線陣列音箱在音響工程中的應(yīng)用
近年來(lái)，在專業(yè)音響領(lǐng)域，你會(huì)發(fā)現(xiàn)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)以它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛用于各種大型的擴(kuò)聲場(chǎng)所，比如大型年會(huì)、音樂(lè)演唱會(huì)、體育賽事、戶外實(shí)景演出等場(chǎng)合。線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)是應(yīng)市場(chǎng)需求而產(chǎn)生的，也是高新技術(shù)的產(chǎn)物，因此備受人們的關(guān)注。
那么，到底什么是“線陣列”？線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)是如何產(chǎn)生的？它有什么特點(diǎn)？線性陣列音箱是又如何工作的？什么場(chǎng)所可以使用線陣列音箱？帶著這些問(wèn)題，今天小編為大家來(lái)系統(tǒng)梳理一下跟線陣列有關(guān)的技術(shù)知識(shí)。
什么是線陣列
聲學(xué)工程師Olson在其1957年的著作中描述：“線陣列是一組振幅相等并同相緊密地排成一條直線的聲輻射元素”。由于該陣列具有垂直指向性，從而有效地投射聲音，因此適用于大型、遠(yuǎn)距離的擴(kuò)聲系統(tǒng)。
圖1（MAPP）顯示了16個(gè)全指向的0.5米間隔點(diǎn)聲源的指向特性。該線陣列具有很強(qiáng)的指向性，能達(dá)到500Hz的頻率段；一旦高于500Hz，其指向性就開(kāi)始分散。留意圖中線陣列在低頻段后部有很強(qiáng)的分布，500Hz處也是如此。
所有傳統(tǒng)的線陣列都是這樣，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@個(gè)范圍內(nèi)是全指向的。（該系統(tǒng)的水平指向圖形不受垂直指向的影響，水平指向圖形在任何頻率都是全指向的）。
圖2所示的是一組由32個(gè)間隔為0.25米的點(diǎn)聲源線陣列聲場(chǎng)分布圖。注意該陣列能保持其指向特性到1kHz處，該處出現(xiàn)強(qiáng)烈垂直指向，這說(shuō)明要突出高頻的指向性需要更多的密集的單元。
01、線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的產(chǎn)生
上世紀(jì)六七十年代在歐美興起了以“披頭士”樂(lè)隊(duì)為代表的搖滾樂(lè)，到廣場(chǎng)上看搖滾音樂(lè)會(huì)的觀眾多達(dá)幾十萬(wàn)，擴(kuò)聲是個(gè)大問(wèn)題。比如，1977年9月3日在英國(guó)的New Jersey舉行的一場(chǎng)搖滾音樂(lè)會(huì)就有60萬(wàn)人參加。擴(kuò)聲系統(tǒng)采用多只音箱疊放在一起組成的“音塔”，安裝調(diào)試非常麻煩。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，花費(fèi)了很多精力，擴(kuò)聲效果總是不盡人意。這種現(xiàn)象提供了一個(gè)市場(chǎng)信息，大型巡回演出需要功率大、安裝調(diào)試方便的擴(kuò)聲系統(tǒng)。
一些大公司看準(zhǔn)市場(chǎng)需求，致力于開(kāi)發(fā)大功率、遠(yuǎn)投射的擴(kuò)聲系統(tǒng)。從聲學(xué)角度來(lái)考慮，有兩種方法可以獲得大功率、遠(yuǎn)投射的效果。
一種是號(hào)筒，使聲能量通過(guò)號(hào)筒集中在一個(gè)方向輻射出去，控制指向性，提高輻射效率，達(dá)到遠(yuǎn)投射的效果。例如20世紀(jì)50年代，我們對(duì)金門、馬祖的廣播系統(tǒng)就曾經(jīng)采用過(guò)大號(hào)筒，一個(gè)號(hào)筒長(zhǎng)達(dá)十幾米，傳播距離達(dá)幾公里。
