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线阵列音柱

时间:2016-02-20 10:40  来源:未知  作者:admin  点击:
 1.        线声源扬声器的产生背景
        扬声器的发展目标是在很宽的频带内产生高声压的、均匀的、清晰的、不失真的声音。早在多年前,世界各主要专业扬声器、音箱公司,纷纷推出各自的线阵列扬声器系统。因为线阵列扬声器有很多非常实用的特点,如对于大型扩声需求,在相同的地方以相同的音量扩声时,线阵列扬声器系统可能体积更小、更轻便、更加容易吊装。结合演出地点的具体形状,将线阵列扬声器恰当的吊挂、瞄准和弯曲,能够对大多数的观众提供准确的供声。因此在许多流动扩声领域,正逐步替代传统扬声器。
        线阵列扬声器是由一串距离相等的驱动器(音圈,后同)组成。大家都知道,线阵列扬声器的运用基于其非常小的垂直指向角。若其垂直扩散为0°,即“圆柱波”,大多数人都知道,每当声源距离增加一倍圆柱波的能量会衰减3 dB,而声源距离增加,“球面波”能量会相应衰减6 dB。这是线声源区别于点声源最明显的声学特征。许多扬声器厂商在推出大型线阵列扬声器系统成功之后,也陆续开发出中小型线阵列扬声器系统并且在一些室内的扩声中得到了应用。但以目前的技术,还未能真正实现理想化的“圆柱波”。
大型会堂、会展中心、教堂和体育馆等大容积场所,其声学环境常常表现为混响时间较长的特点,从而造成语言清晰度、音乐明晰度明显下降,因而造成听闻困难。因此在室内扩声中获得均匀的、清晰的声音仍然是目前扬声器发展所要面对的问题。
        柱式音箱(声柱)是妥协方案,这是因为柱式音箱在传统建筑和现代建筑环境中便于隐藏。它们可以快速地安装在墙上,音箱可以涂上与附近面相配的颜色而便于隐藏。对于建筑来说,这是个很有吸引力,可接受的解决方法,经常可以在大型公共建筑,如机场、火车站、教堂、法庭及博物馆等场所见到音柱扩声的实例。
2.        传统声柱的声学特性
        Hany F.Olson在1957年第一次出版的着作《声学工程》中进行数学计算,描述了连续线声源的指向特性。传统的柱式音箱(声柱)通常利用线声源的指向性,如图:



      图中显示了连续线声源的指向特性是与声轴线对称的,且是长度和波长的函数。指向性图形描述的是在固定长距离,声压与角度的函数。统一选取0°角的声压级一致,相应方向垂直于0°角的线。三维指向特性是关于轴线旋转的。
传统“柱式扬声器系统”的声学特性由驱动器的声学特性和箱体的物理特性决定,其中:
1)        柱的高度决定了垂直覆盖上全频段控制时的最低频率;
2)        驱动器之间的间隙决定了作为线声源阵列而不是分散声源集合的最高频率;
3)        水平覆盖是固定的,在选择驱动器时决定了水平覆盖角;
4)        其他驱动器特性,如带宽、承受功率、灵敏度将决定系统对应表现的特性。
由这些特性得出一个不好的结论,传统柱式音箱的功率响应是不平坦的。它将很多低频能量传到室内,低频能量产生出更宽的垂直扩散,使临界距离更短,这是因为混响能量中包含了更多低频能量,听音者更难分辨高频的声音,如辅音成分或乐器敲击的瞬间。



        作为成本较低的解决方案,常规柱形线声源阵列扬声器系统仍然是目前解决大型或建声条件不良厅堂的较佳工具。
       
3.        声柱产品目前的发展
        前文已述,传统“柱式扬声器系统”的声学特性由驱动器的声学特性和箱体的物理特性决定,其中可控频率下限由声柱的高度决定,频率上限由发声点的间距(扬声器单元的中心间距)决定。由此可简单看成因扬声器单元的使用数量决定着可控频率的下限,而扬声器的尺寸必须足够小才能有更紧密的发声点间隙,此为一个在传统技术下采用单一种类扬声器单元的声柱较难克服的矛盾点。同时,在声压级要求比较高的应用,小尺寸的单元不可能满足要求。也因此,在国内外众多有志研发声柱系统的厂家推出各种解决方案,主要有如下两种措施:
1)        混合线声源的应用
        此方案采纳了传统扬声器“分频”的概念,将安装在同一声柱箱体的扬声器单元分为中低频及中高频两段(甚至多频段),全频信号经由分频器分成窄带频段由相应的扬声器单元组成的线声源发声,在空间内再混合成全频声。
        混合线声源技术能很好在成本与声学特性上取得良好的平衡,其难点在于中高频段的处理以及分频点附近两种扬声器的耦合问题。具体实现方式与常见的模块式线阵系统有点类似,采用多驱动器的声透镜波阵发生器。采用了混合线声源技术的声柱能在保持声柱特性的同时获得非常好的听感以及声学特性,也能在成本上有很大的优势。



2)        利用DSP技术的垂直特性电子调整阵列
        阵列产生指向性是因为声波的干涉作用,即在声场的不同位置上,各扬声器辐射出声波之间的声程差不相同。延时指的是阵列中的每一个单元并不是同相位的辐射声波,而是有一定的时间差。这个时间差产生附加相位差就可以改变阵列固有的指向性因子。通常的阵列具有中轴线的指向性。通过使用延时可使指向性偏离中轴线。






        但是,简单的延时阵列会造成另一个不可克服的问题,采用IIR滤波器的延时阵列在改变了声柱波束指向性后,会造成不同频率下不同程度的波束旁瓣及多余轴外扩散,为此,有些厂家使用了目前最高级的FIR滤波器以及优化的算法。利用FIR的“去相关”甚至更高级“无相关”技术,实现精确的波束指向、旁瓣抑制、分波束等功能,且在改变声柱垂直扩散特性的时候对音质以及声学特性的负面影响减至最小。在优秀的DSP技术下,该声柱系统进化出很多高级功能,例如垂直指向性非中轴对称(可上、下调整波束的指向)、垂直覆盖范围电子调整、在同一个箱体或整条声柱系统内分出两个甚至多个独立波束、分波束特性独立可调等等,这些先进的产品特性能为声频工程师处理复杂声场时提供更精确的可用的工具。

4.        声柱产品的几点优势
 
保留效果及优良动态响应
        无论是用于现场演出扩声,或为要求苛刻的语音应用,系统均能保证卓越的音质,甚至优于其他同类扬声器系统。
卓越的语音清晰度
        声音可以对观众进行专门的针对性投射,避免从天花板或地板不必要的反射。对于听众,结果是清脆动听,令语音清晰度大大提高。
完美融入房间的建筑和舞台设计
       优雅的扬声器外形以及可定制的外观颜色整合,能非常顺利融入周围环境。柱形扬声器较小的视觉体积不会干涉建筑设计和舞台设计或影响到拍摄效果。
无干扰的收听体验
        优良的声学特性,即使在复杂的麦克风使用条件下也会令声反馈的抑制不在成为扩声难题。
运输方便,快捷的系统组建流程
          在不降低声学性能的前提下设计出非常紧凑的箱体尺寸,大大减少所需的储存和运输的空间。
无需昂贵的索具或吊挂组件
        有别于传统模块化线阵列系统,无需使用昂贵的吊挂安装或地面堆叠所必须的组件。所有的线阵列技术被集成到单个壳体中,从而实现快速和容易的安装。 
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