解析吊挂线阵列与梯度线阵列

2011-07-30杰夫贝里曼编译何青青

演艺科技 2011年9期

关键词：心型低音扬声器

文/[美]杰夫·贝里曼编译/何青青

专业音响领域有几种超低音线阵列，本文主要讨论吊挂线阵列和梯度线阵列。

1 吊挂线阵列

1.1 吊挂线阵列的解决方案

吊挂线阵列通常只有1只（最多2只）音箱那么宽。因此，它们具有较宽的水平覆盖角度。同时，这种线阵列的长度往往比较长，这就使得垂直覆盖角度变得较窄。尤其是听众区座位第一排位置有可能缺少低音。其解决方案是:

（1）在垂直平面方向使线阵列弯曲，如图1和图2所示的水平覆盖情况。

从外观上讲，弯曲方式往往可行，这么做目的是使得低音组和中高音组的前面板保持在一条直线上。然而，只有高度非常高的音箱组堆叠起来才会出良好的效果。

（2）在舞台中心加几只低音音箱，堆放在地板上。将它们的音量开得尽可能大，以便覆盖受影响的不良区域。

通过调整延时和电平可以使前10排～20排座位区的覆盖曲线平坦些。这是一种比较常见的方法，但是调整也需要技巧。

（3）使用波束形成技术。这对于吊挂线阵列来说通常算是最有效的方法。

图3～图5是来自LAPS线阵列模型的测试结果，显示的是在典型的两层露台剧院里吊挂的一组低音线阵列（由8只EV XLC-215低音音箱组成）所采取的各种方案。这些图显示了一个低音堆叠起来的垂直覆盖角度模式，它不包括任何将会出现的水平波瓣效应，但是垂直波瓣的挑战性可想而知。

图3所示的是一组简单的吊挂线阵列，没有弯曲、倾斜，也没有使用波束形成技术。前排座位的低音问题比较明显。

图4的线阵列跟图3的一样，只是另外加了2只XLC-215低音音箱堆放在舞台前面。前区补声低音做了2.0 ms的延时。曲线的形状对延时值相当敏感。性能更好，但不算优秀。

图5阐明简单的波束形成技术如何产生不错的结果。底部2只音箱做了4 ms的延时。没有采取其他措施。

所有这些方案中，舞台前区到后区总的低音电平相差12 dB ～14 dB。这对于大多数应用场所来说低音表现都不能满足需求，很难找到完美的解决方案。

如果场地尺寸允许的话，高位安装（high trim）是惟一能够使前区到后区的低音声压曲线变平坦的有效方法。前面的插图中，阵列顶部的距地高度（trim height）为32英尺（约10 m）。图6和图5一样，使用的是经波束形成技术处理过的线阵列，但是至音箱组顶部的实际高度为65英尺（约20 m）。前区到后区的声压差就减少很多。

1.2 中心吊挂低音线阵列

舞台和绳索允许的话，一组中心吊挂超低音线阵列可以给出极好的声音效果。辐射图没有一点波瓣，水平覆盖角度基本上为360°，垂直覆盖角度可以通过波束形成技术得到很好的控制。

图7是一组由12只EV Xsub音箱组成的中心吊挂低音线阵列，应用于竞技场。低音音箱吊挂成一条直线，采用优化的波束延时技术，也运用了电平遮蔽功能（level shading）。结果，整个听音区的低音覆盖范围一直保持音调平衡。

这个例子中，延时是成对运用的，也就是相邻的每一对低音音箱有一个驱动通道。这比每只低音音箱配备单独的驱动和放大通道要经济得多。然而，若每只低音音箱配备独立驱动通道可行，便可能有更好的覆盖范围。

2 梯度线阵列

梯度线阵列是以不同振幅、不同相位驱动的扬声器组，这种方式可以抵消声音在不必要方向的辐射（见图8）。

只有当梯度线阵列的尺寸与波长相比很小时才可用。它跟波束形成技术和端射线阵列正好相反，这两种尺寸必须比较大。原因是梯度扬声器是通过控制不同声波之间的声压差进行工作，因此，尺寸必须足够小，以便能工作在波“内部”。

