揚聲器系統(tǒng)與傳聲器的發(fā)展現(xiàn)狀

沈勇++魏增來

【摘 要】 介紹了揚聲器系統(tǒng)在線陣列技術、指向性控制、自適應技術方面的進展，以及傳聲器在基礎結構、微型化、數(shù)字 無線技術、3D拾音方面的進展。

【關鍵詞】 揚聲器系統(tǒng)；指向性控制；自適應；傳聲器；微型化；結構；3D拾音

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.07.009

【Abstract】The author introduced the progress of loudspeaker on line array technology， directional control and adaptive technology， and the progress of microphone in infrastructure， micromation， digital radio technology and 3D pickup.

【Key Words】loudspeaker； directional control； adaptive； microphone； miniaturization； structure； 3D pickup

1 揚聲器系統(tǒng)

1.1 揚聲器線陣列技術

線陣列揚聲器系統(tǒng)是目前專業(yè)音響產(chǎn)品中最有技術含金量的類別之一。國際上幾大主要品牌的全尺寸主導型線陣列揚聲器產(chǎn)品的更新頻度放緩，揚聲器線陣列相關核心技術已趨于成熟。但圍繞著線陣列揚聲器系統(tǒng)衍生出很多令人矚目的新技術和新產(chǎn)品，因此揚聲器線陣列技術在專業(yè)音響產(chǎn)品中仍屬重要的核心基礎技術。

緊湊型線陣列揚聲器系統(tǒng)是各廠商近期的熱點產(chǎn)品，以極小體積實現(xiàn)高聲壓級的聲學特性。2016年的新產(chǎn)品已經(jīng)可以達到以重量僅14 kg實現(xiàn)138 dB的聲壓級（自由場，1 m，峰值）。這類小尺寸緊湊型產(chǎn)品在對于外觀要求較高的固定安裝場合有很高的實用價值。代表性產(chǎn)品包括L-Acoustics的KivaⅡ、Kling & Freitag的SEQUENZA 5 W、EAW的KF720和Martin的MLA mini。

L-Acoustics的KivaⅡ是具有極高聲壓/體積比的無源兩分頻超緊湊型線陣列揚聲器系統(tǒng)，單只重14 kg，在自由場條件下的最大峰值聲壓級為138 dB（峰值因子4）。在70 Hz～20 kHz的工作頻率范圍內，可產(chǎn)生100°無旁瓣的水平指向性和平坦的頻率響應。KivaⅡ的箱體由新型復合材料制成，采用倒相式負載的箱體結構；安裝的單元包括：2只6.5 in單元和1只1.75 in振膜的壓縮策動單元，采用DOSC波導和L-Fins負載。KivaⅡ的單元性能優(yōu)異，尤其體現(xiàn)在沖程和功率承受能力方面，確保了極高的聲壓/體積比。

Martin Audio的MLA Mini系列線陣列揚聲器系統(tǒng)具有超緊湊的箱體結構、極輕的重量，適用于小規(guī)模便攜安裝應用場所。每只MLA Mini揚聲器均包含2只6.5 in直徑/ 2 in音圈的低頻驅動器，以及3只1.4 in鋁振膜球頂高音驅動器，水平擴散角可達100°。MLA Mini的有源小型15 in反射加載的超低頻揚聲器MSX，內置9個通道的D類功率放大器、DSP處理器以及網(wǎng)絡控制接口，一方面可為其自身及最多4只MLA Mini揚聲器提供信號處理及功率驅動，另一方面通過網(wǎng)絡控制可與DISPLAY2.1優(yōu)化軟件交互作用，從而對整個線陣列系統(tǒng)進行精確優(yōu)化。該系統(tǒng)可以進行吊裝、堆疊或支架安裝。從規(guī)模上來說，一個陣列可吊裝多達16只MLA Mini揚聲器，由4只地面堆疊的MSX提供信號處理及功率驅動。

另外，EAW的KF720揚聲器，超緊湊的箱體重量小于19.8 kg；K&F的SEQUENZA 5也只有368 mm×349 mm×394 mm的大小，重量僅16.3 kg。

