浅析低音线阵列

文/[美]杰夫·贝里曼 编译/何青青

使用音响系统时，设计者常常希望扬声器能像聚光灯那样工作：选择正确指向性的扬声器系统，将它们朝着指定的方向辐射就可以了。当然，这不是扬声器系统的工作方式，尤其对于低音扬声器系统来说。

普通的低音扬声器系统在工作范围内几乎接近全向性，但若将几个堆叠起来，指向角度就变得有方向性了，也更复杂。想象一下，假如灯光也以同样的方式工作：1只灯泡本来可以照亮整个房间，但4只灯泡组成一排同时使用就只能照亮房间的一部分了。

更糟的是，使用多组堆叠的低音——例如舞台左右两侧堆叠的音箱，就会产生波干扰（也叫“梳状滤波”），从而导致室内不同地方、不同频率点出现峰值和零位现象。如果灯光也以同样的方式工作，那么，在室内点亮2只相隔一定距离的白光灯时，房间会出现如彩虹般的彩色灯光。

除此之外，还有混响问题，混响在时间维度方面会增加混淆和着色。灯光还没有与之对应的效应。

面对这些现象，音频专业人员应该如何设计线阵列超低音箱及驱动方案，使之能提供宽覆盖面和高清晰度？

如果成功了，那么：

（1）低音会很清晰，而且整个听音区域都会保持音调连续平衡；

（2）低音声级在整个听音区域都会跟中高频平衡；

（3）混响和反射的负面影响会减少；

（4）设备的效率（每台设备所产生的声功率输出）会增加。

1 超低音箱的声学概念

1.1 波长

几乎一切与线阵列声学特性有关的因素就是波长。如果音箱或者线阵列的尺寸是波长的1.5倍，那么，它的尺寸就比较“大”。 如果音箱或者线阵列的尺寸是波长的1/3倍，那么，它的尺寸就比较“小”。

以下是几种典型的波长：

正常大气温度、压强和湿度下，波长换算公式如下：

1.2 指向性基本规律

普通的声源，其指向性与尺寸成反比关系。如果物体尺寸小，那么，它的指向性就宽；尺寸大，指向性就窄（见图1）。这里所谓的尺寸“小”和“大”是根据波长测量，而不是英尺或米。

1.3 水平、垂直相关性

指向性的基本规律是相关地应用于水平和垂直平面。比如，一只超低音箱的水平方向尺寸较大，而垂直方向尺寸较小，那么，它的水平指向性窄，垂直指向性宽。其非对称模式如图2所示。

1.4 多声源和叶状曲线

很多低音音箱采用两组独立的线阵列安装在舞台相反的两侧。这些线阵列有时堆放在地板上，有时被吊挂起来。

无论哪种方式，存在多个声源就会产生物理学家们所说的“声干涉”，声频人员所说的“梳状滤波”或“波瓣”。图3表示的是单只EV Xsub低音音箱在50 Hz时的指向性。在这个例子中，舞台的尺寸是40英尺×20英尺，红色线条是极坐标图，每条圆圈分界线表示6 dB，Xsub基本上是全指向性的。

图4表明在舞台对面一侧增加另一只Xsub时所出现的情况（每条圆圈分界线表示6 dB），产生的结果完全不同，而且更糟。因为这2只低音音箱都是全向的，人们在室内能听到2只低音音箱的声音。然而，这2只音箱到听音者之间的距离不相同（除非站在中间）。如果距离差等于半个波长的奇数倍，那么2只低音音箱出来的声音相抵消，此时听不到低音，至少感觉声音不是直接来自低音音箱。

这些波瓣会产生不平衡的低音音调和不一致的电平。在室内场地，有一部分音调平衡问题会被混响掩盖，但是仍然缺乏清晰度。在室外，没有混响，音调平衡问题通常比较明显。

图5所示的是两个实际例子里低音的特性，分别是堆放在地面上的一排超低音音箱和吊挂安装的低音线阵列。惟一一个所有频点都没有波瓣的区域，就是从舞台中心出发的直线。沿着这条线，低音最强且最清晰。这就类似“power alley”效应（它是音频工程中的一个专业术语，表示2只低音音箱之间的直线，每只低音音箱的输出是同相，而且声音明显较大——译者注），使得低音在混音位置听起来非常好，但是混音工程师却不知道其他观众所听到的声音效果如何。解决波柱问题的最好方法就是将音箱堆放成一组放在舞台中间位置，而不是堆放在左右两侧。这不管是对水平方向还是垂直方向的线阵列都有效。然而，这对于演出形式和设备操纵来说往往不可行。

采用左右堆放布置方式时，使用堆放方式、波束形成技术或者有坡度的低音音箱都可以减少波瓣。不管怎样，这一想法是为了减少2个堆放音箱的覆盖区域之间的干涉。

1.5 波束形成技术（Beamforming）

采用这项技术，大型线阵列辐射的声波就可以改变方向和形状。Beamforming线阵列中，音箱是独立驱动的（或者分成一小组、一小组进行驱动），每个驱动信号都有自己的延时和电平。

图6和图7是一组中等大小的典型低音线阵列是否运用波束形成技术的不同效果（60 Hz）。图中的线阵列扬声器系统是4只EV Xsub超低音。图6是没有采用波束形成技术的线阵列。图7中，延时值使得低音朝舞台后区方向辐射，这是增加舞台两侧覆盖范围的典型方法。波束形成技术只适用于大型线阵列。要想控制小型线阵列的指向性则需要梯度技术（这一技术在本文其他部分讲解）。