梯度扬声器和普通指向性传声器极为相似，传声器通过拾取不同声波之间的声压差进行工作。

梯度技术是采用小型线阵列时实施低音模式控制惟一可行的办法。要是设置仔细且正确，那么梯度线阵列可以提供一些有用的覆盖模式，其低音覆盖范围明显要比同尺寸的普通线阵列所能达到的更好。

2.1 实例

图9是一对EV Xsub低音音箱组成的基本的梯度结构。每只扬声器系统有各自的驱动器。箱体背对背放置，间隔4英寸（约10 cm）。后面的箱体反向驱动，且延时4.65 ms。结果线阵列出现心型指向的覆盖图案。

尽管该例子中扬声器系统背对背安装，但不需要总这样做。只要前后箱体之间的间距够使后面的扬声器不被遮挡、出声就行，后面的箱体朝前或者朝后安装均可。它们的间距至少18英寸（约46 cm）。任何情况下，延时值必须一直调整到与扬声器单元之间的间距相匹配。

若图9中的每一只Xsub都是一列Xsub低音音箱，而不是单只的，那么就是一组梯度线阵列了。梯度线阵列具有实用的特性，下面还会讨论。

2.2 梯度线阵列的特性

2.2.1 覆盖角度模式选择

实例给出的这对梯度线阵列，其覆盖模式可以通过改变后面音箱的延时而改变。可选的模式与传声器相似：心型、超心型（多种）以及8字型。

图10和图11显示的是可供实例中2只背对背安装的Xsub低音音箱选择的4种覆盖模式。

2.2.2 箱体间距、输出和波宽

在组建梯度线阵列时，理解箱体之间的间距作用很重要。“箱体间距”指前后扬声器单元之间的距离。

箱体之间的间距越大，则会增强低音输出，却降低了最大工作频率；箱体之间的间距越小，则会减弱低音输出，却会增加最大工作频率。

图12所示的例子，箱体之间的间距是62英寸（约157 cm），提供的最大工作频率约90 Hz。超过高频限值后覆盖模式急剧恶化。

2.2.3 相邻界面效应

若梯度线阵列组位于墙面或者其他反射面之前，就不能正常工作。

图13显示的是2对Xsub音箱放在距离墙面2英尺远时（约61 cm）的情况。墙面在图中是用中心那条垂直线表示。左边的2只音箱是虚拟箱体——由墙面反射所产生的声学影像，右边2只音箱是实体音箱。

2.2.4 混响声场音调平衡

大多低音线阵列在低频段指向性变弱。因此，当频率下降时，舞台的混响声场输出也相应更多。这就导致混响声场中低音过量（有时叫“低音过盛”）。

梯度扬声器系统跟其他类型的扬声器系统不一样，它在最低频率点都保持模式控制。因此，在需要饱满低音效果的场所就很有用，不过没有太多低频混响能量。

2.2.5 单元驱动电平和低音数量

在实际的梯度线阵列中，后面音箱的输出比前面音箱的输出约小6 dB时，会发现后面这只音箱的辐射此刻达到最小值。

2.3 先进的梯度线阵列驱动

在低频段，利用延时技术来创造指向性模式是一种有效的方法，但是没有考虑到扬声器箱体形状对声波的影响。结果，越接近线阵列工作频率范围的顶端，其辐射模式越偏离想要达到的形状。

当前后扬声器结合成1只箱体时（如EV的XCS-312心型超低音音箱），便可能用先进的驱动处理方法来纠正这些效应，以使扬声器在全频段保持特定指向性。

这些驱动系统利用频率相关延时技术（也叫“全通滤波器”）来补偿箱体周围的声传播效应。

2.4 梯度线阵列的指向性

当梯度扬声器组成线阵列时，产生的指向性同时具有梯度和宽边扬声器的指向特性。

图14显示的是一组只有2只箱体高度的梯度线阵列的辐射模式图，线阵列本身太短，以致于无法展示宽边线阵列的特性。辐射模式是一个普通的立体心型图。

图15显示的是体型较长的梯度线阵列覆盖图，因为尺寸足够长，所以能表现出宽边特性。这是一张扁平的立体心型图。

当前，我国在环境风险评价方面，已经开始针对处理技术进行研发，呈现特定性的定量模式，并且评价范围具备区域性的特点，可拓宽具体的评价渠道。在生态保护方面，我国的环境风险评价已经创建了生态系统与生物群落的评价机制，并针对污染物数量进行合理分析，保证在群体与个体分析的过程中，充分发挥环境风险评价的复合性作用，不仅可以实现科学的管理工作，还能针对生态风险进行科学评价与控制。

