線(xiàn)陣列揚聲器系統的發(fā)展及應用

　　近年來(lái)，線(xiàn)陣列揚聲器系統以它獨特的優(yōu)勢廣泛用于大型的擴聲場(chǎng)所。線(xiàn)陣列揚聲器系統是應市場(chǎng)需求而產(chǎn)生的，也是高新技術(shù)的產(chǎn)物，因此備受人們的關(guān)注。

　　線(xiàn)陣列揚聲器系統的產(chǎn)生

　　上世紀六七十年代在歐美興起了以“披頭士”樂(lè )隊為代表的搖滾樂(lè )，到廣場(chǎng)上看搖滾音樂(lè )會(huì )的觀(guān)眾多達幾十萬(wàn)，擴聲是個(gè)大問(wèn)題。比如，1977年9月3日在英國的New Jersey舉行的一場(chǎng)搖滾音樂(lè )會(huì )就有60萬(wàn)人參加。擴聲系統采用多只音箱疊放在一起組成的“音塔”，安裝調試非常麻煩。經(jīng)過(guò)精心設計和調試，花費了很多精力，擴聲效果總是不盡人意。這種現象提供了一個(gè)市場(chǎng)信息，大型巡回演出需要功率大、安裝調試方便的擴聲系統。

　　一些大公司看準市場(chǎng)需求，致力于開(kāi)發(fā)大功率、遠投射的擴聲系統。從聲學(xué)角度來(lái)考慮，有兩種方法可以獲得大功率、遠投射的效果。

　　一種是號筒， 使聲能量通過(guò)號筒集中在一個(gè)方向輻射出去，控制指向性，提高輻射效率，達到遠投射的效果。例如20世紀50年代，我們對金門(mén)、馬祖廣廣播系統就曾經(jīng)采用過(guò)大號筒，一個(gè)號筒長(cháng)達十幾米，傳播距離達幾公里。

　　另一種是20世紀30年代就提出的揚聲器陣， 利用干涉原理控制指向性。事實(shí)上，當時(shí)已經(jīng)流行一種柱型音箱——聲柱。聲柱具有比較窄的垂直指向性，但是功率不夠大，投射不遠，聲音的動(dòng)態(tài)和頻寬等還存在一些需要克服的問(wèn)題。一些大公司根據自己的情況，各有側重。

　　號筒的研究成功地開(kāi)發(fā)了恒指向性號筒揚聲器、多驅動(dòng)單元的號筒揚聲器等。法國L-Acoustics公司于1993年首先推出了V- DOSC系統，它是由一列單元音箱組成的陣列，工作原理類(lèi)同于聲柱。其垂直指向性可控制，由單元箱的數目決定，水平輻射角120°。每只單元箱的頻響為50Hz～18kHz±3dB，功率1500W，靈敏度134dB。高頻單元通過(guò)波導管向外輻射。這是最早推出的線(xiàn)陣列產(chǎn)品，一開(kāi)始就引起了人們的關(guān)注。

　　市場(chǎng)的需求，高新技術(shù)的發(fā)展和應用，使得線(xiàn)陣列揚聲器系統成為各公司顯耀自己實(shí)力的標志性產(chǎn)品?，F在線(xiàn)陣列已是號筒技術(shù)和陣列技術(shù)的結合，使得輻射性能更完美。

　　線(xiàn)陣列揚聲器系統的特點(diǎn)

　　1. 單元箱規則排列

　　線(xiàn)陣列揚聲器系統是由一列單元箱組成，這些單元箱按一定規則排列，根據聲場(chǎng)需要可以排成直線(xiàn)和“J”字形。單元箱的數目由擴聲聲場(chǎng)的需求決定，但是必須滿(mǎn)足形成線(xiàn)陣列的基本要求，即線(xiàn)陣列的長(cháng)度至少應大于輻射聲波的波長(cháng)的一半。每一只單元箱的輻射特性有嚴格的要求。例如，輻射聲功率、頻率特性、水平指向性、失真和線(xiàn)性相位等必須滿(mǎn)足線(xiàn)陣列對它的要求。

