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3D束波陣(zhen)列

3D束波聲源及陣列技術介紹

 

近十(shi)幾年,線(xian)性聲(sheng)(sheng)(sheng)源揚聲(sheng)(sheng)(sheng)器陣列技(ji)術已經被廣(guang)泛的應用,其替代了傳(chuan)統的點聲(sheng)(sheng)(sheng)源陣列成為擴聲(sheng)(sheng)(sheng)的主力。線(xian)陣揚聲(sheng)(sheng)(sheng)器從(cong)其誕生(sheng)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(xian)陣理論,而法(fa)國 L-ACOUSTICS 公司于 1993 年首(shou)先才推(tui)出了 V-DOSC 系統。在經過飽受(shou)爭議(yi)的(de)十幾年后,線(xian)(xian)性(xing)陣列的(de)應用(yong)才大(da)(da)規模普及,現(xian)在以至于(yu)每一家專業音響公司都基本涉足到了(le)線(xian)(xian)陣音響的(de)研發(fa)和(he)生產(chan)。難道(dao)線(xian)(xian)性(xing)陣列音箱在理論和(he)實際上真的(de)對于(yu)遠程傳輸有很大(da)(da)的(de)作(zuo)用(yong)嗎?我們將逐步展開討論。

一(yi) 線性陣(zhen)列模擬實驗(yan)

我(wo)們采用了 MEYERSOUND 公(gong)司的模(mo)擬軟(ruan)件 MAPP 進行模擬。 模(mo)擬的(de)(de)目(mu)的(de)(de)為分(fen)析相(xiang)同數量及(ji)不(bu)同數量的(de)(de)線性(xing)陣列音箱組成(cheng)的(de)(de)垂直陣列在中遠程各個頻率的(de)(de)表現情況。 通(tong)過分析頻率(lv)響應、 聲壓級、指(zhi)向性來得(de)到結果。

1.1  標準數量(liang)線性(xing)陣列理想聲場條件下的(de)頻率和指向性之間的(de)關(guan)系(xi)。

12 只相同(tong)型號垂直線性陣列(lie),全(quan)部為0度(du)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(jiao),最下面2只(zhi)10度)

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

1、在本例(li)的低頻(以(yi) 315Hz 為例)可(ke)以實(shi)現基(ji)本完(wan)全的(de)疊加,且由(you)于(yu)陣列長度(du)使垂直的(de)指(zhi)向性有所減小(xiao)。其相鄰聲源距離基(ji)本滿足小(xiao)于(yu) 1/4λ,且陣列長度與波長比值接近 4,波形主瓣明顯。

2、線(xian)陣在(zai)中頻(以(yi) 630 Hz 為例(li))逐漸呈現(xian)指向(xiang)性(xing)向(xiang)陣(zhen)列中(zhong)心匯集的趨(qu)勢(shi),在(zai)線陣(zhen)中(zhong)心表現(xian)出了聲壓疊加,兩邊逐漸減小。陣列長度與聲源波長(chang)比值接近 8,主瓣開(kai)始尖銳。

3、線(xian)陣在高頻(以 2.5KHz 為(wei)例) ,基本(ben)難以實現(xian)全面的(de)聲壓(ya)疊(die)加(jia)(jia),表(biao)現(xian)形式(shi)為主瓣明顯分化(hua)成(cheng)狹窄指向的(de)聲線。聲源(yuan)呈(cheng)現(xian)相(xiang)鄰(lin)音箱之間的(de)疊(die)加(jia)(jia),而不會(hui)全部(bu)音箱疊(die)加(jia)(jia),造成(cheng)了各(ge)個孤島。陰影區逐漸顯現(xian)。

4、線陣在(zai)高頻和(he)超高頻(以 4K 12K 為例) ,其主瓣分化趨(qu)勢更加(jia)嚴重,孤島、聲(sheng)線更加(jia)明顯,陰影區域占比隨著頻率(lv)的升高而逐漸(jian)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(ming)顯。

