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3D束波陣列

3D束波聲源及陣列技術介紹

 

近十幾年,線性聲源揚聲器陣列技術已經被廣泛的應用,其替代了傳統的點聲源陣列成為擴聲的主力。線陣揚聲器從其誕生就一直爭議不斷。 H.F 奧爾森(Olson) 1957 年出版的《聲學工程》闡述線陣理論,而法國 L-ACOUSTICS 公司于 1993 年首先才推出了 V-DOSC 系統。在經過飽受爭議的十幾年后,線性陣列的應用才大規模普及,現在以至于每一家專業音響公司都基本涉足到了線陣音響的研發和生產。難道線性陣列音箱在理論和實際上真的對于遠程傳輸有很大的作用嗎?我們將逐步展開討論。

線性陣列模擬實驗

我們采用了 MEYERSOUND 公司的模擬軟件 MAPP 進行模擬。 模擬的目的為分析相同數量及不同數量的線性陣列音箱組成的垂直陣列在中遠程各個頻率的表現情況。 通過分析頻率響應、 聲壓級、指向性來得到結果。

1.1  標準數量線性陣列理想聲場條件下的頻率和指向性之間的關系。

12 只相同型號垂直線性陣列,全部為0度的懸掛

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12只線陣,J型懸掛(從第5只開始5度張角,最下面210度)

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模擬結論:線陣在從低頻到中頻及高頻的各個頻段頻率響應和指向性表現的完全不一致,其存在各種不同的指向性。

1、在本例的低頻(以 315Hz 為例)可以實現基本完全的疊加,且由于陣列長度使垂直的指向性有所減小。其相鄰聲源距離基本滿足小于 1/4λ,且陣列長度與波長比值接近 4,波形主瓣明顯。

2、線陣在中頻(以 630 Hz 為例)逐漸呈現指向性向陣列中心匯集的趨勢,在線陣中心表現出了聲壓疊加,兩邊逐漸減小。陣列長度與聲源波長比值接近 8,主瓣開始尖銳。

3、線陣在高頻(以 2.5KHz 為例) ,基本難以實現全面的聲壓疊加,表現形式為主瓣明顯分化成狹窄指向的聲線。聲源呈現相鄰音箱之間的疊加,而不會全部音箱疊加,造成了各個孤島。陰影區逐漸顯現。

4、線陣在高頻和超高頻(以 4K 12K 為例) ,其主瓣分化趨勢更加嚴重,孤島、聲線更加明顯,陰影區域占比隨著頻率的升高而逐漸增大。

5、型線陣只是增了的箱體之間的角度,使各種趨勢更加明顯。

 

1.2  線性陣列的長度與聲壓的關系模擬

24 只相同型號的線陣,懸掛高度 20 米, 全部 0 度,無張角,上吊架-6 度。麥克風在 100 米處,高度 1.2 米取得聲壓和頻率響應。

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與上述相同的型號線陣音箱。5只短線陣, 懸掛高度為6米,前4只是0度,后面的一只是-6度,實際遠場為4只音箱的陣列,最下面的-6 度為近場音箱。

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備注:當線性陣列音箱之間的張角為 0 度時,其可以獲得最佳疊加效果,聲壓最大。24 只長線陣在本例模擬中在 1K 以后的高頻段發生明顯的聲壓變化,逐漸下掉。短線陣沒有明顯的變化。我們可以看到在 6-8KHz 的附近,24 只長線陣和 5 只短線陣在高頻聲壓表現上已經相近。為了實現模擬的公平性,麥克風放置在長陣列的亮區中。同時我們看到了兩個模擬結果的指向性有著顯著的不同。長線陣聲源各個頻率指向性表現都不一樣,高頻呈線狀,中頻區塊狀,低頻收縮匯聚狀。短線陣高頻為區塊狀,中頻逐漸發散狀,低頻點聲源的發散狀。以上模擬至少可以得出的結論為:

1、聲波中高頻的遠距離傳輸是與其垂直陣列的數量(長度)關系不大。

2陣列的長度與其頻率波長相關,且影響指向性變化較大。

3陣列越長其各個頻率指向性表現的越顯著,以至于每個頻率都會隨著陣列的長度增加表現各異。

 

1.3 總結:

