揚(yáng)聲器系統(tǒng)尺寸與指向性關(guān)系

文/[美]布魯斯·梅恩 編譯/何青青

目前，小音箱輸出和保真度方面的技術(shù)得到了較快提升，但是物理屬性并沒(méi)有發(fā)生改變，涉及覆蓋模式控制時(shí)，音箱尺寸仍然是個(gè)問(wèn)題。

應(yīng)用中，倒像式音箱和線陣列備受關(guān)注。這并不奇怪——因?yàn)樗鼈冇执笥猪懀€非常有魅力。但這類設(shè)備若沒(méi)有一只兩分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)作為補(bǔ)聲是不行的，該兩分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)可以由一只12英寸或者15英寸的低音單元和一只號(hào)角組成。小型兩分頻音箱日常工作時(shí)可以用于主擴(kuò)聲，不管是舞臺(tái)監(jiān)聽(tīng)、鼓聲補(bǔ)聲、前區(qū)補(bǔ)聲還是裝在支架上補(bǔ)聲。

使用者利用這些音箱的特性是理所當(dāng)然的，但如果能真正理解它們的指向特性及其工作原理，那么，使用起來(lái)就會(huì)得到更出色的效果。

1 決定覆蓋模式分配的因素

小型音箱的指向性經(jīng)常被標(biāo)注為90°×60°或者其他不確定的參數(shù)。不過(guò)90°×60°指的是什么頻率的指向性呢？當(dāng)然不是從DC（0 Hz）到20 kHz。有四個(gè)主要因素決定著這些揚(yáng)聲器系統(tǒng)的覆蓋模式分配，分別是錐形驅(qū)動(dòng)器、高音號(hào)角、分頻器以及箱體。

下面依次分析這些因素，評(píng)估一下各自的作用。列舉這些因素之前，先回顧一些基本知識(shí)。

任何設(shè)備的指向性對(duì)聲波的影響直接與該設(shè)備的大小及聲波的長(zhǎng)短成比例關(guān)系。為理解這一關(guān)系，深入了解給定頻率的正弦波大小至關(guān)重要。

溫度為72℃時(shí)，海平面的聲波約以1 130 英尺/秒的速度傳播。用赫茲來(lái)表示頻率或每秒產(chǎn)生的圓周（正弦波）。如果波的頻率是1 Hz，波長(zhǎng)為1 130英尺，從邏輯上計(jì)算，10 Hz的波頻率其波長(zhǎng)為113英尺，100 Hz的波頻率其波長(zhǎng)為11.3英尺，1 000 Hz的波頻率其波長(zhǎng)為1.13英尺，依此類推。

只要給出頻率，就能算出波長(zhǎng)，這并不難。有一種老套的“秘訣”叫“5-2-1法則”：20 Hz = 50英尺，50 Hz = 20英尺，100 Hz = 10英尺，200 Hz = 5英尺，500 Hz = 2英尺，1 000 Hz = 1英尺，2 000 Hz=0.5英尺，5 000 Hz = 0.2英尺，10 000 Hz = 0.1英尺。

這樣表示雖然不完全準(zhǔn)確，但適用于“應(yīng)急”時(shí)的計(jì)算。物理學(xué)表明一個(gè)聲源尺寸比波長(zhǎng)大，為的是增強(qiáng)其指向性控制。以下分析一只號(hào)角為90°×60°，低音為12英寸的2分頻音箱的低頻指向性。

2 控制問(wèn)題

注意，對(duì)前導(dǎo)向揚(yáng)聲器系統(tǒng)而言，其低頻驅(qū)動(dòng)單元控制聲波分布的惟一方式就是錐形驅(qū)動(dòng)器直徑（較少一部分通過(guò)邊界效應(yīng)控制）。

100 Hz時(shí)，相對(duì)于10英尺的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)器尺寸顯得很小，幾乎沒(méi)有指向性可言（如圖1）。

圖1 12英寸2分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)在100 Hz時(shí)的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

若頻率逐漸增加，達(dá)到1 000 Hz（1英尺）時(shí)，12英寸的驅(qū)動(dòng)器不會(huì)突然影響聲波的輻射角度控制模式，而是跟驅(qū)動(dòng)器本身的尺寸一致。然而，隨著頻率變得越來(lái)越高，波長(zhǎng)越來(lái)越短，其影響也越來(lái)越明顯（如圖2、圖3）。

圖2 12英寸2分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)在500 Hz時(shí)的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

圖3 12英寸2分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)在800 Hz時(shí)的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

在這個(gè)頻率點(diǎn)（圖3顯示的800 Hz），錐體驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上產(chǎn)生大約90°的水平指向性。但因?yàn)檩椛淠Ｊ绞菆A錐形的（驅(qū)動(dòng)器是圓的），所以，不會(huì)產(chǎn)生60°的特定垂直角度。

隨著頻率的增加，驅(qū)動(dòng)器對(duì)輻射模式的影響力度越來(lái)越大，直到高頻段聲輻射開(kāi)始出現(xiàn)“波束”形狀。等波束窄到一定程度時(shí)，就會(huì)在分頻點(diǎn)之上。圖3的揚(yáng)聲器系統(tǒng)分頻點(diǎn)大概在球形頻率之上半個(gè)倍頻程處。

