大部分音頻方面的專家都了解,有些房間必須要安置具有指向性的音箱系統,還有一些則建議使用全向性的音箱系統。最終選擇哪種系統將取決于兩個因素,即音箱的位置和房間的內部結構,但總的來說,在反饋直接與音箱的指向性因數Q成比例的前提下,可以根據下面的等式得出最大的聲波增益值。在下列等式中,Q指音箱在某一特定指向上傳播聲音,及防止聲音散射的能力。特定情況下,Q等于從發聲器到某一固定距離和特定方位的聲壓平方與同一距離所有方向上的聲壓平方平均值的比。Q與理想情況下音箱的水平方向和垂直方向輻射角度有關,計算公式為:Q=180/這里θ=水平方向輻射角度,φ=垂直方向輻射角度。

  

  雖然Q在計算聲音增益時是有用的,但知道不同頻率下的有效水平和垂直輻射角度對于系統設計則更有幫助。剛才所提到的“不同頻率”是一個關鍵因素,因為任何音箱或音箱系統的指向性總是隨著頻率的不同而有變化。下面我們將幫助你了解在不同頻率時指向性的變化,并給出一個理想參數,以及關于指向性性能方面一些夸大的說辭,以免輕信產品廠商的廣告。

  惠更斯定律

  任何在其表面具有恒定相位的聲輻射器,如低頻錐形喇叭或靜電板式喇叭在低頻下工作時,聲音向四面散射,隨著頻率越高則指向性越強。具有指向性的原因可通過Huygen定律來解釋,即任何反射表面都可被細分為由若干獨立的小平面組成,每個小平面都是向四面反射。我們假設錐形表面的其中一處為A,另一處為B(如圖2),那么就可得出A和B到任意一個指定接聽點P的聲音傳播效果。

  如果振膜表面的兩點到接聽點的距離相等,則這兩點傳輸過來的聲波在接聽點將會疊加。如果在某個頻率下,來自A點的聲波傳輸時間比來自B點的聲波傳輸時間多半個周期,則接聽點處這兩個聲波的相位將互相抵消。通過對其微積分,就可得出在任何接聽點處,錐形喇叭或任何喇叭的整體頻響。在某一頻率下,錐形喇叭的整體頻響可被分解為不同的定向輻射模式(圖4)。

  

 

  圖4:輻射瓣的指向性

  圖4根據不同的ka值進行了分類,ka為錐形喇叭的半徑和波數的乘積。(k=2πf/c,其中f是頻率,c是聲速)通過計算,我們發現ka只是周長與波長的比。我們知道,1kHz聲波的波長約為1英尺,且波長與頻率是成反比的,因此,對于1個15英寸的喇叭而言,周長約為4英尺,所以就可將ka等于1的圖用在一個250Hz的15英寸喇叭上,如果是一個12英寸的喇叭,則相應的頻率應為333Hz。

  要注意的是,當頻率高于ka=1時的頻率值時,聲音才會具有指向性。通常來說,在ka<=1的頻率下,錐形喇叭輻射聲波時就像在進行活塞運動一樣,整個振動表面以同相向外輻射聲波。但當頻率高于上面所提到的值時,現實中錐形喇叭整個振動面將不會同相輻射聲波,所以ka>=1時圖2的曲線圖基本上在現實情況下是不適用的。

  這樣,在更高頻率下,現實中錐形喇叭的指向性模式與相同尺寸的活塞式喇叭的理論模式是不同的?偟膩碚f,在更高頻率下,錐形喇叭的指向角度范圍(錐形喇叭的不同部分相互之間是異相的)比真正的活塞式喇叭的輻射角度更廣。同時,任何錐形音箱的指向性在頻率增加時都會變的更窄。這就是著名的聚束效應。

  兩種方法

  為了控制聲音的傳播,我們希望喇叭的聲波輻射具有指向性,現在有兩種方法可以達到這種效果:號角形喇叭和陣列形喇叭。設計很好的號角形喇叭其陣膜做的很小,但性能卻很強大,它生成一個球形波陣面,球形半徑主要由喇叭的外型和出聲口大小決定。陣列式喇叭采用一組更小輻射體形成的界面效應,來生成相同種類的波陣面。在兩個例子中,指向性是頻率的唯一控制標號,其波長等于或小于喇叭的周長。