另一種是20世紀(jì)30年代就提出的揚(yáng)聲器陣，利用干涉原理控制指向性。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)已經(jīng)流行一種柱型音箱——聲柱。聲柱具有比較窄的垂直指向性，但是功率不夠大，投射不遠(yuǎn)，聲音的動(dòng)態(tài)和頻寬等還存在一些需要克服的問(wèn)題。一些大公司根據(jù)自己的情況，各有側(cè)重。
號(hào)筒的研究成功地開(kāi)發(fā)了恒指向性號(hào)筒揚(yáng)聲器、多驅(qū)動(dòng)單元的號(hào)筒揚(yáng)聲器等。法國(guó)L-Acoustics公司于1993年首先推出了V- DOSC系統(tǒng)，它是由一列單元音箱組成的陣列，工作原理類同于聲柱。其垂直指向性可控制，由單元箱的數(shù)目決定，水平輻射角120°。每只單元箱的頻響為50Hz～18kHz±3dB，功率1500W，靈敏度134dB。高頻單元通過(guò)波導(dǎo)管向外輻射。這是最早推出的線陣列產(chǎn)品，一開(kāi)始就引起了人們的關(guān)注。
市場(chǎng)的需求，高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)成為各公司顯耀自己實(shí)力的標(biāo)志性產(chǎn)品。現(xiàn)在線陣列已是號(hào)筒技術(shù)和陣列技術(shù)的結(jié)合，使得輻射性能更完美。
02、線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的特點(diǎn)
1）單元箱規(guī)則排列
線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)是由一列單元箱組成，這些單元箱按一定規(guī)則排列，根據(jù)聲場(chǎng)需要可以排成直線、弓形（恒定半徑曲線）、“J”字形和漸開(kāi)線等。
單元箱的數(shù)目由擴(kuò)聲聲場(chǎng)的需求決定，但是必須滿足形成線陣列的基本要求，即線陣列的長(zhǎng)度至少應(yīng)大于輻射聲波的波長(zhǎng)的一半。
每一只單元箱的輻射特性有嚴(yán)格的要求。例如，輻射聲功率、頻率特性、水平指向性、失真和線性相位等必須滿足線陣列對(duì)它的要求。
2）功率大、投射距離遠(yuǎn)
例如，一套線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)單元箱中的低頻單元承受功率1200W，靈敏度96dB；中頻單元功率500W，靈敏度107dB；高頻單元功率150W，靈敏度 112dB。單元箱組成陣列以后，由于單元箱之間的相互作用，使得揚(yáng)聲器的輻射阻抗得到了提升，提高了輻射效率。因此，采用線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)作為聲源在100m以外希望獲得100dB以上的聲壓級(jí)是輕而易舉的。
3）覆蓋聲場(chǎng)均勻，干涉區(qū)域小，重放分辨率高
線陣列的垂直指向性很尖銳，一般在10°左右，最窄的可達(dá)3°。輻射的聲束窄，到達(dá)相應(yīng)的觀眾區(qū)域的直達(dá)聲比較強(qiáng)，輻射的距離又比較遠(yuǎn)，在很大的區(qū)域內(nèi)的聲壓級(jí)的變化比較小。由于線陣列的旁瓣控制使得輻射聲場(chǎng)的重疊區(qū)相對(duì)比較小，干涉面小。直達(dá)聲為主的區(qū)域，聽(tīng)感好、聲音清晰、分辨率高。
03、線性陣列音箱如何工作
線陣列如何工作可以是一個(gè)相當(dāng)深入的討論，下面將用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言和數(shù)學(xué)計(jì)算，讓大家首先了解典型的揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音是如何隨著距離的增大而分散傳播的。
1）反平方定律
聲學(xué)中反平方定律的內(nèi)容是，聲強(qiáng)度的大小和聽(tīng)音位置與聲源之間距離呈平方反比。其結(jié)果是聽(tīng)音者距離點(diǎn)聲源的距離每增加一倍，聲壓衰減6dB。這是我們通常情況下使用的揚(yáng)聲器的表現(xiàn)，雖然實(shí)際和理論會(huì)有很多細(xì)微差別。
