编译/何青青

线阵列扬声器系统兴起于20世纪90年代，主要用于大型广场演出和体育场馆的扩声，随着科技的发展，产品型号越来越丰富，线阵列在一些小型演出场所也流行起来。虽然线阵列得到使用者的广泛认可，但在实际应用中，部分使用者对线阵列的认识还存在一些误区。本文主要讨论线阵列的基本理论，澄清一些可能产生混淆的观点。

1 线阵列的相关理论

1.1 什么是线阵列

线阵列就是由一组全向辐射驱动器组成，且呈直线排列的阵列音箱，箱体之间间隔很近，相位相同，振幅相同。美国著名声学家奥尔森（Olson）在他1957年出版的《声学工程》中描述道：线阵列对于声音需要投射到远距离的那些场合非常有用，因为“线阵列系统具有良好的垂直指向性覆盖和远距离声辐射的特点”。

图1是MAPP online分析图，表明线阵列的指向性，这组线阵列是由16个全向线声源组成，每个间隔0.5 m。500 Hz时，该组线阵列指向性最高，随着频率变高，其指向性开始衰减。注意低频时线阵列会出现明显的后瓣：所有常规组合的线阵列都会表现出这个特性，因为他们在这个区域的辐射是全向的。（当然，M3D线阵列是个例外）这种配置结构在500 Hz时会产生很强的垂直波瓣。

该系统的水平辐射图和垂直辐射图是独立开的，而且整个频段都是全向辐射——尽管实际系统在中高频时只表现出明显的水平指向性。

图2是一组由32个全向线声源组成的线阵列，间隔0.25 m。注意，在1 kHz时垂直波瓣最强，此时线阵列必须保持其指向性不变。这就表明：高频时要维持线阵列的指向性，就需要使线声源间距更小些。

1.2 线阵列是如何工作的

线阵列是通过相长干涉或者相消干涉来实现其指向性的。一个简单的思维实验就能解释指向性是如何产生的。

以一个单12英寸锥形驱动器的扬声器为例。根据经验可知，这个扬声器的指向性会随着频率的变化而变化：低频时是全向的，当声波波长缩短时，其指向性就会相应变窄；2 kHz以上时，对于大多数场所来讲，只用单个驱动器其指向性太窄了。这就是为什么实际系统设计中采用分频器和多个驱动单元，使其指向性在整个声频带范围内尽量保持一致。

把两个此类扬声器堆叠在一起，一个放在另一个上面，馈给两个扬声器相同的信号，可结果会出现不同的辐射图。在两个扬声器轴的交点处存在相长干扰，而且相对于单个扬声器来说，叠加的情况下声压级会增加6 dB。在轴外的其他点上，路径长度不同会产生抵消，从而导致了声压级较低。事实上，要是给两个扬声器都用正弦波驱动，就会出现完全抵消的点（最好在消声室里试验），这就是所谓的相消干涉，也叫梳状滤波。

线阵列由一组扬声器组成，且彼此有序地间隔着，以便能在阵列的轴线上产生相长干涉，轴的两边主要产生相消干涉（梳状）。常规情况下是不需要梳状滤波的，但线阵列通常会用到梳状滤波：没有梳状滤波，就没有指向性可言。

1.3 线阵列是否能形成“柱面波”

有人错误地认为：线阵列有一种“魔力”能把声波组合在一起。认为利用特殊的传播特性，线阵列就可以形成一个单“柱面波”。然而，从线性声学理论知识的角度来讲，这种假设是行不通的。“柱面波”只是一个行销概念，并非可行的声学现实。

声波不同于浅水波模型，浅水波方程是非线性的，可以组合形成新波。但声波在压力作用下（一般在声音增强区）不能结合在一起，而是一个接一个地成线性传播。甚至是在压缩器的高频段，声波也遵循线性理论规律，一个接一个地传播。

图3为MAPP online分析图，显示的是一对Meyer Sound MSL-4扬声器的串扰情况，该图解释了以上这一观点。A为串扰区域，该区域的黑色部分有明显的相消干涉; B区域自然是相应的MSL-4输出，这个区域完全不受串扰影响。尽管波干涉发声在A区域，但也是空间上的干扰，而且同样是一个接一个互不影响地传播着。可以关掉串扰的那只扬声器，在B区域不管怎样，从垂直面上听声音是没有什么改变的。

