柱體線形陣列的特性與應用

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所属分类:音频杂谈

在讨論柱體線性陣列之前,讓我們先了解一下線性陣列的兩大主要種類。線性陣列主要分爲模塊式線性陣列  (Modular Line Array) 和柱體式線性陣列 (Column Line Array) 兩種。首先,讓我們來談一談什麽是模塊式線形陣列。
柱體線形陣列的特性與應用    模塊式線性陣列又被稱爲“音樂會”線性陣列( Concert Line Array)。最初,當模塊式線性陣列出現在音響市場的時候,主要是用于音樂會的擴聲,由此,“音樂會”線性陣列這個名字就沿用了下來。模塊式線性陣列是指把獨立的音箱單元(或模塊Module) 縱向排列起來,結合所有獨立音箱的聲音傳播特性,産生一個線性陣列特有的,寬廣的橫向和狹窄的縱向聲音覆蓋。(請注意:線性陣列不是嚴格意義上的縱向排列系統,它有時也以橫向排列的形式出現, 比如說心型超低音線性陣列)。我們會經常看到形狀像字母J的模塊式線性陣列(J Array)。顯而易見,那是爲了增加線性陣列底部的縱向覆蓋範圍,從而使前排聽音區域得到一個較好的聲音覆蓋。根據不同的應用和不同生産商的原始設計,每個獨立音箱單元之間的角度可以從1度延伸到12度。但是角度越大,某些頻段的線性陣列特性就會丢失越多。同時,爲了滿足不同的應用需求,模塊式線性陣列還分爲大型模塊式與小型模塊式等不同的類型與型号。比較有代表性的大型模塊式線性陣列有JBL的Vertec, 小型的有QSC的Wide Line 8等。圖1是一個10度傾斜的字母J模塊式線性陣列。
下面我們來談一談什麽是柱體式線性陣列 (Column Line Array)。
我們也許可以把柱體式線性陣列叫作柱體音箱, 它同樣有着線性陣列的聲音傳播特性。不像模塊式線性陣列把獨立的音箱單元(或模塊Module)縱向排列在一起,柱體音箱是把相同的驅動單元依次排列在一個獨立的柱型箱體内, 以達到線性陣列所需要的物理環境。目前市場上的柱體音箱分爲有源主動式和無源被動式兩種。比較有代表性的有源柱體音箱有Duran Audio的Intellivox 和 Renkus-Heinz的Iconyx, 無源的柱體音箱有Bose的MA12等。圖2是柱體音箱的側面透視圖。
在了解了線形陣列和柱體音箱的基本特性與構造以後,我想把讨論的焦點放在柱體音箱在音響工程中的應用。在這個過程中,我想用簡單的語言來讨論一些技術應用問題。這次的讨論不包括覆蓋率公式,或語音清晰度的計算。如果你想學習和了解線性陣列的公式計算原理,我推薦你去讀一讀Mark S. Ureda在2001年五月發表在在ASE年會發表的論文Line Arrays: Theory and Applications. (線性陣列:理論和應用)
柱體音箱的應用場所與環境:
柱體音箱具有極強的聲音縱向覆蓋控制能力。 在長混響時間的聲學環境中,它可以準确地把直達聲傳送到聽音區域,而不是傳送到天花闆,側牆體或地面。從而避免了強反射聲對聲音質量和語音清晰度的影響。例如:機場大廳,火車站候車廳,及任何具有長混響時間,高反射聲學環境的大型公共場所,都适合使用柱體音箱來建造主擴聲系統。
柱體線形陣列的特性與應用    柱體音箱應用在天花闆較低的房間,同樣可以發揮出線性陣列的聲音特性優勢。例如:會議室、視聽室等。 由于高度和空間的限制,不允許在房間前方吊裝,或側牆安裝普通點聲源音箱。 即使可以,也因爲音箱高度的限制,中部和後部聽音區不能從前方音箱得到足夠的直達聲覆蓋。如果要解決這個問題,必須加裝延時音箱來覆蓋中,後部聽音區。這種做法雖然可以解決中、後部聽音區直達聲的覆蓋問題,但是破壞了真實的聲音圖像定位,增加了後期系統調試難度,同時也增加了工程造價與工程施工時間。 在這種情況下,如果使用柱體音箱來建造主擴聲系統,剛才的一系列問題都可以得到解決。把柱體音箱安裝在前方或兩側的牆體,用它們來覆蓋整個聽音區域。因爲柱體音箱的線性陣列特性使它在近場倍數距離處,直達聲壓隻減少3dB, 所以柱體音箱可以把聲音傳送的更遠,在不需要加裝延時音箱的前提下,柱體音箱可以平均的覆蓋整個聽音區域。同時,由于它有着低調的纖細箱體,使安裝更簡單,外觀也比點聲源音箱美觀很多。

