聲場覆蓋技術的里程碑：EAW自適應技術

 揚聲器系統擴聲需求

　　揚聲(sheng)器(qi)系統作為擴(kuo)聲(sheng)系統的核心，是將聲(sheng)源能量放大并投(tou)射至觀眾(zhong)席最為重要(yao)的設(she)備。當代擴(kuo)聲(sheng)應用分別對揚聲(sheng)器(qi)和揚聲(sheng)器(qi)系統提出(chu)了以下需求：

　　對于揚聲器而言：

　　1. 軸向和偏軸向具(ju)有一致的音色響應

　　2. 能夠提供高功率和低失真的(de)輸出

　　3. 對聲音具有(you)良好的控制(zhi)(投(tou)射及耦合(he))

　　對于揚聲器系統(tong)而言：

　　1. 具(ju)有(you)穩定性和一致性

　　2. 運輸、安裝、信號連接的便捷性

　　3. 能夠(gou)根據觀眾席幾何形(xing)狀提供均勻覆蓋

　　在(zai)保(bao)持高品質聲音還原(yuan)的基礎上，能否根據觀眾(zhong)席(xi)的幾何(he)形狀提供(gong)均勻覆(fu)蓋，是衡量當代(dai)揚聲器系統優劣的重(zhong)要評判標(biao)準。一套揚聲器系統與觀眾(zhong)席(xi)幾何(he)形狀的匹配可以(yi)分為三個層級：

　　1.聲壓級匹配 。即揚聲器系(xi)統投射在觀眾席各個位(wei)置上的(de)聲能(neng)是均勻的(de)，但不考慮各頻段能(neng)量的(de)一致性。

　　2. 清晰度匹配 。即(ji)揚聲器(qi)系(xi)統(tong)(tong)投射在觀(guan)眾席各個(ge)位置上的中(zhong)高頻(pin)是均勻的，以此保證(zheng)信息傳遞能(neng)夠被所有觀(guan)眾有效接收，這是目(mu)前揚聲器(qi)系(xi)統(tong)(tong)設計(ji)師追求的目(mu)標(biao)。

　　3.聲壓級及音色匹配 。即揚聲(sheng)器(qi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)投射在觀眾席(xi)各(ge)個位置上的(de)(de)聲(sheng)能(neng)是(shi)均勻(yun)的(de)(de)，且各(ge)頻段(duan)能(neng)量(liang)完(wan)(wan)全(quan)(quan)一(yi)致。在這(zhe)種情況(kuang)下，觀眾席(xi)各(ge)個位置上的(de)(de)觀眾所聽(ting)到(dao)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)直達(da)聲(sheng)的(de)(de)音色和響度(du)是(shi)完(wan)(wan)全(quan)(quan)相同的(de)(de)。這(zhe)是(shi)最為理(li)想(xiang)的(de)(de)狀態，也是(shi)揚聲(sheng)器(qi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)設計的(de)(de)最高目標，但由于傳統(tong)(tong)揚聲(sheng)器(qi)的(de)(de)工(gong)作原理(li)以及若干(gan)條(tiao)件所造成(cheng)的(de)(de)限制，這(zhe)一(yi)目標只能(neng)接(jie)近，無法完(wan)(wan)全(quan)(quan)達(da)成(cheng)。

 混合線陣(zhen)列(lie)揚聲器的(de)工作原理 

　　線陣(zhen)列(lie)(lie)的出(chu)現是揚聲器(qi)制造歷史上的一大進步，它的原始(shi)物(wu)理模(mo)型為菲涅爾分(fen)析，即對(dui)(dui)于某一頻率的波長來說，一組換能器(qi)陣(zhen)列(lie)(lie)是否(fou)能夠在1/3波長的時(shi)間(jian)差內到(dao)達聽(ting)(ting)(ting)音點，如果(guo)可以，則這些換能器(qi)對(dui)(dui)于該(gai)聽(ting)(ting)(ting)音位置的聲能耦(ou)合(he)有貢獻(xian)，陣(zhen)列(lie)(lie)中其他(ta)換能器(qi)則對(dui)(dui)該(gai)聽(ting)(ting)(ting)音位置的聲能耦(ou)合(he)沒(mei)有貢獻(xian)。這個模(mo)型展示了一個陣(zhen)列(lie)(lie)中換能器(qi)之間(jian)的時(shi)間(jian)關系對(dui)(dui)某一頻率投射效(xiao)率的影響。