1.4 距离增加一倍，线阵列产生的声压级是否只降3 dB

这一假设是因典型的线阵列理论在实际中误用引起的。典型的线阵列数学计算就是假设有一组无穷小又非常完美的全向线声源，很大程度上能和发射能量的波长相近。显然，实际系统中是不可能达到这样的条件，而且它们的实际特性远比假设的要复杂。

Meyer Sound用贝塞尔函数来模拟一只15英寸低音的辐射特性模型（通常描述为波瓣），而且还编写自定义计算机代码，通过对各种扬声器设置不同的间隔来模拟线阵列。计算表明，组建一组音频线阵列从理论上讲可行，它在低频段是遵循理论原则的。然而，这样做的话，该阵列就需要1000个以上的15英寸的驱动器，每个驱动器中心点的间距为20英寸。

在近场，不考虑高频的情况下，线阵列确实会随着距离增加一倍而声压级降低3 dB，但是远场就要根据声音的频率和线阵列长度而定。一些人要让我们相信：要是有一个混合驱动器/波导系统，高频段近区可扩展到好几百米。计算显示，对于一组由100个全向线声源组成的线阵列，每个线源间隔1英寸，那么，线阵列声压级确实会随着距离增加一倍而降低3 dB。但实际应用时在声音增强区很难实现这点，而且这也不是波导特性模型。

纯理论计算并不会完全反映出空气吸收的真实性，在高频时也有一定的影响。表1是利用贝塞尔函数模拟测出：一组由100个口径为1英寸的扬声器组成的线阵列，间距为1英寸，离这组线阵列的距离不同时，其声衰减也不同。

根据ANSI标准S1.26-1995的计算方式（环境温度为20℃，相对湿度为11%），频率在500 Hz以上时，声波的衰减包含空气吸收。要注意的是，当频率为16 kHz时，贝塞尔函数模拟计算出：与线阵列的距离每增加一倍，声压级衰减近3 dB，空气吸收使得距离每增加一倍，实际的声压级衰减接近6 dB。

采用一组由16个箱体（每个箱体都用15英寸低频单元）组成的线阵列，350 Hz时能够测量出 “类似柱面波”的效应，此刻距离线阵列2 m～4 m之间会有3 dB的衰减。然而，当离线阵列的距离超过4 m时，声音的传播路径就呈球状，此时距离每增加一倍，声压级衰减6 dB。这一特性可以采用测量好指向性的标准扬声器通过MAPP在线测试得到证实。

1.5 Meyer Sound 的MAPP在线

MAPP（Multipurpose Acoustical Prediction Program多功能声学测试软件）是一款交互式平台， 它能准确预测出Meyer Sound阵列音箱的特性，测试时需要联网。MAPP在线由两个组件构成：一个是在音响系统设计者的计算机上运行的JAVA应用程序，另一个是在远程服务器上运行的预测程序。

利用JAVA应用程序，音响设计者可以配置一些Meyer Sound产品，且在操作环境下随意定义各项指标——包括空气温度、压力、湿度以及位置、墙面组成成分等。设计者进行预测时，数据先通过网络传到远程服务器，远程服务器利用高分辨率、复合（幅度和相位）极坐标数据，运行一个比较复杂的声学预测运算。在标准消声环境下，MAPP在线采用的扬声器数据其频率分辨率可达到1/24倍频程，角分辨率达到1°。测试好的数据通过网络返回到使用者的计算机上，计算结果是彩色显示的。

MAPP在线声场分析结果包括一张扬声器安装布置图，指定频带内的声能分配图。色谱显示的是声压级，红色部分表明声压级较强，蓝色部分表明声压级相对较弱。

MAPP在线的独特之处是：在声场的任何一个位置都能准确地测出系统的频率响应。频响是虚拟SIM的一个功能，是用SIM系统II对系统进行模拟测试。MAPP的频响测试功能已经在实际应用场所中得到证实，而且频率分辨率在1/24倍频程时，测量结果可精确到±1 dB（参考值范围内）。

