線陣列結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)踐

線陣列結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)踐

（2009年第33卷6月20日，上海港）。3.6線陣列合成音高材料的安裝線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)由于發(fā)展時(shí)間短，理論研究落后于實(shí)踐，未知問(wèn)題、模糊問(wèn)題不少。經(jīng)過(guò)筆者對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)理論的學(xué)習(xí)、梳理、研究，再加上實(shí)踐的摸索和體會(huì)，有6個(gè)要點(diǎn)是比較明確的。這幾條也成為線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。(1）線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)能改變垂直方向指向性，可控制垂直平面指向角。(2）線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的上限頻率與揚(yáng)聲器單元的垂直距離成反比。筆者建議采用式（1）的結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)式中：fk為垂直方向高頻重放上限；C為聲速（m/s）;D為陣列中兩聲源垂直距離（m）。(3）線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的下限頻率取決于陣列總高度。(4）陣列的各獨(dú)立聲源產(chǎn)生的波陣面表面積之和，應(yīng)大于填充目標(biāo)表面積之和的80%。(5）在高頻段使用壓縮驅(qū)動(dòng)器時(shí)，為了避免聲干涉，必須為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)能輻射近似的平面聲波的號(hào)筒。(6）線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)在臨界距離前（近場(chǎng)），近似輻射柱面波。在臨界距離后（遠(yuǎn)場(chǎng)），輻射球面波。臨界距離有多種相近公式，筆者建議采用式中：d為臨界距離；f為頻率；h為線陣列高度。以上6條經(jīng)過(guò)理論的推算和實(shí)踐的驗(yàn)證，是可行的。應(yīng)作為線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)及要遵守的原則。通常已確認(rèn)：線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)音箱垂直方向上，單元之間的間距，直接影響到該單元垂直方向工作頻率的上限。根據(jù)趙其昌教授的研究：同頻率同相位的兩列波疊加的結(jié)果是增加6.0dB；同頻率、相位差為60°的兩列波疊加的結(jié)果是增加4.8dB；同頻率、相位差為90°的兩列波疊加的結(jié)果是增加3.0dB；同頻率、相位差為120°的兩列波疊加的結(jié)果是增加0dB；同頻率、相位差為180°的兩列波疊加的結(jié)果是抵消。而相位差為180°，相當(dāng)于兩揚(yáng)聲器聲程距離差為λ/2。上述結(jié)論可用圖23形象表示。因此可知，線陣列中兩揚(yáng)聲器間垂直距離λ/2是一個(gè)臨界值。而低于λ/2（相當(dāng)相位差為180°）不論是多是少，輻射波是存在的。兩揚(yáng)聲器間垂直距離，是指兩揚(yáng)聲器中心到中心的距離，這包括揚(yáng)聲器的直徑、箱體邊緣、邊厚、兩音箱間隙（如果存在的話）。式（1）同時(shí)回答了2個(gè)問(wèn)題：(1）通常音箱大多是豎放的，而線陣列音箱都是橫放的。這不僅為了懸掛方便。主要是為減小兩揚(yáng)聲器間垂直距離，保證線陣列的高頻重放。(2）線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)懸掛時(shí)，從提高高頻重放頻率來(lái)看，音箱之間縫隙是有害的。一般Φ300mm揚(yáng)聲器的音箱在組成陣列時(shí)，上下2只Φ300mm揚(yáng)聲器之間的中心距離均在0.34m以上。這樣線陣列音箱中Φ300mm揚(yáng)聲器垂直方向的工作頻率上限應(yīng)該在505Hz以下。對(duì)于線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，主要是使垂直輻射角度隨頻率的升高而逐漸減小。而水平面的指向要求有一個(gè)固定的角度。