　　2. 功率大、投射距離遠

　　例如，EAW KF761的單元箱中的低頻單元承受功率1200W，靈敏度96dB;中頻單元功率500W，靈敏度107dB;高頻單元功率150W，靈敏度 112dB。單元箱組成陣列以后，由于單元箱之間的相互作用，使得揚聲器的輻射阻抗得到了提升，提高了輻射效率。因此，采用線(xiàn)陣列揚聲器系統作為聲源在100m以外希望獲得100dB以上的聲壓級是輕而易舉的。

　　3. 覆蓋的聲場(chǎng)比較均勻，干涉區域小，重放分辨率高

　　線(xiàn)陣列的垂直指向性很尖銳，一般在10°左右，最窄的可達3°。輻射的聲束窄，到達相應的觀(guān)眾區域的直達聲比較強，輻射的距離又比較遠，在很大的區域內的聲壓級的變化比較小。由于線(xiàn)陣列的旁瓣控制使得輻射聲場(chǎng)的重疊區相對比較小，干涉面小。直達聲為主的區域，聽(tīng)感好、聲音清晰、分辨率高。

　　線(xiàn)性陣列音箱是如何工作的？

　　線(xiàn)陣列如何工作可以是一個(gè)相當深入的討論。在這里，我們將不會(huì )過(guò)于詳盡的解釋整個(gè)理論的細節。下面將用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言和數學(xué)計算，讓大家首先了解典型的揚聲器發(fā)出的聲音是如何隨著(zhù)距離的增大而分散傳播的。

　　1. 反平方定律

　　聲學(xué)中反平方定律的內容是，聲強度的大小和聽(tīng)音位置與聲源之間距離呈平方反比。其結果是聽(tīng)音者距離點(diǎn)聲源的距離每增加一倍，聲壓衰減6dB。這是我們通常情況下使用的揚聲器的表現，雖然實(shí)際和理論會(huì )有很多細微差別。

　　2. 點(diǎn)聲源

　　反平方定律的前提是假設揚聲器能夠全向輻射。而對于實(shí)體揚聲器來(lái)說(shuō)，這種情況很少見(jiàn)，除非揚聲器發(fā)出很低的頻率(這也是我們?yōu)槭裁匆恢睆娬{低音或者超低音沒(méi)有指向性的原因)。然而，隨著(zhù)聲音傳播距離的增加，即使典型的定向揚聲器(例如具有90°水平覆蓋角和90°垂直覆蓋角的號筒揚聲器)也會(huì )遵從于反平方定律，像理論上的點(diǎn)聲源一樣進(jìn)行聲音的擴散(即全向輻射)。

　　3. 線(xiàn)聲源

　　線(xiàn)性陣列音箱的聲壓覆蓋則靠近所謂的線(xiàn)聲源理論，每當聽(tīng)音距離加倍時(shí)，電平不會(huì )下降6dB。從理論上來(lái)講，它只會(huì )下降3dB，但在實(shí)際應用中，結果并沒(méi)有這樣理想。關(guān)于為什么會(huì )有這些差別，本文不作詳細論述。但即便如此，相對于點(diǎn)聲源揚聲器而言，線(xiàn)性陣列音箱在垂直覆蓋角度上有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢。

　　具有線(xiàn)性聲源輻射特點(diǎn)的揚聲器可以達到如下效果：您可以在大廳或戶(hù)外空間的后方區域感受到相對比較大的聲壓級，而為了做到這一點(diǎn)，你不需要像操作普通點(diǎn)聲源音箱一樣，特意加大其功率以致于讓前方離PA系統比較近的人聽(tīng)到過(guò)于大的聲音。它的優(yōu)勢在于聲音垂直擴散角度復雜多變的可控性。

