浅谈线阵列扬声器及其室内应用

浅谈线阵列扬声器及其室内应用

1引言

因为线阵列扬声器具有水平覆盖均匀、垂直指向性强、辐射区内声能衰减较小等数个非常实用的特点，在许多扩声领域正逐步替代传统扬声器阵列。对于在相同的地方以相同的音量扩声时，线阵列扬声器系统可能体积更小、更轻便、更加容易吊装。线阵列扬声器还可结合演出地点的具体形状，将其恰当的吊挂、瞄准和弯曲，能够对大多数的观众提供杰出的音质表现。现各品牌扬声器厂商所推出的线阵列扬声器，其设计原理、驱动单元组合方式、尺寸结构均有所不同。在此笔者以波导设计的角度对典型品牌的线阵列扬声器进行了分析，希望能加深大家对其的认识。

2线阵列扬声器浅谈

2.1线阵列不是线声源

线声源是由一串距离相等的驱动器组成。其最初应用的雏形产生于十九世纪五十年代，当初是为了提高在混响厅堂内的语言清晰度而设计的。线声源的运用是基于其非常小的垂直指向角。若其垂直指向为0度，这就是我们所说的“圆柱波”。每当声源距离增加一倍圆柱波的能量会衰减3dB，然而声源距离增加一倍“球面波”能量会相应衰减6dB[1]。

但是构成线声源有两个必需条件：1、其线性长度最少为所辐射波长的4倍以上，这才能保证其在垂直方向上的指向波形接近于平面波。2、与上一条件相反，其要求相邻扬声器单元中心之间的距离小于半波长。Olsoni于十九世纪四十年代推算出了两个距离小于1/4

波长的邻近同相球状的辐射图形。在1/4波长和1/2波长之间是不会出现旁瓣（即副极大值，这种干涉波形通常是由破坏性的干涉导致）的，这一现象会持续直到间距大于1/2波长。

这在实际应用中意味着只有非常长的线阵列才能在低频段符合线声源的工作原理，同时只有使用非常小口径的扬声器单元才能达到在高频段的耦合。而在现实应用中，大多数线阵列实际符合线声源工作原理的重放频段不超过一个倍频程。所以线阵列几乎不能认为是线声源。

2.2线阵列的实际工作

线阵列的出色能力在于它能够从观众席的前排至后排提供一致均匀的声压覆盖。其从后排到前排的声压级几乎都是一样的。若要究其原因，首先让我们回顾一些使用常规号筒和压缩驱动器设计的扩声系统的例子。水平阵列中使用的扬声器在设计时将其球面辐射波形压缩为馅饼状，例如60°x40°、90°x40°或其它类似的设计，使其对场地的扩声提供良好的覆盖。如果定向的覆盖小面积的区域，可以通过将扬声器的辐射主轴对准最后排，–6dB衰减角对准前排来得到一致均匀的声压覆盖。如果吊挂点的高度足够，可以通过固定扬声器的位置和角度的方式，使得第一排至号筒的距离为最后一排至号筒的距离的一半。这时，号筒本身对其辐射角度的离散控制能力能够很好的平衡这一切，从而使前后场得到一致均匀的声压覆盖和效果。

如果建筑师们能够将公共场所建造的普遍适合号筒的辐射特性，且区域足够的小的话，那么一只扬声器就能够覆盖观众区的每一侧，从而我们也就不需要线阵列了。当然，场地尺寸、形状的多样化决定了这是不可能的。线阵列比普通的单一扬声器的声压输出多18到24dB，而其的垂直指向可通过弯曲阵列的方式以适应不同场地的扩声。就好像适当的固定传统号筒式扬声器位置和角度的方式一样，正确的弯曲线阵列能够对相同的观众区释放相同的声功率。这意味着当你离线阵列越近，其每一个扬声器模块的辐射角度应该越大，所以阵列从上至下箱体之间的间隔角度也应该是逐渐增大的。所以，对大多数场所而言，为了从前排至后排具有一致的声压覆盖，阵列的形状都普遍类似于“J”形[4]。

