漸變指向性陣列揚聲器新技術在專業(yè)劇場擴聲中的應用

　　封志剛,Ph.D. ¹ 李晴 ²  張馳 ³

　　(1-3.美國Bose 公司專業(yè)系統(tǒng)部)

　　摘要

　　目前廣泛使用于大型戶外演出的傳統(tǒng)線陣列揚聲器系統(tǒng)被應用于劇場等室內環(huán)境時，由于建筑聲學條件，如反射和混響，以及陣列化和增益的影響，導致?lián)P聲器系統(tǒng)的性能及觀眾實際聽感遇到極大挑戰(zhàn)。本文回顧了常規(guī)線陣列揚聲器系統(tǒng)的原理和性能，探討理想陣列揚聲器的聲學特性，從而引入一種全新的陣列揚聲器理論和技術——漸變指向性陣列，并將此技術及解決方案應用于實際劇場擴聲案例，可以克服室內環(huán)境帶來的復雜影響，獲得最佳的聲場覆蓋均勻度，進一步提升音色平衡性和語言清晰度。

　　關鍵詞：陣列揚聲器，建筑聲學，漸變指向性陣列，音色平衡，聲場均勻度，語言清晰度

　　引言

　　線性陣列揚聲器是一組排列成直線、間隔緊密的輻射單元，并具有相同的振幅與相位，通過線性傳輸方式，提高傳輸距離，降低聲音傳輸過程中的衰減度。線性陣列揚聲器系統(tǒng)下端常常有一點稍稍的彎曲，目的是為得到更大的垂直覆蓋角。主體部分對遠場，彎曲部分對近場。線性陣列的概念并不是而今才有的，最初是由美國著名聲學專家H.F奧爾森提出的。

　　1957 年，奧爾森先生出版了經(jīng)典聲學專著『聲學工程』(AcousticalEngineering)，論述了線性陣列適合遠距離聲輻射。這是因為線性陣列能夠提供非常良好的垂直覆蓋面的指向性，以取得良好的擴聲效果。

　　線陣音箱的主要應用場合是大型戶外演出，在90年代初被提出，并且迅速在戶外巡回演唱會的應用方面普及。傳統(tǒng)的線陣列音箱主要是為大型戶外搖滾音樂會而開發(fā)的，這種演出的場地大，觀眾多，導致聲壓的遠距離傳輸損耗問題嚴重。該系統(tǒng)對這類應用很有效，因為線陣列揚聲器陣列位于舞臺的兩側，使得大部分觀眾都處于垂直于揚聲器陣列的主要覆蓋區(qū)域內，水平覆蓋范圍足夠寬，以便為所有現(xiàn)場觀眾提供足夠的聲能量，包括舞臺兩側以及正面的觀眾，這已經(jīng)成為巡回演出擴聲應用領域的標準。

　　這項新技術很快就開始用于固定安裝，尤其在劇場演出場地。但是，當我們利用傳統(tǒng)線陣列模塊構建揚聲器系統(tǒng)用于室內擴聲的固定安裝時，存在兩個重大問題。第一個問題是，為了適應室內觀眾座位布局，揚聲器陣列必須掛高，并且具有很大的垂直覆蓋角，觀眾不再位于傳統(tǒng)線陣列的主要輻射平面，而傳統(tǒng)線陣列模塊的角度通常為0度，陣列的下半部分音箱必須散開形成一個有弧度的形狀(J 形陣列)，以覆蓋增加的垂直角度，音箱間出現(xiàn)間隔和縫隙，造成聲干涉即梳狀濾波效應。而陣列的上半部分也要求形成一個弧形的形狀，而不是直線，以避免耗散多余的能量。同時，由于室內觀眾的分布，必須對不同模塊進行增益調節(jié)，否則會造成近場觀眾區(qū)聲壓級過大，而遠場聲壓級過小，而增益調節(jié)進一步影響聲場分布和音色平衡。簡單地說，傳統(tǒng)的線陣列揚聲器系統(tǒng)已經(jīng)無法完全滿足室內擴聲的需要，傳統(tǒng)線陣列的非預期使用，使得不同輻射方向上的頻率響應差別很大。第二個問題與水平覆蓋控制有關。傳統(tǒng)線陣列具有寬廣的水平覆蓋，滿足大型戶外場地的擴聲需求，但這一特性在固定安裝的室內環(huán)境里造成來自側墻和天花板的聲反射，極大影響主觀眾區(qū)內的音色平衡性和清晰度。

