用微型線陣列實驗來尋找線聲源的橄欖球面

摘 要：在參加了一次音響技術培訓課程后，作者對美國著名聲學家H.F奧爾森（Olson）1957年提出的有限長度線聲源的柱面——球面聲輻射理論[1，2]產生了懷疑，認為該理論對線聲源的聲輻射描述得不夠精確，它的輻射等幅曲面應該用可變形橄欖球面來描述。為了證實作者的懷疑，作者制作了一組用256個微型揚聲器構成的線陣列系統，并且在同濟大學消聲室做了聲場測試。從測試實驗中找到了一些聲壓隨距離倍增而衰減逐漸增大的跡象。作者的下一步設想是做異步線陣列與面陣列系統的聲場實驗。

關鍵詞：聲學縮尺；線聲源；等時曲面；等幅曲面；橄欖球面；異步線陣列；有限面聲源；面陣列

1 研發原動力

2005年9月作者與國內數百名專業音響行業的技術人員在中國戲曲學院參加了中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會舉辦的“演藝設備工程企業綜合能力等級評定技術培訓班”的技術培訓。其間聽了隋春立、李國棋、陳建華、崔廣中、王福津、趙其昌等數名國內知名專家授課。通過與專家和同行們的交流和討論使我們大開了眼界。圖1、圖2是有限長度線聲源柱面輻射與橄欖論球面輻射的聲壓曲面與衰減曲線對比。

（5）影響理想測試結果的因素。第一，硬件問題：1）組件中各單元性能參數不一致：因為當時急于求成，沒有進行元件的檢測與參數刪選。2）組件中各單元軸線不平行：有單元質量問題，也有安裝位置不正等原因。3）測試儀器精度問題：PAA3 民用級。第二，人為問題：1）測試網點間距尺寸精度問題：地下是懸空鋼絲網、多個三腳架與底板多次移動產生定位誤差。2）系統驅動電平穩定性問題：多天、多次重復開機時沒有認真檢查功放輸出電平。3）其他問題：天熱無空調、噪聲大、重復測試單調無趣、獨生子女忍耐力差、輪流測試每人習慣不一、測試儀定位不精確、同點重復測試與漏點測試等。第三，方案設計問題：

7.Sw-256系統過長、消聲室過小，測試網X最遠距離不夠大，沒有達到接近類球面的-6db衰減的距離。

（6）點聲源、線聲源與面聲源的輻射衰減。我們討論的聲波輻射衰減應該是在傳播介質均勻、體積無限大、傳播介質損耗為0的理想條件下成立的。而事實上所有傳播介質都是有損耗的、介質是不均勻的、空間是有限的：大氣層高度有限、離地面高度不同密度也不同；海洋的形狀各異、寬度與深度也是有限的；地球外殼是固態、內部是液態的而直徑是有限的；聲波是無法從地球輻射到外太空的。幾種常見聲源的衰減特性曲線見圖17[4]：1）點聲源，在三維空間以球面波方式擴散傳播，隨倍距增長的衰減是-6db，在坐標圖上是一平行X軸的直線。2）無線長度線聲源，在二維空間以柱面波方式擴散傳播，隨倍距增長的衰減是-3db，在坐標圖上是一平行X軸的直線。3）面聲源，在一維空間以平面波或管道方式無擴散傳播，隨倍距增長的衰減是0db，在坐標圖上是一重疊于X軸的直線。4）有限長度線聲源，從二維空間向三維空間以可變橄欖球面波方式擴散傳播，隨倍距增長的衰減是從-3db逐漸過渡到-6db，在坐標圖上是一條介于-3dB與-6dB之間的一條光滑漸近曲線。5）有限面聲源，從一維空間向三維空間以可變蛋糕面波方式擴散傳播，隨倍距增長的衰減是從0db逐漸過渡到-6db，在坐標圖上是一條介于0dB與-6dB之間的一條光滑漸近曲線；因為有限長度線聲源的輻射是從二維空間向三維空間自然擴散過程，它的等幅橄欖球曲面擴散傳播方式與聲源頻率的關聯不大，因為我們討論的是線聲源，不是同步線陣列。

