韓一平+孟子厚

【摘 要】 在大型消聲室內(nèi)采用掃描布點(diǎn)的方法，對(duì)一款線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的近場(chǎng)聲場(chǎng)特性進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)線陣列揚(yáng)聲器 系統(tǒng)的指向性，四分之一功率角進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)軸向聲壓級(jí)衰減進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示四分之一功率角的變化 趨勢(shì)和理論結(jié)果有差距，軸向聲壓級(jí)衰減波動(dòng)大，近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可以提供對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)和推測(cè) 的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)；指向性；近場(chǎng)特性；消聲室

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.002

Near-Filed Measurement of an Array Loudspeaker in an Anechoic Room

HAN Yi-ping， MENG Zi-hou

（Communication Acoustics Laboratory， Communication University of China， Beijing 100024， China）

【Abstract】In a large anechoic room， used the scanning method to measure the near-field acoustic characteristics of a line array loudspeaker system， including the directivity， the quarter-power angle. The on-axis responses get fitted， and the results showed that the trend of the quarter-power angle is different from the theoretical trend， and the wave of on-axis responses is fluctuating. The near-field measurement results could be considered as the basis for evaluating a line array loudspeaker system.

【Key Words】line array loudspeaker system； directivity； near-field characteristic； anechoic chamber

1 引言

關(guān)于線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的聲場(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量公開(kāi)發(fā)表的資料很少，主要原因是其體積大、質(zhì)量重，操作起來(lái)十分不便，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量往往需要遠(yuǎn)距離。目前，已給出比較詳細(xì)測(cè)量結(jié)果和分析的有JBL公司用實(shí)地地面測(cè)量法分別對(duì)兩箱陣列、四箱陣列、九箱陣列，通過(guò)改變角度、箱體位置等得到頻率響應(yīng)等。測(cè)量結(jié)果表明，隨著單元箱尺寸的增大，旁瓣數(shù)量增加，旁瓣聲壓級(jí)減小，指向性變尖銳，而且聲波干涉加強(qiáng)[1]。之后JBL還公布了對(duì)于VT4889線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的測(cè)量方法[2]：選擇地面測(cè)量法，利用MLSSA電聲分析儀，分別對(duì)不同組合的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)改變單元箱張開(kāi)角度，預(yù)測(cè)和測(cè)量了指向性及覆蓋角。Meyer Sound 公司針對(duì)曲線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，采用八邊形腳手架固定線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳聲器的方法，實(shí)地測(cè)量不同夾角的水平垂直指向性。測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)與陣列尺寸相當(dāng)時(shí)指向性開(kāi)始不明顯[3]。

對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的性能資料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)一些共同的問(wèn)題：

（1）廠商公布的產(chǎn)品參數(shù)都是針對(duì)單元箱的結(jié)果；

（2）在眾多參數(shù)中，覆蓋角和頻率響應(yīng)差別最大，不同的廠商按不同的形式說(shuō)明，并且覆蓋角沒(méi)有指明是什么頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的覆蓋角度；

（3）在已提供的參數(shù)中，很多結(jié)果是通過(guò)軟件模擬仿真得到的。

筆者在大型消聲室內(nèi)對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的近場(chǎng)聲場(chǎng)特性進(jìn)行細(xì)致測(cè)量，觀察其近場(chǎng)的輻射情況。一般線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)的作用區(qū)域是從其前方30 m左右開(kāi)始，這里的近場(chǎng)指線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)通常作用的區(qū)域之內(nèi)。

2 測(cè)量方法

2.1 被測(cè)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的組成

被測(cè)量的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)某品牌產(chǎn)品，該線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)由8個(gè)單元箱組成?？紤]到每個(gè)單元箱的頻響、指向性等不能差距太大，因此，在組陣之前要先對(duì)單元箱進(jìn)行指向性測(cè)量，測(cè)量地點(diǎn)選擇在消聲室內(nèi)進(jìn)行。

