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线阵列音箱之我见

2006-08-01 中央电视台 赫大原 依马狮网


    长期以来,中央电视台一号演播厅的声场一直存在较大的问题,由于其凹面镜形的顶部和回音壁形的内墙,一直存在大回响、声聚焦等问题。如何解决这个问题,也是长期以来一直困扰音频部的一个大难题。为了改善一号演播厅糟糕的声场环境,我们曾经采取过多种手段,比如吊顶悬挂吸声体,但一直不甚理想。2005年4月底,我们引进了德国HK公司的COHEDRA线阵列音箱,在5月1日至8日直播的《欢乐中国行·五一特别节目》中使用,获得了令人满意的效果。可以说,线阵列音箱在解决一号演播厅的声场问题上,立了一大功。

    其实,线阵列背后的理论支持在很早以前就有了。第一代线阵列音箱从20世纪的60年代就出现了,那时被称作“柱式音箱”——“column speakers”,在号角负载音箱(horn-loaded trapezoidal loudspeakers)流行之前,柱式音箱曾大行其道,非常流行。它适用于有很大回响的空间,在垂直方向上狭窄的传播避免了由于激励而引起的场地的回响,提供了一个高Q值的传播图形,从而提高了语言的清晰度。到了20世纪的80年代,L-Acoustics的Christian Heil博士建立了发展到现在仍为我们所知的V-DOSC的扬声器系统原型,开创了第二代线阵列扬声器的先河。

线阵列音箱之我见
    以前,在使用传统的号角负载扬声器时,为了减少由于覆盖角交叉而引起的杂乱无章的声波干涉,我们通常按照每个音箱的水平覆盖角度来组合成扇形阵列。在这样的排列下,在一个方向上只能由一个对准此方向的音箱来提供具有较高清晰度的声音。为了达到更远的投射距离和更高的声压级而采取这样的设计,由于严重的干涉导致了不可控制的覆盖角度、传播图形乃至可懂度和音质的下降。即使按说明书里的“最佳建议”排列(其实,这个“最佳建议”只是个折中的方案,因为单独的号角负载扬声器的极坐标响应是随频率变化而变化的),不同的独立音箱之间辐射的声波仍不能充分地耦合,因此传统系统方案从根本上是有缺陷的。而且,由于声源相互干扰而产生的混乱声场浪费了声能,所以为了要达到理想的声压级,传统的扬声器阵列就需要更多的数量和更大的功率。为了说明这一点,在V-DOSC的用户手册里,举了这样一个有意思的例子:

    请想象我们向水中扔石子的情形,如果一块石子被扔进水中,就会从石子入水的地方扩展开圆形的波纹,如果我们向水中扔一把石子,我们会看到什么是混乱的波阵面了。如果我们向水中扔一块与那把石子一样大小和重量的大石头,我们就会看到跟扔一块小石子一样的圆波纹,不同的是其振幅非常大。如果将那把单独的石子粘到一起,再投入水中,则其效果和大石头是一样的。

    这说明,如果我们能够创建一个单个的声源,而这个声源由多个可分别运输和操作的单独的扬声器组成,那么我们就达到了所需的目标,即可以创造一个由多个音箱单元构成的声音放大系统的模型,当组成这个模型的音箱单元被放置在一起工作时,他们可以很好地耦合在一起,形成一个线性的声源阵列。恐怕这也是Christian Heil博士建立V-DOSC的扬声器系统原型的初衷。

