汪道瀾+魏增來

【摘 要】 從聲柱的指向性基本原理入手，理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)論證，初步探究電子相控陣列指向調(diào)控原理，通過DSP調(diào)節(jié)延 時(shí)獲得聲波干涉，進(jìn)行某頻段的指向性控制，并根據(jù)當(dāng)前的電子相控陣列產(chǎn)品現(xiàn)狀，分析其不足，簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)此類 產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 聲柱；指向性；數(shù)字信號(hào)處理；電子相控；半波長(zhǎng)

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.006

1 前言

隨著人民物質(zhì)生活的豐富，越來越多的人開始重視精神文化的建設(shè)。音頻行業(yè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也由原來的有聲朝著高品質(zhì)聲音的方向發(fā)展。人們不再忽略聲音，除了達(dá)到相應(yīng)的聲壓級(jí)外，還要有良好的聽覺效果，能夠充分展示出聲音的細(xì)節(jié)。對(duì)于還音的核心設(shè)備——揚(yáng)聲器系統(tǒng)的選擇，除了主要考慮聲場(chǎng)是否進(jìn)行了均勻的覆蓋，聲場(chǎng)中的每個(gè)人是否可以聽清聽懂（也就是語言清晰度及可懂度是否達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)），覆蓋角度的調(diào)節(jié)方式和便捷程度也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中揚(yáng)聲器選型時(shí)所考慮的重要問題。

最初始的點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器是由自身振膜的類型、各頻率單元的尺寸、外形結(jié)構(gòu)等多方面因素決定的，出廠后就無法改變?，F(xiàn)如今已設(shè)計(jì)出許多可以選擇覆蓋角度的點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器，其角度的選擇，是內(nèi)部設(shè)計(jì)好的幾種物理導(dǎo)向模式供人們選擇或是通過改變揚(yáng)聲器的吊掛方向，使得水平和豎直覆蓋角度產(chǎn)生變化，故其對(duì)揚(yáng)聲器覆蓋范圍的調(diào)整十分有限。因此，逐漸出現(xiàn)了聲柱、線陣列。

普通線陣列指向性的改變是通過物理調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)的。由于線陣列指向性會(huì)隨著頻率升高而變窄，且純直線陣列的高頻指向性相當(dāng)強(qiáng)，所以，通常會(huì)采取讓相鄰的揚(yáng)聲器形成一定的角度，通過使陣列整體呈現(xiàn)一種曲面或弧線形的方法來擴(kuò)展中高頻的覆蓋范圍，也就形成了常見的“J型”線陣列。其上部直線部分產(chǎn)生很窄的波束，特別是在高頻頻段，而曲線部分則改變了線性聲源部分高增益的平衡[1]。通過調(diào)節(jié)吊掛的高度、直線陣列的長(zhǎng)度和曲線陣列的曲率半徑等物理方法，來實(shí)現(xiàn)期望的線陣列指向性，從而獲得良好的清晰度和均勻的聲壓級(jí)。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，揚(yáng)聲器陣列的指向性控制可通過計(jì)算機(jī)控制陣列單元之間的延時(shí)和相位關(guān)系來獲得，也就有了電子相控陣列的出現(xiàn)。

2 聲柱的基本原理

據(jù)現(xiàn)有資料顯示，國(guó)外最早于20世紀(jì)30年代在柱面波研究的基礎(chǔ)上提出線性聲源的初步想法，但由于當(dāng)時(shí)揚(yáng)聲器技術(shù)和相關(guān)聲學(xué)理論的限制，這一觀點(diǎn)并沒有引起足夠的重視。隨著互動(dòng)式演出形式的出現(xiàn)，觀看人數(shù)逐漸增多，需要擴(kuò)聲的場(chǎng)地由原來的音樂廳、劇院發(fā)展到體育場(chǎng)、大型露天廣場(chǎng)，原有的點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)揚(yáng)聲器聲壓級(jí)、指向性等的要求，再加上多組揚(yáng)聲器系統(tǒng)產(chǎn)生的高成本、干涉嚴(yán)重、調(diào)整困難等問題，柱面波線聲源技術(shù)又逐漸被重視起來。