1.3.1 我們原本想通過線陣得到近場衰減 3dB 的柱狀聲源,增加投射距離。實際上通過加大線陣長度來獲得的柱狀聲波極為有限。柱狀聲源的形成只適合相對應的低頻頻率,且近場距離十分有限。尤其是中高頻通過增加音箱的數量并不能得到聲壓的疊加。線陣的長度增加造成了聲源距離的增加,使得垂直指向性的減少。如果音箱之間的角度擴大就意味著高頻的疊加損失。這是與用線性陣列來實現遠程投射的初衷相互矛盾。

1.3.2 我們想得到全頻段的相位重疊,獲得聲壓疊加,獲得更好的音質。但是通過波長和陣列的關系只能得到相鄰音箱的增量耦合疊加,且線陣越長旁瓣越多,有害的干涉越多。在聲源距離大于二分之一波長后,指向性逐漸尖銳,主瓣和付瓣的關系變化明顯,主瓣逐漸減小,旁瓣增多。聲壓只是臨近音箱之間的疊加,不能構成全部音箱的聲壓疊加,在遠程表現為聲壓不會變大,暗區范圍增加。

1.3.3 由于各個頻率隨著陣列長度的增加,表現的完全不同。其相位、傳輸頻率特性和均勻度特性都受到了很大的影響。在覆蓋范圍內,中低頻呈逐漸收窄的趨勢,中高頻呈現出狹窄的線狀聲源的趨勢,這樣就造成了在覆蓋區域內部的相位、聲壓、頻率的不一致,也得不到很好的傳輸特性和均勻度。

1.3.4 線性陣列高頻的聲波導的傳輸過程中,其狹窄聲道造成了聲染色;其過于彎曲的通道造成了高頻的損失,需要電子方式進行彌補。這樣單只音箱的高頻響應、功率和最大聲壓受到了很大的壓縮。

1.3.5 由于陣列的長度的增加,多組相同的聲源在不同的距離下產生的疊加方式不同,干涉的旁瓣也不同,這樣就會產生大量難以控制的波束形態,其指向性難以控制。同時多組不同聲源由于旁瓣的產生也會產生不可預知的相互調制,影響音質。

1.3.6 由于線陣的發明,解決了在大型演出的舞臺搭建困難的問題,這是非常顯著的。線陣在音箱的數量上并沒有減少很多,仍然會造成了大量的搭建和搬運工作。

 

二、對于擴聲解決方案的新思考

通過大量的國內外一線品牌線性陣列的測量,對于線性陣列的遠程傳輸效果很多人早就發生了疑問。同時上例中的 4 只音箱組成的短線陣我們可以稱作為“波長陣列”在遠距離傳輸時,與長度為 24 只音箱的長陣列表現相近,這樣給了我們很大啟發。

2.1 把低頻和中高頻分為兩種解決方案。由于低頻的波長長,延續點聲源構成柱狀聲源的原理,搭建成有限長度的低頻陣列,其長度不超過其 4 倍波長,這樣可以得到有效疊加又可控的柱狀波。這是符合柱狀聲源的形成原理的。

2.2 既然垂直線陣無法實現高頻的有效疊加,我們又要減少陣列數量,可以把單只揚聲器在保證具有良好的高頻響應的下,通過做大聲壓來確保有限距離的高頻覆蓋。并且可以組成短陣列,這樣的效果好于加長線陣的長度,在有限的陣列長度中不再追求實現線性聲源,卻以提高聲壓級、不均勻度和指向性能為最終目的。

2.3 為了獲得較大的垂直指向,需要減少陣列的長度,保證主要頻段干涉減少。單只揚聲器在需要具有一定的垂直指向,又要保證縱向面的覆蓋。

2.4 采用盡可能簡單方便的吊裝方式和控制方式,讓用戶使用方便。

在以上 4 點的目標設定下,我們進行了方案實驗和測量。

 