　　如上所述，傳統(tǒng)線列陣揚聲器系統(tǒng)用于劇場等室內擴聲遇到建聲環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，無法滿足室內擴聲的特殊要求，從而清楚地表明，我們迫切需要一種全新的陣列技術解決這些問題，必須提供以下性能特點，才能理想地應用于室內固定安裝的擴聲系統(tǒng)。

　　•

　　陣列的每個模塊的覆蓋角度模式能覆蓋其指向的座位區(qū)域。

　　每個模塊提供的指向性可變具有不同覆蓋角度的模塊必須易于排列從而提供復雜的覆蓋面形狀來與房間相匹配

　　在水平和垂直方向的覆蓋控制都必須下潛至1kHz 或以下，從而最大限度地減少房間特性對音色平衡性的影響

　　•

　　由模塊構成的揚聲器陣列必須真正地陣列化，無論大小和結構如何

　　由多個模塊形成的虛擬聲源必須是真正連續(xù)的，要避免模塊之間的接縫每個模塊的幅度和相位必須完全相同以形成真正相干的虛擬聲源，使得在陣列的主要覆蓋區(qū)域內具有一致的音色平衡性

　　1.建筑聲學對音色平衡性的影響

　　1.1揚聲器模塊投射角度控制對音色平衡性的影響

　　為了討論室內建筑聲學特性對揚聲器系統(tǒng)音色平衡性的影響，對比了同一個房間在三種不同的平均吸聲系數(shù)的情況下的頻率響應。對四種不同類型的揚聲器系統(tǒng)進行比較，每個都具有不同的投射角度控制特性，分別是：全指向性，隨頻率變化的中等指向性(典型的紙盆揚聲器)，小規(guī)格號角(典型的線陣列)以及中等規(guī)格號角(更好的覆蓋角控制)。中等規(guī)格號角的覆蓋范圍已在所有頻段(1kHz及以上)被設置為與觀眾座位區(qū)的形狀一致，而小規(guī)格號角在4kHz恰好覆蓋觀眾區(qū)域，在更低頻的范圍則變寬。研究中使用了BoseModeler聲場仿真軟件，因為其計算的準確性已被認證 ¹¹⁾ 。圖1以1k-4kHz的平均聲壓級圖對比展示了各種類型的揚聲器系統(tǒng)向地面、墻壁和天花輻射的能量。頻率響應是在同一房間的相同位置計算得到的，房間有三種不同的平均吸聲系數(shù)(a=0.10,0.17,0.40)。顯然，當揚聲器的指向性幾乎不采取控制時，更多的能量被投射到墻壁和天花板上。圖c和圖d則清楚地顯示中等號角的投射角度控制優(yōu)于小規(guī)格號角，可以進一步減少能量的損耗。

　　圖1：房間內不同類型的揚聲器系統(tǒng)的輻射特性的比較(1k-4kHz的平均聲壓級圖)

　　不同類型的揚聲器由于房間的吸聲特性不同而造成頻率響應的變化，結果如圖2所示。

　　請注意，這些頻率響應已相對于直達聲響應進行了歸一化。結果顯示，采用較少指向性控制的揚聲器系統(tǒng)的頻響更容易受到房間特性的影響，特別是平均吸聲系數(shù)降低時。

　　圖2：不同類型的揚聲器系統(tǒng)由于房間聲學而引起的頻響變化的比較這清楚地表明，在較寬頻帶具有更好的指向性控制性能的揚聲器，在保持音色平衡性方面有顯著的優(yōu)點，可以不受房間特性的影響。

