對于線(xiàn)陣列音箱的最新研究結論顛覆你的認知

　　近十幾年，線(xiàn)性聲源揚聲器陣列技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應用，其替代了傳統的點(diǎn)聲源陣列成為擴聲的主力。線(xiàn)陣揚聲器從其誕生就一直爭議不斷。H.F奧爾森(Olson)在1957年出版的《聲學(xué)工程》闡述線(xiàn)陣理論，而法國L-ACOUSTICS公司于 1993 年首先才推出了V-DOSC系統。在經(jīng)過(guò)飽受爭議的十幾年后，線(xiàn)性陣列的應用才大規模普及，現在以至于每一家專(zhuān)業(yè)音響公司都基本涉足到了線(xiàn)陣音響的研發(fā)和生產(chǎn)。難道線(xiàn)性陣列音箱在理論和實(shí)際上真的對于遠程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開(kāi)討論。

　　一 、 線(xiàn)性陣列 模擬實(shí)驗

　　我們采用了MEYERSOUND公司的模擬軟件MAPP進(jìn)行模擬。 模擬的目的為分析相同數量及不同數量的線(xiàn)性陣列音箱組成的垂直陣列在中遠程各個(gè)頻率的表現情況。通過(guò)分析頻率響應、聲壓級、指向性來(lái)得到結果。

　　1.1 標準 數量 線(xiàn)性陣列 理想 聲場(chǎng)條件下的頻率和指向性之間的關(guān)系。

　　12 只相同型號垂直線(xiàn)性陣列，全部為0度的懸掛

　　12只線(xiàn)陣，J型懸掛(從第5只開(kāi)始5度張角，最下面2只10度)

　　模擬結論：線(xiàn)陣在從低頻到中頻及高頻的各個(gè)頻段頻率響應和指向性表現的完全不一致，其存在各種不同的指向性。

　　1、在本例的低頻(以315Hz為例)可以實(shí)現基本完全的疊加，且由于陣列長(cháng)度使垂直的指向性有所減小。其相鄰聲源距離基本滿(mǎn)足小于1/4λ，且陣列長(cháng)度與波長(cháng)比值接近4，波形主瓣明顯。

　　2、線(xiàn)陣在中頻(以630Hz為例)逐漸呈現指向性向陣列中心匯集的趨勢，在線(xiàn)陣中心表現出了聲壓疊加，兩邊逐漸減小。陣列長(cháng)度與聲源波長(cháng)比值接近 8，主瓣開(kāi)始尖銳。

　　3、線(xiàn)陣在高頻(以2.5KHz為例)，基本難以實(shí)現全面的聲壓疊加，表現形式為主瓣明顯分化成狹窄指向的聲線(xiàn)。聲源呈現相鄰音箱之間的疊加，而不會(huì )全部音箱疊加，造成了各個(gè)孤島。陰影區逐漸顯現。

　　4、線(xiàn)陣在高頻和超高頻(以4K和12K為例)，其主瓣分化趨勢更加嚴重，孤島、聲線(xiàn)更加明顯，陰影區域占比隨著(zhù)頻率的升高而逐漸增大。

　　5、型線(xiàn)陣只是增了的箱體之間的角度，使各種趨勢更加明顯。

　　1.2 線(xiàn)性陣列的長(cháng)度與聲壓的關(guān)系模擬

　　24 只相同型號的線(xiàn)陣，懸掛高度20米， 全部0度，無(wú)張角，上吊架-6度。麥克風(fēng)在100米處，高度1.2米取得聲壓和頻率響應。

　　與上述相同的型號線(xiàn)陣音箱。5只短線(xiàn)陣， 懸掛高度為6米，前4只是0度，后面的一只是-6度，實(shí)際遠場(chǎng)為4只音箱的陣列，最下面的-6 度為近場(chǎng)音箱。

　　備注：當線(xiàn)性陣列音箱之間的張角為 0 度時(shí)，其可以獲得最佳疊加效果，聲壓最大。24只長(cháng)線(xiàn)陣在本例模擬中在1K以后的高頻段發(fā)生明顯的聲壓變化，逐漸下掉。短線(xiàn)陣沒(méi)有明顯的變化。我們可以看到在6-8KHz的附近，24只長(cháng)線(xiàn)陣和5只短線(xiàn)陣在高頻聲壓表現上已經(jīng)相近。為了實(shí)現模擬的公平性，麥克風(fēng)放置在長(cháng)陣列的亮區中。同時(shí)我們看到了兩個(gè)模擬結果的指向性有著(zhù)顯著(zhù)的不同。長(cháng)線(xiàn)陣聲源各個(gè)頻率指向性表現都不一樣，高頻呈線(xiàn)狀，中頻區塊狀，低頻收縮匯聚狀。短線(xiàn)陣高頻為區塊狀，中頻逐漸發(fā)散狀，低頻點(diǎn)聲源的發(fā)散狀。以上模擬至少可以得出的結論為：

