扬声器系统尺寸与指向性关系

文/[美]布鲁斯·梅恩 编译/何青青

目前，小音箱输出和保真度方面的技术得到了较快提升，但是物理属性并没有发生改变，涉及覆盖模式控制时，音箱尺寸仍然是个问题。

应用中，倒像式音箱和线阵列备受关注。这并不奇怪——因为它们又大又响，还非常有魅力。但这类设备若没有一只两分频扬声器系统作为补声是不行的，该两分频扬声器系统可以由一只12英寸或者15英寸的低音单元和一只号角组成。小型两分频音箱日常工作时可以用于主扩声，不管是舞台监听、鼓声补声、前区补声还是装在支架上补声。

使用者利用这些音箱的特性是理所当然的，但如果能真正理解它们的指向特性及其工作原理，那么，使用起来就会得到更出色的效果。

1 决定覆盖模式分配的因素

小型音箱的指向性经常被标注为90°×60°或者其他不确定的参数。不过90°×60°指的是什么频率的指向性呢？当然不是从DC（0 Hz）到20 kHz。有四个主要因素决定着这些扬声器系统的覆盖模式分配，分别是锥形驱动器、高音号角、分频器以及箱体。

下面依次分析这些因素，评估一下各自的作用。列举这些因素之前，先回顾一些基本知识。

任何设备的指向性对声波的影响直接与该设备的大小及声波的长短成比例关系。为理解这一关系，深入了解给定频率的正弦波大小至关重要。

温度为72℃时，海平面的声波约以1 130 英尺/秒的速度传播。用赫兹来表示频率或每秒产生的圆周（正弦波）。如果波的频率是1 Hz，波长为1 130英尺，从逻辑上计算，10 Hz的波频率其波长为113英尺，100 Hz的波频率其波长为11.3英尺，1 000 Hz的波频率其波长为1.13英尺，依此类推。

只要给出频率，就能算出波长，这并不难。有一种老套的“秘诀”叫“5-2-1法则”：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。

这样表示虽然不完全准确，但适用于“应急”时的计算。物理学表明一个声源尺寸比波长大，为的是增强其指向性控制。以下分析一只号角为90°×60°，低音为12英寸的2分频音箱的低频指向性。

2 控制问题

注意，对前导向扬声器系统而言，其低频驱动单元控制声波分布的惟一方式就是锥形驱动器直径（较少一部分通过边界效应控制）。

100 Hz时，相对于10英尺的波长来说驱动器尺寸显得很小，几乎没有指向性可言（如图1）。

图1 12英寸2分频扬声器系统在100 Hz时的水平指向性辐射球形图（箱体正面朝左）

若频率逐渐增加，达到1 000 Hz（1英尺）时，12英寸的驱动器不会突然影响声波的辐射角度控制模式，而是跟驱动器本身的尺寸一致。然而，随着频率变得越来越高，波长越来越短，其影响也越来越明显（如图2、图3）。

图2 12英寸2分频扬声器系统在500 Hz时的水平指向性辐射球形图（箱体正面朝左）

图3 12英寸2分频扬声器系统在800 Hz时的水平指向性辐射球形图（箱体正面朝左）

在这个频率点（图3显示的800 Hz），锥体驱动器实际上产生大约90°的水平指向性。但因为辐射模式是圆锥形的（驱动器是圆的），所以，不会产生60°的特定垂直角度。

随着频率的增加，驱动器对辐射模式的影响力度越来越大，直到高频段声辐射开始出现“波束”形状。等波束窄到一定程度时，就会在分频点之上。图3的扬声器系统分频点大概在球形频率之上半个倍频程处。

这主要影响到箱体的极图特性，尤其在垂直区域，所以，这里讨论分频点指的是从1000 Hz1500 Hz这个频段。

3 决定波长的因素

号角设计中有好几个因素使它能够在给定频率点实现辐射图案控制。其中一些因素包括喉管的几何结构、长度以及开口比率等。但最显著的因素是喇叭口的尺寸（与锥形驱动器的影响因素一样，都是尺寸问题）。

喇叭口尺寸必须足够大以便能决定波长，从而在该频率点提供完整的指向性。如果一只号角的喇叭口尺寸是宽6英寸、高3英寸，1 000 Hz时就接近全指向。

只有水平面频率达到2 000 Hz，垂直面频率达到3 000 Hz时才会影响声波。3 000 Hz以上的辐射角度为90°×60°，但低频段几乎没有指向性。

锥形驱动器和号角本身只是老套的设备，并不新奇。但将两者结合使用就具挑战性。首先涉及到物理抵消问题。典型的2分频箱体中，驱动单元是一只位于另一只上面，而且两只单元的纵向距离可能也不同。

尽管可以利用延时对轴线上的两只驱动单元进行时间校准，其他一些垂直角度也会使来自号角和锥形驱动器的到达时间产生偏离。因为带通和驱动器的垂直分布图案在分频点区域会交叠，因此，在轴线外的任何垂直角度都有可能听到两只驱动器反相后发出的声音。这就意味着必定会产生波瓣和空值（图4、图5）。

利用对称的林克维兹·瑞利（Linkwitz-Riley）函数24 dB斜度衰减，图中这只音箱的分频点在1 350 Hz。基于驱动器抵消模式控制，分频点斜度，叠加以及延时分布设置等，这些波瓣的方向和灵敏度会变动，但只是在多驱动器的箱体内发生，而且这些声源彼此分开。

如果将一只音箱放在它旁边，水平方向产生的现象是一样的。那地面监听音箱呢，会有什么现象？

同轴音箱中出现重现现象只有一种原因。

图4 12英寸2分频扬声器频率在1 250 Hz，分频点在1 350 Hz时的垂直方向辐射球形图（箱体正面朝左）

图5 12英寸2分频扬声器频率在1 600 Hz，分频点在1 350 Hz时的垂直方向辐射球形图（箱体正面朝左）

因为声源之间没有垂直偏移，使用者只能纠正锥形驱动器和号角驱动器的声源间的深度（纵向距离）变化量，而且这个距离跟轴外的听音位保持恒定。权衡之计就是多种同轴设计使用圆锥形驱动单元作为号角来产生高频。对于监听音箱或者近场场所也许可行，但是，如果扩声，往往需要更精确的覆盖角度控制。

4 挡板、边界

指向性问题的最后一个因素就是箱体本身，以及箱体安装所产生的边界效应。当空间减少，音箱往里辐射时就会产生分数空间负载。正如图1所示，低频是全向的，所以将音箱放在地板上时，低频辐射空间就有效地减少了一半。这就在半球体上额外产生了3 dB（两倍功率）的输出。

在给定的频率点上，如果音箱箱体上的挡板足够大，那么，就可以将它视为边界，产生半个空间载荷。有时候这叫“挡板效应（baffle step）”。如今的箱体中，挡板往往不及安装在其内部的驱动器尺寸大，因为首先要考虑的是重量、支架位置、吊挂硬件等因素。