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线阵列与线源阵列 关于L-ACOUSTICS技术 2017年03月14日

引言

 

线源阵列和线阵列之间有很大的差异。我们希望通过本文,在分析传统号筒加载系统的限制和叙述V-DOSC、dV-DOSC、ARCS背后(我们称之为波阵面纠正技术WST  Wavefront Sculpture Technology)的技术之后,对此加以详细说明。(WST)指的是可变弯曲线源阵列的设计,其形状经过调整,以便匹配听众场地的几何形状。实质上,它是线源阵列产生柱状波阵面的能力与系统的正确聚焦这两者的结合。该系统提供均匀的声压级分布和距离加倍时3 dB衰减。

1993年夏天,L-ACOUSTICS根据一些原理推出了一种新型音响系统。以往这些原理被废弃,因为认为它们不适用于高端音频领域。L-ACOUSTICS提供的不仅仅是这些原理的新考虑,而且是建立线阵列工作界限的科学技能。这就是WST耦合准则的来源。这些准则最终将使扩声行业的方法和未来发生根本改变。

但是,这种系统的商业采用,证明是一种微妙的操作,因为它把当时占优势的想法放到严肃的问题中去。在WST出现之前,没有人体验过菲涅耳场(近场)和夫郎和费场(远场)。没有别的人谈论柱面波阵面的传播、距离增加一倍时声压级降低3 dB、或者分数度数的角度覆盖。基本上,人人都对扬声器的独立性质感兴趣,但是L-ACOUSTICS采用了与一组模块化扬声器单元有关的集体概念的想法。那是一种崭新的讨论、不同的工作方式、结果超出了当时行业中公认的范围。新的想法有时难以接受,因此我们寻找方法慢慢采用这种技术,同时使之被专业音响领域中的主要积极参与者逐渐承认。

今天,作为我们的方法成功的结果,某些厂家终于看到,除了把有关这个概念的他们自己的版本的消息告诉别人之外,别无选择。使人痛苦的是看到某些公司不仅模仿得以假乱真,而且企图把我们的概念的专有本性和起源据为己有。幸运的是,有些人保持他们自己的专有概念和规范,对于消费者来说,重要的是了解事实与推销演讲之间有区别。我们在V-DOSC方面的经验是受到事实支持的,不仅仅是承诺。

 
常规系统怎么了

扩声的趋势一直是提高音乐会期间的声压级和覆盖的听众的规模。这不可避免地导致扬声器数目的增加,因为只有一些更强大的单个扬声器才能达到这样的尺寸和重量,这样一来,它们的运输、处理和安装简直不切实际。

实际上,常规号筒加载扬声器一般是组装成扇形阵列,服从每个音箱的水平覆盖角决定的角度,努力减少引起破坏性干扰的重叠。采用这种安排,在一个方向上可以得到的最大清晰度,只能由面对该方向的单独音箱来提供。为了达到更远的投射距离和更高的声压级,努力使阵列变得扁平,结果以不可控制的方式产生严重的干扰,影响了覆盖、图形控制、可懂度、总的音质。即使在按照规范排列的时候(音箱的陷角总是一个“最佳”折中,因为单独号筒的极坐标响应随着频率而变化),由一些单独的扬声器辐射的声波不能相干耦合,因此常规系统方法在根本上是有缺陷的。此外,由互相干扰的声源产生的混乱声场浪费声能,因此,为了达到同样的声压级,要求的功率比单个相干声源功率的大。

 

 

  规系统与基于WST的系统的比较

WST准则

早在1988年,一个叫做”DOSC”的初步系统已经证明了V-DOSC的可行性。从这个实验概念出发,Marcel Urban教授和Christian Heil博士承担了理论研究。这项研究的结果发表在于1992年3月在维也纳召开的第92届AES大会上(预印本No.3269)

被发展的理论定义了有效排列单独声源所要求的声学耦合条件。有关的参数包括:波长、每个声源的形状、每个声源的表面积、相对声源间距。

简短说来,耦合条件可总结如下:

如果满足下列两个条件之一,那么在一个平面或者连续弯曲的表面上,排列成阵列、并且声源之间具有规则间距的声源集合,等效于其尺寸与整个集合相同的单个声源:

1) 形状:单独的声源产生的波阵面是平坦的,并且声源的组合面积至少填充目标辐射表面区域的80%。

2) 频率:单独声源之间的步长或者间距(定义为单独声源的声学中心之间的距离),在工作频带的所有频率,小于波长的一半。这两个准则奠定了波阵面纠正技术的基础。

 

波阵面纠正技术准则

 

V-DOSC——解决办法

V-DOSC是波阵面纠正技术原理的第一个准确体现。V-DOSC是法文“Diffuseur d’Onde Sonore Cylindrique”的缩写,其含义是“柱面声波发生器”。V-DOSC中的字母“V”表示用于中高频部分的V形声学透镜结构。

V-DOSC是作为由完全相同、可以垂直排列的单元构成的系统而设计的。单独的换能器在结构上安排在每个音箱中,以致于当这些音箱排列在一起时,一个频带一个频带地,满足WST准则。每个单元辐射扁平的同相(不变相位)波阵面,允许多个单元的整个集合产生单个扩展声源。由于相邻的单元之间的间隔角度是可调节的,所以,通过在结构上对阵列进行整形,就可以聚焦波阵面。通过在整个音频范围的成功耦合,V-DOSC在很大的区域产生一致的波阵面,频率响应和声压级中的波动非常小。

V-DOSC和dV-DOSC系统的心脏是在国际上取得专利权的DOSC波导。本质上,对于高于1.3 kHz的频率,DOSC波导允许满足WST的第一个条件,也就是说,单独DOSC波导产生的波阵面是平面的,而且它们的组合面积负责至少80%的目标表面积。为了使这些声源能够相干耦合,满足准则1的真正关键是,那些单独的单元产生的波阵面必需是平坦的,这里正是线源阵列和一般线阵列之间的关键区别所在。

线源阵列和线阵列

为了使扬声器或者号筒加载装置相互耦合,这些单元之间的间距需要在它们的工作频带的最高频率小于波长的一半。在中低频率这是很容易达到的,但是因为在结构上不可能两个高频驱动器的声学中心靠得那么近,所以L-ACOUSTICS设计了一个声学透镜,产生平坦辐射的带状声,允许高端正确耦合。我们使用常规高频驱动器,但是附加在它上面的是一个波导,对高频驱动器产生的声的路径长度进行处理,使它们都同时到达出口点。在这些条件下,多个驱动器的阵列可以满足WST的第二个准则。

如果你在理论上把V-DOSC压缩驱动器的圆形开口划分成一系列无限小的点声源,并且观察从压缩驱动器的出口到DOSC透镜的矩形出口的所有可能的路径长度,那么你会发现,它们的长度都相同。所以透镜就好象是个时间调准塞子或者声学变换器,把圆形变换成矩形。这个透镜的形状看上去有点象斧子或者北美印地安人用的战斧,但实际上它是一种独特几何形状。只有这种形状才能做那种变换,这就是为什么它可以取得专利权。

如果你看一下常规号筒(圆锥形或者恒指向性号筒),仅仅从简单的路径长度分析,你就可以看到,存在着与号筒辐射的波阵面有关的弯曲(从驱动器到号筒的出口,不是所有的路径长度都相同)。而那是在单独的一个频率。由于常规号筒的单独极坐标图形随着频率而变化,所以波阵面的弯曲也随着频率而变化。所以,那些号筒构成的垂直音柱的耦合方式不会与DOSC波导的方式相同。那就是为什么我们说,线阵列可以是配置成柱状物的任何东西,而线源阵列则是某种东西,它在高端有正确的耦合,并且接近线阵列。一旦我们开始谈论可变弯曲线源阵列和系统的覆盖与声压级之间的匹配,那么我们就是在谈论波阵面纠正技术(WST)了。

概括起来,对于传统的号筒加载线阵列式的系统,由于波长逐渐变得小于号筒和驱动器集合之间的物理间距,而且存在着与单独号筒辐射的波阵面有关的弯曲,所以相干相加在高频简直是不可能的。如果波阵面弯曲的程度大于半个波长,那么相邻的号筒就不会相干耦合,两个WST准则中的哪一个也得不到满足。

 

