恒定声束宽度（CBT）的弧面音柱 —— 多文字、多图，超长。认真看，必有所获。

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恒定声束宽度（CBT）的弧面音柱

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向音柱扬声器DIY友们介绍一种成熟的新型音柱制做方法。这种CBT弧面音柱控制了地面及天花板反射对声场的扰动，在较大的区域里保持了声场均匀及频响平直。DIY友只需照抄弧面音柱的尺寸及简单的电阻衰减电路，就能分享到这种恒定声束宽度音柱带来的好声音。

CBT音柱概述
传统音柱是一种应用广泛扬声器系统，它可改进常规扬声器系统的性能，可使周围环境中的声场分布更均匀、频响受垂直位置的影响较小，可获得较好的音质。
受相控阵雷达广泛而成功应用的启发，声学从业者开发出了“恒定声束宽度换能器（CBT）”即“Constant Beamwidth Transducer”的简称。源于美国海军在1970年代的水下声纳研发项目，实现了不受频率和距离影响的均匀声场。唐.基尔（Don Keele）等人在2000—2010年期间在AES发表一系列论文把CBT技术用到了专业扬声器及家用扬声器系统里。而高端家用扬声器系统-CBT36（36°弧面CBT音柱）就是这些开发成果之皎皎者[1][2]。

下面是一组铅垂面中 3M X 4M 区域内声场强度的仿真分布图。从中可以看出不同频率驱动下四类音箱（点声源距地面1M、两路两分频系统、直线型音柱地面置放、CBT36°弧形音柱高度1.5M地面置放）的声场分布情况。图中以色彩的明亮代表声场强、深暗代表声场弱。
图１．各类音箱声场分布情况的对比


图1－1．点声源距地面1M


图1－2．两路两分频系统


图1－3．直线型音柱-1.5M高-地面置放



图1－4．36°圆弧CBT弧形音柱-1.5M高-地面置放（CBT36）

由图中可十分清楚看到，在不同频率下，只有CBT音柱的声场分布几乎是垂直均匀的，发射出的声波被限制于同样的张开角之内。这样的声场分布情况带来了以下三个特点：
        1。非常均匀一致的频响，在观测点由上至下、由左至右、由近及远都能测得均匀频响。
        2。消除了有害的地板反射并大大减轻了天花板反射的干扰。
        3。消除了近场的声压剧烈变化，在较大的区域内有着均一的声压。
这些特点显示，CBT技术大大减轻了环境状况对音箱系统的影响，使音箱与环境“友好相处”。将为全面提升音质带来巨大的空间。

CBT技术的关键是实现众多声源统一地逐一精确控制，包括声音信号的强度控制和相位控制。下面图2. 解说了CBT音柱与常规音柱结构上的区别。



图2．CBT音柱与常规音柱结构

由图2．中可见：
*左侧为常规音柱，驱动单元或并连或串连在音柱前平面上一字排开，每个单元以同样的信号驱动。
*中间的是“直线CBT音柱”，驱动单元也在音柱前平面上一字排开，但每个单元的驱动信号有不同的延时和衰减，延时器产生“相位调控”，衰减器则实现了“信号强度加权”功能，这样就实现了声束的方向及宽度控制。
*右边是弧面CBT音柱，驱动单元安装在圆弧形的前平面上。上、下侧单元退后安装增加了声波传送的距离，使驱动信号有了不同的延时，越靠边延时越长（相移越大）。而单元的驱动信号还需加衰减器实现的不同衰减值来做信号强度加权。
所以弧面CBT音柱无需再为相位控制而操心，利用圆弧面形成的天然相位（延时）状态，只要对每个单元的驱动信号进行适当衰减实现信号强度加权分配。

此外，弧面CBT音柱可以利用地面反射效应使其尺寸倍增，同时消除地面反射带来的声场扰动。
悬空型CBT音柱，中心位置单元的驱动信号最强，靠外边单元的驱动信号就要逐步加以衰减。而立地型CBT音柱，靠底部位置的单元的驱动信号最强，靠近顶部位置单元的驱动信号最弱，居间位置单元的驱动信号就要适中地衰减。


