線陣列的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用原則

編譯/何青青

線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)興起于20世紀(jì)90年代，主要用于大型廣場演出和體育場館的擴(kuò)聲，隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品型號(hào)越來越豐富，線陣列在一些小型演出場所也流行起來。雖然線陣列得到使用者的廣泛認(rèn)可，但在實(shí)際應(yīng)用中，部分使用者對(duì)線陣列的認(rèn)識(shí)還存在一些誤區(qū)。本文主要討論線陣列的基本理論，澄清一些可能產(chǎn)生混淆的觀點(diǎn)。

1 線陣列的相關(guān)理論

1.1 什么是線陣列

線陣列就是由一組全向輻射驅(qū)動(dòng)器組成，且呈直線排列的陣列音箱，箱體之間間隔很近，相位相同，振幅相同。美國著名聲學(xué)家奧爾森（Olson）在他1957年出版的《聲學(xué)工程》中描述道：線陣列對(duì)于聲音需要投射到遠(yuǎn)距離的那些場合非常有用，因?yàn)椤熬€陣列系統(tǒng)具有良好的垂直指向性覆蓋和遠(yuǎn)距離聲輻射的特點(diǎn)”。

圖1是MAPP online分析圖，表明線陣列的指向性，這組線陣列是由16個(gè)全向線聲源組成，每個(gè)間隔0.5 m。500 Hz時(shí)，該組線陣列指向性最高，隨著頻率變高，其指向性開始衰減。注意低頻時(shí)線陣列會(huì)出現(xiàn)明顯的后瓣：所有常規(guī)組合的線陣列都會(huì)表現(xiàn)出這個(gè)特性，因?yàn)樗麄冊(cè)谶@個(gè)區(qū)域的輻射是全向的。（當(dāng)然，M3D線陣列是個(gè)例外）這種配置結(jié)構(gòu)在500 Hz時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的垂直波瓣。

該系統(tǒng)的水平輻射圖和垂直輻射圖是獨(dú)立開的，而且整個(gè)頻段都是全向輻射——盡管實(shí)際系統(tǒng)在中高頻時(shí)只表現(xiàn)出明顯的水平指向性。

圖2是一組由32個(gè)全向線聲源組成的線陣列，間隔0.25 m。注意，在1 kHz時(shí)垂直波瓣最強(qiáng)，此時(shí)線陣列必須保持其指向性不變。這就表明：高頻時(shí)要維持線陣列的指向性，就需要使線聲源間距更小些。

1.2 線陣列是如何工作的

線陣列是通過相長干涉或者相消干涉來實(shí)現(xiàn)其指向性的。一個(gè)簡單的思維實(shí)驗(yàn)就能解釋指向性是如何產(chǎn)生的。

以一個(gè)單12英寸錐形驅(qū)動(dòng)器的揚(yáng)聲器為例。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，這個(gè)揚(yáng)聲器的指向性會(huì)隨著頻率的變化而變化：低頻時(shí)是全向的，當(dāng)聲波波長縮短時(shí)，其指向性就會(huì)相應(yīng)變窄；2 kHz以上時(shí)，對(duì)于大多數(shù)場所來講，只用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器其指向性太窄了。這就是為什么實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分頻器和多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，使其指向性在整個(gè)聲頻帶范圍內(nèi)盡量保持一致。

把兩個(gè)此類揚(yáng)聲器堆疊在一起，一個(gè)放在另一個(gè)上面，饋給兩個(gè)揚(yáng)聲器相同的信號(hào)，可結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不同的輻射圖。在兩個(gè)揚(yáng)聲器軸的交點(diǎn)處存在相長干擾，而且相對(duì)于單個(gè)揚(yáng)聲器來說，疊加的情況下聲壓級(jí)會(huì)增加6 dB。在軸外的其他點(diǎn)上，路徑長度不同會(huì)產(chǎn)生抵消，從而導(dǎo)致了聲壓級(jí)較低。事實(shí)上，要是給兩個(gè)揚(yáng)聲器都用正弦波驅(qū)動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)完全抵消的點(diǎn)（最好在消聲室里試驗(yàn)），這就是所謂的相消干涉，也叫梳狀濾波。