2.1 聲柱指向性的基本原理

由多個(gè)同相位、等強(qiáng)度工作的揚(yáng)聲器，按一定結(jié)構(gòu)排列成直線，組裝在一個(gè)長(zhǎng)方形柱狀箱體上而形成的揚(yáng)聲器稱為聲柱。

設(shè)直線上等間隔分布著n個(gè)相位相同、強(qiáng)度相等的揚(yáng)聲器（見圖1）。那么聲柱長(zhǎng)L=（n-1）×d，每個(gè)揚(yáng)聲器為點(diǎn)聲源輻射球面波，合成的總聲壓為各點(diǎn)聲源聲壓的總和：

考慮到聲柱擴(kuò)聲時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)情況，即r>>L（r為O點(diǎn)到達(dá)聲柱中點(diǎn)的距離，L為聲柱總長(zhǎng)），此時(shí)各聲源到達(dá)O點(diǎn)的距離，可以看似是相等，那么所輻射的聲壓也是一樣的。由圖1可知：

α為聲柱的軸向和所需覆蓋點(diǎn)的夾角，λ為此頻率點(diǎn)的聲波波長(zhǎng)，c為此環(huán)境下的聲速。

觀察可得，因?yàn)楦鲹P(yáng)聲器到達(dá)觀察點(diǎn)的輻射距離不同，此處的聲波就會(huì)產(chǎn)生相位差，從而發(fā)生干涉，干涉的結(jié)果會(huì)隨著聲場(chǎng)方向的變化而有所不同，這樣也就產(chǎn)生了所謂的指向性。把Dα稱為聲柱的指向性函數(shù)，Dα即為與聲柱軸向的夾角為α的某一點(diǎn)的聲壓與軸向同距之點(diǎn)上最大聲壓的比值。

聲柱的指向性是與揚(yáng)聲器單元數(shù)n、輻射頻率和揚(yáng)聲器單元間距d有關(guān)的函數(shù)，此公式適用于任何同相、同強(qiáng)度的揚(yáng)聲器陣列。由指向性函數(shù)可知，當(dāng)聲柱內(nèi)揚(yáng)聲器單元數(shù)確定的時(shí)候，就可以畫出d/λ的指向性圖。根據(jù)指向性圖可知，當(dāng)dsina=0，λ，2λ… （n-1）λ時(shí)，則有指向性函數(shù)Dα=1，聲波在此是疊加的；當(dāng)（m為除了n和其整數(shù)倍以外的整數(shù)），此時(shí)Dα=0，聲波在此方向上發(fā)生抵消；而既有疊加又有抵消部分的方位就會(huì)產(chǎn)生旁瓣。

2.2 聲柱的特點(diǎn)和用途

經(jīng)過上述分析可知，指向性與聲波的頻率有關(guān)，那么聲柱的指向性就不是恒定的，而是隨著頻率的不同而變化的。隨著頻率的升高，主瓣會(huì)變得越來越窄，即指向性逐漸變強(qiáng)，但在此過程中，當(dāng)d>λ/2時(shí)，揚(yáng)聲器輻射就會(huì)出現(xiàn)旁瓣，且這些旁瓣也會(huì)隨著頻率的增高而增多。這些旁瓣會(huì)使得聲能產(chǎn)生不必要的分散，這對(duì)聲場(chǎng)的擴(kuò)聲來說無疑是有害的。

