同心疊加陣列技術解析
——以EAW AX系列揚聲器為例

編譯/冀 翔，楊 照

（深圳易科聲光科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

專業揚聲器設計的主要目標是對以下三個指標進行優化：尺寸、重量和性能。尺寸和重量通常由一系列目標應用場景所定義，性能則在這些條件的制約下得到優化。例如，使用釹磁的高輸出換能器能夠讓設計師在一定系統重量的限制下提供更高的聲壓級。

得益于先進的建模軟件，新的號筒設計和更好的換能器布局為單一揚聲器和揚聲器陣列模塊帶來了更好的指向性控制。但是揚聲器偏軸向響應的一致性和對稱性在很長一段時間都沒有什么進步。多數音響系統設計都希望通過盡可能少的揚聲器來覆蓋盡可能多的聽音者，在這種應用場景下，絕大多數聽音者都位于揚聲器的偏軸向。本文中將探討常規揚聲器設計的局限性以及其在偏軸向響應上所體現出的問題，同時展示針對這些問題的一些現有解決方案和新方法。

1 分頻揚聲器設計的挑戰

采用分頻式設計的全頻揚聲器的物理設計在過去的30～40年間幾乎沒有什么變化。大多數的設計將可聞頻率范圍劃分為不同的帶通頻段，每個頻段都有專屬的換能器。常見的配置是劃分3個頻段，通過號筒負載式換能器和直接輻射式換能器的組合來進行重放。將這種驅動器的組合與有源和/或無源的電子濾波電路相結合，則能夠提供將近3個十倍頻的帶寬。通過號筒和/或調整若干個重放相同頻段換能器的間距可以進行指向性的優化。在理想條件下，揚聲器系統應該能夠在整個重放頻帶中保持同樣的指向性或者波束寬度。盡管如此，最低頻段較大的波長帶來了挑戰，因為它們需要號筒、驅動器和/或者驅動器間距與波長的尺寸接近，這樣才能夠獲得比球體（全指向）更加尖銳的指向性。揚聲器設計者不得不在最大號筒尺寸或換能器間距和最小箱體尺寸及重量之間做出取舍。揚聲器組件的安裝位置必須精準定位，盡可能多地利用揚聲器正面。

幾何設計所面臨的問題則與設計者的意圖相違背。低頻換能器必須為大尺寸且為圓形。它們通常需要被直接固定在揚聲器箱體的前障板上，該障板的尺寸通常小于低頻號筒。在一個矩形障板上開圓形的孔會造成浪費，占用原本可以用于高頻的矩形號筒所需要的表面積。圖1展示了一個常規揚聲器前面板布局如何浪費了寶貴的空間。

圖1 常規揚聲器設計中浪費障板表面積并減小號筒尺寸示意圖

在中頻和高頻裝置分離的系統中，每個頻段都需要單獨的號筒。設計師不得不做出另一項妥協，即在最小箱體尺寸和號筒低頻下限的有效指向性控制之間做出權衡。這種妥協的結果是，中頻號筒和高頻號筒至少有一個邊（寬或高）的尺寸會小于理想狀態，以犧牲對號筒低頻下限的指向性控制為代價來獲得較小的箱體。每個號筒的工作頻率下限為：

其中，fmin是號筒指向性強于全指向的最低頻率，S是1 129 ft/s（聲速），D是號筒開口的相關尺寸（高對應垂直方向，寬對應水平方向）。系數4則表示了這樣一個事實，即號筒會對波長在其尺寸4倍之內的頻率具有某種程度的控制。

圖1所展示的前面板布局會造成顯著的偏軸向非對稱性。這種非對稱性會出現在兩個聲學分頻點上：一是出現在低音單元與中音單元的水平交界處，另一個則出現在中音單元與高音單元的垂直交界處。上述系統的極性圖不會呈現對稱的狀態，即水平方向上-x的響應和水平方向上+x的響應不同。這是由于這些存在物理間距的換能器到達在測量點的時間差所導致的。

