漸變指向性陣列揚(yáng)聲器新技術(shù)在專業(yè)劇場(chǎng)擴(kuò)聲中的應(yīng)用

    漸變指向性陣列揚(yáng)聲器新技術(shù)在專業(yè)劇場(chǎng)擴(kuò)聲中的應(yīng)用

    封志剛,Ph.D.1李晴2 張馳3

    (1-3.美國(guó)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(yáng)聲器系統(tǒng)被應(yīng)用于劇場(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境時(shí)，由于建筑聲學(xué)條件，如反射和混響，以及陣列化和增益的影響，導(dǎo)致?lián)P聲器系統(tǒng)的性能及觀眾實(shí)際聽(tīng)感遇到極大挑戰(zhàn)。本文回顧了常規(guī)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的原理和性能，探討理想陣列揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性，從而引入一種全新的陣列揚(yáng)聲器理論和技術(shù)——漸變指向性陣列，并將此技術(shù)及解決方案應(yīng)用于實(shí)際劇場(chǎng)擴(kuò)聲案例，可以克服室內(nèi)環(huán)境帶來(lái)的復(fù)雜影響，獲得最佳的聲場(chǎng)覆蓋均勻度，進(jìn)一步提升音色平衡性和語(yǔ)言清晰度。

    關(guān)鍵詞：陣列揚(yáng)聲器，建筑聲學(xué)，漸變指向性陣列，音色平衡，聲場(chǎng)均勻度，語(yǔ)言清晰度

    引言

    線性陣列揚(yáng)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(guò)線性傳輸方式，提高傳輸距離，降低聲音傳輸過(guò)程中的衰減度。線性陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)下端常常有一點(diǎn)稍稍的彎曲，目的是為得到更大的垂直覆蓋角。主體部分對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)，彎曲部分對(duì)近場(chǎng)。線性陣列的概念并不是而今才有的，最初是由美國(guó)著名聲學(xué)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(xué)專著『聲學(xué)工程』(AcousticalEngineering)，論述了線性陣列適合遠(yuǎn)距離聲輻射。這是因?yàn)榫�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(kuò)聲效果。

    線陣音箱的主要應(yīng)用場(chǎng)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(huì)的應(yīng)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(lè)會(huì)而開(kāi)發(fā)的，這種演出的場(chǎng)地大，觀眾多，導(dǎo)致聲壓的遠(yuǎn)距離傳輸損耗問(wèn)題嚴(yán)重。該系統(tǒng)對(duì)這類應(yīng)用很有效，因?yàn)榫�陣列揚(yáng)聲器陣列位于舞臺(tái)的兩側(cè)，使得大部分觀眾都處于垂直于揚(yáng)聲器陣列的主要覆蓋區(qū)域內(nèi)，水平覆蓋范圍足夠?qū)�，以便為所有現(xiàn)場(chǎng)觀眾提供足夠的聲能量，包括舞臺(tái)兩側(cè)以及正面的觀眾，這已經(jīng)成為巡回演出擴(kuò)聲應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

    這項(xiàng)新技術(shù)很快就開(kāi)始用于固定安裝，尤其在劇場(chǎng)演出場(chǎng)地。但是，當(dāng)我們利用傳統(tǒng)線陣列模塊構(gòu)建揚(yáng)聲器系統(tǒng)用于室內(nèi)擴(kuò)聲的固定安裝時(shí)，存在兩個(gè)重大問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是，為了適應(yīng)室內(nèi)觀眾座位布局，揚(yáng)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(kāi)形成一個(gè)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(yīng)。而陣列的上半部分也要求形成一個(gè)弧形的形狀，而不是直線，以避免耗散多余的能量。同時(shí)，由于室內(nèi)觀眾的分布，必須對(duì)不同模塊進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，否則會(huì)造成近場(chǎng)觀眾區(qū)聲壓級(jí)過(guò)大，而遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)過(guò)小，而增益調(diào)節(jié)進(jìn)一步影響聲場(chǎng)分布和音色平衡。簡(jiǎn)單地說(shuō)，傳統(tǒng)的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法完全滿足室內(nèi)擴(kuò)聲的需要，傳統(tǒng)線陣列的非預(yù)期使用，使得不同輻射方向上的頻率響應(yīng)差別很大。第二個(gè)問(wèn)題與水平覆蓋控制有關(guān)。傳統(tǒng)線陣列具有寬廣的水平覆蓋，滿足大型戶外場(chǎng)地的擴(kuò)聲需求，但這一特性在固定安裝的室內(nèi)環(huán)境里造成來(lái)自側(cè)墻和天花板的聲反射，極大影響主觀眾區(qū)內(nèi)的音色平衡性和清晰度。

