【聲學(xué)基礎】揚聲器群組設計之陣列（Loudspeaker Cluster Design---Array）

　　基本概念】

　　1 陣列(array)

　　它指的是將多個(gè)音箱或揚聲器系統組合在一起，以形成一個(gè)整體的聲音輸出系統。它們可以水平排列、垂直堆疊或以其他方式布置，旨在提供更廣泛的覆蓋范圍和更均勻的聲場(chǎng)分布。

　　2 揚聲器陣列(loudspeaker array)

　　它是一種特定類(lèi)型的將多個(gè)揚聲器組合在一起，以共同工作并產(chǎn)生所需的聲壓級和頻率響應的陣列。

　　最早期的揚聲器陣列通常由多個(gè)單獨的揚聲器組成，它們被安裝在一起以實(shí)現更好的聲音覆蓋范圍和聲場(chǎng)效果。然而，這種設計存在一些問(wèn)題，例如聲音的定位不準確和產(chǎn)生混響等。為了解決這些問(wèn)題，第二代揚聲器陣列應運而生。與最早期的揚聲器陣列相比，第二代采用了更先進(jìn)的技術(shù)和算法來(lái)改善聲音的定位和均衡。它通常包括自適應波束成形和數字信號處理等功能，可以根據環(huán)境和聽(tīng)眾位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，從而提供更清晰、準確和沉浸式的音頻體驗?？偟膩?lái)說(shuō)，第二代揚聲器陣列在音質(zhì)和效果方面相較于最早期的設計有了顯著(zhù)的提升。

　　第一代揚聲器陣列是早期的設計，它使用多個(gè)單獨的揚聲器單元排列在一起。每個(gè)揚聲器單元負責放大和播放特定的頻率范圍。以下是第一代揚聲器陣列的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

　　一：它的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)靈活性：可以根據需要自由調整揚聲器單元的數量和位置，以適應不同的音頻要求。

　　(2)投影控制：由于揚聲器單元分開(kāi)放置，可以更好地控制聲音的投影方向和覆蓋范圍。

　　(3)可靠性：如果一個(gè)揚聲器單元出現故障，其他單元仍然可以繼續工作，降低了系統的故障風(fēng)險。

　　二：它的缺點(diǎn)：

　　(1)大尺寸：由于需要安裝多個(gè)揚聲器單元，第一代陣列通常體積較大，難以安裝在空間有限的環(huán)境中。

　　(2)對準問(wèn)題：由于揚聲器單元相互獨立，可能存在聲音未能對準或者產(chǎn)生干涉的問(wèn)題。

　　(3)相位差異：因為每個(gè)揚聲器單元都是獨立放置的，可能會(huì )導致聲音在不同位置相位差異較大，從而影響音頻的準確再現。

　　第二代揚聲器陣列是對第一代設計的改進(jìn)，它采用線(xiàn)性排列的揚聲器單元，并且在電子層面上進(jìn)行相位和時(shí)間校正。以下是第二代揚聲器陣列的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

　　一：它的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)同軸放置：所有揚聲器單元都放置在同一個(gè)平面上，使得聲音更加準確地定位和聚焦。

　　(2)相位校正：通過(guò)電子處理來(lái)校正不同揚聲器單元之間的相位差異，提供更一致的聲音表現。

　　(3)尺寸和安裝：相較于第一代陣列，第二代陣列通常體積更小，更易于安裝在各種場(chǎng)景中。

　　二：它的缺點(diǎn)：

　　(1)復雜性：第二代揚聲器陣列需要更復雜的電子調整和校正，從而增加了系統的復雜性和成本。

　　(2)依賴(lài)電子處理：相較于第一代陣列，第二代陣列更依賴(lài)電子設備的支持，如果電子處理出現問(wèn)題，可能會(huì )影響整個(gè)系統的工作。

　　(3)成本：由于技術(shù)的升級和額外的電子處理，第二代陣列通常比第一代陣列更昂貴。

　　最新的揚聲器陣列技術(shù)是一種聲音增強和定向傳播的技術(shù)，它使用多個(gè)揚聲器單元組成一個(gè)陣列，以改善聲音的分布和覆蓋范圍。下面是兩種最新的揚聲器陣列技術(shù)：

