线性阵列声波耦合特性的研究

线性阵列声波耦合特性的研究

1声乐安装的原因随着几何噪声的发展、声场性能的提高、数字数据处理技术的成熟和测量技术的进步，人们对声场的清晰度、相干性、声压级和一致性提出了越来越高的要求。与此同时，观众的面积也在增加，这不可避免地导致声场数量的增加。通常的做法是为获得要求的声压级，把许多扬声器配置成阵列或音箱簇。而多数扩声系统的结果是：各个扬声器辐射的声波不能正确耦合，不可控制地互相干扰。正因如此，线性阵列扬声器成为近年来在行业内最为活跃的产品之一，并在实践中得到广泛的应用。下面笔者将对线性扬声器阵列的波阵面耦合原理进行剖析。2声乐声乐相反反应的发生当2个声源在物理关系上分开时，如在一个音箱阵列中的2只扬声器或2个号筒音箱，由每个声源辐射出的波阵面在到达时间上将存在一定的差异，这将引起某些频率及某些地点存在声波叠加或抵消等声干涉现象。进一步将引起有关覆盖范围、指向性控制、声音可懂度及频率响应的一致性等一系列的声学问题。图1为同时加入同相位的2种声波时产生的结果。如在现有的扬声器上，再加一个扬声器，振幅（声压级）会增加，扬声器增加越多，振幅会变得越大。但也可能会出现相反情况，即振幅（声压级）降低，甚至消失。图2为加入2种振幅一样的极性相反的声波的结果。当使用扬声器阵列时，如果相位相反或滞后会使声压级降低或产生许多问题。假设在一个具有2个声源的声场中，其与M点之间的关系如图3所示。在声场中，P1是扬声器S1在M点产生的声压级，P2是扬声器S2在M点产生的声压级，而总声压级Pm则是扬声器S1和S2在M点共同产生的复合声压级：如果2个扬声器各自在M点产生的声压级一样，均为P，并将到达时间t=t1=d1/c作为基准点（c为声速)，这时总Pm可简化为其中，Δd=d2-d1为S1与S2相对M点的声程差。从式（2）可以看出，似乎第2个声源频响将由指定的相位决定：Δθ=2πfΔd/c。当Δθ=（2n+1）π，n=0,1,2，…时，由于cos(2n+1）π=-1，即声波相位差180°，故Pm=P[1+（-1）]=0，此时声波发生抵消。依此类推，声波在各频率发生抵消时要满足2πfΔd/c=2n+1，且n为整数。例如，当2个声源的声程差Δd=0.33m时（即Δt=1ms），这时产生抵消的频率将是500Hz,1500Hz,2500Hz（奇次谐波），并出现了在专业音响中所谓声音的“梳状滤波效应”（图4）。事实上还有一个更大的问题是由于梳状滤波效应出现的声波抵消并不只发生在某一固定频点，因为当选择不同的观测位置M时，其相应的声程时间差也不同。3声源叠加耦合的可能1992年的维也纳AES会议上，ChristianHeil博士发表“SoundFieldsRadiatedbyMultiplesoundsourceArrays”（或“多声源阵列的声场覆盖”）之后详细、完整的波阵面耦合技术原理（WST）得到了进一步的深化与论证；2001年在纽约AES会议上还正式发表了“WavefrontSculptureTechnology”（或波阵面耦合技术）。上一节关于声干涉的问题中，时间及频率的关系可以用不同的方式表达，如采用距离和波长范围。由于λ=c/f（λ为波长，f为频率，Δd=cΔt（Δd为S1与S2相对M点的声程差），当2个波阵面到达观察点M的声程差Δd=（2n+1）×（λ/2）时，声波在各频率发生抵消，n为整数。依此推断，当离散型的声源到M点的声程差为λ/2（半波长）的整数倍时，将产生一个完全不规则的干涉波阵面（由于梳状滤波效应的作用）。