1 超低音揚(yáng)聲器陣列指向性控制的意義

傳統(tǒng)超低音揚(yáng)聲器大多是全指向的，360°范圍內(nèi)幾乎是相同的聲壓級(jí)（側(cè)后方由于箱體的遮擋會(huì)有一定程度的衰減）。在擴(kuò)聲系統(tǒng)中，應(yīng)做到讓聲音盡可能均勻地覆蓋所需要的聽(tīng)眾范圍，但鑒于聲波傳輸?shù)奈锢硖匦裕绕涫堑皖l段聲波全方向擴(kuò)散的特性，對(duì)聲波輻射范圍的控制一直難以把握。實(shí)際應(yīng)用中，很多聲音的能量輻射到不需要的地方，產(chǎn)生很多負(fù)面影響。

第一，在演出過(guò)程中，需要給樂(lè)手和歌手一個(gè)清晰的返送信號(hào)，但是現(xiàn)場(chǎng)演出中會(huì)有很多低音樂(lè)器（貝斯、底鼓等），重放的音樂(lè)中也有很多低頻成分。由于超低音揚(yáng)聲器的全指向性，即使揚(yáng)聲器面向觀眾，還是有很多低頻能量釋放到舞臺(tái)方向，這樣很大程度上混淆了樂(lè)手和歌手的返送信號(hào)的清晰度，直接影響到樂(lè)手的演奏和歌手的演唱。

第二，超低音揚(yáng)聲器向舞臺(tái)方向泄漏的能量會(huì)被舞臺(tái)上的傳聲器拾取到，雖然會(huì)對(duì)拾取到的信號(hào)進(jìn)行低切處理，但仍可能引起聲反饋，即嘯叫。泄漏到舞臺(tái)上的低頻信號(hào)與樂(lè)手和歌手的返送揚(yáng)聲器的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾，由于掩蔽效應(yīng)，歌手聽(tīng)不清楚返送信號(hào)從而要求加大返送信號(hào)的聲壓級(jí)，但為避免產(chǎn)生“嘯叫”無(wú)法獲得令人滿意的傳聲增益。

這些負(fù)面影響是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及搭建時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題。常用的方法是切斷正反饋的根源，減少低頻能量在舞臺(tái)方向的泄漏，這也是研究超低音揚(yáng)聲器陣列指向性的意義。此外，進(jìn)行超低音揚(yáng)聲器陣列指向性控制，還可以增強(qiáng)觀眾方向的低頻能量，提高觀眾的聽(tīng)覺(jué)感受，對(duì)擴(kuò)聲工作具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文研究超低音揚(yáng)聲器陣列指向性控制的方法是在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，再通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量，用具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，進(jìn)而得出最終結(jié)論。

2 超低音揚(yáng)聲器陣列指向性原理分析

2.1
揚(yáng)聲器陣列的聲干涉

如果聲音信號(hào)之間具有相同頻率且存在相位差，那么聲波疊加就會(huì)發(fā)生聲干涉，在不同方向上相位差不同，所產(chǎn)生的疊加效果不同，具體疊加效果不僅與相位差有關(guān)，而且與聲源的聲壓級(jí)有關(guān)。如圖1所示，當(dāng)2個(gè)聲音信號(hào)相位差為0°（相位完全重合）時(shí)，疊加后聲壓級(jí)提升6 dB；當(dāng)2個(gè)聲音信號(hào)相位差為180°時(shí)，疊加后相互抵消，其聲壓級(jí)理論上講為0。

圖1 2個(gè)相同聲壓級(jí)不同相位的聲音疊加后的聲壓級(jí)變化

根據(jù)上述聲干涉的原理，超低音揚(yáng)聲器陣列將揚(yáng)聲器輻射到所不期望輻射區(qū)域（如舞臺(tái)方向）的低頻能量盡可能抵消，將輻射到所期望輻射區(qū)域（如觀眾席區(qū)）的能量盡可能增強(qiáng)，從而達(dá)到控制超低音揚(yáng)聲器陣列指向性的目的。

