【聲學基礎】揚聲器群組設計之陣列（Loudspeaker Cluster Design---Array）

　　基本概念】

　　1 陣列(array)

　　它(ta)指的(de)是(shi)將多(duo)個音箱或揚聲(sheng)器系統(tong)組(zu)合在(zai)一(yi)起(qi)，以(yi)(yi)形成一(yi)個整體的(de)聲(sheng)音輸出系統(tong)。它(ta)們可以(yi)(yi)水(shui)平排列、垂直堆(dui)疊或以(yi)(yi)其他方(fang)式(shi)布置，旨(zhi)在(zai)提(ti)供更廣泛的(de)覆(fu)蓋范圍和更均勻的(de)聲(sheng)場分布。

　　2 揚聲(sheng)器陣列(loudspeaker array)

　　它是一(yi)種特(te)定類型的將多個揚聲器組合在一(yi)起，以共同工作(zuo)并產生所需的聲壓級(ji)和頻率(lv)響應的陣(zhen)列(lie)。

　　最(zui)早(zao)期的(de)揚(yang)聲(sheng)器(qi)(qi)陣(zhen)(zhen)列通常(chang)由(you)多個單獨的(de)揚(yang)聲(sheng)器(qi)(qi)組成，它們(men)被安裝(zhuang)在(zai)一起以(yi)實現更好的(de)聲(sheng)音(yin)覆蓋范圍(wei)和聲(sheng)場效果。然而(er)(er)，這種設(she)計存在(zai)一些(xie)問題，例如聲(sheng)音(yin)的(de)定位不準確和產生(sheng)混(hun)響等。為了(le)解決這些(xie)問題，第(di)二代(dai)(dai)揚(yang)聲(sheng)器(qi)(qi)陣(zhen)(zhen)列應(ying)運而(er)(er)生(sheng)。與最(zui)早(zao)期的(de)揚(yang)聲(sheng)器(qi)(qi)陣(zhen)(zhen)列相(xiang)比(bi)，第(di)二代(dai)(dai)采用了(le)更先進的(de)技術和算法(fa)來改善(shan)聲(sheng)音(yin)的(de)定位和均衡(heng)。它通常(chang)包括自適應(ying)波束成形和數(shu)字信號處理等功(gong)能，可以(yi)根據環境和聽眾位置進行實時調整，從而(er)(er)提供更清晰、準確和沉浸式的(de)音(yin)頻體驗(yan)。總的(de)來說，第(di)二代(dai)(dai)揚(yang)聲(sheng)器(qi)(qi)陣(zhen)(zhen)列在(zai)音(yin)質和效果方面相(xiang)較于最(zui)早(zao)期的(de)設(she)計有了(le)顯(xian)著的(de)提升。

　　第一(yi)代揚(yang)聲(sheng)器(qi)陣(zhen)列是早期(qi)的設計，它使(shi)用多個(ge)單獨的揚(yang)聲(sheng)器(qi)單元排列在一(yi)起。每個(ge)揚(yang)聲(sheng)器(qi)單元負責(ze)放(fang)大(da)和(he)播放(fang)特定(ding)的頻率范(fan)圍(wei)。以下是第一(yi)代揚(yang)聲(sheng)器(qi)陣(zhen)列的優點(dian)和(he)缺點(dian)：

　　一：它的優點：

 　　(1)靈活性：可以(yi)根據(ju)需要自(zi)由調(diao)整(zheng)揚聲器單元(yuan)的數量和位(wei)置，以(yi)適應(ying)不同(tong)的音頻(pin)要求。

　　(2)投(tou)影(ying)控制(zhi)：由于(yu)揚聲器單元分開放置，可以更好地控制(zhi)聲音的投(tou)影(ying)方向和覆蓋范圍。

 　　(3)可靠性：如果一(yi)個揚聲器單(dan)元出現故(gu)障(zhang)，其他單(dan)元仍然可以繼續工作，降低了系統的故(gu)障(zhang)風險(xian)。

　　二：它(ta)的缺點：

　　(1)大尺(chi)寸(cun)：由(you)于(yu)需要(yao)安(an)(an)裝多個揚聲器單元，第一代(dai)陣列(lie)通常體(ti)積(ji)較大，難以安(an)(an)裝在空間有限的環境中。

　　(2)對(dui)準(zhun)問題(ti)：由(you)于揚聲器(qi)單元相(xiang)互獨(du)立，可能存在(zai)聲音未能對(dui)準(zhun)或(huo)者產生干涉的問題(ti)。

　　(3)相(xiang)位(wei)(wei)差(cha)異(yi)：因為(wei)每個(ge)揚聲(sheng)器(qi)單元都是獨立放置的，可能(neng)會導致聲(sheng)音(yin)(yin)在不同位(wei)(wei)置相(xiang)位(wei)(wei)差(cha)異(yi)較大，從而影(ying)響(xiang)音(yin)(yin)頻的準確再現。