聲柱的指向性特性決定了其主聲束可以進(jìn)行準(zhǔn)確的投射，從而減少能量的不必要損失；同時(shí)也使直達(dá)聲能增加，對(duì)于一個(gè)混響時(shí)間不會(huì)改變的廳堂來說，有效地增大了直混比，提高了語言清晰度。如果能找到一種方法幫助音柱解決以下兩個(gè)問題：一是消除旁瓣，獲得一致的波束寬；二是把波束在垂直方向上進(jìn)行一定控制，使能量投射到所需輻射的區(qū)域，并在有效區(qū)域內(nèi)獲得均勻、穩(wěn)定的聲壓級(jí)。那么，這種聲柱就可以根據(jù)廳堂實(shí)際形狀有效控制廳堂的反射聲能，從而減少聲反饋現(xiàn)象的發(fā)生，電子相控陣列的指向性控制就是基于這種想法而產(chǎn)生的。

3 電子相控陣列揚(yáng)聲器指向可調(diào)控原理簡(jiǎn)介

目前，市面上有許多根據(jù)所輻射的區(qū)域面積和聲壓級(jí)的需求，通過調(diào)整線陣列單元間的吊掛角度，從而實(shí)現(xiàn)其指向性控制的線陣列。而電子相控陣列是在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)，研究出相應(yīng)的算法，對(duì)揚(yáng)聲器陣列當(dāng)中的各個(gè)單元和頻段，分別進(jìn)行相應(yīng)相位、延時(shí)的調(diào)控，從而影響指向性函數(shù)，改變其輻射角，以達(dá)到調(diào)控指向的目的。endprint

由于上面所說到的算法非常復(fù)雜，為便于對(duì)這種相控陣列指向調(diào)控的基本原理進(jìn)行闡述，筆者先從最基本兩個(gè)揚(yáng)聲器單元開始探討。

根據(jù)上述對(duì)指向性理論的分析，當(dāng)兩個(gè)聲波頻率相同、相位相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲波的疊加（見圖2），而且隨著揚(yáng)聲器單元的增多，疊加振幅也會(huì)增大，聲壓級(jí)隨之增大。當(dāng)出現(xiàn)兩聲波相位相反的情況時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲波的抵消，如圖3所示，帶來聲壓級(jí)的降低以及其他一些問題。

聲波的干涉問題可以通過頻率、時(shí)間等多種方式表達(dá)，用上文所提到的距離和波長(zhǎng)來表示：兩個(gè)相同信號(hào)的聲源，橫向并排擺放。當(dāng)其間距d為某頻率的1/2波長(zhǎng)時(shí)，原本朝所有方向輻射的聲波，在縱向相位上是相同的，產(chǎn)生聲波的疊加。而在橫向相位上，由于距離差為1/2波長(zhǎng)，也就是當(dāng)?shù)诙€(gè)揚(yáng)聲器的聲波傳到第一個(gè)揚(yáng)聲器所處的位置時(shí)，兩聲波在此頻率的相位已經(jīng)相反了，聲波的反向疊加則造成了某些頻段的抵消。最終的結(jié)果就是左右兩邊的輻射為0，但在軸向上卻有所增加，就像一個(gè)被捏扁的氣球。由于低頻的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于揚(yáng)聲器單元間的間距，即使兩只揚(yáng)聲器組合，其間距通常都遠(yuǎn)低于低頻頻率的1/2波長(zhǎng)，因而疊加在了一起，所以低頻很難產(chǎn)生指向性。但是從上述理論來看，如果拉大兩揚(yáng)聲器單元間的間距，相當(dāng)于所對(duì)應(yīng)頻率的半波長(zhǎng)增大，那么低頻的指向性也可以得到相應(yīng)控制。當(dāng)兩個(gè)500 Hz的聲源間距為0.34 m（500 Hz的半波長(zhǎng)）時(shí)（聲輻射見圖4），由λ=c/f，d=λ/2可知，揚(yáng)聲器間距為（其中頻率為f，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ，c為此溫度和濕度下的聲速）。需要注意的是，這里所提到的間距d是指揚(yáng)聲器的聲源中心的間距，而不是箱體之間的間距。