　　(一)波束成形技術(shù)(Beamforming Technology)：它是一種用于聚焦和定向音頻信號的技術(shù)。這種技術(shù)利用數字信號處理(DSP)和多個(gè)微小揚聲器單元來(lái)生成一個(gè)具有定向性的聲波束。通過(guò)調整每個(gè)揚聲器單元的相位和振幅，可以形成一個(gè)聚焦的聲束，將聲音集中在特定的方向上。這種技術(shù)可以用于室內和室外場(chǎng)景，例如會(huì )議室、音樂(lè )表演或體育場(chǎng)館，以提供更清晰、準確的聲音。

　　以下是揚聲器波束成形技術(shù)的詳細介紹：

　　(1)原理：揚聲器波束成形技術(shù)基于聲學(xué)波束成形原理。波束成形通過(guò)將多個(gè)揚聲器單元的輸出進(jìn)行合理的相位和幅度控制，使得聲波在特定方向上疊加和干涉，形成一個(gè)集中的、窄束狀的聲場(chǎng)。這樣一種定向性的聲場(chǎng)可以達到更好的聲音聚焦效果，減少了散射和反射，從而提高了聲音的清晰度和可聽(tīng)性。

　　(2)多個(gè)揚聲器單元：揚聲器波束成形技術(shù)通常需要使用多個(gè)揚聲器單元。每個(gè)揚聲器單元負責發(fā)出特定的聲音信號，并經(jīng)過(guò)信號處理算法的調整，使得各個(gè)揚聲器單元的輸出相互協(xié)同，形成目標方向上的波束。揚聲器單元的選擇和布置位置對于波束成形的效果至關(guān)重要。

　　(3)信號處理算法：揚聲器波束成形技術(shù)依賴(lài)于先進(jìn)的信號處理算法。這些算法通過(guò)對輸入音頻信號進(jìn)行分析和處理，確定各個(gè)揚聲器單元的相位和幅度調整參數，從而實(shí)現聲波的合成和定向。常見(jiàn)的信號處理算法包括波束形成算法、自適應濾波算法、時(shí)域和頻域分析等。

　　(4)應用領(lǐng)域：揚聲器波束成形技術(shù)廣泛應用于會(huì )議系統、語(yǔ)音增強、音樂(lè )表演等場(chǎng)景。在會(huì )議系統中，可以通過(guò)揚聲器波束成形技術(shù)將發(fā)言人的聲音聚焦在聽(tīng)眾區域內，減少背景噪音的干擾，提高語(yǔ)音清晰度。在語(yǔ)音增強方面，可以通過(guò)波束成形技術(shù)來(lái)改善遠距離通信中的語(yǔ)音質(zhì)量。在音樂(lè )表演中，可以使用波束成形技術(shù)將聲音精確投射到特定的聽(tīng)眾區域，提供更好的音頻體驗。

　　(二)自適應陣列技術(shù)(Adaptive Array Technology)：它是一種利用多個(gè)揚聲器和麥克風(fēng)組成的系統，通過(guò)自動(dòng)調整揚聲器輸出信號以適應環(huán)境和聽(tīng)眾位置的技術(shù)。這種技術(shù)利用麥克風(fēng)陣列和信號處理算法來(lái)實(shí)現自動(dòng)聲源定位和抑制噪聲。麥克風(fēng)陣列由多個(gè)麥克風(fēng)單元組成，并通過(guò)對各個(gè)麥克風(fēng)信號進(jìn)行加權、延遲和相位調節等處理，可以實(shí)現對特定聲源的增強和其他方向的抑制。這種技術(shù)可以應用于語(yǔ)音識別、會(huì )議系統、無(wú)線(xiàn)通信等領(lǐng)域，提高聲音的清晰度和可懂性。

　　以下是揚聲器自適應陣列技術(shù)的工作原理：

　　(1)麥克風(fēng)陣列：使用多個(gè)麥克風(fēng)組成的陣列可以捕捉到不同位置的聲音，并提供給系統用于分析和處理。

　　(2)信號處理：通過(guò)將麥克風(fēng)陣列捕獲到的聲音信號與預設的算法進(jìn)行比較和處理，系統可以確定聽(tīng)眾所處位置和環(huán)境條件。

　　(3)揚聲器控制：基于信號處理結果，系統可以自動(dòng)調整每個(gè)揚聲器的輸出，以產(chǎn)生最佳的聲音效果。例如，在靠近聽(tīng)眾的揚聲器可能會(huì )被放大，而遠離聽(tīng)眾的揚聲器可能會(huì )被減小。

　　(4)實(shí)時(shí)反饋：通過(guò)不斷分析麥克風(fēng)陣列的輸入信號和環(huán)境條件，系統可以實(shí)時(shí)調整揚聲器輸出，以適應任何變化的環(huán)境和聽(tīng)眾位置。