　　第二代(dai)揚聲(sheng)器(qi)陣(zhen)列(lie)是(shi)對(dui)第一代(dai)設(she)計的(de)改(gai)進，它采用線性排(pai)列(lie)的(de)揚聲(sheng)器(qi)單元，并且在電子層(ceng)面(mian)上(shang)進行相位和時(shi)間校正(zheng)。以下是(shi)第二代(dai)揚聲(sheng)器(qi)陣(zhen)列(lie)的(de)優(you)點和缺點：

　　一：它的(de)優點：

　　(1)同(tong)軸(zhou)放置：所有揚聲器(qi)單(dan)元都放置在同(tong)一個平面上，使(shi)得聲音更加準確地定位和(he)聚焦。

　　(2)相(xiang)位(wei)校正：通過電子處理來校正不同揚(yang)聲器單元(yuan)之間的相(xiang)位(wei)差異，提供更一致的聲音(yin)表現。

　　(3)尺寸(cun)和安裝(zhuang)：相較(jiao)于第一代陣列，第二代陣列通(tong)常體積更(geng)小，更(geng)易于安裝(zhuang)在(zai)各(ge)種(zhong)場景中(zhong)。

　　二(er)：它的缺點：

　　(1)復(fu)雜(za)性(xing)：第二代揚聲器陣(zhen)列需要更復(fu)雜(za)的(de)電子調整和校正，從而增加了系統的(de)復(fu)雜(za)性(xing)和成本。

　　(2)依賴電子處(chu)理：相較于第(di)(di)一代陣(zhen)列(lie)，第(di)(di)二(er)代陣(zhen)列(lie)更依賴電子設(she)備的(de)支持，如果電子處(chu)理出現問題，可能會影響(xiang)整(zheng)個系統(tong)的(de)工(gong)作。

　　(3)成本：由于技(ji)術的升級和額外的電子處理，第二代陣列通(tong)常比第一代陣列更昂貴。

　　最新的(de)(de)揚聲(sheng)器(qi)陣(zhen)(zhen)列(lie)技(ji)(ji)術(shu)是(shi)一種(zhong)聲(sheng)音(yin)增強和(he)定向傳播的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)，它(ta)使(shi)用多個揚聲(sheng)器(qi)單元組成一個陣(zhen)(zhen)列(lie)，以(yi)改善聲(sheng)音(yin)的(de)(de)分布和(he)覆蓋范圍。下面是(shi)兩種(zhong)最新的(de)(de)揚聲(sheng)器(qi)陣(zhen)(zhen)列(lie)技(ji)(ji)術(shu)：

　　(一)波束成形(xing)技(ji)術(Beamforming Technology)：它是一種(zhong)(zhong)(zhong)用(yong)(yong)于聚(ju)焦和(he)(he)定向(xiang)音(yin)(yin)頻信號(hao)的技(ji)術。這種(zhong)(zhong)(zhong)技(ji)術利用(yong)(yong)數(shu)字信號(hao)處理(DSP)和(he)(he)多個(ge)微(wei)小揚(yang)聲器單元(yuan)來生成一個(ge)具有定向(xiang)性的聲波束。通過(guo)調(diao)整每(mei)個(ge)揚(yang)聲器單元(yuan)的相(xiang)位和(he)(he)振幅，可以(yi)形(xing)成一個(ge)聚(ju)焦的聲束，將(jiang)聲音(yin)(yin)集中在特定的方向(xiang)上。這種(zhong)(zhong)(zhong)技(ji)術可以(yi)用(yong)(yong)于室(shi)內和(he)(he)室(shi)外場景，例(li)如會議室(shi)、音(yin)(yin)樂表(biao)演或體育場館(guan)，以(yi)提供更清晰、準(zhun)確(que)的聲音(yin)(yin)。

　　以下是揚聲器波束成形技術的詳細介紹：

　　(1)原理：揚(yang)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)器波(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)(shu)成形(xing)技術基于(yu)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學波(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)(shu)成形(xing)原理。波(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)(shu)成形(xing)通過將多(duo)個(ge)揚(yang)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)器單(dan)元的輸(shu)出進行合理的相位和(he)(he)幅度(du)(du)控制，使(shi)得聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在特定方向上疊加(jia)和(he)(he)干涉，形(xing)成一(yi)個(ge)集中(zhong)的、窄束(shu)(shu)(shu)(shu)狀(zhuang)的聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場。這樣一(yi)種定向性的聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場可以達(da)到更好的聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)音(yin)聚(ju)焦效果，減(jian)少了散射和(he)(he)反射，從而提高了聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)音(yin)的清(qing)晰度(du)(du)和(he)(he)可聽性。

　　(2)多個(ge)揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)：揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)波(bo)束(shu)成形技術通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)使用(yong)多個(ge)揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)。每個(ge)揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)負(fu)責發出(chu)特定的(de)(de)(de)聲音信號(hao)，并經過算法的(de)(de)(de)調整，使得各(ge)個(ge)揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)輸出(chu)相互(hu)協(xie)同，形成目標方向上的(de)(de)(de)波(bo)束(shu)。揚(yang)(yang)(yang)聲器(qi)(qi)單(dan)(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)選擇和布(bu)置位(wei)置對于波(bo)束(shu)成形的(de)(de)(de)效果至關重要(yao)。

