摘要：目的：文章旨在探討超低音陣列（波束成形）技術(shù)在音樂會(huì)的應(yīng)用效果。通過分析超低音陣列的類型、波束成形技術(shù)的原理及其在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用，研究如何優(yōu)化聲場覆蓋和聲音效果，以提高音樂會(huì)的音響質(zhì)量。方法：首先介紹超低音陣列的類型及在聲場中的作用，重點(diǎn)分析不同陣列的特點(diǎn)及適用場景。然后詳細(xì)闡述波束成形技術(shù)的基本原理和在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。在具體實(shí)驗(yàn)部分，以在Long Plus的Living House舉辦的Our Party音樂會(huì)為研究對象，使用計(jì)算機(jī)仿真軟件Soundvision對不同超低音陣列方案進(jìn)行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)中，通過相位校正、波束成形技術(shù)設(shè)置等步驟，對超低音陣列的聲源輻射范圍和聲壓級進(jìn)行測試和調(diào)整。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用梯度陣列結(jié)合波束成形技術(shù)的方案能夠有效實(shí)現(xiàn)聲源信號的均勻覆蓋。在音樂會(huì)現(xiàn)場，超低音陣列的聲壓級在觀眾區(qū)各處基本一致，頻率響應(yīng)曲線表明音箱之間不存在相互掩蔽的情況。與端射陣列相比，梯度陣列能更好地抑制波瓣對舞臺(tái)的影響，減少低音向舞臺(tái)的泄露，確保舞臺(tái)中央的低音聲壓級降低15 dB或更多。結(jié)論：超低音梯度陣列結(jié)合波束成形技術(shù)在音樂會(huì)的應(yīng)用，能夠顯著優(yōu)化聲場覆蓋和聲音效果。該技術(shù)不僅能提升觀眾的聽覺體驗(yàn)，還能有效解決傳統(tǒng)超低音揚(yáng)聲器在聲場控制方面的不足，為大型音樂會(huì)的音響系統(tǒng)搭建提供新的解決方案。合理的陣列設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)聲源信號的精確輻射，確保音樂會(huì)現(xiàn)場的音響效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：音樂會(huì)；超低音陣列；波束成形

中圖分類號：TN643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1004-9436（2024）18-0-04

0 引言

隨著現(xiàn)代音樂會(huì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和觀眾對音質(zhì)要求的日益提高，音響技術(shù)在演出中扮演著越來越重要的角色。超低音陣列作為一種先進(jìn)的音響技術(shù)，能夠通過波束成形技術(shù)的應(yīng)用，有效控制聲波的輻射方向和覆蓋范圍，從而優(yōu)化音樂會(huì)的音響效果。本文以O(shè)ur Party音樂會(huì)為例，探討超低音陣列（波束成形）技術(shù)在實(shí)際演出中的應(yīng)用情況。通過對不同陣列類型的比較分析以及計(jì)算機(jī)模擬與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，詳細(xì)闡述波束成形技術(shù)在優(yōu)化聲場覆蓋、減少聲波干擾等方面的優(yōu)勢，為搭建大型音樂會(huì)音響系統(tǒng)提供有益的參考和指導(dǎo)。

1 波束寬度與超低音陣列的關(guān)系

1.1 超低音陣列的類型與應(yīng)用優(yōu)化

超低音揚(yáng)聲器，英文為Subwoofer，頻響范圍在20～100 Hz，俗稱“低音炮”，多用于酒吧、大型戶外演唱會(huì)等。其性能取決于頻率范圍和峰谷大小。其能發(fā)出底鼓、貝斯等樂器的渾厚低頻聲，重放100 Hz以下低音時(shí)，具有采用大口徑單元和內(nèi)置專用放大器的特點(diǎn)。然而，超低音揚(yáng)聲器聲能輻射存在問題，輻射多為全指向性，難以控制聲波輻射范圍。聲音能量輻射不均會(huì)產(chǎn)生諸多負(fù)面影響，如舞臺(tái)聲音信號經(jīng)超低音箱引發(fā)墻面反射，使傳到觀眾席的聲音信號混淆，影響歌手表演；超低音音箱朝舞臺(tái)方向泄露聲音，會(huì)導(dǎo)致嘯叫或與返聽音箱信號干涉，使歌手聽不清返送信號，難以分辨聲音信息，搭建系統(tǒng)時(shí)需避免低頻能量朝舞臺(tái)方向泄露。

