線陣列音箱在音響工程中的應(yīng)用
近年來，在專業(yè)音響領(lǐng)域，你會發(fā)現(xiàn)線陣列揚聲器系統(tǒng)以它獨特的優(yōu)勢廣泛用于各種大型的擴(kuò)聲場所，比如大型年會、音樂演唱會、體育賽事、戶外實景演出等場合。線陣列揚聲器系統(tǒng)是應(yīng)市場需求而產(chǎn)生的，也是高新技術(shù)的產(chǎn)物，因此備受人們的關(guān)注。
那么，到底什么是“線陣列”？線陣列揚聲器系統(tǒng)是如何產(chǎn)生的？它有什么特點？線性陣列音箱是又如何工作的？什么場所可以使用線陣列音箱？帶著這些問題，今天小編為大家來系統(tǒng)梳理一下跟線陣列有關(guān)的技術(shù)知識。
什么是線陣列
聲學(xué)工程師Olson在其1957年的著作中描述：“線陣列是一組振幅相等并同相緊密地排成一條直線的聲輻射元素”。由于該陣列具有垂直指向性，從而有效地投射聲音，因此適用于大型、遠(yuǎn)距離的擴(kuò)聲系統(tǒng)。
圖1（MAPP）顯示了16個全指向的0.5米間隔點聲源的指向特性。該線陣列具有很強(qiáng)的指向性，能達(dá)到500Hz的頻率段；一旦高于500Hz，其指向性就開始分散。留意圖中線陣列在低頻段后部有很強(qiáng)的分布，500Hz處也是如此。
所有傳統(tǒng)的線陣列都是這樣，因為它們在這個范圍內(nèi)是全指向的。（該系統(tǒng)的水平指向圖形不受垂直指向的影響，水平指向圖形在任何頻率都是全指向的）。
圖2所示的是一組由32個間隔為0.25米的點聲源線陣列聲場分布圖。注意該陣列能保持其指向特性到1kHz處，該處出現(xiàn)強(qiáng)烈垂直指向，這說明要突出高頻的指向性需要更多的密集的單元。
01、線陣列揚聲器系統(tǒng)的產(chǎn)生
上世紀(jì)六七十年代在歐美興起了以“披頭士”樂隊為代表的搖滾樂，到廣場上看搖滾音樂會的觀眾多達(dá)幾十萬，擴(kuò)聲是個大問題。比如，1977年9月3日在英國的New Jersey舉行的一場搖滾音樂會就有60萬人參加。擴(kuò)聲系統(tǒng)采用多只音箱疊放在一起組成的“音塔”，安裝調(diào)試非常麻煩。經(jīng)過精心設(shè)計和調(diào)試，花費了很多精力，擴(kuò)聲效果總是不盡人意。這種現(xiàn)象提供了一個市場信息，大型巡回演出需要功率大、安裝調(diào)試方便的擴(kuò)聲系統(tǒng)。
一些大公司看準(zhǔn)市場需求，致力于開發(fā)大功率、遠(yuǎn)投射的擴(kuò)聲系統(tǒng)。從聲學(xué)角度來考慮，有兩種方法可以獲得大功率、遠(yuǎn)投射的效果。
一種是號筒，使聲能量通過號筒集中在一個方向輻射出去，控制指向性，提高輻射效率，達(dá)到遠(yuǎn)投射的效果。例如20世紀(jì)50年代，我們對金門、馬祖的廣播系統(tǒng)就曾經(jīng)采用過大號筒，一個號筒長達(dá)十幾米，傳播距離達(dá)幾公里。
另一種是20世紀(jì)30年代就提出的揚聲器陣，利用干涉原理控制指向性。事實上，當(dāng)時已經(jīng)流行一種柱型音箱——聲柱。聲柱具有比較窄的垂直指向性，但是功率不夠大，投射不遠(yuǎn)，聲音的動態(tài)和頻寬等還存在一些需要克服的問題。一些大公司根據(jù)自己的情況，各有側(cè)重。
號筒的研究成功地開發(fā)了恒指向性號筒揚聲器、多驅(qū)動單元的號筒揚聲器等。法國L-Acoustics公司于1993年首先推出了V- DOSC系統(tǒng)，它是由一列單元音箱組成的陣列，工作原理類同于聲柱。其垂直指向性可控制，由單元箱的數(shù)目決定，水平輻射角120°。每只單元箱的頻響為50Hz～18kHz±3dB，功率1500W，靈敏度134dB。高頻單元通過波導(dǎo)管向外輻射。這是最早推出的線陣列產(chǎn)品，一開始就引起了人們的關(guān)注。
市場的需求，高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得線陣列揚聲器系統(tǒng)成為各公司顯耀自己實力的標(biāo)志性產(chǎn)品。現(xiàn)在線陣列已是號筒技術(shù)和陣列技術(shù)的結(jié)合，使得輻射性能更完美。
