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國際案例 【技術分享】心形陣列原理及應用淺談
華彙音響 2021-02-04
從古典音樂到現代音樂，人類的音樂種類越來越多，不同的音樂種類對音頻系統有著不同的要求。猶如奧林匹克運動會所提倡的，更高更快更強一樣，在音頻領域，我們也想不斷去突破一個個極限。
總的來說，現在的音源所含的頻率範圍越來越廣。在早期，人聲帶振動頻率的範圍限制了音源的頻率範圍；步入文明化社會後，頻率範圍又受到了樂器制作工藝的限制；直到現在步入數字化時代，我們對於音源的制作，幾乎已經沒有了任何的限制。那麽在音源的回放問題上，就對系統有著更高的要求。同時，聲音回放的模式也變得多種多樣，從骨傳導、入耳式耳機發展到近場家庭影院，再到最大型的音樂節類的演出，音頻系統也變得越來越復雜多樣，由此而產生的各類問題也變得非常繁多。在這裏，我們僅對“集會”類演出中的音頻系統一個非常小的問題，即低頻全指向擴散的問題進行一點探討。
L-Acoustics 5XT頻率擴散表
眾所周知，低頻指向性相比於高頻來說，更趨近於全指向性擴散。可以從圖上看出來，不同頻段的擴散角度之間的差別。如果想控制低頻的擴散角度，喇叭的尺寸就要做得非常大，而在現實應用中，會帶來諸多不便，比如音箱整體的重量，尺寸，功放的功率都必然大大超出現有條件。
基於低頻呈球形擴散的物理原因，會產生一些聲學上的問題，常見的就是舞臺上的串音及回授。
那麽我們如何盡量避免這樣的問題呢？這就利用到了我們聲波的物理特性了。兩個揚聲器播放相同的音源，朝向同一方向，如果是高頻，我們可能會擔心兩個並列揚聲器的幹涉問題。
但是由於我們現在的應用場景屬於遠場投射，且討論的頻段是低頻頻段，可以視為在同一位置的兩個點聲源。
我們將一場演出的物理區域分為舞臺區和觀眾區，然後我們先來看三種情況。
（一） 兩個在同一位置的點聲源播放同一頻率的正弦波朝向一致的情況（舞臺區及觀眾區的能量得到最大的疊加，觀眾區域能量充足）。
（二） 兩個在同一位置的點聲源播放同一頻率的正弦波朝向相反的情況（舞臺區及觀眾區的能量得到最大的衰減，舞臺區域能量最小）。
（三 ）兩個以某一頻段的1/4波長作為間距的點聲源播放同一頻率的正弦波，朝向一致的情況。
我們可以看到在最後一種情況的時候，波形並不是完全抵消或完全疊加的，那麽我們是否可以利用聲波的周期性來做一些對於我們有利的事情呢？
我們知道正弦波的疊加和抵消是由1/2個周期決定的。那麽我們現在的距離為1/4個波長的距離（可用80Hz為例）。有什麽辦法可以讓兩個點聲源間按照我們的想法產生疊加或抵消呢？
答案就在時域上，我們來看一下，當對A或B音箱做延時的時候，分別會出現什麽情況。
（一） 對A做1/4聲速時間的延時
通過上圖可以看到，通過改變時間，對於舞臺區和觀眾區的影響是不一樣的。當對A做延時的時候，我們得到了最想要的情況，即觀眾區聲波疊加，舞臺區聲波減少。而B情況剛好相反。那麽在對A做延時之後，問題真的都解決了嘛？實際上不是的，由於我們討論的是單頻率正弦波的情況。在對A做延時之後，我們只是對某一頻段在舞臺區域起到了抵消的作用。而對於其他低於該頻率的正弦波是不起作用的。所以對於舞臺區域的衰減是不完全的。但對於觀眾區的疊加卻是完全的。
那我們再來看一下對B做延時的情況，對B做延時之後，我們得到了一個舞臺區域疊加，觀眾區域衰減的效果，如果我們再對B做一次反相。
我們就得到了一個想要的結果，即舞臺區抵消，觀眾區疊加。那這次我們是否可以對其他頻段起到同樣的作用呢？我們從圖上可以看出，對於舞臺區域來說，經過延時的B音箱，在空間當中的虛擬位置已經和A音箱完全重疊，且完全反相，所以任何的頻率的聲音從理論上來說，都應該是完全抵消的。這樣一來我們就解決了舞臺區串音及回授的問題。
以上就是對於心形陣列的一個簡單的設置，對於L-Acoustics系統來說，我們可以將次低頻揚聲器按照需要正反擺放好音箱就可以在處理器當中一鍵設置心形陣列，達到所需求的效果，簡單易用效果好。不需要進行以上相對繁瑣的設置和擺放就可以達到更好的效果。
李健演唱會現場的SB28
當然心形陣列也不是萬能的，我們在以上的情況僅僅用了正弦波來說明理論，而且也僅討論了在軸向上的延時情況。當偏軸時，或播放真實音源的情況下，實際上並不能達到完全的衰減或疊加，而且相對於觀眾區來說了低頻的清晰度會有一點點的影響。所以心形陣列並不能夠完美的解決所有的問題，具體問題還需要具體分析。
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