2.2
幾種超低音揚(yáng)聲器陣列的結(jié)構(gòu)及原理分析

2.2.1 End Fire陣列

End Fire也叫端射陣列，陣列揚(yáng)聲器數(shù)量至少需要前后2只，陣列中揚(yáng)聲器前后一字排列(見(jiàn)圖2），指向聲音擬投射的方向觀眾席，各揚(yáng)聲器之間有一定的距離，通常為主要受控中心頻率的1/4波長(zhǎng)，如中心頻率為80 Hz，常溫常壓下80 Hz的波長(zhǎng)為4.3 m，陣列揚(yáng)聲器之間的距離為1.08 m。

圖2 End Fire陣列擺放示意圖

End Fire陣列在進(jìn)行設(shè)置時(shí)，將測(cè)量點(diǎn)布置于觀眾席內(nèi)，并以靠近舞臺(tái)方向的最后一只揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，依次向前（觀眾席）測(cè)量每只揚(yáng)聲器與基準(zhǔn)揚(yáng)聲器的時(shí)間差，并據(jù)此在其處理通道設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)，使每只揚(yáng)聲器等效重疊在基準(zhǔn)揚(yáng)聲器上，保證每只超低音揚(yáng)聲器輻射的聲音到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間相同，即所有揚(yáng)聲器在陣列前向同相，相位差為0，這樣做可以使在觀眾方向的超低音揚(yáng)聲器陣列的能量疊加，聲壓級(jí)根據(jù)揚(yáng)聲器數(shù)量的疊加而逐步疊加。

以3只揚(yáng)聲器組成的End Fire陣列為例，見(jiàn)圖3，在陣列前向（觀眾區(qū)），3只揚(yáng)聲器聲壓級(jí)會(huì)增加約9 dB；而在陣列后向（舞臺(tái)方向），揚(yáng)聲器可用頻帶內(nèi)相位關(guān)系大多位于120～240°之間，總體能量是相對(duì)抵消的。具體分析其中心頻率80 Hz左右的相位情況，以離舞臺(tái)最近的揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，第2只揚(yáng)聲器加入延時(shí)處理之后與第3只揚(yáng)聲器所輻射聲波的相位差為180°，第1只揚(yáng)聲器與第2只揚(yáng)聲器所輻射聲波的相位差同為180°，因此揚(yáng)聲器1與揚(yáng)聲器2、揚(yáng)聲器2與揚(yáng)聲器3在中心頻率的相位是互相抵消的。3只揚(yáng)聲器的40 Hz、60 Hz、80Hz和100 Hz共4個(gè)具有代表性的頻率，在陣列前向和后向與基準(zhǔn)揚(yáng)聲器之間的相位差見(jiàn)表1、表2，并參照?qǐng)D1，通過(guò)顏色可直觀地觀察出疊加情況。

圖3 3只揚(yáng)聲器的End Fire陣列示意圖

從表2可以看出，在陣列后向除中心頻率外的其他頻率呈離散相位關(guān)系，相位之間同樣也會(huì)產(chǎn)生抵消；從表1可以看出，陣列前向整個(gè)超低音陣列可用頻帶內(nèi)所有頻率的相位差為0°，因此前方能量是疊加的。這樣前后的聲壓級(jí)差就形成了超低音陣列的近似心形指向性。

2.2.2 End Fire拓展陣列

End Fire拓展陣列與End Fire 陣列都屬于端射陣列，但是設(shè)置方法大不相同，用于更好地控制抵消揚(yáng)聲器陣列后向聲能。與End Fire 陣列相同，揚(yáng)聲器前后一字?jǐn)[放，通常陣列揚(yáng)聲器數(shù)量為2只或4只，并且揚(yáng)聲器的間距也是中心頻率的1/4波長(zhǎng)。但是測(cè)量點(diǎn)布置在舞臺(tái)區(qū)域內(nèi)，以靠近觀眾方向的揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，對(duì)其他揚(yáng)聲器處理通道加載延時(shí)，使每只揚(yáng)聲器等效重疊到最靠觀眾區(qū)域的基準(zhǔn)揚(yáng)聲器上，保證這2只超低音揚(yáng)聲器輻射的聲音到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間相同。然后對(duì)后向（靠近舞臺(tái)方向）的揚(yáng)聲器輸入通道做反相處理，使2只超低音揚(yáng)聲器向舞臺(tái)方向釋放的能量反相，從而使舞臺(tái)方向的能量互相抵消，向觀眾席方向釋放的能量略有增強(qiáng)，使陣列前后有一定的聲壓級(jí)差，達(dá)到了控制超低音陣列指向性的目的。