图3．悬空型及立地型弧面CBT音柱

由图3．中可以看出：
A）标注了信号强度加权衰减值的悬空弧面CBT音柱。
B）地面放置标注信号强度加权衰减值的弧面CBT音柱。
C）利用地面反射倍增尺寸的地面放置弧面CBT音柱。
归纳以上所述弧面CBT音柱的技术特点是：1）用弯曲弧面实现声波的渐变延时；2）用衰减器实现信号强度加权；3）地面放置可把地面反射化害为利。

实现恒定声束宽度的信号强度加权方法
把驱动单元装到弧状弯曲面板上以后，已实现了一定的相位调控，CBT音柱只需调整每个单元的驱动信号（或称信号强度加权）。就能使声场分布与信号频率无关。
唐.基尔在弧状弯曲面板的相位调控状态下，计算出了实现恒定声束宽度的信号强度加权规律。图4 就是36°圆弧（72°圆弧的半幅）恒定声束宽CBT音柱的信号强度加权曲线的理论值。图中所示的红色曲线代表了信号强度加权的理论数值。曲线起自音柱底部的0DB衰减（左），缓慢降至音柱顶部的-13.5DB衰减（右）。图的下方横座标轴示出了18个单元的顺序位置。
        只要不同位置的每个单元都按照红线标出的纵座标数值来衰减，就是张角为36°的弧面CBT音柱最好的信号加权方案了。但这样一来每个单元都需配置独立衰减器，成本偏高了。幸好，实践证实：将众单元分为数组，每组采用统一的衰减值，就可以接近理论数值信号加权的效果。



        图4．36°圆弧恒定声束宽CBT音柱的信号强度加权曲线

每只CBT36 音柱使用了18个单元，每个单元占用2°的弧面。图5表达的是台阶式CBT36音柱信号加权方案。图中，用兰色折线近似替代红色曲线，就是一种CBT36的实用简化方案，它可以满意的实现恒定声束宽度的目标。



图5．台阶式CBT36音柱信号加权方案

把18个单元分为5组，通过各组单元与电阻间的电路串串并并连接，就可实现图中兰色折线所需的信号强度加权。它几乎是一种最简单而精确的18单元CBT36 音柱信号加权电路。图6画的是全频单元CBT36接线图。单元的标称阻抗都是8Ohm，只需加4个功率25W的电阻（图6中是由两只12W电阻并联组成）：0.75Ohm、1.0Ohm、1.5Ohm、2.5Ohm，就能实现5组不同的衰减量。



图6．全频单元CBT36接线图

分组情况也可由表一．来表达。

表一．        弧面CBT36音柱信号强度加权分组表

组别        单元数量（序号）        衰减量       单元信号测定（输入3V信号时测量值）
第1组（底部）  6只（No．1-6）         0 DB          1.00 V
第2组        4只（No．7-10）        -2.5 DB        0.75 V
第3组        4只（No．11-14）       -4.5 DB        0.60 V
第4组        2只（No．15-16）       -8.0 DB        0.40 V
第5组（顶部）  2只（No．17-18）      -11.0 DB        0.28 V

利用以上成果，做出了张角为36°的弧面CBT音柱，简称“CBT36”。



弧面CBT36音柱的箱体
图7是采用全频单元的单声道弧面CBT音柱的箱体结构图。



图7．全频单声道弧面CBT音柱的箱体结构图。

前面板、后板用5mm—8mm厚的高密度纤维板制成，为了实现弯曲成弧形，密度板不能太厚。侧板及加强筋则用16mm—20mm厚的密度纤维板制成。为实现地面稳固放置，箱体需（用L形金属件）固定于足够大的底座上。这类音柱通常选用密闭式箱体内加吸音棉，从而对驱动单元的声学参数的要求相对宽松，当今市场上许多3－4英寸的单元都可采用。
其实箱体后部也不一定要做成弧形。图8．就是其它形状箱体的的例子。



