[基础知识] 小型直线阵音柱的频率响应分析

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发表于 2018-9-12 16:27 | 显示全部楼层
这里所说的小型线阵音柱是指家用及较小的室内使用的,有别于室外及大型场所使用的那种堆积式的阵列。

先通过仿真建立一个工作空间。音柱是由15只3吋(振膜直径约60mm)单元直线排列构成,单元中心间距为85mm,总长约1.2米。
为了能准确体现出音柱的跟本特性,所用的单元都设定为阻抗及轴向频响是完全平直的。

在图1中,音柱各单元是无加权即强度相等的(串联、并联、5X3、3X5连接方式)。在音柱中心点前方1.5米、2米、2.5米、3米处设置了4组(A、B、C、D组)测试点,每组分为5个垂直方向等间距的测试位置(0、1、2、3、4位置,考虑到音柱声场是对称的,所以只测试轴线一侧就够了)。
由此构成了测试阵列,可以较好的观察和对比这一范围内的频响及指向特性。
直线阵频响分析(无加权).jpg
【图1】
对应图1的频响测试如下(图2)。
无加权-ABCD组-SPL.jpg
【图2】
从这组响应图中看得出,总趋势是在超过某频率时,声压呈3dB/oct滚降,且在中高频段充满“梳状”起伏。
我们尝试用一个斜率滤波器来进行补偿(图3),把轴向(2m处)的响应经过滤波器使之尽量的均衡看看。
无加权-频响矫正(2m).jpg
【图3】
这样的结果会令听感很浑浊。再用同样的滤波器处理B组(2米处)的频响看看。
频响矫正(B组).jpg
【图4】
看得出,各个位置上的这种“梳状”起伏都很严重且“梳齿”位置还不相同。这样的频响简直无法做处理。

再看看指向性图(图5)。
无加权-指向性.jpg
【图5】
可以看到,无论在哪个距离上自500hz起声场就出现了强副瓣,这些副瓣在房间内会由底板及天花板的反射使听感恶化。

这是在各组距离上的指向映射图(图6),它反映出在整个频带内的指向特性(主瓣及所有副瓣的强度及分布方位)。
无加权-指向映射.jpg
【图6】
总的情形是,280hz以上开始出现副瓣(此频率的波长与音柱长度相同),4000hz开始出现强副瓣随后声场碎片化(此频率的波长与单元中心间距相同),指向趋势是距离越远指向越窄。

至此,您对音柱还有信心吗?嗯?

同样还是这个音柱结构及测试阵列,我们把各单元的信号强度做个加权处理(函数加权)看看。
在图7中,把所有单元的输入强度,按照汉恩窗函数曲线分为了5个级别(见图中单元标出的分贝值,中心部分最强两端最弱)。
直线阵频响分析(汉恩5级).jpg
【图7】

其对应图7的频响测试如下(图8)。
汉恩5级-ABCD组-SPL.jpg
【图8】
总趋势同样是在超过某频率时,声压呈3dB/oct滚降,但在一定范围内中高频段没有“梳状”起伏了。
作为对比,我们同样用一个斜率滤波器对轴向的响应来进行补偿(图9)看看。
汉恩5级-频响矫正(2m).jpg
【图9】
这样的结果很不错吧?当然,这只是轴向的频响,看看整组(B组)经过滤波器的情况(图10)。
频响矫正(B组).jpg
【图10】
看得出,至少在(0)、(1)、(2)位置上,使用简单的斜率滤波器就能保证3dB内的平直响应(实际宽度为音柱长度的约0.7倍)。

这是指向性图(图11)。
汉恩5级-指向性.jpg
【图11】
4000hz以下的波瓣“光滑”完整、没有副瓣,4000hz以上出现因单元间距引起的副瓣。

再看看指向映射图(图12)。
汉恩5级-指向映射.jpg
【图12】
约在300hz时指向开始收窄,4000hz开始出现强副瓣随后声场碎片化,指向趋势也是距离越远指向越窄。

由此可见,使用窗函数加权的单元网络,完全可以避免普通音柱(等强度音柱)所特有的“梳状”频响。
在此使用的汉恩窗函数,只是因为它最具代表性,可使用的窗函数有好多种(如高斯窗、凯瑟窗等),普遍有着良好表现(试验过几种窗函数,表现都不错,仅是指向性有些微秒的变化)。

这里需要说明的是,即使能用滤波器把频响做的基本均衡,但在上述的音柱结构中(即中心间距85mm)4000hz之上的声场碎片化了,这会在听感上有明显的浑浊感。所以在实际应用时,最好把4000hz之上切掉,由另外的高音单元来承担(就是二分频)。而最根本的方法还是使单元中心间距变小——使用更多的、更小口径的单元来制做音柱(比如用30只1.5吋的单元做成的与此例同长度的音柱,其声场碎片化的频率就升至8000hz,这对听感的影响就很小了)。