　　2.陣列化對一致的音色平衡性的影響

　　2.1模塊之間的相位疊加和相位抵消效應

　　沒有方法能夠完全避免兩個具有一定物理間隔的聲源之間的相位抵消。兩個聲源之間的距離必須足夠小，以確保在有用的頻段內，相比于聲音傳播的距離，兩條聲路徑之間的距離差足夠小。換句話說，傳播距離越短，相位抵消效應就越嚴重。有趣的是，線陣列利用這些現(xiàn)象非常有效地在垂直于陣列高度方向的平面內控制輻射方向。當一個線陣列的傳播距離相比于自身尺寸超過一定范圍時，線陣列就轉變?yōu)橐粋€點源。在技術上不可能完全消除相位抵消效應，除非我們能找到一個沒有物理尺寸的聲源。實際上，如果我們能夠把相位抵消現(xiàn)象移動至主要可聽聲的頻段以上，這將大有裨益。自然，這里會牽涉到關于何為主要可聽聲頻率上限的爭議，然而我們經(jīng)過一些比較，認為只要把抵消現(xiàn)象移至10kHz以上，就能得到不錯的性能，而且比目前市場上的其它解決方案要好。這意味著，兩個聲源的傳播距離之差必須小于17.0mm(10kHz頻率對應的波長的1/2)?？紤]到擴聲揚聲器的典型應用，我們還假設最小的傳播距離為10米。有了這些假設，兩個聲源之間的最大間距離就可以計算出來，如果我們限制最大的目標角度覆蓋范圍為正負30度(合計60度)，就應為33.9mm或更小。這就意味著，兩個相鄰模塊的波導管喉部邊緣的間距必須在30mm左右，以避免模塊之間的“可聞音縫”。

　　一種獨特的具有可變號角喉部的導波管結構已被BOSE公司開發(fā)出來，如圖3所示，它可以裝配到被稱作連續(xù)弧形衍射單縫的裝置中，以使我們能夠實現(xiàn)這一有富挑戰(zhàn)性的目標。

　　圖3：連續(xù)弧形衍射單縫歧管

　　喉部適配器出口的實際尺寸為60mm(高)x15mm(寬)。相鄰揚聲器模塊之間的喉部適配器的中心距離為90.0mm(從模塊的喉部適配器下緣到其下面的模塊的喉部適配器上緣相距30.0mm)，包括兩個模塊的頂板和底板。這種獨特的結構使我們得以將模塊添加到陣列中而不引起10kHz以下的相位抵消，同時能夠獨立地從0到60度配置每個模塊的垂直覆蓋角。

　　2.2不同類型的揚聲器模塊構成的陣列的輻射特性比較為了在預期覆蓋角內觀察陣列頻率響應的一致性，由不同類型揚聲器模塊構成的陣列的輻射特性通過Modeler可用的算法進行了計算。各類型的揚聲器模塊的構造和設定如圖4所示。

　　圖4：用于陣列輻射特性比較的揚聲器模塊的結構和設定

　　目標垂直覆蓋角度設定為80度，進行的比較如下：兩個具有40 度垂直覆蓋角的模塊用來表示一個典型的點聲源揚聲器解決方案。同時使用了兩種不同類型的線陣列模塊，一個具有0度的波陣面，另一個具有5度的波陣面。每個模塊內的虛擬聲源被設置得足夠小，以實現(xiàn)模塊內的連續(xù)源假設。八個模塊用以實現(xiàn)80度的覆蓋角。相鄰模塊的號角喉部的頂部與底部之間的距離被設定為90mm，以表示當今線陣列模塊的典型結構 ^13)14)15) 。

　　我們使用了八個BOSE公司專利的新型揚聲器模塊(每一個都具有10度輻射角且由6只可變號角適配器構成)，每個模塊之間有30mm 的間距。每種類型的揚聲器模塊的響應計算結果以極坐標形式示于圖5。由點聲源揚聲器模塊構成的陣列表現(xiàn)出顯著的相位抵消現(xiàn)象，每個頻帶都會在一些特定的輻射角出現(xiàn)相位抵消，而對于線陣列，在每個模塊的接縫處都觀察到相位抵消，與例子中所用模塊的波陣面角度無關。每個線陣列模塊的軸線方向不會出現(xiàn)相位抵消。然而，無論每個模塊的波陣面角度如何，線陣列模塊之間的聲源的不連續(xù)性產(chǎn)生了模塊之間的音縫。當增加模塊之間的擴張角度以實現(xiàn)更寬的垂直覆蓋角，或者對于同樣的垂直角度減少模塊的數(shù)目時，情況將會變得更糟。與此相反，正如我們所預期的，如果陣列由多個BOSE獨特導波管技術模塊構成，則在所有頻段范圍內，相位抵消效應幾乎被完全消除。

