CN101765038B - 一种高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法 - Google Patents

Abstract

一种高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法，扬声器线阵列中的高频号筒排列构成一条参考轴线，高频号筒交错排列于这条参考轴线的一侧或两侧；相邻的高频号筒的号筒口在垂直轴线方向是相互连接或重叠搭接的，高频号筒的号筒口构成的直线与这条轴线呈现夹角或高频号筒的号筒口成弧线的结构，使各个高频号筒的有效辐射区域紧密衔接。本发明通过适当的高频号筒的交错排列方法，达到减小其有效频率范围内的有效辐射因数的效果，从而显著降低垂直指向性的旁瓣带来的包括指向性和频率响应在内的负面影响。

Description

一种高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法

技术领域

本发明涉及扬声器线阵列指向性和频率响应的优化方法，即通过改进扬声器线阵列中的高频号筒排列方式，增大阵列垂直方向的有效辐射因数，减小旁瓣，优化扬声器线阵列的指向性和频率响应。

背景技术

大型的厅堂、场馆为了提供高品质的扩声性能，需要得到较高的声压级。由于单个扬声器难以达到理想的声压级，因此由多个扬声器组成的扬声器阵列是有效的解决方案，扬声器阵列也成为音频领域的研究热点。

与传统的声重放系统相比，大型扬声器阵列声重放系统有着如下优点：

1.可以产生足够的声压级，以满足大型场馆及露天演出的需求；

2.多扬声器间的干涉效应使得指向性更加容易控制，满足实际情况的需要；

3.在高混响环境内，可抑制反射声，提高语音的清晰度；

4.可使近场区和远场区的声压不均匀度减小，使全场听众都能获得良好的听音效果。以上种种优点，都使得大型扬声器阵列声重放系统得到了广泛的应用。

这些大型的扬声器阵列声重放系统通常都近似等效为一条连续直线声源，上述扬声器阵列的优点正是利用了直线声源的特性，因此有时也被称为“线性阵列”或者“线阵列”。

然而，实际上的扬声器线阵列并不能完全等效为一条理想的连续直线声源，特别是在高频范围内。一方面高频声波长很小，扬声器线阵列中的高频号筒无法保证口部各位置的相位相同，声波叠加导致指向性混乱；另一方面扬声器线阵列通常由各自独立的箱体垂直组合而成，由于箱体壁的厚度，这些声源无法非常紧密的连接在一起，存在一定距离的间隔。这些间隔会使得在高频范围扬声器线阵列的垂直指向性出现明显的旁瓣。影响其他区域的听众的听音效果。

为了明确上述声源间隔对于旁瓣的影响程度以及客观测量，人们进行了很多分析研究：M.S.Urban，C.Heil，and P.Bauman，“Wavefront Sculpture Technology”，J.Audio Eng.Soc.，vol.51，No.10，October 2003，提出了有效辐射因数的概念，用来反映声源间隔的大小，并提出将扬声器线阵列近似等效为连续直线声源时，有效辐射因数必须达到的下限。

M.S.Ureda，“Analysis of Loudspeaker Line Arrays”，J.Audio Eng.Soc.，vol.52，No.5，May 2004，分析了不同有效辐射因数对应的指向性图中旁瓣大小。

Y.Shen，D.Ou，and K.An，“The Relation between Active Radiating Factorand Frequancy Responses of Loudspeaker Line Arrays-Part 2”，presented atthe 123rd Convention of the Audio Engineering Society，New York，October 2007，提出了通过客观测量不同距离的频率响应，估计出扬声器线阵列不同频率范围的有效辐射因数。

上述方法均是分析上述声源间隔对于旁瓣的影响程度以及客观测量，但如何增大高频时的有效辐射因数以达到减小旁瓣的效果，除了尽可能将箱体壁厚减小之外，缺乏理想解决方案。

对于扬声器线阵列来说，需要做到指向性尖锐并且尽可能减小旁瓣。通过本发明扬声器线阵列中的高频号筒排列方式，能够保证上述要求。

发明内容

本发明的目的是：提出高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法；通过对扬声器线阵列中的高频号筒排列方式的设计，达到增加其有效频率范围内的有效辐射因数的效果，从而显著降低垂直指向性的旁瓣带来的负面影响。与此同时，通过计算频率、交错间隔的关系，确定最佳的号筒水平覆盖角，最终达到既改善扬声器线阵列垂直指向性，又不影响其水平指向性的目的，同时也提出一种成本布局更优化的高频号筒交错排列优化的扬声器线阵列。

本发明的方法是这样实现的：扬声器线阵列中的高频号筒排列构成一条参考轴线，高频号筒交错排列于这条参考轴线的一侧或两侧；相邻的高频号筒的号筒口在垂直轴线方向是相互连接或重叠搭接的，高频号筒的号筒口构成的直线与这条轴线呈现夹角或高频号筒的号筒口成弧线的结构，使各个高频号筒的有效辐射区域紧密衔接。