圖4為揚(yáng)聲器數(shù)量為2只的End Fire拓展陣列示意圖，以離觀眾區(qū)最近的揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，分析陣列前向和后向相位情況。2只揚(yáng)聲器的40 Hz、60 Hz、80 Hz和100 Hz這4個(gè)具有代表性的頻率，在陣列前向和后向與基準(zhǔn)揚(yáng)聲器之間的相位差見(jiàn)表3、表4，并參照?qǐng)D1，通過(guò)顏色可直觀地觀察出疊加情況。

圖4 2只揚(yáng)聲器的End Fire拓展陣列示意圖

當(dāng)End Fire拓展陣列的揚(yáng)聲器數(shù)量為2只時(shí)，需要給第2只揚(yáng)聲器加延時(shí)和反相處理；當(dāng)揚(yáng)聲器數(shù)量為4只時(shí)，需要給第二、第三、第四只揚(yáng)聲器分別加載相對(duì)應(yīng)的延時(shí)處理，使后3只揚(yáng)聲器與第一只揚(yáng)聲器相位對(duì)齊，并且對(duì)第2和第4只揚(yáng)聲器加載反相處理，以此得到心形指向的超低音揚(yáng)聲器陣列。圖5為揚(yáng)聲器數(shù)量為4只的End Fire拓展陣列示意圖，圖6是其形成的超低音揚(yáng)聲器陣列的指向性圖，可以看出通過(guò)上述揚(yáng)聲器設(shè)置方式，到達(dá)控制陣列指向性的目的。

圖5 4只揚(yáng)聲器End Fire拓展陣列示意圖

圖6 4只揚(yáng)聲器指向性圖

2.2.3 Front/Back陣列

Front/Back陣列外形上是垂直排列的，揚(yáng)聲器上下堆疊，因此也稱(chēng)為梯度陣列（Gradient Array），如圖7所示。這類(lèi)陣列通常以3只揚(yáng)聲器進(jìn)行基礎(chǔ)組合，從上至下，第1只和第3只揚(yáng)聲器指向觀眾方向（陣列前向），第2只揚(yáng)聲器指向舞臺(tái)方向（陣列后向）。將測(cè)試傳聲器布置于陣列后向軸線方向，測(cè)量第1、第3只揚(yáng)聲器和第2只揚(yáng)聲器之間的時(shí)間差，并據(jù)此在較早到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的一組揚(yáng)聲器處理通道加載延時(shí)（由于第2只揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器單元紙盆更靠近測(cè)試傳聲器，與第1、第3只揚(yáng)聲器單元紙盆之間差值約為揚(yáng)聲器的邊長(zhǎng)，因此通常是對(duì)第2只揚(yáng)聲器加入延時(shí)處理），使這兩組揚(yáng)聲器的相位對(duì)齊，并且在較早到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的揚(yáng)聲器處理通道中加入反相處理，輻射到舞臺(tái)方向的兩組低頻能量由于聲壓級(jí)相近、相位相反，就會(huì)較好地被抵消。而觀眾方向的能量約等于2只揚(yáng)聲器同時(shí)打開(kāi)所能達(dá)到的聲壓級(jí)，第2只揚(yáng)聲器的能量幾乎完全用來(lái)抵消第1和第3只揚(yáng)聲器輻射到舞臺(tái)方向的能量。

圖7 Front/Back陣列擺放示意圖

以3只揚(yáng)聲器為例，以第1、第3只揚(yáng)聲器為基準(zhǔn)，分析陣列前向和后向相位情況。表5、表6分別為3只揚(yáng)聲器的40 Hz、60 Hz、80 Hz和100 Hz這4個(gè)具有代表性的頻率，在陣列前向和后向與基準(zhǔn)揚(yáng)聲器之間的相位差，并參照?qǐng)D1，通過(guò)顏色可直觀地觀察出疊加情況。

