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关于家用音柱:小型化线阵列音箱(三)

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

综合各种阵列看,都是以声场布局要求为设计出发点的,这和普通音箱的设计很不同&。在箱体强度、单元功率与同等级的普通音箱相比,要求可放宽些(但单元一致性要好),分频器应用等基础方面也是基本相同&。

曲线阵列

为了使线阵列有足够的辐射角度以覆盖听众席,常用方法是把它设置成弯曲的组合结构,如图10&。

曲线列阵

【图10】

通过仿真运算也证明了弯曲的阵列能有效扩展指向宽度&。图11是一个半径(R)和波长(λ)在不同比例下的均匀60度圆弧声源的极轴指向响应曲线图&。

曲线列阵

【图11】

显然,圆弧声源的指向响应比直线声源平滑许多(见图2)&。但较高频率时,旁瓣的干扰依然明显,曲折的曲线也反映出声场内部存在较强的扰动&。图12是一个高度2米、圆弧角为60度的均匀曲线声源压力场模拟图(范围是100米x100米)&。

曲线列阵

【图12】

它直观的反应出其阵列的圆弧角与指向覆盖角度是基本相同的;虽然声场的波动状况依然存在,但其旁瓣与直线阵列相比明显减弱了许多,这表明了圆弧阵列的先天优势与潜力&。

与直线阵列相似,曲线阵列也可以通过使用函数振幅束控来解决旁瓣干扰问题,但曲线阵列使用的束控函数不同于直线阵列&。据有关专家在声纳探测方面的研究(如Peter H.Rogers 和 A.L.Van Buren 在1977年发表的《New approach to a constant beamwidth transducer》等),提出了将勒让德函数束控用于圆弧曲线(或球冠面)阵列&。使用束控的圆弧曲线阵列,不但能消除副波瓣还能将辐射角度控制在一个恒定的范围(即 CBT 阵列 Constant Beamwidth Transducer)&。D. B. (DON) KEELE, JR 将其应用于音响系统并做了大量的应用研究及实践(见2000年发表的《The Application of Broadband Constant Beamwidth Transducer (CBT) Theory to Loudspeaker Arrays》)&。

通过图13所示这组无束控和有束控的圆弧阵列结构的模拟对比,能直观的看到勒让德函数束控在圆弧曲线阵列中应用的效果(图14)&。图中圆弧曲线阵列是由100声源构成的,高度2.5米(弧长约2.8米),圆弧角为90度&。

曲线列阵

【图13】

图14a和图14b分别显示了上述两个圆弧阵列的垂直面二维压力场图(图中的细线是3db等压线,它能显示出声场内部的波动)&。

曲线列阵

【图14a】

曲线列阵

【图14b】

对比这两组图会发现,带有勒让德束控的CBT圆弧阵列与无束控的相比,其垂直面声压分布是非常均匀的,在8000Hz内完全消除了旁瓣干扰和声场内部波动,从500Hz起基本保持了恒定的波束宽度&。

注意在达到16kHz时的声场碎片化了,这是单元的间距造成的&。这意味着一定弧长里阵列单元的数量决定了高频端的质量(类似情况在第一节里已经说过)&。

关于勒让德函数在此就不展开了(高等数学超复杂),为了实际应用把它简化成了个近似式:

y=1+0.066*x-1.8*x^2+0.734*x^3

x=0~1

其中y是阵列中某一单元的相对振幅强度(y=1时为振幅最大值),x是从圆弧阵列中央到某一单元的相对弧长(x=0为中心点,x=1为达到端点的弧长)&。

此公式对应的图形曲线如图15所示&。图16是转化为分贝级曲线&。图17为圆弧曲线阵列的结构&。

曲线列阵

【图15】

曲线列阵

【图16】

曲线列阵

【图17】

在图16中,-6db处的蓝色虚线对应x轴的0.64处,是完整束控阵列的有效(-6db)辐射覆盖角度,就是弧长的0.64倍对应的角度&。在实际应用中一般束控衰减最大值取至-18就足够了&。这样,以-18db截止的x轴“X(-18db)”长度就缩短至原x轴的约0.9倍了&。此时其有效辐射覆盖角为阵列弧长的0.7倍&。