高频号筒的号筒口构成的直线与这条轴线呈现一至三个夹角，夹角的范围为5-85度。

轴线方向相互连接一般是指紧密无间隔的连接，也包括相互间只留有很小的空隙。

高频号筒交错排列优化的扬声器线阵列，扬声器线阵列中的高频号筒以这样的方式排列在一条轴线上，高频号筒交错排列于这条参考轴线的一侧或两侧；相邻的高频号筒的号筒口在垂直轴线方向是相连接或重叠搭接的，高频号筒的号筒口构成的直线与这条轴线呈一至三个夹角，使各个高频号筒的有效辐射区域紧密衔接。可在高频号筒轴线一侧或二侧设置低音音箱阵列。

如有M个高频号筒扬声器和N个低频扬声器系统构成扬声器系统的箱体线阵列。

为保证各个号筒的有效辐射区域紧密衔接，组成扬声器线阵列的各个扬声器系统的箱体在沿着垂直于号筒参考轴线有固定距离的错位。

在垂直于所述轴线(扬声器线阵列)排列的方向上号筒的各部分的交错间隔距离与号筒的水平覆盖角有关，且满足覆盖角越大，间隔距离越小的规律。

扬声器线阵列一般是由包括置于箱体内或箱体侧面的高频号筒扬声器和箱内扬声器系统排列而成，高频号筒不排列于一条直线上，而是均匀地排列于号筒参考轴线的两侧；在线阵列箱体排列的方向，各个号筒的有效辐射区域紧密衔接；而在垂直于线阵列箱体排列的方向，号筒的各部分之间存在交错间隔距离。根据线声源的性质以及声场叠加原理，先确定高频号筒的有效频率范围以及水平覆盖角，然后根据所需要的覆盖角度确定高频号筒的交错间隔距离，或者根据交错间隔距离确定覆盖角度。确定再根据箱体壁厚，设计箱体的形状使得号筒能够合理的交错排列，并且在垂直方向无间隔。具体而言，本发明的方法如下：

一般的扬声器线阵列的外观如图2所示，其中黑色粗线条表示高频号筒。本发明将高频号筒以交错方式排列，并相应调整扬声器线阵列的外观细节，在一条轴线两侧分布时有错位，如图4、6、8所示，在此列举三种方案供参考。扬声器线阵列由数个完全相同的箱体垂直堆积组成，因此，本发明具体方法重点在于单个箱体的设计，概括起来有以下几个方面：

1.箱体形状

一般的扬声器线阵列的单个箱体示意图如图1所示，应用本发明，有多种方式可以实现高频号筒的交错排列。举一例如下：扬声器线阵列的单个箱体示意图如图3所示。首先确定箱体的上下底边的壁厚，在此设壁厚一致，记为d。将矩形箱体斜向一分为二，其中一侧整体提高2d，与另一侧相接。高频号筒设置在此交错区域的附近。取整体上下底边的中心线，将扬声器线阵列低频单元布置于此中心线上。

另外，有些扬声器线阵列的箱体中，低频扬声器与高频号筒的相对位置与示意图有所差异，应用本发明设计箱体形状时，可酌情处理，以保证高频号筒的交错，如图5，7所示。

2.号筒扬声器覆盖角

扬声器线阵列的指向特性主要在于其水平指向性和垂直指向性。而高频范围的水平指向性主要决定于高频号筒扬声器的覆盖角。当水平偏离角度在此覆盖角范围之外时，来自号筒扬声器的辐射声压级较低。号筒扬声器的覆盖角确定之后，可以根据此号筒扬声器的有效频率范围的上限确定交错排列的间隔距离。

3.交错间隔

进行交错排列会影响水平指向性。因此不同的交错间隔距离，会使得阵列在高频范围的水平指向性不同。在接近有效频率范围上限的情况下，交错排列会对某个角度范围之外的区域的垂直指向性造成负面影响。交错间隔距离越大，这个角度范围越小，意味着交错间隔越小越好。与此同时，合理的考虑号筒覆盖角与交错间隔的关系，有助于降低这一负面影响。例如，将号筒的垂直覆盖角设计成与这个角度相近，即可借助于号筒的水平指向性，降低这一角度之外的辐射声压级，从而降低负面影响。

4.号筒排列位置

在上述举例中(见图3)，设阵列中单个箱体在交错之前高为H，壁厚d，按照上一点所述的垂直方向的交错间隔设为di，则号筒口的长度应设计为[(H-2d)^2+di^2]^0.5，号筒的水平安放位置按如下方法确定：号筒垂直中轴线处于箱体中轴线位置。