除了非對稱性外，換能器的物理間距會導致揚聲器前方的偏軸向響應永遠無法達到理想的狀態，這些位置上的聲學響應偏差也會隨著與揚聲器距離的不同而發生變化。圖2展示了上述系統的俯視圖，用圓點代表3個換能器的聲學中心。除此之外，1個代表觀察點的傳聲器，位于揚聲器正前方，圖2中所給出的數據是基于遠場測量獲得的。為了更好地描述這種現象，圖中顯示的數據也可以被認為是對3個朝向相同的實際聲源進行測試后獲得的結果。

圖2 3個點聲源在遠場測得的軸向幅度響應和脈沖響應

在軸向上，這3個聲源中的每一個都對系統的整體響應做出了貢獻。但是，如脈沖響應所示，由于它們在時間上沒有對齊，所以幅度響應中出現了多個明顯的抵消點。

通過外部電子延時，2個較早到達的聲源被延后至距離觀察點最遠的聲源。這樣帶來的結果是脈沖響應中所顯示的單一到達能量以及平滑的幅度響應。這是觀察點到達每個聲源的路徑相等所帶來的結果，如圖3所示。

但在偏軸向上，測量的結果又出現了問題。獲得良好響應結果所需要的延時量總是受到觀察路徑的影響。因此，對3個聲源進行對齊的延時量需要隨著觀察點的變化而變化。如圖4所示，偏離軸向會導致觀察點遠離右側聲源，靠近左側2個聲源。如果采用圖3中所使用的延時設置，會導致2個較早到達的能量和1個顯著滯后到達的能量。在此觀察點上，延時量需要進行更改和調整。這種現象為視在頂點誤差（Apparent Apex Error）。值得一提的是，雖然對上述3個聲源進行濾波處理能夠改善整體的頻率響應，但脈沖響應仍然會呈現同樣的問題。不同聲源到達觀察點的時間差仍然存在，進而弱化系統的沖擊力。

為了改善偏軸向響應的平滑度和對稱性，所有換能器必須以對稱方式放置，并且物理上的距離差（在x,y,z三個維度上）越小越好。此外，號筒尺寸應盡可能大，以獲得對其頻率下限的指向性控制。這樣獲得的系統則能夠提供更好的單體性能，并且能夠在組成陣列時表現出更好的特性。

圖3 通過延時將3個聲源進行對齊后遠場測得的軸向幅度響應和脈沖響應

圖4 通過延時將3個聲源進行對齊后遠場測得的30°偏軸向幅度響應和脈沖響應

圖5 KF750的示意圖

2 利用傳統換能器進行設計

2.1 同軸號筒

一些現有設計已經能夠成功地滿足這些條件。EAW KF750將3個聲源排布在一條線上。這種設計讓3個換能器聲學中心的連線垂直于揚聲器表面。偏軸向響應在垂直和水平平面上都是對稱的。如圖5所示，這一結果是通過增加中頻號筒尺寸使其占據整個揚聲器表面來獲得的。高頻號筒被放置在中頻號筒內，低頻換能器則被嵌入在中頻號筒的側壁上。這樣的結果就是一個偏軸向響應和時間一致性均得到改善的緊湊型系統。

盡管如此，這種設計仍然面臨一些問題和挑戰。高頻號筒的開口必須保持一個小尺寸：無論是寬度還是高度都不可以超過中頻號筒所輻射的最小波長。此外，高頻號筒變成了中頻聲源的障礙物。即便滿足上述條件，這種布局仍然會帶來一些制約。首先，中頻號筒開口的輻射特性為環形輻射器而非平面聲源。如圖6所示，高頻的指向性的劣化更為嚴重（備注：KF850和KF850z通過將高頻號筒置于中頻號筒前方的方式將中頻號筒的尺寸最大化。由于低頻波長非常長，高頻號筒并沒有成為其障礙物。盡管這種設計增加了中頻號筒的開口尺寸，但并未獲得高頻和中頻換能器的空間隔離）。

