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2020年文旅部戏曲艺术人才培养项目高级研修班-舞美班精品课程节选:《扩声系统的基本特性和优化》—李刚

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国家人才培养重点项目:2020年文化和旅游部戏曲艺术人才培养项目高级研修班(第五期),由中华人民共和国文化和旅游部主办,文旅部艺术司、中国戏曲学院承办。

2020年高研班舞美班(第五期)的教学方向为舞美设计创作理论、音响设计、影像多媒体设计。

学期:2020年7月至2021年7月

课程设置:围绕着戏曲艺术的创作,分析优秀音响设计、影像多媒体设计在戏曲创作中的优秀案例,结合当今音视频创作理论与体现,探索戏曲舞美传承与创新的学术研究方法。

教学理念:本届高研班舞美班教师团队将紧扣时代发展,将舞美艺术创作最新的理念和技术融入进来,结合当今最前沿的音视频技术和创作方法,展开本次第五期高研班舞美班的序幕。

教学模式:采取线上教学与远程实践相结合方式开展。

授课专家介绍


李刚

舞美总监

中国演出行业协会会员

高级舞台音响师

中国演出行业协会会员


主要经历:

1998年7月毕业于中国传媒大学(工学院);

1998年9月~2006年12月,就职于中央电视台(CCTV)技术中心音频部;

2006年12月~2014年2月:北京天韵星光文化公司 工程技术总监,副总经理;

2014年2月~2016年1月 美国 访学

2016年1月至今:

从业二十年以来,设计、制作了数百场次的各种形式活动的音频系统及工程方案;担任过数百场次各类演出的制作经理;有上千场次各类大型活动、晚会、演唱会、音乐会等各种类活动丰富的制作经验。

2000、2004年央视春节联欢晚会一号演播大厅音响系统设计及施工;

1999~2000年600平米、1000平米播室音响系统设计;

2009年国庆六十周年联欢晚会 音响总设计 以及协调、统筹和指挥工作;

2005年中央电视台音频转播车系统设计、工程监理,5.1声道音频车系统设计;

2004年参与设计“印象西湖”音响方案及西湖景区声学环境测试工作;

2010~2011年 深圳华侨城大峡谷 参与音响系统设计及工程实施、调试;

2010年国际那达慕大会开幕式制作总监;

2011~2012 汪峰 巡演 制作总监;

2010~2013 羽泉 圣诞演唱会 及 巡演 制作总监;

2012 杨坤 演唱会 巡演  制作总监;

2013年Justin Bieber(贾斯汀 比伯)中国巡演中方制作总监(北京/大连);

2016年 莎拉布莱曼 中国巡演 制作总监;

2016~2019 VITAS 中国巡演 制作总监;

2016~2020李玉刚 个唱巡演 制作总监;

“再回相府”:“再回大雁塔”、“再回长安”、“天秀天水”、乾坤湾文旅项目“黄河魂中国梦”,龙庆峡“龙秀”等实景、文旅项目 音响设计

曾发表《专业扩声音箱阵列特性》、《音响系统噪声及处理方法》等专业论文;

授课内容

《阵列音箱的耦合特性及优化》

主持人宝月:

大家好,今天授课的李刚老师给大家带来的课程题目是《阵列音箱的耦合特性及优化》老师将从系统优化方向、阵列音箱的耦合特性,低频阵列的特性和应用这几个方面,进行主要的介绍和讨论。下面我们欢迎李刚老师!

扩声系统的优化

一、应该清晰掌握的事

1、舞台监听

音响从业者服务于舞台中的乐手、歌手,需要掌握他们的需求并满足,才能正确地传达和表达舞台上的内容。

例如一个歌手,他需要听到自己的声音、节奏、旋律、混响以及环境声。即便每个歌手具有差异性,但对最基本的需求应有一个准确的认识。

例如舞蹈演员,对不同音乐的表达。在于歌手、乐手、舞蹈演员或其他形式的混合模式下,怎么去满足不同表演者的需求,掌握这样的舞台监听,才能称为真正的音响师。

2、反平方律

从声源到听者,距离增加⼀倍,声功率被削减为声源功率的1/4,(也就是说传播距离每增大一倍,声压级就减少6dB)

