聲音塑造---電子波束引導技術的基本操作原理

作者：大衛·威廉姆斯

原始文章

《波束引導揚聲器專家系列》第2章

當考慮選擇揚聲器以適應某個應用時，其覆蓋範圍的形狀是至關重要的。預期聽音區的寬度和深度，以及可能的揚聲器位置，都能立即排除某些揚聲器，並使其他揚聲器成為更有吸引力的選擇。

在大多數情況下，系統設計師只能使用所選產品的水平覆蓋範圍。為了擴大整體覆蓋寬度，我們必須依賴額外的子系統，如側填揚聲器。在垂直方向上，線陣列系統提供了一個強有力的工具，使我們能夠根據聽音區的深度來調整最終的覆蓋範圍。

我們可以將線陣列系統分為兩類：機械調整型陣列和電子波束引導型陣列。第一類就是我們通常所認為的傳統線陣列。至今，它仍保持著類似於其首次流行的形式——L-Acoustics V-DOSC。

我們通過改變各個單元之間的角度來操控垂直覆蓋範圍，旨在保持從房間前方到後方的音色和聲壓級的一致性。我們在電子波束引導陣列中也有相同的目標，但其控制方式稍微複雜一些。

舊技術的新應用

在這裡，我們將簡要介紹電子波束引導技術的基本操作原理和限制。儘管線陣列的商業成功是近期的現象，但其背後的操作原理在揚聲器發展的相對短暫歷程中已經是一個成熟的概念。

使用一列換能器來控制聲音擴散的想法最早出現在1940年的哈里·奧爾森（Harry Olson）《聲學工程學》一書中，而基本的柱狀陣列的實現則是在十年後隨之而來。雖然當時的技術較為原始，但柱狀陣列仍然是一種有效的手段，可以實現狹窄的垂直覆蓋，從而減少來自地面和天花板的反射能量，並提高聽眾的清晰度。

線源的行為會隨著頻率的變化而變化，並且依賴於線長。在頻率的波長超過線長兩倍時，幾乎無法控制覆蓋範圍，陣列的行為就像一個具有相同功率的單一點源。

在較高頻率下，當波長等於或短於線長時，覆蓋範圍變得更加狹窄，這種現象有時被稱為“控制”。圖1顯示了這樣的情況，一個11英尺長的全指向源陣列在100 Hz時的情況。（所有圖表均來自Meyer Sound的MAPP 3D系統設計工具。）

請注意，在11英尺的情況下，線長和波長相等。現在，讓我們查看圖2中200 Hz的預測。我們可以看到，波長減半，覆蓋角度變為原來的一半，並且隨之而來的是增加的側向波瓣。

幸運的是，我們有潛在的解決方案。圖3再次顯示了200 Hz，但僅啟用了最內側一半的發聲單元。或者，圖4顯示了所有發聲單元都在工作，但應用了簡單的延遲弧線。

在這兩種情況下，我們將200 Hz的擴散範圍調整得更接近100 Hz，這是在整個聽音區域內保持相同音調的重要步驟。通過改變音量或時間，我們可以改變陣列的最終覆蓋範圍。

這就是電子波束引導技術的基本原理，儘管當涉及多於兩個頻率時，問題會變得更加複雜。當我們的線陣列長度足夠以保持模式控制時，我們可能需要對每個頻率的每個發聲單元設置不同的音量和不同的到達時間（增益和延遲）。

單純延遲或衰減某些發聲單元無法達到這一目標；相反，使用全通和FIR濾波器，結合常規增益、延遲和均衡，可以實現預期的結果。幸運的是，最終用戶不需要進行繁重的數學運算——這些工作都由製造商提供的預測軟件完成。

一些限制事項

有幾個限制值得注意。到目前為止，我們只討論了我們能夠控制的最小頻率，但有些因素會影響最大頻率。首先是發聲單元之間的間距。如果它們相距不超過半個波長，陣列可以保持良好的控制。

然而，隨著波長進一步減小，陣列會出現更多的波瓣，直到梳狀效應和波動變得問題嚴重。

圖5提供了在4 kHz時的預測，其中驅動單元的間距是波長的幾倍。有一個緩解因素——實際發聲單元的極座標模式會隨著頻率的增加而變窄，因此陣列的最上端並不會對坐在底部的聽眾貢獻這些高頻。

這種現象也限制了波束引導的角度範圍；我們無法有效地引導超過單個發聲單元的覆蓋角度。

最後，讓我們討論一下電子波束引導在實際應用中的一些例子。對於我們中的許多人來說，最容易理解的例子可能是音樂會中擴大低音揚聲器陣列的覆蓋範圍。

在歷史建築、教堂以及其他美學考量限制了傳統線陣列使用的場所，像Renkus-Heinz ICLive X這樣的電子波束引導柱形陣列提供了一種靈活且不那麼突兀的解決方案。有些較大的線陣列系統沒有機械可調裝置，完全依賴電子波束引導來進行模式控制。

還有一些新興產品利用了可以在水平方向和垂直方向進行波束引導的能力。隨著處理能力價格的下降，我們預計電子波束引導將變得更常見且更強大。

David Williams 是一名自由職業的系統技術員和監控工程師，主要在紐約州運營。他在完成電子工程學位時發現了現場音響的世界，並立即意識到自己無法回頭。

---

關於Renkus-HeinzRenkus-Heinz, Inc.成立於1979年，是專業揚聲器技術的領先製造商，也是數位波束可調陣列技術的全球領導者。Renkus-Heinz以其尖端創新和卓越的客戶服務而聞名，為全球最負盛名的項目提供卓越的音響解決方案。擁有獲獎產品系列，包括ICONYX Gen5系列可調柱形陣列和UBX系列被動柱形揚聲器，Renkus-Heinz為各種應用提供音響解決方案，涵蓋表演藝術場所、交通樞紐、宗教場所、教育機構、企業和政府設施等領域。Renkus-Heinz總部位於美國加州Foothill Ranch，並在全球設有其他辦事處。欲了解更多關於Renkus-Heinz的信息，請訪問 www.renkus-heinz.com。