線陣列的基礎理論與應用原則

編譯/何青青

線陣列揚聲器系統興起于20世紀90年代，主要用于大型廣場演出和體育場館的擴聲，隨著科技的發展，產品型號越來越豐富，線陣列在一些小型演出場所也流行起來。雖然線陣列得到使用者的廣泛認可，但在實際應用中，部分使用者對線陣列的認識還存在一些誤區。本文主要討論線陣列的基本理論，澄清一些可能產生混淆的觀點。

1 線陣列的相關理論

1.1 什么是線陣列

線陣列就是由一組全向輻射驅動器組成，且呈直線排列的陣列音箱，箱體之間間隔很近，相位相同，振幅相同。美國著名聲學家奧爾森（Olson）在他1957年出版的《聲學工程》中描述道：線陣列對于聲音需要投射到遠距離的那些場合非常有用，因為“線陣列系統具有良好的垂直指向性覆蓋和遠距離聲輻射的特點”。

圖1是MAPP online分析圖，表明線陣列的指向性，這組線陣列是由16個全向線聲源組成，每個間隔0.5 m。500 Hz時，該組線陣列指向性最高，隨著頻率變高，其指向性開始衰減。注意低頻時線陣列會出現明顯的后瓣：所有常規組合的線陣列都會表現出這個特性，因為他們在這個區域的輻射是全向的。（當然，M3D線陣列是個例外）這種配置結構在500 Hz時會產生很強的垂直波瓣。

該系統的水平輻射圖和垂直輻射圖是獨立開的，而且整個頻段都是全向輻射——盡管實際系統在中高頻時只表現出明顯的水平指向性。

圖2是一組由32個全向線聲源組成的線陣列，間隔0.25 m。注意，在1 kHz時垂直波瓣最強，此時線陣列必須保持其指向性不變。這就表明：高頻時要維持線陣列的指向性，就需要使線聲源間距更小些。

1.2 線陣列是如何工作的

線陣列是通過相長干涉或者相消干涉來實現其指向性的。一個簡單的思維實驗就能解釋指向性是如何產生的。

以一個單12英寸錐形驅動器的揚聲器為例。根據經驗可知，這個揚聲器的指向性會隨著頻率的變化而變化：低頻時是全向的，當聲波波長縮短時，其指向性就會相應變窄；2 kHz以上時，對于大多數場所來講，只用單個驅動器其指向性太窄了。這就是為什么實際系統設計中采用分頻器和多個驅動單元，使其指向性在整個聲頻帶范圍內盡量保持一致。

把兩個此類揚聲器堆疊在一起，一個放在另一個上面，饋給兩個揚聲器相同的信號，可結果會出現不同的輻射圖。在兩個揚聲器軸的交點處存在相長干擾，而且相對于單個揚聲器來說，疊加的情況下聲壓級會增加6 dB。在軸外的其他點上，路徑長度不同會產生抵消，從而導致了聲壓級較低。事實上，要是給兩個揚聲器都用正弦波驅動，就會出現完全抵消的點（最好在消聲室里試驗），這就是所謂的相消干涉，也叫梳狀濾波。

線陣列由一組揚聲器組成，且彼此有序地間隔著，以便能在陣列的軸線上產生相長干涉，軸的兩邊主要產生相消干涉（梳狀）。常規情況下是不需要梳狀濾波的，但線陣列通常會用到梳狀濾波：沒有梳狀濾波，就沒有指向性可言。

1.3 線陣列是否能形成“柱面波”

有人錯誤地認為：線陣列有一種“魔力”能把聲波組合在一起。認為利用特殊的傳播特性，線陣列就可以形成一個單“柱面波”。然而，從線性聲學理論知識的角度來講，這種假設是行不通的?！爸娌ā敝皇且粋€行銷概念，并非可行的聲學現實。

聲波不同于淺水波模型，淺水波方程是非線性的，可以組合形成新波。但聲波在壓力作用下（一般在聲音增強區）不能結合在一起，而是一個接一個地成線性傳播。甚至是在壓縮器的高頻段，聲波也遵循線性理論規律，一個接一個地傳播。