    如上所述，傳統(tǒng)線列陣揚(yáng)聲器系統(tǒng)用于劇場(chǎng)等室內(nèi)擴(kuò)聲遇到建聲環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)，無(wú)法滿足室內(nèi)擴(kuò)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(shù)解決這些問(wèn)題，必須提供以下性能特點(diǎn)，才能理想地應(yīng)用于室內(nèi)固定安裝的擴(kuò)聲系統(tǒng)。

    陣列的每個(gè)模塊的覆蓋角度模式能覆蓋其指向的座位區(qū)域。

    每個(gè)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(fù)雜的覆蓋面形狀來(lái)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(duì)音色平衡性的影響

    由模塊構(gòu)成的揚(yáng)聲器陣列必須真正地陣列化，無(wú)論大小和結(jié)構(gòu)如何

    由多個(gè)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(gè)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(nèi)具有一致的音色平衡性

    1.建筑聲學(xué)對(duì)音色平衡性的影響

    1.1揚(yáng)聲器模塊投射角度控制對(duì)音色平衡性的影響

    為了討論室內(nèi)建筑聲學(xué)特性對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)音色平衡性的影響，對(duì)比了同一個(gè)房間在三種不同的平均吸聲系數(shù)的情況下的頻率響應(yīng)。對(duì)四種不同類型的揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行比較，每個(gè)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(yáng)聲器)，小規(guī)格號(hào)角(典型的線陣列)以及中等規(guī)格號(hào)角(更好的覆蓋角控制)。中等規(guī)格號(hào)角的覆蓋范圍已在所有頻段(1kHz及以上)被設(shè)置為與觀眾座位區(qū)的形狀一致，而小規(guī)格號(hào)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(chǎng)仿真軟件，因?yàn)槠溆?jì)算的準(zhǔn)確性已被認(rèn)證11)。圖1以1k-4kHz的平均聲壓級(jí)圖對(duì)比展示了各種類型的揚(yáng)聲器系統(tǒng)向地面、墻壁和天花輻射的能量。頻率響應(yīng)是在同一房間的相同位置計(jì)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(dāng)揚(yáng)聲器的指向性幾乎不采取控制時(shí)，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(hào)角的投射角度控制優(yōu)于小規(guī)格號(hào)角，可以進(jìn)一步減少能量的損耗。

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

    不同類型的揚(yáng)聲器由于房間的吸聲特性不同而造成頻率響應(yīng)的變化，結(jié)果如圖2所示。

    請(qǐng)注意，這些頻率響應(yīng)已相對(duì)于直達(dá)聲響應(yīng)進(jìn)行了歸一化。結(jié)果顯示，采用較少指向性控制的揚(yáng)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(shí)。

    圖2：不同類型的揚(yáng)聲器系統(tǒng)由于房間聲學(xué)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(yáng)聲器，在保持音色平衡性方面有顯著的優(yōu)點(diǎn)，可以不受房間特性的影響。

    2.陣列化對(duì)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(yīng)