基于WST的系统的性质

V-DOSC单元垂直排列成两个或者四个特有的“J”形音柱。由于阵列的单元相干耦合,所以与常规系统相比,音箱的物理尺寸比较小,要求比较少的箱子。对于流动应用来说,这使得V-DOSC的性价比非常高。在流动应用中,运输空间和处理时间意味着金钱。这些性质也使得V-DOSC和dV-DOSC对于固定安装非常有效。在固定应用中,紧凑的尺寸与可预测的覆盖相结合,是非常重要的。

基于WST的系统有4个关键好处:

1.  WST的第一个关键好处是波阵面形状的可预测性。

在水平方向上,整个V-DOSC的覆盖角度与单个单元的相同(90°)。在垂直方向上,覆盖直接取决于阵列单元的数目和它们之间规定的间隔角度。有了这种可预测性,就可以优化垂直覆盖,匹配特定听众区域的要求。迅速、对用户友善的CAD空白表格程序(由L-ACOUSTICS专门为V-DOSC和dV-DOSC开发),帮助操作者确定如何聚焦波场,使音调平衡和声压级在聆听区域均匀分布。利用这个程序,可以按照实际情况,方便地完成阵列设计,根据特定的听众布局,优化每个地点的覆盖。

V-DOSC单元中换能器的配置,相对于波的传播平面(也就是说,平分水平覆盖角的平面)是对称的。高频换能器在中间,中频换能器在高频部分的两边,而低频换能器在横向上位于两端。这样的配置被描述为具有共平面对称性。

共平面对称是单独(球面)声源同轴安排在柱面领域中的等价物。本质上,共平面对称,在V-DOSC的90°水平覆盖窗口的任何聆听角度上,都考虑到声场的均匀覆盖。共平面对称也在分频频率消除了轴线外的声学抵消,所以极坐标波瓣不成问题。在心理声学上,共平面对称在很大程度上对异常好的立体声声象性质负责。这种性质是V-DOSC的特点。不具有共平面对称的线阵列不会享有那种均匀性。

90°水平覆盖与垂直安排的单元的数目无关,从630 Hz到18 kHz非常稳定。事实上,如果你看一下V-DOSC单元的单独极坐标图形,那么你会发现,每张频率图几乎互相重叠。所以我们取单独极坐标图的平均值,在线性标尺上重新绘图(我们把它叫做等响度线或者恒声压级线),使得我们可以观察左/右两个阵列的覆盖,从它们之间重叠的程度,了解立体声声象的情况。我们可以轻松地利用两个阵列的调动,得到比较大或者比较小的立体声区域。但是要记住,这些是6 dB等响度线,所以,即使你偏到一侧,实际上在两个阵列之一的轴线上(而不在重叠的立体声区域),但是你仍旧以降低了的声级从另外一个阵列得到能量。而且,由于你得到了两个极为一致的声源,所以你有好机会取得相当好的立体声声象。事实上,大多数人说,获得的是坐在近场******前的印象。为甚至更多的听众提供立体声声象的另外一个诀窍是,采用舞台外的填充阵列。利用四个阵列,我们可以交叉调动左/右,所以你为更多的听众拥有立体声声象,同时还提高整个系统的总水平覆盖。

2.  V-DOSC的另外一个显著的好处是该系统在高频有效地扩大近场区域这样一个事实。

对于扁平V-DOSC阵列,结果是距离加倍时声压级降低3 dB,相反,传统的系统一般降低6 dB。这种特性是由于柱面波与球面波在物理上的不同而产生的。

 

 

 

线声源柱面波   只在水平尺寸中扩展 在2R 表面积增加到2倍 3 dB衰减                                         

 

 

 

点声源球面波   水平和垂直扩展在2R 表面积增加到4倍 6 dB衰减  

水平和垂直扩        

 

这意味着,V-DOSC不应当用经典的“$/千瓦”比值来评价,也就是说,由于它完成波阵面纠正的能力, V-DOSC具有与常规系统不同的衰减特性。按照标准计算比较声压级预测是没有意义的,这是因为,V-DOSC产生柱面和球面波阵面传播的结合,必需使用专门的计算进行评价。因此,L-ACOUSTICS积极地与模型软件开发者合作,为WST系统开发专有的模型能力,作为对我们的专有ARRAY CAD电子软件的补充。

3.  除了前面这两个好处之外,基于WST的系统还在距离加倍时产生3 dB的声压级降低

当使用可变弯曲V-DOSC阵列的时候,存在着柱面和球面传播的结合。这种互相结合的传播,与听众区的实际形状一起,允许对波场进行聚焦,使得音调平衡,声压级在聆听区域均匀分布。虽然纯柱面波传播并非总是有效,但是随着近场的扩展,仍然可以得到距离加倍时的3 dB下降。