（7）測試方案2結果。這個實驗有點像伽利略在比薩斜塔上扔鐵球的實驗，是為2005年培訓班上與作者爭論的同學們做的。測試結果也間接證明了點聲源比線聲源傳得更遠，[4]為節省篇幅就不在這里作分析了。

5 設想與計劃

（1）重做更精確的實驗。實驗器材：對每個揚聲器單元進行多參數檢測，選出參數一致的單元來重新做組件；測試儀器：選一套測試精度高的測試儀器；設計一套可以連續測量與記錄的軟硬件系統，以提高測試效率、減少重復輸入電腦產生的人為誤差；輔助器材：做一套輕便、可以組裝成整體的測量標桿系統，完全消除重新定位誤差；實驗方案與實驗：科學地重新做測試方案與重新嚴謹地做測驗實驗；實驗最佳時期選擇：寒假，消聲室空閑時。

（2）異步線陣列。2006年3月在南京大學會面時李明龍老師向作者提過建議：你要找線聲源擴散規律，那線陣列的256個單元不該用同一信號驅動，應該用不同步的256個獨立信號源和放大器來驅動，這樣可以減少單元間的同步干涉，使測出的聲壓曲面沒有明顯的梳妝干擾。這樣描繪的線陣列應該稱作異步線陣列揚聲器系統；而平時在廣泛使用的線陣列只能稱之為同步線陣列揚聲器系統或線陣列。異步線陣列系統實驗的最大難點是64路或256路多路異步信號發生器與功放器的研制了，要多路信號同步調節、輸出電平和精度保持一致是比較難的。

（3）面陣列。作者設想：如果有64支asw-64組件箱體并聯連接在一起就可以組合成有4096個單元的1280mm*1280mm方陣的sw-4096F微型面陣列揚聲器系統，該系統可以用來做有限面聲源與面陣列揚聲器系統的輻射研究。該系統的測試最好用三維自動步進裝置來完成。4096單元的面陣列系統如果用異步信號來驅動可能太過于復雜了。

（4）超長線陣列。如果有64支asw-64組件箱體串聯連接在一起就可以組合成有4096個單元的寬81920mm高20mm的sw-4096L超長微型水平線陣列揚聲器系統。要測試近82米長的線陣列，目前在這星球上可能找不到這么大的消聲室

（5）夢中的消聲室。如果有條件有能力建造一座世界上最大的消聲室：W=100M、L=400M、H=30M，供全球的科學家用做聲波傳輸和聲波聚焦的研究，那該是多么美麗和狂妄的夢想！

6 結束語

線聲源的柱面輻射理論是推動線陣列揚聲器系統推廣應用的理論基礎。線陣列音箱系統與常規的音箱由于技術指標與特性不同可以應用在不同的場合中。但是在線陣列推廣應用初期可能存在某些制造商與音響理論專家為了推銷利潤較高的線陣列揚聲器系統，夸大了線陣列的功能與作用，使一些理論基礎不深的用戶與音控師深信不疑。2012年初紐約時報等國外媒體就揭露過“紅酒抗衰老”頂尖研究者學術論文造假丑聞；作者常常在想：如果1938年，美國通用電子公司的伊曼發明了管狀熒光燈后，又推出柱面輻射、照度均勻、節能省電的“線光源”理論，那么熒光燈管的銷量肯定會倍增，直到21世紀初大部分管狀熒光燈也不會都換成球形熒光燈了，因為廣大公眾都不是樣樣都精通的專家。endprint

