消聲室內(nèi)線陣列揚聲器系統(tǒng)近場特性的測量

韓一平+孟子厚

【摘 要】 在大型消聲室內(nèi)采用掃描布點的方法，對一款線陣列揚聲器系統(tǒng)的近場聲場特性進(jìn)行了測量，對線陣列揚聲器 系統(tǒng)的指向性，四分之一功率角進(jìn)行計算分析，對軸向聲壓級衰減進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示四分之一功率角的變化 趨勢和理論結(jié)果有差距，軸向聲壓級衰減波動大，近場測量結(jié)果可以提供對線陣列揚聲器系統(tǒng)進(jìn)行評價和推測 的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 線陣列揚聲器系統(tǒng)；指向性；近場特性；消聲室

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.002

Near-Filed Measurement of an Array Loudspeaker in an Anechoic Room

HAN Yi-ping， MENG Zi-hou

（Communication Acoustics Laboratory， Communication University of China， Beijing 100024， China）

【Abstract】In a large anechoic room， used the scanning method to measure the near-field acoustic characteristics of a line array loudspeaker system， including the directivity， the quarter-power angle. The on-axis responses get fitted， and the results showed that the trend of the quarter-power angle is different from the theoretical trend， and the wave of on-axis responses is fluctuating. The near-field measurement results could be considered as the basis for evaluating a line array loudspeaker system.

【Key Words】line array loudspeaker system； directivity； near-field characteristic； anechoic chamber

1 引言

關(guān)于線陣列揚聲器系統(tǒng)的聲場或現(xiàn)場測量公開發(fā)表的資料很少，主要原因是其體積大、質(zhì)量重，操作起來十分不便，現(xiàn)場測量往往需要遠(yuǎn)距離。目前，已給出比較詳細(xì)測量結(jié)果和分析的有JBL公司用實地地面測量法分別對兩箱陣列、四箱陣列、九箱陣列，通過改變角度、箱體位置等得到頻率響應(yīng)等。測量結(jié)果表明，隨著單元箱尺寸的增大，旁瓣數(shù)量增加，旁瓣聲壓級減小，指向性變尖銳，而且聲波干涉加強[1]。之后JBL還公布了對于VT4889線陣列揚聲器系統(tǒng)的測量方法[2]：選擇地面測量法，利用MLSSA電聲分析儀，分別對不同組合的線陣列揚聲器系統(tǒng)改變單元箱張開角度，預(yù)測和測量了指向性及覆蓋角。Meyer Sound 公司針對曲線陣列揚聲器系統(tǒng)，采用八邊形腳手架固定線陣列揚聲器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動傳聲器的方法，實地測量不同夾角的水平垂直指向性。測量結(jié)果表明，當(dāng)信號波長與陣列尺寸相當(dāng)時指向性開始不明顯[3]。

對線陣列揚聲器系統(tǒng)的性能資料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)一些共同的問題：

（1）廠商公布的產(chǎn)品參數(shù)都是針對單元箱的結(jié)果；

（2）在眾多參數(shù)中，覆蓋角和頻率響應(yīng)差別最大，不同的廠商按不同的形式說明，并且覆蓋角沒有指明是什么頻點對應(yīng)的覆蓋角度；

（3）在已提供的參數(shù)中，很多結(jié)果是通過軟件模擬仿真得到的。

筆者在大型消聲室內(nèi)對線陣列揚聲器系統(tǒng)的近場聲場特性進(jìn)行細(xì)致測量，觀察其近場的輻射情況。一般線陣列揚聲器系統(tǒng)實際使用時的作用區(qū)域是從其前方30 m左右開始，這里的近場指線陣列揚聲器系統(tǒng)通常作用的區(qū)域之內(nèi)。

2 測量方法

2.1 被測線陣列揚聲器系統(tǒng)的組成

被測量的線陣列揚聲器系統(tǒng)為國內(nèi)某品牌產(chǎn)品，該線陣列揚聲器系統(tǒng)由8個單元箱組成。考慮到每個單元箱的頻響、指向性等不能差距太大，因此，在組陣之前要先對單元箱進(jìn)行指向性測量，測量地點選擇在消聲室內(nèi)進(jìn)行。