通常Front/Back陣列正反揚(yáng)聲器數(shù)量比為2:1，即有2只指向觀眾席方向，就有1只指向舞臺(tái)方向。

3 計(jì)算機(jī)仿真

計(jì)算機(jī)仿真采用EASE聲學(xué)模擬軟件，由于EASE仿真軟件中不能加載超低音揚(yáng)聲器，因此加載3個(gè)默認(rèn)的全向揚(yáng)聲器（即沒(méi)有任何箱體的揚(yáng)聲器單元）作為理想點(diǎn)聲源，并且這些點(diǎn)聲源所處的環(huán)境為自由聲場(chǎng)，根據(jù)不同陣列的揚(yáng)聲器擺放位置需求進(jìn)行擺放，并按不同陣列要求進(jìn)行的處理，對(duì)揚(yáng)聲器單元分別加入不同的延時(shí)和反相。但是由于EASE仿真軟件最低只能呈現(xiàn)100 Hz的仿真結(jié)果，無(wú)法顯示更低頻率。因此，實(shí)驗(yàn)以100 Hz進(jìn)行，仿真出3D指向性圖和極坐標(biāo)圖，展示和判斷不同陣列的指向性趨勢(shì)。

3.1
End Fire陣列的EASE仿真

在EASE仿真軟件中，添加3只揚(yáng)聲器（見(jiàn)圖8），按上述理論分析設(shè)置陣列，陣列中揚(yáng)聲器擬控制的中心頻率為80 Hz，揚(yáng)聲器間距為中心頻率的1/4波長(zhǎng)（即1.08 m），對(duì)距離舞臺(tái)方向最近的揚(yáng)聲器加入6.3 ms的延時(shí)處理，對(duì)中間的揚(yáng)聲器加入3.1 ms的延時(shí)處理。

圖8 3只揚(yáng)聲器End Fire陣列EASE仿真效果示意圖

3D指向性仿真結(jié)果見(jiàn)圖9，End Fire陣列在100 Hz可以達(dá)到近似心形指向，且前后聲壓級(jí)差為10 dB。

圖9 100 Hz End Fire陣列3D指向性圖

3.2
End Fire拓展陣列的EASE仿真

在EASE中添加2只揚(yáng)聲器，仿真效果見(jiàn)圖10，設(shè)置陣列中揚(yáng)聲器控制的中心頻率為80 Hz，揚(yáng)聲器間距為1.08 m，對(duì)距離舞臺(tái)方向最近的揚(yáng)聲器加入3.1 ms的延時(shí)和反相處理。

圖10 2只揚(yáng)聲器End Fire拓展陣列EASE中仿真效果圖

3D指向性仿真結(jié)果見(jiàn)圖11，End Fire拓展陣列前后聲壓級(jí)差可以達(dá)到15 dB，可以實(shí)現(xiàn)近似心性指向。

圖11 100 Hz End Fire拓展陣列3D指向性圖

3.3
Front/Back陣列的EASE仿真

在EASE中添加3只揚(yáng)聲器，仿真效果見(jiàn)圖12，3只揚(yáng)聲器垂直豎向排列，第1、第3只揚(yáng)聲器單元振膜指向觀眾席方向，第2只揚(yáng)聲器單元振膜指向舞臺(tái)方向；揚(yáng)聲器單元上下間距為0.6 m（模擬揚(yáng)聲器實(shí)際高度），揚(yáng)聲器單元前后距離為0.7 m（模擬揚(yáng)聲器實(shí)際深度），為使2只揚(yáng)聲器單元紙盆與第1、第3只揚(yáng)聲器單元紙盆在垂直方向?qū)R。按照原理對(duì)揚(yáng)聲器加入處理，對(duì)第2只揚(yáng)聲器處理通道加入2 ms延時(shí)，并加入反相處理。

圖12 3只揚(yáng)聲器Front/Back陣列EASE仿真效果示意圖

3D指向性仿真結(jié)果見(jiàn)圖13，F(xiàn)ront/Back陣列前后聲壓級(jí)差可以達(dá)到8 dB，可以實(shí)現(xiàn)近似心性指向。