    提到线阵列,就必须提到几个名词“柱面波”、“球面波”和“临界距离”。

    简单的讲,线声源所产生的声压级的波阵面,在特定的波长(或频率)上是一个柱面波。它的理想的形状就像一角蛋糕的样子,其波阵面的表面区域只在水平方向上扩展,距离每增加一倍,声压级会衰减3dB。而一个理想的点声源,在被一只音箱或者非线性的音箱阵列重现时,呈现出来的波阵面在很大程度上更接近于球面波,而不是柱面波。这样的波阵面,按照适用于所有点声源能量传播的“反平方定律①”,距离每增加一倍,声压级会衰减6dB。因此,线阵列的一个很大的优势在于,对于给定数量的换能器,在远距离上所能辐射的能量,比一个非线性阵列或者点声源音箱组系统大得多。当然,事实上我们做不到使线阵列产生的波阵面在垂直方向上的扩散角度为0°,但是现在的线阵列利用干涉原理控制指向性,所以其垂直覆盖角度变得非常尖锐,一般在10°左右,有的可以控制在3°以内。辐射的声束窄,到达相应的观众区域的直达声比较强,辐射的距离又比较远,在很大的区域内的声压级的变化比较小。由于线阵列的旁瓣控制使得辐射声场的重叠区相对比较小,干涉面小。直达声为主的区域,听感好、声音清晰、分辨率高。需要额外说明的是,线阵列的长度决定了什么样波长的声音会被控制在这种狭窄的垂直覆盖角度之内,线阵列的长度越长,越低的频率就能够被更好地控制。实际上,柱面波是一个基于无限长阵列的理论概念。理论上,一个无限长的阵列才能形成圆柱形波阵面(即柱面波),对于通常仅有几米长的线阵列扬声器系统的声辐射不可能形成完整的、理想的柱面波。

    对于单元之间的耦合,我们可以看到,在阵列中,每个频段的一排单元紧密地挨在一起,每个单元之间的最小距离取决于该单元产生的声波长度有多短。如果能够有足够的单元挤在一起,并且使它们之间的间隙非常小,我们就会有更少的梳状滤波,这是任何线阵列的真正关键。对于非常高的频率来说,波长太短了,要使单元间隙足够紧密,在物理上几乎是不可能的事情。针对这个问题,Christian Heil博士的设计聪明地使用了一个长的高频狭槽,使相邻箱体之间只有非常小的空隙,L-Acoustics开发出他们的DOSC声透镜,用于产生一个平滑的、相位一致的带状的声音,因此现在可以把声透镜的开口足够紧密地放在一起,这也是很多线阵列生产厂家在高频信号的处理方法上的指导原则。

线阵列音箱之我见
    临界距离是与线阵列密切相关的又一个关键词。距离增加一倍,声压级衰减3dB的原则有一个边界,在这个边界上,线阵列足够远,以至于可以视为一个点声源,而且它的声压级也开始根据反平房定律(即距离增加一倍,声压级衰减6dB)来变化。这两个区域之间的界限就被称作线阵列的临界距离。比临界距离近的区域和比临界距离远的区域都有个专业的术语名称,分别叫做“菲涅尔区域”和“弗劳恩霍菲区域”。我们俗称为“近场区域”和“远场区域”。一个给定长度的线阵列的临界距离是与波长成反比的,也就是说更短波长的声波,其临界距离会更远一些。Christian Heil博士给出的临界距离的计算公式为: 

    其中,F是频率(Hz),H是线阵的长度(m)。

线阵列音箱之我见
    理论上讲,在较远的距离上,同一个线阵列说发出的高频比低频更容易维持柱面波。然而,空气分子对高频部分的衰减会抵消这一特性。我们正在使用的HK科线达(COHEDRA)系统被称为“第三代线阵列音箱”,其开发的凹面波声透镜技术非常独特,可以弥补音箱之间空气分子的阻尼作用,在空间耦合成平面波,很有意思。下面就简单介绍一下它的特点。

线阵列音箱之我见
线阵列音箱之我见
    科线达采用了与以往线阵列不同的平面波耦合方式。通常第二代线阵列在声透镜开口处产生平面波,而第三代线阵列则在声透镜开口处产生凹面波,在离开音箱一定距离后在空间耦合成平面波。受到客观的物理法则的影响,声波在空气传播过程中会逐步损失能量,当平面波离开声透镜,由于上下开口处的空气分子处于静止状态,对声波传输产生较大的阻碍作用,从而引起声波的散射。这种散射使每个声透镜所产生的平面波的波形受到干扰,进而影响整串线阵列平面波的耦合。这种平面波受到的干扰效应最终影响线阵列的远程投射效果。科线达的声透镜产生的凹面波,由于客观存在的静止空气分子的散射,凹面波在离开声透镜一定距离后耦合成平面波。对于传统线阵列,平面波在每个单元的声透镜开口处形成,并在离开声透镜

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