聲場(chǎng)覆蓋技術(shù)的里程碑：EAW自適應技術(shù)

 揚聲器系統擴聲需求

　　揚聲器系統作為擴聲系統的核心，是將聲源能量放大并投射至觀(guān)眾席最為重要的設備。當代擴聲應用分別對揚聲器和揚聲器系統提出了以下需求：

　　對于揚聲器而言：

　　1. 軸向和偏軸向具有一致的音色響應

　　2. 能夠提供高功率和低失真的輸出

　　3. 對聲音具有良好的控制(投射及耦合)

　　對于揚聲器系統而言：

　　1. 具有穩定性和一致性

　　2. 運輸、安裝、信號連接的便捷性

　　3. 能夠根據觀(guān)眾席幾何形狀提供均勻覆蓋

　　在保持高品質(zhì)聲音還原的基礎上，能否根據觀(guān)眾席的幾何形狀提供均勻覆蓋，是衡量當代揚聲器系統優(yōu)劣的重要評判標準。一套揚聲器系統與觀(guān)眾席幾何形狀的匹配可以分為三個(gè)層級：

　　1.聲壓級匹配 。即揚聲器系統投射在觀(guān)眾席各個(gè)位置上的聲能是均勻的，但不考慮各頻段能量的一致性。

　　2. 清晰度匹配 。即揚聲器系統投射在觀(guān)眾席各個(gè)位置上的中高頻是均勻的，以此保證信息傳遞能夠被所有觀(guān)眾有效接收，這是目前揚聲器系統設計師追求的目標。

　　3.聲壓級及音色匹配 。即揚聲器系統投射在觀(guān)眾席各個(gè)位置上的聲能是均勻的，且各頻段能量完全一致。在這種情況下，觀(guān)眾席各個(gè)位置上的觀(guān)眾所聽(tīng)到系統直達聲的音色和響度是完全相同的。這是最為理想的狀態(tài)，也是揚聲器系統設計的最高目標，但由于傳統揚聲器的工作原理以及若干條件所造成的限制，這一目標只能接近，無(wú)法完全達成。

 混合線(xiàn)陣列揚聲器的工作原理 

　　線(xiàn)陣列的出現是揚聲器制造歷史上的一大進(jìn)步，它的原始物理模型為菲涅爾分析，即對于某一頻率的波長(cháng)來(lái)說(shuō)，一組換能器陣列是否能夠在1/3波長(cháng)的時(shí)間差內到達聽(tīng)音點(diǎn)，如果可以，則這些換能器對于該聽(tīng)音位置的聲能耦合有貢獻，陣列中其他換能器則對該聽(tīng)音位置的聲能耦合沒(méi)有貢獻。這個(gè)模型展示了一個(gè)陣列中換能器之間的時(shí)間關(guān)系對某一頻率投射效率的影響。

　　如圖，左邊一列圓點(diǎn)為換能器陣列，兩個(gè)圓以聽(tīng)音者為圓心，它們的半徑差對應著(zhù)被考察頻率的1/3波長(cháng)，離聽(tīng)音者最近的換能器到達時(shí)間最短，越靠陣列兩端，到達聽(tīng)音者的時(shí)間越慢。當到達時(shí)間晚于1/3波長(cháng)時(shí)，我們認為換能器在這個(gè)頻率上對聽(tīng)音點(diǎn)沒(méi)有貢獻。

　　盡管實(shí)際線(xiàn)陣列揚聲器在制造工藝上有著(zhù)更加復雜的考量，但其基本原則不會(huì )改變。即陣列通過(guò)控制箱體間的夾角來(lái)改變它們到達聽(tīng)音點(diǎn)的時(shí)間關(guān)系，也就是改變系統在中頻段(或中高頻段)的耦合關(guān)系，當聽(tīng)音點(diǎn)離陣列較遠(遠端觀(guān)眾)時(shí)，夾角較小，耦合程度高，當聽(tīng)音點(diǎn)離陣列較近(近端觀(guān)眾)時(shí)，夾角較大，耦合程度小。因此我們會(huì )看到，線(xiàn)陣列在吊裝時(shí)通常呈現出“J”型，在頂部的箱體之間夾角小，便于覆蓋遠處，呈現出線(xiàn)聲源特性;底部的箱體之間夾角大，便于覆蓋近處，呈現出點(diǎn)聲源特性。因此我們又稱(chēng)這種陣列為混合線(xiàn)陣列。

