超低音阵列（波束成形）技术在Our Party音乐会中的应用探究

摘要：目的：文章旨在探讨超低音阵列（波束成形）技术在音乐会的应用效果。通过分析超低音阵列的类型、波束成形技术的原理及其在扩声系统中的应用，研究如何优化声场覆盖和声音效果，以提高音乐会的音响质量。方法：首先介绍超低音阵列的类型及在声场中的作用，重点分析不同阵列的特点及适用场景。然后详细阐述波束成形技术的基本原理和在扩声系统中的应用方法。在具体实验部分，以在Long Plus的Living House举办的Our Party音乐会为研究对象，使用计算机仿真软件Soundvision对不同超低音阵列方案进行模拟，并结合现场实际测量数据进行对比分析。实验中，通过相位校正、波束成形技术设置等步骤，对超低音阵列的声源辐射范围和声压级进行测试和调整。结果：实验结果显示，采用梯度阵列结合波束成形技术的方案能够有效实现声源信号的均匀覆盖。在音乐会现场，超低音阵列的声压级在观众区各处基本一致，频率响应曲线表明音箱之间不存在相互掩蔽的情况。与端射阵列相比，梯度阵列能更好地抑制波瓣对舞台的影响，减少低音向舞台的泄露，确保舞台中央的低音声压级降低15 dB或更多。结论：超低音梯度阵列结合波束成形技术在音乐会的应用，能够显著优化声场覆盖和声音效果。该技术不仅能提升观众的听觉体验，还能有效解决传统超低音扬声器在声场控制方面的不足，为大型音乐会的音响系统搭建提供新的解决方案。合理的阵列设计和参数调整，可以实现声源信号的精确辐射，确保音乐会现场的音响效果达到最佳状态。

关键词：音乐会；超低音阵列；波束成形

中图分类号：TN643 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）18-0-04

0 引言

随着现代音乐会规模的不断扩大和观众对音质要求的日益提高，音响技术在演出中扮演着越来越重要的角色。超低音阵列作为一种先进的音响技术，能够通过波束成形技术的应用，有效控制声波的辐射方向和覆盖范围，从而优化音乐会的音响效果。本文以Our Party音乐会为例，探讨超低音阵列（波束成形）技术在实际演出中的应用情况。通过对不同阵列类型的比较分析以及计算机模拟与现场实验的结合，详细阐述波束成形技术在优化声场覆盖、减少声波干扰等方面的优势，为搭建大型音乐会音响系统提供有益的参考和指导。

1 波束宽度与超低音阵列的关系

1.1 超低音阵列的类型与应用优化

超低音扬声器，英文为Subwoofer，频响范围在20～100 Hz，俗称“低音炮”，多用于酒吧、大型户外演唱会等。其性能取决于频率范围和峰谷大小。其能发出底鼓、贝斯等乐器的浑厚低频声，重放100 Hz以下低音时，具有采用大口径单元和内置专用放大器的特点。然而，超低音扬声器声能辐射存在问题，辐射多为全指向性，难以控制声波辐射范围。声音能量辐射不均会产生诸多负面影响，如舞台声音信号经超低音箱引发墙面反射，使传到观众席的声音信号混淆，影响歌手表演；超低音音箱朝舞台方向泄露声音，会导致啸叫或与返听音箱信号干涉，使歌手听不清返送信号，难以分辨声音信息，搭建系统时需避免低频能量朝舞台方向泄露。

超低音阵列是扬声器系统按特定设计排列组合而成的系统，常用于大型演出场所及体育场馆扩声工程。其基本使用原则是实现扬声器声源的最大化辐射覆盖范围。超低音扬声器阵列有两个显著特征：一是超低音扬声器为只覆盖3个倍频程的单独箱体，二是超低音辐射范围的长波长可绕射邻近障碍物［1］。而相位干涉是线阵列音箱的固有缺点，相同频率声音信号存在相位差时，声波叠加会产生不同效果，即同相相加、反相抵消，且效果与相位差、声源声压级大小有关。为减少相位干涉问题，超低音阵列在设置辐射范围初期，应增强观众区等辐射区域能量，衰减周边能量，以便更好地控制。