　　如(ru)圖，左邊一列圓(yuan)點為換(huan)能(neng)(neng)器陣(zhen)列，兩個圓(yuan)以聽音(yin)者(zhe)為圓(yuan)心，它們的(de)半徑差(cha)對應著被考(kao)察頻(pin)率的(de)1/3波長，離聽音(yin)者(zhe)最近的(de)換(huan)能(neng)(neng)器到達(da)時間最短(duan)，越靠陣(zhen)列兩端，到達(da)聽音(yin)者(zhe)的(de)時間越慢。當到達(da)時間晚于1/3波長時，我們認為換(huan)能(neng)(neng)器在這個頻(pin)率上對聽音(yin)點沒(mei)有貢獻。

　　盡管實(shi)際(ji)線陣(zhen)列揚聲器在(zai)(zai)(zai)制造工藝(yi)上有著(zhu)更(geng)加(jia)復雜的(de)(de)考(kao)量，但其基本原(yuan)則(ze)不會(hui)改(gai)變。即陣(zhen)列通過控制箱體間(jian)(jian)的(de)(de)夾(jia)角(jiao)來改(gai)變它們到(dao)達聽(ting)音點(dian)(dian)的(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)關系，也就是改(gai)變系統在(zai)(zai)(zai)中頻段(duan)(或(huo)中高頻段(duan))的(de)(de)耦合關系，當(dang)(dang)聽(ting)音點(dian)(dian)離陣(zhen)列較遠(yuan)(遠(yuan)端觀(guan)眾(zhong))時(shi)，夾(jia)角(jiao)較小，耦合程度高，當(dang)(dang)聽(ting)音點(dian)(dian)離陣(zhen)列較近(近端觀(guan)眾(zhong))時(shi)，夾(jia)角(jiao)較大，耦合程度小。因此(ci)我(wo)們會(hui)看到(dao)，線陣(zhen)列在(zai)(zai)(zai)吊(diao)裝時(shi)通常(chang)呈(cheng)現出“J”型，在(zai)(zai)(zai)頂部的(de)(de)箱體之間(jian)(jian)夾(jia)角(jiao)小，便于覆(fu)蓋遠(yuan)處(chu)，呈(cheng)現出線聲源特性;底部的(de)(de)箱體之間(jian)(jian)夾(jia)角(jiao)大，便于覆(fu)蓋近處(chu)，呈(cheng)現出點(dian)(dian)聲源特性。因此(ci)我(wo)們又(you)稱(cheng)這種陣(zhen)列為(wei)混(hun)合線陣(zhen)列。

 混(hun)合(he)線陣(zhen)列揚聲器可提升空(kong)間(jian) 

　　我們(men)可以(yi)看到，相比點(dian)聲(sheng)(sheng)源揚聲(sheng)(sheng)器，混合線陣列提升了吊裝的(de)簡易度，同時能夠在中(zhong)高頻范圍內對觀(guan)眾席從前(qian)到后的(de)位置進(jin)行均(jun)勻覆(fu)蓋，這種(zhong)技術也(ye)因此(ci)成為當(dang)今(jin)擴(kuo)聲(sheng)(sheng)領域的(de)主(zhu)流解決方案。盡(jin)管(guan)如此(ci)，它距(ju)離(li)理想的(de)擴(kuo)聲(sheng)(sheng)系統仍然存在不小的(de)差距(ju)，可以(yi)從以(yi)下兩個方面進(jin)行提升：