1.2 波束控制＼指向性控制

聲輻射指向性可控可以說是現(xiàn)代專業(yè)揚聲器與傳統(tǒng)揚聲器設備的主要技術分界線。指向性控制技術水平的提升在國際最新一代的產(chǎn)品中有多方面的體現(xiàn)。目前，對于指向性的控制有物理和信號處理兩種方式。

（1）物理手段控制

值得關注的是指向性控制在過去垂直聚焦的基礎上更多地開始關注水平方向的聚焦。

BOSE的RoomMacth和ShowMatch系列是一種典型的技術方案，通過為揚聲器線陣列裝配各種不同指向性的聲波導模塊以實現(xiàn)垂直和水平指向性的雙向控制。RoomMatch系列產(chǎn)品共設計有42種輻射角的波導模塊，形成不同輻射立體角的波導，可根據(jù)使用環(huán)境進行針對性選擇及搭配，從而有效降低水平以及垂直兩維方向上的墻體反射，加強遠場聲場能量，從而實現(xiàn)不同環(huán)境下的均勻輻射。同時可以為實際需要的固定安裝系統(tǒng)進行指向性訂制，因此在應用中有獨特的競爭力。其通過較為簡單易行的手段實現(xiàn)了兩維指向性的控制，并且可以獲得更好的聲能量效率。

（2）信號處理方式

采用信號處理方式進行揚聲器指向性控制的產(chǎn)品首先出現(xiàn)在更容易滿足相干性頻率波長與揚聲器間距關系的聲柱類產(chǎn)品中，早期由Duran、Renkus-Heniz等廠家研發(fā)，而后Tannoy、CVS等廠商逐漸跟進，發(fā)展到目前，很多原來以點聲源和線陣列見長的品牌，如Meyersound、Kling&Freitag等也紛紛推出此類產(chǎn)品，而成為一種非常成熟并得到廣泛應用的技術，以Meyer Sound的CAL系列產(chǎn)品為例，作為一款波束數(shù)量與指向性均可控的聲柱產(chǎn)品，其單一波束的水平覆蓋角度為120°，垂直覆蓋角度為5°～30°可調（增量為5°），指向性擺動角度為±30°可調（增量為1°），頻響范圍為105 Hz～15 kHz（±4 dB），能夠提供良好的人聲重放性能。

在上述聲柱類產(chǎn)品的基礎上，已有某些品牌的線陣列揚聲器產(chǎn)品通過信號處理的手段也實現(xiàn)了一定程度的聲輻射指向性的控制，從而對聽眾區(qū)域提供相對精準且均勻的覆蓋，如Martin的MLA Compact。值得注意的是，這類產(chǎn)品都會向用戶提供配套的調試工具軟件，其中集成了聲場預測、聲學仿真等功能，通過此類有效的調試手段和控制工具發(fā)揮其產(chǎn)品的功能優(yōu)勢。

1.3 自適應技術揚聲器系統(tǒng)

指向性控制技術的前沿是更加智能化的自適應技術，除了對線陣列揚聲器指向性的精確控制之外，自適應功能打破了過去工程應用中 “陣列裝配→現(xiàn)場測量→裝配調整→現(xiàn)場測量”的反復循環(huán)，通過結合仿真和優(yōu)化等技術，基于軟件與數(shù)字信號處理平臺計算自動調整參數(shù)，優(yōu)化控制目標聲場，每一個工作步驟都通過計算輔助設計和自動優(yōu)化降低了設計調試人員的工作量。AES第139屆大會上Scovill的報告中對專業(yè)聲頻工程的技術時代劃分認為，聲場控制與計算的新技術將引領整個行業(yè)從計算預測輔助時代進入智能適應輔助時代。AES第141屆大會（2016年10月）上，“數(shù)值化揚聲器線陣列系統(tǒng)優(yōu)化——下一代揚聲器系統(tǒng)”專題討論認為，數(shù)值優(yōu)化技術將改變行業(yè)的工作流程并最終會改善聽眾的聽覺體驗。