频率100 Hz以下时，实际线阵列的驱动器是全向的，但和声音的波长相比线阵列的长度就显得微不足道了。所以实际系统与线阵列理论不相符。400 Hz以上低频单元具有指向性，这也跟理论的假设有冲突。在高频段，所有的实际系统都使用方向波导（号角），方向波导的特性不能用典型的线阵列理论来描述。

简而言之，真正意义上的音频线阵列其几何结构太复杂，以至于“纯”线阵列理论不能进行准确的模拟计算。模拟计算有效的精确度需要计算代码，使用一个具备高分辨率的测量系统来测量实际扬声器复杂的指向性，比如用MAPP在线就可以做到这点。

那就是说，不管连续线阵列理论与实际系统是否一致，线阵列系统仍然是很有用的系统，它们可以实现有效的方向控制，有经验的设计者可以做到让线阵列在远距离投射的场所发挥地很好。

2 线阵列的特点与应用原则

2.1 实际的线阵列系统如何处理高频

图1和图2表明线阵列理论在低频时效果最佳。随着声音波长逐渐减短，线阵列需要许多尺寸更小、距离更接近的驱动器组合以维持其指向性。当然，实践中这是很难实现的要求。比如，一组线阵列需要数百个间隔为1英寸的锥形驱动器，这实施起来有困难。

因此，实际应用中的线阵列系统只在中低频时才像真正线阵列那样工作，对于高频段，可以采取其他一些方式来实现其指向性，使其与中低频的指向性匹配。增强声音最可行的方法就是通过波导（号角）与压缩器耦合来实现。

号角是通过将声音反射成一种特定的覆盖特性来实现其指向性的，而不是利用相长或者相消干涉去实现。设计良好的线阵列应使其高频指向性能和低频指向性具有良好的匹配：垂直指向范围较窄而水平指向较宽（垂直覆盖范围较窄能减少多次反射，有利于清晰度）。如果这一假设能实现，那么波导组件就可以和线阵列结合起来，使用适当的均衡和分频器，高频声波及低频的相长干涉就可用来定位，从而使线阵列系统产生一致的覆盖面。

2.2 把线阵列角度摆得弯曲些，是否可以拓展其垂直覆盖面

在实践中，略微的倾斜线阵列确实有助于覆盖更宽的弧度范围，从而拓展其垂直覆盖范围。实际上，有些线阵列系统，像Meyer Sound 的M1D和M2D，就被称为“曲线阵列扬声器”，因为它们的箱体是特定设计的，允许有弯曲角度，而且曲线状态下能保持最佳性能。然而，曲线阵列扬声器从根本上讲是会引出一些问题的。

首先，如果高频部分的垂直特性较窄，那就需要使用直线阵列，将线阵列摆设的弯曲些会产生声音重叠。其次，在一个更大的区域里线阵列弯曲时可以拓展高频覆盖范围，而对低频没有任何影响，低频能够保持其指向性不变是因为对于长的波长来说这点小弯曲显得微不足道。

图4就表明了上述观点。左边部分是一系列MAPP在线对于曲线阵列的测试图，右边是对直线阵列的测试图。两组线阵列都是用相同的扬声器组成，每个扬声器的结构都是带有一个12英寸的低频驱动器，一个垂直特性为45°的高频号角。

注意左边的图，号角角度更宽则有利于增加高频覆盖范围，但同时也会因干扰而出现明显的波瓣。频率在1 kHz及1 kHz以下时，线阵列仍然保持较高的指向性，这一点遵循了线阵列理论。不过在实际应用中，覆盖范围会产生不均匀的现象。因为随着频率响应在覆盖区的不断变化，这一区域的大部分几乎接收不到低频能量。

右边一系列图表明：一只扬声器，用于曲线阵列中时，其号角具有适度宽度的垂直覆盖范围，但用于直线阵列中其覆盖范围相对表现得较差。当线阵列指向性较高时，1 kHz及1 kHz以上就会出现明显的垂直波瓣角。这些较强的旁瓣能够转移原来覆盖区的能量到别处，因此，会产生很大的混响，从而降低声音的清晰度。