線陣列由一組揚(yáng)聲器組成，且彼此有序地間隔著，以便能在陣列的軸線上產(chǎn)生相長干涉，軸的兩邊主要產(chǎn)生相消干涉（梳狀）。常規(guī)情況下是不需要梳狀濾波的，但線陣列通常會(huì)用到梳狀濾波：沒有梳狀濾波，就沒有指向性可言。

1.3 線陣列是否能形成“柱面波”

有人錯(cuò)誤地認(rèn)為：線陣列有一種“魔力”能把聲波組合在一起。認(rèn)為利用特殊的傳播特性，線陣列就可以形成一個(gè)單“柱面波”。然而，從線性聲學(xué)理論知識(shí)的角度來講，這種假設(shè)是行不通的。“柱面波”只是一個(gè)行銷概念，并非可行的聲學(xué)現(xiàn)實(shí)。

聲波不同于淺水波模型，淺水波方程是非線性的，可以組合形成新波。但聲波在壓力作用下（一般在聲音增強(qiáng)區(qū)）不能結(jié)合在一起，而是一個(gè)接一個(gè)地成線性傳播。甚至是在壓縮器的高頻段，聲波也遵循線性理論規(guī)律，一個(gè)接一個(gè)地傳播。

圖3為MAPP online分析圖，顯示的是一對(duì)Meyer Sound MSL-4揚(yáng)聲器的串?dāng)_情況，該圖解釋了以上這一觀點(diǎn)。A為串?dāng)_區(qū)域，該區(qū)域的黑色部分有明顯的相消干涉; B區(qū)域自然是相應(yīng)的MSL-4輸出，這個(gè)區(qū)域完全不受串?dāng)_影響。盡管波干涉發(fā)聲在A區(qū)域，但也是空間上的干擾，而且同樣是一個(gè)接一個(gè)互不影響地傳播著。可以關(guān)掉串?dāng)_的那只揚(yáng)聲器，在B區(qū)域不管怎樣，從垂直面上聽聲音是沒有什么改變的。

1.4 距離增加一倍，線陣列產(chǎn)生的聲壓級(jí)是否只降3 dB

這一假設(shè)是因典型的線陣列理論在實(shí)際中誤用引起的。典型的線陣列數(shù)學(xué)計(jì)算就是假設(shè)有一組無窮小又非常完美的全向線聲源，很大程度上能和發(fā)射能量的波長相近。顯然，實(shí)際系統(tǒng)中是不可能達(dá)到這樣的條件，而且它們的實(shí)際特性遠(yuǎn)比假設(shè)的要復(fù)雜。

Meyer Sound用貝塞爾函數(shù)來模擬一只15英寸低音的輻射特性模型（通常描述為波瓣），而且還編寫自定義計(jì)算機(jī)代碼，通過對(duì)各種揚(yáng)聲器設(shè)置不同的間隔來模擬線陣列。計(jì)算表明，組建一組音頻線陣列從理論上講可行，它在低頻段是遵循理論原則的。然而，這樣做的話，該陣列就需要1000個(gè)以上的15英寸的驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器中心點(diǎn)的間距為20英寸。

在近場，不考慮高頻的情況下，線陣列確實(shí)會(huì)隨著距離增加一倍而聲壓級(jí)降低3 dB，但是遠(yuǎn)場就要根據(jù)聲音的頻率和線陣列長度而定。一些人要讓我們相信：要是有一個(gè)混合驅(qū)動(dòng)器/波導(dǎo)系統(tǒng)，高頻段近區(qū)可擴(kuò)展到好幾百米。計(jì)算顯示，對(duì)于一組由100個(gè)全向線聲源組成的線陣列，每個(gè)線源間隔1英寸，那么，線陣列聲壓級(jí)確實(shí)會(huì)隨著距離增加一倍而降低3 dB。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)在聲音增強(qiáng)區(qū)很難實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，而且這也不是波導(dǎo)特性模型。