超低音陣列是揚(yáng)聲器系統(tǒng)按特定設(shè)計(jì)排列組合而成的系統(tǒng)，常用于大型演出場所及體育場館擴(kuò)聲工程。其基本使用原則是實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器聲源的最大化輻射覆蓋范圍。超低音揚(yáng)聲器陣列有兩個(gè)顯著特征：一是超低音揚(yáng)聲器為只覆蓋3個(gè)倍頻程的單獨(dú)箱體，二是超低音輻射范圍的長波長可繞射鄰近障礙物［1］。而相位干涉是線陣列音箱的固有缺點(diǎn)，相同頻率聲音信號存在相位差時(shí)，聲波疊加會(huì)產(chǎn)生不同效果，即同相相加、反相抵消，且效果與相位差、聲源聲壓級大小有關(guān)。為減少相位干涉問題，超低音陣列在設(shè)置輻射范圍初期，應(yīng)增強(qiáng)觀眾區(qū)等輻射區(qū)域能量，衰減周邊能量，以便更好地控制。

關(guān)于演出中的擺放方式，很多人認(rèn)為將多只超低音揚(yáng)聲器堆放在一起能延長聲音傳播距離，但在舞臺(tái)兩側(cè)這樣擺放會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的梳狀濾波效應(yīng)，導(dǎo)致觀眾席不同位置聽到的不同頻率產(chǎn)生巨大的波形變化。這是因?yàn)榈皖l無明顯指向性，超低音揚(yáng)聲器周圍及后方能量會(huì)增加，成為擴(kuò)聲系統(tǒng)的技術(shù)問題。例如，通過軟件Soundvision對4只超低音揚(yáng)聲器在43.2 m×12 m空地的模擬，測得堆疊方式會(huì)使音箱前方聲壓級比背面高3 dB，周圍能量較大；而水平擺放方式則能使聲音范圍均勻覆蓋聲場，從而解決技術(shù)問題，獲得所需的聲音覆蓋范圍和最佳音質(zhì)，同時(shí)把握好現(xiàn)場聲學(xué)條件，設(shè)置好音箱參數(shù)，降低混響和反射的不利影響，最大限度發(fā)揮設(shè)備效能，確保低音清晰且在觀眾區(qū)內(nèi)均衡，聲音各頻率分布平衡。

超低音陣列主要有側(cè)射陣列、梯度陣列和端射陣列三種類型。側(cè)射陣列將音箱排成一排或一列，聲波指向與排列方向垂直，適用于地面擺放或吊裝［2］。梯度陣列通過控制音箱的振幅和相位，實(shí)現(xiàn)聲波的指向性控制，適用于小型低音陣列。端射陣列需要至少兩只超低音揚(yáng)聲器，音箱成列擺放，通過延遲和反相設(shè)置制造出非常窄的指向特性，適用于需要遠(yuǎn)距離投射的場合［3］。每種陣列都有其獨(dú)特的應(yīng)用場景和優(yōu)勢，選擇合適的陣列類型可以優(yōu)化聲場覆蓋和聲音效果。

1.2 波束成形技術(shù)在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用與控制

在擴(kuò)聲現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備時(shí)，常因未處理好觀眾席頻譜資源分配，導(dǎo)致演出時(shí)后場觀眾感覺聲效不佳。波束成形技術(shù)可以解決以上問題，使觀眾都能聽到有力低頻。波束成形在陣列天線領(lǐng)域也稱空間濾波，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。其實(shí)現(xiàn)方式是設(shè)置接收信號與天線陣列振子的相位關(guān)系，讓振子在特定方向收發(fā)同相信號。隨著現(xiàn)場演出的增多，觀眾對音箱效果的要求變高，波束成形作為揚(yáng)聲器陣列核心技術(shù)受到關(guān)注，可重構(gòu)源信號、分離信號。

波束類似光束，在聲波傳播方向一致時(shí)形成。擴(kuò)聲中通過調(diào)整相位陣列參數(shù)，使特定角度信號相長或相消干涉，輸出期望方向語音信號形成波束。無線通信中，因電磁波衍射強(qiáng)，需用智能天線陣列，控制波源間相對延時(shí)和幅度，集中能量，減少干擾。

波束成形（Beamforming），也稱波束賦形或空域?yàn)V波，是控制大型陣列聲波輻射方向和波束形狀的技術(shù)。在波束成形陣列中，音箱單元獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，信號有獨(dú)立延遲和電平參數(shù)，通過合并處理多路聲源信號，抑制干擾，增強(qiáng)目標(biāo)方向信號。遠(yuǎn)場處理時(shí)，因信號源到陣列距離遠(yuǎn)大于音箱間距，只需處理相位差異；近場則需考慮信號源到各音箱的時(shí)間差和幅度差異，利用音箱擺放位置造成的時(shí)間差設(shè)置延時(shí)，抵消干擾，明確指向性。其處理方式包括時(shí)域法和頻域法［4］。時(shí)域法對音箱延時(shí)并補(bǔ)償，多用于處理低頻信號；頻域法先分解頻段，窄帶波束形成后合成寬帶波束輸出，常用于處理高頻信號。波束成形技術(shù)適用于大型陣列，小型陣列指向性控制用梯度陣列。