1.6 增益遮蔽（Gain Shading）

术语“遮蔽”意味着调整线阵列两端及接近两端的驱动参数。“增益遮蔽”是指调节（尤其是减少）线阵列其中一端的驱动增益。

2 低音线阵列类型

在专业音频中，低音线阵列按照声波辐射的辐射方向有三种类型。

2.1 垂射线阵列（Broadside Arrays）

2.1.1 垂射线阵列

垂射线阵列是指几只低音音箱分布成一排（或者进行堆叠），主要的辐射波是垂直于线阵列。垂射线阵列是实际应用中最普遍的形式，这是大多数场所中能见到的典型的低音分布模式，采用堆放（水平排列）或者吊挂（垂直排列）。

垂射线阵列应用得如此普遍，是因为设计和设置它们都很容易。然而，这种方式在较宽区域获得好的低音效果还需要一些条件。图9～图12显示出了一些基本规则。

图9显示了长线阵列有着较窄的覆盖角度，而短线阵列的覆盖角度则较宽。

图10表明直线型线阵列的覆盖角度会变得更窄，且随着频率的增加会出现更多的波瓣。曲线型线阵列如果长度足够长，其指向性就更恒定。

图11所示的是阶梯型线阵列，其本质上跟倾斜线阵列相似。在考虑演出风格和外观时，为避免使用倾斜线阵列，就采用了阶梯型线阵列。

图12表明，由于覆盖角度加宽，阶梯型线阵列可以代替曲线型线阵列。这种情况下，阶梯型线阵列的声效更好。

2.1.2 堆放型线阵列

（1）覆盖宽度

水平堆放在一起的线阵列，其覆盖角度宽度往往是个问题。若直线排列的低音线阵列长度超过10英尺（3 m），那么，对大多数场合来说其指向性太强。

比如，图9表明一组由4只EV Xsub低音音箱组成的线阵列，其覆盖角度在60 Hz时只有90°。在更高的频点时，覆盖角度甚至更窄。

图10中左边的图是一个更明显的例子。这是一组由6只EV Xsub低音音箱组成的线阵列，线阵列本身长度大约为24英尺（7.3 m）。这个例子表明频率在60 Hz时覆盖角度为60°，而且与频率相关。通过将线阵列摆成曲线型或者阶梯型（见图12），或使用波束形成技术等，都可以使得覆盖角度模式变宽、变平滑。

（2）左右摆放的线阵列系统

对于左右摆放的线阵列系统，不但应了解每一组线阵列的覆盖角度，还要考虑这两组线阵列的覆盖角度。

如果能很好地控制其指向性，就可以使左边的线阵列只覆盖左边观众区，右边的线阵列只覆盖右边观众区。但是这样做是不可能的，因为覆盖区域重叠，且产生波瓣。该系统设计的挑战性就是减少波瓣的同时又能覆盖整个听众区。

当线阵列尺寸长于10英尺（3 m）时，就可以利用其窄覆盖角度特性来减少波瓣。将左右两组低音线阵列朝舞台外辐射，就可以减少中间区域的重叠覆盖，同时还能增加总体覆盖面。图13就说明了这点。图13的右边示意图中，低音线阵列是以30°的摆放角度朝舞台外辐射。null值变浅，90 Hz时的覆盖角度也已得到改善。

波束形成技术和朝舞台外辐射这两种方式可以达到类似的效果。图14所示的是将波束延时技术应用于图13那组线阵列中的效果图，结果还不错。

（3）大型中心堆叠线阵列

在大型场所或室外舞台，使用低音堆叠方式往往较方便，连续摆放的线阵列横穿舞台前面。如果波束延时技术用在这种结构中，效果会非常不错。图15是一排由12只Xsub超低音音箱组成的线阵列的指向性，其延时经过了优化。

图15展示了波束延时技术的一个细节，值得关注，对比一下延时值表格，就会注意到延时值不是等量变化，越靠近线阵列的末端，等级值会变大。这种情况比较典型。当你设计波束延时（使用LAPS或者其他一些模型工具），也许会发现在线阵列两端会出现更大的延时值，辐射方向和波束展宽应用方面都会取得更好的效果。

图16和图15中显示的线阵列覆盖角度模式相同。但是图16中的线阵列没有使用波束形成技术。其覆盖角度比较窄，且与频率更相关。这类线阵列很适用于覆盖距离远且窄的场所（比如巡游路线），但对于一般的音乐会，则建议用图15中的波束延时方案。

2.2 梯度线阵列（Gradient Arrays）

梯度线阵列是以特定的方式排列和驱动的，以便其指向性模式能像传声器指向性那样呈现心形或超心形。这种线阵列的低音音箱有多功能驱动通道（包括延时、滤波或极性反转等），以便达到某些效果。购买梯度线阵列后，可以作为单独的音箱使用，也可以把一只只低音音箱进行组合。

2.3 端射线阵列（Endfire Arrays）

它是由数只低音音箱以一定的距离间隔和所要求的辐射角度排列组成的，并且以相继延时的方式驱动，以便产生比较窄的覆盖角度。端射线阵列是一种等效于枪型传声器的扬声器系统。端射线阵列非常少见，只在特定远距离投射场所、户外或者大型场所使用。

（本文编译自www.prosoundweb.com相关文章。）