純理論計(jì)算并不會(huì)完全反映出空氣吸收的真實(shí)性，在高頻時(shí)也有一定的影響。表1是利用貝塞爾函數(shù)模擬測出：一組由100個(gè)口徑為1英寸的揚(yáng)聲器組成的線陣列，間距為1英寸，離這組線陣列的距離不同時(shí)，其聲衰減也不同。

根據(jù)ANSI標(biāo)準(zhǔn)S1.26-1995的計(jì)算方式（環(huán)境溫度為20℃，相對(duì)濕度為11%），頻率在500 Hz以上時(shí)，聲波的衰減包含空氣吸收。要注意的是，當(dāng)頻率為16 kHz時(shí)，貝塞爾函數(shù)模擬計(jì)算出：與線陣列的距離每增加一倍，聲壓級(jí)衰減近3 dB，空氣吸收使得距離每增加一倍，實(shí)際的聲壓級(jí)衰減接近6 dB。

采用一組由16個(gè)箱體（每個(gè)箱體都用15英寸低頻單元）組成的線陣列，350 Hz時(shí)能夠測量出 “類似柱面波”的效應(yīng)，此刻距離線陣列2 m～4 m之間會(huì)有3 dB的衰減。然而，當(dāng)離線陣列的距離超過4 m時(shí)，聲音的傳播路徑就呈球狀，此時(shí)距離每增加一倍，聲壓級(jí)衰減6 dB。這一特性可以采用測量好指向性的標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器通過MAPP在線測試得到證實(shí)。

1.5 Meyer Sound 的MAPP在線

MAPP（Multipurpose Acoustical Prediction Program多功能聲學(xué)測試軟件）是一款交互式平臺(tái)， 它能準(zhǔn)確預(yù)測出Meyer Sound陣列音箱的特性，測試時(shí)需要聯(lián)網(wǎng)。MAPP在線由兩個(gè)組件構(gòu)成：一個(gè)是在音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的JAVA應(yīng)用程序，另一個(gè)是在遠(yuǎn)程服務(wù)器上運(yùn)行的預(yù)測程序。

利用JAVA應(yīng)用程序，音響設(shè)計(jì)者可以配置一些Meyer Sound產(chǎn)品，且在操作環(huán)境下隨意定義各項(xiàng)指標(biāo)——包括空氣溫度、壓力、濕度以及位置、墻面組成成分等。設(shè)計(jì)者進(jìn)行預(yù)測時(shí)，數(shù)據(jù)先通過網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器利用高分辨率、復(fù)合（幅度和相位）極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)行一個(gè)比較復(fù)雜的聲學(xué)預(yù)測運(yùn)算。在標(biāo)準(zhǔn)消聲環(huán)境下，MAPP在線采用的揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)其頻率分辨率可達(dá)到1/24倍頻程，角分辨率達(dá)到1°。測試好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)返回到使用者的計(jì)算機(jī)上，計(jì)算結(jié)果是彩色顯示的。

MAPP在線聲場分析結(jié)果包括一張揚(yáng)聲器安裝布置圖，指定頻帶內(nèi)的聲能分配圖。色譜顯示的是聲壓級(jí)，紅色部分表明聲壓級(jí)較強(qiáng)，藍(lán)色部分表明聲壓級(jí)相對(duì)較弱。

MAPP在線的獨(dú)特之處是：在聲場的任何一個(gè)位置都能準(zhǔn)確地測出系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。頻響是虛擬SIM的一個(gè)功能，是用SIM系統(tǒng)II對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試。MAPP的頻響測試功能已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用場所中得到證實(shí)，而且頻率分辨率在1/24倍頻程時(shí)，測量結(jié)果可精確到±1 dB（參考值范圍內(nèi)）。

