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燈光音響工程

【音響工程】列陣揚聲器系統音響設計指南

文章出處:誠信網人氣:-發表時間:2015-01-21 12:00:00【
恰當設計并安裝的線陣列揚聲器可以提供平直的頻率響應、高質量的還音效果以及很強的、可控的覆蓋特性。本質上,線陣列就是從不同的驅動器發出的相同輸出信號,在整個覆蓋區域內滿足“同相”的要求。這聽起來可能很簡單,但要實現這樣的技術參數絕不是一件簡單的事。了解線陣列的基本原理是重要的,因為這可以幫助你更好的運用這種設備。

線陣列的確可以表現出完美的聲音,但這只有在徹底的了解和正確的配置以后才行。

首先要了解它的基本概念。大家知道聲音是在空氣中傳播的周期性變化的波。換句話說,聲音在空氣中傳播,而空氣本身并不產生移動。因此,在討論聲輸出時,所有表述聲音是“空氣移動”的觀點都是錯誤的。這是很重要的一個特點。

另一個要了解的基本概念是“斷點頻率”。在此頻率之上,可以通過控制輻射體的度數(在本文中,就是線陣列的度數)來控制它的指向性。

斷點頻率與揚聲器長度和輻射角度成反比。斷點頻率的公式(如下)是適用于所有揚聲器的一個基本概念。對于線性陣列,音頻專業人員可以借此估算線陣列的尺寸以及指向性可控的起始頻率。


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喇叭和線陣列

為了更好的了解斷點公式,想象一下把線陣列中取出一段作為單個揚聲器模型。每個線陣列喇叭的覆蓋限制都取決于頻率。單個喇叭在低頻上是沒有指向性的;頻率指向性取決于輻射元件的尺寸。這些喇叭通過可調整的垂直張角組合在一起,箱體的范圍就可以直接決定線陣列的效果。

例如,一個典型的(經過適當設計的)喇叭在6kHz可以確保20度的垂直覆蓋,而在12kHz就只能覆蓋到一半了。這只隨著頻率的變化而改變,也稱為垂直覆蓋的“單調收縮”。所以如果我們知道線陣列的長度,就可以根據斷點公式中的頻率很容易的計算出垂直面上的-6dB覆蓋角。相對的,知道了-6dB覆蓋角以及對應的頻率,我們就能夠算出其他頻率下的覆蓋角度。

Φ-6=24000/fl

其中:Φ-6=-6dB對應的覆蓋角(單位:度)

F=頻率(單位:赫茲)

l=線陣列片段長度(單位:米)

線陣列的類型

線陣列有兩種組合方式:直線型和曲線形。直線型表現了“純粹的”線陣列特性,但是在實際使用中,必須進行彎曲以滿足高頻的覆蓋要求。以下是幾種常用的線型結構:

直線排列(圖1):這種排列下,垂直覆蓋范圍是單調收縮的——線陣列越長,覆蓋角越小。因此,直線排列具有非常窄的高頻垂直輻射寬度,投射的距離與頻率大小以及陣列長度是成正比的。這一排列是“最佳聽音位置”以及遠聲場之間聲音最一致的陣列。不過因為遠處的高頻覆蓋太窄并且難以控制,所以很少在實際中被采用。
 
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弓形(恒定半徑曲線)排列(圖2):將排列以一個恒定的半徑進行彎曲,可以得到一致的指向性,但將削弱聲音的相干性。“相干性”應該理解為一種“相干”的狀態。相干,根據定義,是指具有相似的指向、大小和相位這三個條件的聲波。

許多情況下,使用的弓形曲線都經過了折中處理。例如:一個八只喇叭組成的線陣列,每只喇叭之間張角為1度,那么它總的垂直覆蓋角度大約為7度。因此,對于斷點頻率之上所有頻譜的指向性,這種排列會有恒定的指向特性。

同時,微小的張角同樣意味著良好的相干性。如果兩個喇叭之間的張角增大到5度,垂直覆蓋角就增大到35度,這時指向性仍然不變,但相干性就會減弱。原因很簡單:彎曲的程度越大,遠處聽音者所聽到的喇叭就越少,在一個特定的聽音軸向上,各個喇叭的輸出就有延時,于是相干性就減少了。因此,任何過于極端的曲線都是不可取的。最好是通過移動揚聲器的位置并采用較平和的曲線來得到想要的覆蓋角度。

