內容 | 封志剛 (Ph.D.) 、李睛、 張馳
來源 Bose Professional
下一代線性陣列揚聲器技術如何創造全新的劇場擴聲體驗？
據統計，從2000年起，全國平均每8.5天就出現一座新的劇場；2020年底，全國共擁有2690多座專業劇院/劇場。我國劇場劇院發展迅猛，逐漸成為推動藝術市場繁榮發展的重要力量。但傳統線陣列卻由于建筑聲學條件，如反射和混響，以及陣列化和增益的影響，往往難以滿足現代化劇場劇院的擴聲需求，由此一種全新的陣列揚聲器理論和技術——漸變指向性陣列便應運而生。
傳統線陣列應用于劇場劇院所存在的問題
傳統的線陣列音箱主要是為大型戶外搖滾音樂會而開發的1)，這種演出的場地大、觀眾多，導致聲壓的遠距離傳輸損耗問題嚴重。該系統對這類應用很有效，因為線陣列揚聲器陣列位于舞臺的兩側，使得大部分觀眾都處于垂直于揚聲器陣列的主要覆蓋區域內，水平覆蓋范圍足夠寬，以便為所有現場觀眾提供足夠的聲能量，包括舞臺兩側以及正面的觀眾，這已經成為巡回演出擴聲應用領域的標準。
但當我們將傳統線陣列模塊構建揚聲器系統用于室內擴聲的固定安裝時，卻存在兩個重大問題2)3)。
第一個問題是，傳統線陣列的非預期使用，使得不同輻射方向上的頻率響應差別很大。為了適應室內觀眾座位布局，揚聲器陣列必須掛高，由此具有很大的垂直覆蓋角，觀眾不再位于傳統線陣列的主要輻射平面，而傳統線陣列模塊的角度通常為0度，陣列的下半部分音箱必須散開形成一個有弧度的形狀(J形陣列)，以覆蓋增加的垂直角度，音箱間出現間隔和縫隙，會造成聲干涉即梳狀濾波效應。而陣列的上半部分也要求形成一個弧形的形狀，而不是直線，以避免耗散多余的能量。同時，由于室內觀眾的分布，必須對不同模塊進行增益調節，否則會造成近場觀眾區聲壓級過大，遠場聲壓級過小的問題，增益調節進一步影響聲場分布和音色平衡4)。
第二個問題與水平覆蓋控制有關。傳統線陣列具有寬廣的水平覆蓋，滿足大型戶外場地的擴聲需求，但這一特性在固定安裝的室內環境里造成來自側墻和天花板的聲反射，極大影響主觀眾區內的音色平衡性和清晰度。
由此，我們迫切地需要一種全新的陣列技術解決這些問題，能在室內固定安裝項目中呈現理想的擴聲效果。
漸變指向性陣列的定義
當構成揚聲器陣列的模塊各自在水平和垂直方向均有獨特的輻射角度，以適應目標區域時，就可以選擇每個模塊的角度，從而幫助補償每各模塊間的距離損失。這樣做是很自然的，因為向近場觀眾區輻射能量的模塊需要寬廣的方向，而指向遠場輻射的模塊則是相反的要求。輻射角度越窄，指向性指數就越高。有了這個概念，室內建筑聲學的影響可以消除，從而獲得預期的而且一致的頻率響應。使用新型導波管來消除模塊間的相位抵消也同樣重要，因為相位抵消也同樣可以劣化在陣列覆蓋區域內的音色平衡的一致性。
由此，Bose Professional提出了一種新型陣列揚聲器系統，稱為漸變指向性陣列(Progressive Directivity Array ,PDA)，用以實現上述特征和要求。這就建立了一種全新的陣列揚聲器系統類別，并且相比于現存的線陣列揚聲器系統能夠為劇場等室內擴聲提供更好的性能。
圖 1：不同增益情況下陣列的極坐標響應 (10dB/div.)