 

柱體線形陣列的特性與應用

柱體線形陣列的特性與應用

    以这种应用为例,柱体音箱的另外一个重要优势是抗回授(feedback)。通常,在使用点声源音箱系统的会议室,或其他相似的应用环境,声音系统容易产生回授。因为点声源音箱有着扩散式的声音传播特性,或者说它不具备良好的覆盖控制能力,所以很容易把过多的音箱直达声传送到麦克风所在的区域, 从而使声音系统产生一个瞬态无穷大的信号回路, 也就是回授。柱体音箱正好相反,它具有超强的声音纵向覆盖控制能力,直达声传送轨迹容易控制,麦克风区域不会受到太多的干扰, 从而避免产生回授。 即使把麦克风放置在离柱体音箱特别近的地方,麦克风收到的声音只是柱体音箱众多驱动单元中一到两个单元的直达声。虽然这时麦克风收到的声压级很高,但它并不是整个柱体音箱的总输出能量,所以也不容易产生回授。图3是点声源音箱与柱体音箱在2000Hz 的三维球形声音对比图像。
柱体音箱由于具备线性阵列的声音特性和低调纤细的箱体,使它在多种应用中表现出色。但是柱体音箱也有它的应用局限性。首先,柱体音箱的最大声压级输出要比点声源音箱小很多,不适合需要高声压级场所的应用。其次,无源式柱体音箱的声音传送面和箱体成固定90度,因为它有着狭窄的纵向覆盖角度,所以音箱不能安装过高,或在音箱安装位置较高的情况下,箱体向下倾斜角度也不建议大于5度。同时,无源式柱体音箱只能提供一个声音覆盖面,不能象点声源那样组成音箱组,以创建一个复合的声音覆盖面。比如说,用六只点声源音箱组成一个音箱组,上面三只覆盖剧场楼厅听音区,下面三只覆盖第一层听音区。 然而,有源式柱体音箱可以通过设定每个驱动单元的延时量,来达到在箱体垂直安装的情况下,覆盖范围向下倾斜-35度的效果,甚至更低。这样就解决了柱体音箱不能安装过高的问题。使用延时调节功能,还可以把柱体音箱分成两个不同的声音覆盖面。也就是说,音箱上部的驱动单元形成一个向上的覆盖面,用来覆盖楼厅听音区。下部的驱动单元形成一个直的或向下的覆盖面,用来覆盖第一层听音区。但是,有源式柱体音箱价格高的惊人,这使许多想使用它的客户都望而却步。在另外一方面,目前市场上的柱体音箱,基本上都是使用全频,或两分频驱动单元设计。这种设计的缺点是,驱动单元之间的距离不能根据不同频段的波长得到优化,从而不能得到一个稳定的宽频线性阵列响应特性,导致丢失某些频段的覆盖控制。这个问题至今困扰着很多柱体音箱设计师。最后,柱体音箱由于不具备防水性,所以不适合室外应用。

