消声室内线阵列扬声器系统近场特性的测量

韩一平+孟子厚

【摘 要】 在大型消声室内采用扫描布点的方法，对一款线阵列扬声器系统的近场声场特性进行了测量，对线阵列扬声器 系统的指向性，四分之一功率角进行计算分析，对轴向声压级衰减进行拟合。结果显示四分之一功率角的变化 趋势和理论结果有差距，轴向声压级衰减波动大，近场测量结果可以提供对线阵列扬声器系统进行评价和推测 的依据。

【关键词】 线阵列扬声器系统；指向性；近场特性；消声室

文章编号： 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

关于线阵列扬声器系统的声场或现场测量公开发表的资料很少，主要原因是其体积大、质量重，操作起来十分不便，现场测量往往需要远距离。目前，已给出比较详细测量结果和分析的有JBL公司用实地地面测量法分别对两箱阵列、四箱阵列、九箱阵列，通过改变角度、箱体位置等得到频率响应等。测量结果表明，随着单元箱尺寸的增大，旁瓣数量增加，旁瓣声压级減小，指向性变尖锐，而且声波干涉加强[1]。之后JBL还公布了对于VT4889线阵列扬声器系统的测量方法[2]：选择地面测量法，利用MLSSA电声分析仪，分别对不同组合的线阵列扬声器系统改变单元箱张开角度，预测和测量了指向性及覆盖角。Meyer Sound 公司针对曲线阵列扬声器系统，采用八边形脚手架固定线阵列扬声器系统转动传声器的方法，实地测量不同夹角的水平垂直指向性。测量结果表明，当信号波长与阵列尺寸相当时指向性开始不明显[3]。

对线阵列扬声器系统的性能资料进行分析，可以发现一些共同的问题：

（1）厂商公布的产品参数都是针对单元箱的结果；

（2）在众多参数中，覆盖角和频率响应差别最大，不同的厂商按不同的形式说明，并且覆盖角没有指明是什么频点对应的覆盖角度；

（3）在已提供的参数中，很多结果是通过软件模拟仿真得到的。

笔者在大型消声室内对线阵列扬声器系统的近场声场特性进行细致测量，观察其近场的辐射情况。一般线阵列扬声器系统实际使用时的作用区域是从其前方30 m左右开始，这里的近场指线阵列扬声器系统通常作用的区域之内。

2 测量方法

2.1 被测线阵列扬声器系统的组成

被测量的线阵列扬声器系统为国内某品牌产品，该线阵列扬声器系统由8个单元箱组成。考虑到每个单元箱的频响、指向性等不能差距太大，因此，在组阵之前要先对单元箱进行指向性测量，测量地点选择在消声室内进行。

消声室长16.00 m，宽7.15 m，高6.60 m。测量所在的消声室环境如图1所示。

在消声室内使用CLIO电声测试系统，测量信号选择MLS伪随机序列信号。将被测对象放在转台上，传声器距离声源中心1 m，传声器高度与被测对象的水平或垂直中心高度一致。由CLIO测试软件设置MLS伪随机序列信号，通过被测线阵列扬声器系统播放，步长为3°，测量范围是0°～360°。分别测量水平和垂直指向性。通过记录测量数据，得到八组指向性图形，其中一个单元箱的水平指向性图和垂直指向性图分别如图2和图3所示。

2.2 线阵列扬声器系统测量

将8个单元箱竖直放置在消声室内一侧，并组成阵列，单元箱之间夹角设置为0°。对线阵列扬声器系统在竖直方向进行扫描式测量，测量区域为其前方长12 m、宽6 m的区域，每隔0.25 m设置一个测量点，共计1 225个测量点。在测量点处将测量传声器放置在传声器架上，保持测量传声器高度与音箱竖直中心高度一致。测量过程中线阵列扬声器系统和测量传声器的摆放设置如图4所示。

在每次测量前对声级计进行校准，然后由线阵列扬声器系统播放粉噪信号，记录全频带等效声压级。重复该步骤将所有测量点遍历。整个测量过程保证扩声系统内所有硬件的增益控制固定不变。

3 测量数据和分析

3.1 扬声器阵列的近场声压分布

对已组阵的线阵列扬声器系统的测量结果进行等声压级处理，相同的声压级用同种颜色进行表示，可以看出，随着频率升高，指向性变得尖锐。

越靠近线阵列，声压级分布越复杂，有明显的交错。低频的声压分布图显示能量十分聚集，中高频的柱面波辐射特点十分明显；5 000 Hz及以上频点，声压级下降很快并且不连续，在声压分布图的两侧出现了波瓣，并且并不对称。该线阵列产品在高频部分的能量下降快，并且指向不集中，副波瓣明显。从250 Hz～16 000 Hz不同频点的线阵列近场声压分布图如图5所示。