消聲室長(zhǎng)16.00 m，寬7.15 m，高6.60 m。測(cè)量所在的消聲室環(huán)境如圖1所示。

在消聲室內(nèi)使用CLIO電聲測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量信號(hào)選擇MLS偽隨機(jī)序列信號(hào)。將被測(cè)對(duì)象放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，傳聲器距離聲源中心1 m，傳聲器高度與被測(cè)對(duì)象的水平或垂直中心高度一致。由CLIO測(cè)試軟件設(shè)置MLS偽隨機(jī)序列信號(hào)，通過(guò)被測(cè)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)播放，步長(zhǎng)為3°，測(cè)量范圍是0°～360°。分別測(cè)量水平和垂直指向性。通過(guò)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，得到八組指向性圖形，其中一個(gè)單元箱的水平指向性圖和垂直指向性圖分別如圖2和圖3所示。

2.2 線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)測(cè)量

將8個(gè)單元箱豎直放置在消聲室內(nèi)一側(cè)，并組成陣列，單元箱之間夾角設(shè)置為0°。對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)在豎直方向進(jìn)行掃描式測(cè)量，測(cè)量區(qū)域?yàn)槠淝胺介L(zhǎng)12 m、寬6 m的區(qū)域，每隔0.25 m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)1 225個(gè)測(cè)量點(diǎn)。在測(cè)量點(diǎn)處將測(cè)量傳聲器放置在傳聲器架上，保持測(cè)量傳聲器高度與音箱豎直中心高度一致。測(cè)量過(guò)程中線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)和測(cè)量傳聲器的擺放設(shè)置如圖4所示。

在每次測(cè)量前對(duì)聲級(jí)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后由線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)播放粉噪信號(hào)，記錄全頻帶等效聲壓級(jí)。重復(fù)該步驟將所有測(cè)量點(diǎn)遍歷。整個(gè)測(cè)量過(guò)程保證擴(kuò)聲系統(tǒng)內(nèi)所有硬件的增益控制固定不變。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)和分析

3.1 揚(yáng)聲器陣列的近場(chǎng)聲壓分布

對(duì)已組陣的線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行等聲壓級(jí)處理，相同的聲壓級(jí)用同種顏色進(jìn)行表示，可以看出，隨著頻率升高，指向性變得尖銳。

越靠近線陣列，聲壓級(jí)分布越復(fù)雜，有明顯的交錯(cuò)。低頻的聲壓分布圖顯示能量十分聚集，中高頻的柱面波輻射特點(diǎn)十分明顯；5 000 Hz及以上頻點(diǎn)，聲壓級(jí)下降很快并且不連續(xù)，在聲壓分布圖的兩側(cè)出現(xiàn)了波瓣，并且并不對(duì)稱。該線陣列產(chǎn)品在高頻部分的能量下降快，并且指向不集中，副波瓣明顯。從250 Hz～16 000 Hz不同頻點(diǎn)的線陣列近場(chǎng)聲壓分布圖如圖5所示。

3.2 近場(chǎng)指向性

從對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)單元箱測(cè)量指向性的結(jié)果看，它們之間的指向性相差不大，不同單元箱各個(gè)頻點(diǎn)上的聲壓級(jí)上下浮動(dòng)不超過(guò)3 dB，則可以對(duì)線陣列的垂直指向性進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量。

以線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的聲源中心為中點(diǎn)，以3 m為半徑劃分圓形區(qū)域，在線陣列前方半圓區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)垂直指向性測(cè)量。測(cè)量步長(zhǎng)為3°，測(cè)量范圍0°～180°。對(duì)測(cè)量得到的聲壓級(jí)進(jìn)行歸一化處理，畫(huà)出指向性圖，此指向性圖形僅限于近場(chǎng)范圍內(nèi)，從250 Hz～16 000 Hz指向性圖如圖6所示：隨著頻率變高，線陣列系統(tǒng)垂直指向性更加明顯，并且由于副波瓣數(shù)目多、寬度大，導(dǎo)致主波瓣不明顯；其指向性圖的尖銳程度并沒(méi)有像單元音箱變化那樣顯著。

3.3 四分之一功率角

四分之一功率角（覆蓋角）指的是在主波瓣兩側(cè)，聲壓級(jí)比最大聲壓級(jí)低 6 dB 的方向之間的夾角，可以通過(guò)對(duì)線陣列的指向性測(cè)量的結(jié)果計(jì)算得到。單元箱水平方向和垂直方向的覆蓋角測(cè)量結(jié)果如表1所示。