举例来说,如果扩声系统最初是设计覆盖一个6米到30⽶范围的观众区域,但现在观众区域扩大到30 至60米的范围,需要增加4倍多的功率才能保持大致相同的声功率。

上图为反平方律图示,声音的能量随距离增加密度被削弱)

3、人耳听觉听觉等响度曲线

早在20世纪30年代,哈维弗莱彻 (Harvey Fletcher)和他的团队在贝尔实验室(Bell Labs)经过一系列测试得到了该曲线。“它的意思是,相比低频和高频, 人⽿听觉对中间频段最为敏感。

人耳在听到40dB 1000HZ时,需要60dB 100HZ才能使人耳听到的音量相等。

换句话说,如果听到一个100hz的声音和一个3.5khz的声音具有同样的响度,那么100hz声音的声压要比3.5khz的高15dB。要想得到一个完美的,充分均衡的声场,需要的不仅是不同频段的扩声设备,还得有一个精心设计的低音系统,以及一个能够处理不同现场的大脑。这正是因为中频段很容易占据人耳的听阈,如果再有失真,特别是在中频,会很影响质量。

4、失真是一件很糟糕的事

比较常见的是谐波失真,对于系统并没有什么危害,可能是因为声音信号经过了系统链路里的非线性部分。比如说放大器、功放、处理器,工作在非线性的状态,给他输入250HZ的正弦波,它产生的信号除了250HZ正弦波以外,还出现500HZ、750HZ等若干谐波成分。除⾮它是⾳效的一部分,一些看起来正在工作的扩声系统,却没有注意到系统中已经相当大的失真。在消除失真的第一步是要了解原因,从音源到末级的增益链的各个环节,以至于各单元器件都有可能导致失真。要学会如何听取和识别失真并根据情况做出正确处理。

造成最大危害的是削波失真(上图),在发生系统超载时出现。

图中A图代表一个正弦波,当幅度超过A图的系统处理动态范围时,就会被设备削波,正弦波变为B图的梯形波,梯形波易烧毁高音单元。B图信号从0节点上升到峰值,需要的时间△T2远小于正弦波升到最大值△T1。梯形波音箱单元用很短的时间从0位移到峰值,并且处在直流状态,因为直流的加载,会造成机械损伤和音圈发热。

5、相位处理

同音源发出的声音经过不同的传输路径(直达声、反射声)到达某一点会因为相位差异及声波的相干性,也许会增益形成“峰”,或削减形成“谷”,甚至完全抵消。例如,若某一空间存在低频驻波,那某些特定频率可能会衰减,或完全抵消,或数倍增大。这就是为什么我们在真正了解一个空间之前,要采⽤多种⽅方式的测试去了解它的低频响应。


将超低放在平台上,对于有距离音箱较近的观众的情况不太适合。)

如图直达声5米,反射声6.7米,这种情况会造成直达声和反射声存在路径差,造成镜像反射,距离5米的情况,两者正好反向抵消。

将超低放在地面上能增加6dB的增益。提高设备及人身安全。

6、接地

在音响系统中,如果存在一个以上的接地路径,由于不同接地点的接地电阻不同,系统会因为不同接地点之间的噪声压降而引⼊噪声;交流声,嗡声或低频哼声。与此相关的是如何完成系统连接,特别是在系统中的各部分从平衡信号到非平衡信号之间的回路。不同类型的噪声具有不同的“声波签名”,通过对不同噪声原由的学习可以提⾼对系统故障的判断,并具备快速处理问题的能力。这是因为某些类型的嗡嗡声的不相关的接地问题,也许是电源的问题,也许是⾮平衡乐器或音源接入问题等。

7、增益结构

前级设备是音频电路中最薄弱的环节,例如调节输入信号大小,送入到低切、均衡、压缩等插件中,包括通道推子等,都是在对增益结构进行调整。输入信号、动态范围,通道的动态空间,且能满足通道收到声音的最大信噪比,都会影响信号汇集到输出母线时,为输出母线、master、编组、辅助插件设备预留的动态空间,以及后级,功放,音箱,都涉及到增益结构,让系统工作处在不失真的情况,并且有着最合理、最大信噪比,最大动态空间,最大冗余度的状态。