图8．其它CBT36箱体形状

驱动单元选取
弧面全频单元CBT36音柱对驱动单元的要求并不高。外形尺寸要求并排安装时中心距离小于等于9.3CM（3.67英寸）即可，通常3英寸或3.5英寸的全频单元就可适用。单元参数方面主要是频响，当然尽可能平直为佳，高频端最好能接近20KHZ，低频端能配接低音炮即可。其他参数：标称阻抗须为8Ohm，才能适合图15的信号加权电路；Qts范围0.4－0.5，Vas约1.5升左右……。如果要使用4英寸的全频单元，可将箱体尺寸按原形状稍微放大一点，前面板能装得下18只单元为度。若不愿意放大箱体尺寸，将上下相邻的4英寸全频单元位置左右方向适当地错开也可以，弧面宽度是足够的。
其实，相当多的DIY友有能力自行设计电阻衰减器。所以完全可以舍弃“图6全频单元CBT36接线图”和“表一弧面CBT36音柱信号强度加权分组表“，按照图4中36°圆弧恒定声束宽CBT音柱的信号强度加权曲线自行选定全频单元的数量，以新的单元数量重新均分横坐标，由此来设计电阻衰减器和接线图。这样一来，单元选取范围可上达6英寸（9只单元）。
当前市场上适应数字音频的3－4英寸全频单元为数众多。例如3英寸全频单元 TB W3-593S……等 就基本符合上述这些条件（频响范围110HZ—20KHZ）。
唐.基尔推荐的全频单元为3.5英寸的Dayton Audio ND91-8 3-1/2"，频响范围70HZ—17KHZ。

        
图9高音单元外形.JPG

为补足高音及改善水平覆盖性能，在最新的型号中，他在音柱里加了一组高音，构成两分频的CBT36系统[2][3]。高音单元选用的是 Dayton Audio ND13TG-8  3/4"，这是一款专为CBT音柱所设计的超小尺寸的高音单元，外形见图9  4只小单元一字排开2串2并组成一个组件，保持了与一个单元相同的8Ohm阻抗，该组件长度小于9CM，适合安装在两分频弧面CBT36音柱上。这一串小高音单元和（全频）中音单元并列安装，就组成了两分频弧面CBT36音柱。两分频弧面CBT36音柱外形见图10。



图10 两分频弧面CBT36音柱的外形


两分频CBT36音柱的安装过程（全频单元CBT36同样适用）
下面是两分频CBT36音柱的安装过程的图示。
先检查零件　――＞　面板安装　――＞　处理箱体　――＞　面板单元接线及检测　――＞　面板与箱体合成一体　――＞　箱体杂音检测。合格，OK。



图11． 面板安装



图12． 箱体安装



图13．面板接线及信号强度加权测

这是完成信号加权电路接线任务后必需进行的在线测试检查。核对加权电路。
把3V的1KHZ信号送入音柱，各组中每个单元上的信号参看（表一）最右列的数据。例如：第一组中每个单元上的信号为1.00V，第二组中每个单元上的信号为0.75V……。所有单元的信号电压检测无误，方可把面板安装到箱体上。



图14． 面板安装到箱体

音柱的安装完成后，还要作一个箱体杂音检测。因为音柱部件数量及安装点比较多，容易漏有疏忽。这虽是一项特殊测试，但对其它种类音箱安装也很有用。
把正弦扫频信号（来自发生器或应用程序）经过功放送入音柱，作 50HZ—20KHZ 的自动扫频，应听到舒适纯净的简谐正弦声。 缓慢增大功放增益，有可能听到到扫频信号中夹有嗡嗡、吱吱、嘎嘎……等杂音。若无杂音，继续增大信号直到 15Vrms （或达到音箱的最大承受功率）。若发现杂音，改为缓慢手动调节扫频，找到杂音最大时的频率位置，把儿朵靠近音柱，认真搜索杂音来源，确定产生杂音的位置或部件。查查是否有螺钉、零件松动或缝隙振动。通常采用紧固或重新拆装来发现问题，予以克服。

有关分频器的问题
全频单元CBT36音柱接入简单的信号加权电路就可很好的工作了，通常不需要均衡及分频器。
两分频CBT36音柱则需要分频器来实现中低频与高频的衔接。增加高音通道对音柱的水平声场分布会带来一些变数。唐.基尔经过研究，建议采用分频频率为 1KHZ 的有源分频系统，以实现全面优化，达到HI－END的程度。详细过程可参阅参考资料[3]，内中介绍了成品分频器 Behringer DCX2496 配合CBT36音柱的过程。
对熟悉音箱DIY的朋友而言，原则上自行设计两分频CBT36音柱的无源分频器也是可行的，但需考虑对音柱的水平声场分布带来的影响。是骡子是马则看DIY友的自行发挥了。