 

1.2  線性陣(zhen)列的(de)長度與聲壓的(de)關系模擬

24 只(zhi)相同型號的線(xian)陣,懸(xuan)掛(gua)高度 20 米, 全部 0 度,無張角,上(shang)吊架(jia)-6 度。麥克(ke)風在(zai) 100 米(mi)處,高度 1.2 米(mi)取(qu)得聲壓(ya)和頻率響(xiang)應。

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與上(shang)述相同的型號線陣音箱(xiang)。5只短線陣, 懸(xuan)掛高度為(wei)6米,前(qian)4只(zhi)是(shi)0度,后面的(de)一只是-6度(du),實際遠場為4只音箱的(de)陣列,最下面的(de)-6 度為近場音(yin)箱。

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備注:當線性陣列音箱之(zhi)間(jian)的張角(jiao)為 0 度時(shi),其可以獲(huo)得最佳疊加效果,聲壓最大。24 只(zhi)長線陣在本例模擬中在 1K 以后的高頻段發生明顯(xian)的聲(sheng)壓(ya)變(bian)化,逐漸下掉。短線(xian)陣沒有明顯(xian)的變(bian)化。我們可以看(kan)到(dao)在(zai) 6-8KHz 的(de)附近,24 只長線陣和 5 只短線陣在(zai)高頻(pin)(pin)(pin)聲(sheng)壓(ya)表(biao)(biao)現(xian)上已經相近。為了實現(xian)模擬的(de)公平性(xing)(xing),麥克風放(fang)置在(zai)長(chang)陣列的(de)亮(liang)區(qu)中(zhong)。同時(shi)我們看到了兩個模擬結(jie)果的(de)指向性(xing)(xing)有著(zhu)顯著(zhu)的(de)不同。長(chang)線陣聲(sheng)源各個頻(pin)(pin)(pin)率指向性(xing)(xing)表(biao)(biao)現(xian)都不一樣,高頻(pin)(pin)(pin)呈線狀(zhuang),中(zhong)頻(pin)(pin)(pin)區(qu)塊狀(zhuang),低頻(pin)(pin)(pin)收(shou)縮匯聚(ju)狀(zhuang)。短線陣高頻(pin)(pin)(pin)為區(qu)塊狀(zhuang),中(zhong)頻(pin)(pin)(pin)逐漸(jian)發散狀(zhuang),低頻(pin)(pin)(pin)點聲(sheng)源的(de)發散狀(zhuang)。以(yi)上模擬至少可以(yi)得出的(de)結(jie)論為:

1、聲(sheng)波中高(gao)頻(pin)的遠距離(li)傳輸是(shi)與其垂直陣列(lie)的數(shu)量(長度)關(guan)系不大。

2陣列的長度與(yu)其(qi)頻率(lv)波長相(xiang)關,且影響指向性變化較大。

3陣(zhen)列越長其各個頻(pin)率指向性表現(xian)(xian)的越顯著(zhu),以(yi)至于(yu)每(mei)個頻(pin)率都會隨著(zhu)陣(zhen)列的長度增加表現(xian)(xian)各異。

 

1.3 總結:

1.3.1 我(wo)們原本想通過線(xian)陣(zhen)得到近場衰減 3dB 的(de)柱狀(zhuang)聲(sheng)源,增加投射距(ju)離。實際上通(tong)過加大線陣長(chang)度來獲得的(de)柱狀(zhuang)聲(sheng)波極為有(you)限(xian)(xian)。柱狀(zhuang)聲(sheng)源的(de)形成只適(shi)合相對應的(de)低頻頻率,且近場(chang)距(ju)離十分有(you)限(xian)(xian)。尤(you)其是(shi)中高頻通過增加(jia)音箱的(de)數量并不能得(de)到(dao)聲(sheng)壓的(de)疊加(jia)。線(xian)陣的(de)長度(du)增加(jia)造成了(le)聲(sheng)源距(ju)離(li)的(de)增加(jia),使得(de)垂直指向性的(de)減少(shao)。如(ru)果音箱之間(jian)的(de)角度(du)擴(kuo)大(da)就意味著高頻的(de)疊加(jia)損失。這是(shi)與(yu)用線(xian)性陣列來實(shi)現(xian)遠程(cheng)投(tou)射的(de)初衷相互矛盾。

