超低音陣列（波束成形）技術在Our Party音樂會中的應用探究

摘要：目的：文章旨在探討超低音陣列（波束成形）技術在音樂會的應用效果。通過分析超低音陣列的類型、波束成形技術的原理及其在擴聲系統中的應用，研究如何優化聲場覆蓋和聲音效果，以提高音樂會的音響質量。方法：首先介紹超低音陣列的類型及在聲場中的作用，重點分析不同陣列的特點及適用場景。然后詳細闡述波束成形技術的基本原理和在擴聲系統中的應用方法。在具體實驗部分，以在Long Plus的Living House舉辦的Our Party音樂會為研究對象，使用計算機仿真軟件Soundvision對不同超低音陣列方案進行模擬，并結合現場實際測量數據進行對比分析。實驗中，通過相位校正、波束成形技術設置等步驟，對超低音陣列的聲源輻射范圍和聲壓級進行測試和調整。結果：實驗結果顯示，采用梯度陣列結合波束成形技術的方案能夠有效實現聲源信號的均勻覆蓋。在音樂會現場，超低音陣列的聲壓級在觀眾區各處基本一致，頻率響應曲線表明音箱之間不存在相互掩蔽的情況。與端射陣列相比，梯度陣列能更好地抑制波瓣對舞臺的影響，減少低音向舞臺的泄露，確保舞臺中央的低音聲壓級降低15 dB或更多。結論：超低音梯度陣列結合波束成形技術在音樂會的應用，能夠顯著優化聲場覆蓋和聲音效果。該技術不僅能提升觀眾的聽覺體驗，還能有效解決傳統超低音揚聲器在聲場控制方面的不足，為大型音樂會的音響系統搭建提供新的解決方案。合理的陣列設計和參數調整，可以實現聲源信號的精確輻射，確保音樂會現場的音響效果達到最佳狀態。

關鍵詞：音樂會；超低音陣列；波束成形

中圖分類號：TN643 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）18-0-04

0 引言

隨著現代音樂會規模的不斷擴大和觀眾對音質要求的日益提高，音響技術在演出中扮演著越來越重要的角色。超低音陣列作為一種先進的音響技術，能夠通過波束成形技術的應用，有效控制聲波的輻射方向和覆蓋范圍，從而優化音樂會的音響效果。本文以Our Party音樂會為例，探討超低音陣列（波束成形）技術在實際演出中的應用情況。通過對不同陣列類型的比較分析以及計算機模擬與現場實驗的結合，詳細闡述波束成形技術在優化聲場覆蓋、減少聲波干擾等方面的優勢，為搭建大型音樂會音響系統提供有益的參考和指導。

1 波束寬度與超低音陣列的關系

1.1 超低音陣列的類型與應用優化

超低音揚聲器，英文為Subwoofer，頻響范圍在20～100 Hz，俗稱“低音炮”，多用于酒吧、大型戶外演唱會等。其性能取決于頻率范圍和峰谷大小。其能發出底鼓、貝斯等樂器的渾厚低頻聲，重放100 Hz以下低音時，具有采用大口徑單元和內置專用放大器的特點。然而，超低音揚聲器聲能輻射存在問題，輻射多為全指向性，難以控制聲波輻射范圍。聲音能量輻射不均會產生諸多負面影響，如舞臺聲音信號經超低音箱引發墻面反射，使傳到觀眾席的聲音信號混淆，影響歌手表演；超低音音箱朝舞臺方向泄露聲音，會導致嘯叫或與返聽音箱信號干涉，使歌手聽不清返送信號，難以分辨聲音信息，搭建系統時需避免低頻能量朝舞臺方向泄露。

超低音陣列是揚聲器系統按特定設計排列組合而成的系統，常用于大型演出場所及體育場館擴聲工程。其基本使用原則是實現揚聲器聲源的最大化輻射覆蓋范圍。超低音揚聲器陣列有兩個顯著特征：一是超低音揚聲器為只覆蓋3個倍頻程的單獨箱體，二是超低音輻射范圍的長波長可繞射鄰近障礙物［1］。而相位干涉是線陣列音箱的固有缺點，相同頻率聲音信號存在相位差時，聲波疊加會產生不同效果，即同相相加、反相抵消，且效果與相位差、聲源聲壓級大小有關。為減少相位干涉問題，超低音陣列在設置輻射范圍初期，應增強觀眾區等輻射區域能量，衰減周邊能量，以便更好地控制。