下面说说给此例音柱使用汉恩函数加权的具体方法。

(图13)首先画一条汉恩窗函数曲线(红色)。可以用CAD类制图软件依照公式画一条,或直接复制图片按比例缩放(公式及图片见帖子http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1265269)(关于家用音柱——小型线阵列音箱 图7b)。曲线截止于-13dB就够了。
汉恩5级加权网络制定.jpg
【图13】
然后,把喇叭单元以等间距排在下方,然后依照单元的中心位置向上找到对应的函数曲线的值……(咳,看图就能明白的事就不多解释了,咱搞DIY的都不笨)

然后按单元对应的值做个表格(图14)。
汉恩5级加权表格.jpg 【图14】
然后,依据这个表格的数据先画出电路A,进而变为B……(见图15)。
汉恩5级加权网络电路制定.jpg
【图15】
注意图中电阻的单位并非具体数值,而是单元阻抗的倍数(比如3.33xR在使用4欧单元时就是3.33x4=13.3欧)。

对于使用“短路环”工艺的喇叭单元来说,其阻抗曲线较为平直,可直接用电阻作衰减,但对阻抗曲线随频率上升的喇叭单元来说,就必须在电阻上串联一个电感来平衡单元的阻抗(见此帖子《家用小型化弧线阵列音箱(CBT音柱)》的图13)(http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1365777),电感值与单元的电感量相关。

这里介绍的只是连接方式之一。每个不同单元数量的音柱都有多种不同的连接方法(发挥想象力吧),可视其单元数量、阻抗、损耗等指标去权衡选择。
当然,达成函数加权还有其它方法,最NB的莫过于用多声道功放为每一组单元(甚至每一只单元)提供单独驱动。其实这也是挺现实的,T宝上多声道的小功放板有许多,用它来做加权处理再简单不过了。

最后说说关于仿真模拟程序(L6,坛子里有)的情况。

之前做过许多真实的线阵音柱的试验,用仿真模拟来对比真实数据看,还是很有可信度的。尤其是在中高频段,模拟的相当精准。
但在低频段上也存在一些小问题,主要表现就是它不能有效模拟音柱在低频截止区域的实际情况。
究其原因很可能是,它把每个单元的辐射阻抗(电-声效率)设定为固定值了,即不受环境影响。但实际情况却是,当两个单元靠近时,因其耦合作用会令辐射阻抗有所升高。
这个情况在单元数量很少的音箱上(二、三分频)表现极不明显,可以被忽略,但在阵列式或使用多只单元的情况下,总体辐射阻抗会随着单元数量的增多而发生明显的变化。这个变化的外在形式就是,频率越低其整体辐射阻抗就趋于降低,当低于以音柱长度为波长的频率后,辐射阻抗会迅速回归到正常值(相当于迅速降低了)。这样声压就会下降一个台阶,有些像“障板效应”那样。
当然,这个仿真程序毕竟(主要)是为设计普通音箱而做的,能模拟几十个单元协同工作已实属不易,不能太苛求啦(当然不敢苛求!本来就是拿来研究研究的嘛)。

补充内容 (2018-9-21 16:51):
补充:使用汉恩窗函数加权的直线音柱的一些基本特性及应用要点
这是此文的一些总结。因不能再编辑,就发在楼下了(21楼)。

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好帖好帖,营养帖!

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拜读了,很好的分享,内容丰富。

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发表于 2018-9-12 22:22 | 显示全部楼层
楼主能不能模拟一下4x4的组合,我感觉这个比音柱能好些

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 楼主| 发表于 2018-9-13 12:38 | 显示全部楼层
mogu1986 发表于 2018-9-12 22:22
楼主能不能模拟一下4x4的组合,我感觉这个比音柱能好些

16单元与15单元只是音柱长度增加了85mm,除低频端下移了一点(287hz下降到268hz)没有多大区别。

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发表于 2018-9-13 14:31 | 显示全部楼层
linsong007 发表于 2018-9-13 12:38
16单元与15单元只是音柱长度增加了85mm,除低频端下移了一点(287hz下降到268hz)没有多大区别。

不是音柱,是这种矩阵排列
timg.jpg

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 楼主| 发表于 2018-9-13 17:35 | 显示全部楼层
mogu1986 发表于 2018-9-13 14:31
不是音柱,是这种矩阵排列

哈哈!“定向广播”!心里战工具之一。主要利用其尖锐的指向性能把声波传的很远。但它也是使用强度加权处理的(中部分心强、边缘弱),不然对目标周边的影响很大(且作用距离也下降了)。
原理上与咱们这个音柱基本一致,不同处在于,中高频段的频响滚降不是“-3dB/oct”而是“-9dB/oct”,这是线阵列与面阵列的区别。

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发表于 2018-9-13 23:28 来自手机端 | 显示全部楼层
linsong007 发表于 2018-9-13 17:35
哈哈!“定向广播”!心里战工具之一。主要利用其尖锐的指向性能把声波传的很远。但它也是使用强度加权处 ...