如果不能正确地处理增益,系统将会引入更大的噪声或失真,而且会引起低电平回授。


每个输⼊接口,每个设备,每个处理都有最合适的工作电平范围,如果获得的输出的信号电平太低,则必须解决这件事,因为噪声会因增益结构不良而显得更为突出,并被放大及叠加。


我们应该用最好的增益电平来处理系统信号而不使用降噪设备,这才是最好的方式。

二、系统优化过程中的问题的讨论。

在做一场演出之前,要做系统设置、系统设计、现场考察、设备器材搭建,信号配接。在这之中,调试是我们最看重的环节,在调试的过程中,会尝试相位、粉噪、电平的矫正、延时设置、频谱、相位,Hello one-ci的调试方式都是处理音响过程中的实时分析。通过对自己发声点的清晰认识,通过耳朵的反馈链路对系统进行矫正。

借助实时分析软件,做的是同样的工作。

在调试前我们需要熟知的概念

1、极性与相位

极性与相位是很容易易混淆的两个概念;有些情况下,我们可以⽤用极性的切换来解决相位的问题,有时候则不能,甚⾄会引来更多的相位问题。

极性和相位的区别:

①极性问题:极性只有两种可能,或正向,或反向。极性是不会随着频率的变化⽽改变的。如果不是因为某条线正负极反了,或是在调音台或处理器上人为的加入极性翻转,极性是不会因为频响,增益结构,或⾳音箱的数量或堆叠方式⽽改变。

极性是波的一个特征,相对于静态声压,正极性代表声压的正值,⽽反极性表示声压的负值。

(↑极性相反,一个正向波一个反向波)

极性相反,无论正向、反向,每一时刻的幅值是对应的。

相位相反会因距离和时间差,导致幅值不同。

最为常见就是调音台或话放或某些信号处理器上的极性切换开关。其主要作用就是将通道输入信号、话筒输入信号或母线输出信号进行极性反转。

极性反转的应用:军鼓上下拾音方式。可以加入极性切换来试一下:在打击军鼓时对两个话筒的空气压力相反,对上话筒正向压力的同时对于下话筒为负向压力。意味着两支话筒收到的信号的极性相反。这时候可以用极性切换开关将一个话筒作极性反转,能获得两支话筒增益的正相叠加,可以使声音饱满,增益变大;也可能无效或不明显,因为两个话筒到发声点的距离、话筒的特性等因素也会对相位带来影响。

扩声音箱和舞台监听音箱:舞台返送和主扩音箱方向相反,往往能量⽅向相反,极性相反。再叠加空间位置不不同引⼊的相位问题,可能会造成⼀些能量抵消,可以对舞台监听音箱做极性反转。

②相位问题:在音频领域,相位是指,某一连续系统或周期信号与固定参考点或另一个系统在时域内的关系,它们之间可能是同步的,或者是不同步得。相位是一个连续性的角度值。

这意味着相位描述了时间差。我们并不关⼼某个单⼀音频信号和固定时间参考之间的时间差,因为这样的时间差不是可听⻅的,⽽是两个信号之间的时间差,例如两个不同的麦克风拾取的信号,或者两组音箱发出的声音。

两个信号同向,叠加信号幅度会增大,如果为反向,则会被抵消,将信号如上图加入延时,那么两者叠加信号会增大。

2、 相位对齐

相位校正的目的是为了让工作在不同频段的音箱或不同位置的⾳箱在时域上对齐,获得最大的声压增益,避免或消除因为相位不同而产生的频率抵消。如对齐不充分可能出现梳状滤波,振动频率相同、相差恒定的叫做相干性。

当两个波彼此相互干涉时,因为相位的差异,会造成相长干涉或相消干涉。相长相干就是两同频率波相互叠加增大,也称为建设性相干;两同频率波相互叠加减弱甚至抵消,就是相消干涉,也称为破坏性相干。

在实际操作中,我们利⽤实时分析软件测出不同音箱的相位响应曲线,并通过延时的办法,使得不同音箱的相位响应曲线尽可能重合或接近。有的时候能够获得很好的重合,但许多时候只能部分重合,即便如此,与没有做任何相位校正的系统相⽐比,这也会为系统带来相当的改善。

