巨聲視聽(tīng) | 研究超低音揚聲器陣列，尋找理想的線(xiàn)條 （一）

　　本系列的第一部分著(zhù)眼于優(yōu)化超低音揚聲器陣列色散模式的不同算法，評估其性能，并將結果與物理陣列配置上的測量結果進(jìn)行比較。

　　在舞臺前方分配超低音揚聲器并通過(guò)數字信號處理或物理設置改善配置的色散模式的優(yōu)勢是眾所周知的，并在許多應用中使用。計算延遲值的算法通常在制造商的軟件中實(shí)現，用戶(hù)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)。使用不同的程序時(shí)，可以看出，不同軟件解決方案之間相同陣列配置的計算參數不同。由于水平換能器陣列的理論及其輻射行為已經(jīng)在一些出版物中進(jìn)行了詳細分析，因此了解哪些方法通常用于計算延遲參數，它們如何影響方向性以及哪種方法提供最佳性能似乎很有趣。

　　本系列文章概述了不同算法的結果，評估了它們在獨立仿真環(huán)境中的性能，并將結果與物理陣列配置上的測量結果進(jìn)行了比較。第1部分總結了使用來(lái)自不同軟件的算法進(jìn)行的參數化研究的結果，以顯示其方法之間的偏差。第 2 部分介紹了基于客觀(guān)指標的比較，以評估模擬陣列配置的性能。在現場(chǎng)測試中使用一系列參數。第 3 部分分析了模擬和測量的聲場(chǎng)。

　　超低音揚聲器系統的頻率范圍通常在30 Hz和100 Hz之間，專(zhuān)用超低音揚聲器系統有時(shí)在此范圍以下運行，而主系統則在此范圍之上運行。

　　陣列的輻射方向圖取決于單個(gè)聲源的單個(gè)方向性和物理陣列配置。由于目標頻率范圍內的波長(cháng)(11.32 m – 3.43 m)，超低音揚聲器通常被認為是全向的。但是，有出版物指出，對于整個(gè)超低音揚聲器系列來(lái)說(shuō)，情況并非如此1 。除了聲壓增加之外，陣列中多個(gè)元件的排列擴展了聲源的聲學(xué)相關(guān)尺寸，并在低頻下實(shí)現了更高的方向性。陣列的總長(cháng)度決定了水平面上的輻射方向圖。與較短的陣列相比，較長(cháng)的陣列在相同頻率下具有更高的方向性。隨著(zhù)聲源之間距離的增加，監聽(tīng)位置的相對相移增加，導致破壞性干擾和不均勻的輻射行為。為了消除這些影響，元素的分離不應超過(guò)陣列再現的最高頻率波長(cháng)的一半。

　　為了滿(mǎn)足所需的聲壓級和空間條件，可能需要優(yōu)化輻射方向圖。因此，可以調整源之間的相對時(shí)間和級別關(guān)系。外部元素上更大的延遲會(huì )增加源的虛擬位移。這降低了主輻射方向的聲壓級，并擴大了主葉，以實(shí)現預期的色散模式。

　　為了了解如何設計延遲算法的方法，進(jìn)行了參數化研究，以分析給定輸入參數集的結果延遲值dt。輸入參數是元素 n 的數量、元素 d 之間的距離或得到的長(cháng)度 L 以及標稱(chēng)開(kāi)口角度α。機械配置參數之間存在以下關(guān)系：

　　如果機械配置受揚聲器類(lèi)型的影響，則需要特別注意，例如，揚聲器的尺寸會(huì )改變陣列的機械配置，從而影響dt。要創(chuàng )建適當的測試環(huán)境，應在每個(gè)軟件中使用相同的條件。

　　在測試過(guò)程中，觀(guān)察到軟件(SW)為設置環(huán)境條件提供了不同的選項，例如溫度或聲速c0。所有測試均使用343m/s或20攝氏度的溫度。為了減少揚聲器型號的影響，在分析中選擇了18英寸或類(lèi)似尺寸的揚聲器，每個(gè)位置一個(gè)揚聲器。然而，大多數彎曲算法被發(fā)現與揚聲器類(lèi)型無(wú)關(guān)。

　　對六種算法進(jìn)行了二十二(22)次測試，分為三個(gè)系列。在每個(gè)系列中，一次只更改一個(gè)參數，即元素之間的距離、元素的數量和標稱(chēng)開(kāi)口角度。測試包括極端值，例如大于180°的α，元件之間的距離非常小或偶數個(gè)揚聲器的行為。除了對絕對延遲值的分析外，還研究了一般延遲策略和軟件特定特征。

　　對六種算法進(jìn)行了二十二(22)次測試，分為三個(gè)系列。在每個(gè)系列中，一次只更改一個(gè)參數，即元素之間的距離、元素的數量和標稱(chēng)開(kāi)口角度。測試包括極端值，例如大于180°的α，元件之間的距離非常小或偶數個(gè)揚聲器的行為。除了對絕對延遲值的分析外，還研究了一般延遲策略和軟件特定特征。