因為一堂課、一個疑團、一次激勵點燃了作者業余研究線聲源的熱情，但是作者畢竟不是專業研究人員而是商人。由于時間有限、人手有限、設備條件有限，所以該在實驗過程中存在著許多問題與遺憾。作者對有限長度線聲源的橄欖球面聲輻射理論只是提出很初步的框架，對它的理論研究還有很多工作要做。 橄欖球面聲輻射理論在沒有被公眾和權威機構認可之前只能稱之為假說，希望讀者能理解和接受這種假說。光學傳播理論上長時間存在著波動說與光子說這兩種學說，那么，在一定時間內，線聲源聲輻射理論也可以有柱面說與橄欖球面說同時存在，但是作者認為只有一種學說是符合自然規律的。

參考文獻：

[1] 趙其昌.線陣列的柱面波及其發散[J].電聲技術，2003（11）：26-27.

[2] 王福津.不要誤導線陣列揚聲器系統的應用[J].演藝設備與科技，2005（1）：26.

[3] 趙其昌.“線陣列揚聲器系統的工作原理極其應用”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：90-93.

[4] 孫健.淺述有限長度線聲源的聲輻射[J].藝術科技，2006（1）：11-15.

[5] 白瑞納克（美）.音樂廳和歌劇院[M].同濟大學出版社，2002.

[6] 陸宏瑤，武平，王丹，李國棋.“線陣列揚聲器系統”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：28-30.

[7] 張飛碧.現代音響技術設計手冊[M].機械工業出版社，2004.

作者簡介：孫健（1955—），男，杭州聲崴演出器材有限公司總經理兼工程師。1972年進入杭州香料廠工作，1973年至1978年在本單位研發了“晶體管物料液位控制器”、“光電控制香精灌裝機”、“利用惰性氣體延長鮮花保鮮期”等多項技術革新，1974年參加杭州市電子技術交流隊；1979年參加杭州市自動化協會和1990參加浙江省自動化學會。在此期間參加了“自動地圖出售機”，“棉紗測濕儀”，“激光測距儀器”等項目的研發與技術協作工作，1980年因多項技術革新等被杭州市團委評為“1980年杭州市新長征突擊手”，1984年至1992年為杭州香料廠電腦室主任，主持開發了“香精配方管理系統”和“杭州香料廠MIS系統”等計算機科研項目。并得到了“1985年浙江省科學技術進步獎”，“1985年杭州市科學技術進步獎”，“1986年浙江省優秀軟件獎”，“1990年杭州市科學技術進步獎”，“1990年杭州市四新技術獎”等獎勵，1982年考入浙江大學夜大學工業電氣自動化四年制專業學習并于1986年7月畢業，1987參加全國計算機程序員級水平考試，成為浙江省第一批7名持證計算機程序員中一員，1991年因特殊貢獻被破格評為工程師職稱，并擔任杭州市輕工學會理事、計算機學組組長等職，1992抽調到杭州市輕工業局信息中心工作，主要負責全局電腦技術推廣與軟件開發工作，其間主持開發了“TABS通用報表系統”，并在浙江省財稅局的推廣下在杭州市13個工業局與7個縣的財稅局等24個單位試用，1995年自主下海創業（輕工業局待撤銷），申辦了“浙江省家電市場聲威演出器材經營部”、“杭州聲崴演出器材有限公司”、“浙江聲崴智能設備工程有限公司”等經營實體，從事音響工程與貿易工作至今，2006年在《藝術科技》2006年第三期發表論文“淺述有限長度線聲源的聲輻射”，2008年由本人主持研究開發的、用于杭州市慶春廣場的“大功率高保真花壇音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0279499.1（新編號2010020279499.1），2009年由本人主持與杭州市交通警察局科研所合作研究開發的、用于艮山西路-新塘路交叉路口天橋等處的“一種交通指揮無線有源音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0258754.4，2012年6月與杭州交警科研所李斌在《電聲技術》2013年第六期發表論文“交通指揮無線有源音箱的研究與制作”。endprint