在心理声学上,由于系统不寻常的衰减速度,近场扩展允许一个人从V-DOSC走相当远的距离,而声压级只有很小的差别。在效果上,更多的听众体验到近场聆听,享受更高的保真度、改善的立体声声象、异常好的清晰度。在主观上,扬声器似乎近得多,声音“在你的脸中”。声象定位朝向舞台上的动作,而不是朝向扬声器阵列。实际上,这种近场扩展意味着,为了在更远的听众后面提供可接受的声压级,在靠近系统的地方不要求极端的声压级——这是一个非常合乎需要的特性,它降低了听众和工程师听力损失的可能性。

近场扩展,与V-DOSC覆盖的精密度和可预测性相结合,对于在非常混响的空间中推后临界距离的屏障,也是有效的(临界距离定义为直达声等于混响能量的距离)。在很多情况中,例如,在户外的棚子、圆形剧场、竞技场中,使能量离开屋顶是很重要的。如果我们能够在房间内激发比较少的混响能量、把更多的能量聚焦到听众,那么我们就能够在给定的房间中有效地推后临界距离。有了V-DOSC的明确规定的垂直覆盖,当在困难的房间内工作时,WST的优点立刻变得显而易见。

4. 最后一个重要的好处是在规定的波场外获得高度的声压级抑制。通常高达20 dB,这就允许把V-DOSC阵列安装在传声器后面或者顶上,具有异常高的反馈免除能力。监听工程师喜欢利用V-DOSC前场系统进行工作,这是因为,由于共平面对称排列以及低频部分的垂直线阵列配置,舞台上的后波非常少,甚至在比较低的频率也是这样。

在环境噪声成问题的情况下,例如,当户外场所靠近居住区时,规定覆盖区域之外的高度声压级抑制,也使V-DOSC成为优秀的解决办法。

 

V-DOSC网络

在租赁市场中,L-ACOUSTICS选择了V-DOSC系统的慎重销售,特别强调教育和技术支持。V-DOSC网络是一点一点地建立起来的,每年增加少数几个成员。购买V-DOSC系统的公司,由于他们集成和吸收新技术的能力、职员的素质、在租赁市场中的高度代表性,受到L-ACOUSTICS公司和COX音频工程公司的欢迎。今天,V-DOSC网络是一支力量,拥有多于75个提供专门化服务的供应商,他们是他们所在的领域中出类拔萃的市场领导者,并且位于世界各地。他们一起形成了一个在结构、组织、培训方面非常好的网络,提供多于3,500个可以互换的V-DOSC音箱。

租赁公司不为了制造业者的缘故在新技术中投资——他们进行战略性的技术选择,这种选择给他们的投资带来最大的总回报。这个网络差不多在对应的市场部分中拥有适当的伙伴,他们能够刺激需求,并且当需求出现时对需求做出反应。的确,V-DOSC的大部分成功可以归因于网络组织。

V-DOSC和WTS受到喜爱的另外一个重要因素是强调培训专门人才操作这个在技术上复杂的系统。当我们处理的不但是精确到分数度的指向性,而且是在近场和远场两个领域中根本不同的工作方法时,重要地是依靠有能力的人,他们不仅知道这样的技术,而且已经体验过并且掌握了它。所以,我们大力强调持证V-DOSC工程师(CVE)培训交流会,这些交流会是关于系统设置和操作的、经过科学检验的信息的重要来源。一旦这些操作人员学会如何使用那些我们按照他们的意愿提出的工具,那么V-DOSC系统的操作实际上就轻而易举了。

 

结束语

七年前推出的V-DOSC系统,启动了行业中朝着线阵列发展的趋势,而且V-DOSC现在依然是他人度量的基准。在过去的七年中,V-DOSC系统没有等待演化:每年我们都提出发展,这些发展是系统容易遭受的操作的巨大差异性的结果。不管是放大、处理、结构质量、预置的多样性、技术支持、模型工具还是索具,与1993年的原始型号相比,当前的产品包含着许多改进。毫无疑问,对于新兴的线阵列系统,这些改进构成重大的有利条件。