消聲室長16.00 m，寬7.15 m，高6.60 m。測量所在的消聲室環(huán)境如圖1所示。

在消聲室內(nèi)使用CLIO電聲測試系統(tǒng)，測量信號選擇MLS偽隨機(jī)序列信號。將被測對象放在轉(zhuǎn)臺上，傳聲器距離聲源中心1 m，傳聲器高度與被測對象的水平或垂直中心高度一致。由CLIO測試軟件設(shè)置MLS偽隨機(jī)序列信號，通過被測線陣列揚聲器系統(tǒng)播放，步長為3°，測量范圍是0°～360°。分別測量水平和垂直指向性。通過記錄測量數(shù)據(jù)，得到八組指向性圖形，其中一個單元箱的水平指向性圖和垂直指向性圖分別如圖2和圖3所示。

2.2 線陣列揚聲器系統(tǒng)測量

將8個單元箱豎直放置在消聲室內(nèi)一側(cè)，并組成陣列，單元箱之間夾角設(shè)置為0°。對線陣列揚聲器系統(tǒng)在豎直方向進(jìn)行掃描式測量，測量區(qū)域為其前方長12 m、寬6 m的區(qū)域，每隔0.25 m設(shè)置一個測量點，共計1 225個測量點。在測量點處將測量傳聲器放置在傳聲器架上，保持測量傳聲器高度與音箱豎直中心高度一致。測量過程中線陣列揚聲器系統(tǒng)和測量傳聲器的擺放設(shè)置如圖4所示。

在每次測量前對聲級計進(jìn)行校準(zhǔn)，然后由線陣列揚聲器系統(tǒng)播放粉噪信號，記錄全頻帶等效聲壓級。重復(fù)該步驟將所有測量點遍歷。整個測量過程保證擴(kuò)聲系統(tǒng)內(nèi)所有硬件的增益控制固定不變。

3 測量數(shù)據(jù)和分析

3.1 揚聲器陣列的近場聲壓分布

對已組陣的線陣列揚聲器系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行等聲壓級處理，相同的聲壓級用同種顏色進(jìn)行表示，可以看出，隨著頻率升高，指向性變得尖銳。

越靠近線陣列，聲壓級分布越復(fù)雜，有明顯的交錯。低頻的聲壓分布圖顯示能量十分聚集，中高頻的柱面波輻射特點十分明顯；5 000 Hz及以上頻點，聲壓級下降很快并且不連續(xù)，在聲壓分布圖的兩側(cè)出現(xiàn)了波瓣，并且并不對稱。該線陣列產(chǎn)品在高頻部分的能量下降快，并且指向不集中，副波瓣明顯。從250 Hz～16 000 Hz不同頻點的線陣列近場聲壓分布圖如圖5所示。

3.2 近場指向性

從對線陣列揚聲器系統(tǒng)單元箱測量指向性的結(jié)果看，它們之間的指向性相差不大，不同單元箱各個頻點上的聲壓級上下浮動不超過3 dB，則可以對線陣列的垂直指向性進(jìn)行進(jìn)一步測量。

以線陣列揚聲器系統(tǒng)的聲源中心為中點，以3 m為半徑劃分圓形區(qū)域，在線陣列前方半圓區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行線陣列揚聲器系統(tǒng)垂直指向性測量。測量步長為3°，測量范圍0°～180°。對測量得到的聲壓級進(jìn)行歸一化處理，畫出指向性圖，此指向性圖形僅限于近場范圍內(nèi)，從250 Hz～16 000 Hz指向性圖如圖6所示：隨著頻率變高，線陣列系統(tǒng)垂直指向性更加明顯，并且由于副波瓣數(shù)目多、寬度大，導(dǎo)致主波瓣不明顯；其指向性圖的尖銳程度并沒有像單元音箱變化那樣顯著。

3.3 四分之一功率角

四分之一功率角（覆蓋角）指的是在主波瓣兩側(cè)，聲壓級比最大聲壓級低 6 dB 的方向之間的夾角，可以通過對線陣列的指向性測量的結(jié)果計算得到。單元箱水平方向和垂直方向的覆蓋角測量結(jié)果如表1所示。

