扬声器线阵列研究.doc

1、研 究 生 毕 业 论 文（申请博士学位）论 文 题 目 扬 声 器 线 阵 列 研 究 学 科 、 专 业 名称 声 学 摘 要扬声器线阵列的研究与开发是当前扩声领域的一项热点。扬声器线阵列通常被设计成模仿一条连续线声源，因此具有尖锐的指向性，伴随较小的旁瓣，在近场区域的声压级随着距离加倍而衰减 3dB，这一特性被我们熟知并且广泛应用于各种扩声场合。实际的应用中，扬声器线阵列并不是理想的连续线声源。这是由于它由数个独立的扬声器箱体垂直堆叠而成，而这些箱体中的扬声器不是紧密连接的。在高频时，声波复杂的干涉导致远距离投射难以实现；同时，指向性图中出现大的旁瓣，并且形态随着频率变化以及扬声器之间的

2、声源间隙而变化，难以控制。因此有效辐射率作为扬声器线阵列的一个重要参数出现，它定义为每个箱体的有效辐射长度与箱体高度的比值。在设计中通常追求尽可能高的有效辐射率。本文介绍了点源叠加、线源积分、指向性乘积理论等这些线声源的基本分析方法，进而分析了各种常用的扬声器阵列的理论模型，并通过指向性图介绍了各自的特点。直线声源的聚焦性能好，适合远距离投射；而弧线声源覆盖角不会随着频率升高而急剧变窄，因此适合覆盖舞台近距离的听众区域；J 型声源和渐进声源作为直线和弧线两种声源的结合体，兼具两种声源的优势，既实现远距离投射又兼顾近距离覆盖。而面对扬声器阵列与理想线声源之间的差距，本文提出了一种通过测量轴上频率

3、响应差估算扬声器线阵列有效辐射率的方法，仅仅通过测量不同位置的频率响应曲线，计算得到频响差之后，可以根据其和有效辐射率之间的关系求出后者的估计值，本文对于计算频响差的近点和远点位置、区间范围进行了深入探讨。最后，本文提出一种对于扬声器线阵列高频波导排列方式的优化方法，以提高扬声器阵列的有效辐射率。由于工艺所限，扬声器线阵列的有效辐射率不易达到百分之百，而将高频波导的排列方式进行优化，可以绕过工艺方面的限制，提高有效辐射率。这种排列方式的优化所带来的水平指向性影响，又恰好可以被利用于阵列的水平指向性控制，因此是一个很巧妙的方法。实验数据表明，实测的曲线与理论计算吻合的很好，结果可信而且有很高使用

4、价值。关键词：扬声器阵列，扬声器线阵列，有效辐射率，高频波导，交错排列ABSTRACTThe research and development of loudspeaker line arrays are topics of interest in sound-reinforcement applications, as they can produce more sound power to cover a large audience area. A loudspeaker line array is designed to work as much the same as a conti

5、nuous line source, which has a narrow directivity with low side lobes, and a pressure response that decreases in level at -3 dB per doubling of distance in the near field. These characteristics are valuable and have been applied in many sound-reinforcement venues. However in practical applications,

6、a loudspeaker line array is not actually a continuous line source, because it consists of a vertical assembly of separate enclosures, and the radiating transducers do not touch each other. At high frequencies, waves with different phases lead to irregular interferences, and it becomes difficult to a

7、chieve a long distance radiation. Meanwhile side lobes appear and vary materially with both the frequency and the gap length between transducers, which is also difficult to control. As an important parameter of loudspeaker line array, Active Radiating Factor (ARF) is defined as the ratio of actual r

8、adiating length (without gaps) to the total length of each enclosure. ARF is desired to be as high as possible, so the array works as much the same as a continuous line source.This PhD thesis deals with the way how to build the model of a loudspeaker line array. Some basic principles are introduced,

9、 and several kinds of typical loudspeaker line arrays are analyzed by responses and directivity characteristics. The ARF problem is concerned in the thesis, a way of evaluating ARF by measuring on-axis frequency responses are introduced, and an optimized way of increasing ARF is also shown which dea