因為一堂課、一個疑團、一次激勵點燃了作者業余研究線聲源的熱情，但是作者畢竟不是專業研究人員而是商人。由于時間有限、人手有限、設備條件有限，所以該在實驗過程中存在著許多問題與遺憾。作者對有限長度線聲源的橄欖球面聲輻射理論只是提出很初步的框架，對它的理論研究還有很多工作要做。 橄欖球面聲輻射理論在沒有被公眾和權威機構認可之前只能稱之為假說，希望讀者能理解和接受這種假說。光學傳播理論上長時間存在著波動說與光子說這兩種學說，那么，在一定時間內，線聲源聲輻射理論也可以有柱面說與橄欖球面說同時存在，但是作者認為只有一種學說是符合自然規律的。

參考文獻：

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[2] 王福津.不要誤導線陣列揚聲器系統的應用[J].演藝設備與科技，2005（1）：26.

[3] 趙其昌.“線陣列揚聲器系統的工作原理極其應用”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：90-93.

[4] 孫健.淺述有限長度線聲源的聲輻射[J].藝術科技，2006（1）：11-15.

[5] 白瑞納克（美）.音樂廳和歌劇院[M].同濟大學出版社，2002.

[6] 陸宏瑤，武平，王丹，李國棋.“線陣列揚聲器系統”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：28-30.

[7] 張飛碧.現代音響技術設計手冊[M].機械工業出版社，2004.

作者簡介：孫健（1955—），男，杭州聲崴演出器材有限公司總經理兼工程師。1972年進入杭州香料廠工作，1973年至1978年在本單位研發了“晶體管物料液位控制器”、“光電控制香精灌裝機”、“利用惰性氣體延長鮮花保鮮期”等多項技術革新，1974年參加杭州市電子技術交流隊；1979年參加杭州市自動化協會和1990參加浙江省自動化學會。在此期間參加了“自動地圖出售機”，“棉紗測濕儀”，“激光測距儀器”等項目的研發與技術協作工作，1980年因多項技術革新等被杭州市團委評為“1980年杭州市新長征突擊手”，1984年至1992年為杭州香料廠電腦室主任，主持開發了“香精配方管理系統”和“杭州香料廠MIS系統”等計算機科研項目。并得到了“1985年浙江省科學技術進步獎”，“1985年杭州市科學技術進步獎”，“1986年浙江省優秀軟件獎”，“1990年杭州市科學技術進步獎”，“1990年杭州市四新技術獎”等獎勵，1982年考入浙江大學夜大學工業電氣自動化四年制專業學習并于1986年7月畢業，1987參加全國計算機程序員級水平考試，成為浙江省第一批7名持證計算機程序員中一員，1991年因特殊貢獻被破格評為工程師職稱，并擔任杭州市輕工學會理事、計算機學組組長等職，1992抽調到杭州市輕工業局信息中心工作，主要負責全局電腦技術推廣與軟件開發工作，其間主持開發了“TABS通用報表系統”，并在浙江省財稅局的推廣下在杭州市13個工業局與7個縣的財稅局等24個單位試用，1995年自主下海創業（輕工業局待撤銷），申辦了“浙江省家電市場聲威演出器材經營部”、“杭州聲崴演出器材有限公司”、“浙江聲崴智能設備工程有限公司”等經營實體，從事音響工程與貿易工作至今，2006年在《藝術科技》2006年第三期發表論文“淺述有限長度線聲源的聲輻射”，2008年由本人主持研究開發的、用于杭州市慶春廣場的“大功率高保真花壇音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0279499.1（新編號2010020279499.1），2009年由本人主持與杭州市交通警察局科研所合作研究開發的、用于艮山西路-新塘路交叉路口天橋等處的“一種交通指揮無線有源音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0258754.4，2012年6月與杭州交警科研所李斌在《電聲技術》2013年第六期發表論文“交通指揮無線有源音箱的研究與制作”。endprint

