随着有源音箱的迅猛發展，内置“心形模式（cardioid mode）”DSP的有源超低音音箱（俗稱低音炮）正在崛起。但是在這一切現象之下究竟發生了什麼？

讓我們先來了解一下心形超低音音箱陣列背後的原理，為您解除一些常見的困惑，并學習如何在演出現場對心形超低音音箱陣列進行部署。

在對如何控制超低音音箱的覆蓋範圍進行深入讨論之前，讓我們先了解一下我們為什麼需要對它進行控制。與全頻音箱不同，我們不能簡單地将超低音音箱對準我們想要（聲音傳播的）的方向。我們經常說：超低音音箱是全指向性的，它會将聲能分散地傳播到各個方向。在我們所讨論的頻率範圍内，波長都是比較長的（在30赫茲的情況下，波長超過37英尺），因此，相對較小的音盆直徑不能對輸出的聲波進行有效的方向控制。

一個針對這個觀點的反駁是：超低音音箱在前面的聲音都更響亮。雖然超低音音箱在其頻率範圍的低頻段非常接近于全指向性，但是較高的聲音頻率通常會帶來較短的波長，也就意味着随着頻率的增加對聲音方向控制更容易。

盡管交叉濾波器可以在較高頻率的頻段造成頻率響應的滾降，但是我們的耳朵對100 Hz以上的聲波更敏感，這也使得超低音音箱在其主要覆蓋範圍内，聽起來指向性更強。

對這個問題進行量化分析需要一個寬敞而且開放的室外空間，在這個場地内架設超低音音箱和用于測量的麥克風。應該選什麼地方呢？沒錯，我的後院是個非常好的選擇。

因為在這個測試當中，我并不打算挪動我的房子還有工具房，所以在我們所獲得的測量結果中，能夠看出這些邊界對測量結果存在着一定的影響。接下來您很快就能發現，測量的距離對低音音箱陣列的感官性能也會産生非常顯着的影響。

我将一對18英寸的超低音音箱放置在院子的中央，并在距離他們前後各二十英尺的地方架設了測量麥克風，這個距離是在不毀掉我的後院的情況下，能達到的最遠的距離了。圖1顯示了這兩個測量麥克風的架設位置，是從後置的測量麥克風看過去的角度。這樣的麥克風架設位置，可以讓我們了解在超低音音箱陣列的“前面”和“舞台上”分别發生了什麼。

圖1

我們先看一下單個超低音音箱的情況（圖2）。通過圖2，我們能夠了解為什麼重低音音箱需要波束控制。黑色的曲線顯示的是音箱前方的響應，紅色的曲線顯示的是音箱後方的響應。我們主要的關注區域是兩個倍頻程，它們對于超低音音箱來說是最主要的性能區間（31 - 125 Hz）。在圖2中，我們可以看到前後兩個位置的響應水平是相似的。

由此，我們可以得出結論：改變超低音音箱的方向，對其聲音傳播方向的影響是非常小的。如果我們希望得到“觀衆席聲音洪亮，同時舞台上相對安靜”的效果，通過改變超低音音箱的方向是達不到目的的，我們必須尋找另一種方法。（針對較真兒的人的注解：為了讓曲線看起來更加清晰，圖中的所有傳遞函數曲線都使用了1/12倍頻程平均值，雖然在練習時，我通常使用的是1/24倍頻程。時間平均值為6秒，激發源是帶限粉紅噪聲。）

圖2

更遠的距離

另一個普遍的對于超低音音箱的指向性的看法是，後向的抵消是以前向的減少為代價的。這是真的，但是這是有條件限制的。超低音音箱列的前向效率的降低主要是由兩個因素所造成的。

首先，某些超低音音箱陣列的配置導緻了其在正向上存在延遲或者/和極性能量匮乏。其嚴重程度取決于超低音音箱陣列的具體配置情況，我們将在後面對此進行讨論。另一個因素就不那麼明顯了：兩個超低音音箱的最大疊加值（ 6 dB）僅能在滿足下面兩個條件時才能達到：兩個音源在相同的時間于空間中的某個點相遇，且具有相同的電平。

這個測試裡的所有雙單元陣列都使用物理位移作為轉向裝置的一部分。簡單的來說就是：一些音箱的放置位置會比其他的一些音箱更靠近觀衆，這會造成水平偏移，并且使我們無法達到 6 dB的最大值。好消息是水平偏移是相對的，所以随着我們離超低音音箱陣列的距離越來越遠，這幾英尺的位移會變得越來越不重要。