　　那么如何實(shí)現線(xiàn)性聲源輻射？答案是 相位抵消。

　　相位抵消通常是在音響系統中需要工程師們嘗試去避免的事情之一，但它對線(xiàn)陣揚聲器在一起工作時(shí)能夠提供具有較窄的垂直覆蓋角度起著(zhù)中心作用。即使使用了高級別的揚聲器箱體設計來(lái)塑造垂直方向的覆蓋，在線(xiàn)陣列中的揚聲器之間仍然有很多實(shí)際上的重疊。換句話(huà)說(shuō)，線(xiàn)陣列揚聲器的垂直覆蓋角度并非是單只喇叭就可以形成的，它是多只揚聲器在出口處形成有效干涉的結果。然而，現實(shí)狀況中，每個(gè)線(xiàn)陣列揚聲器與觀(guān)眾之間的距離會(huì )稍有不同，這樣就會(huì )引起小程度的相位抵消。當然，你也可以通過(guò)引入電子延時(shí)的手段，對線(xiàn)陣列音箱的垂直覆蓋角度進(jìn)行人工干預，并進(jìn)行細微調整(EAW Anya和Anna系統則應用了此項技術(shù))。

　　線(xiàn)陣列系統使用的注意事項

　　雖然應用相位抵消可以形成揚聲器在線(xiàn)陣列中的垂直覆蓋角度收窄的效果，但是它們的水平覆蓋角度是不受影響的。因此，現實(shí)中的線(xiàn)陣列中的單個(gè)揚聲器可以有90°水平覆蓋角，而僅以20°或者更小的角度進(jìn)行垂直覆蓋。此外，即使相位抵消可以實(shí)現線(xiàn)源分布并且顯著(zhù)地改善長(cháng)距離覆蓋，但是隨著(zhù)距離增加，線(xiàn)陣列也會(huì )開(kāi)始呈現點(diǎn)源特性，并屈服于反平方定律距離每增大一倍衰減6dB的規律 。

　　線(xiàn)陣列具有近似線(xiàn)源函數的能力，但也有一些局限性和需要注意的事項。首先，陣列總體從上到下的長(cháng)度確定了具有線(xiàn)聲源覆蓋特性的最低頻率。這是因為隨著(zhù)波長(cháng)變長(cháng)，在收聽(tīng)位置處，聲音從不同揚聲器單元到達聽(tīng)音者位置的相對應時(shí)間之間的差距必須更大才能得以實(shí)現線(xiàn)性聲源的效果。這樣便需要一個(gè)更大的陣列長(cháng)度。在頻譜的另一端，波長(cháng)變得如此短以至于驅動(dòng)器太大而不能足夠靠近地放置在一起，因此相對相位差變得太大以致不能實(shí)現線(xiàn)源功能。在這些情況下，各大廠(chǎng)家都會(huì )使用波導結構用于實(shí)現從點(diǎn)聲源向線(xiàn)聲源功能的轉換。雖說(shuō)所有的波導結構都是為了實(shí)現同樣的目的，但是每個(gè)廠(chǎng)家幾乎都使用了不同的結構，并且都有自己的專(zhuān)利用于保護自己的知識產(chǎn)權。這也是一個(gè)廠(chǎng)家在研發(fā)線(xiàn)性陣列音箱的過(guò)程中，難度最大的一個(gè)環(huán)節。

　　線(xiàn)陣列在聲學(xué)上具有挑戰性的空間中非常有用，因為您可以控制它們的垂直擴散并減少聲音的反射。想辦法讓聲音的覆蓋區域離開(kāi)天花板和地板是一個(gè)很好的開(kāi)端，然后選擇具有特定水平覆蓋角度的揚聲器，這將幫助你保持多余的聲音遠離側面墻壁，從而得到更好的室內擴聲清晰度。

　　大規模的線(xiàn)陣列覆蓋安裝在U2 2015年世界巡回演唱會(huì )現場(chǎng)(照片提供：Royer Labs)