關于演出中的擺放方式，很多人認為將多只超低音揚聲器堆放在一起能延長聲音傳播距離，但在舞臺兩側這樣擺放會產生嚴重的梳狀濾波效應，導致觀眾席不同位置聽到的不同頻率產生巨大的波形變化。這是因為低頻無明顯指向性，超低音揚聲器周圍及后方能量會增加，成為擴聲系統的技術問題。例如，通過軟件Soundvision對4只超低音揚聲器在43.2 m×12 m空地的模擬，測得堆疊方式會使音箱前方聲壓級比背面高3 dB，周圍能量較大；而水平擺放方式則能使聲音范圍均勻覆蓋聲場，從而解決技術問題，獲得所需的聲音覆蓋范圍和最佳音質，同時把握好現場聲學條件，設置好音箱參數，降低混響和反射的不利影響，最大限度發揮設備效能，確保低音清晰且在觀眾區內均衡，聲音各頻率分布平衡。

超低音陣列主要有側射陣列、梯度陣列和端射陣列三種類型。側射陣列將音箱排成一排或一列，聲波指向與排列方向垂直，適用于地面擺放或吊裝［2］。梯度陣列通過控制音箱的振幅和相位，實現聲波的指向性控制，適用于小型低音陣列。端射陣列需要至少兩只超低音揚聲器，音箱成列擺放，通過延遲和反相設置制造出非常窄的指向特性，適用于需要遠距離投射的場合［3］。每種陣列都有其獨特的應用場景和優勢，選擇合適的陣列類型可以優化聲場覆蓋和聲音效果。

1.2 波束成形技術在擴聲系統中的應用與控制

在擴聲現場調試設備時，常因未處理好觀眾席頻譜資源分配，導致演出時后場觀眾感覺聲效不佳。波束成形技術可以解決以上問題，使觀眾都能聽到有力低頻。波束成形在陣列天線領域也稱空間濾波，應用于多個領域。其實現方式是設置接收信號與天線陣列振子的相位關系，讓振子在特定方向收發同相信號。隨著現場演出的增多，觀眾對音箱效果的要求變高，波束成形作為揚聲器陣列核心技術受到關注，可重構源信號、分離信號。

波束類似光束，在聲波傳播方向一致時形成。擴聲中通過調整相位陣列參數，使特定角度信號相長或相消干涉，輸出期望方向語音信號形成波束。無線通信中，因電磁波衍射強，需用智能天線陣列，控制波源間相對延時和幅度，集中能量，減少干擾。

波束成形（Beamforming），也稱波束賦形或空域濾波，是控制大型陣列聲波輻射方向和波束形狀的技術。在波束成形陣列中，音箱單元獨立驅動，信號有獨立延遲和電平參數，通過合并處理多路聲源信號，抑制干擾，增強目標方向信號。遠場處理時，因信號源到陣列距離遠大于音箱間距，只需處理相位差異；近場則需考慮信號源到各音箱的時間差和幅度差異，利用音箱擺放位置造成的時間差設置延時，抵消干擾，明確指向性。其處理方式包括時域法和頻域法［4］。時域法對音箱延時并補償，多用于處理低頻信號；頻域法先分解頻段，窄帶波束形成后合成寬帶波束輸出，常用于處理高頻信號。波束成形技術適用于大型陣列，小型陣列指向性控制用梯度陣列。

所謂聲源信號的傳輸，就是將波形信號從一個地方傳播到另一個地方。傳輸的音質是通過輸出的信號與原始信號的波形精確程度對比得出的。最終目的就是在減少波形失真的基礎上，盡可能重現原始聲波波形。一般來說，聲波傳輸通道有三種信號傳輸形式：線路電平的電信號傳輸、揚聲器電平的電信號傳輸和聲音信號的傳輸。其中，最容易出現問題的就是揚聲器向聽眾傳送信號。因此，在擴聲中使用揚聲器的波束成形技術需要把握它的各參量，包括聲音頻率、聲源覆蓋角度等。