2）點(diǎn)聲源
反平方定律的前提是假設(shè)揚(yáng)聲器能夠全向輻射。而對(duì)于實(shí)體揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō)，這種情況很少見(jiàn)，除非揚(yáng)聲器發(fā)出很低的頻率（這也是我們?yōu)槭裁匆恢睆?qiáng)調(diào)低音或者超低音沒(méi)有指向性的原因）。
然而，隨著聲音傳播距離的增加，即使典型的定向揚(yáng)聲器（例如具有90°水平覆蓋角和90°垂直覆蓋角的號(hào)筒揚(yáng)聲器）也會(huì)遵從于反平方定律，像理論上的點(diǎn)聲源一樣進(jìn)行聲音的擴(kuò)散（即全向輻射）。
3）線聲源
線性陣列音箱的聲壓覆蓋則靠近所謂的線聲源理論，每當(dāng)聽(tīng)音距離加倍時(shí)，電平不會(huì)下降6dB。從理論上來(lái)講，它只會(huì)下降3dB，但在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)果并沒(méi)有這樣理想。即便如此，相對(duì)于點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器而言，線性陣列音箱在垂直覆蓋角度上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
具有線性聲源輻射特點(diǎn)的揚(yáng)聲器可以達(dá)到如下效果：您可以在大廳或戶外空間的后方區(qū)域感受到相對(duì)比較大的聲壓級(jí)，而為了做到這一點(diǎn)，你不需要像操作普通點(diǎn)聲源音箱一樣，特意加大其功率以致于讓前方離PA系統(tǒng)比較近的人聽(tīng)到過(guò)于大的聲音。它的優(yōu)勢(shì)在于聲音垂直擴(kuò)散角度復(fù)雜多變的可控性。
那么如何實(shí)現(xiàn)線性聲源輻射？答案是相位抵消。
相位抵消通常是在音響系統(tǒng)中需要工程師們嘗試去避免的事情之一，但它對(duì)線陣揚(yáng)聲器在一起工作時(shí)能夠提供具有較窄的垂直覆蓋角度起著中心作用。
即使使用了高級(jí)別的揚(yáng)聲器箱體設(shè)計(jì)來(lái)塑造垂直方向的覆蓋，在線陣列中的揚(yáng)聲器之間仍然有很多實(shí)際上的重疊。
換句話說(shuō)，線陣列揚(yáng)聲器的垂直覆蓋角度并非是單只喇叭就可以形成的，它是多只揚(yáng)聲器在出口處形成有效干涉的結(jié)果。
然而，現(xiàn)實(shí)狀況中，每個(gè)線陣列揚(yáng)聲器與觀眾之間的距離會(huì)稍有不同，這樣就會(huì)引起小程度的相位抵消。當(dāng)然，你也可以通過(guò)引入電子延時(shí)的手段，對(duì)線陣列音箱的垂直覆蓋角度進(jìn)行人工干預(yù)，并進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。
04、線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的應(yīng)用
線性聲源陣列揚(yáng)聲器適用體育場(chǎng)、戶外廣場(chǎng)等擁有眾多的觀眾席的室外擴(kuò)聲；也適用室內(nèi)較大的場(chǎng)地，如體育館、多功能廳、宴會(huì)廳、劇場(chǎng)劇院、大型會(huì)堂等的擴(kuò)聲。同時(shí)，臨時(shí)擴(kuò)聲系統(tǒng)，由于線性聲源陣列揚(yáng)聲器具有運(yùn)輸、組合方便，安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，依然得到廣大用戶的青睞。
1）室外的使用
室外使用是線性聲源陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的首選應(yīng)用場(chǎng)所，如體育場(chǎng)、戶外演出、娛樂(lè)聚會(huì)、大型公益活動(dòng)、群眾集會(huì)、大型比賽等。線陣列音箱在戶外流動(dòng)擴(kuò)聲領(lǐng)域已成為主流產(chǎn)品，但在室外使用時(shí)建議注意以下問(wèn)題：線性聲源陣列揚(yáng)聲器組吊裝桁架的安全性、可靠性問(wèn)題。注意線性聲源陣列揚(yáng)聲器數(shù)量和組的布置位置與演出區(qū)域、演出聲像和傳聲增益的問(wèn)題。
