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，設(shè)計者常常希望揚聲器能像聚光燈那樣工作：選擇正確指向性的揚聲器系統(tǒng)，將它們朝著指定的方向輻射就可以了。當然，這不是揚聲器系統(tǒng)的工作方式，尤其對于低音揚聲器系統(tǒng)來說。

普通的低音揚聲器系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)幾乎接近全向性，但若將幾個堆疊起來，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只燈泡本來可以照亮整個房間，但4只燈泡組成一排同時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——例如舞臺左右兩側(cè)堆疊的音箱，就會產(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)點亮2只相隔一定距離的白光燈時，房間會出現(xiàn)如彩虹般的彩色燈光。

除此之外，還有混響問題，混響在時間維度方面會增加混淆和著色。燈光還沒有與之對應(yīng)的效應(yīng)。

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

如果成功了，那么：

（1）低音會很清晰，而且整個聽音區(qū)域都會保持音調(diào)連續(xù)平衡；

（2）低音聲級在整個聽音區(qū)域都會跟中高頻平衡；

（3）混響和反射的負面影響會減少；

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

1 超低音箱的聲學(xué)概念

1.1 波長

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

以下是幾種典型的波長：

正常大氣溫度、壓強和濕度下，波長換算公式如下：

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（見圖1）。這里所謂的尺寸“小”和“大”是根據(jù)波長測量，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立的線陣列安裝在舞臺相反的兩側(cè)。這些線陣列有時堆放在地板上，有時被吊掛起來。

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

圖4表明在舞臺對面一側(cè)增加另一只Xsub時所出現(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。因為這2只低音音箱都是全向的，人們在室內(nèi)能聽到2只低音音箱的聲音。然而，這2只音箱到聽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波長的奇數(shù)倍，那么2只低音音箱出來的聲音相抵消，此時聽不到低音，至少感覺聲音不是直接來自低音音箱。

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

圖5所示的是兩個實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。惟一一個所有頻點都沒有波瓣的區(qū)域，就是從舞臺中心出發(fā)的直線。沿著這條線，低音最強且最清晰。這就類似“power alley”效應(yīng)（它是音頻工程中的一個專業(yè)術(shù)語，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起來非常好，但是混音工程師卻不知道其他觀眾所聽到的聲音效果如何。解決波柱問題的最好方法就是將音箱堆放成一組放在舞臺中間位置，而不是堆放在左右兩側(cè)。這不管是對水平方向還是垂直方向的線陣列都有效。然而，這對于演出形式和設(shè)備操縱來說往往不可行。

采用左右堆放布置方式時，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，音箱是獨立驅(qū)動的（或者分成一小組、一小組進行驅(qū)動），每個驅(qū)動信號都有自己的延時和電平。

圖6和圖7是一組中等大小的典型低音線陣列是否運用波束形成技術(shù)的不同效果（60 Hz）。圖中的線陣列揚聲器系統(tǒng)是4只EV Xsub超低音。圖6是沒有采用波束形成技術(shù)的線陣列。圖7中，延時值使得低音朝舞臺后區(qū)方向輻射，這是增加舞臺兩側(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“遮蔽”意味著調(diào)整線陣列兩端及接近兩端的驅(qū)動參數(shù)?！霸鲆嬲诒巍笔侵刚{(diào)節(jié)（尤其是減少）線陣列其中一端的驅(qū)動增益。

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（或者進行堆疊），主要的輻射波是垂直于線陣列。垂射線陣列是實際應(yīng)用中最普遍的形式，這是大多數(shù)場所中能見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，是因為設(shè)計和設(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變得更窄，且隨著頻率的增加會出現(xiàn)更多的波瓣。曲線型線陣列如果長度足夠長，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。在考慮演出風格和外觀時，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問題。若直線排列的低音線陣列長度超過10英尺（3 m），那么，對大多數(shù)場合來說其指向性太強。

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時只有90°。在更高的頻點時，覆蓋角度甚至更窄。

圖10中左邊的圖是一個更明顯的例子。這是一組由6只EV Xsub低音音箱組成的線陣列，線陣列本身長度大約為24英尺（7.3 m）。這個例子表明頻率在60 Hz時覆蓋角度為60°，而且與頻率相關(guān)。通過將線陣列擺成曲線型或者階梯型（見圖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，因為覆蓋區(qū)域重疊，且產(chǎn)生波瓣。該系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)性就是減少波瓣的同時又能覆蓋整個聽眾區(qū)。

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

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

（3）大型中心堆疊線陣列

在大型場所或室外舞臺，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前面。如果波束延時技術(shù)用在這種結(jié)構(gòu)中，效果會非常不錯。圖15是一排由12只Xsub超低音音箱組成的線陣列的指向性，其延時經(jīng)過了優(yōu)化。

圖15展示了波束延時技術(shù)的一個細節(jié)，值得關(guān)注，對比一下延時值表格，就會注意到延時值不是等量變化，越靠近線陣列的末端，等級值會變大。這種情況比較典型。當你設(shè)計波束延時（使用LAPS或者其他一些模型工具），也許會發(fā)現(xiàn)在線陣列兩端會出現(xiàn)更大的延時值，輻射方向和波束展寬應(yīng)用方面都會取得更好的效果。

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且窄的場所（比如巡游路線），但對于一般的音樂會，則建議用圖15中的波束延時方案。

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)動通道（包括延時、濾波或極性反轉(zhuǎn)等），以便達到某些效果。購買梯度線陣列后，可以作為單獨的音箱使用，也可以把一只只低音音箱進行組合。

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，并且以相繼延時的方式驅(qū)動，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聲器系統(tǒng)。端射線陣列非常少見，只在特定遠距離投射場所、戶外或者大型場所使用。

（本文編譯自www.prosoundweb.com相關(guān)文章。）