頻率100 Hz以下時(shí)，實(shí)際線陣列的驅(qū)動(dòng)器是全向的，但和聲音的波長相比線陣列的長度就顯得微不足道了。所以實(shí)際系統(tǒng)與線陣列理論不相符。400 Hz以上低頻單元具有指向性，這也跟理論的假設(shè)有沖突。在高頻段，所有的實(shí)際系統(tǒng)都使用方向波導(dǎo)（號(hào)角），方向波導(dǎo)的特性不能用典型的線陣列理論來描述。

簡而言之，真正意義上的音頻線陣列其幾何結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，以至于“純”線陣列理論不能進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬計(jì)算。模擬計(jì)算有效的精確度需要計(jì)算代碼，使用一個(gè)具備高分辨率的測量系統(tǒng)來測量實(shí)際揚(yáng)聲器復(fù)雜的指向性，比如用MAPP在線就可以做到這點(diǎn)。

那就是說，不管連續(xù)線陣列理論與實(shí)際系統(tǒng)是否一致，線陣列系統(tǒng)仍然是很有用的系統(tǒng)，它們可以實(shí)現(xiàn)有效的方向控制，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以做到讓線陣列在遠(yuǎn)距離投射的場所發(fā)揮地很好。

2 線陣列的特點(diǎn)與應(yīng)用原則

2.1 實(shí)際的線陣列系統(tǒng)如何處理高頻

圖1和圖2表明線陣列理論在低頻時(shí)效果最佳。隨著聲音波長逐漸減短，線陣列需要許多尺寸更小、距離更接近的驅(qū)動(dòng)器組合以維持其指向性。當(dāng)然，實(shí)踐中這是很難實(shí)現(xiàn)的要求。比如，一組線陣列需要數(shù)百個(gè)間隔為1英寸的錐形驅(qū)動(dòng)器，這實(shí)施起來有困難。

因此，實(shí)際應(yīng)用中的線陣列系統(tǒng)只在中低頻時(shí)才像真正線陣列那樣工作，對(duì)于高頻段，可以采取其他一些方式來實(shí)現(xiàn)其指向性，使其與中低頻的指向性匹配。增強(qiáng)聲音最可行的方法就是通過波導(dǎo)（號(hào)角）與壓縮器耦合來實(shí)現(xiàn)。

號(hào)角是通過將聲音反射成一種特定的覆蓋特性來實(shí)現(xiàn)其指向性的，而不是利用相長或者相消干涉去實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)良好的線陣列應(yīng)使其高頻指向性能和低頻指向性具有良好的匹配：垂直指向范圍較窄而水平指向較寬（垂直覆蓋范圍較窄能減少多次反射，有利于清晰度）。如果這一假設(shè)能實(shí)現(xiàn)，那么波導(dǎo)組件就可以和線陣列結(jié)合起來，使用適當(dāng)?shù)木夂头诸l器，高頻聲波及低頻的相長干涉就可用來定位，從而使線陣列系統(tǒng)產(chǎn)生一致的覆蓋面。

2.2 把線陣列角度擺得彎曲些，是否可以拓展其垂直覆蓋面

在實(shí)踐中，略微的傾斜線陣列確實(shí)有助于覆蓋更寬的弧度范圍，從而拓展其垂直覆蓋范圍。實(shí)際上，有些線陣列系統(tǒng)，像Meyer Sound 的M1D和M2D，就被稱為“曲線陣列揚(yáng)聲器”，因?yàn)樗鼈兊南潴w是特定設(shè)計(jì)的，允許有彎曲角度，而且曲線狀態(tài)下能保持最佳性能。然而，曲線陣列揚(yáng)聲器從根本上講是會(huì)引出一些問題的。