當(dāng)使用一組線陣列揚(yáng)聲器進(jìn)行擴(kuò)聲時(shí)，如果希望其能量最大的聲音也可以對(duì)準(zhǔn)非軸向的位置，那么最先想到的就是在俯仰方向上旋轉(zhuǎn)線陣列，使其主軸方向改變。但有時(shí)會(huì)因?yàn)榫€陣列的自身結(jié)構(gòu)，或是視覺上的美觀不允許斜向吊掛，這時(shí)依靠DSP對(duì)線陣列揚(yáng)聲器進(jìn)行處理又成為了必要的選擇。改變軸向方向所應(yīng)用的基本原理，仍是不同聲源的同相疊加與1/2波長(zhǎng)時(shí)的反相抵消。此時(shí)，仍然保持揚(yáng)聲器單元原來的間距，無需改變線陣列的方向，只需應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，對(duì)每個(gè)揚(yáng)聲器單元之間的延時(shí)進(jìn)行調(diào)控，使聲能在所期望輻射的非軸向位置上產(chǎn)生同相疊加，同時(shí)與該非軸向位置垂直的方向上反相抵消即可。延時(shí)數(shù)值的設(shè)定可根據(jù)不同揚(yáng)聲器單元到達(dá)期望輻射的非軸向觀眾的時(shí)間差來決定，最后一個(gè)到達(dá)該觀眾的揚(yáng)聲器單元就是其他單元的參考源，每個(gè)揚(yáng)聲器都以參考源為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置成相同的到達(dá)時(shí)間。這種做法除軸向改變外，聲音也在同一時(shí)間到達(dá)，減少了聲波的干涉問題，給觀眾帶來了良好的聽音感受。

4 揚(yáng)聲器陣列電子相控指向性實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

實(shí)驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度約為18℃，取聲速為342.4 m/s。由于條件的限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在有一定的反射面，但墻面做了吸聲處理，地面也鋪有地毯，故反射聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響相對(duì)較小。

4.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

揚(yáng)聲器選用Community的KH28雙八英寸無源揚(yáng)聲器，單只指向性角度為水平90°×垂直70°，高649 mm、寬287 mm、深258 mm，采用了內(nèi)置DSP的Powersoft X4功放推動(dòng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)（系統(tǒng)的連接見圖5），由調(diào)音臺(tái)發(fā)送粉噪，經(jīng)功率放大器分別同時(shí)饋給一只、兩只或三只揚(yáng)聲器，使每只揚(yáng)聲器獲得相同的信號(hào)。電腦內(nèi)分別安裝功放控制軟件Armona和音頻測(cè)量調(diào)試軟件smaart，一方面用于功放監(jiān)控；另一方面通過USB連接聲卡，并通過測(cè)試傳聲器進(jìn)行測(cè)試并記錄結(jié)果。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)過程和分析

（1）實(shí)驗(yàn)一：?jiǎn)沃粨P(yáng)聲器的聲輻射特性

單只揚(yáng)聲器擺放桌上，采用移動(dòng)測(cè)試傳聲器的方式對(duì)揚(yáng)聲器輻射角度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試傳聲器在揚(yáng)聲器正面軸向上距其2.5 m的位置，高度與揚(yáng)聲器中心平齊，離地面約1.1 m。因?yàn)閾P(yáng)聲器自身的水平指向角有90°，所以把測(cè)量角度范圍設(shè)定為左右各60°（即水平120°）內(nèi)。以揚(yáng)聲器為圓心、以2.5 m為半徑畫弧，分別在60°、45°、30°及其對(duì)稱位置做標(biāo)記，并在此條弧線上由右向左移動(dòng)測(cè)試傳聲器（具體位置見圖6）。在60°開始和結(jié)束時(shí)發(fā)聲以標(biāo)記，移動(dòng)時(shí)盡量保持勻速和平穩(wěn)。為了保證足夠的信噪比，由調(diào)音臺(tái)播放為-14 dBFS粉紅噪聲，然后用Smaart的Spectrograph圖（光譜圖）來觀察揚(yáng)聲器本身各頻段的水平指向性，以方便與下面實(shí)驗(yàn)做對(duì)比。