目前，自適應指向性控制技術以EAW的Adaptive系列為代表。

EAW的Adaptive系列產(chǎn)品，根據(jù)聲重放場所的條件，通過ResolutionTM 2軟件對波束覆蓋角度和指向性進行自動計算調節(jié)。在此以Adaptive系列產(chǎn)品Anya為例，其頻響范圍為35 Hz～18 kHz，水平覆蓋角度為70°，垂直覆蓋角度可通過軟件進行調節(jié)，用戶可將重放場所模型和Anya吊掛具體參數(shù)（如陣列間距，吊掛高度等參數(shù)）導入軟件中，通過計算，在不改變揚聲器陣列物理位置的情況下，即可自動調節(jié)垂直覆蓋角度，以適應現(xiàn)場聲學覆蓋需求。此后在實際使用過程中，還可通過ResolutionTM 2軟件對Anya的工作情況進行遠程監(jiān)控，若出現(xiàn)某一揚聲器單元故障的突發(fā)情況，系統(tǒng)可自動重新進行自適應并對Anya參數(shù)進行調節(jié)修正。2016年EAW推出了該系列的小型款Anna，重量減輕了約一半。

2 傳聲器系統(tǒng)

近幾年，專業(yè)傳聲器的指向性控制和高聲壓響應都已經(jīng)非常優(yōu)秀了，近期傳聲器系統(tǒng)的重要進步主要體現(xiàn)在小型可穿戴傳聲器、數(shù)字無線傳聲器以及傳聲器結構創(chuàng)新等方面。

2.1 可穿戴傳聲器

可穿戴的微型傳聲器技術水平有著顯著的提升，在0.2 in級別，傳聲器的動態(tài)范圍可超過100 dB，并且全指向與超心形指向性均可提供?？纱┐鱾髀暺髟谘莩鲋心転檠輪T帶來更大的自由度和靈活性，也意味著在更多演出場景下可以為觀眾提供更好的拾音。

DPA的d：screet系列針對各種場景設計了多種樣式的微型傳聲器，其尺寸可小至0.2 in，重量輕達10 g。其中，SCO61B00-N53是一款項鏈式微型傳聲器；纖細版的SCO60-S及增強版的SCO60-H具有豐富的配件，演出人員穿戴使用時，從外觀而言可以達到完全隱藏傳聲器的效果。

2.2 數(shù)字無線傳聲器

傳聲器領域的數(shù)字無線技術已邁向成熟，低延時全數(shù)字編碼傳輸以及自適應跳頻技術將無線傳聲器的通信可靠度提升到了新的水平。

Sennheiser的Evolution Wireless 系列是新一代適用于舞臺演出的數(shù)字無線傳聲器系統(tǒng)，具有通信可靠、操作便捷、延時較低等特點。D1系統(tǒng)使用2.4 GHz頻段，最多可兼容15個信道，采用多重傳輸機制，并每秒檢索133次，以快速自動化頻率管理為舞臺表演者提供靈活性的同時，穩(wěn)定可靠地傳輸聲音信號；此外，智能化增益控制技術可將動態(tài)范圍擴展至145 dB。而2016年新發(fā)布的G3系統(tǒng)使用A1頻段，在運行時最多支持32個無線鏈接，可以適應更復雜的舞臺場景。

Sennheiser的Digital 9000系列數(shù)字無線傳聲器系統(tǒng)，提供無壓縮的低延時全數(shù)字編碼傳輸技術。與模擬無線傳輸相比，該系統(tǒng)可有效防止信號的互相調制；自動化操控功能確保數(shù)字系統(tǒng)便捷、安全地配置和工作。

SHURE的Axient系列產(chǎn)品中提供了新型的無線音頻傳輸與管理工具。其中，頻譜管理整合了頻譜掃描、頻譜分析和兼容頻率協(xié)調等功能，在使用時可以快速掃描UHF頻譜，并智能分配可使用的最優(yōu)頻率；同時，在使用過程中，可通過WWB6軟件實時監(jiān)控整個系統(tǒng)；當所使用頻率出現(xiàn)信號串擾等影響通信情況時，Axient將會發(fā)出警告并快速跳轉到備用頻率；頻譜分集功能采用兩個獨立頻率接收來自同一信源的信號，以確保在極端無線射頻環(huán)境下音頻信號的無縫連續(xù)傳輸。