　　1. 觀(guan)眾(zhong)席音色(se)一致(zhi)性，尤其(qi)是系統(tong)對中低頻的控制能力。

　　2. 對(dui)于吊(diao)裝(zhuang)位置(zhi)的依賴性(xing)和(he)系統可調節性(xing)。

　　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(hun)合(he)線陣列(lie)對于聲音控制的(de)頻率范圍和精度都(dou)是有限的(de)，這種情(qing)況在低頻段尤(you)為明顯。

　　上(shang)面(mian)兩張圖呈現了同(tong)一(yi)(yi)組混合線(xian)陣列(lie)在4kHz(上(shang)一(yi)(yi))和250Hz(上(shang)二)對(dui)同(tong)一(yi)(yi)個(ge)觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)席(xi)的(de)(de)覆(fu)蓋(gai)情況。4kHz在整個(ge)觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)席(xi)的(de)(de)能(neng)量(liang)分(fen)布是較為均勻的(de)(de)，而250Hz由(you)于(yu)(yu)頻(pin)(pin)(pin)率較低(di)(di)(di)，陣列(lie)現有(you)的(de)(de)物理姿態無法對(dui)其(qi)進(jin)行有(you)效控制(需(xu)要更加(jia)“極(ji)端”的(de)(de)物理姿態)，因此(ci)能(neng)量(liang)主(zhu)要投射(she)在垂直于(yu)(yu)陣列(lie)的(de)(de)方向(xiang)上(shang)，對(dui)于(yu)(yu)這個(ge)場地(di)而言，250Hz對(dui)中前部觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)席(xi)的(de)(de)覆(fu)蓋(gai)要多于(yu)(yu)對(dui)后方觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)席(xi)的(de)(de)覆(fu)蓋(gai)，即中前排(pai)觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)聽(ting)到的(de)(de)低(di)(di)(di)頻(pin)(pin)(pin)多，后排(pai)觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)聽(ting)到的(de)(de)低(di)(di)(di)頻(pin)(pin)(pin)少。如(ru)果位于(yu)(yu)后排(pai)的(de)(de)調音(yin)師提升低(di)(di)(di)頻(pin)(pin)(pin)能(neng)量(liang)以滿足(zu)自己的(de)(de)聽(ting)感，那(nei)么(me)前排(pai)觀(guan)(guan)(guan)眾(zhong)則(ze)會感覺(jue)到低(di)(di)(di)頻(pin)(pin)(pin)能(neng)量(liang)過多。

　　如(ru)果要緩解(jie)這個(ge)(ge)(ge)問題，就需要調(diao)整(zheng)250Hz這個(ge)(ge)(ge)頻(pin)段在(zai)陣列各個(ge)(ge)(ge)模塊之間的(de)時間關系。如(ru)下圖：

　　我們可以看到(dao)，上一圖陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)保持不(bu)變(bian)，上二(er)圖通過(guo)調(diao)整陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)姿(zi)態(tai)將250Hz在觀(guan)眾(zhong)席的(de)(de)(de)覆蓋變(bian)得更加(jia)均勻(yun)了。讓(rang)4kHz和250Hz都能夠(gou)在觀(guan)眾(zhong)席獲得均勻(yun)的(de)(de)(de)覆蓋，這(zhe)要(yao)求(qiu)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(針對(dui)這(zhe)兩(liang)個(ge)頻段)同(tong)時呈現(xian)出(chu)兩(liang)種不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)物理姿(zi)態(tai)，如果(guo)考慮到(dao)全(quan)頻段的(de)(de)(de)聲音重放，需要(yao)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)針對(dui)不(bu)同(tong)頻段的(de)(de)(de)能量呈現(xian)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)物理姿(zi)態(tai)，這(zhe)在同(tong)一組混合線陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)中是無(wu)法實現(xian)的(de)(de)(de)。

　　因此，EAW自適應揚聲器(qi)系統在遵循(xun)菲涅爾(er)分析原理的基礎上拋棄(qi)了傳統線(xian)陣(zhen)列(lie)的工作模式，以垂直陣(zhen)列(lie)的方(fang)式組合，并通(tong)過內部DSP處理調節每(mei)個換能(neng)器(qi)在各個頻段之間的時間關系，從而在不同頻段獲得(de)不同的“虛擬陣(zhen)列(lie)姿態”，以此在觀眾席的各個位(wei)置上得(de)到一致的音色響(xiang)應。