    沒(méi)有方法能夠完全避免兩個(gè)具有一定物理間隔的聲源之間的相位抵消。兩個(gè)聲源之間的距離必須足夠小，以確保在有用的頻段內(nèi)，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(shuō)，傳播距離越短，相位抵消效應(yīng)就越嚴(yán)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(nèi)控制輻射方向。當(dāng)一個(gè)線陣列的傳播距離相比于自身尺寸超過(guò)一定范圍時(shí)，線陣列就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)點(diǎn)源。在技術(shù)上不可能完全消除相位抵消效應(yīng)，除非我們能找到一個(gè)沒(méi)有物理尺寸的聲源。實(shí)際上，如果我們能夠把相位抵消現(xiàn)象移動(dòng)至主要可聽(tīng)聲的頻段以上，這將大有裨益。自然，這里會(huì)牽涉到關(guān)于何為主要可聽(tīng)聲頻率上限的爭(zhēng)議，然而我們經(jīng)過(guò)一些比較，認(rèn)為只要把抵消現(xiàn)象移至10kHz以上，就能得到不錯(cuò)的性能，而且比目前市場(chǎng)上的其它解決方案要好。這意味著，兩個(gè)聲源的傳播距離之差必須小于17.0mm(10kHz頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的1/2)�？紤]到擴(kuò)聲揚(yáng)聲器的典型應(yīng)用，我們還假設(shè)最小的傳播距離為10米。有了這些假設(shè)，兩個(gè)聲源之間的最大間距離就可以計(jì)算出來(lái)，如果我們限制最大的目標(biāo)角度覆蓋范圍為正負(fù)30度(合計(jì)60度)，就應(yīng)為33.9mm或更小。這就意味著，兩個(gè)相鄰模塊的波導(dǎo)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(dú)特的具有可變號(hào)角喉部的導(dǎo)波管結(jié)構(gòu)已被BOSE公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，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?qū)崿F(xiàn)這一有富挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

圖3：連續(xù)弧形衍射單縫歧管

    喉部適配器出口的實(shí)際尺寸為60mm(高)x15mm(寬)。相鄰揚(yáng)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(gè)模塊的頂板和底板。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)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(shí)能夠獨(dú)立地從0到60度配置每個(gè)模塊的垂直覆蓋角。

    2.2不同類型的揚(yáng)聲器模塊構(gòu)成的陣列的輻射特性比較為了在預(yù)期覆蓋角內(nèi)觀察陣列頻率響應(yīng)的一致性，由不同類型揚(yáng)聲器模塊構(gòu)成的陣列的輻射特性通過(guò)Modeler可用的算法進(jìn)行了計(jì)算。各類型的揚(yáng)聲器模塊的構(gòu)造和設(shè)定如圖4所示。

圖4：用于陣列輻射特性比較的揚(yáng)聲器模塊的結(jié)構(gòu)和設(shè)定

    目標(biāo)垂直覆蓋角度設(shè)定為80度，進(jìn)行的比較如下：兩個(gè)具有40 度垂直覆蓋角的模塊用來(lái)表示一個(gè)典型的點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器解決方案。同時(shí)使用了兩種不同類型的線陣列模塊，一個(gè)具有0度的波陣面，另一個(gè)具有5度的波陣面。每個(gè)模塊內(nèi)的虛擬聲源被設(shè)置得足夠小，以實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)的連續(xù)源假設(shè)。八個(gè)模塊用以實(shí)現(xiàn)80度的覆蓋角。相鄰模塊的號(hào)角喉部的頂部與底部之間的距離被設(shè)定為90mm，以表示當(dāng)今線陣列模塊的典型結(jié)構(gòu)13)14)15)。

