沈勇谈：声柱的演变与发展
时间：2023-01-17 来源：《演艺科技》 浏览量：
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介绍了声柱的基本概念、种类和指向性，重点分析了自然指向性、全指向性、恒指向性、可调可控指向性四种典型的指向特性。回顾了声柱的历史演变，展望了声柱的未来发展趋势。
声柱(Sound Column)是将一组或多组相同的扬声器单元作线状竖直排列，装在柱状箱体中，以达到预期指向性和声压级等声学指标的装置（部分声柱可附加低频扬声器单元），俗称“音柱”。常见的声柱如图1所示。目前，声柱已被广泛应用于演出场馆、影院、多功能厅、会议室、报告厅、教室、机场、火车站、博物馆、指挥中心、教堂等场合。
图1 声柱示意图[1]单只扬声器单元由于其自身额定功率和失真的限制，存在辐射声功率的上限。为了获得更高的声压级，满足远距离声辐射的需求，一种自然的想法便是将多只相同的扬声器单元组合起来，共同辐射声功率，以期能覆盖更大的范围。这样做在低频情况下非常有效，能显著提高低频辐射功率，于是出现了早期的扬声器阵列的应用，包括柱状扬声器阵列和二维平面分布的扬声器阵列，其中柱状扬声器阵列就是后来所称的“声柱”。
1930年，RCA研究实验室的I. Wolfe和L. Malter在美国声学学报上发表论文Directional Radiation of Sound，研究分析了点源、线源、曲线源、平面源的指向特性[2]，论文给出了各类声源相应的理论公式和实验结果。人们发现声柱除了可以提高辐射声功率以外，还可以使辐射的声波具有较强的指向性，这使得声柱可以用于提升高混响环境中的语言清晰度。但是，如果对声柱控制不当（例如没有针对应用场景妥善设定输入各扬声器单元的信号、各扬声器单元间距不当），声柱中的各扬声器单元会产生负面的相互干涉。
1 9 5 7 年， R C A 研究实验室的 H . F . O l s o n 著书 Acoustical Engineering综合分析了由多只相同的点声源直线排列组成的声柱，给出了理论模型和指向特性[3]。该声柱的水平方向指向性与单只扬声器单元相同，而在竖直面内即垂直方向的指向性随着频率升高而增强，即主瓣越来越窄，逐渐出现旁瓣并越来越多。 1963年，纽曼公司的Klepper和麻省理工学院的Steele提出了“理发师”螺旋形声柱[4]，通过旋转布置的扬声器单元缩短高频时声柱的有效长度以优化声柱垂直方向的指向性，如图2所示。二十世纪六七十年代，声柱产品开始流行，直到现在。
图2 “理发师”螺旋形声柱[4]
根据不同的评价指标，声柱有不同的分类，以满足不同的使用需求，如听众区的位置、演讲者的位置、有害反射面的方位等。以下从几何形状、扬声器单元的频带相位幅度等特性、功放和指向性几个方面对声柱进行分类。
1) 按扬声器单元排列形状分，声柱可分为直线形、曲线形、锯齿形、螺旋形、阶梯形等。 2) 按扬声器单元的频带分，声柱的扬声器单元可以是一组全部相同的全频扬声器单元，也可以由一组相同的中高频扬声器单元与一只或一组相同的低频扬声器单元组合而成二分频系统，也可以由一组相同的高频扬声器单元、一组相同的中频扬声器单元与一只或一组相同的低频扬声器单元组合而成三分频系统。 3) 按扬声器单元的相位特性分，声柱可分为相同的扬声器单元均为同相连接的声柱和各扬声器单元的相位均可独立调整的声柱。 4) 按输入扬声器单元的信号幅度特性分，声柱可分为输入相同的扬声器单元相同幅度驱动信号的声柱和输入相同的扬声器单元的驱动信号幅度按一定规律变化的声柱。 5) 按功率放大器的安置分，声柱可分为无源声柱和有源声柱。无源声柱是将功率放大器外置的声柱，电信号先输给功率放大器再输入无源声柱。有源声柱是将功率放大器内置的声柱，电信号可直接输给有源声柱。