圖7為單只揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)的Spectrograph圖，其橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為覆蓋區(qū)域的角度，兩標(biāo)記處從-60°至60°，顯示的聲壓級(jí)范圍為-45.98 dBFS至-10.8 dBFS（此范圍可調(diào)，這樣調(diào)節(jié)只是為了讓圖片顯示更清晰），聲壓級(jí)從藍(lán)到綠到黃依次增大。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：在揚(yáng)聲器的水平指向上，低頻是大于120°的，而隨著頻率的升高，指向性變得明顯起來。

（2）實(shí)驗(yàn)二：兩只揚(yáng)聲器間隔為某頻率的1/2波長(zhǎng)時(shí)的耦合聲輻射特性

兩只揚(yáng)聲器并排放置，箱體寬為287 mm，那么也就意味著其聲源中心點(diǎn)間距為287 mm。實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)驗(yàn)一，此次用Spectrograph圖來觀察揚(yáng)聲器組產(chǎn)生指向性的頻率點(diǎn)及其與波長(zhǎng)的關(guān)系（見圖8）。

圖8中，截圖所處的縱坐標(biāo)位置正好為120°，可以看出在大約600 Hz處（紅線處）輻射的角度開始減小，出現(xiàn)了相對(duì)尖銳的指向性。根據(jù)本文第二部分的公式可推出，兩聲源的間距287 mm對(duì)應(yīng)著約596 Hz的半波長(zhǎng)，側(cè)向會(huì)在此發(fā)生兩聲波的干涉抵消。這與此前推導(dǎo)的結(jié)論基本符合。同時(shí)需注意的是，這一指向性的產(chǎn)生并不是單一頻點(diǎn)的，而是大約一個(gè)倍頻程的寬度。

（3）實(shí)驗(yàn)三：兩只揚(yáng)聲器間隔為某頻率波長(zhǎng)時(shí)的耦合聲輻射特性

拉大揚(yáng)聲器的間距，看看是否可以降低出現(xiàn)指向性控制的頻率下限，并進(jìn)一步論證單元間距d和指向性控制頻率所對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)的關(guān)系。endprint

兩只相同的揚(yáng)聲器距離2×287 mm=574 mm放置，實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)驗(yàn)一，進(jìn)行觀察。

由圖9可以看出，指向性控制頻率下移至300 Hz左右（紅線處）。而574 mm對(duì)應(yīng)著約為298 Hz的半波長(zhǎng)，這與理論推導(dǎo)也基本吻合。但與此同時(shí)，對(duì)于波長(zhǎng)為574 mm左右的頻率（即600 Hz左右），卻因?yàn)閮芍粨P(yáng)聲器所發(fā)出的該頻段聲波同相疊加，因此出現(xiàn)了600 Hz左右的旁瓣（圖9中紅圈標(biāo)注的位置），這是不希望發(fā)生的。

（4）實(shí)驗(yàn)四：三只揚(yáng)聲器通過DSP數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行相位控制后的聲輻射特性。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)四要通過對(duì)不同揚(yáng)聲器添加延時(shí)的方式調(diào)整控制揚(yáng)聲器間的相位關(guān)系，所以系統(tǒng)的連接圖有所改變，具體如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中，電腦軟件Smaart發(fā)出的粉噪，首先由聲卡發(fā)送至調(diào)音臺(tái)，然后經(jīng)調(diào)音臺(tái)輸出后，一方面送至功放給揚(yáng)聲器，并由測(cè)試傳聲器拾?。涣硪环矫鎰t直接通過線路方式將此粉噪再返送回給聲卡，用做參考對(duì)比信號(hào)，校準(zhǔn)由于聲卡及調(diào)音臺(tái)等內(nèi)部電路所引起的延時(shí)，從而避免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