圖13 100 Hz Front／Back陣列3D指向性圖

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)論證

4.1
End Fire陣列具體實(shí)驗(yàn)方法以及數(shù)據(jù)分析

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

實(shí)際測(cè)量場(chǎng)地為消聲室。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

揚(yáng)聲器：EAW JFL118
功率放大器：Powersoft X4（帶DSP）
聲卡：Mackie Artist 1×2
測(cè)試傳聲器：Earthwork M30
測(cè)試軟件：Smaart

（3）實(shí)驗(yàn)一：聲壓級(jí)對(duì)比及頻響曲線

第一步：分別在3只揚(yáng)聲器前方相同的距離放置測(cè)量傳聲器，通過(guò)在Smaart中對(duì)比頻響曲線，判斷3只揚(yáng)聲器所釋放的能量是否相同，并且通過(guò)功率放大器中的DSP設(shè)置使3只揚(yáng)聲器的頻響曲線盡量一致，如圖14所示。

圖14 3只揚(yáng)聲器的相位曲線和頻響曲線

第二步：設(shè)置陣列。3只揚(yáng)聲器前后一字均勻擺放，如圖15所示，揚(yáng)聲器的間距為中心頻率的1/4波長(zhǎng)，本次實(shí)驗(yàn)揚(yáng)聲器的中心頻率為80 Hz（波長(zhǎng)約為4.3 m），因此揚(yáng)聲器的間距為1.1 m。

圖15 End Fire陣列的設(shè)置實(shí)況

第三步：在陣列前方2 m處放置測(cè)試傳聲器，僅開(kāi)第3只揚(yáng)聲器（靠近舞臺(tái)方向），在Smaart中記錄相位曲線和頻響曲線。

第四步：依次打開(kāi)第2只、第1只揚(yáng)聲器，并且各加入3.1 ms（1/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間）和6.3 ms（1/2波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間）的延時(shí)，使3只揚(yáng)聲器的相位曲線重合。

第五步：在陣列前方和后方2 m處分別測(cè)試設(shè)置好的陣列，在Smaart中抓取頻響曲線，對(duì)比前后方聲壓級(jí)差，如圖16所示。

圖16 End Fire陣列前后向聲壓級(jí)對(duì)比（綠色：前方；棕色：后方）

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，End Fire陣列前方（觀眾一側(cè)）聲壓級(jí)疊加約9dB，中心頻率80 Hz處前后方聲壓級(jí)差約為13 dB，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略優(yōu)于仿真模型。當(dāng)陣列揚(yáng)聲器加入相對(duì)應(yīng)的處理之后，在中心頻率（80 Hz）附近，陣列前向相比較于陣列后向有明顯的聲壓級(jí)提升，頻響曲線也變得平滑。

（4）實(shí)驗(yàn)二：通過(guò)Smaart軟件的光譜圖更加直觀地觀察陣列一周的聲壓級(jí)分布情況

從陣列的前方開(kāi)始（0°方向），發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，手持測(cè)試傳聲器，以陣列為圓心，半徑為2 m逆時(shí)針繞圓測(cè)量，結(jié)束一周的環(huán)繞測(cè)試后再發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)試結(jié)束。圖17為測(cè)量角度示意圖，圖18為實(shí)驗(yàn)光譜圖，其中顏色的深淺程度標(biāo)志聲壓級(jí)大小。

圖17 End Fire陣列測(cè)量角度示意圖

圖18 End Fire陣列實(shí)驗(yàn)光譜圖

從光譜圖可以看出陣列前方能量較強(qiáng)，到陣列后方能量一直在減弱，且中心頻率附近衰減較快且明顯，超低音揚(yáng)聲器陣列心形指向的效果比較顯著。

4.2
End Fire拓展陣列具體實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為消聲室，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

第一步：設(shè)置陣列，如前一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖19所示，設(shè)置同樣的揚(yáng)聲器間距。