1.3.2 我(wo)們想得(de)到(dao)全(quan)頻(pin)段(duan)的(de)(de)相(xiang)位重疊(die)(die)(die),獲(huo)得(de)聲壓(ya)疊(die)(die)(die)加(jia),獲(huo)得(de)更(geng)好的(de)(de)音(yin)(yin)質。但(dan)是通過(guo)波(bo)長(chang)和陣列的(de)(de)關(guan)系(xi)只(zhi)能得(de)到(dao)相(xiang)鄰音(yin)(yin)箱(xiang)(xiang)的(de)(de)增量(liang)耦合(he)疊(die)(die)(die)加(jia),且線陣越(yue)長(chang)旁瓣(ban)(ban)(ban)越(yue)多(duo),有害(hai)的(de)(de)干涉越(yue)多(duo)。在(zai)聲源距離大(da)于二(er)分之(zhi)一波(bo)長(chang)后(hou),指向(xiang)性(xing)逐漸(jian)尖銳,主瓣(ban)(ban)(ban)和付瓣(ban)(ban)(ban)的(de)(de)關(guan)系(xi)變化明顯,主瓣(ban)(ban)(ban)逐漸(jian)減小,旁瓣(ban)(ban)(ban)增多(duo)。聲壓(ya)只(zhi)是臨近(jin)音(yin)(yin)箱(xiang)(xiang)之(zhi)間的(de)(de)疊(die)(die)(die)加(jia),不(bu)能構成全(quan)部音(yin)(yin)箱(xiang)(xiang)的(de)(de)聲壓(ya)疊(die)(die)(die)加(jia),在(zai)遠程(cheng)表現為聲壓(ya)不(bu)會變大(da),暗區范(fan)圍增加(jia)。

1.3.3 由于各個頻(pin)率隨著陣列長(chang)度的(de)(de)增加(jia),表(biao)現(xian)的(de)(de)完全不同。其相(xiang)(xiang)位、傳(chuan)(chuan)輸頻(pin)率特性和(he)均(jun)勻度特性都受到了(le)很大的(de)(de)影響。在覆(fu)蓋范(fan)圍(wei)內,中(zhong)低頻(pin)呈逐漸收窄的(de)(de)趨(qu)勢,中(zhong)高頻(pin)呈現(xian)出狹窄的(de)(de)線狀聲(sheng)源的(de)(de)趨(qu)勢,這(zhe)樣就造成了(le)在覆(fu)蓋區(qu)域內部的(de)(de)相(xiang)(xiang)位、聲(sheng)壓、頻(pin)率的(de)(de)不一致(zhi),也得不到很好(hao)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)輸特性和(he)均(jun)勻度。

1.3.4 線性陣列高(gao)頻(pin)的聲(sheng)(sheng)波導的傳輸(shu)過程中,其(qi)狹窄聲(sheng)(sheng)道(dao)造成了聲(sheng)(sheng)染(ran)色;其(qi)過于彎曲的通道(dao)造成了高(gao)頻(pin)的損失,需要電子方(fang)式(shi)進(jin)行彌補。這樣單只音箱的高(gao)頻(pin)響(xiang)應、功率和最大聲(sheng)(sheng)壓(ya)受到了很大的壓(ya)縮(suo)。

