线性声源阵列扬声器系统与应用(二)

履霜坚冰至 · 发表于 2016-6-24 09:11:29

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本帖最后由履霜坚冰至于 2016-6-24 09:15 编辑

3 线性声源阵列扬声器系统声辐射的基本特性

　3.1 关于柱面波特性的声辐射与频域的关系

　线性声源阵列扬声器基于模拟柱面波辐射波形特性，与传统音箱声能辐射基于点声源类似球面波形特性性是有很大区别的.

　按照声学扩散辐射原理，点声源的声辐扩散遵循图1所示类似球形波，辐射衰减特性的理论值是传输距离每增加一倍，信号衰减6 dB。

图1　点声源辐射扩散示意图

　线声源的声辐射扩散遵循图2所类似柱形波。因声波上下近似于平面，其辐射衰减特性的理论值是传输距离每增加一倍，信号衰减3 dB。如果以三维方式表示，其理想值应该如图3所示，声学辐射的波阵面应该是柱面波形。

图2 线声源辐射扩散示意图

　当然，以上的声波辐射的模拟图形，无论是点声源还是线声源，都是声源理想化的辐射特性，现实中很难完全实现。由于声波在空气中的自然辐射扩散规律，任何结构都不可能保证扬声器辐射从20 Hz—20 kHz整个可闻频带内都具有图3那样的理想特性，原因是由于高频波长较短而低频波长较长，扬声器的选型与布局、音箱结构都很难照顾频率两端，很难完全满足柱形波的特性。而且至今也没有看到任何一个线性声源阵列扬声器制造厂商给出类似图3的实测声学效果图和相关数据。

图3 线性声源性陈列扬声器声学投射基本辐射特性示意图

　图4是某线性声源阵列扬声器的中低频和中高频两个频段的声波辐射水平指向特性。可以看出中高频声波辐射基本上可以接近单向指向，中低频就几乎是全向指向了。

图4 某线性声源陈列扬声器中高频辐射示意图

　图5和图7是某线性声源阵列扬声器的从200—12 800 Hz跨6个倍频程的声波辐射水平指向特性和垂直指向特性；图6和图8是某线性声源阵列扬声器从150—20 000 Hz通频带声波辐射水平指向特性和垂直指向特性。图9是某线性声源阵列扬声器从250—10 000Hz共8个频率的声波辐射水平指向特性。从中也可以看出水平方向中高频声波辐射基本上接近单指向，中低频就几乎是全向指向；垂直方向中高频声波辐射基本上可以接近柱面波形指向，中低频几乎就是全向指向球面波形。

图5 某线性声源陈列扬声器200~12800Hz水平辐射特性

图7 某线性声源陈列扬声器200~12800Hz垂直辐射特性

图9 某线性声源陈列扬声器250~10000Hz8个频率的水平辐射特性

　3.2柱面波垂直辐射与覆盖区域距离的关系

　除了频域方面只能达到有限的柱面波形之外，其覆盖区域距离同样因其频域受到一定的局限，见图10线性声源阵列扬声器（箱）（组）声波垂直辐射与覆盖区域距离的关系，频率越高指向特性越窄，垂直覆盖面积越小；频率越低指向特性越宽，垂直覆盖面积越大。

图6 某线性声源陈列扬声器150~20000Hz水平辐射特性

图8 某线性声源陈列扬声器150~20000Hz垂直辐射特性

图10 线性声源阵列扬声器声波垂直辐射与覆盖区域距离的关系

　3.3构成线性声源的条件

　声学理论研究，构成线性声源的几个必要条件。

　(1)所有音源（扬声器单元）所覆盖区域之和，必须大于音源总覆盖区域的80qo以上，才能保证最大覆盖面积。

　(2)其线性长度最少为所辐射波长的4倍以上，才能保证其垂直方向上的指向波形接近于平面波。

　　(3)线阵列音源如不是平面和同相，其要求相邻音源即扬声器单元中心间的距离小于相干半波长。

　(4)相邻扬声器箱之间的倾斜角必须根据音源覆盖需要调整（通常< 10。），应满足：

　其中αmax——为相邻音箱间最大角度；dmin为到达观众区的最小距离；ARF为辐射因数；STEP为相邻两声源（扬声器单元中心）间的距离。

　(5)扬声器箱之间的倾斜角与覆盖距离具有反比例关系。

　这些要求在实际应用中意味着什么呢？只有非常长的线性声源扬声器组，才能在低频段符合线性声源的工作原理，同时只有使用非常小口径的扬声器单元才能达到在高频段的耦合。线性声源扬声器组吊挂组合形成的辐射面与相邻的扬声器箱之间夹角都必须按照特定的要求组合。而在现实应用中，线性声源扬声器组能够符合线性声源工作原理的重放频段不超过几个倍频程。组合吊挂方式和高度也有一定的限制。

