淺析低音線陣列

文/[美]杰夫·貝里曼 編譯/何青青

使用音響系統時，設計者常常希望揚聲器能像聚光燈那樣工作：選擇正確指向性的揚聲器系統，將它們朝著指定的方向輻射就可以了。當然，這不是揚聲器系統的工作方式，尤其對于低音揚聲器系統來說。

普通的低音揚聲器系統在工作范圍內幾乎接近全向性，但若將幾個堆疊起來，指向角度就變得有方向性了，也更復雜。想象一下，假如燈光也以同樣的方式工作：1只燈泡本來可以照亮整個房間，但4只燈泡組成一排同時使用就只能照亮房間的一部分了。

更糟的是，使用多組堆疊的低音——例如舞臺左右兩側堆疊的音箱，就會產生波干擾（也叫“梳狀濾波”），從而導致室內不同地方、不同頻率點出現峰值和零位現象。如果燈光也以同樣的方式工作，那么，在室內點亮2只相隔一定距離的白光燈時，房間會出現如彩虹般的彩色燈光。

除此之外，還有混響問題，混響在時間維度方面會增加混淆和著色。燈光還沒有與之對應的效應。

面對這些現象，音頻專業人員應該如何設計線陣列超低音箱及驅動方案，使之能提供寬覆蓋面和高清晰度？

如果成功了，那么：

（1）低音會很清晰，而且整個聽音區域都會保持音調連續平衡；

（2）低音聲級在整個聽音區域都會跟中高頻平衡；

（3）混響和反射的負面影響會減少；

（4）設備的效率（每臺設備所產生的聲功率輸出）會增加。

1 超低音箱的聲學概念

1.1 波長

幾乎一切與線陣列聲學特性有關的因素就是波長。如果音箱或者線陣列的尺寸是波長的1.5倍，那么，它的尺寸就比較“大”。 如果音箱或者線陣列的尺寸是波長的1/3倍，那么，它的尺寸就比較“小”。

以下是幾種典型的波長：

正常大氣溫度、壓強和濕度下，波長換算公式如下：

1.2 指向性基本規律

普通的聲源，其指向性與尺寸成反比關系。如果物體尺寸小，那么，它的指向性就寬；尺寸大，指向性就窄（見圖1）。這里所謂的尺寸“小”和“大”是根據波長測量，而不是英尺或米。

1.3 水平、垂直相關性

指向性的基本規律是相關地應用于水平和垂直平面。比如，一只超低音箱的水平方向尺寸較大，而垂直方向尺寸較小，那么，它的水平指向性窄，垂直指向性寬。其非對稱模式如圖2所示。

1.4 多聲源和葉狀曲線

很多低音音箱采用兩組獨立的線陣列安裝在舞臺相反的兩側。這些線陣列有時堆放在地板上，有時被吊掛起來。

無論哪種方式，存在多個聲源就會產生物理學家們所說的“聲干涉”，聲頻人員所說的“梳狀濾波”或“波瓣”。圖3表示的是單只EV Xsub低音音箱在50 Hz時的指向性。在這個例子中，舞臺的尺寸是40英尺×20英尺，紅色線條是極坐標圖，每條圓圈分界線表示6 dB，Xsub基本上是全指向性的。

圖4表明在舞臺對面一側增加另一只Xsub時所出現的情況（每條圓圈分界線表示6 dB），產生的結果完全不同，而且更糟。因為這2只低音音箱都是全向的，人們在室內能聽到2只低音音箱的聲音。然而，這2只音箱到聽音者之間的距離不相同（除非站在中間）。如果距離差等于半個波長的奇數倍，那么2只低音音箱出來的聲音相抵消，此時聽不到低音，至少感覺聲音不是直接來自低音音箱。

這些波瓣會產生不平衡的低音音調和不一致的電平。在室內場地，有一部分音調平衡問題會被混響掩蓋，但是仍然缺乏清晰度。在室外，沒有混響，音調平衡問題通常比較明顯。

圖5所示的是兩個實際例子里低音的特性，分別是堆放在地面上的一排超低音音箱和吊掛安裝的低音線陣列。惟一一個所有頻點都沒有波瓣的區域，就是從舞臺中心出發的直線。沿著這條線，低音最強且最清晰。這就類似“power alley”效應（它是音頻工程中的一個專業術語，表示2只低音音箱之間的直線，每只低音音箱的輸出是同相，而且聲音明顯較大——譯者注），使得低音在混音位置聽起來非常好，但是混音工程師卻不知道其他觀眾所聽到的聲音效果如何。解決波柱問題的最好方法就是將音箱堆放成一組放在舞臺中間位置，而不是堆放在左右兩側。這不管是對水平方向還是垂直方向的線陣列都有效。然而，這對于演出形式和設備操縱來說往往不可行。

采用左右堆放布置方式時，使用堆放方式、波束形成技術或者有坡度的低音音箱都可以減少波瓣。不管怎樣，這一想法是為了減少2個堆放音箱的覆蓋區域之間的干涉。

1.5 波束形成技術（Beamforming）

采用這項技術，大型線陣列輻射的聲波就可以改變方向和形狀。Beamforming線陣列中，音箱是獨立驅動的（或者分成一小組、一小組進行驅動），每個驅動信號都有自己的延時和電平。

圖6和圖7是一組中等大小的典型低音線陣列是否運用波束形成技術的不同效果（60 Hz）。圖中的線陣列揚聲器系統是4只EV Xsub超低音。圖6是沒有采用波束形成技術的線陣列。圖7中，延時值使得低音朝舞臺后區方向輻射，這是增加舞臺兩側覆蓋范圍的典型方法。波束形成技術只適用于大型線陣列。要想控制小型線陣列的指向性則需要梯度技術（這一技術在本文其他部分講解）。