6) 按声柱的指向特性分，声柱可分为固定指向性的声柱和可调可控指向性的声柱两大类。固定指向性的声柱有三种主要类型：自然指向性、全指向性和恒指向性。可调可控指向性的声柱可分为机械（物理结构）调控指向性的声柱和电子调控指向性的声柱。电子调控指向性的声柱中，采用数字信号处理技术调控声波辐射的波束方向和波束宽度，竖直安装且具有恒指向性的有源声柱称为数字波束点阵（Digit-beam Array of Points，简称DAP）。
自然指向性声柱未对每只相同的扬声器单元进行权重控制，由多只相同的扬声器单元共同辐射声波而产生自然的指向性。对于扬声器单元等距排列的直线型声柱，其垂直方向指向性是频率的函数，频率越高，主瓣越窄，旁瓣越强越复杂。 全指向性声柱对每只相同的扬声器单元进行权重控制，使得声柱具有全指向性特征。声柱的垂直方向指向性和单只扬声器单元的指向性相同。全指向性声柱包括：Bessel型、sinc型、二次剩余序列型等。 1983年，Philips公司在第73届欧洲AES会议上介绍了一种Bessel函数阵的概念[5]。电路控制图如图3所示。 1990年，DBK Associates公司的D. B. Keele Jr. 提出了源强按照Bessel函数分布来设置各扬声器单元的声压辐射强度，从而改善声柱辐射声场的均匀特性[6]。 2004年，南京大学的江超和沈勇提出了源强按照sinc函数分布来设置各扬声器单元的声压辐射强度，从而在提高声场均匀程度的同时也改善了其相位特性[7]。 2009年，南京大学的沈勇和江超获得了“利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法及装置”专利授权。该专利按照二次剩余序列的比例关系调整各扬声器单元的信号延时和相位大小，以提高声场均匀程度，从而使得声柱指向的均匀性得到明显改进[8]。 恒指向性声柱是在宽频带内声柱的垂直方向指向性不随频率变化的声柱。“宽频带”目前没有统一规定，一般为中频区至少1～2个倍频程（如1?2 kHz，1?4 kHz）。“指向性不随频率变化”目前没有统一规定，可简化为：在指定的频率范围（“宽频带”）内，1)覆盖角（主瓣波束宽度）变化不超过某一限值；2）主瓣的幅度与最大旁瓣的幅度之差大于某一限值（如10 dB）。1963年，纽曼公司的Klepper提出了声柱恒指向性的概念[4]。
1996年，Delft理工大学地震与声学实验室的Menno van der Wal等人提出了结合升余弦函数的阵元权重和对数的扬声器单元间距实现恒指向性[9]。 2000年，DBK Associates公司的D. B. Keele Jr. 提出了名为CBT（Constant-Beamwidth Transducer）的弧线形扬声器阵列[10]，如图4所示，该阵列表面声速满足勒让德函数分布，高于截止频率的指向性和波束宽度恒定，并且随距离的变化几乎不变。
图4 不同阶数、角度的弧线形CBT声柱示意图[10]2002年，DBK Associates公司的D. B. Keele Jr.利用延时技术，提出了延时直线型CBT声柱[11] ，如图5所示。
图5 延时直线型CBT 声柱示意图[12]