　　1、聲波中高頻的遠距離傳輸是與其垂直陣列的數量(長(cháng)度)關(guān)系不大。

　　2、陣列的長(cháng)度與其頻率波長(cháng)相關(guān)，且影響指向性變化較大。

　　3、陣列越長(cháng)其各個(gè)頻率指向性表現的越顯著(zhù)，以至于每個(gè)頻率都會(huì )隨著(zhù)陣列的長(cháng)度增加表現各異。

　　1.3 總結：

　　1.3.1  我們原本想通過(guò)線(xiàn)陣得到近場(chǎng)衰減 3dB的柱狀聲源，增加投射距離。實(shí)際上通過(guò)加大線(xiàn)陣長(cháng)度來(lái)獲得的柱狀聲波極為有限。柱狀聲源的形成只適合相對應的低頻頻率，且近場(chǎng)距離十分有限。尤其是中高頻通過(guò)增加音箱的數量并不能得到聲壓的疊加。線(xiàn)陣的長(cháng)度增加造成了聲源距離的增加，使得垂直指向性的減少。如果音箱之間的角度擴大就意味著(zhù)高頻的疊加損失。這是與用線(xiàn)性陣列來(lái)實(shí)現遠程投射的初衷相互矛盾。

　　1.3.2 我們想得到全頻段的相位重疊，獲得聲壓疊加，獲得更好的音質(zhì)。但是通過(guò)波長(cháng)和陣列的關(guān)系只能得到相鄰音箱的增量耦合疊加，且線(xiàn)陣越長(cháng)旁瓣越多，有害的干涉越多。在聲源距離大于二分之一波長(cháng)后，指向性逐漸尖銳，主瓣和付瓣的關(guān)系變化明顯，主瓣逐漸減小，旁瓣增多。聲壓只是臨近音箱之間的疊加，不能構成全部音箱的聲壓疊加，在遠程表現為聲壓不會(huì )變大，暗區范圍增加。

　　1.3.3  由于各個(gè)頻率隨著(zhù)陣列長(cháng)度的增加，表現的完全不同。其相位、傳輸頻率特性和均勻度特性都受到了很大的影響。在覆蓋范圍內，中低頻呈逐漸收窄的趨勢，中高頻呈現出狹窄的線(xiàn)狀聲源的趨勢，這樣就造成了在覆蓋區域內部的相位、聲壓、頻率的不一致，也得不到很好的傳輸特性和均勻度。

　　1.3.4 線(xiàn)性陣列高頻的聲波導的傳輸過(guò)程中，其狹窄聲道造成了聲染色;其過(guò)于彎曲的通道造成了高頻的損失，需要電子方式進(jìn)行彌補。這樣單只音箱的高頻響應、功率和最大聲壓受到了很大的壓縮。

　　1.3.5 由于陣列的長(cháng)度的增加，多組相同的聲源在不同的距離下產(chǎn)生的疊加方式不同，干涉的旁瓣也不同，這樣就會(huì )產(chǎn)生大量難以控制的波束形態(tài)，其指向性難以控制。同時(shí)多組不同聲源由于旁瓣的產(chǎn)生也會(huì )產(chǎn)生不可預知的相互調制，影響音質(zhì)。

　　1.3.6 由于線(xiàn)陣的發(fā)明，解決了在大型演出的舞臺搭建困難的問(wèn)題，這是非常顯著(zhù)的。線(xiàn)陣在音箱的數量上并沒(méi)有減少很多，仍然會(huì )造成了大量的搭建和搬運工作。

　　二、對于擴聲解決方案的新思考

　　通過(guò)大量的國內外一線(xiàn)品牌線(xiàn)性陣列的測量，對于線(xiàn)性陣列的遠程傳輸效果很多人早就發(fā)生了疑問(wèn)。同時(shí)上例中的 4 只音箱組成的短線(xiàn)陣我們可以稱(chēng)作為“波長(cháng)陣列”在遠距離傳輸時(shí)，與長(cháng)度為 24 只音箱的長(cháng)陣列表現相近，這樣給了我們很大啟發(fā)。

　　2.1  把低頻和中高頻分為兩種解決方案。由于低頻的波長(cháng)長(cháng)，延續點(diǎn)聲源構成柱狀聲源的原理，搭建成有限長(cháng)度的低頻陣列，其長(cháng)度不超過(guò)其 4 倍波長(cháng)，這樣可以得到有效疊加又可控的柱狀波。這是符合柱狀聲源的形成原理的。

　　2.2 既然垂直線(xiàn)陣無(wú)法實(shí)現高頻的有效疊加，我們又要減少陣列數量，可以把單只揚聲器在保證具有良好的高頻響應的下，通過(guò)做大聲壓來(lái)確保有限距離的高頻覆蓋。并且可以組成短陣列，這樣的效果好于加長(cháng)線(xiàn)陣的長(cháng)度，在有限的陣列長(cháng)度中不再追求實(shí)現線(xiàn)性聲源，卻以提高聲壓級、不均勻度和指向性能為最終目的。