　　(3)信號(hao)(hao)處理算(suan)法(fa)：揚(yang)聲器波束(shu)成(cheng)形技術依賴(lai)于(yu)先進的(de)信號(hao)(hao)處理算(suan)法(fa)。這些算(suan)法(fa)通(tong)過對輸入(ru)音頻信號(hao)(hao)進行分(fen)(fen)析和(he)處理，確定(ding)各個揚(yang)聲器單元(yuan)的(de)相位(wei)和(he)幅度調整參(can)數，從而實現(xian)聲波的(de)合成(cheng)和(he)定(ding)向。常見的(de)信號(hao)(hao)處理算(suan)法(fa)包括波束(shu)形成(cheng)算(suan)法(fa)、自適(shi)應濾波算(suan)法(fa)、時域和(he)頻域分(fen)(fen)析等。

　　(4)應用領域：揚聲(sheng)(sheng)器(qi)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)技(ji)術(shu)廣泛應用于會(hui)議系(xi)統(tong)、語音(yin)(yin)增強、音(yin)(yin)樂(le)表演等場(chang)景(jing)。在(zai)(zai)會(hui)議系(xi)統(tong)中，可(ke)以通(tong)過揚聲(sheng)(sheng)器(qi)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)技(ji)術(shu)將(jiang)發言人(ren)的聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)聚焦在(zai)(zai)聽眾區域內，減少背景(jing)噪音(yin)(yin)的干擾(rao)，提高語音(yin)(yin)清晰度。在(zai)(zai)語音(yin)(yin)增強方(fang)面(mian)，可(ke)以通(tong)過波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)技(ji)術(shu)來(lai)改善遠距離通(tong)信中的語音(yin)(yin)質量。在(zai)(zai)音(yin)(yin)樂(le)表演中，可(ke)以使用波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)技(ji)術(shu)將(jiang)聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)精確投射(she)到(dao)特定的聽眾區域，提供更好的音(yin)(yin)頻(pin)體驗。

　　(二)自(zi)適(shi)應陣(zhen)列技(ji)(ji)術(shu)(shu)(Adaptive Array Technology)：它是一種利用(yong)多個揚(yang)聲(sheng)器和麥(mai)克風(feng)(feng)組(zu)(zu)成(cheng)的(de)系統，通過(guo)自(zi)動調整揚(yang)聲(sheng)器輸出信(xin)(xin)號(hao)以(yi)適(shi)應環境和聽眾位(wei)(wei)置的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。這種技(ji)(ji)術(shu)(shu)利用(yong)麥(mai)克風(feng)(feng)陣(zhen)列和信(xin)(xin)號(hao)處理算法來實現自(zi)動聲(sheng)源定(ding)位(wei)(wei)和抑制(zhi)噪聲(sheng)。麥(mai)克風(feng)(feng)陣(zhen)列由多個麥(mai)克風(feng)(feng)單元組(zu)(zu)成(cheng)，并(bing)通過(guo)對(dui)各個麥(mai)克風(feng)(feng)信(xin)(xin)號(hao)進行加權、延遲和相位(wei)(wei)調節等處理，可(ke)以(yi)實現對(dui)特定(ding)聲(sheng)源的(de)增強和其(qi)他方向的(de)抑制(zhi)。這種技(ji)(ji)術(shu)(shu)可(ke)以(yi)應用(yong)于語音(yin)識別、會議系統、無線通信(xin)(xin)等領域，提高聲(sheng)音(yin)的(de)清晰度(du)和可(ke)懂(dong)性。

　　以下是(shi)揚聲(sheng)器自(zi)適應陣列技術的工作原理：

　　(1)麥克風(feng)陣列：使用多個(ge)麥克風(feng)組(zu)成(cheng)的陣列可以(yi)捕(bu)捉到不同位(wei)置的聲音，并提供給(gei)系統用于(yu)分析(xi)和處(chu)理。

　　(2)信號(hao)(hao)處理：通(tong)過(guo)將麥克風陣(zhen)列(lie)捕獲到的聲音信號(hao)(hao)與預(yu)設的算法(fa)進行比較和(he)處理，系統可(ke)以確(que)定聽眾所處位置和(he)環境條件(jian)。

　　(3)揚聲器(qi)控制：基于信(xin)號(hao)處理結果(guo)，系統(tong)可以自(zi)動調整每個揚聲器(qi)的(de)(de)輸(shu)出，以產生最佳的(de)(de)聲音效(xiao)果(guo)。例如，在(zai)靠近聽(ting)眾的(de)(de)揚聲器(qi)可能會被放大，而遠離聽(ting)眾的(de)(de)揚聲器(qi)可能會被減小。

　　(4)實(shi)時(shi)反饋：通過不斷分析麥克風陣列(lie)的(de)輸入信號和環境條(tiao)件，系統可以(yi)(yi)實(shi)時(shi)調整揚聲器(qi)輸出，以(yi)(yi)適(shi)應任何變化(hua)的(de)環境和聽眾位(wei)置(zhi)。