J形線(圖3):線陣列的使用者們最早發現直線型在靠近舞臺處無法提供足夠的高頻聲音,所以他們就讓陣列下方的喇叭指向下方。這在陣列中產生了一個“突變”,事實上這樣使得陣列不能很好的組合,導致了陣列的分離。指向性也受到了影響。一些使用者嘗試通過應用分離的信號處理來適應各種區域以“糾正”這種情況,但是無法修正在兩個不同的排列部分之間的轉變所造成的中斷。

 
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漸開線(圖4):漸開線是J型線的一種改進型。改變喇叭的張角來除去J型線中生硬的中斷。漸開線提供了恒定的指向性和一致的覆蓋角,而且總的覆蓋角相當于各個張角之和。在垂直方向上,從線陣列底部的指向到頂部的指向,漸開線的轉變是平穩的。

覆蓋性與相干性

影響線陣列位置和配置的選擇的最主要因素是覆蓋性和相干性。在圖5中,顯示了一個吊掛在頂部的漸開型陣列,到最近和最遠聽眾的距離是差不多相等的。那么在揚聲器覆蓋范圍內前后方的聲壓級和頻率響應就差不多也是一致的。因為垂直覆蓋角度很寬,所以對于絕大部分聽眾來說,直達聲和混響聲的比例也是一致的。

 
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但是從聲音的角度來看,這個位置是不自然的。因為這個聲音的“定位”不是聲源的實際位置,它可能會使人們的注意力離開舞臺上正在進行的表演。一個解決的好辦法是在舞臺前方增加揚聲器,就可以把聲像從最靠近舞臺的觀眾的頭頂來回到舞臺上來。

現在來看圖6,這個陣列的位置要低得多,各個喇叭的張角也小得多。在前后區的聲壓級更加平衡,頻響也更平直,直達聲和混響聲的比例也得到了改善。這種情況使得聽音場地本身的聲能控制更加方便,引起反射的空間也更少。

 
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在室外工作時,這種方法也減少了空氣的影響。陣列形狀中的曲線越少,聲音受到風和溫度的影響就越小。這是什么呢?因為聲音是在一個很寬的范圍內輻射的,聲波在傳播過程中會在不同溫度和風速的交界處發生折射和“彎曲”現象。所以當增大垂直輻射角度時,就增大了聲音在空氣中的傳輸范圍,就更容易受到溫度的影響。

近場VS.遠場

在近場和遠場時,線陣列的作用是完全兩樣的。近場是一個干涉場,當兩個線陣列靠近時,損失的頻率成分就越來越多。這些損失的增大甚至會影響到同一水平軸。

圖7顯示了選取一條陣列上的八個喇叭以及近場的四個不同點所建的模型。在距離最遠的“D”點,響應是相對平坦的。但是,在靠近陣列時,高頻就開始衰減,因為測試點受到邊上聲源的影響。在最近的“A”點,只有兩個喇叭的高頻才能覆蓋到這個測試點,而低頻卻是所有的喇叭都能覆蓋到。所以低于100Hz的頻率,遠場和近場基本一致,但是當頻率升高時,遠場的頻響會飛快的增大。


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圖7:中圖A點,下圖D點

因此這個陣列的所有遠場有效區域是聽音者能夠聽到全部陣列輸出的所有頻率的點的集合。由此又可以得到很簡單的一點:你距離線陣列越近,你所聽到的高頻就越少,這就導致了頻響的不平衡。這就是在室內做混音時不能坐在近場的原因——這里所聽到陣列發出的聲音肯定是不正確的。

 
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可以通過線陣列的頻率因素比較電平衰減和距離。圖8以三個頻率:100Hz、1kHz以及10kHz顯示了這一點。(注意本圖已經標準化以說明在100米遠處電平的差異)本圖清楚的顯示了當聲音的頻率改變時電平所發生的變化。

 
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圖9:組成線陣列的喇叭數,上線為8個,中線為4個,下線為2個