1.3.5 由于陣列的(de)(de)(de)長度的(de)(de)(de)增加,多(duo)組(zu)相(xiang)同的(de)(de)(de)聲(sheng)源在不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)距離下(xia)產生的(de)(de)(de)疊加方(fang)式不(bu)(bu)同,干(gan)涉的(de)(de)(de)旁(pang)瓣(ban)也不(bu)(bu)同,這(zhe)樣就會產生大量難以控(kong)制的(de)(de)(de)波束形態(tai),其指向性(xing)難以控(kong)制。同時(shi)多(duo)組(zu)不(bu)(bu)同聲(sheng)源由于旁(pang)瓣(ban)的(de)(de)(de)產生也會產生不(bu)(bu)可預知的(de)(de)(de)相(xiang)互調制,影(ying)響音質。

1.3.6 由于線陣的發明,解決了在大型(xing)演出的舞臺(tai)搭(da)建困難的問題,這(zhe)是非常顯著的。線陣在音(yin)箱(xiang)的數量上(shang)并沒有減少(shao)很多(duo),仍然會(hui)造成了大量的搭(da)建和搬運工作。

 

二、對于(yu)擴(kuo)聲解決(jue)方案的新思(si)考

通過大量的(de)國內(nei)外一線(xian)品(pin)牌線(xian)性(xing)陣列的(de)測量,對于線(xian)性(xing)陣列的(de)遠(yuan)程傳輸效果很多人早就發生了疑問。同時上例中的(de) 4 只音箱組成的短線陣(zhen)(zhen)我們可以稱作為(wei)“波長(chang)陣(zhen)(zhen)列(lie)”在遠距離傳輸時,與長(chang)度為(wei) 24 只(zhi)音箱的(de)長陣列(lie)表現相近,這樣給了我們很大啟發。

2.1 把低(di)(di)頻和(he)中高頻分為(wei)兩(liang)種解(jie)決方案(an)。由于低(di)(di)頻的波長長,延續點聲源(yuan)構成柱(zhu)狀聲源(yuan)的原理,搭建成有限長度的低(di)(di)頻陣列,其長度不超過其 4 倍波(bo)長,這樣可以(yi)得到有效疊(die)加(jia)又可控的柱狀波(bo)。這是(shi)符(fu)合柱狀聲源的形成原理的。

2.2 既然垂直線(xian)陣(zhen)(zhen)無法實(shi)現(xian)高(gao)頻(pin)(pin)的(de)(de)(de)有效疊加,我們(men)又要減少(shao)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)數量,可以把單只(zhi)揚聲(sheng)(sheng)器在保(bao)證具有良好的(de)(de)(de)高(gao)頻(pin)(pin)響應的(de)(de)(de)下(xia),通過做(zuo)大聲(sheng)(sheng)壓來確保(bao)有限(xian)距離的(de)(de)(de)高(gao)頻(pin)(pin)覆(fu)蓋。并且可以組成短陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie),這樣的(de)(de)(de)效果好于加長線(xian)陣(zhen)(zhen)的(de)(de)(de)長度,在有限(xian)的(de)(de)(de)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)長度中不(bu)再追求實(shi)現(xian)線(xian)性(xing)聲(sheng)(sheng)源,卻以提(ti)高(gao)聲(sheng)(sheng)壓級(ji)、不(bu)均(jun)勻度和指(zhi)向性(xing)能為最終目的(de)(de)(de)。

2.3 為(wei)了獲得較大的垂直(zhi)指(zhi)向,需要(yao)減(jian)少(shao)陣列的長度,保(bao)證主要(yao)頻段干(gan)涉(she)減(jian)少(shao)。單只揚(yang)聲器(qi)在需要(yao)具有一定的垂直(zhi)指(zhi)向,又要(yao)保(bao)證縱向面(mian)的覆(fu)蓋。

2.4 采(cai)用(yong)盡可能(neng)簡單方便(bian)的吊裝方式和(he)控制方式,讓用(yong)戶使(shi)用(yong)方便(bian)。

在(zai)以上 4 點的目標(biao)設(she)定下,我(wo)們進(jin)行了方案實(shi)驗和(he)測量。

 

三、具體解決方案

3.1 單(dan)體揚聲器的解決方(fang)案(an)

