音响人士必知:声波定向传播的四种实用解决方法

http://www.audio.hc360.com2018年08月08日10:13 来源:慧聪音响灯光网T|T

麦克风

     慧聪音响灯光网报道,可听声波是一种常见的机械波,其在空气中传播是球面的,发散的,容易衰减,影响传播效果。同时,由于可听声波默认会向四面八方传播,容易扰民。如果能够解决好声波的定向传播,上面的问题就可以得到很好解决。

  声波是球面波 传播容易衰减也容易扰民

  我们平常听到的绝大多数的音箱其实发出的声波都是360度辐射出去的,不同的频率、角度下,声波能量会有不同,但是在空气中传播时极容易衰减。

  同时,声波(尤其是低频声波)基本上是无方向性的,因此,就算受众不在音箱的正面,而在音箱的侧面和背面,声音也感觉很响。高频声波,其方向性会强一些,但是其在音箱的侧后方(45度/315度),也只是衰减3~6dB左右而已。

  

  图1

  因此,造成了两种结果:声波在空气中传播时极易衰减,传输距离较短,当可听声波到达受众时,往往声强变得很弱,影响了语音清晰度。同时,音箱传出来的声波几乎没有方向性,容易造成扰民问题。这也就是为什么很多地方出现了驱赶广场舞人群(如图1),并造成了冲突。甚至有新闻报道居民为了对付广场舞大妈耗资26万购置了定向音响

  1、利用音罩加强指向性

  那么,怎么样才能让声音集中起来,或者用专业术语说加强指向性呢?采用聚音罩是最简单可行的方法之一,这种技术类似于灯罩,只要在高频扬声器上罩个大半球形的罩子(如图2),人在聚音罩下方即可清楚听到声音。

  

  图2

  2、利用号角加强指向性

  第二种方法是在喇叭单元前加上号角,尤其在中高频广播喇叭、歌舞厅里的专业音箱加上号角。号角音箱的低频没有变化,但是中高频的指向性增强了。

  中高频音箱基本上垂直、水平方向可以控制在100度以内,该角度以外可以衰减12dB以上。其原理图如图3所示:

  

  图3

  如图3所示,喉口到号角出口的中间和两边的距离不等,声音传播到的时间也不等(即出口部分的相位角差异很大),所以出口部分的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波。但是加了号角的音箱即便是球面波,声波的扩散角也比普通扬声器小的多。

  

  图4

  不过,现在的远程投射号角已经有了些改变,如图4。将八字型号角的中间部分加了个菱型的塞子。号角中间的菱型塞子可以将高音在号角中间部分的声波做延时处理,使得声波从号角的喉口到号角的出口各部分的时间相等。这样,声波在该号角出口各部分的相位角是相同的,在号角的出口部分的波阵面也趋向于柱型。

  3、使用“线性阵列”加强指向性

  除了号角外,另外一个方法就是让音箱发出柱面波,用多只喇叭单元进行排列,广播音柱是比较容易见到的柱面波音箱,很显然,它的垂直指向性很强,但是水平指向性一般。如果想要增强水平指向性,可以采用“线性阵列”音箱或音柱,即将音箱或音柱排列成一行。再在这些中高音单元前加声学透镜,将音频信号数字化后进行分频及复杂的数字效果处理,然后转换为模拟信号分别对每个单元独立放大驱动。

  4、使用超声波扬声器加强指向性

  使用超声波扬声器来加强指向性,其原理是利用超声波的强指向性来实现定向声波传播的目的。

  超声波因为频率较高,波长较短,不容易发生衍射,指向角较小,拥有较好的指向性,而可听声波的频率较低,波长较长,容易发生衍射,从而绕过传播过程中的障碍。

  与传统扬声器的原理不同,超声波扬声器将超声波作为载波信号,再将音频信号调制到高频信号中实现在空气中的定向传输,并最终在空气中实现自解调,即可使人耳能够听到被还原的音频信号。

  具体地说,基于超声波的声波定向传播技术,其基本原理是将可听声音信号调制到超声载波信号之上,并由超声换能器发射到空气中,不同频率的超声波在空气传播的过程中,由于空气的非线性声学效应,这些信号会发生交互作用和自解调,从而产生频率为原超声频率之和(和频)与频率之差(差频)的新声波。只要超声波选取合适,差频声波则落在可听声区间,即20Hz-20000Hz。这样,借助超声波本身的高指向性,即实现了声音定向传播的过程。

  20世纪 60年代Westervelt(韦斯特维尔特)和 Berktay等人发现了超声波在空气中非线性传播的自解调效应,20世纪80年代,日本Kamkura T等人成功制作了这种扬声器装置,从而实验上验实了这种原理的正确,2002年美国人Joseph则继续推动了该项技术在实际中的应用。目前美国、德国和日本业已开始推行应用这种技术,新加坡和中国科学院声学研究所也正在进行这方面研究。

  目前,国内有音响企业已经率先发布了基于超声波调制的定向扬声器阵列,很好地实现了声波的定向传播,可以用于室内扩声系统、厅堂扩声系统、公共广播系统和专用会议系统

  

  图5

  如图5,是超声波扬声器与普通扬声器的区别,普通扬声器传播的信号是球面波,是向四面八方传输的,而且在传输的过程中会产生衰减。而超声波扬声器传播的信号是定向的,向夹角很小的同一个方向传输,在传输的过程中几乎不会发生衰减,信号到达受众时,可以自行解调,从而保证受众可以听到声音。

  事实上,单个超声波扬声器的效果可能并不是太好,为了提升传播效果,可以由多个超声波扬声器组成阵列,向不同受众区域进行传播,会取得更好的效果。

  在这四种方法之中,效果最好的是使用超声波,使用超声波方式来进行声波的定向传播,理论上不会产生“漏音”,而且超声波载波的频率是可调整的,因此其指向性也是可进行相应的调整,从而提升指向性。

责任编辑:古晓清

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