    我們使用了八個(gè)BOSE公司專利的新型揚(yáng)聲器模塊(每一個(gè)都具有10度輻射角且由6只可變號(hào)角適配器構(gòu)成)，每個(gè)模塊之間有30mm 的間距。每種類型的揚(yáng)聲器模塊的響應(yīng)計(jì)算結(jié)果以極坐標(biāo)形式示于圖5。由點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器模塊構(gòu)成的陣列表現(xiàn)出顯著的相位抵消現(xiàn)象，每個(gè)頻帶都會(huì)在一些特定的輻射角出現(xiàn)相位抵消，而對(duì)于線陣列，在每個(gè)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(wú)關(guān)。每個(gè)線陣列模塊的軸線方向不會(huì)出現(xiàn)相位抵消。然而，無(wú)論每個(gè)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(dāng)增加模塊之間的擴(kuò)張角度以實(shí)現(xiàn)更寬的垂直覆蓋角，或者對(duì)于同樣的垂直角度減少模塊的數(shù)目時(shí)，情況將會(huì)變得更糟。與此相反，正如我們所預(yù)期的，如果陣列由多個(gè)BOSE獨(dú)特導(dǎo)波管技術(shù)模塊構(gòu)成，則在所有頻段范圍內(nèi)，相位抵消效應(yīng)幾乎被完全消除。

圖5：由不同類型的揚(yáng)聲器模塊構(gòu)成陣列的響應(yīng)，由極坐標(biāo)表示

    3.增益調(diào)節(jié)對(duì)音色平衡性的影響

    對(duì)個(gè)別揚(yáng)聲器模塊的增益調(diào)節(jié)通常用來(lái)補(bǔ)償遠(yuǎn)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(huì)避免在靠近揚(yáng)聲器陣列的觀眾處產(chǎn)生過(guò)大的聲壓級(jí)，同時(shí)為離陣列很遠(yuǎn)位置處的觀眾輸送足夠大的聲壓級(jí)。近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)于近場(chǎng)模塊有12dB的衰減，而這一衰減意味著揚(yáng)聲器模塊和功率放大器僅有不足10%的能量可被利用，反過(guò)來(lái)說(shuō)有90%的能量被浪費(fèi)。對(duì)陣列中的每個(gè)模塊進(jìn)行衰減也意味著每個(gè)聲源的振幅都會(huì)發(fā)生變化。另外，對(duì)陣列中的各個(gè)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(huì)發(fā)生變化。但是可以理解，保持每個(gè)模塊以相同的幅度和相位，是在很寬的頻帶提供預(yù)期的輻射特性的關(guān)鍵。這點(diǎn)很重要，因?yàn)轭l帶內(nèi)均等的輻射才能得到目標(biāo)覆蓋角內(nèi)一致的音色平衡性。我們給每個(gè)聲源(模塊)施加不同大小的衰減量，然后計(jì)算不同類型的模塊所構(gòu)成的陣列的極坐標(biāo)響應(yīng)。目標(biāo)垂直覆蓋角被設(shè)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(gè)螺旋陣列結(jié)構(gòu)。其中螺旋陣列的每個(gè)模塊的目標(biāo)覆蓋角連續(xù)變化，從而能夠補(bǔ)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(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的類比，就是由號(hào)角構(gòu)成的陣列，其具有40x20度的近場(chǎng)投射，60x40的中場(chǎng)投射，以及90x60的遠(yuǎn)場(chǎng)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(rèn)為是零。被測(cè)試的陣列的結(jié)構(gòu)和垂直覆蓋角如圖6所示。

圖6：用于增益研究的陣列的結(jié)構(gòu)和目標(biāo)覆蓋角(60度)

    本研究分別以如下三種條件計(jì)算出的極坐標(biāo)響應(yīng)：第一種是沒(méi)有增益衰減，第二種是給整個(gè)陣列施以6dB增益差，最后一種是給整個(gè)陣列施加12dB增益差。每種結(jié)構(gòu)施加增益后的極坐標(biāo)響應(yīng)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(wú)法提供一致的音色平衡性。這是線陣列的性質(zhì)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(biāo)區(qū)域內(nèi)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(méi)有施加增益的情況下，提供了目標(biāo)區(qū)域內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)的一致的輻射方向圖。這背后是恒指向性號(hào)角的理論。當(dāng)施加增益以補(bǔ)償距離損失時(shí)，輻射方向圖開(kāi)始變化。與此相反，由新型陣列模塊構(gòu)成的螺旋陣列有漸變的輻射角，可以提供近場(chǎng)輻射的衰減，以及各個(gè)頻帶一致的輻射方向圖。當(dāng)施加增益以提供對(duì)距離損失更強(qiáng)的補(bǔ)償時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)就被破壞了。

