揚聲器系統尺寸與指向性關系

文/[美]布魯斯·梅恩 編譯/何青青

目前，小音箱輸出和保真度方面的技術得到了較快提升，但是物理屬性并沒有發生改變，涉及覆蓋模式控制時，音箱尺寸仍然是個問題。

應用中，倒像式音箱和線陣列備受關注。這并不奇怪——因為它們又大又響，還非常有魅力。但這類設備若沒有一只兩分頻揚聲器系統作為補聲是不行的，該兩分頻揚聲器系統可以由一只12英寸或者15英寸的低音單元和一只號角組成。小型兩分頻音箱日常工作時可以用于主擴聲，不管是舞臺監聽、鼓聲補聲、前區補聲還是裝在支架上補聲。

使用者利用這些音箱的特性是理所當然的，但如果能真正理解它們的指向特性及其工作原理，那么，使用起來就會得到更出色的效果。

1 決定覆蓋模式分配的因素

小型音箱的指向性經常被標注為90°×60°或者其他不確定的參數。不過90°×60°指的是什么頻率的指向性呢？當然不是從DC（0 Hz）到20 kHz。有四個主要因素決定著這些揚聲器系統的覆蓋模式分配，分別是錐形驅動器、高音號角、分頻器以及箱體。

下面依次分析這些因素，評估一下各自的作用。列舉這些因素之前，先回顧一些基本知識。

任何設備的指向性對聲波的影響直接與該設備的大小及聲波的長短成比例關系。為理解這一關系，深入了解給定頻率的正弦波大小至關重要。

溫度為72℃時，海平面的聲波約以1 130 英尺/秒的速度傳播。用赫茲來表示頻率或每秒產生的圓周（正弦波）。如果波的頻率是1 Hz，波長為1 130英尺，從邏輯上計算，10 Hz的波頻率其波長為113英尺，100 Hz的波頻率其波長為11.3英尺，1 000 Hz的波頻率其波長為1.13英尺，依此類推。

只要給出頻率，就能算出波長，這并不難。有一種老套的“秘訣”叫“5-2-1法則”：20 Hz = 50英尺，50 Hz = 20英尺，100 Hz = 10英尺，200 Hz = 5英尺，500 Hz = 2英尺，1 000 Hz = 1英尺，2 000 Hz=0.5英尺，5 000 Hz = 0.2英尺，10 000 Hz = 0.1英尺。

這樣表示雖然不完全準確，但適用于“應急”時的計算。物理學表明一個聲源尺寸比波長大，為的是增強其指向性控制。以下分析一只號角為90°×60°，低音為12英寸的2分頻音箱的低頻指向性。

2 控制問題

注意，對前導向揚聲器系統而言，其低頻驅動單元控制聲波分布的惟一方式就是錐形驅動器直徑（較少一部分通過邊界效應控制）。

100 Hz時，相對于10英尺的波長來說驅動器尺寸顯得很小，幾乎沒有指向性可言（如圖1）。

圖1 12英寸2分頻揚聲器系統在100 Hz時的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

若頻率逐漸增加，達到1 000 Hz（1英尺）時，12英寸的驅動器不會突然影響聲波的輻射角度控制模式，而是跟驅動器本身的尺寸一致。然而，隨著頻率變得越來越高，波長越來越短，其影響也越來越明顯（如圖2、圖3）。

圖2 12英寸2分頻揚聲器系統在500 Hz時的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

圖3 12英寸2分頻揚聲器系統在800 Hz時的水平指向性輻射球形圖（箱體正面朝左）

在這個頻率點（圖3顯示的800 Hz），錐體驅動器實際上產生大約90°的水平指向性。但因為輻射模式是圓錐形的（驅動器是圓的），所以，不會產生60°的特定垂直角度。

隨著頻率的增加，驅動器對輻射模式的影響力度越來越大，直到高頻段聲輻射開始出現“波束”形狀。等波束窄到一定程度時，就會在分頻點之上。圖3的揚聲器系統分頻點大概在球形頻率之上半個倍頻程處。

這主要影響到箱體的極圖特性，尤其在垂直區域，所以，這里討論分頻點指的是從1000 Hz1500 Hz這個頻段。

3 決定波長的因素

號角設計中有好幾個因素使它能夠在給定頻率點實現輻射圖案控制。其中一些因素包括喉管的幾何結構、長度以及開口比率等。但最顯著的因素是喇叭口的尺寸（與錐形驅動器的影響因素一樣，都是尺寸問題）。

喇叭口尺寸必須足夠大以便能決定波長，從而在該頻率點提供完整的指向性。如果一只號角的喇叭口尺寸是寬6英寸、高3英寸，1 000 Hz時就接近全指向。

只有水平面頻率達到2 000 Hz，垂直面頻率達到3 000 Hz時才會影響聲波。3 000 Hz以上的輻射角度為90°×60°，但低頻段幾乎沒有指向性。

錐形驅動器和號角本身只是老套的設備，并不新奇。但將兩者結合使用就具挑戰性。首先涉及到物理抵消問題。典型的2分頻箱體中，驅動單元是一只位于另一只上面，而且兩只單元的縱向距離可能也不同。

盡管可以利用延時對軸線上的兩只驅動單元進行時間校準，其他一些垂直角度也會使來自號角和錐形驅動器的到達時間產生偏離。因為帶通和驅動器的垂直分布圖案在分頻點區域會交疊，因此，在軸線外的任何垂直角度都有可能聽到兩只驅動器反相后發出的聲音。這就意味著必定會產生波瓣和空值（圖4、圖5）。

利用對稱的林克維茲·瑞利（Linkwitz-Riley）函數24 dB斜度衰減，圖中這只音箱的分頻點在1 350 Hz。基于驅動器抵消模式控制，分頻點斜度，疊加以及延時分布設置等，這些波瓣的方向和靈敏度會變動，但只是在多驅動器的箱體內發生，而且這些聲源彼此分開。

如果將一只音箱放在它旁邊，水平方向產生的現象是一樣的。那地面監聽音箱呢，會有什么現象？

同軸音箱中出現重現現象只有一種原因。

圖4 12英寸2分頻揚聲器頻率在1 250 Hz，分頻點在1 350 Hz時的垂直方向輻射球形圖（箱體正面朝左）

圖5 12英寸2分頻揚聲器頻率在1 600 Hz，分頻點在1 350 Hz時的垂直方向輻射球形圖（箱體正面朝左）

因為聲源之間沒有垂直偏移，使用者只能糾正錐形驅動器和號角驅動器的聲源間的深度（縱向距離）變化量，而且這個距離跟軸外的聽音位保持恒定。權衡之計就是多種同軸設計使用圓錐形驅動單元作為號角來產生高頻。對于監聽音箱或者近場場所也許可行，但是，如果擴聲，往往需要更精確的覆蓋角度控制。

4 擋板、邊界

指向性問題的最后一個因素就是箱體本身，以及箱體安裝所產生的邊界效應。當空間減少，音箱往里輻射時就會產生分數空間負載。正如圖1所示，低頻是全向的，所以將音箱放在地板上時，低頻輻射空間就有效地減少了一半。這就在半球體上額外產生了3 dB（兩倍功率）的輸出。

在給定的頻率點上，如果音箱箱體上的擋板足夠大，那么，就可以將它視為邊界，產生半個空間載荷。有時候這叫“擋板效應（baffle step）”。如今的箱體中，擋板往往不及安裝在其內部的驅動器尺寸大，因為首先要考慮的是重量、支架位置、吊掛硬件等因素。