巨声视听 | 研究超低音扬声器阵列,寻找理想的线条 （二）

　　本系列的第二部分提供了对性能参数的评估，包括观众区的音调一致性、净空以及观众和混音位置之间的差异。

　　此前发布的本系列的第一部分表明，现代扩声中超低音扬声器阵列的弯曲算法之间存在显著差异。现在，在第二部分中，将更详细地分析生成的声场并量化其性能。

　　现代扩声系统的设计目标是为听众提供大致平等的体验1 。该过程主要是一个迭代和可视化过程。不同系统概念之间的比较很复杂，通常无法量化。为了分析延迟算法的结果，开发了一个客观指标来描述声场：

　　观众区的音调一致性

　　音响系统的净空

　　观众和混音位置之间的差异

　　为了量化这些标准，根据 Hill (2018)2 的出版使用了三个值。音调一致性 SV 由所有分析的频率点在观众平面上的大小的平均空间方差来计算。方差越小，声场越一致。由于传播损耗，不可能在整个观众范围内实现均匀声压级(SPL)，因此对目标范围内的幅度响应(此处所有示例分别为30 – 120 Hz)进行归一化，以更好地评估覆盖范围的一致性并减少传播损耗对结果的影响。位于房间前部位置的音响工程师正在根据他们的聆听体验校正混音。高度变化的声压级可能会导致观众的混音不均匀。观众和FOH位置K之间的差异可以通过所有频率的混音位置的声压级与观众的平均声压级之间的绝对偏差来计算。

　　为了量化音响系统的净空HR，计算了混音位置的声压级与预期目标电平(此处为 115 dB)之间的差值。如果音响系统达到目标电平，则其功率足以使HR = 0 dB。对于低于目标水平的声压级，将分析实际的系统净空。因此，使用低音炮在1 m处的标称和最大声压(根据典型18英寸低音炮的规格，此处所有示例分别为120 dB和132 dB)。如果实际系统净空减去电平差超过6 dB，则系统的功率不足HR = ∞ dB。绩效指标中的 HR 标准是指系统净空的变化，其中正值表示净空的损失。HR值越小，表示系统中可用的净空越大。所有这三个标准都经过线性化、加权，并形成单个阵列性能评级 APR。它对从 0(最差)到 1(最佳)的线性范围的等级性能进行分类，如表 1 所示。

　　表 1：等级阵列性能等级 (APR)

　　为了分析不同配置的性能，开发了一个标准化的测试环境(图1)。它根据自由场条件下接收器点的波动方程和复求和计算声场。对于本文中的模拟，假设所有元素都是全向源。这消除了特定于产品的模型的影响，并且只允许分析延迟方法。观众区是一个50 m x 40 m的声场，应由间隔1.05 m的12个元素阵列覆盖，这确保了在感兴趣的频率范围内不会发生梳状滤波。FOH位置位于中心，距离阵列25 m。物理配置使标称开启角度为 60°。在表面上，最大距离为1.4 m的接收器点(交叉)，这确保了不会因空间混叠而发生错误。

　　图 1：测试环境

　　从没有应用延迟的ZeroConfig开始，对SW1和SW3的声场进行更详细的分析。其他算法倾向于根据其弯曲策略开发类似的效果。本文末尾的最终概述显示了客观性能标准的结果。

　　从没有应用延迟的ZeroConfig开始，对SW1和SW3的声场进行更详细的分析。其他算法倾向于根据其弯曲策略开发类似的效果。本文末尾的最终概述显示了客观性能标准的结果。

　　为了评估空间一致性，分析了接收点处的幅度响应。图2显示了ZeroConfig的归一化幅度响应。

　　图 2：归一化幅度响应，零配置

　　围绕幅度响应的信封宽度可作为跨受众一致性的图形质量标准。这个假想管越宽，方差越高，音调行为越不均匀。此配置预计会出现高差异。这可以从6.7 dB的值SV中看出，与以下配置相比，该值明显更高。无法达到所需的声压级。但是，2.3 dB 的净空 HR 在可接受的范围内。总体而言，这导致APR为0.63，C级，图3显示了ZeroConfig在40 Hz和100 Hz时的声压级分布。

　　图 3：映射，零配置

　　大约40 Hz的频谱范围是假设扬声器的低音反射系统调谐的典型特征，在音乐上也很重要。100 Hz表示主系统分频频谱中的频率范围。该频率范围的高变化导致在调整整个系统时面临更多挑战。在两个频率下都可以看到清晰的主光束。在40 Hz时，FOH前方约10米处有强烈的抵消，这导致覆盖范围非常窄。主波束在100 Hz时也很明显，明显的侧叶导致内部声压和观众区外高能量成分的高变化。