设想一个线性阵列离散型声源向M点提供相同的声压级，以便找出关于这些声源在一个指定的频率f=c/λ进行叠加耦合的条件。假定多声源波阵面最先到达M点的时间为t1=di/c，如图5所示最先到达M点的应该是声源i（物理距离上与M点最近）。如果以M点为圆心、以di为半径划弧，记住声波在各频率发生抵消时的条件即声程差△d=（2n+1）（λ/2），于是可再画出一个半径为di+λ/2的一段圆弧（n=0）。如果相邻的声源被包含在圆环里面（半径为di与di+λ/2的圆弧之间），则不会发生抵消，这时声波发生叠加耦合；如果声源是在圆环外则声波有可能发生抵消，如图5所示。如图6所示，当频率下降时在同样的听音点M，波长变得更长，相应圆环的间距也随之变大，因此更多的声源包含在圆环以内，M点发生声波的叠加耦合；相反，当频率上升时圆环包含的声源更少。维持相同的频率（这时圆环的间距保持不变），将听音点M向阵列方向移动，这时意味着圆环的半径将变小，因此圆环包含的声源相应减少；反之将听音点M向远离阵列方向移动，这时圆环的半径将变大，圆环包含的声源增加。划出多条圆环时，半径依次增加Δd=（2n+1）（λ/2）。声波抵消区域如图7中灰色部分；白色部分为声波叠加耦合区域。比较叠加圆环与抵消圆环各包含声源的数量：数量相等时，声源将普遍存在不一致性，且在M点产生一个不连续的混乱声场；而值得注意的是当叠加圆环中包含的声源较多时，各声源声波将在M点一致性地聚集，产生一个连续的叠加声场。这种分析方法应归功于著名的科学家菲涅尔，他在20世纪初首先使用了这种方法来分析、描述光的干涉现象。如果在不同的M点重复以上的分析，将可画出相应的示意图来显示该点的声场是否是一致的。当在指定的区域中看起来没有叠加的声场时，可断言该区域将存在较为混乱的声场。于是可详细说明声场叠加区域的声压级将会比抵消区域的声压级高；以此类推，能对指定频率详细定义的阵列的有效覆盖区域。而作为一个音频设计师的主要目标是要清晰地确定声场的一致性区域，当然不只是对一个指定的频率，而是声源所产生声波的整个频率范围。要达到这个目标，理论上第一步是调整各声源之间的距离，尽量使其减少到最小。在指定的频率下通过调整，有更多机会使最多数量的声源被包含在第一个叠加圆环里，因为在这种情况下垂直线源阵列的轴线上最有希望达到声波的一致性叠加耦合，如图8所示。值得注意的是图8中各声源间隔比图7中的小些，所以有更多声源包含在第一个叠加圆环里。在偏离轴线的位置如图9所示，第一个叠加圆环包含的声源减少,直到叠加圆环与抵消圆环的数量相等时该区域的声场将变得混乱且不连续。当然分开这些连续与混乱的声场，并详细定义在主覆盖区域中的连续性叠加声场，才是需要的声场。最理想的情况是各声源彼此之间紧密地靠拢在一起，相当于组成了一只频响平直的“带状音箱”———一个连续的线性声源，在高频声波波长特别小（远小于驱动器）时各声源的间距引起声场混乱的问题，如16kHz时波长只有2cm。它成功地实现了多声源声场精确地替换成一个单一的波阵面，如图10所示。进行更进一步的分析，这里说明2种实现声波最优化耦合的方式。(1）各声源声学中心之间的间隔必须尽可能减到最少，而且必须小于最高工作频率的波长的一半（或是相应工作频段的最高频率的波长的一半），如图11所示。(2）各声源产生的波阵面是平面带状的圆柱波，共同填充至少80%的总辐射面积（或不连续区域不能超过总面积的20%，如图11所示。其后采用“菲涅尔分析环”直观、深入浅出的方式进行进一步的完善、剖析，补充上述原理。(1）各平坦的波阵面之间的偏离必须小于最高工作频率的λ/4（相应于在声波频率16kHz时要