　　圖5：由不同類型的揚聲器模塊構成陣列的響應，由極坐標表示

　　3.增益調節(jié)對音色平衡性的影響

　　對個別揚聲器模塊的增益調節(jié)通常用來補償遠距離投射模塊與近距離投射模塊之間的距離損失 ¹⁷⁾¹⁸⁾ 。這會避免在靠近揚聲器陣列的觀眾處產(chǎn)生過大的聲壓級，同時為離陣列很遠位置處的觀眾輸送足夠大的聲壓級。近場和遠場模塊之間的傳播距離之差通常為4倍(例如到房間前部為6米而到后部為24米)或更大。傳播距離4倍的差異意味著對于近場模塊有12dB的衰減，而這一衰減意味著揚聲器模塊和功率放大器僅有不足10%的能量可被利用，反過來說有90%的能量被浪費。對陣列中的每個模塊進行衰減也意味著每個聲源的振幅都會發(fā)生變化。另外，對陣列中的各個模塊使用特定的濾波，包括FIR濾波，陣列中各聲源的相位也會發(fā)生變化。但是可以理解，保持每個模塊以相同的幅度和相位，是在很寬的頻帶提供預期的輻射特性的關鍵。這點很重要，因為頻帶內均等的輻射才能得到目標覆蓋角內一致的音色平衡性。我們給每個聲源(模塊)施加不同大小的衰減量，然后計算不同類型的模塊所構成的陣列的極坐標響應。目標垂直覆蓋角被設定為60度。我們使用的聲源類型包括線陣列、J 形陣列、恒定陣列曲率(恒定方向性)和一個螺旋陣列結構。其中螺旋陣列的每個模塊的目標覆蓋角連續(xù)變化，從而能夠補償距離損失的差異，以將能量分配到不同的座位區(qū)。上述螺旋陣列結構的一個很好的類比，就是由號角構成的陣列，其具有40x20度的近場投射，60x40的中場投射，以及90x60的遠場投射。研究中使用具有不同的垂直覆蓋角的BOSE新型陣列模塊以排除模塊之間的聲源的不連續(xù)性。線陣列和弧形陣列的模塊之間的間隙同理被也認為是零。被測試的陣列的結構和垂直覆蓋角如圖6所示。

　　圖6：用于增益研究的陣列的結構和目標覆蓋角(60度)

　　本研究分別以如下三種條件計算出的極坐標響應：第一種是沒有增益衰減，第二種是給整個陣列施以6dB增益差，最后一種是給整個陣列施加12dB增益差。每種結構施加增益后的極坐標響應如圖7所示。我們馬上可以看到，即使使用了增益，線陣列也無法提供一致的音色平衡性。這是線陣列的性質使然。J 形陣列用于克服線陣列的這一限制。然而，施加增益使得目標區(qū)域內不同頻帶之間的輻射方向圖的一致性更差。另一方面，弧形陣列在沒有施加增益的情況下，提供了目標區(qū)域內與頻率無關的一致的輻射方向圖。這背后是恒指向性號角的理論。當施加增益以補償距離損失時，輻射方向圖開始變化。與此相反，由新型陣列模塊構成的螺旋陣列有漸變的輻射角，可以提供近場輻射的衰減，以及各個頻帶一致的輻射方向圖。當施加增益以提供對距離損失更強的補償時，這一優(yōu)勢就被破壞了。