突破傳統(tong)的線性聲源(yuan)和點聲源(yuan)的理論,由發明(ming)專(zhuan)利高頻(pin)(pin)聲(sheng)波導技術和中低頻(pin)(pin)相位調(diao)整和壓縮(suo)技術的 KE122 主(zhu)音(yin)箱(xiang)完成主(zhu)頻(pin)率還原(70Hz19KHz 。充(chong)分發揮了驅(qu)動單(dan)(dan)元的高(gao)頻延(yan)展能力,做到單(dan)(dan)只音(yin)(yin)箱的全頻段(duan)都保(bao)持在(zai)良好聲(sheng)學物理特性,保(bao)證了單(dan)(dan)只音(yin)(yin)箱高(gao)效率(lv)和高(gao)聲(sheng)壓的設計目標。嘗試解決了小體積大聲(sheng)壓的行業難題,做到了在(zai)近似單(dan)(dan) 15 寸音箱的體積(ji)下,達到最大聲壓 144dB。經過(guo)物理層面的反(fan)復試驗,KE系列遠程音(yin)箱系統已經(jing)找到(dao)了(le)有效的聲波耦合(he)方案(an)。我們更希望可以讓(rang)系統簡(jian)單(dan)好用,靈(ling)活輕便。

通(tong)過保留線(xian)性陣列聲波(bo)導(dao)(dao)的(de)相位調(diao)節和分割聲源(yuan)的(de)優勢,采用了大型低曲率的(de)波(bo)導(dao)(dao)替代了傳(chuan)統線(xian)陣的(de)小型波(bo)導(dao)(dao)。我們稱其(qi)為“3D 束波聲(sheng)源技術” 。波導的(de)開(kai)口(kou)是逐漸(jian)展開(kai)的(de),最終是一(yi)個大型的(de)開(kai)口(kou)面(mian)積,這樣(yang)(yang)減少了高頻(pin)的(de)損失,減少了彎(wan)曲聲道帶來(lai)的(de)聲染(ran)色(se)問(wen)題(ti)。在精確計算兩只(zhi)揚聲器(qi)的(de)振(zhen)膜延時距(ju)離后,我們直接采用兩只(zhi)高頻(pin)驅動器(qi)共用一(yi)個傳(chuan)輸腔體,把相位和耦合(he)的(de)問(wen)題(ti)一(yi)起解決。這樣(yang)(yang)就大大的(de)增加(jia)了整體中高頻(pin)的(de)傳(chuan)輸效率,使其(qi)靈敏度達到了 116dB@16Ω 1m/1w,其最大聲(sheng)壓級(ji)也可(ke)以達到 144dB

對于中低(di)頻我們(men)也采(cai)(cai)用了(le)(le)接近物理極限(xian)的(de)解決方案(an)。采(cai)(cai)用了(le)(le)兩只大功率的(de) 12 寸(cun)揚聲器(qi)單(dan)體,其(qi)非常緊(jin)密(mi)的靠近高(gao)頻(pin)的聲波(bo)導,以求得聲源距(ju)離的接近。同(tong)時這(zhe)兩只揚聲器(qi)的布(bu)(bu)(bu)置(zhi)并非傳統(tong)的縱向布(bu)(bu)(bu)置(zhi),而是水(shui)平(ping)呈(cheng)一定的斜角(jiao)布(bu)(bu)(bu)置(zhi)。加(jia)上為其(qi)精心設計的相位器(qi)使(shi)其(qi)具(ju)有非常平(ping)順(shun)的中(zhong)低頻(pin)響應(ying)的同(tong)時,提高(gao)了其(qi)靈敏度。這(zhe)樣使(shi)低頻(pin)的最大聲壓(ya)也(ye)達(da)到了 144dB。整個音箱的全頻段(duan)的平均最大聲壓達到(dao)了 143.6dB! 這(zhe)樣的一切都(dou)是(shi)在具(ju)有水平 65 度和垂(chui)直 40 度(du)的(de)指向特性,以及與傳統(tong)15寸音(yin)箱相(xiang)近的(de)體(ti)積大小上(shang)實(shi)現的(de)。