 混合線(xiàn)陣列揚聲器可提升空間 

　　我們可以看到，相比點(diǎn)聲源揚聲器，混合線(xiàn)陣列提升了吊裝的簡(jiǎn)易度，同時(shí)能夠在中高頻范圍內對觀(guān)眾席從前到后的位置進(jìn)行均勻覆蓋，這種技術(shù)也因此成為當今擴聲領(lǐng)域的主流解決方案。盡管如此，它距離理想的擴聲系統仍然存在不小的差距，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行提升：

　　1. 觀(guān)眾席音色一致性，尤其是系統對中低頻的控制能力。

　　2. 對于吊裝位置的依賴(lài)性和系統可調節性。

　　讓我們就這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)分析：

　　『觀(guān)眾席音色一致性，尤其是對中低頻的控制能力』

　　由于混合線(xiàn)陣列是通過(guò)調節陣列揚聲器之間的夾角(即陣列的物理姿態(tài))來(lái)進(jìn)行覆蓋控制的，那么物理姿態(tài)的極限就是控制的極限、物理姿態(tài)的精度就是控制的精度 。換言之，混合線(xiàn)陣列對于聲音控制的頻率范圍和精度都是有限的，這種情況在低頻段尤為明顯。

　　上面兩張圖呈現了同一組混合線(xiàn)陣列在4kHz(上一)和250Hz(上二)對同一個(gè)觀(guān)眾席的覆蓋情況。4kHz在整個(gè)觀(guān)眾席的能量分布是較為均勻的，而250Hz由于頻率較低，陣列現有的物理姿態(tài)無(wú)法對其進(jìn)行有效控制(需要更加“極端”的物理姿態(tài))，因此能量主要投射在垂直于陣列的方向上，對于這個(gè)場(chǎng)地而言，250Hz對中前部觀(guān)眾席的覆蓋要多于對后方觀(guān)眾席的覆蓋，即中前排觀(guān)眾聽(tīng)到的低頻多，后排觀(guān)眾聽(tīng)到的低頻少。如果位于后排的調音師提升低頻能量以滿(mǎn)足自己的聽(tīng)感，那么前排觀(guān)眾則會(huì )感覺(jué)到低頻能量過(guò)多。

　　如果要緩解這個(gè)問(wèn)題，就需要調整250Hz這個(gè)頻段在陣列各個(gè)模塊之間的時(shí)間關(guān)系。如下圖：

　　我們可以看到，上一圖陣列保持不變，上二圖通過(guò)調整陣列姿態(tài)將250Hz在觀(guān)眾席的覆蓋變得更加均勻了。讓4kHz和250Hz都能夠在觀(guān)眾席獲得均勻的覆蓋，這要求陣列(針對這兩個(gè)頻段)同時(shí)呈現出兩種不同的物理姿態(tài)，如果考慮到全頻段的聲音重放，需要陣列針對不同頻段的能量呈現出不同的物理姿態(tài)，這在同一組混合線(xiàn)陣列中是無(wú)法實(shí)現的。

　　因此，EAW自適應揚聲器系統在遵循菲涅爾分析原理的基礎上拋棄了傳統線(xiàn)陣列的工作模式，以垂直陣列的方式組合，并通過(guò)內部DSP處理調節每個(gè)換能器在各個(gè)頻段之間的時(shí)間關(guān)系，從而在不同頻段獲得不同的“虛擬陣列姿態(tài)”，以此在觀(guān)眾席的各個(gè)位置上得到一致的音色響應。

　　『對于吊裝位置的依賴(lài)性和系統可調節性』

　　當陣列的模塊之間不再存在物理夾角的制約，很多問(wèn)題都迎刃而解。對于傳統線(xiàn)陣列來(lái)說(shuō)，陣列吊裝位置和觀(guān)眾席之間的關(guān)系是十分重要的，尤其是垂直位置較高的觀(guān)眾席，需要陣列頂部的高度盡可能地高，這樣才能夠將能量有效地投射過(guò)去。如果吊裝條件無(wú)法滿(mǎn)足，則需要陣列呈現出非常極端的姿態(tài)才有可能達到近似的效果。

　　以下兩個(gè)系統仿真圖模擬了10顆雙10寸線(xiàn)陣列揚聲器在同一個(gè)劇場(chǎng)中對三層觀(guān)眾席最后一排的覆蓋情況(為了便于觀(guān)察，陣列被設置在了劇場(chǎng)的中軸線(xiàn)上)。第一張圖是陣列吊掛高度為15米，基本與第三層最后一排觀(guān)眾席持平，陣列物理姿態(tài)調整至如圖狀態(tài)后能夠在三層最后一排得到令人滿(mǎn)意的覆蓋。