    4.常規(guī)陣列與漸變指向性陣列在實(shí)際應(yīng)用中的對(duì)比

    4.1漸變指向性陣列的定義

    當(dāng)構(gòu)成揚(yáng)聲器陣列的模塊各自在水平和垂直方向均有獨(dú)特的輻射角度，以適應(yīng)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，就可以選擇每個(gè)模塊的角度，從而幫助補(bǔ)償每各模塊間的距離損失。這樣做是很自然的，因?yàn)橄蚪鼒?chǎng)觀眾區(qū)輻射能量的模塊需要寬廣的方向，而指向遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)概念，室內(nèi)建筑聲學(xué)的影響可以消除，從而獲得預(yù)期的而且一致的頻率響應(yīng)。使用新型導(dǎo)波管來(lái)消除模塊間的相位抵消也同樣重要，因?yàn)橄辔坏窒�也同樣可以劣化在陣列覆蓋區(qū)域內(nèi)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(yáng)聲器系統(tǒng)，稱為漸變指向性陣列(ProgressiveDirectivity Array,PDA)，用以實(shí)現(xiàn)上述特征和要求。這就建立了一種全新的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)類別，并且相比于現(xiàn)存的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)能夠?yàn)閯��?chǎng)等室內(nèi)擴(kuò)聲提供更好的性能。

圖7：不同增益情況下陣列的極坐標(biāo)響應(yīng)(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(gòu)成的揚(yáng)聲器陣列的好處總結(jié)如圖8，與由具有固定的垂直和水平指向的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器模塊構(gòu)成的陣列進(jìn)行對(duì)比。由漸變指向性陣列模塊構(gòu)成的陣列能夠在目標(biāo)區(qū)域提供精確的覆蓋控制和均勻的聲壓級(jí)，但是一個(gè)由固定覆蓋角度的模塊所構(gòu)成的線陣列則要求其近場(chǎng)和中場(chǎng)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(yáng)聲器模塊和(b)漸變指向性模塊構(gòu)成的揚(yáng)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(gè)陣列，分別由典型的線陣列模塊和漸變指向性陣列模塊構(gòu)成，被設(shè)計(jì)用于比較實(shí)際應(yīng)用中的性能。目標(biāo)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(jié)構(gòu)也相同。這一比較中所用的七個(gè)線陣列模塊形成70度的垂直覆蓋角，每個(gè)模塊的擴(kuò)散角設(shè)為10度。兩個(gè)陣列的覆蓋圖(1-4kHz均值)如圖9所示。線陣列的每個(gè)模塊均被施加增益，以補(bǔ)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(gòu)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(jié)論。由線陣列模塊構(gòu)成的陣列的覆蓋圖表現(xiàn)出模塊之間的接縫，覆蓋既有過(guò)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(méi)有接縫，與目標(biāo)區(qū)域匹配更好。施加到線陣列的每個(gè)模塊上的增益，從第一個(gè)到下面最后一個(gè)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(fèi)了。

    圖10顯示了覆蓋區(qū)域內(nèi)六個(gè)位置的頻率響應(yīng)的比較。參考響應(yīng)是這六個(gè)位置的響應(yīng)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(yīng)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(gòu)成的陣列的六個(gè)位置的頻響變化的比較