2015 年，南京大学冯雪磊、沈勇等人根据恒指向性阵列的特点，提出了可以实现任意指向性的多重恒指向性阵列，即Multi-CBT阵列。能实现利用与频率无关的阵元权重实现任意指向性，并且在宽频率范围内指向性不随频率变化[13]。Multi-CBT阵列可用于大型观演空间，针对空间布局采用特定的指向性，实现在观众席范围内不同位置都有一致的听觉体验。 可调可控指向性声柱是在宽频带内声柱的垂直方向指向性可调可控的声柱。其垂直方向指向性用垂直偏转角和垂直覆盖角等技术指标描述。可调可控指向性声柱包括主瓣不可偏转但垂直覆盖角可调控的声柱、主瓣可偏转且在偏转角可调控的同时垂直覆盖角也可调控的声柱。可调可控指向性声柱采用机械方式，或者波场合成、声压匹配、模态匹配、声对比度控制等电子方式，调控各扬声器单元通道的滤波器系数或扬声器单元权重，在宽频带内实现特定的垂直指向性或声场控制目标。其中，“宽频带”没有统一的规定，一般为中频区至少1～2个倍频程；“特定的垂直指向性或声场控制目标”没有统一规定，一般根据应用场景的需求确定。 广义的理解为可调可控指向性声柱可以实现各种指向特性，包括：自然指向性、全指向性、恒指向性和期望的指向性等。 最原始的机械调控指向性声柱是通过机械调节声柱俯仰角度的方式使得声柱倾斜，其主轴指向听众区。但这种方法外观难看，与装饰环境很不协调。 Bose公司出品了一款不必倾斜的机械调控指向性声柱，前障板可以通过手动调节角度，实现垂直指向性可调。该产品提供了四种指向性模式，分别是直线模式、倒J模式、J模式和C模式，如图6所示，不同的模式有不同的适用场景，可以根据不同的舞台的和观众位置进行调节。
图6 4种机械调控指向性示意图[14]
1994年，Peutz & Associes公司的van der Werff [15]提出了可在较大的高混响环境中，通过声柱的长度控制垂直覆盖角，源密度控制旁瓣，源大小控制水平波束宽度，使用频率相关的阵元权重和时延得到两个波瓣，以实现独立于频率的覆盖角和可接受的旁瓣，提高直达声与混响声之比（3～5 dB），改善语言清晰度。 1994年，Duran Audio公司的de Veries等人[16]提出了一种针对等间距直线阵列的数字控制单元（DCA），该单元使用DSP技术控制各扬声器单元的振幅和相位，可以实现与频率无关的指向性并且波束宽度可控。de Veries 等人分析了DCA的基本结构和要求，DCA由背板、电源、输入模块延迟控制单元和输出通道构成，需要满足一定的频域带宽和时域分辨率条件，滤波器需要有相对恒定的群延时。 2001年，Duran Audio 公司的E.W. Start.和G.W.J. van Beuningen [17]使用对数间距阵列这一概念引入了数字指向性合成技术，该技术使用了有限长脉冲响应滤波器对扬声器阵列进行波束控制，其核心在于针对目标声场使用最优化算法对各扬声器单元附加的滤波器进行求解。 2021年，南京琅声声学科技有限公司提出了数字波束点阵（DAP）的概念，并将低延时数字信号处理模块、功率放大器、一组或多组扬声器单元内置于竖直安装的柱状箱体，通过新一代优化算法技术调整声波辐射的波束方向和波束宽度，从而可以同时调控声柱的垂直偏转角和垂直覆盖角（即主瓣可偏转且在垂直偏转角可调控的同时，垂直覆盖角也可调控），并具有恒指向性。数字波束点阵（DAP）具有以下特征：1）采用数字信号处理技术调控有源声柱的指向性以实现特定的声场控制目标；2）竖直安装的有源声柱在垂直方向具有恒指向性，波束方向和波束宽度可以用赋值（输入数字）的简单方法进行设定，从而同时调控声柱的垂直偏转角和垂直覆盖角；3）声柱具有一组或多组相同的扬声器单元，形成点阵。与其他指向性调控技术相比，数字波束点阵具有以下优势：1）采用了电子调控指向性技术且竖直安装，相较于倾斜安装等机械调控指向性技术，可以实现更为丰富和灵活的指向性调控，且外观易于融入装饰；2）具有恒指向性；3）配合计算机辅助设计软件，工程师可以很容易地调控声柱的波束方向和波束宽度，优化声场分布，提高安装调试效率；4）集成度高，可靠性高且便捷易用；相较于无源声柱，避免了因现场长距离布线、接插件、安装等带来的不稳定性。