所謂聲源信號的傳輸，就是將波形信號從一個(gè)地方傳播到另一個(gè)地方。傳輸?shù)囊糍|(zhì)是通過輸出的信號與原始信號的波形精確程度對比得出的。最終目的就是在減少波形失真的基礎(chǔ)上，盡可能重現(xiàn)原始聲波波形。一般來說，聲波傳輸通道有三種信號傳輸形式：線路電平的電信號傳輸、揚(yáng)聲器電平的電信號傳輸和聲音信號的傳輸。其中，最容易出現(xiàn)問題的就是揚(yáng)聲器向聽眾傳送信號。因此，在擴(kuò)聲中使用揚(yáng)聲器的波束成形技術(shù)需要把握它的各參量，包括聲音頻率、聲源覆蓋角度等。

“波束寬度”一詞可以與覆蓋角度相替換。波束寬度與頻率的關(guān)系建立起揚(yáng)聲器在全音域范圍上不同覆蓋角度的復(fù)合狀態(tài)。典型的波束寬度與頻率的關(guān)系分別為1/3倍頻程或1倍頻程。因此，波束寬度是覆蓋角度形成的。聲音覆蓋角度受頻率影響，超低音陣列通過波束組合特征化。兩個(gè)揚(yáng)聲器單元組合時(shí)，可能出現(xiàn)波束集中、擴(kuò)散或簡單重疊的情況，導(dǎo)致梳狀濾波效應(yīng)。高頻（HF）常擴(kuò)散，低頻（LF）常集中。波束難以聚焦為相干前向波束或僅以直徑或側(cè)向擴(kuò)展。

2 計(jì)算機(jī)模擬

為說明超低音陣列（波束成形）技術(shù)在音樂會(huì)的應(yīng)用，本文以一家名為Long Plus的Living House舉辦的Our Party音樂會(huì)為例。通過計(jì)算機(jī)仿真軟件Soundvision進(jìn)行實(shí)景的超低音陣列數(shù)據(jù)模擬，與現(xiàn)場實(shí)際測量的超低音陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行對比得出結(jié)論。場地長43.2 m、寬12 m、高4.5 m，總占地面積518㎡?；趯?shí)驗(yàn)現(xiàn)場的工程圖，按照現(xiàn)場實(shí)景比例在建模軟件Soundvision中構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)場地的模型，見圖1。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種超低音陣列的擺設(shè)方案，一種為端射陣列，一種為梯度陣列，將在軟件中模擬現(xiàn)場情況得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，綜合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定最終實(shí)踐方案。

2.1 端射陣列在軟件中的模擬

在Soundvision建模軟件中，添加4只超低音箱，按照上述理論設(shè)置陣列。端射陣列是將音箱沿著同一個(gè)軸向排列成一排進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將一只以預(yù)定的間距放置在另一只后面，從而使聲音的輻射方向與其排列方向一致。陣列中，超低音箱控制的中心頻率為63 Hz，后方兩只音箱添加0.4 ms的延時(shí)處理。模擬得到超低音陣列聲源輻射范圍，見圖2（上）。

由軟件測試結(jié)果得出，端射陣列的超低音最大能量集中于一處，在100 Hz可以形成近似心形指向，前后聲壓級差為6.43 dB，周圍聲壓級隨之減弱，且有明顯的波瓣出現(xiàn)。舞臺(tái)區(qū)的能量較大，但觀眾席后區(qū)接收到的聲壓級不足100 dB SPL。雖然后兩只超低音箱均加延時(shí)，但時(shí)間順序上最后還是需要繞過前方揚(yáng)聲器保持波前同步。

2.2 梯度陣列在軟件中的模擬

在Soundvision建模軟件中，添加4只超低音箱，4只音箱擺放在一條水平線上，揚(yáng)聲器箱之間距離均相等。為保證兩側(cè)與中間兩只音箱同時(shí)控制波束，設(shè)置0.63 ms的延時(shí)處理，模擬梯度陣列擺放的超低音箱聲能輻射圖。

由圖2（下）可以看出，梯度陣列的超低音聲壓級輻射的范圍均勻分布，舞臺(tái)后方的聲壓級被抵消了，觀眾席后方區(qū)域也能被超低音箱輻射的能量覆蓋到，同時(shí)沒有明顯的波瓣出現(xiàn)。中間音箱的正面與背面的聲音級相差近5 dB，有效抑制了后方輻射的低音，因此舞臺(tái)上下之間不容易形成太多的干擾。