　　『對于吊裝位置的依賴性和系統可調節性』

　　當陣列的(de)(de)模塊(kuai)之(zhi)間不再存在物理夾(jia)角的(de)(de)制約，很多問題(ti)都(dou)迎刃(ren)而解。對于傳(chuan)統線陣列來說，陣列吊(diao)裝(zhuang)(zhuang)位置(zhi)和(he)觀(guan)(guan)眾席之(zhi)間的(de)(de)關系是十分(fen)重要的(de)(de)，尤其(qi)是垂直位置(zhi)較高的(de)(de)觀(guan)(guan)眾席，需(xu)要陣列頂部的(de)(de)高度盡可(ke)能(neng)地(di)高，這樣(yang)才(cai)能(neng)夠將能(neng)量有效(xiao)地(di)投射過去。如果(guo)吊(diao)裝(zhuang)(zhuang)條件無法滿足，則需(xu)要陣列呈(cheng)現(xian)出非常極端的(de)(de)姿態才(cai)有可(ke)能(neng)達到近(jin)似的(de)(de)效(xiao)果(guo)。

　　以下兩個(ge)系統仿真(zhen)圖模擬了(le)10顆雙10寸線(xian)陣(zhen)列(lie)(lie)揚聲(sheng)器在同一(yi)(yi)個(ge)劇場(chang)中對三層觀(guan)眾席最(zui)(zui)后一(yi)(yi)排(pai)的覆蓋情(qing)況(kuang)(為(wei)了(le)便于觀(guan)察，陣(zhen)列(lie)(lie)被設置在了(le)劇場(chang)的中軸(zhou)線(xian)上(shang))。第一(yi)(yi)張圖是(shi)陣(zhen)列(lie)(lie)吊掛高度(du)為(wei)15米，基本與第三層最(zui)(zui)后一(yi)(yi)排(pai)觀(guan)眾席持平(ping)，陣(zhen)列(lie)(lie)物理姿態調整(zheng)至如(ru)圖狀(zhuang)態后能夠(gou)在三層最(zui)(zui)后一(yi)(yi)排(pai)得(de)到(dao)令(ling)人滿意的覆蓋。

　　但在實(shi)際系統實(shi)施的(de)(de)過程中，吊掛(gua)高度(du)(du)很(hen)可能受限。因此(ci)第二張(zhang)(zhang)圖展示(shi)了同樣的(de)(de)陣(zhen)列在吊掛(gua)高度(du)(du)為9米(mi)時的(de)(de)覆蓋情況，通過調整陣(zhen)列物理姿態獲得了與第一(yi)張(zhang)(zhang)圖非常接近的(de)(de)覆蓋結果。

　　▲陣列(lie)吊(diao)掛高(gao)度(du)15米，能夠(gou)對3樓(lou)最(zui)后(hou)一排觀眾席(xi)有較好的覆蓋(gai)

　　▲陣(zhen)列吊掛高度9米，需要以非常(chang)極端的物(wu)理姿態才能(neng)夠獲得(de)與吊掛15米時(shi)相似的結果(guo)

　　我們可以(yi)看到，為了(le)(le)獲得較為滿意的覆蓋(gai)結果，傳統線陣列在吊(diao)點高度(du)不足時(shi)必須以(yi)接(jie)近極限的物理姿態來進行安裝。請注意最(zui)上(shang)面2顆音箱的快插銷已(yi)經出現了(le)(le)載荷警報，呈現紅色。在實際項目中如(ru)果遇到此類情(qing)況，就不得不在吊(diao)裝位置和覆蓋(gai)效果之間做出妥協(xie)。