美國Community音響公司在經過多年的市場調研和産品開發後,在美國InfoComm 2008年會上推出了世界上第一隻三分頻全天候柱體音箱Entasys。它不僅綜合了柱體音箱現有的特性優勢,而且解決了現有柱體音箱的設計缺陷。從而大大提高了柱體音箱的可使用性。無論是在室内,還是戶外,它都有着出色的表現,自從Entasys在歐美音響市場發行以來,它受到衆多的著名系統設計師和終端用戶的追捧。圖1是Community Entasys 全頻和低頻柱體音箱。
Entasys全頻與低頻音箱
柱體線形陣列的特性與應用    Entasys分爲全頻音箱和低頻音箱兩種型号。它們有着相同的尺寸與外觀, 不同的内部結構。通過不同的疊加方式把全頻音箱與低頻音箱組合起來,得到不同的覆蓋效果,來滿足各樣的應用需求。全頻音箱包含6隻3.5英寸低頻單元,18隻2.5英寸中頻單元,以及42隻Community 專利CRE高頻單元 (compact Ribbon Emulators)。低頻音箱包含6隻3.5寸低頻單元。強大的驅動單元組合,使一隻Entasys全頻音箱在100英尺處,直達聲壓級可以達到96dB SPL,解決了普通柱體音箱聲壓級不足的問題。 同時,因爲使用三分頻的設計,使每個驅動單元的距離得到完全優化,從而得到一個穩定的寬頻線性陣列響應特性。在戶外防水處理方面,Entasys使用了Community世界領先的音箱防水處理技術。它使用鋁制仿水外殼,所有的驅動單元使用防水材料制造。這種防水的設計,完全實現了柱體音箱戶外的擴聲應用。爲了得到有源式柱體音箱的複合覆蓋面功能,Community的工程師在系統設計中,通過對低頻音箱和全頻音箱的複合疊加,創造了一個和有源式柱體音箱相似的複合覆蓋面效果,使用戶在使用價格相對低廉的無源式柱體音箱時,獲得有源式柱體音箱特有的功能。Entasys推薦疊加數高達五隻。我們可以把五隻Entasys疊加起來,組成柱體陣列(上下各兩隻全頻,中間一隻低頻),用上面兩隻全頻音箱覆蓋樓廳聽音區,下面兩隻全頻音箱覆蓋一樓聽音區,中間一隻低頻把上下全頻連接起來,用于保持線性陣列的物理特性和創造兩個不同的覆蓋面,同時獲得更低的低頻控制。Entasys全頻音箱的驅動單元使用模塊式設計,用戶可根據需要,把驅動單元模塊調節成垂直結構,上下單獨彎曲結構,或上下同時彎曲結構(Entasys的出廠設置)。使用這些調節功能,可以使它的縱向覆蓋角度從6度擴展到12度。根據應用需要,使它朝上,朝下或整體得到一個更寬的縱向覆蓋範圍。Entasys低頻音箱在創造一個複合覆蓋面的柱體陣列時,是必不可少的。同時,在Entasys全頻音箱上方,或下方疊加低頻音箱,也可以使柱體陣列得到一個更低的可控制低頻率。在這裏,我想介紹一下Entasys低頻音箱的另外一個主要功能:低頻覆蓋控制。
Entasys的低頻音箱不是用來提升系統低頻響應的,因爲它不是一隻超低音音箱。它的主要作用是爲了得到一個更低的頻率控制範圍。我們知道,線性陣列的橫向覆蓋角度極寬,縱向覆蓋角度極窄。但是在實際應用中,線性陣列的低頻段往往不具備這種特性。線形陣列可控制的最低頻率和整個陣列的長度成正比,陣列越長,可控制的低頻越低。基于這種原理,如果需要加強柱體陣列對低頻覆蓋的控制,可以在柱體陣列上疊加Entasys低頻音箱,增加陣列的整體長度,獲得更低的頻率控制,以避免過多的低頻洩露,産生低頻強反射,從而觸發房間的低頻共振 (room mode)和系統低頻回授。當爲一個有着長混響時間的房間設計聲音系統時,加強對低頻的覆蓋控制尤爲重要。這裏有一個問題,爲什麽不用Entasys全頻音箱來增加柱體陣列的整體長度呢?就像我在前邊提到的,Entasys全頻音箱可以提供一個出色的長距離縱深覆蓋和高聲壓級輸出。很多時候,使用一到兩隻Entasys全頻音箱,已經完全可以滿足對縱深覆蓋距離和直達聲壓級的設計要求。在原有的柱體陣列上疊加一到兩隻Entasys全頻音箱當然也可以增加陣列的整體長度,達到加強控制低頻的目的。 但是與此同時,疊加的全頻音箱産生了過多的縱深覆蓋,和直達聲壓(和點聲源音箱不同,線形陣列聲源增加一倍,直達聲提升6dB)。結果是,觸發了更多的聲反射,增加了聲學環境的複雜性,最終破壞了工程的聲音質量。所以,在柱體陣列的縱深覆蓋距離和直達聲壓級已經滿足了設計要求,隻是需要加強對低頻的控制時,使用低頻音箱疊加是正确的選擇。另外,節省了工程預算,因爲全頻音箱的價格要比低頻音箱貴一些。圖2a是一隻Entasys全頻音箱在50米處陣列特性圖像。在圖中我們可以看到,250Hz以下的低頻基本不受控制。圖2b是一隻Entasys全頻音箱和兩隻低頻音箱的疊加在50米處的陣列特性圖像,我們可以看到,低頻的最低控制頻率已經到了125Hz。從Entasys柱體音箱的設計中,我們可以感受到Community首席設計工程師Bruce Howze的深厚設計功力,和整個Community設計團隊“以技術服務客戶”的設計理念。