  線性陣列喇叭中,線長必須約是波長的0.6倍,若需要產生指向性控制的話,則更長。兩種方法沒有一種可提供更好的手段來達到低頻指向性的效果:事實上,同樣尺寸的單個喇叭在最低頻率下反而是效果最好的。然而,在更高的頻率下,號角式或陣列式喇叭的指向性比單個驅動喇叭的指向性更好控制,且設計操作更方便。

  無擋板音箱

  另一個種類的輻射體可被用來滿足指向性需求,且在低頻率下也有作用,甚至無需大量的輻射體。該系列中最簡單的一種就是無擋板音箱,也稱為偶極輻射體。因為該音箱從喇叭兩邊輻射聲音的幅度相同,但相位相反,在圓錐軸向的平面上相互正交,所有輻射聲波都相互抵消了。這樣,其指向性就如圖8所示。如果將適當的聲阻置于錐形喇叭的后面,就可得到其他指向性模式,如超心形或心形(象麥克風的模式)。對一個給定的低頻輸出量而言,該技術相應要付出的是高得多的錐形偏移。這種技術對音箱的機械性和溫度設計有很高的要求。

  喇叭是聲音通過的通道,即從驅動端(喉)到輻射端(嘴)的一個逐漸擴大的橫截面區域。在非常低的頻率下,喇叭對聲音而言是基本透明的,驅動端的動作就好象喇叭是不存在的一樣。然而,當頻率大于某個特定的頻率閾值時,喇叭開始起到一個聲音轉換的作用,將低聲阻(低壓,大體積速率)的嘴端轉換到高聲阻(高壓,低體積速率)的喉端。這種轉換極大的增加了發射系統的效率,通常為12dB或更高,且減小了偏移和相關偏移失真(這是最常見的失真種類)。

  在嘴和喉之間,當聲音穿過喇叭時,被放大了,在這種情況下,喇叭產生了低端閾值頻率和指向性輻射。

  喇叭的指向性輻射可分成三個頻率區域進行討論(圖6)。在最低頻率區域,輻射從四散到確切的指向性。在中間區域,喇叭按你所希望的那樣,通過檢查其喇叭壁來指引聲音:直平壁的指向性是恒定的,而彎曲的四散壁的指向性則隨頻率增加增加。在最高頻率區域,由驅動器的半徑來控制指向性。

  但還有兩個并不是很明顯的特性,第一個是:在喇叭嘴控制區域以上,指向性縮窄了約半個八度,稱之為“腰帶”。第二個是,如果喇叭壁的形狀不是直的,則喇叭需要在更高的頻率才能工作;旧,關于第一個半波傳送,聲波與喇叭壁表面是一致的。之后,即使喇叭壁分裂,由于是在一個指數曲線形喇叭中,所以聲波不再與喇叭壁一致。這樣,在喉端緩慢膨脹的喇叭在高頻處比低頻處更具指向性。

  放射性喇叭

  所謂放射性喇叭,即通過在水平面維持一個恒定的圓錐形聲波輻射,在垂直面則極大的脫離錐形面。這樣,不同頻率下的水平指向性幾乎是恒定的,但在垂直平面上,喇叭的指向性則有很大不同。在有些應用場合,垂直指向角度只需10或20度就夠了,但在水平方向卻需要一個90或更廣的指向角度,這時放射性喇叭就最適用了。

  喇叭指向性的最上限是由喉端的指向特性決定的,通常由壓縮驅動器所在的開口處來定義。這樣一個帶25毫米驅動器的喇叭可以比一個50毫米驅動器喇叭擁有更廣的高頻輻射模式。當頻率高于某個特定頻率(即驅動器周長等于波長時的頻率),就會發生這種轉換:25毫米驅動器為5kHz或50毫米驅動器為2.5kHz。(當然,在此頻率時,轉換的發生由喇叭的壁角和驅動器開口來決定。)