　　線(xiàn)陣列的形態(tài)

　　因為每個(gè)揚聲器的垂直輻射非常窄，所以，可以有效地將聽(tīng)音空間分成從前到后的多個(gè)部分，前部?jì)H由少量揚聲器覆蓋，而更多的揚聲器可以覆蓋后部。依據這個(gè)想法，形成了非常流行的J形排布的線(xiàn)陣列，這在音樂(lè )廳和戶(hù)外場(chǎng)所中經(jīng)常出現。

　　線(xiàn)陣列確切的安裝形狀將根據需要覆蓋的區域的布局和尺寸而變化。一般情況下，前排的覆蓋因為距離近的緣故只需要少量的幾只就可以滿(mǎn)足聲壓要求，但是因為考慮到均勻覆蓋的因素線(xiàn)陣列之間的安裝角度也需要設計的比較大。而中后方因為距離比較遠的原因，則需要更多數量的音箱集中角度安裝，這樣才可以達到遠距離覆蓋的效果。剛才大致概括描述的這種做法，有助于提高整體覆蓋的一致性。近些年也發(fā)展出了用戶(hù)可以通過(guò)調節傳送到每個(gè)揚聲器箱的功率來(lái)進(jìn)行細微的能量分布調整的辦法——這種技術(shù)通常被稱(chēng)為功率漸層。

　　線(xiàn)陣列的挑戰和局限性

　　雖然線(xiàn)陣列可以幫助解決某些空間的問(wèn)題，但它們有復雜的限制。除了需要足夠的長(cháng)度以控制較低頻率的覆蓋角度這一挑戰之外，線(xiàn)陣列有時(shí)可能會(huì )遭受到奇怪的異常，例如某些頻率可能在陣列正上方和下方的區域形成波瓣。而如果這種情況恰巧發(fā)生在一個(gè)不良的聲學(xué)空間，則可能會(huì )帶來(lái)很?chē)乐氐暮蠊?。例如你的聲?lè )話(huà)筒放置在線(xiàn)陣列下方，你可能會(huì )遇到反饋問(wèn)題。

　　線(xiàn)陣列設置

　　線(xiàn)陣列要能很好的發(fā)揮其作用，需要經(jīng)過(guò)嚴格的機械安裝設計，并設置正確的電子分頻及校正程序。由于涉及復雜的相互作用，這一切顯得都很重要。每個(gè)箱體的確切安裝角度，確切的吊掛點(diǎn)和吊掛高度，以及每只箱體單獨的驅動(dòng)程序和延時(shí)、相位、增益甚至高低通濾波器設置，都必須精確以實(shí)現最佳性能。好在現有的大品牌生產(chǎn)廠(chǎng)家大都有針對自己產(chǎn)品的依據虛擬空間進(jìn)行聲音覆蓋模擬的軟件。

　　聲音質(zhì)量

　　即使在最好的情況下，線(xiàn)陣列也不可能與高質(zhì)量的單驅動(dòng)器揚聲器或者單只的兩分頻或者三分頻驅動(dòng)揚聲器所發(fā)出的聲音的純度相媲美。這也是為什么它們在較小空間中不大可能出現的一個(gè)原因。小場(chǎng)合的擴音，能夠發(fā)聲的音箱數量如果能做到較少會(huì )更加合適。當然，成本和空間也是考慮因素。

　　微型線(xiàn)陣列

　　雖然線(xiàn)陣列技術(shù)最常見(jiàn)于專(zhuān)業(yè)的大型室內外擴聲應用，但有許多公司，如Bose，Fishman，Turbosound等，提供小型的個(gè)人PA系統，使用小型揚聲器的微型陣列(通常為2"-4"的尺寸)以產(chǎn)生相同的線(xiàn)源覆蓋效應。正確的使用這些系統，可以讓它們在小型場(chǎng)地提供良好的覆蓋。