挑台之战：何时需要将主扩声系统分割为上、下两部分？

seaman06 · 发表于 2007-10-7 12:41:41

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大家似乎都喜欢在水平平面上将主扬声器系统分为左/右两个部分，但是在垂直平面上将它们分为上/下两个部分呢？恐怕就没那么喜欢了。

在诸如巡游或跑道这些类型的应用场合，我们会在水平平面上频繁采用分离式的多组主扬声器系统配置方式。

尽管不太可能使用两个以上的模块来进行扩展，但在垂直平面上也可以采用多组主扬声器的系统配置方式。

是否需要在垂直平面进行扩展取决于房间形状，在这里指的是一种很特殊的房间形状：挑台。接下来，让我们看一下在这场挑台大战中面临的挑战。

挑台大战

在这里我们讨论的是左/右（L/R）主扬声器系统，并不包括安装位置较低的中置扬声器（恰好是乐队所在的区域）。中置主扬声器系统在对挑台区域进行覆盖的时候，L/R主扬声器系统在与其距离较近的挑台区域扮演了侧补的角色，并且在这两个扬声器系统之间存在着延时的问题。

问题仅在于L/R扬声器系统与中置扬声器系统什么时候产生非耦合？

我们都希望乐队成员在演出时都待在一块，但有时他们需要朝不同方向自由走动（见图1）。

图1：这个应用示例提出了是否应将主扬声器系统拆分成上/下两个部分的问题。在这三个例子中，主扬声器系统的安装高度和挑台形状保持不变。

一、单斜坡和双斜坡

比较典型的听音区是一个随距离的增加逐步抬升的斜面，我们可以通过非对称耦合的点声源扬声器阵列设计来解决斜面的覆盖问题。最简单的听音区是一个恒定斜率的斜面，听音区随着距离的增加成比例逐步抬升。不幸的是，我们通常面对的是更加复杂的情况，譬如听音区的远端斜率比近端更陡峭。但是，即使在面对抬升斜率大幅度变化的情况下，一个耦合的点声源扬声器阵列仍然可以通过非对称设计方式解决覆盖问题。

当挑台的听音区增加到两层的时候，麻烦就开始出现了。我们现在面对的是双层斜面，这种情况下需要采用非耦合方式来应对。

常见的应对方式有两种：

１、将这两个斜面当作一个复合斜面来处理（保持扬声器阵列的耦合）

２.者将它们当作两个独立的斜面并且进行独立覆盖（非耦合方式）。

我们可以根据挑台的细节来建立一个曲率与之匹配的扬声器阵列并保持耦合状态。这种方式的问题是较大的声压级变化（挑台前区的声音会比较大）和频率响应变化（挑台的正面产生反射）；而好处是由于所有的声源都紧密的排列在一起，能够在耦合区域获得较宽的频率响应。随着挑台深度的增加，声压级的变化幅度也相应增加；如果挑台的正面是一个较高的反射面，那么频率响应的变化幅度也会增加。而这两个问题正是我们需要尽量避免的。

什么尺寸的挑台算是太深？如何得知挑台的正面会给我们造成麻烦？

只有在充分了解挑台的声学环境之后才能想出应对的方法。

双斜面听音区有4个重要的覆盖目标关键点：

VTOP1（垂直平面的顶端）、VBOT1（垂直平面的底部）、VTOP2和VBOT2。

每个关键点与主扬声器系统都有独立的角度和量程关系，每一对关键点之间都有独立的角度扩展关系和量程比。我们需要解决的问题正是由于这些关键点（VBOT1-TOP2）之间的内在关系造成的。