圖3為MAPP online分析圖，顯示的是一對Meyer Sound MSL-4揚聲器的串擾情況，該圖解釋了以上這一觀點。A為串擾區域，該區域的黑色部分有明顯的相消干涉; B區域自然是相應的MSL-4輸出，這個區域完全不受串擾影響。盡管波干涉發聲在A區域，但也是空間上的干擾，而且同樣是一個接一個互不影響地傳播著。可以關掉串擾的那只揚聲器，在B區域不管怎樣，從垂直面上聽聲音是沒有什么改變的。

1.4 距離增加一倍，線陣列產生的聲壓級是否只降3 dB

這一假設是因典型的線陣列理論在實際中誤用引起的。典型的線陣列數學計算就是假設有一組無窮小又非常完美的全向線聲源，很大程度上能和發射能量的波長相近。顯然，實際系統中是不可能達到這樣的條件，而且它們的實際特性遠比假設的要復雜。

Meyer Sound用貝塞爾函數來模擬一只15英寸低音的輻射特性模型（通常描述為波瓣），而且還編寫自定義計算機代碼，通過對各種揚聲器設置不同的間隔來模擬線陣列。計算表明，組建一組音頻線陣列從理論上講可行，它在低頻段是遵循理論原則的。然而，這樣做的話，該陣列就需要1000個以上的15英寸的驅動器，每個驅動器中心點的間距為20英寸。

在近場，不考慮高頻的情況下，線陣列確實會隨著距離增加一倍而聲壓級降低3 dB，但是遠場就要根據聲音的頻率和線陣列長度而定。一些人要讓我們相信：要是有一個混合驅動器/波導系統，高頻段近區可擴展到好幾百米。計算顯示，對于一組由100個全向線聲源組成的線陣列，每個線源間隔1英寸，那么，線陣列聲壓級確實會隨著距離增加一倍而降低3 dB。但實際應用時在聲音增強區很難實現這點，而且這也不是波導特性模型。

純理論計算并不會完全反映出空氣吸收的真實性，在高頻時也有一定的影響。表1是利用貝塞爾函數模擬測出：一組由100個口徑為1英寸的揚聲器組成的線陣列，間距為1英寸，離這組線陣列的距離不同時，其聲衰減也不同。

根據ANSI標準S1.26-1995的計算方式（環境溫度為20℃，相對濕度為11%），頻率在500 Hz以上時，聲波的衰減包含空氣吸收。要注意的是，當頻率為16 kHz時，貝塞爾函數模擬計算出：與線陣列的距離每增加一倍，聲壓級衰減近3 dB，空氣吸收使得距離每增加一倍，實際的聲壓級衰減接近6 dB。

采用一組由16個箱體（每個箱體都用15英寸低頻單元）組成的線陣列，350 Hz時能夠測量出 “類似柱面波”的效應，此刻距離線陣列2 m～4 m之間會有3 dB的衰減。然而，當離線陣列的距離超過4 m時，聲音的傳播路徑就呈球狀，此時距離每增加一倍，聲壓級衰減6 dB。這一特性可以采用測量好指向性的標準揚聲器通過MAPP在線測試得到證實。

1.5 Meyer Sound 的MAPP在線

MAPP（Multipurpose Acoustical Prediction Program多功能聲學測試軟件）是一款交互式平臺， 它能準確預測出Meyer Sound陣列音箱的特性，測試時需要聯網。MAPP在線由兩個組件構成：一個是在音響系統設計者的計算機上運行的JAVA應用程序，另一個是在遠程服務器上運行的預測程序。

利用JAVA應用程序，音響設計者可以配置一些Meyer Sound產品，且在操作環境下隨意定義各項指標——包括空氣溫度、壓力、濕度以及位置、墻面組成成分等。設計者進行預測時，數據先通過網絡傳到遠程服務器，遠程服務器利用高分辨率、復合（幅度和相位）極坐標數據，運行一個比較復雜的聲學預測運算。在標準消聲環境下，MAPP在線采用的揚聲器數據其頻率分辨率可達到1/24倍頻程，角分辨率達到1°。測試好的數據通過網絡返回到使用者的計算機上，計算結果是彩色顯示的。

MAPP在線聲場分析結果包括一張揚聲器安裝布置圖，指定頻帶內的聲能分配圖。色譜顯示的是聲壓級，紅色部分表明聲壓級較強，藍色部分表明聲壓級相對較弱。

MAPP在線的獨特之處是：在聲場的任何一個位置都能準確地測出系統的頻率響應。頻響是虛擬SIM的一個功能，是用SIM系統II對系統進行模擬測試。MAPP的頻響測試功能已經在實際應用場所中得到證實，而且頻率分辨率在1/24倍頻程時，測量結果可精確到±1 dB（參考值范圍內）。