注意線性聲源陣列揚(yáng)聲器組吊裝桁架的安全性、可靠性問(wèn)題。
注意線性聲源陣列揚(yáng)聲器數(shù)量和組的布置位置與演出區(qū)域、演出聲像和傳聲增益的問(wèn)題。
如遇到有大型視頻投影銀幕或者其它顯示屏也吊掛在揚(yáng)聲器組的吊裝桁架上，須考慮相互位置沖突和承重荷載（特別是動(dòng)荷載）問(wèn)題。
考慮風(fēng)、雨、雪、雹等不利天氣的影響。（Wharfedale Pro WLA系列防水音箱，IP6X國(guó)際防水等級(jí)設(shè)計(jì)，全天候、全防水，能夠適應(yīng)最嚴(yán)苛的戶外環(huán)境，風(fēng)、雨、雪、雹，全然不懼！）
2）室內(nèi)的使用
由于線陣列揚(yáng)聲器所具有的若干特點(diǎn)，近年來(lái)已得到大力的發(fā)展和應(yīng)用，以下小編歸納了幾點(diǎn)線陣列揚(yáng)聲器在室內(nèi)使用的優(yōu)勢(shì)。
A、室內(nèi)聲場(chǎng)分布更加均勻
利用線陣列揚(yáng)聲器的指向性因數(shù)及其強(qiáng)指向性，可以補(bǔ)償遠(yuǎn)處因距離加大而使聲壓級(jí)衰減過(guò)多的缺陷，可使室內(nèi)聲場(chǎng)分布趨向于更加均勻。同時(shí)，由于室內(nèi)混響的作用，其混響聲能的產(chǎn)生，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善室內(nèi)聲場(chǎng)的均勻性。
B、降低廳堂內(nèi)的有效混響時(shí)間
線陣列在廳堂內(nèi)使用時(shí)，可使廳堂內(nèi)的有效混響時(shí)間縮短。這是因?yàn)榫€陣列揚(yáng)聲器具有較強(qiáng)的指向性，將主聲束射向觀眾席，可加強(qiáng)直達(dá)聲能，減少了房間的聲學(xué)比，從而降低了有效混響時(shí)間。尤其是大型體育館混響時(shí)間普遍偏長(zhǎng)，為滿足比賽及文藝演出要求，保證清晰度，使用線陣列揚(yáng)聲器具有很大的優(yōu)勢(shì)。
C、提高整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳聲增益
眾所周知，在擴(kuò)聲系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)放大由揚(yáng)聲器輻射出來(lái)的聲音反饋到傳聲器就會(huì)引起失真和嘯叫，聲反饋嚴(yán)重影響整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)的使用。
為抑制聲反饋，增大傳聲增益，除采用具有強(qiáng)指向性的傳聲器外，具有超強(qiáng)指向性的揚(yáng)聲器的使用也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
由于線陣列揚(yáng)聲器具有極強(qiáng)的垂直指向性，在其有效覆蓋角之外聲壓級(jí)迅速衰減，對(duì)于增加傳聲增益，抑制聲反饋常常可以取得良好的效果。結(jié)合本特點(diǎn)可更好的滿足室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)關(guān)于傳聲增益要求。
以上各種措施，都可減少不需要的側(cè)向聲輻射的影響，提高擴(kuò)聲效率，保證較好的聲波覆蓋均勻度和良好的聽(tīng)感，增加傳聲增益。當(dāng)然，具體應(yīng)用時(shí)還是需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的建筑結(jié)構(gòu)、音響系統(tǒng)的投資造價(jià)、現(xiàn)有設(shè)備的條件等多方面因素，因地制宜，選擇最經(jīng)濟(jì)、效果最好的方案。
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