02、線陣列揚聲器系統(tǒng)的特點
1）單元箱規(guī)則排列
線陣列揚聲器系統(tǒng)是由一列單元箱組成，這些單元箱按一定規(guī)則排列，根據(jù)聲場需要可以排成直線、弓形（恒定半徑曲線）、“J”字形和漸開線等。
單元箱的數(shù)目由擴(kuò)聲聲場的需求決定，但是必須滿足形成線陣列的基本要求，即線陣列的長度至少應(yīng)大于輻射聲波的波長的一半。
每一只單元箱的輻射特性有嚴(yán)格的要求。例如，輻射聲功率、頻率特性、水平指向性、失真和線性相位等必須滿足線陣列對它的要求。
2）功率大、投射距離遠(yuǎn)
例如，一套線陣列揚聲器系統(tǒng)單元箱中的低頻單元承受功率1200W，靈敏度96dB；中頻單元功率500W，靈敏度107dB；高頻單元功率150W，靈敏度 112dB。單元箱組成陣列以后，由于單元箱之間的相互作用，使得揚聲器的輻射阻抗得到了提升，提高了輻射效率。因此，采用線陣列揚聲器系統(tǒng)作為聲源在100m以外希望獲得100dB以上的聲壓級是輕而易舉的。
3）覆蓋聲場均勻，干涉區(qū)域小，重放分辨率高
線陣列的垂直指向性很尖銳，一般在10°左右，最窄的可達(dá)3°。輻射的聲束窄，到達(dá)相應(yīng)的觀眾區(qū)域的直達(dá)聲比較強(qiáng)，輻射的距離又比較遠(yuǎn)，在很大的區(qū)域內(nèi)的聲壓級的變化比較小。由于線陣列的旁瓣控制使得輻射聲場的重疊區(qū)相對比較小，干涉面小。直達(dá)聲為主的區(qū)域，聽感好、聲音清晰、分辨率高。
03、線性陣列音箱如何工作
線陣列如何工作可以是一個相當(dāng)深入的討論，下面將用簡單的語言和數(shù)學(xué)計算，讓大家首先了解典型的揚聲器發(fā)出的聲音是如何隨著距離的增大而分散傳播的。
1）反平方定律
聲學(xué)中反平方定律的內(nèi)容是，聲強(qiáng)度的大小和聽音位置與聲源之間距離呈平方反比。其結(jié)果是聽音者距離點聲源的距離每增加一倍，聲壓衰減6dB。這是我們通常情況下使用的揚聲器的表現(xiàn)，雖然實際和理論會有很多細(xì)微差別。
2）點聲源
反平方定律的前提是假設(shè)揚聲器能夠全向輻射。而對于實體揚聲器來說，這種情況很少見，除非揚聲器發(fā)出很低的頻率（這也是我們?yōu)槭裁匆恢睆?qiáng)調(diào)低音或者超低音沒有指向性的原因）。
然而，隨著聲音傳播距離的增加，即使典型的定向揚聲器（例如具有90°水平覆蓋角和90°垂直覆蓋角的號筒揚聲器）也會遵從于反平方定律，像理論上的點聲源一樣進(jìn)行聲音的擴(kuò)散（即全向輻射）。
3）線聲源
線性陣列音箱的聲壓覆蓋則靠近所謂的線聲源理論，每當(dāng)聽音距離加倍時，電平不會下降6dB。從理論上來講，它只會下降3dB，但在實際應(yīng)用中，結(jié)果并沒有這樣理想。即便如此，相對于點聲源揚聲器而言，線性陣列音箱在垂直覆蓋角度上有著得天獨厚的優(yōu)勢。
具有線性聲源輻射特點的揚聲器可以達(dá)到如下效果：您可以在大廳或戶外空間的后方區(qū)域感受到相對比較大的聲壓級，而為了做到這一點，你不需要像操作普通點聲源音箱一樣，特意加大其功率以致于讓前方離PA系統(tǒng)比較近的人聽到過于大的聲音。它的優(yōu)勢在于聲音垂直擴(kuò)散角度復(fù)雜多變的可控性。
那么如何實現(xiàn)線性聲源輻射？答案是相位抵消。
相位抵消通常是在音響系統(tǒng)中需要工程師們嘗試去避免的事情之一，但它對線陣揚聲器在一起工作時能夠提供具有較窄的垂直覆蓋角度起著中心作用。
即使使用了高級別的揚聲器箱體設(shè)計來塑造垂直方向的覆蓋，在線陣列中的揚聲器之間仍然有很多實際上的重疊。
換句話說，線陣列揚聲器的垂直覆蓋角度并非是單只喇叭就可以形成的，它是多只揚聲器在出口處形成有效干涉的結(jié)果。
然而，現(xiàn)實狀況中，每個線陣列揚聲器與觀眾之間的距離會稍有不同，這樣就會引起小程度的相位抵消。當(dāng)然，你也可以通過引入電子延時的手段，對線陣列音箱的垂直覆蓋角度進(jìn)行人工干預(yù)，并進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。