现场声学性能测试
对已安装完成的两分频CBT36音柱，唐．基尔做了大量的现场测试。



图15 坐姿 频响—距离



图16 立姿 频响—距离

由图15、图16中可见，声场确实很均匀，而且在垂直面内各处都能测得平直的频响。

结语
DIY这种成熟的CBT36音柱，有关DIY过程中的细节：器材设备、工具准备、箱体、单元及部件的检测、整体组装、初步测试……等内容，参考资料里有一份100多页的PDF说明手册[3]，对其做了非常详细的解说，本文多张图片，摘自其中。通常，一般电器的初级DIY友，初次DIY音箱，也有可能在17小时内完成DIY。而进一步的分频器设置、整体声学测试及调校……等，则需要有一些DIY音箱系统的经历，方能顺利进行。但这也仅是仁者见仁智者见智的了。


参考资料：
[1] D. B. Keele, Jr. and D. J. Button, “Ground-Plane Constant Beamwidth Transducer (CBT) Loudspeaker Circular-Arc Line Arrays.” presented at the 119th Convention of the Audio Engineering Society, Preprint 6594 (Oct. 2005).
[2] D. B. Keele, Jr., “A Performance Ranking of Seven Different Types of Loudspeaker Line Arrays,” presented at the 129th Convention of the Audio Engineering Society, Preprint 8155 (Nov. 2010).
[3]CBT36K Assembly Manual
http://www.parts-express.com/pedocs/manuals/301-980-audio-artistry-inc-cbt36k-manual-5179.pdf


----------- THE END -----------------------

918gz

怎么只能看到第一张图，其它的都打不开

71sh

我也是。等看图。

okk

918gz 发表于 2014-3-30 21:35
怎么只能看到第一张图，其它的都打不开

俺打开也只看到2张图。可能是网速的问题。使用光纤的DX，是否能看全呢？

wfllsw0

okk 发表于 2014-3-30 21:45
俺打开也只看到2张图。可能是网速的问题。使用光纤的DX，是否能看全呢？

反正一楼的图只看到一张，俺之前发帖也是图片显示不全或不显示的问题。。。应该和网速无关，除非之前一直都不能上图。。。

jiujiangqu

记号。

Julien

呵呵，几年前看过，挺好的

okk

网速不佳时做编辑活，越编越乱。
总算编毕。

剧院之声

okk 发表于 2014-3-31 13:08
网速不佳时做编辑活，越编越乱。
总算编毕。

译的好，编的好，顶版主！

danados

OK版这文章译的太好了，看来又要在论坛掀起一片做音柱的热潮了~~~~~~

赶紧买喇叭去，不然就要涨价了~~~~~~~

kingcole

不错的方法！
水平面内不同角度的相关频响测试有么？
从这个设计是否可以引申至水平和垂直双向弧面的设计？甚至是球面？

lxy001

哪位大人推算下反向弧度呢 什么效果

我来也

lxy001 发表于 2014-4-1 21:34
哪位大人推算下反向弧度呢 什么效果

不用推算，反相弧度是点音源，属于不同范畴的设计了。

kingcole

像Seas的 h1499高音，面板的浅波导也是用来改善空间的频响，波导是圆形所以垂直还是水平方向都能改善，而且更多的是改善直达声。而这个弧形音柱看样子更多的是改善时间空间内能量的均衡分布，如果测量瀑布图估计不会太好看（pdf里貌似没有瀑布图），而从频响曲线的锯齿看到多单元的声干涉也未能完全克服，只是单元多了或衰减分段更细了，锯齿更密幅度更小，频响总体趋于平直（用平滑处理更容易看）。
这种弧形音柱的结构，在垂直方向无论那个位置至少有一个单元的轴向对准，所以垂直离轴频响是保证了；而在某个恰当水平高度的前后距离内，近距离时被音量较低的单元对准，远距离时则被较大音量的单元对准，所以声压（能量）均布是保证了
不知道单纯直达声频响均匀 与外加频响空间能量累积均匀 那个更好听？
而真正的点声源在传播距离方向上能量肯定不是均衡的

yinzhiji

这个要好好学习

hxy999

很壮观啊，记号慢慢学习

stillstone

这类音柱在小房间会有优势么

okk

kingcole 发表于 2014-4-1 21:31
不错的方法！
水平面内不同角度的相关频响测试有么？
从这个设计是否可以引申至水平和垂直双向弧面的设计 ...

水平面内全频单元音柱应和单个单元柱接近，两分频则是靠近的小尺寸单元情况。
这个设计就是从水平和垂直双向弧面的水声学成果简化而来的。