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声场覆盖技术的里程碑:EAW自适应技术

发布日期:2021-08-19 10:15:45   浏览量 :479
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扬声器系统扩声需求 

扬声器系统作为扩声系统的核心,是将声源能量放大并投射至观众席最为重要的设备。当代扩声应用分别对扬声器和扬声器系统提出了以下需求:

对于扬声器而言:

1. 轴向和偏轴向具有一致的音色响应

2. 能够提供高功率和低失真的输出

3. 对声音具有良好的控制(投射及耦合)

对于扬声器系统而言:

1. 具有稳定性和一致性

2. 运输、安装、信号连接的便捷性

3. 能够根据观众席几何形状提供均匀覆盖

在保持高品质声音还原的基础上,能否根据观众席的几何形状提供均匀覆盖,是衡量当代扬声器系统优劣的重要评判标准。一套扬声器系统与观众席几何形状的匹配可以分为三个层级:

1. 声压级匹配。即扬声器系统投射在观众席各个位置上的声能是均匀的,但不考虑各频段能量的一致性。

2. 清晰度匹配。即扬声器系统投射在观众席各个位置上的中高频是均匀的,以此保证信息传递能够被所有观众有效接收,这是目前扬声器系统设计师追求的目标。

3. 声压级及音色匹配。即扬声器系统投射在观众席各个位置上的声能是均匀的,且各频段能量完全一致。在这种情况下,观众席各个位置上的观众所听到系统直达声的音色和响度是完全相同的。这是最为理想的状态,也是扬声器系统设计的最高目标,但由于传统扬声器的工作原理以及若干条件所造成的限制,这一目标只能接近,无法完全达成。

混合线阵列扬声器的工作原理 

线阵列的出现是扬声器制造历史上的一大进步,它的原始物理模型为菲涅尔分析,即对于某一频率的波长来说,一组换能器阵列是否能够在1/2波长的时间差内到达听音点,如果可以,则这些换能器对于该听音位置的声能耦合有贡献,阵列中其他换能器则对该听音位置的声能耦合没有贡献。这个模型展示了一个阵列中换能器之间的时间关系对某一频率投射效率的影响。

如图,左边一列圆点为换能器阵列,两个圆以听音者为圆心,它们的半径差对应着被考察频率的1/2波长,离听音者最近的换能器到达时间最短,越靠阵列两端,到达听音者的时间越慢。当到达时间晚于1/2波长时,我们认为换能器在这个频率上对听音点没有贡献。

尽管实际线阵列扬声器在制造工艺上有着更加复杂的考量,但其基本原则不会改变。即阵列通过控制箱体间的夹角来改变它们到达听音点的时间关系,也就是改变系统在中频段(或中高频段)的耦合关系,当听音点离阵列较远(远端观众)时,夹角较小,耦合程度高,当听音点离阵列较近(近端观众)时,夹角较大,耦合程度小。因此我们会看到,线阵列在吊装时通常呈现出“J”型,在顶部的箱体之间夹角小,便于覆盖远处,呈现出线声源特性;底部的箱体之间夹角大,便于覆盖近处,呈现出点声源特性。因此我们又称这种阵列为混合线阵列。

3. 混合线阵列扬声器可提升空间 

我们可以看到,相比点声源扬声器,混合线阵列提升了吊装的简易度,同时能够在中高频范围内对观众席从前到后的位置进行均匀覆盖,这种技术也因此成为当今扩声领域的主流解决方案。尽管如此,它距离理想的扩声系统仍然存在不小的差距,可以从以下两个方面进行提升:

1. 观众席音色一致性,尤其是系统对中低频的控制能力。

2. 对于吊装位置的依赖性和系统可调节性。

让我们就这两个问题展开分析:

『观众席音色一致性,尤其是对中低频的控制能力』

由于混合线阵列是通过调节阵列扬声器之间的夹角(即阵列的物理姿态)来进行覆盖控制的,那么物理姿态的极限就是控制的极限、物理姿态的精度就是控制的精度。换言之,混合线阵列对于声音控制的频率范围和精度都是有限的,这种情况在低频段尤为明显。

上面两张图呈现了同一组混合线阵列在4kHz(上一)和250Hz(上二)对同一个观众席的覆盖情况。4kHz在整个观众席的能量分布是较为均匀的,而250Hz由于频率较低,阵列现有的物理姿态无法对其进行有效控制(需要更加“极端”的物理姿态),因此能量主要投射在垂直于阵列的方向上,对于这个场地而言,250Hz对中前部观众席的覆盖要多于对后方观众席的覆盖,即中前排观众听到的低频多,后排观众听到的低频少。如果位于后排的调音师提升低频能量以满足自己的听感,那么前排观众则会感觉到低频能量过多。

如果要缓解这个问题,就需要调整250Hz这个频段在阵列各个模块之间的时间关系。如下图:

