间。下面做扼要的分析。

  在室内扩散声场中,其声学比R由下式定义: 

  根据人耳的积分效应,听众对重放信号感觉到的有效混响时间(Teff)应满足如下公式:

  上式说明了有效混响时间与房间声学比的关系,可以很明显的看出,当声学比增大时,Teff亦增大。由声学比公式可知,若要降低R,必须采用较大指向性因数,由于线阵列扬声器具有较大Q值,因此能够适当的降低有效混响时间。尤其是大型体育馆混响时间普遍偏长,为满足比赛及文艺演出要求,保证清晰度,使用线阵列扬声器具有长足的优势。

 (3)提高整个扩声系统的传声增益

  众所周知,在扩声系统中经过放大由扬声器辐射出来的声音反馈到传声器就会引起失真和啸叫。声反馈严重影响整个扩声系统的使用。为抑制声反馈,增大传声增益,除采用具有强指向性的传声器外,具有超强指向性的扬声器的使用也是一个重要环节。由于线阵列扬声器具有极强的垂直指向性,在其有效覆盖角之外声压级迅速衰减,对于增加传声增益,抑制声反馈常常可以取得良好的效果。结合本特点可更好的满足室内扩声系统声学特性指标关于传声增益要求。

 3.1典型案例

  新加坡室内体育馆是1989年建成的多功能体育馆,是一座圆拱形体育馆,造型美观,可容内12,000人。该体育馆是新加坡承担各项体育赛事和演出的核心场馆。由于馆内容积较大,混响时间明显偏长,且存在较严重的声聚焦和颤动回声。2005年9月新加坡政府投资1,800,000美元对场馆进行改造。共采用Renkus-HeinzPN102LA有源线阵列扬声器48只,分四组,每组12只,集中吊挂于中央显示屏下方覆盖全场观众区。该设计充分利用了线阵列扬声器水平覆盖的一致性和超强的远投离散控制性,既保证了整个观众区具有一致的声压覆盖,又保证了清晰度。该系统改造完成后已承担各项重大赛事及演出40余场,均获得一致好评。

4、总结

  理论上分析了现今一些主流线阵列扬声器的特点,主要是波导设计方面的一些区别;同时提出自身对于线阵列扬声器在室内应用的一些认识,希望有助于加深各位读者对线阵列扬声器的理解。

文章录入:imefan    责任编辑:ImEfan 
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