04、線陣列揚聲器系統(tǒng)的應(yīng)用
線性聲源陣列揚聲器適用體育場、戶外廣場等擁有眾多的觀眾席的室外擴(kuò)聲；也適用室內(nèi)較大的場地，如體育館、多功能廳、宴會廳、劇場劇院、大型會堂等的擴(kuò)聲。同時，臨時擴(kuò)聲系統(tǒng)，由于線性聲源陣列揚聲器具有運輸、組合方便，安裝、調(diào)試簡單等特點，依然得到廣大用戶的青睞。
1）室外的使用
室外使用是線性聲源陣列揚聲器系統(tǒng)的首選應(yīng)用場所，如體育場、戶外演出、娛樂聚會、大型公益活動、群眾集會、大型比賽等。線陣列音箱在戶外流動擴(kuò)聲領(lǐng)域已成為主流產(chǎn)品，但在室外使用時建議注意以下問題：線性聲源陣列揚聲器組吊裝桁架的安全性、可靠性問題。注意線性聲源陣列揚聲器數(shù)量和組的布置位置與演出區(qū)域、演出聲像和傳聲增益的問題。
注意線性聲源陣列揚聲器組吊裝桁架的安全性、可靠性問題。
注意線性聲源陣列揚聲器數(shù)量和組的布置位置與演出區(qū)域、演出聲像和傳聲增益的問題。
如遇到有大型視頻投影銀幕或者其它顯示屏也吊掛在揚聲器組的吊裝桁架上，須考慮相互位置沖突和承重荷載（特別是動荷載）問題。
考慮風(fēng)、雨、雪、雹等不利天氣的影響。（Wharfedale Pro WLA系列防水音箱，IP6X國際防水等級設(shè)計，全天候、全防水，能夠適應(yīng)最嚴(yán)苛的戶外環(huán)境，風(fēng)、雨、雪、雹，全然不懼！）
2）室內(nèi)的使用
由于線陣列揚聲器所具有的若干特點，近年來已得到大力的發(fā)展和應(yīng)用，以下小編歸納了幾點線陣列揚聲器在室內(nèi)使用的優(yōu)勢。
A、室內(nèi)聲場分布更加均勻
利用線陣列揚聲器的指向性因數(shù)及其強(qiáng)指向性，可以補(bǔ)償遠(yuǎn)處因距離加大而使聲壓級衰減過多的缺陷，可使室內(nèi)聲場分布趨向于更加均勻。同時，由于室內(nèi)混響的作用，其混響聲能的產(chǎn)生，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善室內(nèi)聲場的均勻性。
B、降低廳堂內(nèi)的有效混響時間
線陣列在廳堂內(nèi)使用時，可使廳堂內(nèi)的有效混響時間縮短。這是因為線陣列揚聲器具有較強(qiáng)的指向性，將主聲束射向觀眾席，可加強(qiáng)直達(dá)聲能，減少了房間的聲學(xué)比，從而降低了有效混響時間。尤其是大型體育館混響時間普遍偏長，為滿足比賽及文藝演出要求，保證清晰度，使用線陣列揚聲器具有很大的優(yōu)勢。
C、提高整個擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳聲增益
眾所周知，在擴(kuò)聲系統(tǒng)中經(jīng)過放大由揚聲器輻射出來的聲音反饋到傳聲器就會引起失真和嘯叫，聲反饋嚴(yán)重影響整個擴(kuò)聲系統(tǒng)的使用。
為抑制聲反饋，增大傳聲增益，除采用具有強(qiáng)指向性的傳聲器外，具有超強(qiáng)指向性的揚聲器的使用也是一個重要環(huán)節(jié)。
由于線陣列揚聲器具有極強(qiáng)的垂直指向性，在其有效覆蓋角之外聲壓級迅速衰減，對于增加傳聲增益，抑制聲反饋常常可以取得良好的效果。結(jié)合本特點可更好的滿足室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)關(guān)于傳聲增益要求。
以上各種措施，都可減少不需要的側(cè)向聲輻射的影響，提高擴(kuò)聲效率，保證較好的聲波覆蓋均勻度和良好的聽感，增加傳聲增益。當(dāng)然，具體應(yīng)用時還是需要根據(jù)現(xiàn)場的建筑結(jié)構(gòu)、音響系統(tǒng)的投資造價、現(xiàn)有設(shè)備的條件等多方面因素，因地制宜，選擇最經(jīng)濟(jì)、效果最好的方案。
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