首先，如果高頻部分的垂直特性較窄，那就需要使用直線陣列，將線陣列擺設(shè)的彎曲些會(huì)產(chǎn)生聲音重疊。其次，在一個(gè)更大的區(qū)域里線陣列彎曲時(shí)可以拓展高頻覆蓋范圍，而對(duì)低頻沒有任何影響，低頻能夠保持其指向性不變是因?yàn)閷?duì)于長的波長來說這點(diǎn)小彎曲顯得微不足道。

圖4就表明了上述觀點(diǎn)。左邊部分是一系列MAPP在線對(duì)于曲線陣列的測試圖，右邊是對(duì)直線陣列的測試圖。兩組線陣列都是用相同的揚(yáng)聲器組成，每個(gè)揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)都是帶有一個(gè)12英寸的低頻驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)垂直特性為45°的高頻號(hào)角。

注意左邊的圖，號(hào)角角度更寬則有利于增加高頻覆蓋范圍，但同時(shí)也會(huì)因干擾而出現(xiàn)明顯的波瓣。頻率在1 kHz及1 kHz以下時(shí)，線陣列仍然保持較高的指向性，這一點(diǎn)遵循了線陣列理論。不過在實(shí)際應(yīng)用中，覆蓋范圍會(huì)產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象。因?yàn)殡S著頻率響應(yīng)在覆蓋區(qū)的不斷變化，這一區(qū)域的大部分幾乎接收不到低頻能量。

右邊一系列圖表明：一只揚(yáng)聲器，用于曲線陣列中時(shí)，其號(hào)角具有適度寬度的垂直覆蓋范圍，但用于直線陣列中其覆蓋范圍相對(duì)表現(xiàn)得較差。當(dāng)線陣列指向性較高時(shí)，1 kHz及1 kHz以上就會(huì)出現(xiàn)明顯的垂直波瓣角。這些較強(qiáng)的旁瓣能夠轉(zhuǎn)移原來覆蓋區(qū)的能量到別處，因此，會(huì)產(chǎn)生很大的混響，從而降低聲音的清晰度。

總之，認(rèn)為任何線陣列都可以從根本上彎曲，且可以達(dá)到預(yù)期效果，這是不理智的。特殊系統(tǒng)的聲學(xué)特性在討論時(shí)就必須進(jìn)行檢測，然后再做決定，看曲線結(jié)構(gòu)的線陣列是否能達(dá)到預(yù)期效果。

2.3 線陣列能和其他型號(hào)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)能否組合使用

答案是肯定的。 聲波不管是直接輻射產(chǎn)生的，還是由波導(dǎo)產(chǎn)生的,它們都是一個(gè)接一個(gè)地傳播，彼此不受影響。只要線陣列系統(tǒng)和其他類型揚(yáng)聲器系統(tǒng)的相位響應(yīng)匹配，它們就可以組合在一起使用。這種情況下線陣列產(chǎn)生的聲波和單獨(dú)使用線陣列時(shí)產(chǎn)生的聲波是一樣的。它們僅僅是低頻驅(qū)動(dòng)器（根據(jù)線陣列理論來設(shè)置間隔）和高頻波導(dǎo)的輸出方式而已。因此，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師只要用適當(dāng)?shù)墓ぞ?，就能把線陣列和其他相容類型的揚(yáng)聲器靈活地組合在一起，用來覆蓋短距離投射區(qū)域。

在實(shí)踐中，較大類型和較小類型的線陣列可以很好地組合在一起使用，因?yàn)楹侠淼脑O(shè)計(jì)圖會(huì)顯示兩個(gè)類型的相似覆蓋圖。比如，Meyer Sound M2D壓縮曲線線陣列揚(yáng)聲器使用時(shí)揚(yáng)聲器之間沒有間隔，它是用來覆蓋前區(qū)的一個(gè)系統(tǒng)，經(jīng)常放在一組M3D線陣列系統(tǒng)之下。