关于演出中的摆放方式，很多人认为将多只超低音扬声器堆放在一起能延长声音传播距离，但在舞台两侧这样摆放会产生严重的梳状滤波效应，导致观众席不同位置听到的不同频率产生巨大的波形变化。这是因为低频无明显指向性，超低音扬声器周围及后方能量会增加，成为扩声系统的技术问题。例如，通过软件Soundvision对4只超低音扬声器在43.2 m×12 m空地的模拟，测得堆叠方式会使音箱前方声压级比背面高3 dB，周围能量较大；而水平摆放方式则能使声音范围均匀覆盖声场，从而解决技术问题，获得所需的声音覆盖范围和最佳音质，同时把握好现场声学条件，设置好音箱参数，降低混响和反射的不利影响，最大限度发挥设备效能，确保低音清晰且在观众区内均衡，声音各频率分布平衡。

超低音阵列主要有侧射阵列、梯度阵列和端射阵列三种类型。侧射阵列将音箱排成一排或一列，声波指向与排列方向垂直，适用于地面摆放或吊装［2］。梯度阵列通过控制音箱的振幅和相位，实现声波的指向性控制，适用于小型低音阵列。端射阵列需要至少两只超低音扬声器，音箱成列摆放，通过延迟和反相设置制造出非常窄的指向特性，适用于需要远距离投射的场合［3］。每种阵列都有其独特的应用场景和优势，选择合适的阵列类型可以优化声场覆盖和声音效果。

1.2 波束成形技术在扩声系统中的应用与控制

在扩声现场调试设备时，常因未处理好观众席频谱资源分配，导致演出时后场观众感觉声效不佳。波束成形技术可以解决以上问题，使观众都能听到有力低频。波束成形在阵列天线领域也称空间滤波，应用于多个领域。其实现方式是设置接收信号与天线阵列振子的相位关系，让振子在特定方向收发同相信号。随着现场演出的增多，观众对音箱效果的要求变高，波束成形作为扬声器阵列核心技术受到关注，可重构源信号、分离信号。

波束类似光束，在声波传播方向一致时形成。扩声中通过调整相位阵列参数，使特定角度信号相长或相消干涉，输出期望方向语音信号形成波束。无线通信中，因电磁波衍射强，需用智能天线阵列，控制波源间相对延时和幅度，集中能量，减少干扰。

波束成形（Beamforming），也称波束赋形或空域滤波，是控制大型阵列声波辐射方向和波束形状的技术。在波束成形阵列中，音箱单元独立驱动，信号有独立延迟和电平参数，通过合并处理多路声源信号，抑制干扰，增强目标方向信号。远场处理时，因信号源到阵列距离远大于音箱间距，只需处理相位差异；近场则需考虑信号源到各音箱的时间差和幅度差异，利用音箱摆放位置造成的时间差设置延时，抵消干扰，明确指向性。其处理方式包括时域法和频域法［4］。时域法对音箱延时并补偿，多用于处理低频信号；频域法先分解频段，窄带波束形成后合成宽带波束输出，常用于处理高频信号。波束成形技术适用于大型阵列，小型阵列指向性控制用梯度阵列。

所谓声源信号的传输，就是将波形信号从一个地方传播到另一个地方。传输的音质是通过输出的信号与原始信号的波形精确程度对比得出的。最终目的就是在减少波形失真的基础上，尽可能重现原始声波波形。一般来说，声波传输通道有三种信号传输形式：线路电平的电信号传输、扬声器电平的电信号传输和声音信号的传输。其中，最容易出现问题的就是扬声器向听众传送信号。因此，在扩声中使用扬声器的波束成形技术需要把握它的各参量，包括声音频率、声源覆盖角度等。