　　但在實(shí)際系統實(shí)施的過(guò)程中，吊掛高度很可能受限。因此第二張圖展示了同樣的陣列在吊掛高度為9米時(shí)的覆蓋情況，通過(guò)調整陣列物理姿態(tài)獲得了與第一張圖非常接近的覆蓋結果。

　　▲陣列吊掛高度15米，能夠對3樓最后一排觀(guān)眾席有較好的覆蓋

　　▲陣列吊掛高度9米，需要以非常極端的物理姿態(tài)才能夠獲得與吊掛15米時(shí)相似的結果

　　我們可以看到，為了獲得較為滿(mǎn)意的覆蓋結果，傳統線(xiàn)陣列在吊點(diǎn)高度不足時(shí)必須以接近極限的物理姿態(tài)來(lái)進(jìn)行安裝。請注意最上面2顆音箱的快插銷(xiāo)已經(jīng)出現了載荷警報，呈現紅色。在實(shí)際項目中如果遇到此類(lèi)情況，就不得不在吊裝位置和覆蓋效果之間做出妥協(xié)。

　　同樣，如果在系統搭建和調試的過(guò)程中需要調整陣列對觀(guān)眾席的覆蓋，需要重新計算箱體之間的夾角，然后將整組揚聲器降下來(lái)，重新調整夾角后再升上去——這種十分費時(shí)費力的工作模式對于傳統線(xiàn)陣列來(lái)說(shuō)是不可避免的，也是系統工程師習以為常的事情。盡管我們可以通過(guò)前期精確的場(chǎng)地建模來(lái)盡量避免這種情況的出現，但是現場(chǎng)的情況往往是十分復雜的，系統的設定和安裝往往不可能一步到位，因此一套便于進(jìn)行調節的系統能夠極大地提升覆蓋精度，提升系統實(shí)施的工作效率。

 自適應系統如何克服混合線(xiàn)陣列的局限性 

　　EAW自適應系統非常完美地解決了以上問(wèn)題。得益于垂直陣列的設計和通過(guò)DSP計算來(lái)調節各個(gè)換能器在各頻段時(shí)間關(guān)系的工作原理，使得自適應系統能夠在不損失音質(zhì)的情況下實(shí)現非常極端的覆蓋。不僅如此，在自適應陣列吊裝完成后，無(wú)論出于何種原因(如劇場(chǎng)實(shí)際落成后的觀(guān)眾席幾何參數與設計階段略有不同，或一個(gè)演出場(chǎng)地某些區域不再開(kāi)放，或者僅僅需要聲音覆蓋躲避特定的區域等)，如果需要對聽(tīng)音面的覆蓋情況進(jìn)行調整，只需要在控制軟件中通過(guò)鼠標拖拽的方式進(jìn)行覆蓋參數的改變即可完成，高頻覆蓋調節的精度可高達0.5米。這極大地提升了施工和調試的效率，使得系統工程師、調音師和觀(guān)眾不再因為揚聲器系統的原理限制或者場(chǎng)地條件的制約而做出妥協(xié)。

　　▲CCTV《典籍里的中國》錄制現場(chǎng)，揚聲器距離觀(guān)眾席高度約10米，通過(guò)波束控制向下做出精確覆蓋

　　▲浙江衛視跨年演唱會(huì )，根據疫情防控要求在控制軟件中調整系統的覆蓋面

　　總的來(lái)說(shuō)，EAW自適應系統利用自身高精度的物理結構和高精度的自適應算法，能夠在不影響音質(zhì)的情況下針對不同的頻段調節換能器之間的時(shí)間關(guān)系。這種開(kāi)創(chuàng )性的技術(shù)不僅擴展了揚聲器系統可控的頻率范圍 ，有效改善了揚聲器系統在觀(guān)眾席幾何聽(tīng)音面上的音色一致性 ，還解決了傳統線(xiàn)陣列物理姿態(tài)在系統設計、實(shí)施和調試上的制約，提升了 控制精度和實(shí)施效率 。EAW自適應系統突破了傳統線(xiàn)陣列的技術(shù)極限，是友好的、面向未來(lái)的高品質(zhì)擴聲系統解決方案。