圖6 平面聲源的極性響應圖（左圖）與同尺寸環形輻射器的極性響應圖（右圖）

圖7 KF750各換能器在軸線上的物理位置差仍然需要通過電子延時進行補償

圖8 KF730/KF761揚聲器的示意圖

這樣的結果決定了該設計適用于強指向性系統，但由于中頻指向性在偏軸向上的快速劣化，該設計不適用于寬指向性系統。

此外，盡管聲源排列在同一直線上，仍然需要延時將軸線上的聲源進行對齊，如圖7所示。盡管并不嚴重，但這種對齊方式的偏軸向響應仍然會受到視在頂點誤差的影響。當這樣的設計用于KF750這種強指向揚聲器中，這種效應所帶來的影響直到觀察點超出系統額定覆蓋范圍之外才會凸顯出來。

將中頻換能器置于高頻號筒的開口中讓號筒完全占據揚聲器箱體的前面板是獲得最大號筒開口尺寸的方法。一種實現方式是將2個或4個中頻換能器固定在號筒的開口側壁上，該號筒則可能是1個或多個高頻壓縮驅動器的負載，低頻換能器被安裝在號筒外部（如圖8所示）。如果低頻和中頻換能器在水平平面上的間距均為對稱排布，它們的聲學中心則能夠與高頻聲學中心在軸線上對齊，該軸線同樣垂直于揚聲器箱體的前面板。這種設計可以滿足緊密排布的線陣列所需要的垂直對稱性。而對于場地的均勻覆蓋則需要在水平方向上獲得對稱性，這一要求也可以通過該設計予以實現。

當然，這一設計也存在一定的制約。中頻換能器在水平方向上的間距以及將它們和高頻換能器對齊所需的延時仍然會產生視在頂點誤差。在這種設計中，中頻換能器的尺寸和位置需要經過謹慎仔細的挑選，它們也通過了一種專門為此類揚聲器系統所設計的開孔來投射能量。這些設計消除了揚聲器波束寬度的不一致。在KF750中，中頻換能器之間的水平間距和低頻換能器之間的水平間距提升了系統在額定覆蓋角之外的聲能抑制能力。盡管如此，由于這些換能器的間距定義了系統的波束寬度，此種設計無法與其他水平方向的覆蓋角進行匹配。

2.2 真正的同軸設計：新的方法

如果中頻和高頻能夠通過一個同軸換能器來輻射能量，它們就可以使用一個單一的號筒作為負載。號筒尺寸可以最大化，水平和垂直方向上的覆蓋角能夠在很寬的工作頻帶內實現對稱。

但是，這種解決方案帶來了制造工程上的諸多挑戰。同軸換能器的設計通常被用于2分頻的寬指向全頻揚聲器。它們通常采用常規的錐形換能器（8英寸、10英寸、12英寸或15英寸），通過一些調整以便于將標準的壓縮驅動器放置在錐形紙盆電磁驅動結構的后方，通過其中心向外輻射能量。這些調整通常包括將錐形換能器的定心支片掏空和塑型，將其作為壓縮驅動器的初級號筒側壁。這個波導結構截止于錐形換能器線圈的末端，從這個位置起，紙盆本身成為了高頻號筒的延續。事實上，中頻紙盆承擔了高頻換能器的寬指向錐形波導的作用。第二個調整是將錐形換能器常用的密封防塵罩更換為網罩式防塵罩。這種防塵罩能夠防止空氣中的顆粒進入中頻和高頻換能器的線圈和磁體結構，同時它還保持著透聲特性，以便于高頻能量順利通過。

傳統同軸換能器的限制有以下兩方面。

（1）在全頻段工作時對高頻能量的調制。低頻信號驅動錐形換能器會導致其發生很大的形變，由于該錐形換能器同時作為高頻波導的主要部分，因此高頻能量會被調制。可能采用的解決方案是將同軸設計作為三分頻系統的一部分，同時使用獨立的低頻換能器。

