线阵列结构与结构的理论和实践

线阵列结构与结构的理论和实践

（2009年第33卷6月20日，上海港）。3.6线阵列合成音高材料的安装线阵列扬声器系统由于发展时间短，理论研究落后于实践，未知问题、模糊问题不少。经过笔者对线阵列扬声器系统理论的学习、梳理、研究，再加上实践的摸索和体会，有6个要点是比较明确的。这几条也成为线阵列扬声器系统设计的基本依据。(1）线阵列扬声器系统能改变垂直方向指向性，可控制垂直平面指向角。(2）线阵列扬声器系统的上限频率与扬声器单元的垂直距离成反比。笔者建议采用式（1）的结果作为设计依据式中：fk为垂直方向高频重放上限；C为声速（m/s）;D为阵列中两声源垂直距离（m）。(3）线阵列扬声器系统的下限频率取决于阵列总高度。(4）阵列的各独立声源产生的波阵面表面积之和，应大于填充目标表面积之和的80%。(5）在高频段使用压缩驱动器时，为了避免声干涉，必须为驱动器设计能辐射近似的平面声波的号筒。(6）线阵列扬声器系统在临界距离前（近场），近似辐射柱面波。在临界距离后（远场），辐射球面波。临界距离有多种相近公式，笔者建议采用式中：d为临界距离；f为频率；h为线阵列高度。以上6条经过理论的推算和实践的验证，是可行的。应作为线阵列扬声器系统设计的依据及要遵守的原则。通常已确认：线阵列扬声器系统音箱垂直方向上，单元之间的间距，直接影响到该单元垂直方向工作频率的上限。根据赵其昌教授的研究：同频率同相位的两列波叠加的结果是增加6.0dB；同频率、相位差为60°的两列波叠加的结果是增加4.8dB；同频率、相位差为90°的两列波叠加的结果是增加3.0dB；同频率、相位差为120°的两列波叠加的结果是增加0dB；同频率、相位差为180°的两列波叠加的结果是抵消。而相位差为180°，相当于两扬声器声程距离差为λ/2。上述结论可用图23形象表示。因此可知，线阵列中两扬声器间垂直距离λ/2是一个临界值。而低于λ/2（相当相位差为180°）不论是多是少，辐射波是存在的。两扬声器间垂直距离，是指两扬声器中心到中心的距离，这包括扬声器的直径、箱体边缘、边厚、两音箱间隙（如果存在的话）。式（1）同时回答了2个问题：(1）通常音箱大多是竖放的，而线阵列音箱都是横放的。这不仅为了悬挂方便。主要是为减小两扬声器间垂直距离，保证线阵列的高频重放。(2）线阵列扬声器系统悬挂时，从提高高频重放频率来看，音箱之间缝隙是有害的。一般Φ300mm扬声器的音箱在组成阵列时，上下2只Φ300mm扬声器之间的中心距离均在0.34m以上。这样线阵列音箱中Φ300mm扬声器垂直方向的工作频率上限应该在505Hz以下。对于线阵列扬声器系统，主要是使垂直辐射角度随频率的升高而逐渐减小。而水平面的指向要求有一个固定的角度。通常认为线阵列扬声器系统的水平辐射角度可比较宽，但也需要通过相应的设计和验证。在对称结构的线性音箱中，2只低频单元同时工作时，单元之间的中心距离必会影响到水平指向的扩展。一般情况下2只Φ300mm低频扬声器中间还有中、高频扬声器，所以2只Φ300mm低频扬声器的中心距离会达到0.6m以上。按水平辐射角度一般要求90°的情况，在较高频率上，2只低频扬声器各自的声波到达测量点时的声程差造成的声干涉，必须事先予以充分考虑。2单只低频区域本底测量曲线假设2只Φ300mm低频扬声器中心距离0.6m时；45°方向上测量点与音箱中心距离为4m,10m,30m,100m,200m。经计算造成的声程差分别为：0.423667m;0.424169m;0.424253m;0.424254m;0.424264m;0.424263m。由以上计算结果可看出；在水平45°方向上，测量点距离的变化造成的声程差的变化甚少，最大值不超过0.4243m。根据相干声波不同相位声压叠加原理：声程差超过某频率1/3波长（即有120°相位差）以上时，该频率声波将在该测量点产生干涉抵消现象。该上限频率计算公式为如上例：两声源中心间距0.6m，当两声源声程差为0.4243m时，造成120°相位差的频率即为270Hz。按以上方法设计的2只Φ300mm低频扬声器在水平45°方向上、270Hz以上频率将开始产生声压抵消现象。即只有2只低频Φ300mm扬声器共同工作在270Hz以下，才能充分保证水平45°方向上的-6dB指向性要求。但这只是理论计算最低的条件，单只Φ300mm低频扬声器工作时，45°方向与0°方向相比声压的衰减量因素，可事先用替代箱体近似测量。