10、ls with two types of arrangements of high-frequency waveguides by simulations and experiments. With tolerable errors, the experiment data agree well with the simulation results.Key Words: Loudspeaker arrays, Loudspeaker line arrays, Active radiating factor, High frequency waveguides, Staggered arran

11、gement目次第一章 绪论 .11.1 扬声器阵列发展历程 .11.2 问题的提出 .8第二章 直线声源基本分析方法及特性介绍 .112.1 点源叠加模型 .112.2 指向性乘积原理 .132.3 线源积分模型 .142.4 菲涅尔波带法 .182.5 柱面波成形条件 .192.6 小结 .20第三章 扬声器线阵列建模与声场特性 .213.1 直线 声源 .213.1.1 直线声源的指向性函数 普遍形式 .213.1.2 直线声源的指向性函数 均匀直线声源 .233.1.3 旁瓣和极小值 均匀直线声源 .243.1.4 覆盖角 均匀直线声源 .253.1.5 直线声源的轴上声压响应 .27

12、3.1.6 直线声源的声压场 .333.1.7 声场特性分析 .363.2 弧线声源 .373.2.1 弧线声源的极坐标指向性响应 .373.2.2 弧线声源的轴上声压响应 .393.2.3 弧线声源的声压场 .413.3 J 型声源 .443.3.1 J 型声源的极坐标指向性响应 .443.3.2 J 型声源的轴上声压响应 .483.3.3 J 型声源的声压场 .503.4 渐进声源 .523.4.1 渐进声源的极坐标指向性响应 .533.4.2 渐进声源的轴上声压响应 .563.4.3 渐进声源的声压场 .583.5 小结 .60第四章 扬声器线阵列 ARF 估算 .624.1 有效辐射率

13、 ARF .624.2 理论模型 .644.3 ARF 与频率响应 .644.4 ARF 估计方法的完善 .684.5 进一步讨论 .704.5.1 测量位置 .704.5.2 求方差的频率范围 .734.6 实验 .744.7 小结 .77第五章 ARF 的优化 高频波导交错排列改善扬声器线阵列的响应 .785.1 问题的提出 .785.2 直线排列方式 .795.2.1 单个箱体 .795.2.2 高频波导直线排列时的阵列 .805.3 交错排列方式 .845.3.1 单个箱体 .845.3.2 高频波导交错排列时的阵列 .865.3.3 仿真分析 .865.4 实验 .895.4.1 实

14、验条件说明 .895.4.2 频率响应 .905.4.3 垂直指向性响应 .915.5 交错排列方式对指向性的影响 .915.6 小结 .96第六章 总结 .97致 谢 .100参考文献 .101攻读博士学位期间主要成果 .110第一章 绪论1第一章 绪论1.1 扬声器阵列发展历程在电声领域发展过程中，扬声器阵列一直备受关注。从历史上看，人们将扬声器系统应用到扩声场合中，能够在一定的空间区域中满足特定的声重放需求。当听众所处的空间区域很大时，需要所采用的扬声器系统能够产生很大的辐射功率，很自然的，由于客观条件限制，单一的扬声器系统常常无法满足大区域覆盖的要求。当单一的扬声器系统无法满足越来越高

15、的声重放需求时，人们很自然地想到运用多个类似的扬声器系统，按照一定规律排列组合而形成阵列，如直线、曲线、平面等，从而提高辐射声功率，覆盖更大的范围。通过同相声压的叠加作用，期望在听众区域产生足够的声辐射 1。其中，简单地将多个扬声器排列于一条直线的方式被普遍采用，与此同时，保持各个扬声器上的驱动信号幅度和相位均相同，这就是常常被提及的“声柱” 23。早在 1930 年，I. Wolfe 和 L. Malter 在美国声学学报上发表论文“Directional Radiation of Sound”，研究分析了点源、线源、曲线源、平面源的指向特性 3。 1957 年 H. F. Olson 著书