“波束宽度”一词可以与覆盖角度相替换。波束宽度与频率的关系建立起扬声器在全音域范围上不同覆盖角度的复合状态。典型的波束宽度与频率的关系分别为1/3倍频程或1倍频程。因此，波束宽度是覆盖角度形成的。声音覆盖角度受频率影响，超低音阵列通过波束组合特征化。两个扬声器单元组合时，可能出现波束集中、扩散或简单重叠的情况，导致梳状滤波效应。高频（HF）常扩散，低频（LF）常集中。波束难以聚焦为相干前向波束或仅以直径或侧向扩展。

2 计算机模拟

为说明超低音阵列（波束成形）技术在音乐会的应用，本文以一家名为Long Plus的Living House举办的Our Party音乐会为例。通过计算机仿真软件Soundvision进行实景的超低音阵列数据模拟，与现场实际测量的超低音阵列数据进行对比得出结论。场地长43.2 m、宽12 m、高4.5 m，总占地面积518㎡。基于实验现场的工程图，按照现场实景比例在建模软件Soundvision中构建出实验场地的模型，见图1。本实验设计了两种超低音阵列的摆设方案，一种为端射阵列，一种为梯度阵列，将在软件中模拟现场情况得到的一系列数据进行对比，综合现场实际情况，确定最终实践方案。

2.1 端射阵列在软件中的模拟

在Soundvision建模软件中，添加4只超低音箱，按照上述理论设置阵列。端射阵列是将音箱沿着同一个轴向排列成一排进行驱动，将一只以预定的间距放置在另一只后面，从而使声音的辐射方向与其排列方向一致。阵列中，超低音箱控制的中心频率为63 Hz，后方两只音箱添加0.4 ms的延时处理。模拟得到超低音阵列声源辐射范围，见图2（上）。

由软件测试结果得出，端射阵列的超低音最大能量集中于一处，在100 Hz可以形成近似心形指向，前后声压级差为6.43 dB，周围声压级随之减弱，且有明显的波瓣出现。舞台区的能量较大，但观众席后区接收到的声压级不足100 dB SPL。虽然后两只超低音箱均加延时，但时间顺序上最后还是需要绕过前方扬声器保持波前同步。

2.2 梯度阵列在软件中的模拟

在Soundvision建模软件中，添加4只超低音箱，4只音箱摆放在一条水平线上，扬声器箱之间距离均相等。为保证两侧与中间两只音箱同时控制波束，设置0.63 ms的延时处理，模拟梯度阵列摆放的超低音箱声能辐射图。

由图2（下）可以看出，梯度阵列的超低音声压级辐射的范围均匀分布，舞台后方的声压级被抵消了，观众席后方区域也能被超低音箱辐射的能量覆盖到，同时没有明显的波瓣出现。中间音箱的正面与背面的声音级相差近5 dB，有效抑制了后方辐射的低音，因此舞台上下之间不容易形成太多的干扰。

综合两种方式的模拟结果，最终确定在现场测试中使用梯度阵列的方式来完成超低音阵列（波束成形）技术的实测。

3 实验及数据论证

3.1 实验场地：Long Plus

实际的测量场地为音乐会现场，音箱摆位见图3

（上）。实际测得每两只音箱的间距均为103 cm。

3.2 实验设备

超低音扬声器：L-Acoustics，见图3（下）；

测试传声器：ecm8000；

测试软件：Smarrt。

3.3 实验步骤

第一步，在现场将中间两只和两侧的两只音箱依次打开，通过释放粉噪在Smaart中对比频响曲线，判断4只扬声器所释放的能量是否相同，并通过功率放大器中DSP设置使4只扬声器的频率曲线尽量保持一致。

第二步，通过ARC空间声场调整技术校正4只音箱的相位。从软件校准数据线可以看出，该阵列的扬声器经过校正之后，粉色与蓝色的波形有多处重合，表明相位正常，无相位相抵消的情况。下半部分图为超低音振幅曲线，橙色的波形代表相干性曲线，表示受环境或其他声源干扰，波形后半部分波动幅度紧密，可以看出超低音能量足够，低音坚实有力。