① 三個(gè)揚(yáng)聲器并排放置，在其陣列物理軸向上（即0°方向）為期望軸向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試傳聲器在軸向上距離揚(yáng)聲器2.5 m，為中間距離測(cè)試傳聲器最近的一只揚(yáng)聲器設(shè)置延時(shí)，使三只揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音同時(shí)到達(dá)測(cè)試傳聲器。接下來的實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行：a.重復(fù)實(shí)驗(yàn)一，用光譜圖觀察聲輻射（具體見圖11），確定其軸向方位；b.測(cè)量三只揚(yáng)聲器同時(shí)發(fā)聲時(shí)軸向和偏軸30°的頻率響應(yīng)曲線；c.以2.5 m為半徑，分別在左右45°、37.5°、30°、20°、10°、0°測(cè)量其聲壓級(jí)大?。ˋ計(jì)權(quán)）。

② 三只揚(yáng)聲器并排放置，以其物理軸向上左偏30°為期望軸向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試傳聲器距揚(yáng)聲器陣列中點(diǎn)同為2.5 m，由于最右側(cè)的揚(yáng)聲器距離測(cè)試傳聲器最遠(yuǎn)，所以由該揚(yáng)聲器先發(fā)聲，并記錄其到達(dá)測(cè)試傳聲器的時(shí)間作為參考，然后將中間和左邊的揚(yáng)聲器依次加入延時(shí)，使之與最右側(cè)揚(yáng)聲器的到達(dá)時(shí)間對(duì)齊。之后對(duì)調(diào)整好延時(shí)的揚(yáng)聲器組進(jìn)行如下測(cè)試：a.重復(fù)實(shí)驗(yàn)一，用光譜圖觀察聲輻射（具體見圖12），并確定其軸向方位；b.測(cè)量期望軸向（即左偏30°）的頻率響應(yīng)曲線，并與上述①中未做延時(shí)調(diào)整的30°方向以及0°方向的頻響曲線進(jìn)行對(duì)比；c.以2.5 m為半徑，分別在期望軸向（即左偏30°）左右45°、37.5°、30°、20°、10°、0°測(cè)量其聲壓級(jí)大?。ˋ計(jì)權(quán)）。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

a：圖11為上述①中所描述的三只揚(yáng)聲器的聲輻射圖，其主軸位置非常明確，即為0°方向，圖中用紅線進(jìn)行了標(biāo)注。圖12則是②中所描述的在左偏軸30°調(diào)整完延時(shí)后，仍由原來軸向的-60°到60°移動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射圖?？梢郧宄乜吹剑S向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，且通過縱坐標(biāo)均勻分布的格子，可以計(jì)算出圖中新軸向的位置為30°。

b：圖13中，綠色線是在①中軸向?yàn)?°時(shí)所測(cè)得的左偏30°的頻率響應(yīng)曲線，紅色線是在②中左偏30°方向加入延時(shí)對(duì)齊時(shí)間后（即30°變?yōu)檩S向）所測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線。兩者雖然測(cè)試位置相同（都是在左偏30°所測(cè)得的結(jié)果），但可以看出，大約從500 Hz開始，其頻響曲線發(fā)生了很大的變化。圖14的藍(lán)線是在①中軸向?yàn)?°時(shí)所測(cè)得的軸向位置的頻率響應(yīng)曲線（測(cè)試傳聲器位于0°方向），紅線則仍是在②中左偏30°方向加入延時(shí)對(duì)齊時(shí)間后（即30°變?yōu)檩S向）所測(cè)得的頻率響應(yīng)曲線，雖然兩者的測(cè)試傳聲器位置不同，但可以看出，除了聲壓級(jí)方面有較小幅度的降低外，頻響曲線的整體趨勢(shì)還是十分相似的，這從另外一個(gè)方面說明了②中的左偏30°方向其實(shí)變成了線陣列的輻射軸線方面。