16、综合分析了上述由多个相同的点声源直线排列组成的声柱，给出其理论模型及指向特性 2。正如这些经典文献的总结，这种早期的扬声器阵列，除了能辐射出更多的声能以外，阵列本身会带来额外的指向性。因此，当使用扬声器来组成阵列时，整个系统的指向性也和原来单个扬声器的指向性发生了很大的变化，不同组合方式的阵列可以产生各不相同的指向性 4-9。这种特定指向性在很多场合是很有用的，比如，窄指向性使声波能量更多的覆盖远离阵列的地方，使得远距离的特定听众区域听得更清楚 10。另外，在教堂等混响时间很长的地方，可以有效的增加直达声与混响声的比率，从而提高清晰度和语言可懂度 11。然而，伴随着这种强指向性，还会在其他的方

17、向产生不需要的指向性旁瓣，尤其是当阵列在一个较宽的工作频带内工作时，旁瓣的控制力差成为早期阵列的主要缺点。其中，最主要的问题是难以实现恒指向性辐射，即不同频率下的指向性不同。比如将多个扬声器等间距的排成一第一章 绪论2条直线作为声柱应用时，其指向性是频率的函数，频率越高，主声束宽度就越窄，旁瓣就越多，辐射声场就越不均匀 12-15。对于一个需要在扩声场合应用的扬声器系统来说，控制传声器正反馈带来的啸叫也变得困难。这些问题严重限制了扬声器阵列在实际中的应用 16。最近二十年以来，扬声器阵列的优化应用和开发工作进入了高速发展的时期，许多专家学者发表大量关于扬声器阵列的文献，相比之前的传统声柱，新的

18、扬声器阵列更加注重声源的连续性 17-25。例如，在 1992 年 AES 的第 92 届会议上，L-acoustics 公司的 Heil 和 Urban 提出了连续扬声器阵列的概念 1718，即以实现理想连续线声源的辐射声场为目标的扬声器阵列技术，揭示了此类扬声器阵列的声场特性：该阵列具有理想线声源的辐射特性，能实现柱面波传播以及极好的覆盖区域，声压随距离衰减更慢，可以投射更远的距离。此后，这种带有连续直线声源特征的扬声器阵列常被冠以“扬声器线阵列”的称呼。与此同时，各种分析关于如何使实际扬声器阵列可近似为理想线声源的文章陆续出现 26-44。Urban 在 2003 年提出了利用菲涅尔波带

19、法分析扬声器阵列的声辐射特性 26。菲涅尔波带法常常被用于光学领域，可以通过几何方法，近似地将声压的相位因素归结为正相和反相，这种近似可以使得人们快速的通过阵列的几何形状来定性地分析出其声学特征。而 Keele 提出了另一种组成弧线阵列的思路 45，即组成阵列的各个单元不必保持相同幅度和相位，而是根据某些特定函数的性质，馈给这些单元各不相同的信号，最终可以使得阵列的指向性基本不随频率而变化，实现了一定程度恒指向性，这种阵列被其命名为 CBT（恒定波束宽度）阵列 45-47。这种类型的扬声器阵列还可以通过信号延迟的手段，作成直线阵列的形式 48。相应的产品也被 JBL 开发出来。关于这些方面的理论和技术一时之间成为了扬声器阵列乃至电声领域的研究热点，同时也是世界各大知名音响公司抢得先机、占领市场的主要法宝。世界上，一些有关此类扬声器阵列的技术和产品相继推出，如 JBL 的 Vertical Technology、Meyer Sound 的 MILO 高能量曲线阵列、EAW 的第二代线阵列技术 Divergence Shading 等等 49-51。如今在很多大型的厅堂、场馆以及室外的露第一章 绪论3天舞台，都可以发现扬声器阵列的正在被广泛应用。图 1.1 JBL 公司的 Vertec 系列扬声器阵列图 1.2 JBL 阵列用于露天场合