柱體線形陣列的特性與應用

    下面讓我們一起看兩個Entasys柱體音箱的設計實例。

實例一:圖3a是一個低天花闆的小型會議室
    該會議室平時用于會議、演講視頻播放和小型的演出。它的講台(或稱它爲舞台)在房間的中間,靠着後牆牆高2.4米。在經過一些房間聲學處理後,房間的中頻率混響時間在0.5到0.9秒之間。房間的聲音系統主要用于語音擴聲和音樂回放。天花闆的高度和聽音區的範圍決定了使用柱體音箱來建造主聲音系統是最好的選擇。由于房間的混響時間相對較短,所以不需要疊加Entasys低頻音箱。在房間兩側牆面各安裝一隻Entasys全頻率音箱。它的120度的橫向覆蓋範圍使每一排座位都得到了一個平均的直達聲覆蓋。在Entasys全頻音箱下的兩隻Community VLF208狹槽負載式超低音箱爲音樂回放提供出色的低頻。圖3b顯示了一隻Entasys全頻音箱1,000Hz到4,000Hz的縱向覆蓋圖像。圖4顯示了Entasys系統500Hz到2,000Hz的平面覆蓋圖像(圖片中所顯示的直達聲壓級,爲客戶要求的實際人耳聽音設計标準,并非系統最大輸出聲壓級)。在圖片中我們可以看到,在90%的聽音區域中,直達聲覆蓋率變化不超過1.5dB。 在完成系統安裝和調試後,實地測量結果爲:聽音區域寬頻率最大聲壓級穩定在101-105dB之間. 2,000Hz的STI是0.68 。

柱體線形陣列的特性與應用
柱體線形陣列的特性與應用


實例二:圖5 是一個帶樓廳的拱頂式建築
    拱形天頂,中頻混響時間大約是2秒鍾,500Hz以下的混響時間長達3.5-4秒。聲音系統用于語音擴大和音樂回放。因爲樓廳聽音區需要得到和一樓聽音區近似的聲音效果,所以設計一個複合覆蓋面音箱系統是首先需要考慮的。由于房間混響時間長,疊加一隻低頻音箱,用于增加柱體陣列長度,以加強200Hz以下的低頻控制,減少低音的洩漏與反射,同時創建一個複合的覆蓋面。基于以上實際情況,在舞台的兩側安裝五隻Entasys音箱,用他們來覆蓋樓廳聽音區和一樓聽音區,将會得到一個平均的聲壓級覆蓋和理想的SIT。音箱從上到下的排列爲:上彎曲全頻音箱-垂直全頻音箱-低頻音箱-垂直全頻音箱-下彎曲全頻音箱。在Entasys全頻音箱下方的兩隻Community VLF212狹槽負載式超低音箱爲音樂回放提供出色的低頻。圖片6是Entasys柱體陣列1,000Hz到4,000Hz的縱向覆蓋圖像,從圖片中我們可以看到兩個分離的覆蓋範圍。圖7是Entasys系統 500Hz到2000Hz的平面覆蓋圖像。在完成系統安裝調試後,實地測量結果爲:一樓前排聽音區寬頻最大聲壓級爲107dB SPL,後排聽音區寬頻最大聲壓級爲102dB SPL,樓廳聽音區寬頻最大聲壓級爲101-102 dB SPL, 2000Hz STI 爲0.52。

柱體線形陣列的特性與應用
柱體線形陣列的特性與應用

    兩個應用實例是遠遠不能把柱體音箱的應用優勢完全表現出來的。但是,我希望通過這一次的讨論,使大家對柱體音箱有一次較爲全面的認識。在設計以柱體音箱爲主的聲音系統時,更好地發揮它們的優勢,去解決複雜聲學環境帶給擴聲系統的一系列問題。如果你對Community Entasys柱體音箱的設計和應用有更多的興趣。請到Community音響公司的官方網站下載Entasys的說明書和Enytasys設計應用指導。

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