圖19 End Fire拓展陣列的設(shè)置實(shí)況

第二步：在陣列后方（舞臺(tái)區(qū)）距離陣列2 m處放置測(cè)試傳聲器，在Smaart中抓取靠近觀眾區(qū)揚(yáng)聲器的相位曲線。

第三步：同樣的測(cè)試距離，只打開(kāi)靠近舞臺(tái)區(qū)域的揚(yáng)聲器，并且加入3.1 ms延時(shí)，使之相位與靠近觀眾區(qū)揚(yáng)聲器的相位對(duì)齊，設(shè)置反相。

第四步：在陣列前方和后方2 m處分別測(cè)試設(shè)置好陣列，在Smaart中抓取頻響曲線，對(duì)比前后方聲壓級(jí)差。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，前方聲壓級(jí)會(huì)有約6 dB的疊加，前后方聲壓級(jí)差約15 dB，略優(yōu)于仿真模型，如圖20所示。Smaart光譜圖見(jiàn)圖21，其中顏色的深淺程度表示聲壓級(jí)大小。

圖20 End Fire拓展陣列前后向聲壓級(jí)對(duì)比

圖21 End Fire拓展陣列實(shí)驗(yàn)光譜圖

由于只有2只揚(yáng)聲器，總聲壓級(jí)比End Fire陣列實(shí)驗(yàn)明顯減小，但隨著從前方到后方位置的改變，聲壓級(jí)也明顯減��；聲壓級(jí)從左右45°開(kāi)始，下降速率明顯變快，到正后方已經(jīng)有很明顯的衰減，應(yīng)用到實(shí)際中，即觀眾區(qū)域有很明顯的聲壓級(jí)提升，舞臺(tái)區(qū)域有極大的聲壓級(jí)衰減，達(dá)到指向性控制的效果。

4.3
Front/Back陣列具體實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為消聲室，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

第一步：將3只揚(yáng)聲器垂直重疊放置，并且第2只揚(yáng)聲器與其他2只揚(yáng)聲器反方向放置，如圖22所示。

圖22 Front/Back陣列的設(shè)置實(shí)況

第二步：在陣列后方（舞臺(tái)區(qū)）2 m處放置測(cè)試傳聲器，先打開(kāi)第1只和第3只揚(yáng)聲器，在Smaart中抓取相位曲線。

第三步：同樣的測(cè)試位置，只打開(kāi)第2只揚(yáng)聲器，并加入2 ms延時(shí)，與第二步中抓取的相位對(duì)齊，并設(shè)置反相。

第四步：在陣列前向和后向2 m處分別測(cè)試，在Smaart中抓取頻響曲線。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，陣列前方會(huì)有約6 dB聲壓級(jí)的提升，陣列前方和后方會(huì)有約20 dB的聲壓級(jí)差，且中心頻率附近疊加尤為明顯，這種陣列是3種陣列中后方抵消最好的陣列。如圖23所示，灰色表示陣列前向，玫紅色表示陣列后向。Smaart光譜圖見(jiàn)圖24，顏色的深淺程度表示聲壓級(jí)大小。

圖23 Front/Back陣列前后向聲壓級(jí)對(duì)比

圖24 Ftony/Back陣列實(shí)驗(yàn)光譜圖

5 3種陣列對(duì)比分析及結(jié)論

5.1
陣列前向聲壓級(jí)對(duì)比

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，End Fire陣列是本文所列舉的3種陣列中獲得前方能量最大、前方效率最高的陣列；End Fire拓展陣列和Front／Back陣列中都需要不同數(shù)量揚(yáng)聲器的能量來(lái)抵消陣列后向泄漏的能量，因此在陣列前向要達(dá)到同樣的聲壓級(jí)需要更多數(shù)量的超低音揚(yáng)聲器。

5.2
陣列后向抵消情況對(duì)比

End Fire陣列后向抵消與揚(yáng)聲器的中心頻率有關(guān)，抵消效果在中心頻率附近最明顯，能量抵消對(duì)于中心頻率在一倍頻程范圍內(nèi)是有效的，但是不是完全抵消，而對(duì)于其他頻率來(lái)說(shuō)，相位是散亂的，能量也會(huì)有一定的抵消，但沒(méi)有中心頻率衰減幅度大；End Fire拓展陣列和Front／Back陣列后向抵消不針對(duì)某一頻率，超低音揚(yáng)聲器可用頻率帶寬內(nèi)都會(huì)有類(lèi)似的能量衰減，并且較End Fire陣列衰減幅度更大，舞臺(tái)方向泄漏的低頻能量更少，對(duì)舞臺(tái)上的拾音及返送系統(tǒng)影響較小。

