提高线阵列扬声器系统性能的阵列处理技术

程一中

[摘要]介绍阵列计算（AC）仿真软件中的阵列处理（AP）技术的开发的因素、机理，以及在规划任何形式的固定安装或流动系统时的工作流程。

[关键词]线阵列扬声器系统；阵列计算仿真软件；阵列处理；扩声调音位

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.08.009

在“影视录音应用技术交流研讨会”。上，GertSanner（戈特桑纳尔）先生介绍了针对线阵列扬声器系统开发的阵列处理（Array Processing，AP）技术。阵列处理技术是d&b公司阵列计算（Array Calc，AC）仿真软件中所采用的技术，该软件是为规划该公司阵列扬声器、音柱、点声源扬声器及超低音扬声器的系统配置而开发的工具。笔者依据会上的交流内容，又搜集、阅读了有关资料，系统地梳理了AP技术的开发背景、工作机理、工作流程。笔者希望通过本文，将这项技术向更多的业内人士传播，以有助于大家获取对提高自己业务有帮助的、有实践意义的信息。

1 阵列处理技术的开发原因及其优势

一项新技术的开发基于各种各样的原因。阵列处理技术的开发主要基于以下因素。

1.1 扬声器声音覆盖的频谱不均匀性

众所周知，对于需要扩声的受众（本文中将“观众”或“听众”这两个词合并为“受众”，直接对等于英文Audience，以避免造成概念的混淆），区域形式及声环境情况错综复杂，受各种因素的影响，使得扬声器的声音在辐射过程中存在频谱不均匀现象。这种频谱不均匀性，会造成不同受众的听感差异。

通常，一个给定情况下的线阵列设置是按在中高频范围（2kHz到4kHz）内，按随距离优化声压分布的方法来规划的。这对于单个扬声器系统来说要求有一个特别的纵向指向，或称垂直指向，它由扬声器系统之间的张角来决定。然而，阵列在低频段（100Hz到1000Hz，频率范围取决于阵列长度）的发散是整个阵列弯曲度的直接结果，这个弯曲度是扬声器系统张角设置所建立的（并不是由单个扬声器系统的指向所建立）。这经常会在中高频范围建立不同的随距离声压分配，见图1。

从图1可知：从场地的前面到后面会产生不均匀的频谱平衡关系，也就是在接近阵列的地方声音丰满但过于温暖，而在离阵列远的地方，声音就变得干瘪和生硬。其实，这个现象是人所共知的，也是线阵列一开始在现代扩声中应用就饱受诟病的原因。

另一个为人们熟知的例子就是，当用一个大弯度阵列覆盖陡峭的座位区时，频谱响应有很大的变化，而这样的阵列往往用来做外侧补声和阶梯座位及楼座270°的应用。在最高的座位处听到的声音十分干瘪，在中间部位的座位处，有很强和令人讨厌的中低音声束，而当接近舞台时再次消失。在这些情况下，人们经常可以感觉到中频低端的声压分布并不遵从阵列的形状。

基于以上情况，d&b公司开发了AP阵列处理技术，目的是为了给聆听位置提供一致的频率响应，以解决以上那些令人头疼的问题。最终结果是，在Foil（front ofhouse，扩声调音位）处听到的声音，也能在任何其他地方听到。这就是说，扩声调音师做的混音效果，将对在现场的任何人都有效。

1.2 弥补空气吸收的影响

扬声器系统的扩声应用中，同样会发生声音在扩散过程中被大气环境中的空气所吸收，从而导致衰减的现象。因此，阵列处理在它的计算中也包括了空气吸收的影响，并对所有相关的扬声器系统提供精密和无缝的校正。这不仅仅是提供近远场更加一致的音色频率平衡，而且在系统具有足够动态裕量的应用场合，它可以使声音投射区得到扩展，从而大大减少对延时系统的需求。

1.3 操作灵活性

线阵列扬声器一旦安装固定，就很难再从机械上进行调整。这是很多线阵列扬声器制造厂面临的问题。而阵列处理技术的开发目标之一，就是可以调整受众区的声压分布，按需减小受众区前部的声压，并改变在受众区后部声压下降过多的问题。另外，阵列处理还可以对阵列使用中的不同设置进行对比，以确保获得最佳效果。AP的这一功能可以应付现场多变的情况。