雖然我們用于測量的麥克風僅放置在離超低音音箱20英尺外的地方，但是它們檢測到的水平偏移卻比站在60或70英尺外的觀衆來的更多。為了看清這個影響到底有多大，我們将把每個超低音音箱陣列的前向輸出與标準的并排排列的超低音音箱陣列的輸出進行比較，這個标準的超低音音箱陣列擁有的 6 dB的最大疊加值，我們把它稱為音箱的“黃金标準”。

内聯梯度陣列，非反相

首先是内聯非反向梯度陣列（即inline, non-inverted gradient array，有時候這種陣列被稱為端射陣列endfire，我更喜歡使用多單詞組成的術語。）圖3中所顯示的是音箱陣列的物理位置的側視圖，可以看出，其中一個音箱會更靠近觀衆。

如此架設的超低音音箱陣列能夠以相對較小的頻率範圍為中心創造出後向抵消的效果，并且我們能夠根據想要抵消的頻率來調整音箱間的物理間隔。

通常我會把目标頻率設在65赫茲左右，正好是超低音音箱覆蓋的頻率範圍的中間值。兩個單元的聲學中心的間隔距離應為四分之一個波長，在65赫茲的情況下，這個距離約為4英尺4英寸（4’/4″）。更加靠近觀衆的那個音箱的輸出與相對靠後的音箱的輸出有一定的時間差。我們可以很容易地計算出聲波傳播4英尺4英寸距離所用的時間大約是3.8毫秒。

在現實生活中，時間可能會略長一些，因為從靠後的音箱所發出的聲音必須要先繞過前面的音箱，而不可能筆直的穿過它。因此，在實際架設音箱的時候，使用分析儀器所獲得的效果往往比使用卷尺量所獲得的效果更好。

圖3

圖4顯示了超低音音箱陣列正面的情況：上面的圖顯示的是幅度，藍色曲線（較靠近觀衆的音箱）的幅度更大意味着它的聲音更響亮，原因是它的位置更接近麥克風 - 這就是上面所提到的水平偏移，當我們離音箱陣列越來越遠時，它會逐漸縮小。

圖4

下面的圖顯示的是相位響應。我并不想在這裡寫一篇闡述快速傅立葉變換（FFT）的論文，對于那些不熟悉解碼相位軌迹的人，您隻需要理解下面這個規律即可：相位斜率越高（更陡）就意味着時間的偏移越大。位置靠後的音箱的曲線是黑色的，圖中可見它的斜率更大，因為它距離麥克風的距離更遠，因此它的聲波輸出需要經過更長的時間才能到達麥克風。

要想将此超低音音箱陣列對齊，我們不需要進行任何形式的計算 - 隻需在更靠近麥克風的音箱添加一個延遲，使它的相位曲線向下傾斜，直到與較遠音箱的曲線的斜率相同即可，這樣更靠後的音箱的聲波就能和更靠前的音箱的聲波同時到達指定的位置。

然而在音箱陣列的後方，情況就完全不一樣了：靠後的音箱的輸出将會更快到達指定地點，而靠前的音箱的輸出則會較晚到達 – 因為此時它的物理距離更遠，而且它的電子信号還被延遲了。實際距離4'/ 4“造成的傳播延遲（3.8 ms）再加上電子信号造成的延遲（也是3.8 ms），将會在後方帶來總共7.6 ms的累積時間偏移。

在這時就能體現出我們之前選擇的間距的重要性了：7.6 ms恰好是65 Hz的半個周期，這就意味着兩個超低音音箱的輸出在此頻率下相位相差180度，因此它們的聲波會相互抵消。這個時間偏移對應的是65 Hz的情況，在其他的頻率下會有所不同。且由于相位差在180度的時候，聲音波的抵消最徹底，因此在音箱陣列的後方，頻率在65Hz左右的聲音的抵消情況最佳。

圖5中的紅色曲線是靠後的音箱的響應曲線，黑色的曲線是靠前的音箱的輸出曲線，以及上面我們用标準架設方式所獲得的 6 dB的黃金标準曲線。

圖5

我們已經在65 Hz左右的頻率區域制造了一個效果很好的後向聲波抵消。在65Hz的頻率之外，我們可以站在音箱陣列的前面，效果是不錯的，而且随着我們向觀衆區域移動，效果會更好。

