揚聲器系統擴聲需求?

揚聲器系統作為擴聲系統的核心，是將聲源能量放大并投射至觀眾席最為重要的設備。當代擴聲應用分別對揚聲器和揚聲器系統提出了以下需求：

對于揚聲器而言：

1. 軸向和偏軸向具有一致的音色響應

2. 能夠提供高功率和低失真的輸出

3. 對聲音具有良好的控制（投射及耦合）

對于揚聲器系統而言：

1. 具有穩定性和一致性

2. 運輸、安裝、信號連接的便捷性

3. 能夠根據觀眾席幾何形狀提供均勻覆蓋

在保持高品質聲音還原的基礎上，能否根據觀眾席的幾何形狀提供均勻覆蓋，是衡量當代揚聲器系統優劣的重要評判標準。一套揚聲器系統與觀眾席幾何形狀的匹配可以分為三個層級：

1. 聲壓級匹配。即揚聲器系統投射在觀眾席各個位置上的聲能是均勻的，但不考慮各頻段能量的一致性。

2. 清晰度匹配。即揚聲器系統投射在觀眾席各個位置上的中高頻是均勻的，以此保證信息傳遞能夠被所有觀眾有效接收，這是目前揚聲器系統設計師追求的目標。

3. 聲壓級及音色匹配。即揚聲器系統投射在觀眾席各個位置上的聲能是均勻的，且各頻段能量完全一致。在這種情況下，觀眾席各個位置上的觀眾所聽到系統直達聲的音色和響度是完全相同的。這是最為理想的狀態，也是揚聲器系統設計的最高目標，但由于傳統揚聲器的工作原理以及若干條件所造成的限制，這一目標只能接近，無法完全達成。

混合線陣列揚聲器的工作原理?

線陣列的出現是揚聲器制造歷史上的一大進步，它的原始物理模型為菲涅爾分析，即對于某一頻率的波長來說，一組換能器陣列是否能夠在1/2波長的時間差內到達聽音點，如果可以，則這些換能器對于該聽音位置的聲能耦合有貢獻，陣列中其他換能器則對該聽音位置的聲能耦合沒有貢獻。這個模型展示了一個陣列中換能器之間的時間關系對某一頻率投射效率的影響。

如圖，左邊一列圓點為換能器陣列，兩個圓以聽音者為圓心，它們的半徑差對應著被考察頻率的1/2波長，離聽音者最近的換能器到達時間最短，越靠陣列兩端，到達聽音者的時間越慢。當到達時間晚于1/2波長時，我們認為換能器在這個頻率上對聽音點沒有貢獻。

盡管實際線陣列揚聲器在制造工藝上有著更加復雜的考量，但其基本原則不會改變。即陣列通過控制箱體間的夾角來改變它們到達聽音點的時間關系，也就是改變系統在中頻段（或中高頻段）的耦合關系，當聽音點離陣列較遠（遠端觀眾）時，夾角較小，耦合程度高，當聽音點離陣列較近（近端觀眾）時，夾角較大，耦合程度小。因此我們會看到，線陣列在吊裝時通常呈現出“J”型，在頂部的箱體之間夾角小，便于覆蓋遠處，呈現出線聲源特性；底部的箱體之間夾角大，便于覆蓋近處，呈現出點聲源特性。因此我們又稱這種陣列為混合線陣列。

3. 混合線陣列揚聲器可提升空間?

我們可以看到，相比點聲源揚聲器，混合線陣列提升了吊裝的簡易度，同時能夠在中高頻范圍內對觀眾席從前到后的位置進行均勻覆蓋，這種技術也因此成為當今擴聲領域的主流解決方案。盡管如此，它距離理想的擴聲系統仍然存在不小的差距，可以從以下兩個方面進行提升：

1. 觀眾席音色一致性，尤其是系統對中低頻的控制能力。

2. 對于吊裝位置的依賴性和系統可調節性。

讓我們就這兩個問題展開分析：

『觀眾席音色一致性，尤其是對中低頻的控制能力』

由于混合線陣列是通過調節陣列揚聲器之間的夾角（即陣列的物理姿態）來進行覆蓋控制的，那么物理姿態的極限就是控制的極限、物理姿態的精度就是控制的精度。換言之，混合線陣列對于聲音控制的頻率范圍和精度都是有限的，這種情況在低頻段尤為明顯。

上面兩張圖呈現了同一組混合線陣列在4kHz（上一）和250Hz（上二）對同一個觀眾席的覆蓋情況。4kHz在整個觀眾席的能量分布是較為均勻的，而250Hz由于頻率較低，陣列現有的物理姿態無法對其進行有效控制（需要更加“極端”的物理姿態），因此能量主要投射在垂直于陣列的方向上，對于這個場地而言，250Hz對中前部觀眾席的覆蓋要多于對后方觀眾席的覆蓋，即中前排觀眾聽到的低頻多，后排觀眾聽到的低頻少。如果位于后排的調音師提升低頻能量以滿足自己的聽感，那么前排觀眾則會感覺到低頻能量過多。

