点声源与线声源

http://www.audio.hc360.com2019年01月15日10:52 来源:慧聪音响灯光网T|T

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     慧聪音响灯光网报道   

  了解过线阵列扬声器系统的朋友都知道,线阵列扬声器系统与常规扬声器系统(为区别于线阵列扬声器系统的非标准名称)不同的是:常规扬声器系统所辐射的声波波阵面图形类似球状波,近似于点声源;而线阵列扬声器系统所辐射的声波波阵面图形类似柱状波,近似于线声源,但前提条件是在临界距离之内,在临界距离之外则与常规扬声器系统一样,开始由柱状波渐变过渡为球状波,因此,如果组阵是直线形并且各换能器的驱动信号是相等的,则响应是距离的函数,线阵列扬声器系统在临界距离内符合距离加倍,声压级衰减3dB,在临界距离外符合距离加倍,声压级衰减6dB的声压级衰减规律,这个声压级衰减量从3dB过渡到6dB的距离称为临界距离。临界距离与重放的频率和线阵列的长度有关,在满足标准线阵列条件的前提下,临界距离与重放的频率和线阵的长度平方成正比。低频信号发散距离较短,高频信号发散距离较长,有利于高频的传播。线阵列长度越长,柱面波发散成为球面波的距离越远。因此,在实际应用中,为取得有效的中低频传播距离,应使用较长的线阵列。

  任何一个有限大小的声源在自由空间的辐射,其波阵面总是要发散的,柱面波最终会发散成为球面波,即由距离增加1倍声压级减小3dB,变为距离增加1倍声压级减小6dB。

  柱面体的表面积计算公式如下:

  

  当r 延伸为原来的2倍时,则表面积变化为:A圆柱≤2π(2r)h>/(2πrh)=2。即:当r 延伸为原来的2倍时,圆柱表面积变化为原来的2倍。声强变化为原来的1/2,计算10Lg(1/2)=-3dB,即声压级衰减3dB。

  球面体的表面积计算公式如下:

  

  当r 延伸为原来的2倍时,则表面积变化为:A球面≤4π(2r)>/(4πr²)=4。即:当r 延伸为原来的2倍时,球面表面积变化为原来的4倍。声强变化为原来的1/4,计算10Lg(1/4)=-6dB,即声压级衰减6dB。

  以下为图解:

  

  

  图1 柱面波与球面波的几何分析

  

  图2 三种声辐射波阵面的几何模型

  线性阵列简述

  “线性阵列系统”——线性阵列的基本原理源于“线性声源”理论,即:只有符合“线性声源理论”,满足其构成条件的音箱阵列系统,才叫“线性阵列系统”。 线声源阵列的理论早在1957年美国声学工程师HanyF.Olson就已在发表的论文《声学工程》中有所描述。Olson等人在声学研究中发现垂直阵列中声音辐射体,在垂直平面内有指向性增强的作用。

  

  图3 1只单元与2只单元覆盖模式图

  1992年3月,MarcelUrban教授和ChristianHeil博士在维也纳92届AES会议上展示了线阵列研究成果,说明了如何把点声源产生的球面波校正到同相相加的圆柱面波,说明了线声源阵列的指向特性与声源模块之间的距离、线声源的长度和工作波长之间的关系。

  

  图4 波源间距与干涉图样

  经典的线声源的数学分析是:假定声源是由无限多个、间距极小(声源的间距与工作频率的波长相比很小,即间距小于工作频率的半个波长),并且连续同相位、等声强振动单元按无限长度的一条直线排列组成,其声学波阵面为近似柱面波。

  

  图5 线声源的雏形模型

  构成线声源阵列的必要条件:

  声源之间的间隔距离d 小于工作频率范围内最高频率波长λ 的一半,即d≤λmin/2;

  线声源阵列的长度L 应大于工作频率范围内最低频率波长λ 的一半,即L≥λmax/2;

  线声源阵列中各频段的扬声器单元必须排在一条直线上,即声柱状态,并且声源开口面积之和至少等于阵列面板面积的80%以上。

  

  赠送小菜一碟:

  点声源、线声源、面声源,这是三种不同的声源辐射状态,孰优孰劣?提出这样的疑问,貌似要掀起一场声源之战,笔者的观点是,没有完美的声源,最佳的答案取决于你要解决的棘手问题是什么?简单的讲,点声源为实现最好的声音还原奠定了最佳的基础,线声源和面声源为实现最好的指向控制奠定了最佳的基础,各自拥有独特的优势。其目的都是在设法改善声音的品质,这个“品质”是从广义的角度而言。例如:线声源和面声源是通过控制指向达到增加直达声的比例,进而提升声音清晰度,这个清晰度是相对于被反射声干扰的声音而言。

  站在应用的角度,笔者向来主张因地制宜,换句话说,应该把最棘手的问题优先考虑解决,适合的就是最好的。

责任编辑:古晓清

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