單元箱的垂直覆蓋角，從低頻到高頻有迅速下降的趨勢，但是在16 000 Hz處卻有了略微上升；水平覆蓋角在中頻部分只有40°左右。

再來觀察線陣列揚聲器系統(tǒng)四分之一功率角角度測量結(jié)果，如表2所示。

線陣列揚聲器系統(tǒng)的四分之一功率角理論值由公式得到[5]，其中f是頻率，L是線陣列揚聲器系統(tǒng)的長度。通過理論計算公式可以發(fā)現(xiàn)，頻率增加一倍，四分之一功率角減小一半。但是理論的產(chǎn)生是基于遠(yuǎn)場的情況下做出的數(shù)學(xué)模型，實際測量結(jié)果是特定在近場情況下得到，通過陣列的垂直指向性得到的四分之一功率角，從揚聲器線陣列系統(tǒng)的指向性圖可以看出，高頻處的指向性圖形比低頻時更加尖銳，但是在聲壓級下降6 dB的過程中，曲線略顯平緩，使得聲壓級下降6 dB后形成的覆蓋角角度大。該線陣列揚聲器系統(tǒng)的覆蓋角隨頻率變化十分不穩(wěn)定。如果改變線陣列單元箱之間的夾角也可能會得到不同的結(jié)果。

3.4 線陣列揚聲器系統(tǒng)近場軸向聲壓級

根據(jù)已經(jīng)測得的數(shù)據(jù)，對線陣列揚聲器系統(tǒng)軸線上的聲壓級進(jìn)行分析。將軸向上的已測數(shù)據(jù)連接，可以看出隨著距離的增加，聲壓級的趨勢是衰減，然而在衰減的過程中有一些波動。通過對趨勢的觀察，對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)衰減規(guī)律擬合，橫坐標(biāo)表示距離（軸向測點編號），縱坐標(biāo)表示測量的聲壓級，從125 Hz～16 000 Hz的擬合結(jié)果如圖7所示。

可以看出低頻的擬合結(jié)果很好，在所測量的范圍內(nèi)，能夠表示出衰減的趨勢，頻率越高，數(shù)據(jù)的波動越大，擬合的效果沒有低頻的顯著，但是仍然保持對數(shù)衰減趨勢。在線陣列揚聲器系統(tǒng)的輻射過程中，一定范圍內(nèi)球面波和柱面波兩種輻射都存在，由分界距離公式可對柱面波和球面波的分界給出一個大概的距離[7]。線陣列在分界距離以內(nèi)，聲波按柱面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級衰減3 dB，在分界距離以外，聲波按球面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級衰減6 dB。由圖7可以看出，在實際近場輻射范圍內(nèi)，聲壓級的衰減并沒有按照嚴(yán)格的3 dB衰減規(guī)律。由于干涉的存在導(dǎo)致衰減并不是單調(diào)的，但是隨著距離的增加，聲壓級的衰減在更遠(yuǎn)的距離上仍趨于穩(wěn)定的下降，由此推測：根據(jù)擬合的結(jié)果可以對遠(yuǎn)距離的聲場輻射進(jìn)行推算，為遠(yuǎn)距離的預(yù)測提供一種可能。

4 小結(jié)

在大型消聲室內(nèi)對線陣列揚聲器系統(tǒng)進(jìn)行近場聲壓分布特性的測量。測量分別得到了近場聲壓級分布圖，指向性以及四分之一功率角，并對其進(jìn)行了分析。這些聲學(xué)參數(shù)可以作為線陣列揚聲器系統(tǒng)的性能評價和問題診斷的參考依據(jù)。從已測得的數(shù)據(jù)出發(fā)，對軸向聲壓衰減變化進(jìn)行對數(shù)擬合，可以看出近場范圍內(nèi)聲壓級衰減的規(guī)律和趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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[3] John Meyer. Large Arrays： Measured Free-Field Polar Patterns Compared to a Theoretical Model of a Curved Surface Source[J]. Audio. Eng. Soc， Vol. 38，1990（4）：260-270.

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