相位矫正测试:测试点选择在音箱组和其所覆盖区域的最远端之间的中点,或者三等分原则,即:测试点设置在整个音箱覆盖区域纵深的1/3~2/3的范围内。当然,也可以选择你认为应该获得良好相位关系的位置作为测试地点,⽐如:领导席、VIP,或者是音控台。


测试话筒:确认测试话筒周围没有物体会引⼊入反射声,这将会干扰相位响应。相位测试时,最容易易犯的错误就是把测试话筒⾼高地架在话筒架上,这种情况下,地面反射声很容易破坏相位响应的真实性,所以我选择把话筒放在地上。

测试中会获得频率响应和相位响应两条曲线。在整个工作频段范围内将全频和超低地相位对齐,是不现实的。⼀种⽅便有效的办法是选择合适的频段,让超低和全频在这⼀频段内相位对齐,并使这⼀效果在尽可能大的听众区域有效。较为有效和简便的相位校正方法是采用“scaled-down measurements”方法确定相位对齐的频率范围,我称它为“窗口”频段相位对齐。

(上图)蓝色为全频音箱的相位响应曲线。绿色为另外一组音箱的相位响应曲线。如何判别在哪个范围将其相位对齐?将两图叠加

(下图)们把这两张图叠加,从30Hz到150Hz相位差异大,在实际工作中无法全部对齐。

如何确定一个全频+低音系统的“窗口”频段?

当喇叭单元尺寸越大,它所发出声音的低频下限越低,反之,喇叭单元尺寸越小,那它所发出声音的频率上限越高。

例如,某系统,超低单元为18吋,工作频段:下限频率f0=30hz, 上线频率 f1=100hz;全频音箱的低音单元为12吋, 工作频段的下限频率为:f2=48hz。

我们用低音单元的尺⼨除以全频的低音单元尺寸,即:18”÷12”= 1.5。

这⼀数值就是窗口频段的缩放系数。用这一系数乘以音箱的工作频率范围,我们会得到:

全频下限频率f2 x1.5=48hz x1.5=72hz

超低下限频率f0 x1.5=30hz x1.5=45hz

超低上限频率f1 x1.5=100hz x1.5=150hz

我们确定“窗口”频段为:45~150hz,其中72~100hz范围应该做到良好的相位对齐,这个区间往往就是分频点所在的频段。

72-100hz范围尽可能做到相位对齐原因在于这个频道对齐交越频率落在频段范围内,超低和全频的电平足够大。

这个确定相位对齐频率范围的经验方法适用于任何类型音箱的全频和超低。这样就可以集中精⼒于一个相对比较具体的频带范围进⾏相位对齐的调整。

现在,可以开始相位响应的测试。测试时,要确定只是一侧的全频和超低处于测试状态,另⼀侧应当被关闭。对于对称系统,完全可以⽤“复制”的办法来设置另一侧,或者是分别测试和调整。

⾸先,给全频和超低都加一个等量的预延时:10ms,这个预延时也可以是20ms,30ms或任何你认为合适的量,目的是为了在需要做延时量减⼩时有一个基础值,当然,这一预延时在相位调整结束后可以剔除。

校准延时:只开启全频音箱(以全频音箱为基准),送入粉噪,利用脉冲响应测试,可以获得参考信号和测试话筒拾取的信号的时延差,将这⼀时延差作为延时量加到参考信号上,使得参考信号和测试信号同步。

然后,将全频和超低都打开进行测试,将获得的频率响应曲线和相位曲线保存下来。通过响应曲线,我们可以观察到,在“窗口”频段,有一些频率抵消,这是我们需要改善的;可以看出响应曲线有两次相位陡变,全频和超低的到达时间不同,存在相位差异。