2.3线阵列扬声器模块的功能需求

当我们结合线声源耦合时的声学要求以及“J”形在实际应用的益处，线阵列扬声器模块的设计目标就变得清晰了。

●全频带的重放范围。

●独特的驱动器的选择和箱体设计，要求在其分频点以下纸盆驱动器之间的中心距离小于1/2波长。

●对于单元之间的中心距离大于1/2波长的部分，要求波导能够提供平直或十分狭窄的垂直指向(<10°)。

●为产生一个持续的波阵面，波导的出口高度不得小于扬声器模块高度的80%。

●在允许的输出功率的前提下具有最小的尺寸和重量。

●简单、快速、安全可靠的吊挂件。

●简单、快速、明了的线路和信号路由流程。

●配套的阵列设计软件能够方便设置阵列的长度、位置、指向方向、弯曲角度。同时，对场地提供正确的覆盖关系预测。

●在指定频段内（人耳的可闻域）的多单元的使用，要求单元之间的水平距离尽可能的小，以在重放频带内提供持续的辐射扩散。

2.4线阵列扬声器模块的波导设计

对于线阵列扬声器模块，最主要是要解决中、高频段的波阵面耦合问题。在过去的十年里，产生了许多新型波导技术，通过改变线阵列的弧度可调节线阵列输出的大概归纳为以下四种类型：带状高音、号筒、声反射镜、声透镜。

（1）带状高音

将压缩驱动器的圆形出口若干等分，经过几个等长的路径到达波导出口。一个典型的高输出带状高音大约6英吋（0.15m）高，在不超过4.5kHz范围内均能符合线声源的工作条件。超过该频点后，需考虑旁瓣的影响。

（2）号筒

号筒能够提供持续的垂直覆盖，但须注意几何应用中的限制。把圆形出口渐变为方形出口，其理论根据为各条路径差最大不超过λ/8，即近似于同相。因此号筒的口径与深度必须具有良好的比例。

同时对于一个具有12英寸（0.3m）纸盆的线阵列模块，必然要求将多个压缩驱动器和号筒安装在约14英寸（0.36m）高的箱体内，以减少相邻单元之间的距离，尽量符合线声源的工作原理。

（3）声反射镜

反射波导已经应用了几十年了，但主要是在微波领域，而近年来也被引入到音频。它的出现是因为微波和声波的波长具有同性。例如，13.76kHz的声波的声速约为344米/秒，波长0.25米。12GHz的微波的光速约为300,000千米/秒，波长同样为0.25米。无论是微波还是声音，反射镜工作于“放射”模式：由于撞击能量之波长短，所有的能量均被反射。声反射镜通过抛物线反射镜完成压缩驱动器出口到号筒出口的波形转变，该种设计须注意其“放射”模式的有效频段范围，低频段由于波长较长，当遇到障碍时，将会产生折射或衍射，而不是反射。

（4）声透镜

与反射镜类似，近几十年来透镜也被应用于微波和声学的控制领域。主要有两种类型：障碍型和等长折射型。障碍型其工作原理就像玻璃镜片聚焦光线一样，类似于透镜，其障板（也称相位塞，可为球状、圆盘状、带状或其它不规则形状，只要其对于所涉及的频率而言尺寸足够小）当声音经过它时会降低声速。一个障碍型的声透镜根据其形状的不同能够产生声聚焦、声扩散或平面波。在线阵列系统中应用的是平面波。

对于这种类型的透镜，必须在特定频段内选择特定的材料。高于一定频段，材料会吸收声能，转换成热能和动能。低于一定频段，声波将无障碍通过。当然，这些频点对于单独的材料来说都是十分特殊的。典型的代表品牌有L-Acoustics、ADAMSON等。

等长折射型采用碟状障板（与波长相比，其间隔的空间尺寸较小），加强声波播送至更远的距离。对于需折射声波处，障板可呈“z”形放置或简单的倾斜。等长折射型声透镜能够在宽频带范围内产生平面波。当较高的频率通过时，它是“束状效应”工作的。

当波长较长，声透镜的“波状效应”起作用，这时等长折射型声透镜会像紧密间隔的衍射槽般发生作用。典型的代表品牌有Renkus-Heinz等。