浅析超低音扬声器阵列的指向性控制

罗琦

摘 要： 当今社会，扬声器的应用越发广泛，其在各个场合中都有广泛的应用，对于各项事务的进行起到了积极的指导作用。对于扬声器而言，为了保证其声音传递方向正确，需要加大力度控制扬声器的指向性，尤其是超低音扬声器。基于此，本文就超低音扬声器阵列指向性控制展开研究，首先阐述了其控制原理和结构，其次进行了仿真分析，以期能够为其阵列指向性控制提供有效的参考。

关键词： 超低音扬声器阵列;指向性控制;相位差

【中图分类号】TB556     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）11-0225-01

超低音扬声器一般为全指向，周边范围的声压级是相同的，在进行扩声时，需要保证声音能够全面覆盖，但是由于低频声波传输是全方位扩散的，声波辐射范围难以把控，在进行实际应用时，有些声音能量辐射无法满足需求，甚至可能出现负面影响。因此，在设计阵列时，必须要重点考虑其指向性，提高观众听觉感受，增强扩声意义，以达到扩声实际目的。

1 超低音扬声器阵列指向性控制原理及其结构

1.1 原理

声音信号间频率相同，彼此有相位差，此时声波叠加会出现声干涉现象，不同范围彼此相位差有所差异，出现的叠加程度不同。2个声音信号，若是其相位差为0°，则声压会上升到6dB;若是相位差是180°，则叠加会抵消，理论上其声压为0。由此可见，超低音扬声器阵列能抵消掉扬声器辐射不到区域的低频量，增强辐射区域能量，进而实现指向性控制[1]。

1.2 结构

超低音扬声器阵列结构包括以下3种：

（1）端射阵列。①End Fire阵列。阵列扬声器数量至少为2个，前后一字排开，声音期望指射区域为观众席，彼此之间有一定距离，一般是主受控中心频率波长的1/4。该阵列设置时，在观众席中设置测量点，同时将与舞台最近的扬声器作为基准点，逐步向观众席推进测量基准扬声器与其他各扬声器之间的时间差，在此基础上设置延时，使各个扬声器之间能够实现重叠，确保各超低音扬声器所辐射的声音能够与测试点时间保持一致。若是该阵列中的扬声器为3个，则在观众区，声压级会增加9dB，舞台方向扬声器相位关系为120-240°，总能量能够相互抵消。②End Fire拓展阵列。前后一字排列扬声器，数量一般为2-4个，间距为中心频率波长1/4.测量点位于舞台区，将观众区扬声器作为基准点，在加载延时处理通道时，每只扬声器等效重叠至与观众区最接近的扬声器，确保其辐射声音与测试点到达时间相同。之后，对靠近舞台区的扬声器输入通道进行反相处理，2个扬声器面向舞台所释放的能量相反，进而使能量相互抵消，关中区域能量释放有所增强，阵列前后存在声压级差，进而实现指向性控制[2]。

（2）梯度阵列。Front/Back阵列垂直排列，扬声器上下彼此堆叠，至少为3个，从上到下，第1、3扬声器面向观众，位于阵前，第2个扬声器面向舞台，位于阵后，测试1、3和2之间的传播时间差，并在此基础上对早测试点的扬声器通道进行加载延时处理，使两组扬声器能够实现相位对其，且反相处理早到测试点的扬声器，辐射到舞台区域的低频能力优于声压相近、相位相反，可以被抵消掉，观众区域所接受到的能量与2个扬声器同时打开产生的声压级，第2个扬声器能力可以完全将第1、3个扬声器辐射的能量抵消掉。

2 超低音扬声器阵列指向性仿真分析

2.1 3种阵列仿真

本文采用EASE声学模拟软件进行仿真试验，试验频率为100Hz，监理3D指向性图与极坐标图，以判断阵列指向性。

（1）End Fire陣列仿真中，扬声器有3个，根据上述理论，阵列中心频率是80Hz，间距1/4波长为1.08m，在与舞台方向最近距离的扬声器中添加6.3ms延时，在中间扬声器中添加3.1ms延时。3D指向性仿真模拟如1所示，其在100Hz下阵列的指向性呈现心形，前后声压级之差是10dB。

（2）End Fire拓展阵列仿真中，扬声器2个，中心频率是80Hz，间距1/4波长为1.08m，在与舞台方向最近距离的扬声器中添加3.1ms延时与反相处理。3D指向性仿真模拟如2所示。

（3）Front/Back阵列仿真中，扬声器3个，垂直竖向排列，第1、3扬声器面向观众，第2只扬声器面向舞台，上下、前后间距0.6m和0.7m，第1、3只扬声器与第2只扬声器呈现垂直对齐，第2只扬声器添加2ms延时和反相处理。D指向性仿真模拟如3所示。

2.2 结果分析

3种阵列经过试验对比发现：

（1）声压级对比中，End Fire阵列所获取的前方能量和效率最大，其他两种阵列需要相应数量的扬声器才能够将阵后泄露能量抵消掉，因此，阵前要想达到同等级的声压级需要配置更多的超低音扬声器。列阵前后声压级差对比中，三种阵列的前后声压级差的效果从高到低分别为Front/Back阵列、End Fire拓展阵列、End Fire阵列。

（2）阵后抵消对比中，End Fire阵列阵后抵消受到扬声器中心频率影响，中心频率区抵消效果最明显，但无法实现完全抵消，相较于其他频率而言，相位散乱，能量会相应被抵消，但是减幅对比中心频率要小。其他两种阵列阵后抵消不受某频率影响，衰减幅度相对End Fire阵列更大，舞台泄露低频能量更低，对舞台拾音和返送影响更小。

（3）阵列设置和安装对比中，前两种阵列受到场地限制，需要前后排放，需要空间大。而Front/Back阵列可垂直也可水平排放，节省空间，扬声器对距离无要求，可以彼此连接，该阵列方法超低音指向性效果更好和安装方法可行性更大。

结束语：通过对3中超低音扬声器阵列分析发现，组合阵列方式能够对超低音扬声器阵列起到指向性控制作用，选择阵列方式时，需要根据实际需求因地制宜选择应用。

参考文献

[1] 杰夫·贝里曼，何青青.浅析低音线阵列[J].演艺科技，2011，000（008）：28-32.

[2] 王齐祥，广州市迪士普音响科技有限公司广州.扬声器阵列灵敏度特性初探[J].2008年声频工程学术交流会，2009.