中高频从哪里开始滚降呢?我想在家里做一套这种东西,搭配高音,不知道可不可行

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 楼主| 发表于 2018-9-14 00:26 | 显示全部楼层
mogu1986 发表于 2018-9-13 23:28
中高频从哪里开始滚降呢?我想在家里做一套这种东西,搭配高音,不知道可不可行

滚降点与阵列长度、位置距离、加权量都相关联,不那么好说。 不过,面阵列不适合家用,真的不适合。

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mogu1986 发表于 2018-9-13 23:28
中高频从哪里开始滚降呢?我想在家里做一套这种东西,搭配高音,不知道可不可行

大概滚降频率为声音速度除两喇叭中心距离.

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发表于 2018-9-16 11:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 koale 于 2018-9-16 11:56 编辑

007发帖必精!营养专家!
每次看007的贴都能有所收获,007关于音箱的探索目前可以写本书了,系统全面阐述下,让同学们学习起来更方便。
希望能列入计划日程。

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 楼主| 发表于 2018-9-16 21:31 | 显示全部楼层
koale 发表于 2018-9-16 11:51
007发帖必精!营养专家!
每次看007的贴都能有所收获,007关于音箱的探索目前可以写本书了,系统全面阐述 ...

谢谢鼓励!真的过讲了,我也是在不断学习、实践、总结当中,离系统全面还有些距离……会努力的。

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 楼主| 发表于 2018-9-16 23:41 | 显示全部楼层
gorran 发表于 2018-9-16 11:50
大概滚降频率为声音速度除两喇叭中心距离.

滚降频率点是与音柱的总长度呈反比,就是某个系数除以音柱长度。但这个系数在不同的测量位置上、在不同的函数加权强度情况下变化很大(相差超过一个倍程的频率)。
以往的文献中极少涉及这一点,即便有一些相关分析计算也是等强度音柱且基于远场的(音柱的近、远场是指临界距离的内外,有别于扬声器的近、远场),在几米的范围内是很不准的。
确实有必要把滚降频率点的计算方法整理出来,我试试看。

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发表于 2018-9-18 11:22 | 显示全部楼层
大侠你好,我想用一寸喇叭做个音柱,想做个桌面上用的,做30公分左右高度,一边10个,会不会太矮了,做好有没有效果

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本帖最后由 timon1980 于 2018-9-19 09:36 编辑
linsong007 发表于 2018-9-13 17:35
哈哈!“定向广播”!心里战工具之一。主要利用其尖锐的指向性能把声波传的很远。但它也是使用强度加权处 ...


我一直不理解这种“音柱”存在的意义是什么,我觉得让这个音柱合理的发声,除了楼主你说的强度处理,应该对各单元分别做相位控制,这样就能随意有效的控制指向性了。但也是一种功能性的应用,最大名鼎鼎的例子“相控阵雷达”。这和HIFI没有任何关系啊??


配图:一个8X8的相控阵仿真。
xk.jpg

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 楼主| 发表于 2018-9-20 00:13 | 显示全部楼层
timon1980 发表于 2018-9-19 09:26
我一直不理解这种“音柱”存在的意义是什么,我觉得让这个音柱合理的发声,除了楼主你说的强度处理,应 ...

这种形式叫平面阵列,主要作用就是为形成一个很窄、很强的波束(就像探照灯那样)。可用于雷达(微波)、声纳(超声波)及音响(声波)系统,虽然它们辐射出的“东西”不同,但波的叠加、反射、衍射、绕射等等相关原理一模一样。
最早(也是最简单)的平面阵列就是个单元等强度的nXn,正前方主波瓣有最强波束,但缺点是在旁边有较强副波瓣,这不但影响性能还降低了效率。后来采用了强度加权技术才真正发挥出了它的作用,再后来又有了相位控制技术,不但可以让它任意该变辐射方向,还能改变波束宽度(典型应用就是相控雷达、水下声纳探测)。
感慨什么技术都是最先用于“killing”。阵列技术起于90年前,成熟于本世纪,在军事上已被广泛应用,但在民用(音响)领域却基本处在上个世纪的水平。也不奇怪,真正会玩阵列的人为国效力还来不及,谁会搞这个“夕阳红”的音响产业呢?所以,重任就落在了我们这些HIFI DIY肩上了……(乱扯了

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 楼主| 发表于 2018-9-20 00:29 | 显示全部楼层
杨仔0123 发表于 2018-9-18 11:22
大侠你好,我想用一寸喇叭做个音柱,想做个桌面上用的,做30公分左右高度,一边10个,会不会太矮了,做好有 ...

虽是桌面用,30cm是矮了点,建议40cm以上……看看这个,它用的就是一寸单元,做个参考吧。
http://bbs.hifidiy.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1365777

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