第三步，校正音箱相位之后，使用之前确定的梯度阵列，采用波束成形技术为两侧的两只音箱设置延时，通过总控更改超低音阵列的指向性，向观众区辐射声能。

第四步，在阵列前方12 m处设置测试传声器，分两次收录舞台中间两只音箱和两侧两只音箱的测试数据，在Smaart中记录相位曲线和频率曲线以及声压级。

第五步，将测试话筒移至距离舞台24 m处，测试超低音阵列在3个点位所能接收的声压级以及频率范围，见图4。

根据上述实验过程，在L-ACOUSTICS Network Ma-nager软件中测试超低音阵列的总声压级和频率响应。值得一提的是，这款软件是由L-ACOUSTICS音箱公司自主研发的，专门用于测试L-ACOUSTICS系列音箱的声压级和频率响应，因此得到的结果精确度极高。

结合实验数据和实验过程可以得出，两侧的超低音扬声器与中间两只扬声器的最大声压级相差0.39 dB，这种情况下暂且可以忽略不计。数据证明，在超低音阵列中采用波束成形技术，可以使超低音阵列向观众区各处辐射声源，做到时间一致、辐射范围均匀，不论是在前排、后排或侧面，所听到的音量大小基本一致。同时，两组音箱测试数据的频率响应图，从图中频率响应的曲线可以看出两组音箱频率几乎相同，表明音箱之间不会存在相互掩蔽的情况。

4 结语

本次实验以Our Party音乐会为例，综合测试结果和主观听感可以表明，超低音梯度阵列的摆放方式，加之应用波束成形技术设置声源方向，可以使声源信号均匀覆盖演出现场。在本场音乐会中，运用波束成形技术搭建超低音阵列，能在尽可能抑制波瓣对舞台造成影响的同时，使超低音阵列发出的声源信号有目的地辐射，而非只聚焦于一处，或是出现声音前后区辐射不均匀的情况。

在音乐会音响系统搭建过程中，波束成形延迟参数可以用在梯度阵列上，但必须设置在左右相对应的超低音箱中，这样才能使其指向发生倾斜。本场音乐会超低音阵列摆放于地面上，采用的梯度阵列偏轴辐射，有助于抑制波瓣，减少投向舞台的低音。对梯度阵列而言，通过调整音箱指向性，可将声音辐射范围设置为正好指向舞台前方。在典型配置下，这会使舞台中央的低音声压级降低15 dB或更多。

参考文献：

［1］ Bob McCarthy.音响系统设计与优化［M］. 2版.北京：人民邮电出版社，2017：356.

［2］ 王瑞婷，魏增来.浅析超低音扬声器阵列的指向性控制

［J/OL］.演艺科技，2020（1/2）：29-37（2020-02-25）

［2024-08-23］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CJFDamp;dbname=CJFDLAST2020amp;filename=YYSH2020Z1007amp;v=wUm%25mmd2BojdpiUvEGcceK8Xr3WPb3dxc7Hg1XWQ52PcQUjknHr0hn4mTbLRhQE0O0%25mmd2BK.2020.

［3］ Jeff Berryman.超低音阵列实用指南［DB/OL］.百度百科，（2011-08-07）［2024-08-12］. https：//wenku.baidu.com/view/5c98b9c15fbfc77da269b179.html#.

［4］ 王备，沈小祥.三种扬声器阵列波形成方法比较［J/OL］.电声技术，2012，36（12）：18-21（2012-12-17）［2024-08-

16］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CJFDamp;dbname=CJFD2012amp;filename=DSJS201212006amp;v=LONYW9X2dgJLcGKONLjFTFqut9UUa82Hklg3Hknwfzm8Z0rFvrgX5mWdirGKEIPK.