頻率100 Hz以下時，實際線陣列的驅動器是全向的，但和聲音的波長相比線陣列的長度就顯得微不足道了。所以實際系統與線陣列理論不相符。400 Hz以上低頻單元具有指向性，這也跟理論的假設有沖突。在高頻段，所有的實際系統都使用方向波導（號角），方向波導的特性不能用典型的線陣列理論來描述。

簡而言之，真正意義上的音頻線陣列其幾何結構太復雜，以至于“純”線陣列理論不能進行準確的模擬計算。模擬計算有效的精確度需要計算代碼，使用一個具備高分辨率的測量系統來測量實際揚聲器復雜的指向性，比如用MAPP在線就可以做到這點。

那就是說，不管連續線陣列理論與實際系統是否一致，線陣列系統仍然是很有用的系統，它們可以實現有效的方向控制，有經驗的設計者可以做到讓線陣列在遠距離投射的場所發揮地很好。

2 線陣列的特點與應用原則

2.1 實際的線陣列系統如何處理高頻

圖1和圖2表明線陣列理論在低頻時效果最佳。隨著聲音波長逐漸減短，線陣列需要許多尺寸更小、距離更接近的驅動器組合以維持其指向性。當然，實踐中這是很難實現的要求。比如，一組線陣列需要數百個間隔為1英寸的錐形驅動器，這實施起來有困難。

因此，實際應用中的線陣列系統只在中低頻時才像真正線陣列那樣工作，對于高頻段，可以采取其他一些方式來實現其指向性，使其與中低頻的指向性匹配。增強聲音最可行的方法就是通過波導（號角）與壓縮器耦合來實現。

號角是通過將聲音反射成一種特定的覆蓋特性來實現其指向性的，而不是利用相長或者相消干涉去實現。設計良好的線陣列應使其高頻指向性能和低頻指向性具有良好的匹配：垂直指向范圍較窄而水平指向較寬（垂直覆蓋范圍較窄能減少多次反射，有利于清晰度）。如果這一假設能實現，那么波導組件就可以和線陣列結合起來，使用適當的均衡和分頻器，高頻聲波及低頻的相長干涉就可用來定位，從而使線陣列系統產生一致的覆蓋面。

2.2 把線陣列角度擺得彎曲些，是否可以拓展其垂直覆蓋面

在實踐中，略微的傾斜線陣列確實有助于覆蓋更寬的弧度范圍，從而拓展其垂直覆蓋范圍。實際上，有些線陣列系統，像Meyer Sound 的M1D和M2D，就被稱為“曲線陣列揚聲器”，因為它們的箱體是特定設計的，允許有彎曲角度，而且曲線狀態下能保持最佳性能。然而，曲線陣列揚聲器從根本上講是會引出一些問題的。

首先，如果高頻部分的垂直特性較窄，那就需要使用直線陣列，將線陣列擺設的彎曲些會產生聲音重疊。其次，在一個更大的區域里線陣列彎曲時可以拓展高頻覆蓋范圍，而對低頻沒有任何影響，低頻能夠保持其指向性不變是因為對于長的波長來說這點小彎曲顯得微不足道。

圖4就表明了上述觀點。左邊部分是一系列MAPP在線對于曲線陣列的測試圖，右邊是對直線陣列的測試圖。兩組線陣列都是用相同的揚聲器組成，每個揚聲器的結構都是帶有一個12英寸的低頻驅動器，一個垂直特性為45°的高頻號角。

注意左邊的圖，號角角度更寬則有利于增加高頻覆蓋范圍，但同時也會因干擾而出現明顯的波瓣。頻率在1 kHz及1 kHz以下時，線陣列仍然保持較高的指向性，這一點遵循了線陣列理論。不過在實際應用中，覆蓋范圍會產生不均勻的現象。因為隨著頻率響應在覆蓋區的不斷變化，這一區域的大部分幾乎接收不到低頻能量。

右邊一系列圖表明：一只揚聲器，用于曲線陣列中時，其號角具有適度寬度的垂直覆蓋范圍，但用于直線陣列中其覆蓋范圍相對表現得較差。當線陣列指向性較高時，1 kHz及1 kHz以上就會出現明顯的垂直波瓣角。這些較強的旁瓣能夠轉移原來覆蓋區的能量到別處，因此，會產生很大的混響，從而降低聲音的清晰度。