5.3
陣列前后向聲壓級(jí)差對(duì)比

通過(guò)本文所列舉的3種陣列前后向聲壓級(jí)差對(duì)比可以看出，F(xiàn)ront／Back陣列前后向聲壓級(jí)差最大，陣列后向抵消最“干凈”，其次是End Fire拓展陣列，而End Fire陣列前后向聲壓級(jí)差只有12 dB。因此，F(xiàn)ront／Back陣列指向性控制的效果最好（見(jiàn)圖25）。

圖25 3種陣列前后向聲壓級(jí)對(duì)比圖

5.4
陣列設(shè)置方式及安裝方法對(duì)比

End Fire陣列和End Fire拓展陣列擺放需要一定的前后空間，陣列中揚(yáng)聲器前后距離較大，如果揚(yáng)聲器的數(shù)量增加，則需要更大的空間，并且無(wú)法吊掛安裝，只能放置于地面，局限性較大。

Front／Back陣列是本文所列舉的3種陣列中同樣揚(yáng)聲器數(shù)量占用空間最小的陣列，揚(yáng)聲器之間不需要距離，可以連接在一起，并且可以與全頻揚(yáng)聲器一起吊掛安裝；排列方式可以垂直也可以水平，如圖26所示，節(jié)省空間。

圖26 Front／Back陣列垂直、水平安裝方式示意圖

綜合前后方聲壓級(jí)對(duì)比及安裝方式等要素綜合考慮，F(xiàn)ront／Back陣列對(duì)于擴(kuò)聲來(lái)說(shuō)是具有顯著優(yōu)勢(shì)的解決方案，不僅可以獲得效果良好的超低音指向性，安裝方式也具有更大的可行性。

6 側(cè)墻對(duì)Front／Back陣列指向性的影響

6.1
實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地：錄音棚
（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

揚(yáng)聲器：EAW JFL118
功放：Powersoft X4（帶DSP）
聲卡：Mackie Artist 1×2
測(cè)試傳聲器：Earthwork M30
測(cè)試軟件：Smaart

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/p>

本實(shí)驗(yàn)的目的是探究側(cè)墻對(duì)Front/Back陣列指向性的影響。測(cè)量實(shí)況見(jiàn)圖27，采用錄音棚的一面墻作為實(shí)驗(yàn)參照物，由于錄音棚墻面對(duì)低頻有一定的吸收，為了盡量真實(shí)地模擬實(shí)際使用場(chǎng)景，在墻面放置了一塊高約3.2 m、寬約6 m的光滑木板作為隔離，模擬live house（現(xiàn)場(chǎng)演出）或者劇場(chǎng)劇院環(huán)境中無(wú)聲學(xué)處理的墻壁，盡量使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更貼近使用狀態(tài)。

圖27 側(cè)墻對(duì)Front/Back陣列指向性影響的測(cè)量實(shí)況

（4）實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：與之前實(shí)驗(yàn)的陣列設(shè)置方式相同，同樣調(diào)整3個(gè)揚(yáng)聲器的頻響曲線和相位曲線相同。
第二步：通過(guò)測(cè)量設(shè)置好第2只揚(yáng)聲器的延時(shí)和反相處理，使陣列后方（即舞臺(tái)方向）的能量抵消，測(cè)試陣列前后的頻響曲線，如圖28所示。

圖28 陣列前后向聲壓級(jí)對(duì)比

第三步：放置陣列于距離側(cè)墻2 m的位置，以2 m為半徑，測(cè)量角度見(jiàn)圖29，光譜圖見(jiàn)圖30，顏色深淺程度表示聲壓級(jí)大小。