本发明的有益效果是：这是一种通过高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法。通过适当的高频号筒的交错排列方法，达到减小其有效频率范围内的有效辐射因数的效果，从而显著降低垂直指向性的旁瓣带来的包括指向性和频率响应在内的负面影响。在具体设计中需要通过计算频率、交错间隔以及号筒水平覆盖角之间的关系，可以既改善扬声器线阵列垂直指向性，又不影响其水平指向性。该发明克服了目前除了尽可能将箱体壁厚减小之外缺乏理想解决方案的局限性，简单易行，且效果明显。

附图说明

图1一般的扬声器线阵列的单个箱体外观示意图

图2一般的扬声器线阵列的外观示意图

图3是实施例一本发明后扬声器线阵列的单个箱体示意图

图4是实施例一本发明后扬声器箱体构成线阵列的示意图

图5是实施例二本发明后扬声器线阵列的单个箱体示意图

图6是实施例二本发明后扬声器箱体构成线阵列的示意图

图7是实施例三本发明后扬声器线阵列的单个箱体示意图

图8是实施例三本发明后扬声器箱体构成线阵列的示意图

图9现有技术与交错排列在轴线上(0度角时)号筒的0度频响图，交错排列保持了直线排列的优点；

图10现有技术与交错排列号筒的45度频响图，在轴线上在偏离轴线(45度)时频率响应的抖动比直线阵列小，

图11现有技术与交错排列号筒的4kHz指向性图，指向性图中交错排列的旁瓣更小。

具体实施方式：

下面以举实例的方式具体说明本发明设计方法：

实施例一至三是ABC三种方案都是利用号筒的交错排列来改善扬声器阵列的频率响应和指向性。

图9-11三个模拟的曲线图分别表明的本发明的有益效果。

如图4、6、8为采用实施例的示意图。本例中设计的扬声器线阵列采用交错排列方式安放高频号筒。例如方案一，扬声器线阵列总高度1200mm，由8个相同的箱体组成，每个箱体总高165mm，壁厚7.5mm，交错排列的号筒每个高度为150mm，交错间隔为34mm。号筒的水平覆盖角为60°。图中上下号筒的相贴合，上下号筒也可以有一定的间隔也没有超出本发明范围。

当号筒以交错排列方式安放，在一定的角度范围内可以认为壁厚可忽略不计。在号筒工作频段的θ＝0°方向，阵列可被看成是连续直线声源，其有效辐射因数为100％。这就保持了所有连续直线声源的优点。

经过以上设计，分析数值模拟结果如下：

1.偏离主轴的频率响应

这里计算了在θ＝0°的方向，偏离主轴的频率响应。在不偏离主轴的方向，无论是交错排列与否都会产生平直的频率响应，而在偏离主轴的方向，高频衰减现象在频率响应图中发生。图10表示偏离主轴45°方向(

)的直线排列方式、交错排列方式的频率响应对比图。在图中可以看出，两者均有相近的高频衰减现象，但对于直线排列(虚线)而言，有很多无法忽略的不规则抖动，而交错排列(实线)则仅有迅速的衰减。这些不规则抖动表明在实际应用中，处于声源下方靠近舞台附近的听众很可能会受到来自线阵列直线部分的负面影响，而这些影响是可以通过交错排列方式消除的。

2.指向性

图11表示在θ＝0°方向，频率为4kHz时，直线排列方式与交错排列方式的模拟垂直指向性图。图11表明，在较低的频率范围内，上述两种排列方式均可以近似看作连续线声源；然而在高频时，交错排列方式表现出它的优点。ARF接近100％，并且显著降低旁瓣。在图11中可以看出，在偏离主轴的

和方向，通过交错排列方式旁瓣降低了10dB。

Claims (4)

1.高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法，扬声器线阵列中的高频号筒排列构成一条参考轴线，高频号筒交错排列于这条参考轴线的一侧或两侧；相邻的高频号筒的号筒口在垂直轴线方向是相互连接或重叠搭接的，高频号筒的号筒口构成的直线与这条轴线呈现夹角或高频号筒的号筒口成弧线的结构，使各个高频号筒的有效辐射区域紧密衔接；高频号筒的号筒口构成的直线与这条参考轴线呈现一至三个夹角；夹角的范围为5-85度；

组成扬声器线阵列的各个扬声器系统的箱体在沿着垂直于号筒参考轴线的方向有固定距离的错位。

2.由权利要求1所述的高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法，其特征在于在垂直于线阵列箱体排列的方向上号筒的各部分的交错间隔距离与号筒的水平覆盖角有关，且满足覆盖角越大，间隔距离越小的规律。

3.由权利要求1所述的高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法，其特征是高频号筒的号筒口呈平行的斜线、八字线或折线或曲线。

4.由权利要求1所述的高频号筒交错排列优化扬声器线阵列指向性和频率响应的方法，其特征是在高频号筒轴线一侧或二侧设置低音音箱阵列。

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