總之，認為任何線陣列都可以從根本上彎曲，且可以達到預期效果，這是不理智的。特殊系統的聲學特性在討論時就必須進行檢測，然后再做決定，看曲線結構的線陣列是否能達到預期效果。

2.3 線陣列能和其他型號的揚聲器系統能否組合使用

答案是肯定的。 聲波不管是直接輻射產生的，還是由波導產生的,它們都是一個接一個地傳播，彼此不受影響。只要線陣列系統和其他類型揚聲器系統的相位響應匹配，它們就可以組合在一起使用。這種情況下線陣列產生的聲波和單獨使用線陣列時產生的聲波是一樣的。它們僅僅是低頻驅動器（根據線陣列理論來設置間隔）和高頻波導的輸出方式而已。因此，有經驗的設計師只要用適當的工具，就能把線陣列和其他相容類型的揚聲器靈活地組合在一起，用來覆蓋短距離投射區域。

在實踐中，較大類型和較小類型的線陣列可以很好地組合在一起使用，因為合理的設計圖會顯示兩個類型的相似覆蓋圖。比如，Meyer Sound M2D壓縮曲線線陣列揚聲器使用時揚聲器之間沒有間隔，它是用來覆蓋前區的一個系統，經常放在一組M3D線陣列系統之下。

2.4 線陣列在近區和遠區是如何表現的

正如我們所見，實際中的線陣列系統通常用在大功率場所，事實上（線陣列音箱）就是利用低頻的典型線陣列與利用高頻的高指向性波導的組合。因這個混合性質，所以，很難用常規的線陣列理論來測試整個音頻頻譜。盡管如此，線陣列系統可以合理地用在遠區以及相對更近些的區域。

從遠區看，線陣列中，單個線聲源的輸出能夠相長地結合，結果輸出時看起來像一條聲源。圖5就解釋了這一概念。這張圖表明的是分別由2個、4個及8個驅動器構成的線陣列在遠區的頻率響應情況（以單個全向響應的驅動器作為參考），驅動器間隔0.4 m。注意，整個頻率范圍運行中，揚聲器數量每增加一倍，聲壓級就會增加6 dB。高頻響應較平滑，但是由于空氣吸收（20℃的溫度，50%的相對濕度），該曲線會出現陡降。

實際上，線陣列在近區的特性較復雜。近區任何給定的點都是在這惟一一個全向高頻號角的軸上。結果我們能“感受到”線陣列中大多數揚聲器的低頻能量。因此，給線陣列增加音箱可提升近區的低頻能量，但是高頻還是保持不變。

這就解釋了為什么線陣列系統需要在均衡上提升高頻。在遠區，提升均衡能有效地補償空氣吸收掉的高頻。在近區，它可以補償低頻的相長，接近高頻波導的指向。

2.5 M3D是如何補償線陣列在實際應用中的不足

圖6表明低頻線陣列和高頻波導是如何結合形成一個性能良好又相容的系統。它顯示的是一組由16只M3D揚聲器組成的線陣列的指向性。根據M3D的REM(Ribbon Emulation Manifold帶狀仿真復合音孔)以及恒定指向性號角的優點，高頻輻射圖和低頻輻射圖基本匹配。

同時還要注意低頻時一些重要后瓣的缺失。這就表明M3D低頻定向技術的優勢。就像圖1中的全向線陣列一樣，500 Hz時其實沒有垂直波瓣，因為15英寸的單元驅動以及高頻號角在這一區域是協調地進行工作，從而抑制了離軸（軸外）區域的能量。

那么，什么情況下可以優先考慮選擇線陣列？

一些人不管什么情況下都會建議選擇線陣列作為音頻擴聲的最終解決方案，這樣當然是不可行的。一般來說，線陣列最適合應用于一些需要水平覆蓋范圍較寬的場所，另外，需要遠距離投射以及垂直波束相對較窄的情況下也適用線陣列。相比之下，近距離投射的場所，或者其他需要更寬的垂直波束寬度以及更窄的水平覆蓋范圍時，采用揚聲器組合或者常規的“集群”陣列往往會更好。當然盡管較小的線陣列在分布式系統中用得更順利些，但常規的個體揚聲器組合或小集群陣列更能節約成本。