消聲室內線陣列揚聲器系統近場特性的測量

韓一平+孟子厚

【摘 要】 在大型消聲室內采用掃描布點的方法，對一款線陣列揚聲器系統的近場聲場特性進行了測量，對線陣列揚聲器 系統的指向性，四分之一功率角進行計算分析，對軸向聲壓級衰減進行擬合。結果顯示四分之一功率角的變化 趨勢和理論結果有差距，軸向聲壓級衰減波動大，近場測量結果可以提供對線陣列揚聲器系統進行評價和推測 的依據。

【關鍵詞】 線陣列揚聲器系統；指向性；近場特性；消聲室

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.002

Near-Filed Measurement of an Array Loudspeaker in an Anechoic Room

HAN Yi-ping， MENG Zi-hou

（Communication Acoustics Laboratory， Communication University of China， Beijing 100024， China）

【Abstract】In a large anechoic room， used the scanning method to measure the near-field acoustic characteristics of a line array loudspeaker system， including the directivity， the quarter-power angle. The on-axis responses get fitted， and the results showed that the trend of the quarter-power angle is different from the theoretical trend， and the wave of on-axis responses is fluctuating. The near-field measurement results could be considered as the basis for evaluating a line array loudspeaker system.

【Key Words】line array loudspeaker system； directivity； near-field characteristic； anechoic chamber

1 引言

關于線陣列揚聲器系統的聲場或現場測量公開發表的資料很少，主要原因是其體積大、質量重，操作起來十分不便，現場測量往往需要遠距離。目前，已給出比較詳細測量結果和分析的有JBL公司用實地地面測量法分別對兩箱陣列、四箱陣列、九箱陣列，通過改變角度、箱體位置等得到頻率響應等。測量結果表明，隨著單元箱尺寸的增大，旁瓣數量增加，旁瓣聲壓級減小，指向性變尖銳，而且聲波干涉加強[1]。之后JBL還公布了對于VT4889線陣列揚聲器系統的測量方法[2]：選擇地面測量法，利用MLSSA電聲分析儀，分別對不同組合的線陣列揚聲器系統改變單元箱張開角度，預測和測量了指向性及覆蓋角。Meyer Sound 公司針對曲線陣列揚聲器系統，采用八邊形腳手架固定線陣列揚聲器系統轉動傳聲器的方法，實地測量不同夾角的水平垂直指向性。測量結果表明，當信號波長與陣列尺寸相當時指向性開始不明顯[3]。

對線陣列揚聲器系統的性能資料進行分析，可以發現一些共同的問題：

（1）廠商公布的產品參數都是針對單元箱的結果；

（2）在眾多參數中，覆蓋角和頻率響應差別最大，不同的廠商按不同的形式說明，并且覆蓋角沒有指明是什么頻點對應的覆蓋角度；

（3）在已提供的參數中，很多結果是通過軟件模擬仿真得到的。

筆者在大型消聲室內對線陣列揚聲器系統的近場聲場特性進行細致測量，觀察其近場的輻射情況。一般線陣列揚聲器系統實際使用時的作用區域是從其前方30 m左右開始，這里的近場指線陣列揚聲器系統通常作用的區域之內。

2 測量方法

2.1 被測線陣列揚聲器系統的組成

被測量的線陣列揚聲器系統為國內某品牌產品，該線陣列揚聲器系統由8個單元箱組成。考慮到每個單元箱的頻響、指向性等不能差距太大，因此，在組陣之前要先對單元箱進行指向性測量，測量地點選擇在消聲室內進行。

消聲室長16.00 m，寬7.15 m，高6.60 m。測量所在的消聲室環境如圖1所示。

在消聲室內使用CLIO電聲測試系統，測量信號選擇MLS偽隨機序列信號。將被測對象放在轉臺上，傳聲器距離聲源中心1 m，傳聲器高度與被測對象的水平或垂直中心高度一致。由CLIO測試軟件設置MLS偽隨機序列信號，通過被測線陣列揚聲器系統播放，步長為3°，測量范圍是0°～360°。分別測量水平和垂直指向性。通過記錄測量數據，得到八組指向性圖形，其中一個單元箱的水平指向性圖和垂直指向性圖分別如圖2和圖3所示。

2.2 線陣列揚聲器系統測量

將8個單元箱豎直放置在消聲室內一側，并組成陣列，單元箱之間夾角設置為0°。對線陣列揚聲器系統在豎直方向進行掃描式測量，測量區域為其前方長12 m、寬6 m的區域，每隔0.25 m設置一個測量點，共計1 225個測量點。在測量點處將測量傳聲器放置在傳聲器架上，保持測量傳聲器高度與音箱豎直中心高度一致。測量過程中線陣列揚聲器系統和測量傳聲器的擺放設置如圖4所示。

在每次測量前對聲級計進行校準，然后由線陣列揚聲器系統播放粉噪信號，記錄全頻帶等效聲壓級。重復該步驟將所有測量點遍歷。整個測量過程保證擴聲系統內所有硬件的增益控制固定不變。

3 測量數據和分析

3.1 揚聲器陣列的近場聲壓分布

對已組陣的線陣列揚聲器系統的測量結果進行等聲壓級處理，相同的聲壓級用同種顏色進行表示，可以看出，隨著頻率升高，指向性變得尖銳。

越靠近線陣列，聲壓級分布越復雜，有明顯的交錯。低頻的聲壓分布圖顯示能量十分聚集，中高頻的柱面波輻射特點十分明顯；5 000 Hz及以上頻點，聲壓級下降很快并且不連續，在聲壓分布圖的兩側出現了波瓣，并且并不對稱。該線陣列產品在高頻部分的能量下降快，并且指向不集中，副波瓣明顯。從250 Hz～16 000 Hz不同頻點的線陣列近場聲壓分布圖如圖5所示。

