音箱的指向性(转)

红灯记 · 发表于 2012-1-8 23:01:39

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大部分音频方面的专家都了解，有些房间必须要安置具有指向性的音箱系统，还有一些则建议使用全向性的音箱系统。最终选择哪种系统将取决于两个因素，即音箱的位置和房间的内部结构，但总的来说，在反馈直接与音箱的指向性因数Q成比例的前提下，可以根据下面的等式得出最大的声波增益值。在下列等式中，Q指音箱在某一特定指向上传播声音，及防止声音散射的能力。特定情况下，Q等于从发声器到某一固定距离和特定方位的声压平方与同一距离所有方向上的声压平方平均值的比。Q与理想情况下音箱的水平方向和垂直方向辐射角度有关，计算公式为：Q=180/这里θ=水平方向辐射角度，φ=垂直方向辐射角度。

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虽然Q在计算声音增益时是有用的，但知道不同频率下的有效水平和垂直辐射角度对于系统设计则更有帮助。刚才所提到的“不同频率”是一个关键因素，因为任何音箱或音箱系统的指向性总是随着频率的不同而有变化。下面我们将帮助你了解在不同频率时指向性的变化，并给出一个理想参数，以及关于指向性性能方面一些夸大的说辞，以免轻信产品厂商的广告。
惠更斯定律6 B2 ^6 o6 }7 W
任何在其表面具有恒定相位的声辐射器，如低频锥形喇叭或静电板式喇叭在低频下工作时，声音向四面散射，随着频率越高则指向性越强。具有指向性的原因可通过Huygen定律来解释，即任何反射表面都可被细分为由若干独立的小平面组成，每个小平面都是向四面反射。我们假设锥形表面的其中一处为A，另一处为B(如图2)，那么就可得出A和B到任意一个指定接听点P的声音传播效果。

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图2：如何计算指向性

如果振膜表面的两点到接听点的距离相等，则这两点传输过来的声波在接听点将会叠加。如果在某个频率下，来自A点的声波传输时间比来自B点的声波传输时间多半个周期，则接听点处这两个声波的相位将互相抵消。通过对其微积分，就可得出在任何接听点处，锥形喇叭或任何喇叭的整体频响。在某一频率下，锥形喇叭的整体频响可被分解为不同的定向辐射模式(图4)。

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图4：辐射瓣的指向性

图4根据不同的ka值进行了分类，ka为锥形喇叭的半径和波数的乘积。(k=2πf/c，其中f是频率，c是声速)通过计算，我们发现ka只是周长与波长的比。我们知道，1kHz声波的波长约为1英尺，且波长与频率是成反比的，因此，对于1个15英寸的喇叭而言，周长约为4英尺，所以就可将ka等于1的图用在一个250Hz的15英寸喇叭上，如果是一个12英寸的喇叭，则相应的频率应为333Hz。
要注意的是，当频率高于ka=1时的频率值时，声音才会具有指向性。通常来说，在ka<=1的频率下，锥形喇叭辐射声波时就像在进行活塞运动一样，整个振动表面以同相向外辐射声波。但当频率高于上面所提到的值时，现实中锥形喇叭整个振动面将不会同相辐射声波，所以ka>=1时图2的曲线图基本上在现实情况下是不适用的。

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这样，在更高频率下，现实中锥形喇叭的指向性模式与相同尺寸的活塞式喇叭的理论模式是不同的。总的来说，在更高频率下，锥形喇叭的指向角度范围(锥形喇叭的不同部分相互之间是异相的)比真正的活塞式喇叭的辐射角度更广。同时，任何锥形音箱的指向性在频率增加时都会变的更窄。这就是著名的聚束效应。
两种方法
为了控制声音的传播，我们希望喇叭的声波辐射具有指向性，现在有两种方法可以达到这种效果：号角形喇叭和阵列形喇叭。设计很好的号角形喇叭其阵膜做的很小，但性能却很强大，它生成一个球形波阵面，球形半径主要由喇叭的外型和出声口大小决定。阵列式喇叭采用一组更小辐射体形成的界面效应，来生成相同种类的波阵面。在两个例子中，指向性是频率的唯一控制标号，其波长等于或小于喇叭的周长。