圖29 距側(cè)墻2 m時(shí)Front/Back陣列的測(cè)量角度

圖30 距側(cè)墻2 m時(shí)Front/Back陣列的光譜圖

第四步：放置陣列于距離側(cè)墻1 m的位置，以2 m為半徑，由于陣列與側(cè)墻的距離小于測(cè)量半徑，因此對(duì)陣列外側(cè)半圓空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖31），光譜圖如圖32所示，顏色深淺程度表示聲壓級(jí)大小。

圖31 距側(cè)墻1 m時(shí)Front/Back陣列的測(cè)量角度

圖32 距側(cè)墻1 m時(shí)Front/Back陣列的光譜圖

第五步：放置陣列于距離側(cè)墻0.3 m的位置，以2 m為半徑，光譜圖如圖33所示。

圖33 距側(cè)墻0.3 m時(shí)Front/Back陣列的光譜圖

6.2
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

綜合測(cè)量結(jié)果和主觀聽(tīng)感可以看出，側(cè)墻并不影響Front/Back陣列指向性的產(chǎn)生，但是側(cè)墻對(duì)陣列的頻響曲線有一定的影響。當(dāng)陣列與側(cè)墻距離為2 m時(shí)，陣列與側(cè)墻之間的空間由于側(cè)墻的反射作用能量是增強(qiáng)的，甚至能量大于陣列前方的能量，但陣列仍然呈現(xiàn)心形指向的趨勢(shì)，前后方聲壓級(jí)差可以達(dá)到約12 dB。當(dāng)陣列與側(cè)墻之間的距離逐漸減小到0.3 m甚至更近，陣列仍然具有一定的指向性，即前后方仍有一定的聲壓級(jí)差，由于側(cè)墻與陣列的距離減小，因此無(wú)法測(cè)量陣列與側(cè)墻之間聲壓級(jí)的數(shù)據(jù)。但是根據(jù)聽(tīng)感，陣列距離側(cè)墻越近，陣列與側(cè)墻之間空間的聲壓級(jí)越大，陣列前方的聲壓級(jí)也越大。

因此，可以得出結(jié)論，側(cè)墻會(huì)對(duì)Front／Back陣列產(chǎn)生一定的影響，但陣列前后方仍有一定的聲壓級(jí)差，即同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超低音揚(yáng)聲器陣列指向性的控制。若墻體是較強(qiáng)反射面，則必須要考慮側(cè)墻與陣列之間的距離，如距離不合適（例如距離為揚(yáng)聲器中心頻率的1/4波長(zhǎng)時(shí)），則會(huì)產(chǎn)生相消干涉。因此，F(xiàn)ront／Back陣列需靠墻設(shè)置時(shí)，一定要緊貼墻體。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種常規(guī)超低音揚(yáng)聲器陣列的原理分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，組合陣列的方式可以實(shí)現(xiàn)控制超低音揚(yáng)聲器陣列的指向性，并且各種陣列之間有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)因地制宜地選用。除此之外，在常規(guī)陣列的基礎(chǔ)上延展的超低音揚(yáng)聲器陣列還有很多，無(wú)法一一列舉，但依據(jù)相位疊加原理，可以利用這種相位差帶來(lái)的能量損耗或疊加來(lái)改變實(shí)際的覆蓋效果，從而達(dá)到控制超低音揚(yáng)聲器陣列指向性的目的。

至于側(cè)墻，如果與Front／Back陣列距離很近，則對(duì)陣列的指向性并不產(chǎn)生過(guò)多影響，只是陣列最終所達(dá)到的指向性效果并不一定是標(biāo)準(zhǔn)的心形，但是只要最終達(dá)到了要加強(qiáng)觀眾區(qū)輻射的低頻能量以及減少舞臺(tái)區(qū)漏音的目的，就可以認(rèn)為是一個(gè)成功的指向性設(shè)計(jì)。

同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，由于選取的測(cè)量點(diǎn)是有限的，因此不能只注重測(cè)量軟件得出的數(shù)據(jù)，還要重視聽(tīng)感在測(cè)量過(guò)程中的重要作用。

選自《演藝科技》2020年第1-2期  王瑞婷，魏增來(lái)《淺析超低音揚(yáng)聲器陣列的指向性控制》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技》。