這主要影響到箱體的極圖特性，尤其在垂直區(qū)域，所以，這里討論分頻點(diǎn)指的是從1000 Hz1500 Hz這個(gè)頻段。

3 決定波長(zhǎng)的因素

號(hào)角設(shè)計(jì)中有好幾個(gè)因素使它能夠在給定頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輻射圖案控制。其中一些因素包括喉管的幾何結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度以及開(kāi)口比率等。但最顯著的因素是喇叭口的尺寸（與錐形驅(qū)動(dòng)器的影響因素一樣，都是尺寸問(wèn)題）。

喇叭口尺寸必須足夠大以便能決定波長(zhǎng)，從而在該頻率點(diǎn)提供完整的指向性。如果一只號(hào)角的喇叭口尺寸是寬6英寸、高3英寸，1 000 Hz時(shí)就接近全指向。

只有水平面頻率達(dá)到2 000 Hz，垂直面頻率達(dá)到3 000 Hz時(shí)才會(huì)影響聲波。3 000 Hz以上的輻射角度為90°×60°，但低頻段幾乎沒(méi)有指向性。

錐形驅(qū)動(dòng)器和號(hào)角本身只是老套的設(shè)備，并不新奇。但將兩者結(jié)合使用就具挑戰(zhàn)性。首先涉及到物理抵消問(wèn)題。典型的2分頻箱體中，驅(qū)動(dòng)單元是一只位于另一只上面，而且兩只單元的縱向距離可能也不同。

盡管可以利用延時(shí)對(duì)軸線上的兩只驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，其他一些垂直角度也會(huì)使來(lái)自號(hào)角和錐形驅(qū)動(dòng)器的到達(dá)時(shí)間產(chǎn)生偏離。因?yàn)閹ê万?qū)動(dòng)器的垂直分布圖案在分頻點(diǎn)區(qū)域會(huì)交疊，因此，在軸線外的任何垂直角度都有可能聽(tīng)到兩只驅(qū)動(dòng)器反相后發(fā)出的聲音。這就意味著必定會(huì)產(chǎn)生波瓣和空值（圖4、圖5）。

利用對(duì)稱的林克維茲·瑞利（Linkwitz-Riley）函數(shù)24 dB斜度衰減，圖中這只音箱的分頻點(diǎn)在1 350 Hz?；隍?qū)動(dòng)器抵消模式控制，分頻點(diǎn)斜度，疊加以及延時(shí)分布設(shè)置等，這些波瓣的方向和靈敏度會(huì)變動(dòng)，但只是在多驅(qū)動(dòng)器的箱體內(nèi)發(fā)生，而且這些聲源彼此分開(kāi)。

如果將一只音箱放在它旁邊，水平方向產(chǎn)生的現(xiàn)象是一樣的。那地面監(jiān)聽(tīng)音箱呢，會(huì)有什么現(xiàn)象？

同軸音箱中出現(xiàn)重現(xiàn)現(xiàn)象只有一種原因。

圖4 12英寸2分頻揚(yáng)聲器頻率在1 250 Hz，分頻點(diǎn)在1 350 Hz時(shí)的垂直方向輻射球形圖（箱體正面朝左）

圖5 12英寸2分頻揚(yáng)聲器頻率在1 600 Hz，分頻點(diǎn)在1 350 Hz時(shí)的垂直方向輻射球形圖（箱體正面朝左）

因?yàn)槁曉粗g沒(méi)有垂直偏移，使用者只能糾正錐形驅(qū)動(dòng)器和號(hào)角驅(qū)動(dòng)器的聲源間的深度（縱向距離）變化量，而且這個(gè)距離跟軸外的聽(tīng)音位保持恒定。權(quán)衡之計(jì)就是多種同軸設(shè)計(jì)使用圓錐形驅(qū)動(dòng)單元作為號(hào)角來(lái)產(chǎn)生高頻。對(duì)于監(jiān)聽(tīng)音箱或者近場(chǎng)場(chǎng)所也許可行，但是，如果擴(kuò)聲，往往需要更精確的覆蓋角度控制。

4 擋板、邊界

指向性問(wèn)題的最后一個(gè)因素就是箱體本身，以及箱體安裝所產(chǎn)生的邊界效應(yīng)。當(dāng)空間減少，音箱往里輻射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生分?jǐn)?shù)空間負(fù)載。正如圖1所示，低頻是全向的，所以將音箱放在地板上時(shí)，低頻輻射空間就有效地減少了一半。這就在半球體上額外產(chǎn)生了3 dB（兩倍功率）的輸出。

在給定的頻率點(diǎn)上，如果音箱箱體上的擋板足夠大，那么，就可以將它視為邊界，產(chǎn)生半個(gè)空間載荷。有時(shí)候這叫“擋板效應(yīng)（baffle step）”。如今的箱體中，擋板往往不及安裝在其內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器尺寸大，因?yàn)槭紫纫紤]的是重量、支架位置、吊掛硬件等因素。