我們有非常幹淨的輸出，和單極且無極性的前端，因此這種音箱陣列的配置會帶來最小的聲音降級。但是不幸的是，這對于反向聲波的消除沒有什麼好處。

基于相同的原理所構造的更大的擁有四個單元的端射陣列在後向的聲波分布會更加的分散，并且可以實現出色的寬頻帶後向聲波消除，當然您要有足夠的空間！

内聯梯度陣列，反相

依靠相位偏移來實現反向聲波消除的問題在于它隻能針對給定的頻率。下面，我們将使用極性（極性與頻率不相關）來實現在整個頻率範圍内的反向聲波消除。

這次的物理配置與之前的音箱陣列完全相同，但是這次是讓靠後的音箱産生延遲，而不是靠前的音箱。音箱陣列的調整要從後面進行 - 在觀察後方的麥克風的響應時，調整舞台後部音箱的延遲，直到它能夠與靠前的音箱的聲波完全匹配為止。

在這一點上，與我們在上面探讨的相同，隻是改變了觸發的方式。然後，對前面的音箱進行極性反轉，将聲波在後向的疊加轉變為聲波在後向的抵消。來自于靠前的超低音音箱的後向聲波，被靠後的音箱的後向聲波完全地抵消了。（順帶一提，這也就是降噪耳機的工作原理。）

圖6顯示了後向抵消時的情況，兩個音箱的相位曲線在所有頻率上均相隔180度，表示它們處于極性相反的狀态。

圖6

圖7顯示了在相當大的帶寬下，反向聲波消除的實現情況，還有黃金标準曲線以供比較。請注意，後向的聲波消除會随着距離的增加而改善。這種方法的缺點是系統的瞬态性能會變差 - 在音箱陣列前，我們會聽到來自靠後的音箱的遲到的非極性聲波。直到100 Hz以上才會産生梳狀濾波，但是瞬态看起來并不那麼“有力”。

圖7

多層梯度超低音音箱陣列

在我們的這次實驗中，最後一個測試項目是将兩個超低音音箱疊放在一起，并将其中一個音箱反着放。正如我們之前了解到的那樣，改變音箱在物理上的方向并不能控制其真正的輸出方向，我之所以這裡這樣做是為了在驅動單元之間的産生一個物理位移。

這個方法與之前所用的音箱陣列相同：在指向後方的音箱信号中加入一個延遲，然後進行極性反轉以消除來自于向前的音箱的後向聲波。雖然音箱本身的深度隻有大約24英寸，但是加上聲波需要繞路所帶來的距離，我們實際上能夠獲得接近内聯陣列的長度，因此時間上也是差不多的，之前的機制仍然起作用。但是問題是：在較高頻率下，指向後方的音箱具有優勢，因為這時候它們就不再是全向的了，因此兩個音箱之間的偏差會随着頻率的增加而增加（圖8）。

圖8

請注意，在頻率較低的地方，兩條曲線是一緻的，但是在100 Hz的時候，指向後方的音箱（黑色曲線）有一個非常明顯的變化。有些音箱制造商建議，可以嘗試使用電平偏移來修複這個問題，但是這樣做還是存在兩個問題：1）音箱之間的電平偏移會随着頻率的變化而變化，因此單憑一個增益是無法修複的，2）電平偏移意味着一個音箱将比另一個音箱更早的達到上限，當音箱陣列在全負荷工作時，這會導緻“pattern implosion”。

出于這個原因，這樣布置的音箱陣列的後向聲波抵消效果在LF範圍内是最好的，也就是圖中的曲線比較一緻的區域，如圖9中的黃金标準所示。在露天場地，這種類型的超低音音箱陣列通常會使用三個以上的音箱，前後交替擺放。與之前所實驗的音箱陣列一樣，向前傳播的非極性聲波可能需要引起關注。但是這會造成問題嗎？您可以自己測試一下，再按照您的實際情況決定。

圖9

總結

由于篇幅原因，還有其他的一些方法我們在這裡沒有辦法來深入讨論。但我發現這些方法都需要較大的空間來實現：因為它們都依賴于為聲波制造環繞路徑（讓聲波繞路）來工作，所以當遇到舞台這種障礙物時，它們就不能很好地發揮作用了。

人們經常問，在這些音箱陣列的布置方案中，哪一個才是“最好的”。答案是：這取決于具體的情況。 有時我們甚至不需要考慮後向聲波消除的問題。 然而有時候，它确是我們首先需要解決的問題。最好的方式是：清楚地了解每種類型的音箱陣列的優點和缺點，再根據實際情況選擇最适合的音箱布置方案。

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