2.3 傳聲器結構創(chuàng)新

作為2016年最新出現(xiàn)的雙振膜手持式動圈傳聲器，KSM8 DualdyneTM心形動圈人聲傳聲器在工程設計上取得了突破性的成果，提供了舒爾迄今開發(fā)的一致性最強的心形拾音模式，所采用的Dualdyne拾音器，有兩個超薄振膜（一個有源、一個無源）和開創(chuàng)性的反向氣流系統(tǒng)。在主動振膜振膜下方有一被動振膜，該被動振膜起到了封閉后腔與內部聲學結構的作用，可以有效地對主振膜進行后側聲延遲，從而顯著影響KSM8的指向性，同時也可起到機械自適應抑制主動振膜的位移的作用，能夠較好地消除近講效應，從而顯著延長拾音距離，真實再現(xiàn)所拾取的整個頻寬；并提供極佳的離軸抑制，不會產(chǎn)生軸內染色，抑制不需要的聲源，提供無需處理就能媲美電容傳聲器的音頻信號清晰度，而且兼具動圈傳聲器有效控制反饋的可靠性。振膜穩(wěn)定系統(tǒng)（Diaphragm Stabilization System）采用氣動防振設計，附加于主動振膜上方，可進行振膜保護與爆破音抑制，并可抑制高頻手持噪聲，而不產(chǎn)生低頻響應損失；采用防凹陷的堅固碳鋼網(wǎng)罩設計，配以疏水性內襯材料，具有出色的爆破音和風聲抑制效果，同時提供防水保護。這款產(chǎn)品的高保真人聲重現(xiàn)和反饋控制能力，能在專業(yè)演出場地提供更加優(yōu)秀的現(xiàn)場拾音性能。

2.4 3D拾音系統(tǒng)

由于3D聲音技術帶來了更強的臨場感和沉浸感，所以近年來得到了長足的發(fā)展。目前3D拾音方式多數(shù)采取在平面環(huán)繞聲拾音制式的基礎上加入帶有高度信息的高層傳聲器組構成，主要包括雙層Hamasaki square、Fukada Tree+高層四全向、INA5+高層四全向、Decca Tree Surround+高層四全向、雙層OCT-Surround、人工頭、人工頭+四8字、雙層Double M/S等。

Sennheiser公司針對3D音頻的拾取，最近系統(tǒng)性地推出了Ambeo 3D音頻拾音解決方案，包含以下三個方向：針對耳機的3D音頻Binaural拾音方式、針對VR 3D音頻的Ambisonics拾音方式以及針對揚聲器系統(tǒng)3D音頻的Ambeo拾音方式，具體如下所述。

（1）針對耳機3D音頻的Binaural拾音

Binaural雙耳拾音方案，以Neumann KU100人工頭為核心，將人工頭作為主傳聲器，并搭配點傳聲器，在數(shù)字音頻工作站上使用Binaural聲像處理插件對點傳聲器進行處理，使其與主傳聲器實現(xiàn)合理且良好的音響平衡。

（2）針對VR 3D音頻的Ambisonics拾音

AMBEO VR傳聲器（單聲道叫MONO，立體聲叫STEREO，都是以O結尾，因此Sennheiser為沉浸聲創(chuàng)造了一個新名詞AMBEO，取Ambience的AMB加上EO組成），基于Ambisonics聲場再現(xiàn)技術而設計，能夠從傳聲器所在點對聲場中整個球體空間進行拾取，因此可提供一個沉浸式環(huán)繞聲的感受，不但包括了水平面，而且還包括高度信息。AMBEO VR 傳聲器是一階Ambisonics制式傳聲器，其中包含4個獨立的電容傳聲器極頭，在空間排列成一個正四面體，傳聲器輸出原生的Ambience的A格式即4個極頭的信號，需要使用Sennheiser提供的免費AMBEO A-B格式轉換插件來轉換為B格式信號。B格式為聲場的再現(xiàn)提供W/X/Y/Z四個聲音信息，W是4個傳聲器極頭的總和，而X/Y/Z則分別代表前/后、左/右、上/下。因此，來自傳聲器任何方向的聲音信息都能夠在Ambisonics的B格式重放中被聽音者感知。

