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3D束波阵列

3D束波声源及阵列技术介绍

 

近十几年,线性声源扬声器阵列技术已经被广泛的应用,其替代了传统的点声源阵列成为扩声的主力。线阵扬声器从其诞生就一直争议不断。 H.F 奥尔森(Olson) 1957 年出版的《声学工程》阐述线阵理论,而法国 L-ACOUSTICS 公司于 1993 年首先才推出了 V-DOSC 系统。在经过饱受争议的十几年后,线性阵列的应用才大规模普及,现在以至于每一家专业音响公司都基本涉足到了线阵音响的研发和生产。难道线性阵列音箱在理论和实际上真的对于远程传输有很大的作用吗?我们将逐步展开讨论。

线性阵列模拟实验

我们采用了 MEYERSOUND 公司的模拟软件 MAPP 进行模拟。 模拟的目的为分析相同数量及不同数量的线性阵列音箱组成的垂直阵列在中远程各个频率的表现情况。 通过分析频率响应、 声压级、指向性来得到结果。

1.1  标准数量线性阵列理想声场条件下的频率和指向性之间的关系。

12 只相同型号垂直线性阵列,全部为0度的悬挂

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12只线阵,J型悬挂(从第5只开始5度张角,最下面210度)

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模拟结论:线阵在从低频到中频及高频的各个频段频率响应和指向性表现的完全不一致,其存在各种不同的指向性。

1、在本例的低频(以 315Hz 为例)可以实现基本完全的叠加,且由于阵列长度使垂直的指向性有所减小。其相邻声源距离基本满足小于 1/4λ,且阵列长度与波长比值接近 4,波形主瓣明显。

2、线阵在中频(以 630 Hz 为例)逐渐呈现指向性向阵列中心汇集的趋势,在线阵中心表现出了声压叠加,两边逐渐减小。阵列长度与声源波长比值接近 8,主瓣开始尖锐。

3、线阵在高频(以 2.5KHz 为例) ,基本难以实现全面的声压叠加,表现形式为主瓣明显分化成狭窄指向的声线。声源呈现相邻音箱之间的叠加,而不会全部音箱叠加,造成了各个孤岛。阴影区逐渐显现。

4、线阵在高频和超高频(以 4K 12K 为例) ,其主瓣分化趋势更加严重,孤岛、声线更加明显,阴影区域占比随着频率的升高而逐渐增大。

5、型线阵只是增了的箱体之间的角度,使各种趋势更加明显。

 

1.2  线性阵列的长度与声压的关系模拟

24 只相同型号的线阵,悬挂高度 20 米, 全部 0 度,无张角,上吊架-6 度。麦克风在 100 米处,高度 1.2 米取得声压和频率响应。

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与上述相同的型号线阵音箱。5只短线阵, 悬挂高度为6米,前4只是0度,后面的一只是-6度,实际远场为4只音箱的阵列,最下面的-6 度为近场音箱。

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备注:当线性阵列音箱之间的张角为 0 度时,其可以获得最佳叠加效果,声压最大。24 只长线阵在本例模拟中在 1K 以后的高频段发生明显的声压变化,逐渐下掉。短线阵没有明显的变化。我们可以看到在 6-8KHz 的附近,24 只长线阵和 5 只短线阵在高频声压表现上已经相近。为了实现模拟的公平性,麦克风放置在长阵列的亮区中。同时我们看到了两个模拟结果的指向性有着显著的不同。长线阵声源各个频率指向性表现都不一样,高频呈线状,中频区块状,低频收缩汇聚状。短线阵高频为区块状,中频逐渐发散状,低频点声源的发散状。以上模拟至少可以得出的结论为:

1、声波中高频的远距离传输是与其垂直阵列的数量(长度)关系不大。

2阵列的长度与其频率波长相关,且影响指向性变化较大。

3阵列越长其各个频率指向性表现的越显著,以至于每个频率都会随着阵列的长度增加表现各异。

 

1.3 总结:

1.3.1 我们原本想通过线阵得到近场衰减 3dB 的柱状声源,增加投射距离。实际上通过加大线阵长度来获得的柱状声波极为有限。柱状声源的形成只适合相对应的低频频率,且近场距离十分有限。尤其是中高频通过增加音箱的数量并不能得到声压的叠加。线阵的长度增加造成了声源距离的增加,使得垂直指向性的减少。如果音箱之间的角度扩大就意味着高频的叠加损失。这是与用线性阵列来实现远程投射的初衷相互矛盾。

1.3.2 我们想得到全频段的相位重叠,获得声压叠加,获得更好的音质。但是通过波长和阵列的关系只能得到相邻音箱的增量耦合叠加,且线阵越长旁瓣越多,有害的干涉越多。在声源距离大于二分之一波长后,指向性逐渐尖锐,主瓣和付瓣的关系变化明显,主瓣逐渐减小,旁瓣增多。声压只是临近音箱之间的叠加,不能构成全部音箱的声压叠加,在远程表现为声压不会变大,暗区范围增加。

1.3.3 由于各个频率随着阵列长度的增加,表现的完全不同。其相位、传输频率特性和均匀度特性都受到了很大的影响。在覆盖范围内,中低频呈逐渐收窄的趋势,中高频呈现出狭窄的线状声源的趋势,这样就造成了在覆盖区域内部的相位、声压、频率的不一致,也得不到很好的传输特性和均匀度。

1.3.4 线性阵列高频的声波导的传输过程中,其狭窄声道造成了声染色;其过于弯曲的通道造成了高频的损失,需要电子方式进行弥补。这样单只音箱的高频响应、功率和最大声压受到了很大的压缩。

1.3.5 由于阵列的长度的增加,多组相同的声源在不同的距离下产生的叠加方式不同,干涉的旁瓣也不同,这样就会产生大量难以控制的波束形态,其指向性难以控制。同时多组不同声源由于旁瓣的产生也会产生不可预知的相互调制,影响音质。

1.3.6 由于线阵的发明,解决了在大型演出的舞台搭建困难的问题,这是非常显著的。线阵在音箱的数量上并没有减少很多,仍然会造成了大量的搭建和搬运工作。

 

二、对于扩声解决方案的新思考

通过大量的国内外一线品牌线性阵列的测量,对于线性阵列的远程传输效果很多人早就发生了疑问。同时上例中的 4 只音箱组成的短线阵我们可以称作为“波长阵列”在远距离传输时,与长度为 24 只音箱的长阵列表现相近,这样给了我们很大启发。

2.1 把低频和中高频分为两种解决方案。由于低频的波长长,延续点声源构成柱状声源的原理,搭建成有限长度的低频阵列,其长度不超过其 4 倍波长,这样可以得到有效叠加又可控的柱状波。这是符合柱状声源的形成原理的。

2.2 既然垂直线阵无法实现高频的有效叠加,我们又要减少阵列数量,可以把单只扬声器在保证具有良好的高频响应的下,通过做大声压来确保有限距离的高频覆盖。并且可以组成短阵列,这样的效果好于加长线阵的长度,在有限的阵列长度中不再追求实现线性声源,却以提高声压级、不均匀度和指向性能为最终目的。

2.3 为了获得较大的垂直指向,需要减少阵列的长度,保证主要频段干涉减少。单只扬声器在需要具有一定的垂直指向,又要保证纵向面的覆盖。

2.4 采用尽可能简单方便的吊装方式和控制方式,让用户使用方便。

在以上 4 点的目标设定下,我们进行了方案实验和测量。

 

三、具体解决方案

3.1 单体扬声器的解决方案

突破传统的线性声源和点声源的理论,由发明专利高频声波导技术和中低频相位调整和压缩技术的 KE122 主音箱完成主频率还原(70Hz19KHz 。充分发挥了驱动单元的高频延展能力,做到单只音箱的全频段都保持在良好声学物理特性,保证了单只音箱高效率和高声压的设计目标。尝试解决了小体积大声压的行业难题,做到了在近似单 15 寸音箱的体积下,达到最大声压 144dB。经过物理层面的反复试验,KE系列远程音箱系统已经找到了有效的声波耦合方案。我们更希望可以让系统简单好用,灵活轻便。