线性阵列喇叭中，线长必须约是波长的0.6倍，若需要产生指向性控制的话，则更长。两种方法没有一种可提供更好的手段来达到低频指向性的效果：事实上，同样尺寸的单个喇叭在最低频率下反而是效果最好的。然而，在更高的频率下，号角式或阵列式喇叭的指向性比单个驱动喇叭的指向性更好控制，且设计操作更方便。

无挡板音箱
另一个种类的辐射体可被用来满足指向性需求，且在低频率下也有作用，甚至无需大量的辐射体。该系列中最简单的一种就是无挡板音箱，也称为偶极辐射体。因为该音箱从喇叭两边辐射声音的幅度相同，但相位相反，在圆锥轴向的平面上相互正交，所有辐射声波都相互抵消了。这样，其指向性就如图8所示。如果将适当的声阻置于锥形喇叭的后面，就可得到其他指向性模式，如超心形或心形(象麦克风的模式)。对一个给定的低频输出量而言，该技术相应要付出的是高得多的锥形偏移。这种技术对音箱的机械性和温度设计有很高的要求。

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喇叭是声音通过的通道，即从驱动端(喉)到辐射端(嘴)的一个逐渐扩大的横截面区域。在非常低的频率下，喇叭对声音而言是基本透明的，驱动端的动作就好象喇叭是不存在的一样。然而，当频率大于某个特定的频率阈值时，喇叭开始起到一个声音转换的作用，将低声阻(低压，大体积速率)的嘴端转换到高声阻(高压，低体积速率)的喉端。这种转换极大的增加了发射系统的效率，通常为12dB或更高，且减小了偏移和相关偏移失真(这是最常见的失真种类)。
在嘴和喉之间，当声音穿过喇叭时，被放大了，在这种情况下，喇叭产生了低端阈值频率和指向性辐射。

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喇叭的指向性辐射可分成三个频率区域进行讨论(图6)。在最低频率区域，辐射从四散到确切的指向性。在中间区域，喇叭按你所希望的那样，通过检查其喇叭壁来指引声音：直平壁的指向性是恒定的，而弯曲的四散壁的指向性则随频率增加增加。在最高频率区域，由驱动器的半径来控制指向性。

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图6：号角的指向性辐射

但还有两个并不是很明显的特性，第一个是：在喇叭嘴控制区域以上，指向性缩窄了约半个八度，称之为“腰带”。第二个是，如果喇叭壁的形状不是直的，则喇叭需要在更高的频率才能工作。基本上，关于第一个半波传送，声波与喇叭壁表面是一致的。之后，即使喇叭壁分裂，由于是在一个指数曲线形喇叭中，所以声波不再与喇叭壁一致。这样，在喉端缓慢膨胀的喇叭在高频处比低频处更具指向性。

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放射性喇叭
所谓放射性喇叭，即通过在水平面维持一个恒定的圆锥形声波辐射，在垂直面则极大的脱离锥形面。这样，不同频率下的水平指向性几乎是恒定的，但在垂直平面上，喇叭的指向性则有很大不同。在有些应用场合，垂直指向角度只需10或20度就够了，但在水平方向却需要一个90或更广的指向角度，这时放射性喇叭就最适用了。
喇叭指向性的最上限是由喉端的指向特性决定的，通常由压缩驱动器所在的开口处来定义。这样一个带25毫米驱动器的喇叭可以比一个50毫米驱动器喇叭拥有更广的高频辐射模式。当频率高于某个特定频率(即驱动器周长等于波长时的频率)，就会发生这种转换：25毫米驱动器为5kHz或50毫米驱动器为2.5kHz。(当然，在此频率时，转换的发生由喇叭的壁角和驱动器开口来决定。)
增大高频辐射角度的方法之一是在驱动器的相位插座前端使用“子弹”。模拟和测量喇叭工作时可以看出，这些器件增加了频率响应的不规则性。
其底线是，一个90度*40度的喇叭在前面提到的中间频率区域仅有90度*40度的辐射范围。在喇叭能提供指向性控制的频率范围内，该范围内的最低频率值就是喇叭尺寸等于0.6倍波长时的频率。这样，一个在低价系统中常见的1英寸*10英寸喇叭，如果水平排成很长的一排，其具有指向性控制的最低频率值的近似计算方法为：垂直方向的长度=0.6*波长时的波长为4英寸/0.6=6.67英寸，则响应的频率为f=c/λ=13620英寸/6.67英寸=2257Hz。
水平长度为垂直高度的2.5倍时是最佳情况，所以频率比2.5倍(902Hz)更低。事实上，大多数喇叭所具有的是一个指数辐射面(即弯曲的喇叭壁)，所以他们在高频处辐射时，如10kHz时的指向性或许跌到40*20度。恒定指向性(CD)的喇叭其边壁相对更平坦，所以在10Hz-10kHZ的频率范围内指向性就不会有很大的差别。但是，一个CD喇叭的喉端设计经常包括一个在衍射槽中的狭窄沟道终端。
通常，该沟道的大小将决定最高音频处的发射。对于在最高音频处拥有90-120度的较佳的水平辐射范围而言，一个插槽压缩高频音箱很难打破。通常，该插槽约1/2英寸宽，可避免在低于16KHZ的频率下传送声音。
当多个喇叭排列在一起来覆盖同一个频率范围时，干扰的结果是在交叠区内引起不规则的响应(根据产生的频响曲度形状，称之为梳状滤波)。喇叭驱动器挨的越近，发生不规则的频率越高，且声音越让人觉得不愉快。在两个喇叭的音频覆盖区域，许多设计师都非常谨慎的垒叠喇叭的图形，因为轻微水平的下降(对听众而言意味着更低的回音比)要比由于干扰而引起的不规则频响舒服一些。