（2）其固有的低Q值（寬指向），這是由于同軸換能器無法使用號筒作為負載所導致的。出現這種情況的原因有兩個，且均和對于時間一致性的需求相關。第一個原因是號筒的錐度需要持續增加。經典的號筒設計理論表明①，號筒路徑上的開口張角必須持續變大。如圖9所示，僅僅為同軸換能器配備號筒會破壞這一規則。在高頻號筒的起始部分，從定心支片到錐形換能器，號筒的開口率在不斷增大，但這一張角卻在號筒的根部（即和錐形換能器銜接的部分）突然變小了。顯然這種設計會導致號筒側壁的嚴重反射，導致多個能量到達時間不一致及相關問題（波束出現旁瓣和瞬態響應劣化）。

第二個問題關于錐形換能器物理尺寸，它與中頻上限頻率有關。錐形換能器以活塞方式運動，但從換能器中心到號筒開口的距離要短于換能器邊緣到號筒開口的距離。對于靠近分頻點上限的頻率來說，這一路徑差往往對應著波長的一部分（即波長的分數倍），它所帶來的問題能夠被聽覺所察覺。這一問題所導致的不平坦的頻率響應和劣化的瞬態往往不被觀眾所認可。

圖9 將號筒安裝在一個常規同軸換能器的側視圖

圖10 新的同軸換能器、相位塞與號筒組合的側視圖

2.3 號筒負載式同軸換能器：設計挑戰

設計目標是讓中頻和高頻使用同一個號筒，以此解決多個到達時間和干涉的問題。為了消除前文所述的問題，必須在為高頻換能器提供持續擴大的號筒張角的同時，為中頻換能器提供相位塞，如圖10所示。

采取的設計是將一個聲學上“透明的”高頻號筒和一個放射狀的中頻相位塞組合在一起。這個號筒能夠讓中頻能量毫無障礙地通過，同時對于高頻能量來說則起到了半透明的號筒側壁作用。

放射狀相位塞是對KF750的專利放射相位塞（Radial Phase PlugTM）經過細微地調整后獲得的。它包含了10個而非原先的6個狹槽，但保留了平面和橫截面之間的非對稱性，如圖11。一個標準相位塞通過延長錐形換能器中心輻射路徑的方式使其能量的到達時間與錐形換能器邊緣輻射能量的到達時間對齊，以此解決時間不一致性所帶來的問題。此時活塞運動的錐形紙盆會被變成一個環形輻射器，導致較低頻率的波束寬度變窄。放射狀相位塞在恰當解決時間不一致性的同時保留了活塞的指向性特征，使其適用于寬指向系統。

作為同軸換能器的一部分，中頻換能器紙盆沒有防塵罩，且其半徑小于在KF750中使用的版本。因此只需要較少的校正就可以為中頻頻段提供一致的能量響應。更多信息請參見白皮書“Acoustic Singularity”。

圖11 實際使用的放射狀相位塞狹槽的正視圖

圖12 實際采用的號筒側壁和開孔率計算視圖

圖13 同軸中頻/高頻換能器的3D分解圖

3 利用同心疊加陣列技術進行設計

3.1 同心疊加陣列技術

由于在傳統同軸換能器防塵罩的位置上設置了相位塞，可以將其作為高頻號筒的初始部分。因此，相位塞朝向外側的部分就需要在錐形換能器的最優需求和壓縮驅動器的最優需求之間做出妥協。對于中頻錐形換能器來說，最理想的設置是在沒有任何屏障的條件下將放射狀相位塞與號筒連接在一起。對于壓縮驅動器來說，最理想的設置是直接與剛性號筒進行連接。這兩種設置無法完美地匹配：放射狀相位塞的設計需要帶有狹槽的號筒喉部，這樣中頻能量才能夠通過，但號筒側壁上的狹槽會阻礙高頻波陣面，起到機械高通濾波器的效果。一個剛性號筒側壁會阻礙中頻能量，起到機械低通濾波器的效果。因此，一個最優的妥協式設計應該將對應高頻的開口面積最小化，同時將對應中頻的開口面積最大化。這種半穿透性的號筒，對于中頻來說起低通濾波作用，對于高頻來說起高通濾波作用。因此，必須謹慎選擇開口面積，這樣每個換能器的初始響應才能夠通過電子濾波進行優化，進而得到更為平滑的整體系統響應。