從另一個角度來看,圖9描述了不同長度的直線性陣列在8kHz時的不同數據。如果把一格標準化為1米,就可以很方便得看到在遠場處高頻輸出的巨大差別。遠場的距離與頻率以及陣列的長度是成正比的。下面是這個公式表示的是直線型陣列,但也可以用于計算帶有弧度的陣列到遠場位置的距離:

DF=fl2/700

其中:DF表示到遠場的距離(單位:米)

f表示頻率(單位:Hz)

l表示線陣列揚聲器的長度(單位:米)

另外一個需要考慮的因素是喇叭之間的交疊。在圖10中,注意這一串陣列之間的交疊。在底部的喇叭之間交疊部分很少,在某些頻率上,會使得只有個別喇叭發聲。

曲線銳利的陣列每個喇叭的邊緣在高頻覆蓋上就可能碰到這些問題,但是,因為曲線本身會有保護所以這些問題并不會一起出現。同時,直線型和高曲度型陣列在頻響的平衡中會有相當多的不同點。

這種情況下一般的解決方法是把底部喇叭分開進行處理,但必須非常小心。喇叭與喇叭之間是逐漸變化的,但是趨向是用同樣的處理使所有的喇叭達到同樣的工作狀態。空氣也是一種因素,空氣對高頻的吸收會減輕遠場用喇叭和近場用喇叭在高頻平衡上的一些不同之處。

顯然,有許多能直接使覆蓋均勻并相干的因素,和頻譜的平衡——遠場和近場中都要平衡——所以所有環節都要仔細的進行考慮。

衰減VS.距離

比較了直線型陣列和弓形陣列載4kHz處的頻響。直線陣列長5米,弓形陣列采用45度、半徑8米的弓形,總長也是5米。我們看到直線型陣列在遠場時距離每增大一倍電平衰減6dB,而在之前距離每增大一倍電平衰減3dB的區域產生了柱狀濾波效應。

另一方面,弓形陣列極少產生梳狀濾波效應,它的轉折也更加柔和。

我們再來看圖12,這里比較了三種不同的陣列(分別由兩個喇叭、四個喇叭和八個喇叭所組成),陣列內喇叭的張角保持一致(7.5度)。因此,這三個陣列的角度分別為15度、30度和60度。注意比較三種陣列中距離變化所對應的衰減量。在40米遠的測量點,弓形陣列在每倍距離衰減3dB到每倍距離衰減6dB之間的轉折是非常連貫的。

 
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線陣列的校正

最基本的理解來看,“校正”線陣列揚聲器就是指運用物理或電子的方法,形成或調整一個陣列的有效覆蓋區以使其滿足特定的聽音需求。有好幾種方法可以校正線陣列:

1、分散校正是用來調節各喇叭之間的張角

2、放大校正是用來調節喇叭的電平

3、有效的延時校正可以改變線陣列的虛擬形狀

所有這些方法在使用時都有所限制。多元補償(也就是在每個喇叭上用不同的補償)同樣也是一種放大校正的形式,不過卻是基于頻率的方法。

分散校正大概是最可靠的校正方法。一般來說,直接指向聽音者的喇叭不用嘗試電子方式控制輸出,導致了最好主觀聽覺感受——除了諸如溫度梯度和相對濕度等環境因素造成的小小的影響,這些因素可能對高頻產生很大的影響。

延時校正可以很好地調整被單個喇叭的垂直覆蓋范圍所限制的頻率段。想象一下你要進行延時校正的陣列中的喇叭的最大垂直覆蓋角為40度。另外,你還想把這個喇叭的輸出減小30度。也就是說你希望通過延遲輸入信號來使線陣列提供的有效輸出在其覆蓋界限以下10度。事實上延時校正不能超出設備固有的有效區域。

放大校正,基本上是用來處理已經做好分散校正的線陣列。換句話來說,線陣列的形狀已經調整好了,需要做更進一步、更好的調整。

對于直線陣列,可以通過削弱用于最遠處的喇叭來改進(或者加寬)高頻部分的極坐標響應,但同時,這也就減小了整個線陣列的總輻射能量。因此,所得到的極坐標圖還是取決于高頻輸出的性能。
 
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