　　同(tong)樣，如果在系(xi)統(tong)搭建和(he)調試的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中需要調整(zheng)陣列(lie)對觀眾席的(de)(de)(de)(de)覆(fu)蓋，需要重(zhong)新(xin)計(ji)算箱(xiang)體之間(jian)的(de)(de)(de)(de)夾角，然(ran)后將整(zheng)組(zu)揚(yang)聲器降下來，重(zhong)新(xin)調整(zheng)夾角后再升上去——這(zhe)種十(shi)(shi)分費時(shi)費力的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)模式對于(yu)傳統(tong)線陣列(lie)來說是(shi)不可避免(mian)的(de)(de)(de)(de)，也(ye)是(shi)系(xi)統(tong)工(gong)程(cheng)師習(xi)以(yi)為常(chang)的(de)(de)(de)(de)事情。盡管我們可以(yi)通(tong)過前期精確的(de)(de)(de)(de)場(chang)地(di)建模來盡量避免(mian)這(zhe)種情況的(de)(de)(de)(de)出現(xian)(xian)，但(dan)是(shi)現(xian)(xian)場(chang)的(de)(de)(de)(de)情況往(wang)(wang)往(wang)(wang)是(shi)十(shi)(shi)分復雜的(de)(de)(de)(de)，系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)設定和(he)安裝往(wang)(wang)往(wang)(wang)不可能一步到位，因此一套(tao)便于(yu)進行調節的(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)能夠極(ji)大地(di)提(ti)(ti)升覆(fu)蓋精度，提(ti)(ti)升系(xi)統(tong)實施(shi)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)效率。

 自適應系(xi)統如何克服混合(he)線陣(zhen)列的局(ju)限性 

　　EAW自適應(ying)系(xi)(xi)統非常完美地(di)(di)解決了以(yi)上問題。得(de)益(yi)于垂直(zhi)陣列(lie)的(de)(de)(de)設計和(he)通(tong)過(guo)DSP計算來調節各個(ge)換能(neng)器在各頻段(duan)時間關系(xi)(xi)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作原理，使得(de)自適應(ying)系(xi)(xi)統能(neng)夠在不損失音質的(de)(de)(de)情況下(xia)實現(xian)非常極(ji)端的(de)(de)(de)覆(fu)(fu)蓋。不僅如此，在自適應(ying)陣列(lie)吊裝完成(cheng)后，無論(lun)出(chu)于何(he)種原因(如劇場實際落成(cheng)后的(de)(de)(de)觀眾席(xi)幾何(he)參數與設計階段(duan)略(lve)有(you)不同(tong)，或(huo)一(yi)個(ge)演(yan)出(chu)場地(di)(di)某(mou)些(xie)區域不再開放，或(huo)者(zhe)僅僅需要(yao)聲(sheng)音覆(fu)(fu)蓋躲避特定的(de)(de)(de)區域等)，如果需要(yao)對聽(ting)音面的(de)(de)(de)覆(fu)(fu)蓋情況進行調整，只(zhi)需要(yao)在控制軟件(jian)中通(tong)過(guo)鼠標拖拽(zhuai)的(de)(de)(de)方式進行覆(fu)(fu)蓋參數的(de)(de)(de)改變即可(ke)完成(cheng)，高頻覆(fu)(fu)蓋調節的(de)(de)(de)精度可(ke)高達0.5米。這極(ji)大地(di)(di)提升了施工(gong)(gong)和(he)調試的(de)(de)(de)效率，使得(de)系(xi)(xi)統工(gong)(gong)程師(shi)、調音師(shi)和(he)觀眾不再因為揚聲(sheng)器系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)原理限制或(huo)者(zhe)場地(di)(di)條(tiao)件(jian)的(de)(de)(de)制約而做出(chu)妥(tuo)協(xie)。

　　▲CCTV《典籍里的(de)中國(guo)》錄制現(xian)場，揚聲(sheng)器距離觀眾席高(gao)度約10米，通過波束控制向(xiang)下做出(chu)精確(que)覆(fu)蓋

　　▲浙(zhe)江衛(wei)視跨(kua)年演唱會，根據(ju)疫(yi)情防控(kong)要求在控(kong)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(ying)系(xi)統突(tu)破(po)了傳(chuan)統線陣列的技術極限，是友好的、面向未來(lai)的高品質(zhi)擴(kuo)聲系(xi)統解決方案。