單元箱的垂直覆蓋角，從低頻到高頻有迅速下降的趨勢(shì)，但是在16 000 Hz處卻有了略微上升；水平覆蓋角在中頻部分只有40°左右。

再來(lái)觀察線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)四分之一功率角角度測(cè)量結(jié)果，如表2所示。

線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的四分之一功率角理論值由公式得到[5]，其中f是頻率，L是線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的長(zhǎng)度。通過(guò)理論計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)，頻率增加一倍，四分之一功率角減小一半。但是理論的產(chǎn)生是基于遠(yuǎn)場(chǎng)的情況下做出的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際測(cè)量結(jié)果是特定在近場(chǎng)情況下得到，通過(guò)陣列的垂直指向性得到的四分之一功率角，從揚(yáng)聲器線陣列系統(tǒng)的指向性圖可以看出，高頻處的指向性圖形比低頻時(shí)更加尖銳，但是在聲壓級(jí)下降6 dB的過(guò)程中，曲線略顯平緩，使得聲壓級(jí)下降6 dB后形成的覆蓋角角度大。該線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的覆蓋角隨頻率變化十分不穩(wěn)定。如果改變線陣列單元箱之間的夾角也可能會(huì)得到不同的結(jié)果。

3.4 線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)近場(chǎng)軸向聲壓級(jí)

根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)軸線上的聲壓級(jí)進(jìn)行分析。將軸向上的已測(cè)數(shù)據(jù)連接，可以看出隨著距離的增加，聲壓級(jí)的趨勢(shì)是衰減，然而在衰減的過(guò)程中有一些波動(dòng)。通過(guò)對(duì)趨勢(shì)的觀察，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)衰減規(guī)律擬合，橫坐標(biāo)表示距離（軸向測(cè)點(diǎn)編號(hào)），縱坐標(biāo)表示測(cè)量的聲壓級(jí)，從125 Hz～16 000 Hz的擬合結(jié)果如圖7所示。

可以看出低頻的擬合結(jié)果很好，在所測(cè)量的范圍內(nèi)，能夠表示出衰減的趨勢(shì)，頻率越高，數(shù)據(jù)的波動(dòng)越大，擬合的效果沒(méi)有低頻的顯著，但是仍然保持對(duì)數(shù)衰減趨勢(shì)。在線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輻射過(guò)程中，一定范圍內(nèi)球面波和柱面波兩種輻射都存在，由分界距離公式可對(duì)柱面波和球面波的分界給出一個(gè)大概的距離[7]。線陣列在分界距離以內(nèi)，聲波按柱面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級(jí)衰減3 dB，在分界距離以外，聲波按球面波傳播，距離每增加一倍，聲壓級(jí)衰減6 dB。由圖7可以看出，在實(shí)際近場(chǎng)輻射范圍內(nèi)，聲壓級(jí)的衰減并沒(méi)有按照嚴(yán)格的3 dB衰減規(guī)律。由于干涉的存在導(dǎo)致衰減并不是單調(diào)的，但是隨著距離的增加，聲壓級(jí)的衰減在更遠(yuǎn)的距離上仍趨于穩(wěn)定的下降，由此推測(cè)：根據(jù)擬合的結(jié)果可以對(duì)遠(yuǎn)距離的聲場(chǎng)輻射進(jìn)行推算，為遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)提供一種可能。

4 小結(jié)

在大型消聲室內(nèi)對(duì)線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行近場(chǎng)聲壓分布特性的測(cè)量。測(cè)量分別得到了近場(chǎng)聲壓級(jí)分布圖，指向性以及四分之一功率角，并對(duì)其進(jìn)行了分析。這些聲學(xué)參數(shù)可以作為線陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)和問(wèn)題診斷的參考依據(jù)。從已測(cè)得的數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)軸向聲壓衰減變化進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合，可以看出近場(chǎng)范圍內(nèi)聲壓級(jí)衰減的規(guī)律和趨勢(shì)。

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