　　2.3 為了獲得較大的垂直指向，需要減少陣列的長(cháng)度，保證主要頻段干涉減少。單只揚聲器在需要具有一定的垂直指向，又要保證縱向面的覆蓋。

　　2.4  采用盡可能簡(jiǎn)單方便的吊裝方式和控制方式，讓用戶(hù)使用方便。

　　在以上 4 點(diǎn)的目標設定下，我們進(jìn)行了方案實(shí)驗和測量。

　　三、具體解決方案

　　3.1 單體揚聲器的解決方案

　　突破傳統的線(xiàn)性聲源和點(diǎn)聲源的理論，由發(fā)明專(zhuān)利高頻聲波導技術(shù)和中低頻相位調整和壓縮技術(shù)的KE122主音箱完成主頻率還原(70Hz—19KHz)。充分發(fā)揮了驅動(dòng)單元的高頻延展能力，做到單只音箱的全頻段都保持在良好聲學(xué)物理特性，保證了單只音箱高效率和高聲壓的設計目標。嘗試解決了小體積大聲壓的行業(yè)難題，做到了在近似單15寸音箱的體積下，達到最大聲壓144dB。經(jīng)過(guò)物理層面的反復試驗，KE系列遠程音箱系統已經(jīng)找到了有效的聲波耦合方案。我們更希望可以讓系統簡(jiǎn)單好用，靈活輕便。

　　通過(guò)保留線(xiàn)性陣列聲波導的相位調節和分割聲源的優(yōu)勢，采用了大型低曲率的波導替代了傳統線(xiàn)陣的小型波導。我們稱(chēng)其為“3D束波聲源技術(shù)”。波導的開(kāi)口是逐漸展開(kāi)的，最終是一個(gè)大型的開(kāi)口面積，這樣減少了高頻的損失，減少了彎曲聲道帶來(lái)的聲染色問(wèn)題。在精確計算兩只揚聲器的振膜延時(shí)距離后，我們直接采用兩只高頻驅動(dòng)器共用一個(gè)傳輸腔體，把相位和耦合的問(wèn)題一起解決。這樣就大大的增加了整體中高頻的傳輸效率，使其靈敏度達到了116dB@16Ω 1m/1w,其最大聲壓級也可以達到 144dB。

　　對于中低頻我們也采用了接近物理極限的解決方案。采用了兩只大功率的 12 寸揚聲器單體，其非常緊密的靠近高頻的聲波導，以求得聲源距離的接近。同時(shí)這兩只揚聲器的布置并非傳統的縱向布置，而是水平呈一定的斜角布置。加上為其精心設計的相位器使其具有非常平順的中低頻響應的同時(shí)，提高了其靈敏度。這樣使低頻的最大聲壓也達到了144dB。整個(gè)音箱的全頻段的平均最大聲壓達到了143.6dB! 這樣的一切都是在具有水平65 度和垂直40度的指向特性，以及與傳統15寸音箱相近的體積大小上實(shí)現的。

　　3.2 實(shí)現簡(jiǎn)單陣列使用

　　通過(guò)進(jìn)行戶(hù)外的測量，兩只KE122系統可以實(shí)現輻射百米左右的簡(jiǎn)單陣列。

　　戶(hù)外實(shí)際測量結果(兩只高音相鄰放置陣列，距離地面2米，測量高度3米，聲壓的測量為1/48倍頻程，頻率的分度為3dB一格)。紅色線(xiàn)條是戶(hù)外環(huán)境對于音箱傳輸的影響。由于距離遠，空氣的流動(dòng)和環(huán)境的反射對于測量結果影響很大，故頻率響應和不均勻度發(fā)生變化。其通過(guò)聲級計測量105米得到聲壓級為115dB。

　　3.3 對于大型演出可以進(jìn)行短陣列的組合

　　號角旋轉90度后，其水平和垂直的方向互換。陣列采用固定角度的夾角方式，以求在保證中高頻疊加的前提下，垂直方向有較大的覆蓋能力，同時(shí)可以在陣列的最下方懸掛一只近場(chǎng)覆蓋音箱，保證整體的覆蓋面積。

　　通過(guò)垂直陣列的組合，其更像接近于得到相位修正和3D束波的點(diǎn)聲源，在垂直指向性方面不會(huì )得到太大的壓縮，故其指向性較為均勻。由于縮小了陣列的長(cháng)度從而減小了多級旁瓣的互調，同時(shí)相鄰揚聲器可以實(shí)現高頻的疊加，其全頻段的傳輸特性得到了改善。

　　兩個(gè)音箱以高音相對組合實(shí)現簡(jiǎn)單陣列，耦合效果良好，也可以根據工程需要進(jìn)行張角鏈接，輕松由飛機條調節所需張角。本組為最簡(jiǎn)單的組合方式。

　　水平陣列(號筒旋轉90度) ，垂直陣列(號筒旋轉90度)

　　號角旋轉后可以，實(shí)現水平陣列，完成有束寬的點(diǎn)聲源陣列組合，也可以實(shí)現垂直陣列，進(jìn)行大規模擴聲使用。

　　系統配置：

　　2*KE122，4*KE18L，1*KE1600A(KE四通道網(wǎng)絡(luò )智能功放1臺)

　　系統配置：

　　4*KE122,8*KE18L，2*KE1600A(KE四通道網(wǎng)絡(luò )智能功放2臺)

　　3D束波陣列8+4系統(單組)實(shí)物展示圖