　根据表1线性声源阵列扬声器箱数量与下限截止频率的关系，不难看出线性声源阵列扬声器箱的下限截止频率不是可闻频率的低限20 Hz，它要受线性阵列高度和扬声器单元口径和重放频率等的约束。所以符合线性声源特性低频下限通常高于250 Hz。至于较低频率可通过特殊结构和扬声器处理器，对声波指向特性的校正，已达到比较良好的声学辐射特性。

表1 线性声源陈列扬声器箱数量与下限频率之间的关系

　通过分析可了解线性声源阵列扬声器（组）既不像宣传的那样，以完美的全音域柱面波线性声源来满足扩声的所有声辐射要求，也不像有人抵毁的那样一无是处。它是在特定的条件下，采用新型的扬声器结构和组合方式，利用类似线性声源的辐射特性，满足对于远距离、大面积、在特定的指向区域内的扩声。

　线性声源扬声器（箱）（组）的优秀覆盖能力，在于它能够从观众席的前排至后排提供几乎一致均匀的声压覆盖。无论是户外还是室内厅堂，测试者从最后一排走到第一排（几乎在线性扬声器组的垂直下方），其声压级几乎都是一样的，垂直覆盖效果见图11和12.

图11 线性声源陈列扬声器组的垂直覆盖特性

图12 线性声源陈列扬声器组的垂直覆盖声压级均匀度

　使用常规号筒设计的扩声系统，垂直使用的扬声器在设计时往往将其球面辐射波形缩减为椭圆形状，使其对场地的扩声提供良好的覆盖，如图13所示。

图13 传统音箱垂直覆盖指向特性

　如果吊挂点的高度足够，可以通过固定扬声器的位置和角度的方式，使得第一排至号筒的距离为最后一排至号筒的距离的一半。这时，号筒本身对其辐射角度的离散控制能力能够很好地平衡这一切，从而使前后场得到一致均匀的声压覆盖和效果。当然这都是理想化的效果。

图14 扬声器垂直覆盖的各个偏离轴向角度的声压辐射变化

履霜坚冰至 · 发表于 2016-6-24 09:11:44

　　线性声源阵列扬声器（箱）（组）利用音箱间和阵列间的角度调整，可轻松满足垂直覆盖角度的要求。且无论是模拟，还是实测误差都很小。

　　同时，除了线性声源阵列扬声器（箱）（组）自身所具有的特性之外，合理的安装调试，也是能否实现最佳实用效果的重要步骤。

　　3.4结论

　　根据以上分析可初步得到如下结论。

　　(1)线性声源阵列扬声器系统是近年来一种新观念指导下研发的扩声扬声器系统。

　　(2)扬声器系统可以通过声反射镜方式；声透镜方式；同相波导（波导管）驱动器方式等多种方式实现线性声源辐射。

　　(3)真正的线性声源阵列扬声器系统有着独有的专利技术，独特的声学结构，以保证其（近似）线性声源的声学辐射特性能够实现。

　　(4)线性声源阵列扬声器系统虽然是基于柱面声波辐射理论基础上研发的设备，但实际扩声的声波辐射特性是有限制条件的近似柱面波形。声波辐射特性受到频率和音箱数量、组合吊装方式、传输距离等多方面的影响。

　　(5)线性声源阵列扬声器系统使用时，根据声波覆盖区域的面积、形状，将若干只线性声源阵列扬声器（包括中高音和低音）组成一组。

　　(6)线性声源阵列扬声器系统比起传统音箱有很多优势，但也不是万能的，因为其传输波形在较低的频率，距声源近距离和远距离上都受着很大的局限，不是理想的柱面波形。加上体积较大，重量较重配套设备较多，投资较高，使用安装时需要较高的调试技术配合，有着应用的局限性。

　　(7)线性声源阵列扬声器作为扬声器系统整体工作，使用时需要功率放大器和音箱处理器（包括数字音频矩阵处理器）等电设备和安装组合吊架、起吊设备、包装防护设备、运输设备等。

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