漸變指向性陣列的特點
這種新型漸變指向性陣列技術能完美地解決建筑聲學，陣列化及增益調節等方面的挑戰，提供一致的音色平衡性，等同于理想環境下單獨模塊的音質。它主要具備以下五個重要性能特點。
• 靈活地控制各模塊的輻射角度，以滿足每個模塊的目標覆蓋區域。
• 對每個模塊進行有效的角度控制，控制的頻率降至1kHz或更低，以減少建聲的影響。
• 陣列可以由具有不同角度的模塊構成，使陣列的覆蓋范圍與房間內聽音區域相匹配。
• 通過適當地為模塊分配不同的指向性指數，實現對距離損失的物理補償。
• 模塊以特定方式連續排列而不產生間隙，避免模塊間接縫引發相位抵消現象。
漸變指向性陣列應用的里程碑案例
漸變指向性陣列運用在藝海劇院成為了劇場劇院當中一個不可忽視的里程碑項目，同時也奠定了漸變指向性陣列這項新技術在該領域的基礎。
藝海劇院地處上海市靜安區江寧路466號、康定路交匯處，與靜安體育中心毗鄰，建成于2001年。此次歷時一年多的修繕是藝海劇院建成以來的首次大修，劇院將定位于音樂劇專屬劇場，集演出、排練、孵化于一體。大劇場的座位也從999座增加到了1038座。
藝海劇院整個觀眾廳呈扇形，觀眾席深約為22m，寬約25m，地面到頂部裝飾面高約12m，舞臺口寬約15m。觀眾席有二層眺臺深約8m，舞臺前部有升降樂池，整體結構上是一個中型劇院。
藝海劇院改造項目的擴聲設計環節，業主對揚聲器的安裝位置有著嚴苛的要求，因為是改造項目，安裝位置和聲橋的開孔尺寸都有限制，必須將擴聲揚聲器安裝在這些固定好的聲橋內，同時又要要滿足均勻的覆蓋，清晰的人聲表現及一致的音樂平衡性。
因此，Bose Professional通過Bose的聲場模擬分析軟件Modeler5)，對揚聲器的安裝位置及角度進行多次聲場模擬分析，最終采用非對稱水平角度的弧形曲率陣列揚聲器來實現最佳的音色平衡，減少側墻反射(從圖2可以看出，打在側墻的聲能量幾乎沒有)，對不同位置的聽音區提供均勻的聲覆蓋(從圖3可以看出，整個觀眾區的聲場覆蓋非常均勻)。
圖 2：藝海劇院墻面和觀眾區直達聲覆蓋圖(1-4kHz)
圖 3：藝海劇院平面直達聲覆蓋圖(1-4kHz)
在該項目的擴聲設計中，Bose Professional采用了非對稱DeltaQ陣列揚聲器作為主擴聲揚聲器組，其中6只2組作為左右聲道，4只1組作為中央聲道，分別用了3種不同的水平角度和3種不同的垂直角度，將聲線精確地投射到不同區域的觀眾席，減少不必要的反射聲，提高語言清晰度(圖4)和音色平衡一致性(圖5)。
圖4：藝海劇院觀眾席語言清晰度(平均值 0.58)
圖 5：藝海劇院全場七個不同位置的頻率響應曲線和七個位置示意圖
創新始于探索，用科技創造好聲音。在劇場等室內擴聲應用中具有獨一無二特點和優勢的漸變指向性陣列，在未來將廣泛應用到各個劇場劇院當中，不斷顛覆觀眾對于室內擴聲效果的想象。
參考文獻
[1] Heil, C, “Sound fields radiated by multiple sound source arrays”, Presented at the 92nd Convention of the AES, March 1992, Vienna, Preprint 3269.
[2] Fidlin, P.F and Carlson, D.E, “The basic concepts & problems associated with large scale concert-sound arrays”, Presented at the 86th Convention of the AES, March 1989, Hamburg, Preprint 2802.
[3] Ureda, M.S, “J and Spiral Line arrays”, Presented at the 111th Convention of the AES, December 2001, New York, Preprint 5485.
[4] Ureda, M.S, “Line arrays, theory & applications”, Presented at the 110th Convention of the AES, May 2001, Amsterdam, Preprint 5304.
[5] Jorgensen, M., Ickler, C.B. and Jacob, K.D., “Using Subject-Based Testing to Evaluate the Accuracy of an Audible Simulation System”, Presented at the 95th Convention of the AES, October 1993, New York, Preprint 3725.
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