实际操作中，梯度线阵列可以由特意的梯度扬声器系统组成，比如EV XCS-312超低音音箱，或者2组传统的扬声器系统，将它们一个接一个地堆叠或吊挂起来。

波束延时技术可以应用于梯度线阵列中，通过倾斜箱体来控制覆盖角度。波束延时技术同样必须应用于线阵列中每对梯度音箱的前后单元。

图16显示的是一组梯度线阵列加延时来实现下倾效果。该覆盖模式可以称为成旋转体的扁平心型或倾斜心型。采用先进的延时剖面技术，可以形成更复杂的垂直模式图。

2.5 梯度线阵列的应用

正如上面提到的那样，梯度扬声器用于组成小型低音线阵列以及水平尺寸较小、垂直尺寸较大的线阵列。

小型线阵列主要有以下两类问题：由于左右低音组之间的重叠所产生的波瓣；覆盖角度极宽。同样，当音箱后部的低音辐射出现问题时，梯度线阵列就非常有用。其最常见的问题表现在：舞台上低音过多；延时所产生的多余的音箱后部辐射声。

2.5.1 左右摆放的线阵列

对于低音组或者左右吊挂低音系统，使用梯度线阵列朝舞台外辐射有助于减少波瓣。图17是将舞台两侧Xsub音箱堆叠的覆盖图和同型号梯度结构的覆盖图作对比。

2.5.2 舞台低音

尽管图17没有显示出来，但有角度的超心型指向结构的线阵列在舞台上所产生的低音少于简单分布的线阵列所产生的低音。

对于左图的简单结构，站在中心舞台的演员听到的低音是两边低音组的输出总和，其他地方的低音都不及舞台中心点多；而右图结构中，梯度低音音箱的超心型空值直接横穿舞台前区辐射。典型的结构中，将使舞台前部中心的低音减少15 dB甚至更多。

2.5.3 小型线阵列覆盖角度的控制

对于平坦地面的小场所，低音组在靠近舞台的听众区往往产生过多低音。这对于俱乐部来说也许没关系，但对于公司的音视频展示会就不能达到要求了。这种情况下，将1只小型的低音音箱进行中心吊挂，就会出现相当好的覆盖角度而不至于产生过大电平。然而，如果使用普通的低音音箱，它是全向的，那就意味着大量的低音能量辐射进入混响声场，从而产生浑浊的声音，而且舞台上的低音过重。相反，将1只心型指向或者超心型指向的低音音箱悬挂在舞台上空就会使得低音能量进入需要的区域——观众区，并且保持低音能量处于混响声场外面，远离舞台。

图18显示的是1只120°的超心型指向的低音音箱。如果将图示看成1个极坐标轴，就会发现大量的低音能量涌入舞台前区，而不是进入无用的方向。如果将它看成是1个垂直坐标，就会发现超心型空值指向舞台。

2.5.4 大型中心线阵列族

演出中，尽管大型中心低音线阵列本身可以提供出色的声音效果，但仍然可以从梯度技术中受益，无需360°低音覆盖角度。在这些演出中，采用低音线阵列组作为梯度线阵列意味着少量低音能量辐射进入混响声场。根据声学理论，与全向低音音箱相比，梯度低音音箱会减少4 dB ～6 dB的低音混响能量。

2.5.5 延时线阵列族

在大型场所，尤其是室外体育场，延时线阵列族普遍用于增加远距离观众区的声音电平和音质。这些线阵列族的主要目的是增加高频电平，减少空气对高频能量的高度吸收。然而，有时延时线阵列族有必要提供额外的低频能量，而这样做，常规的扬声器就会出现问题。低频时，一般的延时线阵列族基本上都是全向的，因此，有相当一部分的声音是朝舞台后区辐射。这些后区辐射声跟主扬声器辐射出的直达声不会同步，但会发生有害干涉。

解决这一问题的方法就是使用梯度扬声器做低频延时处理。该覆盖角度模式为心型，因此，后部辐射的电平很低。