近年来“声柱”（音柱）等词语大量使用，如：阵列声柱、线性阵列声柱、声柱扬声器、电子相控阵列扬声器、相控阵声柱、可控指向性声柱、有源“指向性可控”音柱、可调指向性音柱、数控有源可变指向性音柱、可调指向性阵列音柱、线阵列音柱扬声器、阵列音柱扬声器、数字指向性阵列音柱、线性阵列音柱、线性音柱音箱、无源音柱阵列扬声器……术语使用繁多且混乱，很有必要规范术语。“声”与“音”的含义有一定区别。“声”泛指一切声音；“音”特指各种有秩序、有条理、有组织的声音。《礼记·乐记》：“声成文，谓之音”。故“声柱”一词更为贴切。声柱的研究从1930年起，迄今已有近百年历史。从二十世纪三十年代至六十年代，主要研究声柱的自然指向性。研究人员认识到声柱可以提高辐射声功率，并具有较强的指向性，推导出了离散点声源的指向性计算公式，分析得出在低频时声柱具有全指向性，随着频率的升高，指向性越来越强，并出现旁瓣。从二十世纪六十年代中期至九十年代中期，声柱产品开始流行。人们充分利用声柱的指向性实现向特定区域辐射声波。为了展宽垂直方向的中高频覆盖角，人们用改变声柱形状的几何方法或以牺牲效率为代价优化各扬声器单元的输入权重等方法。非常重要的是提出了恒指向性概念，并且有相应的产品诞生。从二十世纪九十年代至今，研发人员从研究声柱主瓣不偏转情况下的全指向性、固定覆盖角的恒指向性，进展到研究可调可控指向性，特别是声柱的主瓣可以偏转、覆盖角也可以调控的情况，并推出了丰富多样的产品。目前，指向性可调可控的声柱已得到普遍应用，机械调控逐步过渡为电子调控，而在电子调控声柱中数字波束点阵（DAP）因技术指标、安装调试效率、集成度和环境谐和度都比较高，渐成发展趋势。另外，关于声柱、扬声器线阵列、扬声器阵列的名词术语也容易混淆。广义的扬声器阵列是指按照某种方式排列的一组扬声器，可以是一维排列，也可以二维排列，甚至是三维排列。扬声器线阵列是阵元呈线状排列的扬声器阵列，且在声学技术方面具有连续声源特征。而声柱是将一组或多组相同的扬声器单元作线状竖直排列，装在柱状箱体中，以获得预期指向性和声压级等声学指标的装置，且在声学技术方面具有离散声源特征。通常，声柱内辐射中高频的扬声器单元直接向空气辐射；扬声器线阵列内辐射中高频的扬声器单元通过物理结构形成线声源间接向空气辐射；声柱中可以另外配置低频扬声器单元；扬声器线阵列中一般都配置若干低频扬声器单元（箱）和中低频扬声器单元；声柱体型较小，由若干扬声器单元组成；扬声器线阵列体积较大，由若干扬声器系统（音箱）组成。声柱产品已大量投放市场，而研究仍在继续深入推进，专家学者和工程技术人员不断提出先进技术以优化声柱的性能，特别是在波束控制、波场合成、扩声重放、啸叫抑制等方面。可以预见，声柱将涌现越来越多的先进技术和优秀的产品并得到更加广泛的应用。与此同时，很有必要制定相关标准，规范相关名词术语、技术参数。 选自 《演艺科技》2022年第三期 沈 勇《声柱的演变与发展》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
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