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关于家用音柱:小型线阵列音箱的分析制作(一)

来源:bbs.hifidiy.net 发布者:linsong007 版权:原创

把线阵列式音响小型化作为室内家用,不是为了有多么大的声音(声压),而是为了更低的失真和更均匀的声场,这在原理上与大型线阵列有相似之处,但在性能需求上却有着不同的侧重,在高频段的设计处理上更是完全不同&。

最近把有关家用音柱(小型化线阵列)的一些技术认识做了整理&。因涉及的技术方面太多而俺的文笔又不咋地,所以就只挑重点写了些&。水平所限,对不对的仅供大家交流讨论&。

大型的线阵列系统通常用于室外、影院、大型会场等需要大声压并兼顾声场分布的场所&。但若把线阵列式音响小型化作为室内家用,则不是为了有多么大的声音(声压),而是为了更低的失真和更均匀的声场,这在原理上与大型线阵列有相似之处,但在性能需求上却有着不同的侧重,而在高频段的设计处理上更是完全不同&。

就现在的音响技术来说,尽管电子信息技术高度发达,对声音信号的传输处理已做到极低的失真水平(0.01%以下),但在最后扬声器的电-声环节却将失真增大到了1%~5%甚至更高的程度&。有许多产品宣称其失真在1%左右(这已是极品的指标),可这是指在功率不大(多指1瓦之内)的情况下,只要音量加大,失真便随之增大&。

动圈扬声器的失真是其原理及结构决定的,各类的失真几乎都与输入功率相关联&。大致上说,扬声器的总失真(THD)随输入功率变化的情况可分为两个阶段,在小于额定功率时,失真率的增量与振膜振幅呈正比(线性);在输入功率超过额定功率时,失真率对振幅呈指数式增加&。为了在大功率下有良好的音质就不得不使用更强劲的扬声器(大功率、长冲程、复合材料振膜等等),但这样一来,不但扬声器的品质变得更加关键同时还会引起其它问题&。(对音质造成影响的因素还有许多,这里不展开了)&。

就一般中小功率扬声器而言,把振膜振幅控制在一定范围内可以获得很低的失真,但这样就难以得到足够的声压(音量),为解决此矛盾,采用增加扬声器数量的办法——用一群扬声器协同工作来代替单一的扬声器单元工作,就可得到很低的失真和足够的声压&。这就是扬声器阵列的主要优势潜力之一,另一项优势是由阵列的多只单元所累积的尺度,能对声场形成有效的控制&。

线阵列式音响的结构相对复杂、成本较高,其工艺难度略超过普通音响系统&。再有是涉及的技术比较复杂,各扬声器单元之间的相互干扰和线声源特有的指向性等问题可能会影响音质&。正是这些问题,限制了阵列式音响系统的应用&。但出于对更高音质的追求,线阵列的优势仍然是明显且很有潜力的&。其实,在测试设备和工艺技术已有长足进步的今天,制作成本及工艺问题已不再突出,剩下的就是要设法有效解决阵列单元间的干扰及指向性问题&。关于线阵列技术的基础理论研究,几十年来已有大量的文献资料,可以为我们的应用实践提供参考和指导:

基本直线阵列——均匀等强度阵列与普通音箱以频率响应为设计出发点不同,小型阵列是以声场分布为出发点的&。就是说,首先要考虑用什么样的声场来适应环境&。所以我们要对阵列的声波辐射特性(指向性)有一些了解&。

扬声器安置成一列就成了最基本的直线阵列,但它的声辐射特性却不是那么简单&。首先让我们通过一组指向性图(极坐标)与压力场图(轴向垂直面2D)来认识一个均匀的直线声源的辐射特点,其目的是为了让我们对“指向性图”与“压力场图”的对应关系有个形象直观的理解&。

这是一个竖直在空中(自由&。┑、由100只单元组成的、长度2米的直线阵列,每只单元的信号强度相等&。图组1显示了其轴向垂直面上在各频率时的指向性(图1a)和与之对应的压力场分布(图1b)&。

线列阵

(图1a)

线列阵

(图1b)

此图组表明,即便线阵列单元密度如此之高(间距2cm),声场也不可避免的产生强烈的叉指状分裂(图1b),这在指向性图中(图1a)表现为主波瓣两侧的大量旁瓣(又称:副瓣、侧瓣等等)&。在4000Hz以上频率的声场,其正前方看似均匀,其实内部依然充满扰动&。