不僅如此，號筒上的開孔位置也必須經過審慎的考量。對于中頻來說，它需要均勻擴散以獲得對稱性的偏軸響應。對于高頻來說，開孔必須具有隨機性，以此避免某些特定頻率/波長出現嚴重的響應谷值（對應號筒傳輸路徑上的某些特定位置）。

實際采用的設計（如圖12）為高頻保留80%的剛性號筒側壁，同時為中頻提供了隨機開孔（每個相位塞狹槽對應1個開孔）。如圖12所示，在號筒側壁的任何路徑長度上，開孔率均為20%。

3.2 AX系列揚聲器

AX系列揚聲器使用了全新設計的中頻/高頻同軸換能器，通過前文所述的相位塞與號筒負載相連接。該同軸換能器有高效的2.5英寸音圈、封閉在密閉外殼中的8英寸中頻紙盆以及1個2.5英寸線圈和1.4英寸開口的壓縮驅動器組成。中頻換能器和壓縮驅動器共用了1個釹磁結構，顯著減輕了重量。這種共用的磁體結構也減小了中頻和高頻換能器線圈的距離，進而讓它們的聲學中心更加靠近。封閉的中頻驅動器外殼由鋁材質制成，在整個結構中承擔了散熱器的功能。中頻相位塞的出口直徑為4英寸，保證中頻段中較高的頻率部分獲得更寬的指向性。

圖14 AX3系列揚聲器示意圖

圖15 AX系列揚聲器概念圖

為了重放低頻，一對間隔設置的12英寸低頻換能器得到了使用。驅動器的組合結合它們的朝向帶來了水平和垂直方向上的對稱指向性。這個系統是真正的三同軸設計，因為2個12英寸對稱設置的低頻換能器所產生的聲學中心也和中高頻換能器的聲學中心處于同一軸線上（見圖14）。間隔設置的12寸低音單元所提供的指向性控制要優于類似尺寸但采用單一直接輻射式換能器的揚聲器設計。大尺寸的中/高頻號筒則為整個中高頻段提供指向性控制。

揚聲器箱體采用雙梯形設計（見圖15），在使用過程中能夠輕松組成水平或垂直陣列。由于驅動器以對稱方式排布，任何一個方向上的輻射特性都能夠得到優化。

圖16所示的光譜圖展示了AX系列揚聲器軸向上的脈沖響應。同心疊加陣列技術的優勢對此寬頻帶脈沖響應的出色表現做出了貢獻。對于聽眾來說，這樣的響應則意味著更好的瞬態特性。

通過圖17 AX系列揚聲器的俯視圖與側視圖可觀察到，中頻、高頻和低頻單元聲學中心之間的間距很小，這意味著只需要很少的延時補償，甚至無需補償即可獲得到達時間上的一致性。

由于3個頻段的聲源都十分靠近，視在頂點誤差得到了最小化。整個系統的振幅相應無論在水平方向還是垂直方向上都是對稱的。偏軸向的頻率響應測量結果幾乎和軸向測量結果一樣平坦。

AX系列揚聲器系統的指向性從45°×45°到90°×60°可選。為了在盡可能寬的工作頻段保持聲能覆蓋的對稱性和一致性，同時確保箱體可以以水平或垂直方式組成陣列，就必須在不同頻段的指向性特征之間保持正確的關系。AX系列揚聲器為系統設計者提供了一系列可以作為陣列組合使用的揚聲器模塊，適用于具有高聲壓級輸出需求的大型場地。三重同軸設計避免了分頻揚聲器陣列經常出現的諸多問題。

圖16 AX系列揚聲器的光譜圖展示出幅度（色溫高低）、頻率以及時間的關系

圖17 AX系列揚聲器的俯視圖和側視圖

注釋：

① 關于號筒設計的相關理論已經超出了本文所討論的范疇。更多詳細內容請參見Leo L. Beranek 的著作Acoustics和Harry F.Olson的著作Acoustical Engineering。