依照图16中“x(-18db)”轴所制定的阵列结构如图18所示(图中单元数量并非实际)&。

曲线列阵

【图18】

圆弧线阵列的低频下限与圆弧阵列的高度(弦长度)相关,大致来说也是一个波长(这与第一节直线阵列低频的下限相似),但圆弧阵列的指向增益随频率而升高的速度与直线阵列有些差别&?捎谜飧龉剑ㄕ庖彩呛阒赶蚝沤堑慕刂蛊德使剑&。├垂浪阍不≌罅械牡推到刂蛊德剩率剑ゝ =K/(θ* L)

式中 f 为低频截止频率;K=2.5 x 10^4;θ是阵列的覆盖角(或号筒覆盖角度,单位:°);L 为阵列高度(或号角开口宽度,单位:米);&。

由这个公式推算出的低频截止频率与前述的“以阵列长度为波长的频率”有些出入,这是曲率和束控截止参数带来的一些变化,但区别不算大&。

在低频截止频率之上,阵列的波束宽度逐渐受控恒定,这意味着阵列的指向增益不再增加(波束宽度不再收窄),能量守恒定律会导致在此频率之上的轴向声压随频率滚降(每倍程-3db)&。如图19,这是一个高1.37米、张角100度(覆盖角64度)的带有勒让德函数束控的圆弧线阵列所表现出的特性(注意在图中约400Hz处的红线)&。

曲线列阵

【图19】

需要注意的是,CBT圆弧阵列的这种特性,尤其是在图19下方的频率响应特征,它在一定频率时呈每倍程-3dB的斜率衰减,而直线阵列是不存在这种情况的&。这就要求在实际应用时做适当的均衡(使用EQ均衡器或增加有源滤波器)或专门的(反斜率)扬声器单元来配合(这也成了单元选择的最大麻烦&。在我实践中,结构设计时不得不去配合扬声器的频率特性,真无奈)&。

圆弧阵列的高度越高,其波束宽度受控的截至频率就越低,这对重放质量是有利的(可减少环境干扰)&。与落地式直线阵列类似,采用半个圆弧构成的落地式圆弧阵列(半高度阵列),能从分利用地面反射达到完整阵列的效果,将原本有害的反射变为有利且高度减半,见图20&。

曲线列阵

【图20】

仿真表明了落地式圆弧阵列在高度达到1.25米就能取得很好的效果,如图21中各频率下的声压力场模拟(张角45度50单元,波束覆盖角约29度)&。

曲线列阵

【图21】

看得出这种带束控的圆弧阵列的声场是非常均匀的,完全避免了地板反射的干扰&。尽管只有1米多高,却能达到2米以上的直线阵列所能实现的声场覆盖,这对小型房间内使用是很有利的&。

另外一个现象,注意这种圆弧半高度阵列的声场分布,见图22(即图21中1000Hz),图中的箭头线条所示的区域内声压几乎一致&。就是说一个站姿听者(约1.7米高)距离从1.5米到4米多的音量感受是相同的,这几乎是其它任何音响都难以做到的&。

曲线列阵

【图22】

综合上述各种阵列看,都是以声场布局要求为设计出发点的,这和普通音箱的设计很不同&。在箱体强度、单元功率与同等级的普通音箱相比,要求可放宽些(但单元一致性要好),分频器应用等基础方面也是基本相同的&。比如为了使阵列能有足够宽的工作频段,可使用2或3分频,即用并列的高低音阵列来覆盖各自频段等&。篇幅所限有许多理论和实施细节无法一一说明,也有些问题还在进一步探索当中&。

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