上面为频率响应下面为相位响应,在100hz-150hz有凹陷,50hz到200hz有两次跳变。是我们要处理的位置。

将超低关闭,只保留全频进⾏测试,我们就能获得全频音箱的响应曲线并将它保存下来,如下图。

下一步,打开超低,关闭全频,与全频音箱的测试过程一样,我们对低频音箱进⾏测试,这样,我们就获得超低的响应曲线,如下图。

现在,我们可以对比全频音箱和超低音箱的响应曲线,如下图。

48hz-150hz频段范围内相位差异较大。

在这个例子中,我们是以全频音箱为基准点进行相位校正。而且,低频音箱相对位置靠前一些,传输路径也相对较短。我们给低频音箱逐渐的减⼩延时,使得两组音箱相位逐步对齐。最终延时间被确定为3.64ms。

在超低和全频的空间位置差异⽐较⼩,结合“窗口”频段所显示出超低的相位响应,结合超低音箱响应速度慢的特点,我们选择减⼩小超低的延时量的方式。当把超低的延时量从10ms逐渐减低,我们可以观察到频段内超低和全频的相位曲线逐渐贴近,某些频点重合,最后,延时量被确定在6.36ms。

最后,我们需要将之前所加在系统中的10ms预延时剔除。

10ms–6.36ms=3.64ms

因此,按照最⼩延时量的原则,超低的延时为0ms,全频的延时量为3.64ms。

如果在系统中设定了一个正确的延时量,超低和全频将会避免相位冲突而同相结合,频率响应也将获得改善,当然,这⼀结果也能在响应曲线中看到。

遵循最⼩延时量的原则。

旦最终的延时量被确定下来并被设置在系统中,⽽且,各频段的增益结构被确定,那么,不需要均衡器的处理,此时系统应该工作的很不错。

3、低频与全频的增益关系

上图红色曲线代表低频音箱,蓝色曲线代表全频音箱的低频段。两者在100hz叠加。全频和超低的增益结构发生变化时,⽐如,超低增益提高时,全频和超低的分频点(交越频率)也会上移,频率交叠区域变大,响应也会发生变化。

增加超低量时,发现声音不好听,声音变浑浊不清晰。超低增大后与全频关系发生改变,引起梳状滤波,破坏性干涉等问题。有两种办法解决。

调整衰减斜率

调整拐点频率

如果系统增益结构已经相对固定,超低和全频的比例相对固定时,用推子来控制超低的量,不要超过±3Db。根据实际情况选择两种方法。实时分析软件能够提供给你很大的帮助,通过观察RTA上的曲线,能够帮助你校正各频段间的增益结构,对于增益结构的调整,不要使用均衡器,而应该使用系统末端的处理器或者是功放内自带的DSP处理器去修正频段增益。而且,不要在意某些频率点或高或低的瑕疵,把注意⼒放在Full Range和SUB的频段关系和增益结构上。

当设定好合适的频段比例和正确的LPF和HPF的拐点频率,获得更好的频段增益关系,避免较多的超低与全频间的频率交叉。最后的均衡器的调整才能体现真实的作用。

4、系统均衡的原则

均衡器可能是系统工程师接触最多,使用最广的设备,甚⾄,许多音响师将均衡器奉为音响制胜的“法宝”,在系统调试时,花在系统均衡上的时间恐怕也是最多的。

系统均衡的原则是:

能够使用末级处理器解决,就不在均衡器上解决;

能够选择参数均衡器,就不用图示均衡器;

能在通道均衡上调整,就不在系统均衡上调整。

5、音响系统优化

房间均衡器的使用,当然是为了获得更好的空间频率响应。但是,当使用多点大幅度调整均衡的办法来完善系统的同时,别忘了,这同时也引入了时域响应差,让声音的时域响应变得不“完美”。

系统幅频的任何变化都会对相位响应产生影响。

例:这条蓝色曲线,上面是频率响应,下面是相位响应

当我在5khz处做了一个带宽为0.24OCT倍频程(4.5k~6.3k),9db的增益

绿色曲线5k位置幅度明显上升。那就是说,我们在调整EQ时,相位响应也会发生改变。同时,相位响应曲线也发生了了变化。

在高频位置尚且如此,在低频段,这个变化会影响会更大,听感上也会更明显。

6、系统均衡原则

均衡器的每一个频点的调整,都相当于在系统中加入了一个带通滤波器。以图示均衡器为例,它相当于若干带通滤波器并联,对任一频点的调整,都会引起相应频点的相位相应的变化,也会改变相邻频点间交叉频点和交叉区域的变化,在均衡器上调整的频点越多,这样的影响就越复杂,在中低频段更为明显。所以,要明白“少”即是“多”。越少的频点调整,越少的增益量调整,越能获得好的系统均衡。总之,使用最少的频点调整来均衡系统。