通过保留线性阵列声波导的相位调节和分割声源的优势,采用了大型低曲率的波导替代了传统线阵的小型波导。我们称其为“3D 束波声源技术” 。波导的开口是逐渐展开的,最终是一个大型的开口面积,这样减少了高频的损失,减少了弯曲声道带来的声染色问题。在精确计算两只扬声器的振膜延时距离后,我们直接采用两只高频驱动器共用一个传输腔体,把相位和耦合的问题一起解决。这样就大大的增加了整体中高频的传输效率,使其灵敏度达到了 116dB@16Ω 1m/1w,其最大声压级也可以达到 144dB

对于中低频我们也采用了接近物理极限的解决方案。采用了两只大功率的 12 寸扬声器单体,其非常紧密的靠近高频的声波导,以求得声源距离的接近。同时这两只扬声器的布置并非传统的纵向布置,而是水平呈一定的斜角布置。加上为其精心设计的相位器使其具有非常平顺的中低频响应的同时,提高了其灵敏度。这样使低频的最大声压也达到了 144dB。整个音箱的全频段的平均最大声压达到了 143.6dB! 这样的一切都是在具有水平 65 度和垂直 40 度的指向特性,以及与传统15寸音箱相近的体积大小上实现的。

 

3.2 实现简单阵列使用

通过进行户外的测量,两只KE122系统可以实现辐射百米左右的简单阵列。

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户外实际测量结果(两只高音相邻放置阵列,距离地面 2 米,测量高度 3 米,声压的测量为 1/48 倍频程,频率的分度为 3dB 一格)。红色线条是户外环境对于音箱传输的影响。由于距离远,空气的流动和环境的反射对于测量结果影响很大,故频率响应和不均匀度发生变化。其通过声级计测量 105 米得到声压级为115dB

 

3.3 对于大型演出可以进行短阵列的组合

号角旋转 90 度后,其水平和垂直的方向互换。阵列采用固定角度的夹角方式,以求在保证中高频叠加的前提下,垂直方向有较大的覆盖能力,同时可以在阵列的最下方悬挂一只近场覆盖音箱,保证整体的覆盖面积。

通过垂直阵列的组合,其更像接近于得到相位修正和 3D 束波的点声源,在垂直指向性方面不会得到太大的压缩,故其指向性较为均匀。由于缩小了阵列的长度从而减小了多级旁瓣的互调,同时相邻扬声器可以实现高频的叠加,其全频段的传输特性得到了改善。

 

智能功放

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   两个音箱以高音相对组合实现简单阵列,耦合效果良好,也可以根据工程需要进行张角链接,轻松由飞机条调节所需张角。本组为最简单的组合方式。

 

 

 

 

 

 

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             水平阵列(号筒旋转90) ,垂直阵列(号筒旋转90)

 

            智能功放                                            智能功放

  号角旋转后可以,实现水平阵列,完成有束宽的点声源阵列组合,也可以实现垂直阵列,进行大规模扩声使用。

                                  

 

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           系统配置:

           2*KE1224*KE18L1*KE1600A(KE四通道网络智能功放1台)

 

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   系统配置:

         4*KE122,8*KE18L2*KE1600A(KE四通道网络智能功放2台)

 

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3D束波阵列8+4系统(单组)实物展示图

 

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KE122远程全频音箱介绍:

http://www.keaudio.com/mc/20160801183.html

 

KE18L远程低频音箱介绍:

http://www.keaudio.com/mc/20160801184.html

 

广州市智能音响系统策划营销中心简介:

http://www.keaudio.com/mc/20160801236.html

 

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点击次数:  更新时间:2016-09-24  【打印此页】  【关闭
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