c：圖15中，藍(lán)色線是①中以0°物理軸向?yàn)橹行乃鶞y(cè)得的兩側(cè)各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)折線圖，紅線則是②中以30°虛擬軸向?yàn)橹行乃鶞y(cè)得的兩側(cè)各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)折線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是以①中的0°為軸，還是以②中的30°為軸，軸向上的聲壓級(jí)都是最大的。且以軸線為中心，隨著角度變大，聲壓級(jí)逐漸減小，且左右基本對(duì)稱。其中紅色數(shù)據(jù)左側(cè)部分之所以下降很多，是因?yàn)楫?dāng)以左偏30°為虛擬軸向，在其更左方位的45°測(cè)量時(shí)，幾乎已經(jīng)達(dá)到了揚(yáng)聲器真正物理軸向的75°側(cè)方，超出了揚(yáng)聲器本身的水平指向范圍，所以聲壓級(jí)會(huì)下降很多。

通過上述a、b、c三組實(shí)驗(yàn)分析，可以得出：當(dāng)揚(yáng)聲器組成陣列時(shí)，通過調(diào)整延時(shí)對(duì)揚(yáng)聲器間的相位關(guān)系進(jìn)行控制，可以有效地改變揚(yáng)聲器陣列的輻射軸向位置。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上面的實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)：當(dāng)兩聲源間隔的距離為某頻率的1/2波長(zhǎng)時(shí)，在軸向上的聲波得到疊加，在此頻率附近離軸90°產(chǎn)生抵消。通過這種抵消，從而獲得揚(yáng)聲器組的指向性。當(dāng)聲源間距擴(kuò)大時(shí)，其控制的頻率下線會(huì)變低。通過數(shù)字信號(hào)處理的方式改變延時(shí)，使得揚(yáng)聲器間的相位關(guān)系發(fā)生變化，造成相位疊加和抵消，能夠改變揚(yáng)聲器組的軸向，進(jìn)而可以控制揚(yáng)聲器輻射的方向。

5 存在問題和發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過上述論證發(fā)現(xiàn)，控制線陣列揚(yáng)聲器單元之間的距離以及通過延時(shí)調(diào)整聲音信號(hào)的相位關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)在特定頻段的指向性調(diào)控。但是，真正的調(diào)控并沒有想象的那么簡(jiǎn)單，延時(shí)的調(diào)控只能對(duì)應(yīng)相應(yīng)的頻率，這一頻率應(yīng)該如何選擇才會(huì)有良好的聽音效果，以及對(duì)整個(gè)頻段又會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響等都是本文未曾提及的。所以，電子相控陣列在控制指向性的過程中，其控制精度、頻段寬度以及對(duì)音質(zhì)的影響仍有待研究。

隨著相控?fù)P聲器指向技術(shù)的發(fā)展以及各類相關(guān)陣列揚(yáng)聲器新品的出現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)其接下來的發(fā)展趨勢(shì)：一是相控指向揚(yáng)聲器逐漸由小型的聲柱類產(chǎn)品向大型的全頻線陣列產(chǎn)品演化，從而使得其應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛，從原來的車站、教堂等長(zhǎng)混響空間到專業(yè)劇場(chǎng)、體育場(chǎng)館甚至大型的室外演出場(chǎng)地。第二，該類陣列通常都為有源產(chǎn)品，每個(gè)揚(yáng)聲器都由多個(gè)內(nèi)置DSP和功放的模塊組成，無需外接功放，便可直接吊掛使用，同時(shí)，該類產(chǎn)品的研發(fā)幾乎全部配合著相應(yīng)的軟件，所以使得系統(tǒng)配接的安裝調(diào)試變得更加簡(jiǎn)單快捷?；蛟S在未來的某一天，直接手持移動(dòng)端，通過相應(yīng)的APP就可以得到想要的揚(yáng)聲器指向性。三是隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步以及處理能力的加強(qiáng)和細(xì)化，此類產(chǎn)品本身的音質(zhì)將得到提高，擴(kuò)聲的本質(zhì)還是為了給觀眾還原出更好的聲音，在獲得更大的聲壓級(jí)和更遠(yuǎn)的輻射范圍的同時(shí)，收獲完美的音質(zhì)也是必然的需求。

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