聲場覆蓋技術(shù)的里程碑：EAW自適應(yīng)技術(shù)

 揚聲器系統(tǒng)擴聲需求

　　揚聲器系統(tǒng)作為擴聲系統(tǒng)的核心，是將聲源能量放大并投射至觀眾席最為重要的設(shè)備。當(dāng)代擴聲應(yīng)用分別對揚聲器和揚聲器系統(tǒng)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(yīng)

　　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(tǒng)而言：

　　1. 具有穩(wěn)定性和一致性

　　2. 運輸、安裝、信號連接的便捷性

　　3. 能夠根據(jù)觀眾席幾何形狀提供均勻覆蓋

　　在保持高品質(zhì)聲音還原的基礎(chǔ)上，能否根據(jù)觀眾席的幾何形狀提供均勻覆蓋，是衡量當(dāng)代揚聲器系統(tǒng)優(yōu)劣的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。一套揚聲器系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計師追求的目標(biāo)。

　　3.聲壓級及音色匹配 。即揚聲器系統(tǒng)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(tǒng)直達聲的音色和響度是完全相同的。這是最為理想的狀態(tài)，也是揚聲器系統(tǒng)設(shè)計的最高目標(biāo)，但由于傳統(tǒng)揚聲器的工作原理以及若干條件所造成的限制，這一目標(biāo)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(xiàn)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1/3波長的時間差內(nèi)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(guān)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(yīng)著被考察頻率的1/3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(dāng)?shù)竭_時間晚于1/3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(fù)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(guān)系，也就是改變系統(tǒng)在中頻段(或中高頻段)的耦合關(guān)系，當(dāng)聽音點離陣列較遠(遠端觀眾)時，夾角較小，耦合程度高，當(dāng)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(xiàn)出“J”型，在頂部的箱體之間夾角小，便于覆蓋遠處，呈現(xiàn)出線聲源特性;底部的箱體之間夾角大，便于覆蓋近處，呈現(xiàn)出點聲源特性。因此我們又稱這種陣列為混合線陣列。

 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(nèi)對觀眾席從前到后的位置進行均勻覆蓋，這種技術(shù)也因此成為當(dāng)今擴聲領(lǐng)域的主流解決方案。盡管如此，它距離理想的擴聲系統(tǒng)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(tǒng)對中低頻的控制能力。

　　2. 對于吊裝位置的依賴性和系統(tǒng)可調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)陣列揚聲器之間的夾角(即陣列的物理姿態(tài))來進行覆蓋控制的，那么物理姿態(tài)的極限就是控制的極限、物理姿態(tài)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(xiàn)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(xiàn)有的物理姿態(tài)無法對其進行有效控制(需要更加“極端”的物理姿態(tài))，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(diào)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(diào)整250Hz這個頻段在陣列各個模塊之間的時間關(guān)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(diào)整陣列姿態(tài)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(xiàn)出兩種不同的物理姿態(tài)，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(xiàn)出不同的物理姿態(tài)，這在同一組混合線陣列中是無法實現(xiàn)的。

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

　　『對于吊裝位置的依賴性和系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性』

　　當(dāng)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(tǒng)線陣列來說，陣列吊裝位置和觀眾席之間的關(guān)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?qū)⒛芰坑行У赝渡溥^去。如果吊裝條件無法滿足，則需要陣列呈現(xiàn)出非常極端的姿態(tài)才有可能達到近似的效果。

　　以下兩個系統(tǒng)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(shè)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(tài)調(diào)整至如圖狀態(tài)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(tǒng)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(diào)整陣列物理姿態(tài)獲得了與第一張圖非常接近的覆蓋結(jié)果。

　　▲陣列吊掛高度15米，能夠?qū)?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(tài)才能夠獲得與吊掛15米時相似的結(jié)果

　　我們可以看到，為了獲得較為滿意的覆蓋結(jié)果，傳統(tǒng)線陣列在吊點高度不足時必須以接近極限的物理姿態(tài)來進行安裝。請注意最上面2顆音箱的快插銷已經(jīng)出現(xiàn)了載荷警報，呈現(xiàn)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(xié)。

　　同樣，如果在系統(tǒng)搭建和調(diào)試的過程中需要調(diào)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(diào)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(tǒng)線陣列來說是不可避免的，也是系統(tǒng)工程師習(xí)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(xiàn)，但是現(xiàn)場的情況往往是十分復(fù)雜的，系統(tǒng)的設(shè)定和安裝往往不可能一步到位，因此一套便于進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)能夠極大地提升覆蓋精度，提升系統(tǒng)實施的工作效率。

 自適應(yīng)系統(tǒng)如何克服混合線陣列的局限性 

　　EAW自適應(yīng)系統(tǒng)非常完美地解決了以上問題。得益于垂直陣列的設(shè)計和通過DSP計算來調(diào)節(jié)各個換能器在各頻段時間關(guān)系的工作原理，使得自適應(yīng)系統(tǒng)能夠在不損失音質(zhì)的情況下實現(xiàn)非常極端的覆蓋。不僅如此，在自適應(yīng)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(shù)與設(shè)計階段略有不同，或一個演出場地某些區(qū)域不再開放，或者僅僅需要聲音覆蓋躲避特定的區(qū)域等)，如果需要對聽音面的覆蓋情況進行調(diào)整，只需要在控制軟件中通過鼠標(biāo)拖拽的方式進行覆蓋參數(shù)的改變即可完成，高頻覆蓋調(diào)節(jié)的精度可高達0.5米。這極大地提升了施工和調(diào)試的效率，使得系統(tǒng)工程師、調(diào)音師和觀眾不再因為揚聲器系統(tǒng)的原理限制或者場地條件的制約而做出妥協(xié)。

　　▲CCTV《典籍里的中國》錄制現(xiàn)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(wèi)視跨年演唱會，根據(jù)疫情防控要求在控制軟件中調(diào)整系統(tǒng)的覆蓋面

　　總的來說，EAW自適應(yīng)系統(tǒng)利用自身高精度的物理結(jié)構(gòu)和高精度的自適應(yīng)算法，能夠在不影響音質(zhì)的情況下針對不同的頻段調(diào)節(jié)換能器之間的時間關(guān)系。這種開創(chuàng)性的技術(shù)不僅擴展了揚聲器系統(tǒng)可控的頻率范圍 ，有效改善了揚聲器系統(tǒng)在觀眾席幾何聽音面上的音色一致性 ，還解決了傳統(tǒng)線陣列物理姿態(tài)在系統(tǒng)設(shè)計、實施和調(diào)試上的制約，提升了 控制精度和實施效率 。EAW自適應(yīng)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)線陣列的技術(shù)極限，是友好的、面向未來的高品質(zhì)擴聲系統(tǒng)解決方案。