1.4 声音的可懂度

扩声系统的可懂度是评价系统最终效果的重要因素，可是往往由于现场建筑声学等众多前期无法准备界定的因素，会造成受众反应声音听不清楚等问题。d&b公司的工程师发现，在很多应用场合，对指向性控制越准确，越不容易激励混响声场，从而导致可懂度的改善。因此，对可懂度的考虑也是阵列处理技术的另一个重要功能。

1.5 受众健康和安全

人体的健康和安全是一个在中国娱乐业往往被忽略的问题。尽管中国一些有识之士，如宋效曾、王以真先生等曾经在一些会议及杂志上，提出过“声暴力”损害受众听觉、危害身心健康的问题，但娱乐综艺场所依然如故，一味追求高声压、强刺激，全然不顾现场受众的心理和生理健康。其实，人们早就发现，长期身处大声压下的乐手，失聪比例高于普通人群；而经常出没于KTV或类似场所的青年人，也不断收到听力损伤报告。先进国家和地区已经吸取了这些惨痛的历史教训，开始通过法律形式严格控制声音污染和其造成的危害。因此，阵列处理技术采取了有效均衡前后受众区域声压的措施，见图3，一方面不仅有助于避免受众席前排出现伤害性声压，另一方面可以使受众席其余部分的声压仍能保持在理想的程度。

2 阵列处理的工作机理

2.1 扬声器的仿真模型

阵列处理技术，要求对扬声器的声辐射仿真更加准确，因此，特地开发了一套统一、精准且自适应的扬声器模型，用于对扬声器系统的仿真。该模型对每个声源的型号、尺寸和频率范围提供恰到好处的细节描述：高分辨率用来提供线阵列扬声器尖锐的高频（HF）声波发散情况的精确描述；中等分辨率用来描述点声源和指向性超低音扬声器系统的发散特性；而低分辨率则用于全向性超低音扬声器。同时，阵列处理技术算法还会考虑和纠正由相邻扬声器系统所产生的折射效应。

如目标点沿着聆听区声辐射剖面以20cm间隔分配（沿着阵列声辐射剖面与所有匹配的聆听平面的交叉点），当阵列处理第一次计算每个声源对每个聆听位置的贡献时，采用每倍频程24个频率的高频谱分辨率，使得每个目标点在10个倍频程音频带宽范围内，总数达240个独立计算频点，见图4。最终数据以矩阵形式保存，并用作所有进一步计算的基础。由于阵列处理是基于与频率有关的FIR滤波器技术，因此处理这高达240个频点所需时间是5.9ms。

阵列处理优化程序将据此在所有这些目标点上，首先设立统一的目标频率响应。这个频率响应就是基准响应，这是对d&b线阵列控制器以普通（未处理）方式设置调音，所做的初始化定义。这个响应在大约140Hz以上对所有d&b线阵列扬声器系统都是一样的，低于这个频率时，每个系统有其自己的低频（LF）延伸特性，这取决于具体的扬声器系统设计。

值得注意的是，由阵列处理算法建立的响应与阵列长度、弯度及系统构成形式无关。任何采用阵列处理的线阵列扬声器系统的设计，将提供相同的声音特性曲线。使用多组通过阵列处理的线阵列（后补声、外补声、延时扬声器系统等）任何组合时，并不需要一个个去调整和维持统一的声音覆盖区，无论是使用CPL（耦合）还是主均衡功能，都可完成系统响应的调整，服务于所有聆听区域，如图5所示。

2.2 可设定的用户参数

用户可以规定所期望的聆听剖面声压分配。只要通过对聆听区域剖面的三个不同部位（前/中/后）设定声压下降值（每距离加长一倍衰减的dB数）的简单方法，就可以完成这个任务。另外，还可以对指定的聆听平面应用进行声压补偿。

此外，还有一个有用的参数：“有力Power/绚丽Glory”推子，这个推子用来定义处理风格的侧重点。如果需求在于最大声压和系统动态裕量，选择“有力”；如需求在于最佳匹配目标声压分配和频率响应，选择“绚丽”；中间位置通常提供参数的最佳平衡，见图6。