  增大高頻輻射角度的方法之一是在驅動器的相位插座前端使用“子彈”。模擬和測量喇叭工作時可以看出,這些器件增加了頻率響應的不規則性。

  其底線是,一個90度*40度的喇叭在前面提到的中間頻率區域僅有90度*40度的輻射范圍。在喇叭能提供指向性控制的頻率范圍內,該范圍內的最低頻率值就是喇叭尺寸等于0.6倍波長時的頻率。這樣,一個在低價系統中常見的1英寸*10英寸喇叭,如果水平排成很長的一排,其具有指向性控制的最低頻率值的近似計算方法為:垂直方向的長度=0.6*波長時的波長為4英寸/0.6=6.67英寸,則響應的頻率為f=c/λ=13620英寸/6.67英寸=2257Hz。

  水平長度為垂直高度的2.5倍時是最佳情況,所以頻率比2.5倍(902Hz)更低。事實上,大多數喇叭所具有的是一個指數輻射面(即彎曲的喇叭壁),所以他們在高頻處輻射時,如10kHz時的指向性或許跌到40*20度。恒定指向性(CD)的喇叭其邊壁相對更平坦,所以在10Hz-10kHZ的頻率范圍內指向性就不會有很大的差別。但是,一個CD喇叭的喉端設計經常包括一個在衍射槽中的狹窄溝道終端。

  通常,該溝道的大小將決定最高音頻處的發射。對于在最高音頻處擁有90-120度的較佳的水平輻射范圍而言,一個插槽壓縮高頻音箱很難打破。通常,該插槽約1/2英寸寬,可避免在低于16KHZ的頻率下傳送聲音。

  當多個喇叭排列在一起來覆蓋同一個頻率范圍時,干擾的結果是在交疊區內引起不規則的響應(根據產生的頻響曲度形狀,稱之為梳狀濾波)。喇叭驅動器挨的越近,發生不規則的頻率越高,且聲音越讓人覺得不愉快。在兩個喇叭的音頻覆蓋區域,許多設計師都非常謹慎的壘疊喇叭的圖形,因為輕微水平的下降(對聽眾而言意味著更低的回音比)要比由于干擾而引起的不規則頻響舒服一些。

  近場、遠場

  任何聲源輻射的聲場狀態根據接聽距離不同而有區別?偟膩碚f,接聽距離可分為近場和遠場。近場是從輻射源到下面距離:[L],這里L是最大的輻射源尺寸和距離,L和λ是在同一單位中被測量的。在近場,將近場輻射距離擴展到無限遠,如果聲源是在室外的話,來自聲源的聲音等級以每雙倍距離6dB的速率遞減。在室內的話,由于房間的影響,衰減會慢一些,基本是以每雙倍距離3-6dB的速率遞減。這些影響對測量是很重要的,在這種情況下,麥克風為了可以精確的工作,在所有相關頻率下都應該處在近場范圍內。同樣,這對于陣列音箱的評估和應用來說也非常重要。

  線性陣列

  在音頻界,每隔幾年就有人把會把一個40年代以前曾被研究和獲得專利的理論進行重新研究,然后宣布有了重大突破,甚至會對其重新進行專利注冊。線性陣列就是這樣一個被重新發現的理論。一個真正的線性陣列是一個連續的條狀輻射體,它可以是水平的或垂直的,通過其單元部件之間的干擾效果生成指向性控制。據本人所知,現僅有兩種真正的線性陣列(一個公式):

  靜電條狀輻射體和電磁條(帶)狀輻射體。有許多公司生產了很多有或多或少線性陣列特性的產品,但這些不是真實的線性陣列。

  真正的線性陣列在其長度范圍內一直都是同相輻射的。如果每個單獨的輻射體輸入的信號同相,且臨近設備的中心間隔在最高頻率的1/4波長范圍之內,則可得到近似的線性陣列。不滿足這個要求的陣列將表現出不規則的頻響。

  圖8描述的是真實線性陣列的指向特性。要注意的是,除了圖中的主聲瓣(在長度上比一個波長要長)外,最小的聲瓣也可以顯現出來。在這些角度內的聽眾將聽到不規則的頻響。但也要注意的是,與大瓣相比,小瓣的等級衰減的很厲害。近似的等式6可得出垂直線性陣列在縱向輻射區域的角度范圍:q= (角度值為弧度)