綜合兩種方式的模擬結(jié)果，最終確定在現(xiàn)場測試中使用梯度陣列的方式來完成超低音陣列（波束成形）技術(shù)的實(shí)測。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)場地：Long Plus

實(shí)際的測量場地為音樂會(huì)現(xiàn)場，音箱擺位見圖3

（上）。實(shí)際測得每兩只音箱的間距均為103 cm。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

超低音揚(yáng)聲器：L-Acoustics，見圖3（下）；

測試傳聲器：ecm8000；

測試軟件：Smarrt。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步，在現(xiàn)場將中間兩只和兩側(cè)的兩只音箱依次打開，通過釋放粉噪在Smaart中對比頻響曲線，判斷4只揚(yáng)聲器所釋放的能量是否相同，并通過功率放大器中DSP設(shè)置使4只揚(yáng)聲器的頻率曲線盡量保持一致。

第二步，通過ARC空間聲場調(diào)整技術(shù)校正4只音箱的相位。從軟件校準(zhǔn)數(shù)據(jù)線可以看出，該陣列的揚(yáng)聲器經(jīng)過校正之后，粉色與藍(lán)色的波形有多處重合，表明相位正常，無相位相抵消的情況。下半部分圖為超低音振幅曲線，橙色的波形代表相干性曲線，表示受環(huán)境或其他聲源干擾，波形后半部分波動(dòng)幅度緊密，可以看出超低音能量足夠，低音堅(jiān)實(shí)有力。

第三步，校正音箱相位之后，使用之前確定的梯度陣列，采用波束成形技術(shù)為兩側(cè)的兩只音箱設(shè)置延時(shí)，通過總控更改超低音陣列的指向性，向觀眾區(qū)輻射聲能。

第四步，在陣列前方12 m處設(shè)置測試傳聲器，分兩次收錄舞臺(tái)中間兩只音箱和兩側(cè)兩只音箱的測試數(shù)據(jù)，在Smaart中記錄相位曲線和頻率曲線以及聲壓級。

第五步，將測試話筒移至距離舞臺(tái)24 m處，測試超低音陣列在3個(gè)點(diǎn)位所能接收的聲壓級以及頻率范圍，見圖4。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過程，在L-ACOUSTICS Network Ma-nager軟件中測試超低音陣列的總聲壓級和頻率響應(yīng)。值得一提的是，這款軟件是由L-ACOUSTICS音箱公司自主研發(fā)的，專門用于測試L-ACOUSTICS系列音箱的聲壓級和頻率響應(yīng)，因此得到的結(jié)果精確度極高。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程可以得出，兩側(cè)的超低音揚(yáng)聲器與中間兩只揚(yáng)聲器的最大聲壓級相差0.39 dB，這種情況下暫且可以忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)證明，在超低音陣列中采用波束成形技術(shù)，可以使超低音陣列向觀眾區(qū)各處輻射聲源，做到時(shí)間一致、輻射范圍均勻，不論是在前排、后排或側(cè)面，所聽到的音量大小基本一致。同時(shí)，兩組音箱測試數(shù)據(jù)的頻率響應(yīng)圖，從圖中頻率響應(yīng)的曲線可以看出兩組音箱頻率幾乎相同，表明音箱之間不會(huì)存在相互掩蔽的情況。

4 結(jié)語

本次實(shí)驗(yàn)以O(shè)ur Party音樂會(huì)為例，綜合測試結(jié)果和主觀聽感可以表明，超低音梯度陣列的擺放方式，加之應(yīng)用波束成形技術(shù)設(shè)置聲源方向，可以使聲源信號均勻覆蓋演出現(xiàn)場。在本場音樂會(huì)中，運(yùn)用波束成形技術(shù)搭建超低音陣列，能在盡可能抑制波瓣對舞臺(tái)造成影響的同時(shí)，使超低音陣列發(fā)出的聲源信號有目的地輻射，而非只聚焦于一處，或是出現(xiàn)聲音前后區(qū)輻射不均勻的情況。

在音樂會(huì)音響系統(tǒng)搭建過程中，波束成形延遲參數(shù)可以用在梯度陣列上，但必須設(shè)置在左右相對應(yīng)的超低音箱中，這樣才能使其指向發(fā)生傾斜。本場音樂會(huì)超低音陣列擺放于地面上，采用的梯度陣列偏軸輻射，有助于抑制波瓣，減少投向舞臺(tái)的低音。對梯度陣列而言，通過調(diào)整音箱指向性，可將聲音輻射范圍設(shè)置為正好指向舞臺(tái)前方。在典型配置下，這會(huì)使舞臺(tái)中央的低音聲壓級降低15 dB或更多。

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