通常認(rèn)為線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的水平輻射角度可比較寬，但也需要通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。在對(duì)稱結(jié)構(gòu)的線性音箱中，2只低頻單元同時(shí)工作時(shí)，單元之間的中心距離必會(huì)影響到水平指向的擴(kuò)展。一般情況下2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器中間還有中、高頻揚(yáng)聲器，所以2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器的中心距離會(huì)達(dá)到0.6m以上。按水平輻射角度一般要求90°的情況，在較高頻率上，2只低頻揚(yáng)聲器各自的聲波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)的聲程差造成的聲干涉，必須事先予以充分考慮。2單只低頻區(qū)域本底測(cè)量曲線假設(shè)2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器中心距離0.6m時(shí)；45°方向上測(cè)量點(diǎn)與音箱中心距離為4m,10m,30m,100m,200m。經(jīng)計(jì)算造成的聲程差分別為：0.423667m;0.424169m;0.424253m;0.424254m;0.424264m;0.424263m。由以上計(jì)算結(jié)果可看出；在水平45°方向上，測(cè)量點(diǎn)距離的變化造成的聲程差的變化甚少，最大值不超過(guò)0.4243m。根據(jù)相干聲波不同相位聲壓疊加原理：聲程差超過(guò)某頻率1/3波長(zhǎng)（即有120°相位差）以上時(shí)，該頻率聲波將在該測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)生干涉抵消現(xiàn)象。該上限頻率計(jì)算公式為如上例：兩聲源中心間距0.6m，當(dāng)兩聲源聲程差為0.4243m時(shí)，造成120°相位差的頻率即為270Hz。按以上方法設(shè)計(jì)的2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器在水平45°方向上、270Hz以上頻率將開始產(chǎn)生聲壓抵消現(xiàn)象。即只有2只低頻Φ300mm揚(yáng)聲器共同工作在270Hz以下，才能充分保證水平45°方向上的-6dB指向性要求。但這只是理論計(jì)算最低的條件，單只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器工作時(shí)，45°方向與0°方向相比聲壓的衰減量因素，可事先用替代箱體近似測(cè)量。其測(cè)量曲線界面如圖25所示。根據(jù)計(jì)算，2只揚(yáng)聲器同時(shí)工作時(shí)，在水平45°方向上聲壓疊加的曲線界面如圖26所示。計(jì)算中2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器中心距為0.65m，聲程差為0.46m。根據(jù)實(shí)測(cè)的1只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器在近似箱內(nèi)的水平方向45°指向的頻響曲線。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到2只Φ300mm低頻揚(yáng)聲器共同工作時(shí)，在水平45°可能的模擬頻響曲線界面如圖27所示。同樣根據(jù)1只揚(yáng)聲器在近似箱體中的0°頻響曲線，也可模擬2只揚(yáng)聲器在設(shè)計(jì)的箱體中理想的0°頻響曲線界面如圖28所示。把圖27～28綜合在一起可大致預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中該音箱最終保證水平±45°，-6dB要求的最上限頻率（此例約為245Hz）。最后實(shí)際制作箱體后的測(cè)量曲線如圖29所示，基本符合最初的計(jì)算結(jié)論（最后實(shí)際兩低頻揚(yáng)聲器中心距為0.6415m）。從實(shí)測(cè)曲線看，2只低頻揚(yáng)聲器同時(shí)工作，中心距離為0.6m以上，在水平方向左右45°，250Hz以上的頻率，將產(chǎn)生聲波干涉現(xiàn)象。而設(shè)計(jì)要求為：水平指向（-6dB）為90°（250Hz～16kHz）。由此驗(yàn)證可見，要求的水平指向性指標(biāo)，在250Hz處即能滿足要求。從以上計(jì)算數(shù)據(jù)和分析可看出，2只低頻揚(yáng)聲器只能同時(shí)工作在250Hz以下頻率，但是中頻單元由于尺寸結(jié)構(gòu)的限制，在250Hz左右一般失真較大。