三、具體解決方案

3.1 單體揚聲器的解決方案

突破傳統的線性聲源和點聲源的理論,由發明專利高頻聲波導技術和中低頻相位調整和壓縮技術的 KE122 主音箱完成主頻率還原(70Hz19KHz 。充分發揮了驅動單元的高頻延展能力,做到單只音箱的全頻段都保持在良好聲學物理特性,保證了單只音箱高效率和高聲壓的設計目標。嘗試解決了小體積大聲壓的行業難題,做到了在近似單 15 寸音箱的體積下,達到最大聲壓 144dB。經過物理層面的反復試驗,KE系列遠程音箱系統已經找到了有效的聲波耦合方案。我們更希望可以讓系統簡單好用,靈活輕便。

通過保留線性陣列聲波導的相位調節和分割聲源的優勢,采用了大型低曲率的波導替代了傳統線陣的小型波導。我們稱其為“3D 束波聲源技術” 。波導的開口是逐漸展開的,最終是一個大型的開口面積,這樣減少了高頻的損失,減少了彎曲聲道帶來的聲染色問題。在精確計算兩只揚聲器的振膜延時距離后,我們直接采用兩只高頻驅動器共用一個傳輸腔體,把相位和耦合的問題一起解決。這樣就大大的增加了整體中高頻的傳輸效率,使其靈敏度達到了 116dB@16Ω 1m/1w,其最大聲壓級也可以達到 144dB

對于中低頻我們也采用了接近物理極限的解決方案。采用了兩只大功率的 12 寸揚聲器單體,其非常緊密的靠近高頻的聲波導,以求得聲源距離的接近。同時這兩只揚聲器的布置并非傳統的縱向布置,而是水平呈一定的斜角布置。加上為其精心設計的相位器使其具有非常平順的中低頻響應的同時,提高了其靈敏度。這樣使低頻的最大聲壓也達到了 144dB。整個音箱的全頻段的平均最大聲壓達到了 143.6dB! 這樣的一切都是在具有水平 65 度和垂直 40 度的指向特性,以及與傳統15寸音箱相近的體積大小上實現的。

 

3.2 實現簡單陣列使用

通過進行戶外的測量,兩只KE122系統可以實現輻射百米左右的簡單陣列。

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戶外實際測量結果(兩只高音相鄰放置陣列,距離地面 2 米,測量高度 3 米,聲壓的測量為 1/48 倍頻程,頻率的分度為 3dB 一格)。紅色線條是戶外環境對于音箱傳輸的影響。由于距離遠,空氣的流動和環境的反射對于測量結果影響很大,故頻率響應和不均勻度發生變化。其通過聲級計測量 105 米得到聲壓級為115dB

 

3.3 對于大型演出可以進行短陣列的組合

號角旋轉 90 度后,其水平和垂直的方向互換。陣列采用固定角度的夾角方式,以求在保證中高頻疊加的前提下,垂直方向有較大的覆蓋能力,同時可以在陣列的最下方懸掛一只近場覆蓋音箱,保證整體的覆蓋面積。

通過垂直陣列的組合,其更像接近于得到相位修正和 3D 束波的點聲源,在垂直指向性方面不會得到太大的壓縮,故其指向性較為均勻。由于縮小了陣列的長度從而減小了多級旁瓣的互調,同時相鄰揚聲器可以實現高頻的疊加,其全頻段的傳輸特性得到了改善。

 

智能功放

  智能功放

 

   兩個音箱以高音相對組合實現簡單陣列,耦合效果良好,也可以根據工程需要進行張角鏈接,輕松由飛機條調節所需張角。本組為最簡單的組合方式。

 

 

 

 

 

 

智能功放

             水平陣列(號筒旋轉90) ,垂直陣列(號筒旋轉90)

 

            智能功放                                            智能功放

  號角旋轉后可以,實現水平陣列,完成有束寬的點聲源陣列組合,也可以實現垂直陣列,進行大規模擴聲使用。

                                  

 

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           系統配置:

           2*KE1224*KE18L1*KE1600A(KE四通道網絡智能功放1臺)

 

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   系統配置:

         4*KE122,8*KE18L2*KE1600A(KE四通道網絡智能功放2臺)

 

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3D束波陣列8+4系統(單組)實物展示圖

 

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KE122遠程全頻音箱介紹:

http://www.catering-umbria.com/mc/20160801183.html

 

KE18L遠程低頻音箱介紹:

http://www.catering-umbria.com/mc/20160801184.html

 

廣州市智能音響系統策劃營銷中心簡介:

http://www.catering-umbria.com/mc/20160801236.html

 

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