例如,如果系统中某⼀频段电平较高,往往有人会在图示均衡器上将该频段相邻的几个推子都做衰减,这样的处理恐怕会很糟糕,频响曲线可能会变的“好看了”,但声音可能并不好听,甚至更糟。在使用图示均衡时,要谨记:即便是大幅度的调整一个频点也好过⼩小幅度的调整相邻的若干频点。

如图所示,150~350hz频段之间有3dB以上的隆起,正确的处理⽅方式是将250hz做一个幅度稍大的衰减(左图),而不是将此区间各频点逐个衰减(右图)。这样处理,均衡器对系统相位响应的影响相对要小许多,而频率响应的问题会因为相位响应的改善而被弱化。更好的处理办法是:在系统处理器上设置合适的中心频率,Q值和带宽,对这一频段进行调整。系统处理器对于相位变化的影响相对与图示均衡是有限的,被影响的频点也要比图示均衡少许多。尤其是低频段,影响更大更明显。

⼈耳对于时域误差的敏感度要高于对于频域误差的敏感度。

换言之,人的听觉对相位响应的变化更敏感,而且,人耳对低频段的相位响应比高频段更敏感。

⼈耳有遮蔽效应;

⼤多情况下,难听的声音是因为时域问题,⽽⾮频域缺陷。

事实上,好的系统的响应并不是无限的追求频响曲线趋于“平坦”,所谓好的系统就是“够好就行”。

7、线阵列音箱得耦合特性

点声源的投射是一个球面波,距离每增大一倍,投射范围增加4倍,声压级衰减6dB。如果把点声源纵向叠加,能获得线状声源,投射变为柱面波,距离每增大一倍,投射范围增加1倍,声压级衰减3dB。

线阵列由纵向扩散角很小的点声源构成。

点声源的发声方式:

在红点处收听垂直阵列的声音,距离中间音箱最近,两边逐渐变远。当距离增大了4分之一波长时(从中间数第四只),声音叠加特点如下图。红色为直达声,黄色为增加4分之一波长音箱,紫色为增加2分之一波长音箱,声音反向抵消。4分之一和2分之一音箱我们将它称为90度和180度相位切换范围。

4分之一波长为溅射性,4分之一波长以外为波怀性,所以将4分之一波长以内的音箱称为线阵列有效阵列长度。

声速:c = 340m/s

下图中距离:8m

频率:f=100hz, 波⻓长:λ=3.4m 1/4λ=0.85m

频率:f=1khz, 波⻓长:λ=0.34m 1/4λ=0.085m=8.5cm

上图蓝线代表100hz4分之一波长覆盖的音箱范围,绿线代表半径增加8.5cm范围内音箱,对1000hz而言只有中间4只音箱为建设性的。

阵列越长耦合造成的影响越明显。

下图将听音位置移动到32米,整个阵列对于100hz都有建设性作用,对于1000hz有效程度并没有增加太多。

下图,为对4m、8m、16m、32m、64m分别对100hz、1000hz和10khz做测算,包括对弧形阵列、J型阵列也做了计算和模拟。

下图为J形阵列有效长度变化规律。无论在远场中场近场,低频较高频更多,一般以1khz作为阵列耦合的基准点。

阵列的处理方式:

L-ACOUSTICS:ARRAY MORHPIN插件

Wavefront Sculpture Technology(WST System)波阵面塑性技术

ARRAY MORHPING 阵列塑形

基于wst波阵面塑性技术,LA的阵列管理软件上有array morphing阵列塑形功能选项。

对低频做衰减,使整个频段听起来更均衡。解决阵列耦合造成的不均衡。

JBL: LACP-Line Array Control Panel ARRAY SIZE COMPENSATION做阵列补偿的软件模块,根据阵列的增减可以做高频和低频的补足和提升。