我们可以看到,上一图阵列保持不变,上二图通过调整阵列姿态将250Hz在观众席的覆盖变得更加均匀了。让4kHz和250Hz都能够在观众席获得均匀的覆盖,这要求阵列(针对这两个频段)同时呈现出两种不同的物理姿态,如果考虑到全频段的声音重放,需要阵列针对不同频段的能量呈现出不同的物理姿态,这在同一组混合线阵列中是无法实现的。

因此,EAW自适应扬声器系统在遵循菲涅尔分析原理的基础上抛弃了传统线阵列的工作模式,以垂直阵列的方式组合,并通过内部DSP处理调节每个换能器在各个频段之间的时间关系,从而在不同频段获得不同的“虚拟阵列姿态”,以此在观众席的各个位置上得到一致的音色响应。

『对于吊装位置的依赖性和系统可调节性』

当阵列的模块之间不再存在物理夹角的制约,很多问题都迎刃而解。对于传统线阵列来说,阵列吊装位置和观众席之间的关系是十分重要的,尤其是垂直位置较高的观众席,需要阵列顶部的高度尽可能地高,这样才能够将能量有效地投射过去。如果吊装条件无法满足,则需要阵列呈现出非常极端的姿态才有可能达到近似的效果。

以下两个系统仿真图模拟了10颗双10寸线阵列扬声器在同一个剧场中对三层观众席最后一排的覆盖情况(为了便于观察,阵列被设置在了剧场的中轴线上)。第一张图是阵列吊挂高度为15米,基本与第三层最后一排观众席持平,阵列物理姿态调整至如图状态后能够在三层最后一排得到令人满意的覆盖。

但在实际系统实施的过程中,吊挂高度很可能受限。因此第二张图展示了同样的阵列在吊挂高度为9米时的覆盖情况,通过调整阵列物理姿态获得了与第一张图非常接近的覆盖结果。

▲阵列吊挂高度15米,能够对3楼最后一排观众席有较好的覆盖

▲阵列吊挂高度9米,需要以非常极端的物理姿态才能够获得与吊挂15米时相似的结果

我们可以看到,为了获得较为满意的覆盖结果,传统线阵列在吊点高度不足时必须以接近极限的物理姿态来进行安装。请注意最上面2颗音箱的快插销已经出现了载荷警报,呈现红色。在实际项目中如果遇到此类情况,就不得不在吊装位置和覆盖效果之间做出妥协。

同样,如果在系统搭建和调试的过程中需要调整阵列对观众席的覆盖,需要重新计算箱体之间的夹角,然后将整组扬声器降下来,重新调整夹角后再升上去——这种十分费时费力的工作模式对于传统线阵列来说是不可避免的,也是系统工程师习以为常的事情。尽管我们可以通过前期精确的场地建模来尽量避免这种情况的出现,但是现场的情况往往是十分复杂的,系统的设定和安装往往不可能一步到位,因此一套便于进行调节的系统能够极大地提升覆盖精度,提升系统实施的工作效率。

自适应系统如何克服混合线阵列的局限性 

EAW自适应系统非常完美地解决了以上问题。得益于垂直阵列的设计和通过DSP计算来调节各个换能器在各频段时间关系的工作原理,使得自适应系统能够在不损失音质的情况下实现非常极端的覆盖。不仅如此,在自适应阵列吊装完成后,无论出于何种原因(如剧场实际落成后的观众席几何参数与设计阶段略有不同,或一个演出场地某些区域不再开放,或者仅仅需要声音覆盖躲避特定的区域等),如果需要对听音面的覆盖情况进行调整,只需要在控制软件中通过鼠标拖拽的方式进行覆盖参数的改变即可完成,高频覆盖调节的精度可高达0.5米。这极大地提升了施工和调试的效率,使得系统工程师、调音师和观众不再因为扬声器系统的原理限制或者场地条件的制约而做出妥协。

▲CCTV《典籍里的中国》录制现场,扬声器距离观众席高度约10米,通过波束控制向下做出精确覆盖

▲浙江卫视跨年演唱会,根据疫情防控要求在控制软件中调整系统的覆盖面

总的来说,EAW自适应系统利用自身高精度的物理结构和高精度的自适应算法,能够在不影响音质的情况下针对不同的频段调节换能器之间的时间关系。这种开创性的技术不仅扩展了扬声器系统可控的频率范围,有效改善了扬声器系统在观众席几何听音面上的音色一致性,还解决了传统线阵列物理姿态在系统设计、实施和调试上的制约,提升了控制精度和实施效率。EAW自适应系统突破了传统线阵列的技术极限,是友好的、面向未来的高品质扩声系统解决方案。

报道媒体:扬声器系统扩声需求 扬声器系统作为扩声系统的核心,是将声源能量放大并投射至观众席最为重要的设备。当代扩声应用分别对扬声器和扬声器系统提出了以下需求:对于扬声器而言:1.轴向和偏轴向具有一致的音色响应2

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