2.4 線陣列在近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)是如何表現(xiàn)的

正如我們所見，實(shí)際中的線陣列系統(tǒng)通常用在大功率場所，事實(shí)上（線陣列音箱）就是利用低頻的典型線陣列與利用高頻的高指向性波導(dǎo)的組合。因這個(gè)混合性質(zhì)，所以，很難用常規(guī)的線陣列理論來測試整個(gè)音頻頻譜。盡管如此，線陣列系統(tǒng)可以合理地用在遠(yuǎn)區(qū)以及相對(duì)更近些的區(qū)域。

從遠(yuǎn)區(qū)看，線陣列中，單個(gè)線聲源的輸出能夠相長地結(jié)合，結(jié)果輸出時(shí)看起來像一條聲源。圖5就解釋了這一概念。這張圖表明的是分別由2個(gè)、4個(gè)及8個(gè)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的線陣列在遠(yuǎn)區(qū)的頻率響應(yīng)情況（以單個(gè)全向響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器作為參考），驅(qū)動(dòng)器間隔0.4 m。注意，整個(gè)頻率范圍運(yùn)行中，揚(yáng)聲器數(shù)量每增加一倍，聲壓級(jí)就會(huì)增加6 dB。高頻響應(yīng)較平滑，但是由于空氣吸收（20℃的溫度，50%的相對(duì)濕度），該曲線會(huì)出現(xiàn)陡降。

實(shí)際上，線陣列在近區(qū)的特性較復(fù)雜。近區(qū)任何給定的點(diǎn)都是在這惟一一個(gè)全向高頻號(hào)角的軸上。結(jié)果我們能“感受到”線陣列中大多數(shù)揚(yáng)聲器的低頻能量。因此，給線陣列增加音箱可提升近區(qū)的低頻能量，但是高頻還是保持不變。

這就解釋了為什么線陣列系統(tǒng)需要在均衡上提升高頻。在遠(yuǎn)區(qū)，提升均衡能有效地補(bǔ)償空氣吸收掉的高頻。在近區(qū)，它可以補(bǔ)償?shù)皖l的相長，接近高頻波導(dǎo)的指向。

2.5 M3D是如何補(bǔ)償線陣列在實(shí)際應(yīng)用中的不足

圖6表明低頻線陣列和高頻波導(dǎo)是如何結(jié)合形成一個(gè)性能良好又相容的系統(tǒng)。它顯示的是一組由16只M3D揚(yáng)聲器組成的線陣列的指向性。根據(jù)M3D的REM(Ribbon Emulation Manifold帶狀仿真復(fù)合音孔)以及恒定指向性號(hào)角的優(yōu)點(diǎn)，高頻輻射圖和低頻輻射圖基本匹配。

同時(shí)還要注意低頻時(shí)一些重要后瓣的缺失。這就表明M3D低頻定向技術(shù)的優(yōu)勢。就像圖1中的全向線陣列一樣，500 Hz時(shí)其實(shí)沒有垂直波瓣，因?yàn)?5英寸的單元驅(qū)動(dòng)以及高頻號(hào)角在這一區(qū)域是協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作，從而抑制了離軸（軸外）區(qū)域的能量。

那么，什么情況下可以優(yōu)先考慮選擇線陣列？

一些人不管什么情況下都會(huì)建議選擇線陣列作為音頻擴(kuò)聲的最終解決方案，這樣當(dāng)然是不可行的。一般來說，線陣列最適合應(yīng)用于一些需要水平覆蓋范圍較寬的場所，另外，需要遠(yuǎn)距離投射以及垂直波束相對(duì)較窄的情況下也適用線陣列。相比之下，近距離投射的場所，或者其他需要更寬的垂直波束寬度以及更窄的水平覆蓋范圍時(shí)，采用揚(yáng)聲器組合或者常規(guī)的“集群”陣列往往會(huì)更好。當(dāng)然盡管較小的線陣列在分布式系統(tǒng)中用得更順利些，但常規(guī)的個(gè)體揚(yáng)聲器組合或小集群陣列更能節(jié)約成本。