因為一堂課、一個疑團、一次激勵點燃了作者業余研究線聲源的熱情，但是作者畢竟不是專業研究人員而是商人。由于時間有限、人手有限、設備條件有限，所以該在實驗過程中存在著許多問題與遺憾。作者對有限長度線聲源的橄欖球面聲輻射理論只是提出很初步的框架，對它的理論研究還有很多工作要做。 橄欖球面聲輻射理論在沒有被公眾和權威機構認可之前只能稱之為假說，希望讀者能理解和接受這種假說。光學傳播理論上長時間存在著波動說與光子說這兩種學說，那么，在一定時間內，線聲源聲輻射理論也可以有柱面說與橄欖球面說同時存在，但是作者認為只有一種學說是符合自然規律的。

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[3] 趙其昌.“線陣列揚聲器系統的工作原理極其應用”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：90-93.

[4] 孫健.淺述有限長度線聲源的聲輻射[J].藝術科技，2006（1）：11-15.

[5] 白瑞納克（美）.音樂廳和歌劇院[M].同濟大學出版社，2002.

[6] 陸宏瑤，武平，王丹，李國棋.“線陣列揚聲器系統”，《第一期演藝設備工程企業綜合技術能力等級評定技術培訓音響專業講義》[Z].中國演藝設備技術協會演出場館設備專業委員會，2005（9）：28-30.

[7] 張飛碧.現代音響技術設計手冊[M].機械工業出版社，2004.

作者簡介：孫健（1955—），男，杭州聲崴演出器材有限公司總經理兼工程師。1972年進入杭州香料廠工作，1973年至1978年在本單位研發了“晶體管物料液位控制器”、“光電控制香精灌裝機”、“利用惰性氣體延長鮮花保鮮期”等多項技術革新，1974年參加杭州市電子技術交流隊；1979年參加杭州市自動化協會和1990參加浙江省自動化學會。在此期間參加了“自動地圖出售機”，“棉紗測濕儀”，“激光測距儀器”等項目的研發與技術協作工作，1980年因多項技術革新等被杭州市團委評為“1980年杭州市新長征突擊手”，1984年至1992年為杭州香料廠電腦室主任，主持開發了“香精配方管理系統”和“杭州香料廠MIS系統”等計算機科研項目。并得到了“1985年浙江省科學技術進步獎”，“1985年杭州市科學技術進步獎”，“1986年浙江省優秀軟件獎”，“1990年杭州市科學技術進步獎”，“1990年杭州市四新技術獎”等獎勵，1982年考入浙江大學夜大學工業電氣自動化四年制專業學習并于1986年7月畢業，1987參加全國計算機程序員級水平考試，成為浙江省第一批7名持證計算機程序員中一員，1991年因特殊貢獻被破格評為工程師職稱，并擔任杭州市輕工學會理事、計算機學組組長等職，1992抽調到杭州市輕工業局信息中心工作，主要負責全局電腦技術推廣與軟件開發工作，其間主持開發了“TABS通用報表系統”，并在浙江省財稅局的推廣下在杭州市13個工業局與7個縣的財稅局等24個單位試用，1995年自主下海創業（輕工業局待撤銷），申辦了“浙江省家電市場聲威演出器材經營部”、“杭州聲崴演出器材有限公司”、“浙江聲崴智能設備工程有限公司”等經營實體，從事音響工程與貿易工作至今，2006年在《藝術科技》2006年第三期發表論文“淺述有限長度線聲源的聲輻射”，2008年由本人主持研究開發的、用于杭州市慶春廣場的“大功率高保真花壇音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0279499.1（新編號2010020279499.1），2009年由本人主持與杭州市交通警察局科研所合作研究開發的、用于艮山西路-新塘路交叉路口天橋等處的“一種交通指揮無線有源音箱”項目獲得中華人民共和國國家知識產權局的專利申請，專利號為Zl.2010.0258754.4，2012年6月與杭州交警科研所李斌在《電聲技術》2013年第六期發表論文“交通指揮無線有源音箱的研究與制作”。endprint