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图8：线性信号源的指向辐射图

近场、远场
任何声源辐射的声场状态根据接听距离不同而有区别。总的来说，接听距离可分为近场和远场。近场是从辐射源到下面距离：[L]，这里L是最大的辐射源尺寸和距离，L和λ是在同一单位中被测量的。在近场，将近场辐射距离扩展到无限远，如果声源是在室外的话，来自声源的声音等级以每双倍距离6dB的速率递减。在室内的话，由于房间的影响，衰减会慢一些，基本是以每双倍距离3-6dB的速率递减。这些影响对测量是很重要的，在这种情况下，麦克风为了可以精确的工作，在所有相关频率下都应该处在近场范围内。同样，这对于阵列音箱的评估和应用来说也非常重要。
线性阵列
7 E2 N8 i# j* I+ J1 C, Z! N 在音频界，每隔几年就有人把会把一个40年代以前曾被研究和获得专利的理论进行重新研究，然后宣布有了重大突破，甚至会对其重新进行专利注册。线性阵列就是这样一个被重新发现的理论。一个真正的线性阵列是一个连续的条状辐射体，它可以是水平的或垂直的，通过其单元部件之间的干扰效果生成指向性控制。据本人所知，现仅有两种真正的线性阵列（一个公式）：
静电条状辐射体和电磁条(带)状辐射体。有许多公司生产了很多有或多或少线性阵列特性的产品，但这些不是真实的线性阵列。
真正的线性阵列在其长度范围内一直都是同相辐射的。如果每个单独的辐射体输入的信号同相，且临近设备的中心间隔在最高频率的1/4波长范围之内，则可得到近似的线性阵列。不满足这个要求的阵列将表现出不规则的频响。
图8描述的是真实线性阵列的指向特性。要注意的是，除了图中的主声瓣(在长度上比一个波长要长)外，最小的声瓣也可以显现出来。在这些角度内的听众将听到不规则的频响。但也要注意的是，与大瓣相比，小瓣的等级衰减的很厉害。近似的等式6可得出垂直线性阵列在纵向辐射区域的角度范围：q= (角度值为弧度)