现在，让我们看一下关键点之间内在关系数值变化产生的结果（见图2）。

图2：垂直双斜面听音区的应用示例。

多个进深较浅的挑台呈现出近乎对称（1:1）的量程比，

而地面的量程比非常不对称（>2:1）。这种情况下可对两个斜面分别进行覆盖。

让我们从两个尺寸完全一样斜面开始，一个斜面直接位于另一个斜面的上方。每个斜面都是20度角度扩散和2:1量程比。扬声器阵列位于垂直平面的中间位置，因此它能够以2:1的量程比（6dB）覆盖VTOP1（+20度）至VBOT2（-20度）。与之对应VBOT1（+0度）至VTOP2（-0dB）的量程比同样为2:1。

我们也可以使用一个覆盖角度为80度的扬声器，将它指向最顶端的坐席，借此解决一个角度扩展为40度的斜面听音区中的6dB量程比问题。但是，我们如何解决0度扩展区域的6dB量程比问题呢？当然，由于挑台必须足够厚才能提供足够的承重，因此不可能出现0度的角度扩展区，但是这个扩展角度可以非常、非常小。

2、返回系数

“听着，扬声器们！紧密地团结在一起。我们的任务是：不断前进并逐步靠近20度的顶端区域，然后立刻继续前进并不断重复这个动作。”

如果你不相信这是一个不可能完成的任务的话，那么不断增加的量程比会让你缴械投降的。一个更宽的挑台会给我们增加更多的困难，但是如果有一个这么傻的朋友，还需要敌人吗？

让我们对上一个挑台形状做一点变化然后再来看一下结果如何。将上层的挑台前沿向后移，直到上层挑台的前沿与下层挑台的后端边缘对齐。

现在看一下发生了什么变化。VBOT1和VTOP2之间的角度扩展仍然是0度，但它们之间的量程比变成了1:1，它们之间不再有锯齿状的分割线了。这个时候我们就可以使用一个主扬声器来覆盖两个斜面了。

当两个关键点之间的关系发生变化时，听音区中也就不存在挑台了。这个模拟过程为我们提供了一个重要的信息：返回系数——对于是否需要将扬声器阵列分割的重要参考指标。

上层听音区向前移动的每一吋都会增加VBOT1和VTOP2之间的不连续性。听音区的形状变化导致了听音区覆盖的角度隔离，而一个扬声器无法满足这种覆盖需求。返回系数（以dB为单位）显示了挑台区域的声压级差异，而这个差异是我们需要消除的。

从下图中可以看到，在较浅的挑台区域返回系数较小，仍然可以使用一个扬声器阵列进行覆盖。当返回系数为6dB或更高时，单个扬声器阵列就无法均匀覆盖了（见图3）。

图3：上/下分割示例。在所有示例中都需要覆盖扬声器垂直轴向以上20度和轴向以下20度的听音区。（A）单个扬声器阵列可以覆盖连续的斜面。（B）在返回系数为3dB时不需要分割扬声器阵列。（C）当返回系数为6dB时就需要将扬声器分割为上/下两部分。（D）使用挑台补声扬声器将返回系数降低至3dB（不需要分割扬声器阵列）。　

3、上/下分割式主扬声器系统的次级选项

除了分割扬声器阵列之外我们还有其他选择。我们可以将覆盖区域进行分割，比如挑台下方的区域可以使用延时扬声器组进行覆盖，这样就可以将延时扬声器组所覆盖的区域从主扬声器系统的区域覆盖需求中剔除了。这种系统设计方式使VTOP2与扬声器组之间的距离变小，同时也减小了量程比和斜面的开口角度。如果延时扬声器组能够将返回系数提高至下限之上的话，那么甚至可以使用单一的主扬声器系统。

主扬声器系统的高度也是一个重要的影响因素。在之前的部分，我们已经对主扬声器系统位于垂直平面中线时的情况有所了解了。增加主扬声器系统的安装高度能够减少VBOT1和VTOP2之间的角度差（其实这个角度差已经足够小了）。但是增加主扬声器系统的安装高度会带来下方区域的隔断问题（听音区与主扬声器系统之间出现视线阻隔），由此导致覆盖区域减少的同时产生返回系数降低的弊病。

