淺析低音線陣列

文/[美]杰夫·貝里曼 編譯/何青青

使用音響系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者常常希望揚(yáng)聲器能像聚光燈那樣工作：選擇正確指向性的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，將它們朝著指定的方向輻射就可以了。當(dāng)然，這不是揚(yáng)聲器系統(tǒng)的工作方式，尤其對(duì)于低音揚(yáng)聲器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)。

普通的低音揚(yáng)聲器系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)幾乎接近全向性，但若將幾個(gè)堆疊起來(lái)，指向角度就變得有方向性了，也更復(fù)雜。想象一下，假如燈光也以同樣的方式工作：1只燈泡本來(lái)可以照亮整個(gè)房間，但4只燈泡組成一排同時(shí)使用就只能照亮房間的一部分了。

更糟的是，使用多組堆疊的低音——例如舞臺(tái)左右兩側(cè)堆疊的音箱，就會(huì)產(chǎn)生波干擾（也叫“梳狀濾波”），從而導(dǎo)致室內(nèi)不同地方、不同頻率點(diǎn)出現(xiàn)峰值和零位現(xiàn)象。如果燈光也以同樣的方式工作，那么，在室內(nèi)點(diǎn)亮2只相隔一定距離的白光燈時(shí)，房間會(huì)出現(xiàn)如彩虹般的彩色燈光。

除此之外，還有混響問(wèn)題，混響在時(shí)間維度方面會(huì)增加混淆和著色。燈光還沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的效應(yīng)。

面對(duì)這些現(xiàn)象，音頻專業(yè)人員應(yīng)該如何設(shè)計(jì)線陣列超低音箱及驅(qū)動(dòng)方案，使之能提供寬覆蓋面和高清晰度？

如果成功了，那么：

（1）低音會(huì)很清晰，而且整個(gè)聽(tīng)音區(qū)域都會(huì)保持音調(diào)連續(xù)平衡；

（2）低音聲級(jí)在整個(gè)聽(tīng)音區(qū)域都會(huì)跟中高頻平衡；

（3）混響和反射的負(fù)面影響會(huì)減少；

（4）設(shè)備的效率（每臺(tái)設(shè)備所產(chǎn)生的聲功率輸出）會(huì)增加。

1 超低音箱的聲學(xué)概念

1.1 波長(zhǎng)

幾乎一切與線陣列聲學(xué)特性有關(guān)的因素就是波長(zhǎng)。如果音箱或者線陣列的尺寸是波長(zhǎng)的1.5倍，那么，它的尺寸就比較“大”。 如果音箱或者線陣列的尺寸是波長(zhǎng)的1/3倍，那么，它的尺寸就比較“小”。

以下是幾種典型的波長(zhǎng)：

正常大氣溫度、壓強(qiáng)和濕度下，波長(zhǎng)換算公式如下：

1.2 指向性基本規(guī)律

普通的聲源，其指向性與尺寸成反比關(guān)系。如果物體尺寸小，那么，它的指向性就寬；尺寸大，指向性就窄（見(jiàn)圖1）。這里所謂的尺寸“小”和“大”是根據(jù)波長(zhǎng)測(cè)量，而不是英尺或米。

1.3 水平、垂直相關(guān)性

指向性的基本規(guī)律是相關(guān)地應(yīng)用于水平和垂直平面。比如，一只超低音箱的水平方向尺寸較大，而垂直方向尺寸較小，那么，它的水平指向性窄，垂直指向性寬。其非對(duì)稱模式如圖2所示。

1.4 多聲源和葉狀曲線

很多低音音箱采用兩組獨(dú)立的線陣列安裝在舞臺(tái)相反的兩側(cè)。這些線陣列有時(shí)堆放在地板上，有時(shí)被吊掛起來(lái)。

無(wú)論哪種方式，存在多個(gè)聲源就會(huì)產(chǎn)生物理學(xué)家們所說(shuō)的“聲干涉”，聲頻人員所說(shuō)的“梳狀濾波”或“波瓣”。圖3表示的是單只EV Xsub低音音箱在50 Hz時(shí)的指向性。在這個(gè)例子中，舞臺(tái)的尺寸是40英尺×20英尺，紅色線條是極坐標(biāo)圖，每條圓圈分界線表示6 dB，Xsub基本上是全指向性的。

圖4表明在舞臺(tái)對(duì)面一側(cè)增加另一只Xsub時(shí)所出現(xiàn)的情況（每條圓圈分界線表示6 dB），產(chǎn)生的結(jié)果完全不同，而且更糟。因?yàn)檫@2只低音音箱都是全向的，人們?cè)谑覂?nèi)能聽(tīng)到2只低音音箱的聲音。然而，這2只音箱到聽(tīng)音者之間的距離不相同（除非站在中間）。如果距離差等于半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，那么2只低音音箱出來(lái)的聲音相抵消，此時(shí)聽(tīng)不到低音，至少感覺(jué)聲音不是直接來(lái)自低音音箱。