　　4.常規(guī)陣列與漸變指向性陣列在實際應用中的對比

　　4.1漸變指向性陣列的定義

　　當構成揚聲器陣列的模塊各自在水平和垂直方向均有獨特的輻射角度，以適應目標區(qū)域時，就可以選擇每個模塊的角度，從而幫助補償每各模塊間的距離損失。這樣做是很自然的，因為向近場觀眾區(qū)輻射能量的模塊需要寬廣的方向，而指向遠場輻射的模塊則是相反的要求。輻射角度越窄，指向性指數(shù)就越高。有了這個概念，室內建筑聲學的影響可以消除，從而獲得預期的而且一致的頻率響應。使用新型導波管來消除模塊間的相位抵消也同樣重要，因為相位抵消也同樣可以劣化在陣列覆蓋區(qū)域內的音色平衡的一致性。到此，我們終于提出了一種新型陣列揚聲器系統(tǒng)，稱為漸變指向性陣列(ProgressiveDirectivity Array,PDA)，用以實現(xiàn)上述特征和要求。這就建立了一種全新的陣列揚聲器系統(tǒng)類別，并且相比于現(xiàn)存的線陣列揚聲器系統(tǒng)能夠為劇場等室內擴聲提供更好的性能。

圖7：不同增益情況下陣列的極坐標響應(10dB/div.)

　　4.2漸變指向性陣列和傳統(tǒng)陣列的覆蓋控制和增益的要求利用漸變指向性陣列概念的模塊所構成的揚聲器陣列的好處總結如圖8，與由具有固定的垂直和水平指向的傳統(tǒng)揚聲器模塊構成的陣列進行對比。由漸變指向性陣列模塊構成的陣列能夠在目標區(qū)域提供精確的覆蓋控制和均勻的聲壓級，但是一個由固定覆蓋角度的模塊所構成的線陣列則要求其近場和中場投射模塊分別有8dB和4dB的衰減，然而漸變指向性陣列的所有模塊則都不衰減。

　　圖8：分別由(a)具有單一的輻射方向圖的傳統(tǒng)揚聲器模塊和(b)漸變指向性模塊構成的揚聲器陣列比較4.3典型的線陣列配置與漸變指向性陣列之間整體性能的比較兩個陣列，分別由典型的線陣列模塊和漸變指向性陣列模塊構成，被設計用于比較實際應用中的性能。目標覆蓋區(qū)域與之前研究中出現(xiàn)的相同(如圖8a所示)，因此陣列的結構也相同。這一比較中所用的七個線陣列模塊形成70度的垂直覆蓋角，每個模塊的擴散角設為10度。兩個陣列的覆蓋圖(1-4kHz均值)如圖9所示。線陣列的每個模塊均被施加增益，以補償距離損失，而漸變指向性陣列的各模塊的輸出都相同。

　　圖9：由線陣列模塊和漸變指向性陣列模塊構成的陣列的覆蓋圖比較(1–4kHz)

　　從這一比較中可以得出許多有用的結論。由線陣列模塊構成的陣列的覆蓋圖表現(xiàn)出模塊之間的接縫，覆蓋既有過度又有不足，然而漸變指向性陣列則表現(xiàn)出非常平滑的覆蓋而沒有接縫，與目標區(qū)域匹配更好。施加到線陣列的每個模塊上的增益，從第一個到下面最后一個模塊，分別為-1.5dB,-3.0dB,-5.0dB,-7.5dB,-9.5dB,-12.0dB。這意味著線陣列65%的輸出功率被浪費了。

　　圖10顯示了覆蓋區(qū)域內六個位置的頻率響應的比較。參考響應是這六個位置的響應的平均值。清楚地表明，利用線陣列模塊，并施加增益以效仿弧形陣列，在頻率響應的平滑度和一致性以及效率等方面都不能提供與漸變指向性陣列同樣的性能。

　　圖10：分別由線陣列模塊和漸變指向性陣列模塊構成的陣列的六個位置的頻響變化的比較

　　5.漸變指向性陣列在藝海劇場擴聲中的應用

　　藝海劇院地處上海市靜安區(qū)江寧路466號、康定路交匯處，與靜安體育中心毗鄰，建成于2001年。此次歷時一年多的修繕是藝海劇院建成以來的首次大修，劇院將定位于音樂劇專屬劇場，集演出、排練、孵化于一體。大劇場的座位也從999 座增加到了1038 座。藝海劇院整個觀眾廳呈扇形，觀眾席深約為22m，寬約25m，地面到頂部裝飾面高約12m，舞臺口寬約15m。觀眾席有二層眺臺深約8m，舞臺前部有升降樂池，整體結構上是一個中型劇院。