記錄AMBEO VR傳聲器輸出需要占用4個音軌，同時與耳機3D音頻類似，VR傳聲器作為主傳聲器的同時，也需要進一步配合點傳聲器使用，點傳聲器可使用如Facebook 360 Spatial Workstation等Ambisonics聲像控制工具進行音軌的定位處理控制，最終通過包含了頭部相關傳輸函數(shù)（HRTF）應用的雙耳渲染插件對Ambisonics的B格式進行解碼處理，這樣便可以通過普通的耳機來監(jiān)聽Ambisonics的3D音頻內容。

（3）針對揚聲器系統(tǒng)3D音頻的Ambeo拾音

該拾音方案使用多支MKH 800 TWIN雙極頭雙輸出電容傳聲器組成了AMBEO Square、AMBEO Cube（立方體）及簡化版AMBEO Cube傳聲器陣列，從而實現(xiàn)3D音頻主傳聲器的功能。

AMBEO Square使用4支MKH 800 TWIN電容傳聲器放置在一個方形的四個角上并垂直豎立在房間中，傳聲器兩個極頭的兩個輸出在拾取3D空間聲像時，前面的極頭拾取到的聲音送到前方聲道之中，后面的極頭拾取到的聲音則送到后方的聲道之中；此外，還可以選擇使用第5支MKH 800 TWIN傳聲器，拾取的信號饋送給中央聲道。該陣列與所有現(xiàn)在常用的3D揚聲器系統(tǒng)布置方案相兼容，包括基于聲道的Auro 3D和基于對象的杜比Atmos等。

AMBEO Cube基于傳統(tǒng)的AB立體聲拾音制式，將原來的2支傳聲器擴展到9支傳聲器，直接對應于9.1揚聲器重放系統(tǒng)的設置來擺位。MKH 800 TWIN傳聲器可以在調音臺或工作站插件中對其拾音范圍進行遠程控制，實現(xiàn)連續(xù)無極的指向性調整，從而便于在錄音現(xiàn)場或后期制作環(huán)節(jié)根據(jù)需要調整傳聲器的指向特性。AMBEO Cube陣列在設置時，不用完全按照重放時的揚聲器系統(tǒng)擺位來放置傳聲器，可稍微做些調整將傳聲器放置在一個虛擬立方體的8個頂點上：在4支低層傳聲器之間設置相同的距離形成一個正方形，然后將4支高層傳聲器架設在低層傳聲器的上方（高低2支傳聲器可共用一個傳聲器桿），高低傳聲器的距離為低層傳聲器邊長的一半。對應重放時中置聲道的傳聲器與低層傳聲器高度一致，并且位置盡量接近重放時中置揚聲器系統(tǒng)的位置。需要說明的是，立方體邊長可根據(jù)需要進行調整，低層與高層傳聲器之間的距離也需要根據(jù)實際情況進行改變，以聽覺為準。同樣，該陣列也與所有現(xiàn)在常用的3D揚聲器系統(tǒng)布置方案相兼容，包括基于聲道的Auro 3D和基于對象的杜比Atmos等。

簡化版AMBEO Cube與AMBEO Cube使用相同的傳聲器設置，只是將部分或全部傳聲器從MKH 800 TWIN改成MKH 8090寬心形傳聲器，例如使用MKH 8090替代后方的MKH 800 TWIN傳聲器等。

除了以上三種陣列外，使用2支Sennheiser Esfera環(huán)繞聲傳聲器（單點立體聲傳聲器，可將僅有的兩軌立體聲信號轉化成為5.1環(huán)繞聲）上下布置，也可以組成一套簡易的3D音頻拾音陣列。

注：本章節(jié)選自《中國演藝裝備科技藍皮書（2015～2016）》之《專業(yè)音響技術發(fā)展研究》一文。

（編輯 杜 青）