    5.漸變指向性陣列在藝海劇場(chǎng)擴(kuò)聲中的應(yīng)用

    藝海劇院地處上海市靜安區(qū)江寧路466號(hào)、康定路交匯處，與靜安體育中心毗鄰，建成于2001年。此次歷時(shí)一年多的修繕是藝海劇院建成以來(lái)的首次大修，劇院將定位于音樂(lè)劇專屬劇場(chǎng)，集演出、排練、孵化于一體。大劇場(chǎng)的座位也從999 座增加到了1038 座。藝海劇院整個(gè)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(tái)口寬約15m。觀眾席有二層眺臺(tái)深約8m，舞臺(tái)前部有升降樂(lè)池，整體結(jié)構(gòu)上是一個(gè)中型劇院。

    藝海劇院改造項(xiàng)目的擴(kuò)聲設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，業(yè)主對(duì)揚(yáng)聲器的安裝位置有著嚴(yán)苛的要求，因?yàn)槭歉脑祉?xiàng)目，安裝位置和聲橋的開(kāi)孔尺寸都有限制，必須將擴(kuò)聲揚(yáng)聲器安裝在這些固定好的聲橋內(nèi)，同時(shí)又要要滿足均勻的覆蓋，清晰的人聲表現(xiàn)及一致的音樂(lè)平衡性。因此，我們通過(guò)Bose的聲場(chǎng)模擬分析軟件Modeler，對(duì)揚(yáng)聲器的安裝位置及角度進(jìn)行多次聲場(chǎng)模擬分析，最終采用非對(duì)稱水平角度的弧形曲率陣列揚(yáng)聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的音色平衡，減少側(cè)墻反射(從圖11可以看出，打在側(cè)墻的聲能量幾乎沒(méi)有)，對(duì)不同位置的聽(tīng)音區(qū)提供均勻的聲覆蓋(從圖12可以看出，整個(gè)觀眾區(qū)的聲場(chǎng)覆蓋非常均勻)。

圖11：藝海劇院墻面和觀眾區(qū)直達(dá)聲覆蓋圖(1-4kHz)

圖12：藝海劇院平面直達(dá)聲覆蓋圖(1-4kHz)

    在該項(xiàng)目的擴(kuò)聲設(shè)計(jì)中，我們采用了非對(duì)稱DeltaQ陣列揚(yáng)聲器作為主擴(kuò)聲揚(yáng)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(yǔ)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(yǔ)言清晰度(平均值0.58)

圖14：藝海劇院全場(chǎng)七個(gè)不同位置的頻率響應(yīng)曲線和七個(gè)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(gè)概念：FRVI(FrequncyResponseVariation Index，頻響變化系數(shù))，定義如下：

    其中Lireference為七點(diǎn)平均的聲壓級(jí)數(shù)值，Lisubject為每一個(gè)位置的聲壓級(jí)數(shù)值，i是各1/3倍頻程中心頻率點(diǎn)，從1(31Hz)到28(16kHz)。據(jù)此，我們導(dǎo)出了這七個(gè)位置上28個(gè)1/3倍頻程中心頻率點(diǎn)(從31Hz到16kHz)的聲壓級(jí)數(shù)值。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)和上述公式計(jì)算得出各點(diǎn)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(yīng)曲線的差異僅在±1dB左右。

    6.結(jié)論

    傳統(tǒng)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)用于劇場(chǎng)等室內(nèi)固定安裝的擴(kuò)聲場(chǎng)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(shù)，完美地解決建筑聲學(xué)，陣列化及增益調(diào)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(dú)模塊的音質(zhì)。我們總結(jié)了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的五個(gè)重要的性能。

靈活地控制各模塊的輻射角度，以滿足每個(gè)模塊的目標(biāo)覆蓋區(qū)域。

    對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)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(gòu)成，使陣列的覆蓋范圍與房間內(nèi)聽(tīng)音區(qū)域相匹配。

    通過(guò)適當(dāng)?shù)貫槟�塊分配不同的指向性指數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離損失的物理補(bǔ)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(yáng)聲器系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的解決方案被藝海劇場(chǎng)采用，對(duì)每個(gè)聲學(xué)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果都清楚地表明漸變指向性陣列在劇場(chǎng)等室內(nèi)擴(kuò)聲應(yīng)用中具有獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。