　　元 件 間 距

　　元件之間的距離決定了陣列可以再現的最高頻率，而不會(huì )對主波瓣造成破壞性干擾。這種關(guān)系可以用波長(cháng)來(lái)描述：

　　在大多數軟件程序中，乘數 kλ定義為 0.5，等于較高截止頻率波長(cháng)的一半。但是，兩個(gè)程序給出 kλ的 0.66。這導致觀(guān)眾區中更強的聲壓變化。為了盡可能減少梳狀濾波，fmax在本文的上下文中引用了 kλ 0.5。

　　對于第一系列實(shí)驗，標稱(chēng)值α = 90°和n = 8保持不變。所有算法都使用元素之間的恒定距離進(jìn)行計算。圖 1 顯示了陣列元素在 0.6 m 和 2.5 m(分別為 fmax = 286 Hz 和 69 Hz)之間的距離(以毫秒為單位)的延遲值上的歸一化虛擬位置。

　　圖1

　　菱形描述了聲源的虛擬位置。僅顯示為兩個(gè)測試提供最大和最小延遲值的算法。元素間距為 0.6 m 時(shí)，差異很小，外部元素的最大值為 1.9 ms。當元件間距為 2.5 m 時(shí)，SW1 和 SW2 之間的偏差急劇增加到 3.6 ms。這相當于1.2 m的物理路徑差和100 Hz時(shí)130°的相移。

　　陣 列 長(cháng) 度

　　數組的長(cháng)度可以通過(guò)添加更多元素來(lái)改變，而 d = 1.05 m ( fmax = 163 Hz) 和 α = 90° 保持不變。在這里，SW2的一個(gè)特殊功能變得清晰起來(lái)。對于小角度或短數組，此算法不設置延遲，請參見(jiàn)圖2。

　　圖2

　　該算法根據陣列長(cháng)度為配置定義最小覆蓋角度。陣列越長(cháng)，此標稱(chēng)覆蓋角度越小。對于給定的L = 3.15 m的例子，它被定義為93°。對于小于此覆蓋角度α開(kāi)口角度，未指定延遲值。本軟件未就此提供任何進(jìn)一步的信息。此外，沒(méi)有找到與已知數組理論相對應的數學(xué)關(guān)系。隨著(zhù)陣列長(cháng)度的增加，此測試系列中延遲值之間的差異也會(huì )增加。

　　開(kāi) 口 角 度

　　分析開(kāi)口角度依賴(lài)關(guān)系對于測試特別重要。此值用于優(yōu)化特定受眾區域的輻射方向圖。在本測試系列中，該陣列由12個(gè)相距1.05 m的元件組成。從圖3可以看出，定性形狀隨著(zhù)曲率的增加而發(fā)散。

　　圖3

　　SW6是唯一一種向外部揚聲器進(jìn)行幾乎線(xiàn)性增加的算法。SW1 為所有彎曲角度設置最小的延遲時(shí)間。與其他算法相比，外部元素的增加更慢，更連續。該軟件和SW6不允許打開(kāi)角度大于180°。對于較大的開(kāi)口角度，從當前參數中減去與 180° 的差值。α = 210° 和 α = 150° 的延遲值是相同的。對于 SW2、SW4 和 SW5 的算法，采用了類(lèi)似的方法。但是，它們不能提供高于180°的結果。只有 SW3 為超過(guò) 180° 的開(kāi)啟角度提供遞增的延遲值。如前所述，可以看出，SW2 不會(huì )將任何延遲時(shí)間設置為低于最小覆蓋角度。對于此配置，它由 32° 定義。SW4提供最長(cháng)的延遲時(shí)間，因此將大量能量引導到側面。沒(méi)有一個(gè)軟件解決方案使用增益錐度來(lái)影響陣列配置的輻射特性。

　　結 論

　　盡管陣列系統有已知的分析描述和復雜的模型，但可以觀(guān)察到結果的高度偏差。相同的輸入參數會(huì )導致數組元素的延遲時(shí)間在數量上存在顯著(zhù)差異。此外，優(yōu)化軟件在定性彎曲方法上顯示出很大差異。從 SW3 和 SW4 的明顯、幾乎圓形的曲率行為來(lái)看，預計主最大值將大幅擴大。使用SW1，用戶(hù)可以獲得更短的延遲時(shí)間，并具有更橢圓的輪廓。SW6 是唯一一種延遲時(shí)間幾乎線(xiàn)性增加的算法。

　　參考文獻

　　(1)Hill，A. J. (2018年8月30日 – 9月2日)?，F場(chǎng)擴聲中低音炮陣列和集群的實(shí)際考慮因素(會(huì )議文件)。第三屆擴聲國際會(huì )議，Struer。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Tobias Goldmann獲得了聲學(xué)工程碩士學(xué)位。他的工作重點(diǎn)是聲音系統的分析、建模和表征。

　　目前，他是德國專(zhuān)業(yè)揚聲器公司TW AUDiO的開(kāi)發(fā)工程師 ，并且是AES和DEGA的成員。