ADAMSON: X-Tilt Overlays  Array Shaping Overlay

X-Tilt阵列整形覆盖允许用户以1分贝的步长向其系统应用倾斜均衡器曲线,最高可达+/-3分贝。 倾斜-dB和-1-2-dB⽂文件夹中包含-dB-1-X-dB。这些值指的是高频变化。例如,如果你想要一个⾮常温暖的曲线,低频多3分贝,⾼频少3分贝,你可以加上-1分⻉贝和-2分贝叠加。为了获得一个⾮常明亮的曲线,⾼频时增加3dB,低频时减少3dB, 需要添加+1dB和+2dB叠加。

Short Array

Medium Array

Large Array

Large Array (More than 12 enclosures)

D&B: CPL HFC

在黄框中可一看到一条低频曲线和高频曲线。可以通过阵列耦合的调校,和高频增益的控制来修正整个阵列的相映特性。

8、低频音箱阵列的特点

低音扬声器所发出的声音信号的波长比低音单元的物理尺寸大许多。比如63赫兹音频的波长是5.4米(声速340米/秒),这个尺寸远大于低音单元18寸甚至是21寸的尺寸。因此,低频长波长声音信号更容易形成声波的绕射而向各个方向扩散。由此,我们经常把低音描述成非定向的、或无方向性的。实际上,低音只是低频音,它与其他频率的声音遵循相同的规则。在这些规则中,所有维度都与波长成比例。有些情况下真的很难相信一个大的低音音箱在其工作范围内实际上是无方向性的,但在“纯粹条件”下,它的确是无方向性的。所谓“纯粹条件”是指:

A)单一的低频音箱本身,而不是堆叠或悬挂的低频音箱阵列组;

B)这一低频音箱有足够的不失真动态空间,以确保不出现某些失真谐波的指向型掩盖了音箱真实的方向特性。

当一组低频音箱堆叠成一个尺寸足够大的阵列时,整个低音阵列的方向性因音箱个体间的相互作用的影响便表现出来。有时这些影响是建设性的,有时是破坏性的。决定这种影响的因素是低频音箱阵列的堆叠形状、音箱数量以及加载到各个音箱上的功率。

此外,相邻的两个或多个低音音箱阵列(例如,舞台两侧都有一个低音阵列),它们之间的相互作用具有强大的方向效应。

下图为最经典、最常见的舞台左/右低音音箱堆叠阵列。这种方式最为常用的原因无外乎:设置简单、安装方便、不影响观众舞台视 线、容易处理与主扩声全频音箱的关系等。

上图显示了这样的阵列的低音覆盖是一种瓣块状的,并且有相当多的声音向后辐射。实际上,阵列正面的能量要多于后面的能量。很明显,这种低音布局很容易出现“管道效应”或称作“能量管道”效应,这一效应带来的峰、谷之间的能量差异高达10dB,甚至更高。

例子中,舞台宽度18米,两侧低音堆叠阵列。12只,6只/侧,三种不同的堆叠方式,效果相似。在一个具备反射条件的空间或室内,有时候这样的“管道效应”的感觉并不明显,那是因为多重反射低频混响声掩盖或弥补了峰谷间的能量差异。这种情况下,在那些低频凹陷的区域,会感觉到低频声音虽然存在,但不清晰,没力度。

是在户外无反射环境,当你处于低频凹陷的区域,会感觉像是低频消失了。

另外,这种模式的低音箱的布置,其纵向表现也不好,对于地面上的听众能量还相对比较集中,但对于看台上或位置较高的坐席区域,低频有较大、较明显的衰降。所以,在有看台的户外演出场地、体育场等类似的空间,这种模式是不可取的。室内场地,因为有低频反射作用的弥补,会有一定的改善。

这种摆放对于摇滚现场等重低音多的场合,听觉打击感更强。

将两侧低音阵列采用向后错位阶梯状排列方式会对扩散特性和梳状滤波状况有所改善。虽然不是完美的,但在这种舞台左右低音配置模式中可管道效应已经被弱化许多。

这种情况可能会产生,在场中不同区域低频不稳定的情况,所以会采用(下图)左中右的形式,对于有看台的场子有积极作用。右图中一字型的覆盖会更加规律均匀,纵深投射能力变强,但两侧会减弱,对于狭长的场地采用1字形超低阵列模式。更加适合交响乐等场合。