在这种情况下，延时扬声器组的设置就从可选项变为必选项了。这种视觉阻隔对挑台下区域的覆盖造成了严重的负面影响，因此延时扬声器组的设置不能被视为获取返回系数增益的有效手段。将主扬声器系统的安装高度降低至挑台分割线之下虽然能够确保在挑台下方区域对主扬声器系统的可视性，但同时也增加了听音区斜面的扩散角度。

此时，返回系数并没有得到改善，而对挑台的覆盖会变得更具挑战性。从主扬声器系统的角度来看，上端的声压级斜率曲线是平坦的。但是，由于覆盖角度的减小和量程比的增加，对主扬声器系统的上端必须进行大幅度的覆盖波束修正。对于单个斜面听音区覆盖来说，实现如此大幅度的非对称特性非常困难。对于单一主扬声器系统来说在这种条件下同时覆盖楼座和池座是一个苛刻的要求，尤其是当挑台位置比较高的时候。

还有一个与高度相关的考虑因素：被形容为“微笑和皱眉”的覆盖特性弯曲。

这种现象的产生与挑台正面的上/下端朝向有关（我们希望避开的区域）。

只有位于垂直平面中轴的主扬声器系统能够实现精确地波束导向来避免产生较高的返回系数。

更高或更低的安装高度会在房间内的不同高度产生覆盖特性的变化。

令人安慰的是，如果我们不再坚持使用单一扬声器阵列而是将扬声器阵列分割为上/下两个部分的话，那么上面所说的问题都不会出现。

与其尝试用一个扬声器阵列完成不可能的任务（覆盖双层斜面听音区），不如使用两个扬声器阵列：实现非对称耦合点声源对单个斜面听音区的覆盖。而我们需要付出的一点小小代价是在低频部分的频率响应变化幅度会增加。

这种系统设计方式基本上是两个独立的系统设计。上端和下端的扬声器阵列的功率相等，但需要独立分析计算。

在某些情况下，上端的主扬声器系统安装位置可以向听音区方向移动（因为这组扬声器的覆盖区域是挑台开始的）。在声像不受影响的前提下，这种安装方式能够减少系统所需功率并提高信噪比。　

4、挑台正面

关于挑台正面有一句老话可以很好的表达声系统工程师的看法：唯一一个好的挑台正面是没有挑台正面。“挑台恐惧症”在音响界是一个严重的病症。音频系统设计师绞尽脑汁避免的事情正是声学设计师想方设法要实现的：“活跃”的挑台正面。作为音频系统工程师，我们都曾经深受挑台的困扰，因此有必要用几段话来从正确的角度来描述这件事情。有些挑台对于音频系统来说是有害的而有些无害的，但是通常我们会同时面对这两种挑台。

有害的挑台

正面很高、“活跃”和无特性的（单一角度，不会产生漫反射），或者材质是玻璃和不锈钢（有害的）。对于音频系统的扬声器来说，它们的角度也是糟糕的，会将声音反射至舞台或听众席。更严重的（最坏的情况）是在一个有舞台的扇形场地内的平面或曲面挑台，因为它们会产生声聚焦。

好的挑台

一个好的挑台应该是正面尺寸较小、“不活跃”、会产生漫反射、装满了各种灯具、多角度并且是倾斜的，这样的挑台会将声音反射到例如天花等对音频系统无害的区域。我们可以对挑台正面进行测量来评估它对音频系统的影响有多大，比如一个正面高度不超过0.5m 挑台在500Hz以下的频段是无害的。关键点是不要因为避免一些不会对音频系统产生不良影响的因素而影响系统设计（见图4）。

图4：上/下分割是主扬声器系统设计示例。（A）挑台下补声扬声器的使用降低了返回系数，因此可以使用单一主扬声器系统。（B-D）使用了分割式的上/下主扬声器系统设计方式。

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