用户可以设定多达10个不同组合的参数设置，存入放大器的“AP插槽”中，并使用R1遥控软件来选择。不同AP插槽之间的切换几乎达到实时的程度，但是由于它会中断音频节目大约零点几秒，所以不推荐在演出过程中进行切换。

2.3 保持声音的完整性

每个线阵列单元各自的FIR滤波，很容易破坏系统声音的完整性。因此，AP技术的秘密在于对算法和所有生成的传输函数之间的有效约束，每个频率的计算结果都需要与邻近频率相关，以确保滤波器响应的连续性。因此，系统效率、动态裕量和时间相关性必须得到保证。

2.4 不同频率的不同对策

对于较低频率范围，所有声源对大多数聆听位置都有贡献，AP技术基本上只修改时差校正，但同时保持所有声源提供相等的声压。据此可以画出其结果，像一条阵列对频率的可变虚拟曲线如图7上所示；对于较高的频率范围，各个声源只覆盖聆听区的一小部分，算法逐渐转到传输函数的各个声源幅值均衡，其虚拟弯曲曲线如图7下所示。这些频率范围之间的过渡是连续的，始终要考虑阵列中所有单元之间的连贯关系，确保整场声音覆盖的完美和稳定，见图8。由于AP技术精确匹配并补偿了在实际大气条件及空间几何关系下的空气吸收，这将代替对每只扬声器选择特定HFC（高频补偿）设置的手动处理。

2.5 优化结果的显示

每个插槽的频率响应和声压分配优化结果，在处理之后会显示出来，如图9所示。

2.6 超低音扬声器

阵列处理对有超低音扬声器构成的混合阵列也有效。然而，为了保持5.9ms的延迟，阵列处理将不能对超低音扬声器音柱的指向性做大幅度修改，但宁可保证它们的时序排列和频率响应与线阵列匹配。

2.7 计算速度

对于流动应用场合，计算速度是一个至关重要的方面。用户应该始终能够对不断变化的需求（如大气条件、受众出席情况、前排或后排的声压调整等）做出及时的反应。对于覆盖轮廓为100m受众区的20个阵列扬声器系统的典型应用，从阵列处理的初始化到为放大器激活滤波器组，计算时间不到一分钟，而且只需要一台标准笔记本电脑就可以完成。

3 AC软件及AP技术的应用

作为AC软件（V8版）的一部分，AP无缝地集成到AC软件的应用中，并不会对系统声音特征或使用方便性做出让步。

（1）规划过程以众所周知的方式开始：阵列定好位置（使用在d&bTI385文件第10.7章的推荐方法，对2kHz～4kHz频段人工分布，以达到声压分配，也可在网上找到AP的教学视频）。

（2）启用在AC中的扬声器特定AP选项，R1遥控软件提供调用更多的附加处理功能。

（3）设置阵列形状（弯曲/直线），空气吸收（HFC）补偿是没必要的，因为它们已经嵌入AP的算法中。

（4）AP是按原始基准响应来设定所用系统的目标频率相应的。可选的CUT（低切）模式如通常一样的作用，减小低频声压。于是，声源按使用系统专用的超低音扬声器来配置。

（5）CPL作用的改变。即使AP起作用，仍然设有CPL功能。然而，它原有对阵列长度和弯度的补偿功能，却被AP为每个阵列提供统一的目标频率响应的功能所取代。使用AP后，CPL将提供另外的用户参数，如为满足场地声学或者不同声音的需要，调整系统的音调平衡。在系统中使用所有AP过的线阵列，应该都设置成同一个CPL值。

（6）AP是计算和设计一个线阵列整体行为的一项功能。当d&b公司的系列线阵列扬声器系统采用最新一代d&b放大器来驱动时，利用该附加功能可以大大增强它们的性能。

（7）AP在实体上仍然使用经过适当设计和定位的常规线阵列设置。该阵列必须提供为有效地覆盖受众区所要求的纵向扩散角和足够的声学输出。在一个阵列内，可能会有将具有不同横向扩散角的扬声器组合使用（现场可能有不同的需求）的情况。