1.6 增益遮蔽（Gain Shading）

術語“遮蔽”意味著調整線陣列兩端及接近兩端的驅動參數。“增益遮蔽”是指調節（尤其是減少）線陣列其中一端的驅動增益。

2 低音線陣列類型

在專業音頻中，低音線陣列按照聲波輻射的輻射方向有三種類型。

2.1 垂射線陣列（Broadside Arrays）

2.1.1 垂射線陣列

垂射線陣列是指幾只低音音箱分布成一排（或者進行堆疊），主要的輻射波是垂直于線陣列。垂射線陣列是實際應用中最普遍的形式，這是大多數場所中能見到的典型的低音分布模式，采用堆放（水平排列）或者吊掛（垂直排列）。

垂射線陣列應用得如此普遍，是因為設計和設置它們都很容易。然而，這種方式在較寬區域獲得好的低音效果還需要一些條件。圖9～圖12顯示出了一些基本規則。

圖9顯示了長線陣列有著較窄的覆蓋角度，而短線陣列的覆蓋角度則較寬。

圖10表明直線型線陣列的覆蓋角度會變得更窄，且隨著頻率的增加會出現更多的波瓣。曲線型線陣列如果長度足夠長，其指向性就更恒定。

圖11所示的是階梯型線陣列，其本質上跟傾斜線陣列相似。在考慮演出風格和外觀時，為避免使用傾斜線陣列，就采用了階梯型線陣列。

圖12表明，由于覆蓋角度加寬，階梯型線陣列可以代替曲線型線陣列。這種情況下，階梯型線陣列的聲效更好。

2.1.2 堆放型線陣列

（1）覆蓋寬度

水平堆放在一起的線陣列，其覆蓋角度寬度往往是個問題。若直線排列的低音線陣列長度超過10英尺（3 m），那么，對大多數場合來說其指向性太強。

比如，圖9表明一組由4只EV Xsub低音音箱組成的線陣列，其覆蓋角度在60 Hz時只有90°。在更高的頻點時，覆蓋角度甚至更窄。

圖10中左邊的圖是一個更明顯的例子。這是一組由6只EV Xsub低音音箱組成的線陣列，線陣列本身長度大約為24英尺（7.3 m）。這個例子表明頻率在60 Hz時覆蓋角度為60°，而且與頻率相關。通過將線陣列擺成曲線型或者階梯型（見圖12），或使用波束形成技術等，都可以使得覆蓋角度模式變寬、變平滑。

（2）左右擺放的線陣列系統

對于左右擺放的線陣列系統，不但應了解每一組線陣列的覆蓋角度，還要考慮這兩組線陣列的覆蓋角度。

如果能很好地控制其指向性，就可以使左邊的線陣列只覆蓋左邊觀眾區，右邊的線陣列只覆蓋右邊觀眾區。但是這樣做是不可能的，因為覆蓋區域重疊，且產生波瓣。該系統設計的挑戰性就是減少波瓣的同時又能覆蓋整個聽眾區。

當線陣列尺寸長于10英尺（3 m）時，就可以利用其窄覆蓋角度特性來減少波瓣。將左右兩組低音線陣列朝舞臺外輻射，就可以減少中間區域的重疊覆蓋，同時還能增加總體覆蓋面。圖13就說明了這點。圖13的右邊示意圖中，低音線陣列是以30°的擺放角度朝舞臺外輻射。null值變淺，90 Hz時的覆蓋角度也已得到改善。

波束形成技術和朝舞臺外輻射這兩種方式可以達到類似的效果。圖14所示的是將波束延時技術應用于圖13那組線陣列中的效果圖，結果還不錯。

（3）大型中心堆疊線陣列

在大型場所或室外舞臺，使用低音堆疊方式往往較方便，連續擺放的線陣列橫穿舞臺前面。如果波束延時技術用在這種結構中，效果會非常不錯。圖15是一排由12只Xsub超低音音箱組成的線陣列的指向性，其延時經過了優化。

圖15展示了波束延時技術的一個細節，值得關注，對比一下延時值表格，就會注意到延時值不是等量變化，越靠近線陣列的末端，等級值會變大。這種情況比較典型。當你設計波束延時（使用LAPS或者其他一些模型工具），也許會發現在線陣列兩端會出現更大的延時值，輻射方向和波束展寬應用方面都會取得更好的效果。

圖16和圖15中顯示的線陣列覆蓋角度模式相同。但是圖16中的線陣列沒有使用波束形成技術。其覆蓋角度比較窄，且與頻率更相關。這類線陣列很適用于覆蓋距離遠且窄的場所（比如巡游路線），但對于一般的音樂會，則建議用圖15中的波束延時方案。

2.2 梯度線陣列（Gradient Arrays）

梯度線陣列是以特定的方式排列和驅動的，以便其指向性模式能像傳聲器指向性那樣呈現心形或超心形。這種線陣列的低音音箱有多功能驅動通道（包括延時、濾波或極性反轉等），以便達到某些效果。購買梯度線陣列后，可以作為單獨的音箱使用，也可以把一只只低音音箱進行組合。

2.3 端射線陣列（Endfire Arrays）

它是由數只低音音箱以一定的距離間隔和所要求的輻射角度排列組成的，并且以相繼延時的方式驅動，以便產生比較窄的覆蓋角度。端射線陣列是一種等效于槍型傳聲器的揚聲器系統。端射線陣列非常少見，只在特定遠距離投射場所、戶外或者大型場所使用。

（本文編譯自www.prosoundweb.com相關文章。）