  表面印有圖畫的Amina DML面板

  另外,指向性隨著頻率不同而變化,但當頻率增加時,指向性會變窄。在某些應用中,這個影響不是什么大問題。舉一個例子,當一個線性陣列其中心安置在與聽眾耳朵一個平面上,則一個非常窄的垂直指向性是可以接受的,且所有聽眾可以非常清楚的聽到所有頻率范圍的聲音。

  關于線性陣列的一個改善是將陣列進行分割,所以輻射體的中心部分將處理所有頻率范圍,而遠離中心的段將輸入低通信號(其所具有的閾值頻率更低)。這樣,當以波長來測量時,陣列的有效長度應該保持一致,并生成一個更一致的指向性。該方法稱為“頻率陰影法”,它已經得到論證,即Bessel濾波器是用在頻率陰影陣列中最佳的技術。Philips擁有Bessel陣列的專利。

  在陣列設計上的另一個種類是曲線陣列,它可提供更低的高頻發射。

  為了使線性陣列產生的聲音可進行電子控制,陣列單元或驅動器可通過獨立的放大器來輸入信號,同時不同的陣列單元采用不同的信號延遲。大多廠商的環繞聲系統都具有這種“可控制陣列”特性。

  從近場到遠場的轉換

  另一個很少被提到的線性陣列應用是從近場到遠場轉換的影響。如果一個線性陣列以圓柱體來輻射聲音,則當聽者遠離該陣列時,聲音等級將以每雙程距離3dB的速率衰減(假設處在消聲或室外環境中)。如果在室內,衰減速率會更慢些。如果該陣列從室內的地板延伸到天花板上,那么它在所有頻率范圍內都將按真正的圓柱形輻射體來傳送聲波。在I

  該陣列在200Hz時的垂直指向范圍為40度,在遠場的聲壓以每雙程距離3dB的速率遞減,在345Hz處時遠場距離大于4米。在1kHz處,指向范圍約10度,3米以外聲壓以每雙程距離3dB的速率遞減。因此,在10kHz聽者的距離在約30米處時,才會有3dB速率的遞減。要注意這種趨勢。在高頻處,當3dB的遞減規則產生效應時,聽者必須要遠離該陣列。在近距離處,遞減速率將從很小距離的0dB(每雙程距離)變到遠場距離的3dB速率,它是依據頻率而變化的。

  在應用中,陣列要與預定頻響互補,確認參考接聽距是很有必要的,我們希望在這個距離可以聽到一個平坦的響應,因為對不同的聽者距離,響應平面將在幾個dB范圍內變化。當線性陣列被用于室內時,這個影響將會顯著減小,因為室內反射的趨勢是平衡不規則反射以達到某種程度的平衡。

  DML

  幾年前,一些音箱的新產品面市,即分布式音箱,或稱為DML。這種音箱包含一個或多個小心安裝在設計面板上的轉換器。在使用中,轉換器發出一個曲度波到面板,然后該面板將聲波輻射到其周長距離,再反射回來,這樣反復若干次直到其衰減到0。通過選擇適當的面板材料,聲音在面板的反射持續時間可得到精確控制,所以好的頻響被保留下來。但聲波是以不連貫的相位輻射的,所以界面影響可被消除,且面板可生成一個全面的平坦響應。通常使用的面板無背欄,在這種應用中,他們可在自由空間內進行360度的輻射。

  當安裝在墻附近時,他們生成一個將近180度(半球)的模式。更進一步,當在單一覆蓋領域使用不僅一個面板時,他們的非相干輻射可使其免除有害的干擾影響(梳狀濾波)。并且,他們比相關相位音箱更少震動房間。

  最后,由于面積很大(這對DML面板是很有用的),輻射是分布式的,所以在所謂近場的聽眾不會被暴露在高聲級下。例如,一個DML板可作為會議室白板和音箱雙重功能使用,當演示者使用無線麥克風站在DML板附近時,很少會有反饋。

  當然,DML并不是包治白病的良藥。因為很少有應用場合需要如此高的指向性來提高聽者的理解力。它不能產生音樂會的音響等級。它的順態響應有時沒有最高的高保真顯著。但它特有的特性確實使其在某些特殊應用中可被采用,這些應用場合并不需要普通的音箱,對他們來說,普通即意為著無趣。