　　SW3、SW4 和 SW6 在参数研究中提供了最长的延迟时间。使用SW3的参数，可以在图4中观察到测量点处的声压级差异显着降低。

　　图4：归一化幅度响应，SW3

　　它们的特点是在40 Hz和110 Hz处的偏差更强，大约70 Hz，偏差最低。从性能角度来看，系统没有针对预期情况进行充分的调整(HR = ∞ dB)。此外，FOH处的声压级与观众区的平均声压级之间的差异也随之增加。总体而言，与ZeroConfig相比，单个值导致APR保持不变0.63。在这里，性能标准的影响变得清晰起来。尽管提高了均匀性，但阵列的优化并不符合HR和K的要求，这直接反映在APR的值上。图5中的空间声压级分布显示，在40 Hz时，与观众区更适合。

　　图 5：映射，SW3

　　与FOH相比，主叶更宽，几乎覆盖整个区域，声压级降低了6 dB。较长的延迟时间导致在100 Hz频率下主最大值的分裂。在这种情况下，FOH处的声压级低于相邻区域。这种行为可能导致音响工程师做出错误的决定，导致观众的声音非常沉重且未定义。使用 SW3 的参数，次级最大值明显较低。然而，更多的声音能量延伸到观众区的边缘之外，这可能会对当地居民的噪音排放产生严重影响。

　　使用 SW1 优化阵列时，归一化幅度响应的偏差最小(图 6)。

　　图6：归一化幅度响应，SW1

　　这些值还显示了观众区域内以及观众与FOH之间声场的一致性非常好。仔细观察发现，在高于 100 Hz 的较高频率范围内，偏差不断增加。在性能方面，即使未达到目标水平，系统也处于可接受的范围内。尽管如此，SW1 在所有优化算法的 FOH 位置再现了最高的声压级。个人标准的良好结果达到A级的APR。在图7中，两个频率范围都可以看到明显的主光束。

　　图 7：映射，SW1

　　没有局部最小值。FOH位置旁边和后面的整个观众区几乎都在最大+/-6 dB相对电平的范围内。主要最大值遵循观众区的直边。但是，宽度被最小低估，标称开启角度为60°。

　　结 论

　　所有延迟算法都会在观众中产生更均匀的声压级分布。由于SW3的延迟时间较长(代表其他算法)，主辐射方向的声压级降低，这就是为什么系统无法满足有关净空标准的要求。此外，这些算法将主波瓣划分为更高的频率。这意味着在FOH可能所在的观众区中心可以预期较低的声压级。通常，SW1的弯曲算法在使用APR的评估中取得了最佳结果。从对其他系统配置和阵列配置的调查中也可以明显看出这一点。较短的延迟时间(见本系列的第1部分)缓慢地增加到外部元件，导致在主辐射方向上具有高效率的显着主瓣。此外，SW1的算法实现了整个频率范围内声场的高度一致性。声场的特征是沿着矩形观众区的侧线确定边界。

　　表 2 总结了所有弯曲算法的结果。结果与前面描述的发现一致。所有方法都可以提高观众的一致性。延迟值增加较多的算法存在系统净空不足的问题。只有 SW1 和 SW5 在 FOH 下提供可接受的声压级。这导致算法 SW3、SW4 和 SW6 达到 C 级。SW2 和 SW5 达到 B 级。只有 SW1 的弯曲算法才能达到 A 级的 APR。

　　表 2：结果数组性能评级

　　该分析表明，通过针对超低音扬声器配置优化的波束成形算法，可以改善观众的一致性和向外发射的声音。弯曲方法之间的差异导致声场再现的显着差异，这是在设计系统时应考虑的。

　　进一步的研究还表明，与左右或吊挂的超低音扬声器配置相比，舞台前方的超低音扬声器弧形配置在降低侧面声压级方面最有效3 。但是，最近的观众的噪音暴露明显较高，这可能导致听力损伤4 。此外，可以证明，通过吊挂超低音扬声器可以进一步提高电平一致性，无论是在效率和与主系统的对齐方面5 。考虑到这一点，第3部分将重点介绍结果的验证，并将测量结果与所介绍的示例系统的仿真进行比较。

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　　参考文献

　　1、音频工程学会声学和扩声技术委员会(AES TC-ASR)(2020)，《了解和管理户外活动中的声音暴露和噪声污染(AESTD1007.1.20-05)》(技术文档)

　　2.Hill， A. J. (2018年5月23-26日)，《现场声音低音炮系统性能量化(会议论文)》，音频工程学会大会 144，米兰

　　3、Mouterde， T. & Corteel， E. (2021年10月)，《关于噪音污染的吊挂和地面堆叠低音炮配置的比较(公约文件)》，音频工程学会大会 151，拉斯维加斯和线上

　　4、AES TC-ASR (2020)

　　5、Corteel， E. et al. (2018年10月17-20日)，《关于吊挂与地面堆叠低音炮配置的效率(会议论文)》，音频工程学会大会 145，纽约