這些波瓣會(huì)產(chǎn)生不平衡的低音音調(diào)和不一致的電平。在室內(nèi)場(chǎng)地，有一部分音調(diào)平衡問(wèn)題會(huì)被混響掩蓋，但是仍然缺乏清晰度。在室外，沒(méi)有混響，音調(diào)平衡問(wèn)題通常比較明顯。

圖5所示的是兩個(gè)實(shí)際例子里低音的特性，分別是堆放在地面上的一排超低音音箱和吊掛安裝的低音線陣列。惟一一個(gè)所有頻點(diǎn)都沒(méi)有波瓣的區(qū)域，就是從舞臺(tái)中心出發(fā)的直線。沿著這條線，低音最強(qiáng)且最清晰。這就類似“power alley”效應(yīng)（它是音頻工程中的一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，表示2只低音音箱之間的直線，每只低音音箱的輸出是同相，而且聲音明顯較大——譯者注），使得低音在混音位置聽(tīng)起來(lái)非常好，但是混音工程師卻不知道其他觀眾所聽(tīng)到的聲音效果如何。解決波柱問(wèn)題的最好方法就是將音箱堆放成一組放在舞臺(tái)中間位置，而不是堆放在左右兩側(cè)。這不管是對(duì)水平方向還是垂直方向的線陣列都有效。然而，這對(duì)于演出形式和設(shè)備操縱來(lái)說(shuō)往往不可行。

采用左右堆放布置方式時(shí)，使用堆放方式、波束形成技術(shù)或者有坡度的低音音箱都可以減少波瓣。不管怎樣，這一想法是為了減少2個(gè)堆放音箱的覆蓋區(qū)域之間的干涉。

1.5 波束形成技術(shù)（Beamforming）

采用這項(xiàng)技術(shù)，大型線陣列輻射的聲波就可以改變方向和形狀。Beamforming線陣列中，音箱是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的（或者分成一小組、一小組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)），每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)都有自己的延時(shí)和電平。

圖6和圖7是一組中等大小的典型低音線陣列是否運(yùn)用波束形成技術(shù)的不同效果（60 Hz）。圖中的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)是4只EV Xsub超低音。圖6是沒(méi)有采用波束形成技術(shù)的線陣列。圖7中，延時(shí)值使得低音朝舞臺(tái)后區(qū)方向輻射，這是增加舞臺(tái)兩側(cè)覆蓋范圍的典型方法。波束形成技術(shù)只適用于大型線陣列。要想控制小型線陣列的指向性則需要梯度技術(shù)（這一技術(shù)在本文其他部分講解）。

1.6 增益遮蔽（Gain Shading）

術(shù)語(yǔ)“遮蔽”意味著調(diào)整線陣列兩端及接近兩端的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。“增益遮蔽”是指調(diào)節(jié)（尤其是減少）線陣列其中一端的驅(qū)動(dòng)增益。

2 低音線陣列類型

在專業(yè)音頻中，低音線陣列按照聲波輻射的輻射方向有三種類型。

2.1 垂射線陣列（Broadside Arrays）

2.1.1 垂射線陣列

垂射線陣列是指幾只低音音箱分布成一排（或者進(jìn)行堆疊），主要的輻射波是垂直于線陣列。垂射線陣列是實(shí)際應(yīng)用中最普遍的形式，這是大多數(shù)場(chǎng)所中能見(jiàn)到的典型的低音分布模式，采用堆放（水平排列）或者吊掛（垂直排列）。

垂射線陣列應(yīng)用得如此普遍，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)和設(shè)置它們都很容易。然而，這種方式在較寬區(qū)域獲得好的低音效果還需要一些條件。圖9～圖12顯示出了一些基本規(guī)則。

圖9顯示了長(zhǎng)線陣列有著較窄的覆蓋角度，而短線陣列的覆蓋角度則較寬。

圖10表明直線型線陣列的覆蓋角度會(huì)變得更窄，且隨著頻率的增加會(huì)出現(xiàn)更多的波瓣。曲線型線陣列如果長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，其指向性就更恒定。

圖11所示的是階梯型線陣列，其本質(zhì)上跟傾斜線陣列相似。在考慮演出風(fēng)格和外觀時(shí)，為避免使用傾斜線陣列，就采用了階梯型線陣列。

圖12表明，由于覆蓋角度加寬，階梯型線陣列可以代替曲線型線陣列。這種情況下，階梯型線陣列的聲效更好。

2.1.2 堆放型線陣列

（1）覆蓋寬度

水平堆放在一起的線陣列，其覆蓋角度寬度往往是個(gè)問(wèn)題。若直線排列的低音線陣列長(zhǎng)度超過(guò)10英尺（3 m），那么，對(duì)大多數(shù)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)其指向性太強(qiáng)。