“波束寬度”一詞可以與覆蓋角度相替換。波束寬度與頻率的關系建立起揚聲器在全音域范圍上不同覆蓋角度的復合狀態。典型的波束寬度與頻率的關系分別為1/3倍頻程或1倍頻程。因此，波束寬度是覆蓋角度形成的。聲音覆蓋角度受頻率影響，超低音陣列通過波束組合特征化。兩個揚聲器單元組合時，可能出現波束集中、擴散或簡單重疊的情況，導致梳狀濾波效應。高頻（HF）常擴散，低頻（LF）常集中。波束難以聚焦為相干前向波束或僅以直徑或側向擴展。

2 計算機模擬

為說明超低音陣列（波束成形）技術在音樂會的應用，本文以一家名為Long Plus的Living House舉辦的Our Party音樂會為例。通過計算機仿真軟件Soundvision進行實景的超低音陣列數據模擬，與現場實際測量的超低音陣列數據進行對比得出結論。場地長43.2 m、寬12 m、高4.5 m，總占地面積518㎡。基于實驗現場的工程圖，按照現場實景比例在建模軟件Soundvision中構建出實驗場地的模型，見圖1。本實驗設計了兩種超低音陣列的擺設方案，一種為端射陣列，一種為梯度陣列，將在軟件中模擬現場情況得到的一系列數據進行對比，綜合現場實際情況，確定最終實踐方案。

2.1 端射陣列在軟件中的模擬

在Soundvision建模軟件中，添加4只超低音箱，按照上述理論設置陣列。端射陣列是將音箱沿著同一個軸向排列成一排進行驅動，將一只以預定的間距放置在另一只后面，從而使聲音的輻射方向與其排列方向一致。陣列中，超低音箱控制的中心頻率為63 Hz，后方兩只音箱添加0.4 ms的延時處理。模擬得到超低音陣列聲源輻射范圍，見圖2（上）。

由軟件測試結果得出，端射陣列的超低音最大能量集中于一處，在100 Hz可以形成近似心形指向，前后聲壓級差為6.43 dB，周圍聲壓級隨之減弱，且有明顯的波瓣出現。舞臺區的能量較大，但觀眾席后區接收到的聲壓級不足100 dB SPL。雖然后兩只超低音箱均加延時，但時間順序上最后還是需要繞過前方揚聲器保持波前同步。

2.2 梯度陣列在軟件中的模擬

在Soundvision建模軟件中，添加4只超低音箱，4只音箱擺放在一條水平線上，揚聲器箱之間距離均相等。為保證兩側與中間兩只音箱同時控制波束，設置0.63 ms的延時處理，模擬梯度陣列擺放的超低音箱聲能輻射圖。

由圖2（下）可以看出，梯度陣列的超低音聲壓級輻射的范圍均勻分布，舞臺后方的聲壓級被抵消了，觀眾席后方區域也能被超低音箱輻射的能量覆蓋到，同時沒有明顯的波瓣出現。中間音箱的正面與背面的聲音級相差近5 dB，有效抑制了后方輻射的低音，因此舞臺上下之間不容易形成太多的干擾。

綜合兩種方式的模擬結果，最終確定在現場測試中使用梯度陣列的方式來完成超低音陣列（波束成形）技術的實測。

3 實驗及數據論證

3.1 實驗場地：Long Plus

實際的測量場地為音樂會現場，音箱擺位見圖3

（上）。實際測得每兩只音箱的間距均為103 cm。

3.2 實驗設備

超低音揚聲器：L-Acoustics，見圖3（下）；

測試傳聲器：ecm8000；

測試軟件：Smarrt。

3.3 實驗步驟

第一步，在現場將中間兩只和兩側的兩只音箱依次打開，通過釋放粉噪在Smaart中對比頻響曲線，判斷4只揚聲器所釋放的能量是否相同，并通過功率放大器中DSP設置使4只揚聲器的頻率曲線盡量保持一致。