 

3.2 實現簡單(dan)陣(zhen)列使用

通(tong)過進(jin)行戶外的(de)測量,兩只KE122系統可以(yi)實現(xian)輻射百米左右的簡單陣(zhen)列。

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戶(hu)外實際測量結(jie)果(兩只高音相鄰(lin)放置陣列,距離(li)地面(mian) 2 米(mi),測量高度 3 米(mi),聲壓的測量為 1/48 倍頻(pin)程(cheng),頻(pin)率的分度為 3dB 一格)。紅(hong)色線條是戶外環境(jing)對于音箱傳輸的(de)影響。由于距(ju)離遠,空(kong)氣的(de)流動和環境(jing)的(de)反射對于測量結果影響很(hen)大,故頻率(lv)響應和不(bu)均勻度發生變(bian)化。其通(tong)過聲級計測量 105 米得(de)到聲壓級為115dB

 

3.3 對于大(da)型演(yan)出可以進行短陣列的組合

號角(jiao)旋轉 90 度后,其水平和垂直的(de)方(fang)向互換。陣列采用固(gu)定角度的(de)夾(jia)角方(fang)式,以(yi)求(qiu)在保證中高頻疊加的(de)前提下,垂直方(fang)向有較(jiao)大的(de)覆(fu)蓋能力,同時(shi)可以(yi)在陣列的(de)最下方(fang)懸掛一(yi)只近場覆(fu)蓋音箱(xiang),保證整(zheng)體的(de)覆(fu)蓋面積。

通過垂直陣列的組合,其更(geng)像接近于得到相(xiang)位修正和 3D 束波的(de)點聲源,在垂(chui)直指(zhi)向性(xing)方面(mian)不會(hui)得(de)到(dao)太大的(de)壓縮(suo),故其指(zhi)向性(xing)較為(wei)均勻。由于縮(suo)小(xiao)了(le)陣列的(de)長(chang)度(du)從而減小(xiao)了(le)多級旁瓣的(de)互調,同時相(xiang)鄰揚聲器可以實現高頻的(de)疊加,其全頻段的(de)傳輸特性(xing)得(de)到(dao)了(le)改善(shan)。

 

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   兩個音箱以高(gao)音相對組合實現(xian)簡單陣(zhen)列,耦合效果良好(hao),也可以根據工(gong)程需(xu)要進行張角(jiao)鏈接,輕松由飛機條調節所需張角(jiao)。本組(zu)(zu)為最(zui)簡單的組(zu)(zu)合(he)方式。

 

 

 

 

 

 

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             水平陣列(號筒(tong)旋轉90) ,垂直(zhi)陣列(lie)(號筒旋轉90)

 

            智能功放                                            智能功放

  號角旋轉(zhuan)后可以,實(shi)現水平陣列,完成有束寬的(de)點聲源陣(zhen)列組(zu)合,也(ye)可(ke)以實現垂直陣列,進(jin)行大規模(mo)擴聲使用。

                                  

 

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           系統(tong)配(pei)置:

           2*KE1224*KE18L1*KE1600A(KE四(si)通道網絡智能功放1臺)

 

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   系統配置(zhi):

         4*KE122,8*KE18L2*KE1600A(KE四(si)通道網絡智能功放2臺)

 

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3D束(shu)波陣(zhen)列8+4系統(單組)實物展示圖(tu)

 

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KE122遠程全頻音(yin)箱介紹:

http://opratoni.com/mc/20160801183.html

 

KE18L遠程低頻音箱(xiang)介紹:

http://opratoni.com/mc/20160801184.html

 

廣州市(shi)智能音響系統策(ce)劃營(ying)銷中心(xin)簡介(jie):

http://opratoni.com/mc/20160801236.html

 

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