　　藝海劇院改造項目的擴聲設計環(huán)節(jié)，業(yè)主對揚聲器的安裝位置有著嚴苛的要求，因為是改造項目，安裝位置和聲橋的開孔尺寸都有限制，必須將擴聲揚聲器安裝在這些固定好的聲橋內，同時又要要滿足均勻的覆蓋，清晰的人聲表現(xiàn)及一致的音樂平衡性。因此，我們通過Bose的聲場模擬分析軟件Modeler，對揚聲器的安裝位置及角度進行多次聲場模擬分析，最終采用非對稱水平角度的弧形曲率陣列揚聲器來實現(xiàn)最佳的音色平衡，減少側墻反射(從圖11可以看出，打在側墻的聲能量幾乎沒有)，對不同位置的聽音區(qū)提供均勻的聲覆蓋(從圖12可以看出，整個觀眾區(qū)的聲場覆蓋非常均勻)。

　　圖11：藝海劇院墻面和觀眾區(qū)直達聲覆蓋圖(1-4kHz)

　　圖12：藝海劇院平面直達聲覆蓋圖(1-4kHz)

　　在該項目的擴聲設計中，我們采用了非對稱DeltaQ陣列揚聲器作為主擴聲揚聲器組，其中6只2組作為左右聲道，4只1組作為中央聲道，分別用了3種不同的水平角度和3種不同的垂直角度，將聲線精確地投射到不同區(qū)域的觀眾席，減少不必要的反射聲，提高語言清晰度(圖13)和音色平衡一致性(圖14)。

　　圖13：藝海劇院觀眾席語言清晰度(平均值0.58)

　　圖14：藝海劇院全場七個不同位置的頻率響應曲線和七個位置示意圖

　　為量化體現(xiàn)不同位置的頻響曲線的差異，我們引入一個概念：FRVI(FrequncyResponseVariation Index，頻響變化系數(shù))，定義如下：

　　其中Lireference為七點平均的聲壓級數(shù)值，Lisubject為每一個位置的聲壓級數(shù)值，i是各1/3倍頻程中心頻率點，從1(31Hz)到28(16kHz)。據(jù)此，我們導出了這七個位置上28個1/3倍頻程中心頻率點(從31Hz到16kHz)的聲壓級數(shù)值。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)和上述公式計算得出各點的FRVI，然后求出平均FRVI數(shù)值，僅為1.12，亦即不同位置上的頻率響應曲線的差異僅在±1dB左右。

　　6.結論

　　傳統(tǒng)線陣列揚聲器系統(tǒng)用于劇場等室內固定安裝的擴聲場景中面臨諸多困難，為了解決這些難題，本文提出一種新型漸變指向性陣列技術，完美地解決建筑聲學，陣列化及增益調節(jié)等方面的挑戰(zhàn)，提供一致的音色平衡性，等同于理想環(huán)境下單獨模塊的音質。我們總結了實現(xiàn)這一目標的五個重要的性能。

　　靈活地控制各模塊的輻射角度，以滿足每個模塊的目標覆蓋區(qū)域。

　　對每個模塊進行有效的角度控制，控制的頻率降至1kHz或更低，以減少建聲的影響。

　　陣列可以由具有不同角度的模塊構成，使陣列的覆蓋范圍與房間內聽音區(qū)域相匹配。

　　通過適當?shù)貫槟K分配不同的指向性指數(shù)，實現(xiàn)對距離損失的物理補償。

　　模塊以特定方式連續(xù)排列而不產(chǎn)生間隙，避免模塊間接縫引發(fā)相位抵消現(xiàn)象。

　　最后，這一新型陣列揚聲器系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的解決方案被藝海劇場采用，對每個聲學指標的評估結果都清楚地表明漸變指向性陣列在劇場等室內擴聲應用中具有獨一無二的特點和優(yōu)勢。