比如，圖9表明一組由4只EV Xsub低音音箱組成的線陣列，其覆蓋角度在60 Hz時(shí)只有90°。在更高的頻點(diǎn)時(shí)，覆蓋角度甚至更窄。

圖10中左邊的圖是一個(gè)更明顯的例子。這是一組由6只EV Xsub低音音箱組成的線陣列，線陣列本身長(zhǎng)度大約為24英尺（7.3 m）。這個(gè)例子表明頻率在60 Hz時(shí)覆蓋角度為60°，而且與頻率相關(guān)。通過(guò)將線陣列擺成曲線型或者階梯型（見(jiàn)圖12），或使用波束形成技術(shù)等，都可以使得覆蓋角度模式變寬、變平滑。

（2）左右擺放的線陣列系統(tǒng)

對(duì)于左右擺放的線陣列系統(tǒng)，不但應(yīng)了解每一組線陣列的覆蓋角度，還要考慮這兩組線陣列的覆蓋角度。

如果能很好地控制其指向性，就可以使左邊的線陣列只覆蓋左邊觀眾區(qū)，右邊的線陣列只覆蓋右邊觀眾區(qū)。但是這樣做是不可能的，因?yàn)楦采w區(qū)域重疊，且產(chǎn)生波瓣。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性就是減少波瓣的同時(shí)又能覆蓋整個(gè)聽(tīng)眾區(qū)。

當(dāng)線陣列尺寸長(zhǎng)于10英尺（3 m）時(shí)，就可以利用其窄覆蓋角度特性來(lái)減少波瓣。將左右兩組低音線陣列朝舞臺(tái)外輻射，就可以減少中間區(qū)域的重疊覆蓋，同時(shí)還能增加總體覆蓋面。圖13就說(shuō)明了這點(diǎn)。圖13的右邊示意圖中，低音線陣列是以30°的擺放角度朝舞臺(tái)外輻射。null值變淺，90 Hz時(shí)的覆蓋角度也已得到改善。

波束形成技術(shù)和朝舞臺(tái)外輻射這兩種方式可以達(dá)到類似的效果。圖14所示的是將波束延時(shí)技術(shù)應(yīng)用于圖13那組線陣列中的效果圖，結(jié)果還不錯(cuò)。

（3）大型中心堆疊線陣列

在大型場(chǎng)所或室外舞臺(tái)，使用低音堆疊方式往往較方便，連續(xù)擺放的線陣列橫穿舞臺(tái)前面。如果波束延時(shí)技術(shù)用在這種結(jié)構(gòu)中，效果會(huì)非常不錯(cuò)。圖15是一排由12只Xsub超低音音箱組成的線陣列的指向性，其延時(shí)經(jīng)過(guò)了優(yōu)化。

圖15展示了波束延時(shí)技術(shù)的一個(gè)細(xì)節(jié)，值得關(guān)注，對(duì)比一下延時(shí)值表格，就會(huì)注意到延時(shí)值不是等量變化，越靠近線陣列的末端，等級(jí)值會(huì)變大。這種情況比較典型。當(dāng)你設(shè)計(jì)波束延時(shí)（使用LAPS或者其他一些模型工具），也許會(huì)發(fā)現(xiàn)在線陣列兩端會(huì)出現(xiàn)更大的延時(shí)值，輻射方向和波束展寬應(yīng)用方面都會(huì)取得更好的效果。

圖16和圖15中顯示的線陣列覆蓋角度模式相同。但是圖16中的線陣列沒(méi)有使用波束形成技術(shù)。其覆蓋角度比較窄，且與頻率更相關(guān)。這類線陣列很適用于覆蓋距離遠(yuǎn)且窄的場(chǎng)所（比如巡游路線），但對(duì)于一般的音樂(lè)會(huì)，則建議用圖15中的波束延時(shí)方案。

2.2 梯度線陣列（Gradient Arrays）

梯度線陣列是以特定的方式排列和驅(qū)動(dòng)的，以便其指向性模式能像傳聲器指向性那樣呈現(xiàn)心形或超心形。這種線陣列的低音音箱有多功能驅(qū)動(dòng)通道（包括延時(shí)、濾波或極性反轉(zhuǎn)等），以便達(dá)到某些效果。購(gòu)買梯度線陣列后，可以作為單獨(dú)的音箱使用，也可以把一只只低音音箱進(jìn)行組合。

2.3 端射線陣列（Endfire Arrays）

它是由數(shù)只低音音箱以一定的距離間隔和所要求的輻射角度排列組成的，并且以相繼延時(shí)的方式驅(qū)動(dòng)，以便產(chǎn)生比較窄的覆蓋角度。端射線陣列是一種等效于槍型傳聲器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。端射線陣列非常少見(jiàn)，只在特定遠(yuǎn)距離投射場(chǎng)所、戶外或者大型場(chǎng)所使用。

（本文編譯自www.prosoundweb.com相關(guān)文章。）