总之，认为任何线阵列都可以从根本上弯曲，且可以达到预期效果，这是不理智的。特殊系统的声学特性在讨论时就必须进行检测，然后再做决定，看曲线结构的线阵列是否能达到预期效果。

2.3 线阵列能和其他型号的扬声器系统能否组合使用

答案是肯定的。 声波不管是直接辐射产生的，还是由波导产生的,它们都是一个接一个地传播，彼此不受影响。只要线阵列系统和其他类型扬声器系统的相位响应匹配，它们就可以组合在一起使用。这种情况下线阵列产生的声波和单独使用线阵列时产生的声波是一样的。它们仅仅是低频驱动器（根据线阵列理论来设置间隔）和高频波导的输出方式而已。因此，有经验的设计师只要用适当的工具，就能把线阵列和其他相容类型的扬声器灵活地组合在一起，用来覆盖短距离投射区域。

在实践中，较大类型和较小类型的线阵列可以很好地组合在一起使用，因为合理的设计图会显示两个类型的相似覆盖图。比如，Meyer Sound M2D压缩曲线线阵列扬声器使用时扬声器之间没有间隔，它是用来覆盖前区的一个系统，经常放在一组M3D线阵列系统之下。

2.4 线阵列在近区和远区是如何表现的

正如我们所见，实际中的线阵列系统通常用在大功率场所，事实上（线阵列音箱）就是利用低频的典型线阵列与利用高频的高指向性波导的组合。因这个混合性质，所以，很难用常规的线阵列理论来测试整个音频频谱。尽管如此，线阵列系统可以合理地用在远区以及相对更近些的区域。

从远区看，线阵列中，单个线声源的输出能够相长地结合，结果输出时看起来像一条声源。图5就解释了这一概念。这张图表明的是分别由2个、4个及8个驱动器构成的线阵列在远区的频率响应情况（以单个全向响应的驱动器作为参考），驱动器间隔0.4 m。注意，整个频率范围运行中，扬声器数量每增加一倍，声压级就会增加6 dB。高频响应较平滑，但是由于空气吸收（20℃的温度，50%的相对湿度），该曲线会出现陡降。

实际上，线阵列在近区的特性较复杂。近区任何给定的点都是在这惟一一个全向高频号角的轴上。结果我们能“感受到”线阵列中大多数扬声器的低频能量。因此，给线阵列增加音箱可提升近区的低频能量，但是高频还是保持不变。

这就解释了为什么线阵列系统需要在均衡上提升高频。在远区，提升均衡能有效地补偿空气吸收掉的高频。在近区，它可以补偿低频的相长，接近高频波导的指向。

2.5 M3D是如何补偿线阵列在实际应用中的不足

图6表明低频线阵列和高频波导是如何结合形成一个性能良好又相容的系统。它显示的是一组由16只M3D扬声器组成的线阵列的指向性。根据M3D的REM(Ribbon Emulation Manifold带状仿真复合音孔)以及恒定指向性号角的优点，高频辐射图和低频辐射图基本匹配。

同时还要注意低频时一些重要后瓣的缺失。这就表明M3D低频定向技术的优势。就像图1中的全向线阵列一样，500 Hz时其实没有垂直波瓣，因为15英寸的单元驱动以及高频号角在这一区域是协调地进行工作，从而抑制了离轴（轴外）区域的能量。

那么，什么情况下可以优先考虑选择线阵列？

一些人不管什么情况下都会建议选择线阵列作为音频扩声的最终解决方案，这样当然是不可行的。一般来说，线阵列最适合应用于一些需要水平覆盖范围较宽的场所，另外，需要远距离投射以及垂直波束相对较窄的情况下也适用线阵列。相比之下，近距离投射的场所，或者其他需要更宽的垂直波束宽度以及更窄的水平覆盖范围时，采用扬声器组合或者常规的“集群”阵列往往会更好。当然尽管较小的线阵列在分布式系统中用得更顺利些，但常规的个体扬声器组合或小集群阵列更能节约成本。