（8）AP为阵列中每一只扬声器系统创建各自独立的一组FIR和IIR滤波器，每只扬声器系统都要有自己专用的放大器通路。这些滤波器对由阵列产生的声音做整形，以精确匹配由用户定义的声压分布，以便在指定的受众区内获得均匀的频率响应。

（9）除对阵列中每只扬声器系统作各自独立的放大，AP需要通过OCA（Open Control Architecture开放式控制结构）以太网来遥控这些放大器。使用AP功能是可选的，也就是说根据需要的情况和时间，来决定对特定的应用场合是否启用该项功能。

（10）AP会附加5.9ms的延迟，加上d&b放大器自身的0.3ms，总共仅有6.2ms延迟。

4 AC软件的使用流程

AC仿真软件是一个综合性的工具箱，在规划任何形式的固定安装或流动系统时，几乎可以完成包括与电声学设计、性能预测、摆位、吊装和安全性参数等有关的所有任务。为了声学和安全，需要使用AC仿真软件来设计d&b线阵列，包括扬声器数量及最佳指向的确定，超低音扬声器阵列及其对主阵列的时差校正的计算，阵列重量及总体尺寸的文件编制，以及吊装图和零部件清单等图表的打印工作。AC仿真软件可以提供它所仿真系统的完整细节，包括扬声器、放大器、遥控ID、编组及所有的配置信息。与遥控网络相结合，把系统数据从AC传送给R1遥控软件程序，再把这些数据安装到d&b放大器上去，无需任何人工干预。其精确的仿真，大大缩短了在巡回演出等应用时的设置和调整时间。具体规划流程如下。

（1）以在三维场地模型中创建受众区，编辑聆听面。

（2）帮助功能使用激光测距仪和倾角仪，以获得场地的尺寸。

（3）确定d&b扬声器（线阵列、点声源和超低音）在应用中的摆放位置并设定它们的配置。

（4）对整个定义的区域进行声压级分布计算，并对从63Hz～8kHz范围内选定的频带作三维形式的显示。

（5）受众区绝对声压级的计算，包括对不同输入信号时系统动态裕量的监管。

（6）对整个场地可进行多达14个不同阵列对的组合设置，加上以左右组合落地堆放，或者按以下方式排列的超低音扬声器：

①作为超低阵列，使用可控横向扩散选项，可选择多达51个位置；

②集成进线阵列的吊挂超低音扬声器，或者独立悬挂。

（7）对系统中所有声源的时差校正进行分析和设定。

AC仿真软件可以在Windows（Win7或者更高的版本）以及苹果OS X（10.6或更高的版本）操作系统中独立应用。

5 结语

d&b公司线阵列系统由于应用了阵列处理技术，对其扬声器产品的指向性控制，尤其对横向平面辐射可以获得极好的效果；通过严谨而精确地调整内部单元的方法，使系统实现平滑、有效地覆盖整个工作频带宽度；经调整可以做到多个线阵列的垂直指向性相同；采用传统方法决定的人工阵列设置，和对每个扬声器使用FIR及IIR滤波器生成不同处理设置的能力相结合，将安装到驱动每个阵列的各个放大器中；为了得到稳定的阵列性能，在阵列处理中采用一个固定的目标频率响应，使在项目中的多个线阵列之间实现频谱的连续性，即使当采用不同的人工设置，或者包括了由不同d&b扬声器系列构成阵列时也能如此，稳定的频谱性能可为整个受众环境传送声音的平衡，大大减少系统最终微调所需要的时间；阵列处理方法可以在阵列纵向覆盖角度范围内，为不同区域调节声压随距离的衰减量，同时，也能补偿高频空气吸收效应随距离的变化；处理速度快又好用，只附加5.9ms的系统延迟，同时对整个受众区稳定地提供相同的声音质量。

最后要说明的是，该技术只能运用在d&b公司线阵列系列产品上，因为整个算法的基础是基于这些扬声器的精密制造工艺，致使其产品性能稳定、一致性强。这也说明即使进入了几乎无所不能的计算机时代，基础产品仍然需要精密而可靠的机械加工，且无法用计算机技术去掩饰或弥补基础性的缺陷。

（编辑 杜青）