出现的旁瓣对实际听感会造成明显的影响&。这里用一个指向性图来做说明,见图2&。

线列阵

(图2)

旁瓣I的强度比主波瓣低了13.5db,这对大型场所(落地式、无顶棚)的应用影响不大,但作为家用HiFi系统其影响就不容忽视&。旁瓣的存在不仅是影响声场的均匀,其滞后的相位会使瞬态变差&。而“窄而深”的空值区域会随振膜的振动而位移,这会产生调幅失真&。当环境反射将这些作用混合后,听感就会显得浑浊(所谓的“梳状频响”就是主瓣与旁瓣的干涉造成的)&。所以,避免产生旁瓣或弱化其作用就成了小型阵列的设计要点&。

上述(图1)的阵列,也反映出一个有限长度的等振幅直线阵列的辐射特性,即使单元数量再多也是如此&?匆桓鼍戎毕呱丛诔ざ扔氩ǔげ煌壤碌氖P退贸龅闹赶蛐韵煊η撸ㄍ3)&。

线列阵

(图3)

图3所示,随着线声源的长度(l)与波长(λ)的比例变大,指向性变窄,并且出现了旁瓣,这也与图1的声场压力图相一致&。显然,改变线阵列的长度不会抑制旁瓣的产生,只是改变了产生旁瓣的频率点(在1~2个波长之间)&。显然,有限长度的直线声源并不能像预期那样产生“柱面波”&。

图3中也揭示出了线声源(或阵列)的低频的下限&。注意图中第一幅与第二幅,指向性由开始的近似“圆形”(指的是全向范围)迅速收窄(-6dB角不到90度)&。这意味着声辐射能量在轴向(正前方)加倍了,声压在这个频段就会产生一个+6db的跃升(指向增益),以频率倒序来看,就是低音在此频率处截至了(即-6db)&。所以,线阵列的低频截至频率就是以阵列长度为波长的频率&。

与理论线声源不同的是,现实的阵列并不是连续的,而是由一个个单元所组成,通过数学模型可看出,阵列单元的间距对整体的指向性是有很大影响的&。

下面我把[长度为1米的直线声源]、[长度为1米的12单元阵列(间距8.5cm,相当于12只3寸单元)]、[长度为1米的5单元阵列(间距20cm,相当于5只8寸单元)]来做个比较,以此对阵列中单元的密度对指向性的影响有个比较直观的认识(图4)&。

线列阵

(图4)

如图4所示,这三组图里在1000hz以下是基本相同的,12单元组在4000hz以上时出现了大型旁瓣,5单元组在2000hz时就出现了大型旁瓣(栅瓣),这种情况就是单元间距造成的,如果不限制频宽就会对声场及音质带来严重影响&。所以对于图4中的12单元阵列(间距8.5cm),最高可用频率约为4000hz;5单元阵列(间距20cm)最高可用频率为1500~2000hz&。显然,以单元的中心间距作为最高可用频率的波长是合理的&。

以上就是对直线阵列指向性特点的一些基本描述,这些分析都是全频带的,这与实际的扬声器单元会有些偏差&。普通锥形盆扬声器单元有高频上限,比如,通常8寸单元在8000hz时已没多少声辐射了&。锥形盆扬声器在指向变窄时产生的旁瓣也许不如理论上那么严重,但还未到可忽略程度&。

顺便一提,在图4里的高频段出现的凸指状栅瓣,和相同间距的两只单元所形成的合成指向性有些相似,因为其本质就是直线声源与局部点声源指向性的合成(乘积定理)&。显然,提高单元的密度可以增大工作频宽&。

总之,无论是增加单元密度还是增加长度,都不能有效解决旁瓣的出现,这是有限长度的均匀直线声源的本质特性决定的(简单的说,旁瓣出现的根本原因就是:线声源在到达端点时的突然截止所造成的“截断效应”)&。

而这些旁瓣干扰正是线阵列音箱的最大问题所在,也是在听感上难以提高的根源&。所以在本节里只是说说基本特性和存在的问题,并没有任何实际实施的推荐&。那么……该咋整呢?(请看下回:林教头风雪山神庙 陆虞候火烧草料场…… )

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