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表面印有图画的Amina DML面板

另外，指向性随着频率不同而变化，但当频率增加时，指向性会变窄。在某些应用中，这个影响不是什么大问题。举一个例子，当一个线性阵列其中心安置在与听众耳朵一个平面上，则一个非常窄的垂直指向性是可以接受的，且所有听众可以非常清楚的听到所有频率范围的声音。
关于线性阵列的一个改善是将阵列进行分割，所以辐射体的中心部分将处理所有频率范围，而远离中心的段将输入低通信号(其所具有的阈值频率更低)。这样，当以波长来测量时，阵列的有效长度应该保持一致，并生成一个更一致的指向性。该方法称为“频率阴影法”，它已经得到论证，即Bessel滤波器是用在频率阴影阵列中最佳的技术。Philips拥有Bessel阵列的专利。
在阵列设计上的另一个种类是曲线阵列，它可提供更低的高频发射。
为了使线性阵列产生的声音可进行电子控制，阵列单元或驱动器可通过独立的放大器来输入信号，同时不同的阵列单元采用不同的信号延迟。大多厂商的环绕声系统都具有这种“可控制阵列”特性。
从近场到远场的转换
另一个很少被提到的线性阵列应用是从近场到远场转换的影响。如果一个线性阵列以圆柱体来辐射声音，则当听者远离该阵列时，声音等级将以每双程距离3dB的速率衰减(假设处在消声或室外环境中)。如果在室内，衰减速率会更慢些。如果该阵列从室内的地板延伸到天花板上，那么它在所有频率范围内都将按真正的圆柱形辐射体来传送声波。在I

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该阵列在200Hz时的垂直指向范围为40度，在远场的声压以每双程距离3dB的速率递减，在345Hz处时远场距离大于4米。在1kHz处，指向范围约10度，3米以外声压以每双程距离3dB的速率递减。因此，在10kHz听者的距离在约30米处时，才会有3dB速率的递减。要注意这种趋势。在高频处，当3dB的递减规则产生效应时，听者必须要远离该阵列。在近距离处，递减速率将从很小距离的0dB(每双程距离)变到远场距离的3dB速率，它是依据频率而变化的。
在应用中，阵列要与预定频响互补，确认参考接听距是很有必要的，我们希望在这个距离可以听到一个平坦的响应，因为对不同的听者距离，响应平面将在几个dB范围内变化。当线性阵列被用于室内时，这个影响将会显著减小，因为室内反射的趋势是平衡不规则反射以达到某种程度的平衡。
DML
几年前，一些音箱的新产品面市，即分布式音箱，或称为DML。这种音箱包含一个或多个小心安装在设计面板上的转换器。在使用中，转换器发出一个曲度波到面板，然后该面板将声波辐射到其周长距离，再反射回来，这样反复若干次直到其衰减到0。通过选择适当的面板材料，声音在面板的反射持续时间可得到精确控制，所以好的频响被保留下来。但声波是以不连贯的相位辐射的，所以界面影响可被消除，且面板可生成一个全面的平坦响应。通常使用的面板无背栏，在这种应用中，他们可在自由空间内进行360度的辐射。

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当安装在墙附近时，他们生成一个将近180度(半球)的模式。更进一步，当在单一覆盖领域使用不仅一个面板时，他们的非相干辐射可使其免除有害的干扰影响(梳状滤波)。并且，他们比相关相位音箱更少震动房间。
最后，由于面积很大(这对DML面板是很有用的)，辐射是分布式的，所以在所谓近场的听众不会被暴露在高声级下。例如，一个DML板可作为会议室白板和音箱双重功能使用，当演示者使用无线麦克风站在DML板附近时，很少会有反馈。
当然，DML并不是包治白病的良药。因为很少有应用场合需要如此高的指向性来提高听者的理解力。它不能产生音乐会的音响等级。它的顺态响应有时没有最高的高保真显著。但它特有的特性确实使其在某些特殊应用中可被采用，这些应用场合并不需要普通的音箱，对他们来说，普通即意为着无趣。

yjwu · 发表于 2012-1-9 08:22:31

本帖最后由 yjwu 于 2012-1-9 08:24 编辑

非常專業，深入的文章。
話筒及喇叭是影響聲音再生最關鍵的器材，以前如此，現在及未來也是如此。
這兩個環節很難完美，其中一個由我們掌控。它的複雜在於: 音箱與環境依存度極高，這也添加了玩音響的趣味性。
沒有最佳解，有無限種改變的可能。也讓另一半抓狂{:4_211:}

lygljd · 发表于 2012-1-9 08:38:10

红灯师傅对音箱也有研究,学习了!

永远真诚 · 发表于 2012-1-9 23:35:04

好好学习天天向上！

雅俗共赏 · 发表于 2012-1-9 23:37:01

好文，看着舒服{:4_219:}

sfml3 · 发表于 2012-1-10 00:15:09

十分专业，得好好学习。

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