其测量曲线界面如图25所示。根据计算，2只扬声器同时工作时，在水平45°方向上声压叠加的曲线界面如图26所示。计算中2只Φ300mm低频扬声器中心距为0.65m，声程差为0.46m。根据实测的1只Φ300mm低频扬声器在近似箱内的水平方向45°指向的频响曲线。经过计算可得到2只Φ300mm低频扬声器共同工作时，在水平45°可能的模拟频响曲线界面如图27所示。同样根据1只扬声器在近似箱体中的0°频响曲线，也可模拟2只扬声器在设计的箱体中理想的0°频响曲线界面如图28所示。把图27～28综合在一起可大致预测设计中该音箱最终保证水平±45°，-6dB要求的最上限频率（此例约为245Hz）。最后实际制作箱体后的测量曲线如图29所示，基本符合最初的计算结论（最后实际两低频扬声器中心距为0.6415m）。从实测曲线看，2只低频扬声器同时工作，中心距离为0.6m以上，在水平方向左右45°，250Hz以上的频率，将产生声波干涉现象。而设计要求为：水平指向（-6dB）为90°（250Hz～16kHz）。由此验证可见，要求的水平指向性指标，在250Hz处即能满足要求。从以上计算数据和分析可看出，2只低频扬声器只能同时工作在250Hz以下频率，但是中频单元由于尺寸结构的限制，在250Hz左右一般失真较大。根据这种情况，笔者采用了与传统方法不同的设计：设计两低频扬声器共同工作在200Hz左右，在200～330Hz之间只用1只低频扬声器工作。从而避免了这个区域将会产生的水平方向干涉（干涉是2只扬声器造成的。同一箱体中当两只低频扬声器工作在200～330Hz之间，只有1只低频扬声器工作时也就没有相互干涉问题）。同时也满足了垂直方向线阵列的理论要求。在频率响应的均衡方面，选择中高频灵敏度比较高的低频扬声器，可满足响应均衡的要求。和低频扬声器类似，2只中频扬声器以偶极子方式工作时，可计算出水平方向大约在1550Hz以上频率会产生声波干涉现象。考虑到高频系统的灵敏度会高出中频6dB以上。电分频在1700Hz以下即可避免产生声波干涉。而垂直方向上中频扬声器的工作频率上限是2300Hz。因此中、高频分频在1700Hz可满足线性要求。这是一种从扬声器的实际情况出发，遵循音箱分频基本理论，也不拘泥于传统分频布局、优化性能要求的创造性方法。3.7低频、高频、热辐合的低频合成单种器市场用于线阵列系统的扬声器单元，除了电声性能和音质的一般要求以外，还有质量的限制，这是源自对音箱质量的限制。参照国家体育场钢结构的承重，并预留足够的安全系数，确定单只音箱不能超过60kg。这就要求各类单元在满足各项电声指标前提下，要尽可能降低质量。而扬声器的质量主要集中在磁路系统。质量轻的钕铁硼磁路系统成为首选。低频扬声器选用Φ300mm(12in）单元。在对一批国内外钕铁硼扬声器选型中，从灵敏度、功率、质量都可达到要求。单元的选型主要考虑音质和T/S参数与对应的箱体容积是否合适。设计中，对搜集到的国内外几款Φ300mm(12in）单元进行多方面测试试验和对比试听。最后选用了一款国外产的钕磁Φ300mm(12in）低频扬声器单元。其频响曲线如图30所示。另外，对钕铁硼磁路要特别注意散热问题，避免因过热而退磁。通过功率试验确定可满足要求。其主要技术指标：灵敏度为99dB；谐振频率为55Hz；有效频率范围为53～5000Hz;QMS为5.15。QMS>4，符合通用要求。可保证低频有较好的力度。中频扬声器的选型，根据线性理论要求及箱体的限制，外形尺寸必须在16.51cm(6.5in）以下。常见的Φ130mm～Φ165mm中频扬声器的灵敏度一般在92～98dB之间，功率在80～150W左右。要达到134dB以上的峰值声压级，需要使用4只Φ130mm～Φ165mm、灵敏度98dB左右、功率在150W左右的中频扬声器。从查到的资料看，国内外大多数能达到98dB的中频扬声器多数采用泡沫折环，它的最大问题是不耐用、容易受潮老化破裂，不适于国家体育场长期使用并有防雨要求的场合。在对比了国内外各种布折环、橡胶折环的Φ130mm～Φ165mm中频扬声器以后，最终选择了一种由锐丰公司自行开发的，并已在公司产品中使用过，灵敏度为98dB的布折环Φ165mm的中频扬声器。该扬声器音质评价较好，可满足总体音质要求。该中频扬声器频响曲线界面如图31所示。每只音箱中共有4只中频扬声器组成。对其质