3.2 近场指向性

从对线阵列扬声器系统单元箱测量指向性的结果看，它们之间的指向性相差不大，不同单元箱各个频点上的声压级上下浮动不超过3 dB，则可以对线阵列的垂直指向性进行进一步测量。

以线阵列扬声器系统的声源中心为中点，以3 m为半径划分圆形区域，在线阵列前方半圆区域内，进行线阵列扬声器系统垂直指向性测量。测量步长为3°，测量范围0°～180°。对测量得到的声压级进行归一化处理，画出指向性图，此指向性图形仅限于近场范围内，从250 Hz～16 000 Hz指向性图如图6所示：随着频率变高，线阵列系统垂直指向性更加明显，并且由于副波瓣数目多、宽度大，导致主波瓣不明显；其指向性图的尖锐程度并没有像单元音箱变化那样显著。

3.3 四分之一功率角

四分之一功率角（覆盖角）指的是在主波瓣两侧，声压级比最大声压级低 6 dB 的方向之间的夹角，可以通过对线阵列的指向性测量的结果计算得到。单元箱水平方向和垂直方向的覆盖角测量结果如表1所示。

单元箱的垂直覆盖角，从低频到高频有迅速下降的趋势，但是在16 000 Hz处却有了略微上升；水平覆盖角在中频部分只有40°左右。

再来观察线阵列扬声器系统四分之一功率角角度测量结果，如表2所示。

线阵列扬声器系统的四分之一功率角理论值由公式得到[5]，其中f是频率，L是线阵列扬声器系统的长度。通过理论计算公式可以发现，频率增加一倍，四分之一功率角减小一半。但是理论的产生是基于远场的情况下做出的数学模型，实际测量结果是特定在近场情况下得到，通过阵列的垂直指向性得到的四分之一功率角，从扬声器线阵列系统的指向性图可以看出，高频处的指向性图形比低频时更加尖锐，但是在声压级下降6 dB的过程中，曲线略显平缓，使得声压级下降6 dB后形成的覆盖角角度大。该线阵列扬声器系统的覆盖角随频率变化十分不稳定。如果改变线阵列单元箱之间的夹角也可能会得到不同的结果。

3.4 线阵列扬声器系统近场轴向声压级

根据已经测得的数据，对线阵列扬声器系统轴线上的声压级进行分析。将轴向上的已测数据连接，可以看出随着距离的增加，声压级的趋势是衰减，然而在衰减的过程中有一些波动。通过对趋势的观察，对现有的数据进行对数衰减规律拟合，横坐标表示距离（轴向测点编号），纵坐标表示测量的声压级，从125 Hz～16 000 Hz的拟合结果如图7所示。

可以看出低频的拟合结果很好，在所测量的范围内，能够表示出衰减的趋势，频率越高，数据的波动越大，拟合的效果没有低频的显著，但是仍然保持对数衰减趋势。在线阵列扬声器系统的辐射过程中，一定范围内球面波和柱面波两种辐射都存在，由分界距离公式可对柱面波和球面波的分界给出一个大概的距离[7]。线阵列在分界距离以内，声波按柱面波传播，距离每增加一倍，声压级衰减3 dB，在分界距离以外，声波按球面波传播，距离每增加一倍，声压级衰减6 dB。由图7可以看出，在实际近场辐射范围内，声压级的衰减并没有按照严格的3 dB衰减规律。由于干涉的存在导致衰减并不是单调的，但是随着距离的增加，声压级的衰减在更远的距离上仍趋于稳定的下降，由此推测：根据拟合的结果可以对远距离的声场辐射进行推算，为远距离的预测提供一种可能。

4 小结

在大型消聲室内对线阵列扬声器系统进行近场声压分布特性的测量。测量分别得到了近场声压级分布图，指向性以及四分之一功率角，并对其进行了分析。这些声学参数可以作为线阵列扬声器系统的性能评价和问题诊断的参考依据。从已测得的数据出发，对轴向声压衰减变化进行对数拟合，可以看出近场范围内声压级衰减的规律和趋势。

参考文献：

[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. 线阵列扬声器系统[M]. 北京：国防工业出版社，2012.

[5] 王以真. 线阵列扬声器系统（一）[J]. 音响技术， 2008（2）：27-32.

[6] 赵其昌. 线阵列扬声器系统的远场条件[J]. 音响技术，2008（1）：33-35.

[7] 赵其昌. 线阵列的柱面波及其发散[J]. 电声技术，2003（11）：26-27.