3.2 近場指向性

從對線陣列揚聲器系統單元箱測量指向性的結果看，它們之間的指向性相差不大，不同單元箱各個頻點上的聲壓級上下浮動不超過3 dB，則可以對線陣列的垂直指向性進行進一步測量。

以線陣列揚聲器系統的聲源中心為中點，以3 m為半徑劃分圓形區域，在線陣列前方半圓區域內，進行線陣列揚聲器系統垂直指向性測量。測量步長為3°，測量范圍0°～180°。對測量得到的聲壓級進行歸一化處理，畫出指向性圖，此指向性圖形僅限于近場范圍內，從250 Hz～16 000 Hz指向性圖如圖6所示：隨著頻率變高，線陣列系統垂直指向性更加明顯，并且由于副波瓣數目多、寬度大，導致主波瓣不明顯；其指向性圖的尖銳程度并沒有像單元音箱變化那樣顯著。

3.3 四分之一功率角

四分之一功率角（覆蓋角）指的是在主波瓣兩側，聲壓級比最大聲壓級低 6 dB 的方向之間的夾角，可以通過對線陣列的指向性測量的結果計算得到。單元箱水平方向和垂直方向的覆蓋角測量結果如表1所示。

單元箱的垂直覆蓋角，從低頻到高頻有迅速下降的趨勢，但是在16 000 Hz處卻有了略微上升；水平覆蓋角在中頻部分只有40°左右。

再來觀察線陣列揚聲器系統四分之一功率角角度測量結果，如表2所示。

線陣列揚聲器系統的四分之一功率角理論值由公式得到[5]，其中f是頻率，L是線陣列揚聲器系統的長度。通過理論計算公式可以發現，頻率增加一倍，四分之一功率角減小一半。但是理論的產生是基于遠場的情況下做出的數學模型，實際測量結果是特定在近場情況下得到，通過陣列的垂直指向性得到的四分之一功率角，從揚聲器線陣列系統的指向性圖可以看出，高頻處的指向性圖形比低頻時更加尖銳，但是在聲壓級下降6 dB的過程中，曲線略顯平緩，使得聲壓級下降6 dB后形成的覆蓋角角度大。該線陣列揚聲器系統的覆蓋角隨頻率變化十分不穩定。如果改變線陣列單元箱之間的夾角也可能會得到不同的結果。

3.4 線陣列揚聲器系統近場軸向聲壓級

根據已經測得的數據，對線陣列揚聲器系統軸線上的聲壓級進行分析。將軸向上的已測數據連接，可以看出隨著距離的增加，聲壓級的趨勢是衰減，然而在衰減的過程中有一些波動。通過對趨勢的觀察，對現有的數據進行對數衰減規律擬合，橫坐標表示距離（軸向測點編號），縱坐標表示測量的聲壓級，從125 Hz～16 000 Hz的擬合結果如圖7所示。

可以看出低頻的擬合結果很好，在所測量的范圍內，能夠表示出衰減的趨勢，頻率越高，數據的波動越大，擬合的效果沒有低頻的顯著，但是仍然保持對數衰減趨勢。在線陣列揚聲器系統的輻射過程中，一定范圍內球面波和柱面波兩種輻射都存在，由分界距離公式可對柱面波和球面波的分界給出一個大概的距離[7]。線陣列在分界距離以內，聲波按柱面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級衰減3 dB，在分界距離以外，聲波按球面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級衰減6 dB。由圖7可以看出，在實際近場輻射范圍內，聲壓級的衰減并沒有按照嚴格的3 dB衰減規律。由于干涉的存在導致衰減并不是單調的，但是隨著距離的增加，聲壓級的衰減在更遠的距離上仍趨于穩定的下降，由此推測：根據擬合的結果可以對遠距離的聲場輻射進行推算，為遠距離的預測提供一種可能。

4 小結

在大型消聲室內對線陣列揚聲器系統進行近場聲壓分布特性的測量。測量分別得到了近場聲壓級分布圖，指向性以及四分之一功率角，并對其進行了分析。這些聲學參數可以作為線陣列揚聲器系統的性能評價和問題診斷的參考依據。從已測得的數據出發，對軸向聲壓衰減變化進行對數擬合，可以看出近場范圍內聲壓級衰減的規律和趨勢。

參考文獻：

[1] Mark R. Gander. Measurement and Estimation of Large Loudspeaker Array Performance[J]. Audio.Eng.Soc，Vol. 38，1990（4）：204-219.

[2] Mark Engebretson. Directional Radiation Characteristics of Articulating Line Array Loudspeaker Systems[C]. AES 111th convention， New York， NY， USA， 2001（11）.

[3] John Meyer. Large Arrays： Measured Free-Field Polar Patterns Compared to a Theoretical Model of a Curved Surface Source[J]. Audio. Eng. Soc， Vol. 38，1990（4）：260-270.

[4] 王以真. 線陣列揚聲器系統[M]. 北京：國防工業出版社，2012.

[5] 王以真. 線陣列揚聲器系統（一）[J]. 音響技術， 2008（2）：27-32.

[6] 趙其昌. 線陣列揚聲器系統的遠場條件[J]. 音響技術，2008（1）：33-35.

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