第二步，通過ARC空間聲場調整技術校正4只音箱的相位。從軟件校準數據線可以看出，該陣列的揚聲器經過校正之后，粉色與藍色的波形有多處重合，表明相位正常，無相位相抵消的情況。下半部分圖為超低音振幅曲線，橙色的波形代表相干性曲線，表示受環境或其他聲源干擾，波形后半部分波動幅度緊密，可以看出超低音能量足夠，低音堅實有力。

第三步，校正音箱相位之后，使用之前確定的梯度陣列，采用波束成形技術為兩側的兩只音箱設置延時，通過總控更改超低音陣列的指向性，向觀眾區輻射聲能。

第四步，在陣列前方12 m處設置測試傳聲器，分兩次收錄舞臺中間兩只音箱和兩側兩只音箱的測試數據，在Smaart中記錄相位曲線和頻率曲線以及聲壓級。

第五步，將測試話筒移至距離舞臺24 m處，測試超低音陣列在3個點位所能接收的聲壓級以及頻率范圍，見圖4。

根據上述實驗過程，在L-ACOUSTICS Network Ma-nager軟件中測試超低音陣列的總聲壓級和頻率響應。值得一提的是，這款軟件是由L-ACOUSTICS音箱公司自主研發的，專門用于測試L-ACOUSTICS系列音箱的聲壓級和頻率響應，因此得到的結果精確度極高。

結合實驗數據和實驗過程可以得出，兩側的超低音揚聲器與中間兩只揚聲器的最大聲壓級相差0.39 dB，這種情況下暫且可以忽略不計。數據證明，在超低音陣列中采用波束成形技術，可以使超低音陣列向觀眾區各處輻射聲源，做到時間一致、輻射范圍均勻，不論是在前排、后排或側面，所聽到的音量大小基本一致。同時，兩組音箱測試數據的頻率響應圖，從圖中頻率響應的曲線可以看出兩組音箱頻率幾乎相同，表明音箱之間不會存在相互掩蔽的情況。

4 結語

本次實驗以Our Party音樂會為例，綜合測試結果和主觀聽感可以表明，超低音梯度陣列的擺放方式，加之應用波束成形技術設置聲源方向，可以使聲源信號均勻覆蓋演出現場。在本場音樂會中，運用波束成形技術搭建超低音陣列，能在盡可能抑制波瓣對舞臺造成影響的同時，使超低音陣列發出的聲源信號有目的地輻射，而非只聚焦于一處，或是出現聲音前后區輻射不均勻的情況。

在音樂會音響系統搭建過程中，波束成形延遲參數可以用在梯度陣列上，但必須設置在左右相對應的超低音箱中，這樣才能使其指向發生傾斜。本場音樂會超低音陣列擺放于地面上，采用的梯度陣列偏軸輻射，有助于抑制波瓣，減少投向舞臺的低音。對梯度陣列而言，通過調整音箱指向性，可將聲音輻射范圍設置為正好指向舞臺前方。在典型配置下，這會使舞臺中央的低音聲壓級降低15 dB或更多。

參考文獻：

［1］ Bob McCarthy.音響系統設計與優化［M］. 2版.北京：人民郵電出版社，2017：356.

［2］ 王瑞婷，魏增來.淺析超低音揚聲器陣列的指向性控制

［J/OL］.演藝科技，2020（1/2）：29-37（2020-02-25）

［2024-08-23］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CJFDamp;dbname=CJFDLAST2020amp;filename=YYSH2020Z1007amp;v=wUm%25mmd2BojdpiUvEGcceK8Xr3WPb3dxc7Hg1XWQ52PcQUjknHr0hn4mTbLRhQE0O0%25mmd2BK.2020.

［3］ Jeff Berryman.超低音陣列實用指南［DB/OL］.百度百科，（2011-08-07）［2024-08-12］. https：//wenku.baidu.com/view/5c98b9c15fbfc77da269b179.html#.

［4］ 王備，沈小祥.三種揚聲器陣列波形成方法比較［J/OL］.電聲技術，2012，36（12）：18-21（2012-12-17）［2024-08-

16］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CJFDamp;dbname=CJFD2012amp;filename=DSJS201212006amp;v=LONYW9X2dgJLcGKONLjFTFqut9UUa82Hklg3Hknwfzm8Z0rFvrgX5mWdirGKEIPK.