根據(jù)這種情況，筆者采用了與傳統(tǒng)方法不同的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)兩低頻揚(yáng)聲器共同工作在200Hz左右，在200～330Hz之間只用1只低頻揚(yáng)聲器工作。從而避免了這個(gè)區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生的水平方向干涉（干涉是2只揚(yáng)聲器造成的。同一箱體中當(dāng)兩只低頻揚(yáng)聲器工作在200～330Hz之間，只有1只低頻揚(yáng)聲器工作時(shí)也就沒(méi)有相互干涉問(wèn)題）。同時(shí)也滿足了垂直方向線陣列的理論要求。在頻率響應(yīng)的均衡方面，選擇中高頻靈敏度比較高的低頻揚(yáng)聲器，可滿足響應(yīng)均衡的要求。和低頻揚(yáng)聲器類似，2只中頻揚(yáng)聲器以偶極子方式工作時(shí)，可計(jì)算出水平方向大約在1550Hz以上頻率會(huì)產(chǎn)生聲波干涉現(xiàn)象?？紤]到高頻系統(tǒng)的靈敏度會(huì)高出中頻6dB以上。電分頻在1700Hz以下即可避免產(chǎn)生聲波干涉。而垂直方向上中頻揚(yáng)聲器的工作頻率上限是2300Hz。因此中、高頻分頻在1700Hz可滿足線性要求。這是一種從揚(yáng)聲器的實(shí)際情況出發(fā)，遵循音箱分頻基本理論，也不拘泥于傳統(tǒng)分頻布局、優(yōu)化性能要求的創(chuàng)造性方法。3.7低頻、高頻、熱輻合的低頻合成單種器市場(chǎng)用于線陣列系統(tǒng)的揚(yáng)聲器單元，除了電聲性能和音質(zhì)的一般要求以外，還有質(zhì)量的限制，這是源自對(duì)音箱質(zhì)量的限制。參照國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的承重，并預(yù)留足夠的安全系數(shù)，確定單只音箱不能超過(guò)60kg。這就要求各類單元在滿足各項(xiàng)電聲指標(biāo)前提下，要盡可能降低質(zhì)量。而揚(yáng)聲器的質(zhì)量主要集中在磁路系統(tǒng)。質(zhì)量輕的釹鐵硼磁路系統(tǒng)成為首選。低頻揚(yáng)聲器選用Φ300mm(12in）單元。在對(duì)一批國(guó)內(nèi)外釹鐵硼揚(yáng)聲器選型中，從靈敏度、功率、質(zhì)量都可達(dá)到要求。單元的選型主要考慮音質(zhì)和T/S參數(shù)與對(duì)應(yīng)的箱體容積是否合適。設(shè)計(jì)中，對(duì)搜集到的國(guó)內(nèi)外幾款Φ300mm(12in）單元進(jìn)行多方面測(cè)試試驗(yàn)和對(duì)比試聽。最后選用了一款國(guó)外產(chǎn)的釹磁Φ300mm(12in）低頻揚(yáng)聲器單元。其頻響曲線如圖30所示。另外，對(duì)釹鐵硼磁路要特別注意散熱問(wèn)題，避免因過(guò)熱而退磁。通過(guò)功率試驗(yàn)確定可滿足要求。其主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度為99dB；諧振頻率為55Hz；有效頻率范圍為53～5000Hz;QMS為5.15。QMS>4，符合通用要求?？杀ＷC低頻有較好的力度。中頻揚(yáng)聲器的選型，根據(jù)線性理論要求及箱體的限制，外形尺寸必須在16.51cm(6.5in）以下。常見的Φ130mm～Φ165mm中頻揚(yáng)聲器的靈敏度一般在92～98dB之間，功率在80～150W左右。要達(dá)到134dB以上的峰值聲壓級(jí)，需要使用4只Φ130mm～Φ165mm、靈敏度98dB左右、功率在150W左右的中頻揚(yáng)聲器。從查到的資料看，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)能達(dá)到98dB的中頻揚(yáng)聲器多數(shù)采用泡沫折環(huán)，它的最大問(wèn)題是不耐用、容易受潮老化破裂，不適于國(guó)家體育場(chǎng)長(zhǎng)期使用并有防雨要求的場(chǎng)合。在對(duì)比了國(guó)內(nèi)外各種布折環(huán)、橡膠折環(huán)的Φ130mm～Φ165mm中頻揚(yáng)聲器以后，最終選擇了一種由銳豐公司自行開發(fā)的，并已在公司產(chǎn)品中使用過(guò)，靈敏度為98dB的布折環(huán)Φ165mm的中頻揚(yáng)聲器。該揚(yáng)聲器音質(zhì)評(píng)價(jià)較好，可滿足總體音質(zhì)要求。該中頻揚(yáng)聲器頻響曲線界面如圖31所示。每只音箱中共有4只中頻揚(yáng)聲器組成。對(duì)其質(zhì)