这种方式能够获得很好的低频覆盖特性,避免较大的低频干涉和梳状滤波,通过调节音箱间延时和增益,可以调节扩散宽度。缺点:前后的扩散特性很相似,舞台上低频量也会很多。适合采用指向性低频音箱或采用指向性堆叠方式。

8组音箱阵列变形,给超低加延时,整个阵列投射宽度变宽。

对于非指向性低频音箱一字型阵列,间距越近,耦合性越好,轴向投射越远,扩散性越好控制,其纵向扩散性类似南瓜形,纵向特性也很好,但两侧偏弱,阵列⻓度越大,轴向特性越好,两侧越差。

左右两侧吊装阵列。这是最常用的配置飞行低音炮线阵列。显示了在⼀个12米高垂直吊装超低。

这种配置最好的部分是它在两侧发出⼤量的低音。最糟糕的是梳状滤波非常严重。

它如此糟糕的原因是,⼜长又细的吊装低音阵列在水平面上是没有方向性的,这意味着听众中的大多数人同时听到了左右低音叠加。但因为空间位置差别,从而产生相当可观的梳状滤波。

在这样的低音系统,尝试把一边打开可能会有改善,当然,并不能那样使用它,但它确实证明了问题所在。

一个重要的好处是吊装低音没有显示在我们的图表:垂直覆盖是更好的。

尤其是在有较高看台的体育场馆,低音将较远的上部观众区置于阵列波束的中央。低音与全频的耦合性很好,相位一致性很好。

舞台两侧的好处尤其明显。

这个例子中,仍然是12只超低,分左中右三组:左右各3只吊装,另6只一字堆叠舞台正前方。做延时校正后,梳状滤波减轻,建设性耦合宽度和范围增大。

缺点:吊装阵列和地面堆叠阵列存在纵向空间上的位置差异,会在纵向覆盖范围内产生梳状滤波。

适合户外、大的体育场馆。观众席纵深较大,或平面观众区域结合远区高看台。

(下图左)常规堆叠模式,其覆盖特性在自由空间几乎是无方向性的,球形;

(下图右)采用指向性堆叠,其覆盖特性是心形,背面抵消很明显,前后比可以达到18dB甚至更高;但是,从能量声压覆盖图上也能看出,虽然同为3只音箱,但FBF模式能量损失较大,约减小了6db。

这种模式一般是对舞台或后区覆盖控制要求高或低频音箱数量足够的情况下采用。

两种模式都有很好的后部空间的低频抑制作。

但第一种模式中,两组音箱空间位置差异较大,梳状滤波严重;

第二种模式中,等间距,类似一字形阵列,梳状滤波弱一些,相对,对后区的低频抑制也更明显。

把外侧的两组音箱向外转动45度角,能够在一定程度上改善梳状滤波状况。

目的是:因为每组音箱都是⼼形指向特性,正是因为有指向性,转动一定的角度,能够减弱相邻两组音箱的相干性,获得较好的耦合。

适合三面看台或三面观众的场地。

如果我们再加入一些延时调校,在这个模型中,我给外侧两组音箱加了9ms延时(相当于3米),让低音阵列形成弧形, 这样可以使得两侧的扩散收敛。通过延时量的调整,可以控制水平扩散角的宽度。

(下左图)主阵列两串全频+一串超低,左侧音箱只出人声,右侧音箱只出乐队。两组印象覆盖同一声场达到空间混音,使声音更自然,使人声和乐队动态变大,均匀度更好。

(下右图)在做心形指向堆叠时,每两组心形指向阵列,需要至少相隔60cm,畅通绕声路径。

李刚老师:

这些就是我的一些经验,一些总结,跟大家来分享。其实在我们实践中,不同场地、不同设备、不同应用模式、不同演出内容,都需要灵活处理。在以后的实际实践中,也希望能跟大家有更多的交流。

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文字整理:黎佩茹、孙朔、罗霄

图文制作:李韶萱