如果要緩解這個問題，就需要調整250Hz這個頻段在陣列各個模塊之間的時間關系。如下圖：

我們可以看到，上一圖陣列保持不變，上二圖通過調整陣列姿態將250Hz在觀眾席的覆蓋變得更加均勻了。讓4kHz和250Hz都能夠在觀眾席獲得均勻的覆蓋，這要求陣列（針對這兩個頻段）同時呈現出兩種不同的物理姿態，如果考慮到全頻段的聲音重放，需要陣列針對不同頻段的能量呈現出不同的物理姿態，這在同一組混合線陣列中是無法實現的。

因此，EAW自適應揚聲器系統在遵循菲涅爾分析原理的基礎上拋棄了傳統線陣列的工作模式，以垂直陣列的方式組合，并通過內部DSP處理調節每個換能器在各個頻段之間的時間關系，從而在不同頻段獲得不同的“虛擬陣列姿態”，以此在觀眾席的各個位置上得到一致的音色響應。

『對于吊裝位置的依賴性和系統可調節性』

當陣列的模塊之間不再存在物理夾角的制約，很多問題都迎刃而解。對于傳統線陣列來說，陣列吊裝位置和觀眾席之間的關系是十分重要的，尤其是垂直位置較高的觀眾席，需要陣列頂部的高度盡可能地高，這樣才能夠將能量有效地投射過去。如果吊裝條件無法滿足，則需要陣列呈現出非常極端的姿態才有可能達到近似的效果。

以下兩個系統仿真圖模擬了10顆雙10寸線陣列揚聲器在同一個劇場中對三層觀眾席最后一排的覆蓋情況（為了便于觀察，陣列被設置在了劇場的中軸線上）。第一張圖是陣列吊掛高度為15米，基本與第三層最后一排觀眾席持平，陣列物理姿態調整至如圖狀態后能夠在三層最后一排得到令人滿意的覆蓋。

但在實際系統實施的過程中，吊掛高度很可能受限。因此第二張圖展示了同樣的陣列在吊掛高度為9米時的覆蓋情況，通過調整陣列物理姿態獲得了與第一張圖非常接近的覆蓋結果。

▲陣列吊掛高度15米，能夠對3樓最后一排觀眾席有較好的覆蓋

▲陣列吊掛高度9米，需要以非常極端的物理姿態才能夠獲得與吊掛15米時相似的結果

我們可以看到，為了獲得較為滿意的覆蓋結果，傳統線陣列在吊點高度不足時必須以接近極限的物理姿態來進行安裝。請注意最上面2顆音箱的快插銷已經出現了載荷警報，呈現紅色。在實際項目中如果遇到此類情況，就不得不在吊裝位置和覆蓋效果之間做出妥協。

同樣，如果在系統搭建和調試的過程中需要調整陣列對觀眾席的覆蓋，需要重新計算箱體之間的夾角，然后將整組揚聲器降下來，重新調整夾角后再升上去——這種十分費時費力的工作模式對于傳統線陣列來說是不可避免的，也是系統工程師習以為常的事情。盡管我們可以通過前期精確的場地建模來盡量避免這種情況的出現，但是現場的情況往往是十分復雜的，系統的設定和安裝往往不可能一步到位，因此一套便于進行調節的系統能夠極大地提升覆蓋精度，提升系統實施的工作效率。

自適應系統如何克服混合線陣列的局限性?

EAW自適應系統非常完美地解決了以上問題。得益于垂直陣列的設計和通過DSP計算來調節各個換能器在各頻段時間關系的工作原理，使得自適應系統能夠在不損失音質的情況下實現非常極端的覆蓋。不僅如此，在自適應陣列吊裝完成后，無論出于何種原因（如劇場實際落成后的觀眾席幾何參數與設計階段略有不同，或一個演出場地某些區域不再開放，或者僅僅需要聲音覆蓋躲避特定的區域等），如果需要對聽音面的覆蓋情況進行調整，只需要在控制軟件中通過鼠標拖拽的方式進行覆蓋參數的改變即可完成，高頻覆蓋調節的精度可高達0.5米。這極大地提升了施工和調試的效率，使得系統工程師、調音師和觀眾不再因為揚聲器系統的原理限制或者場地條件的制約而做出妥協。

▲CCTV《典籍里的中國》錄制現場，揚聲器距離觀眾席高度約10米，通過波束控制向下做出精確覆蓋

▲浙江衛視跨年演唱會，根據疫情防控要求在控制軟件中調整系統的覆蓋面

總的來說，EAW自適應系統利用自身高精度的物理結構和高精度的自適應算法，能夠在不影響音質的情況下針對不同的頻段調節換能器之間的時間關系。這種開創性的技術不僅擴展了揚聲器系統可控的頻率范圍，有效改善了揚聲器系統在觀眾席幾何聽音面上的音色一致性，還解決了傳統線陣列物理姿態在系統設計、實施和調試上的制約，提升了控制精度和實施效率。EAW自適應系統突破了傳統線陣列的技術極限，是友好的、面向未來的高品質擴聲系統解決方案。