扬声器线阵列研究.doc

研 究 生 毕 业 论 文（申请博士学位）论文题目 扬声器线阵列研究 学科、专业名称 声学 摘 要扬声器线阵列的研究与开发是当前扩声领域的一项热点扬声器线阵列通常被设计成模仿一条连续线声源，因此具有尖锐的指向性，伴随较小的旁瓣，在近场区域的声压级随着距离加倍而衰减3dB，这一特性被我们熟知并且广泛应用于各种扩声场合实际的应用中，扬声器线阵列并不是理想的连续线声源这是由于它由数个独立的扬声器箱体垂直堆叠而成，而这些箱体中的扬声器不是紧密连接的在高频时，声波复杂的干涉导致远距离投射难以实现；同时，指向性图中出现大的旁瓣，并且形态随着频率变化以及扬声器之间的声源间隙而变化，难以控制因此有效辐射率作为扬声器线阵列的一个重要参数出现，它定义为每个箱体的有效辐射长度与箱体高度的比值在设计中通常追求尽可能高的有效辐射率本文介绍了点源叠加、线源积分、指向性乘积理论等这些线声源的基本分析方法，进而分析了各种常用的扬声器阵列的理论模型，并通过指向性图介绍了各自的特点直线声源的聚焦性能好，适合远距离投射；而弧线声源覆盖角不会随着频率升高而急剧变窄，因此适合覆盖舞台近距离的听众区域；J型声源和渐进声源作为直线和弧线两种声源的结合体，兼具两种声源的优势，既实现远距离投射又兼顾近距离覆盖。

而面对扬声器阵列与理想线声源之间的差距，本文提出了一种通过测量轴上频率响应差估算扬声器线阵列有效辐射率的方法，仅仅通过测量不同位置的频率响应曲线，计算得到频响差之后，可以根据其和有效辐射率之间的关系求出后者的估计值，本文对于计算频响差的近点和远点位置、区间范围进行了深入探讨最后，本文提出一种对于扬声器线阵列高频波导排列方式的优化方法，以提高扬声器阵列的有效辐射率由于工艺所限，扬声器线阵列的有效辐射率不易达到百分之百，而将高频波导的排列方式进行优化，可以绕过工艺方面的限制，提高有效辐射率这种排列方式的优化所带来的水平指向性影响，又恰好可以被利用于阵列的水平指向性控制，因此是一个很巧妙的方法实验数据表明，实测的曲线与理论计算吻合的很好，结果可信而且有很高使用价值关键词：扬声器阵列，扬声器线阵列，有效辐射率，高频波导，交错排列ABSTRACTThe research and development of loudspeaker line arrays are topics of interest in sound-reinforcement applications, as they can produce more sound power to cover a large audience area. A loudspeaker line array is designed to work as much the same as a continuous line source, which has a narrow directivity with low side lobes, and a pressure response that decreases in level at -3 dB per doubling of distance in the near field. These characteristics are valuable and have been applied in many sound-reinforcement venues. However in practical applications, a loudspeaker line array is not actually a continuous line source, because it consists of a vertical assembly of separate enclosures, and the radiating transducers do not touch each other. At high frequencies, waves with different phases lead to irregular interferences, and it becomes difficult to achieve a long distance radiation. Meanwhile side lobes appear and vary materially with both the frequency and the gap length between transducers, which is also difficult to control. As an important parameter of loudspeaker line array, Active Radiating Factor (ARF) is defined as the ratio of actual radiating length (without gaps) to the total length of each enclosure. ARF is desired to be as high as possible, so the array works as much the same as a continuous line source.This PhD thesis deals with the way how to build the model of a loudspeaker line array. Some basic principles are introduced, and several kinds of typical loudspeaker line arrays are analyzed by responses and directivity characteristics. The ARF problem is concerned in the thesis, a way of evaluating ARF by measuring on-axis frequency responses are introduced, and an optimized way of increasing ARF is also shown which deals with two types of arrangements of high-frequency waveguides by simulations and experiments. With tolerable errors, the experiment data agree well with the simulation results.Key Words: Loudspeaker arrays, Loudspeaker line arrays, Active radiating factor, High frequency waveguides, Staggered arrangement目次第一章 绪论 11.1 扬声器阵列发展历程 11.2 问题的提出 8第二章 直线声源基本分析方法及特性介绍 112.1 点源叠加模型 112.2 指向性乘积原理 132.3 线源积分模型 142.4 菲涅尔波带法 182.5 柱面波成形条件 192.6 小结 20第三章 扬声器线阵列建模与声场特性 213.1 直线声源 213.1.1 直线声源的指向性函数——普遍形式 213.1.2 直线声源的指向性函数——均匀直线声源 233.1.3 旁瓣和极小值——均匀直线声源 243.1.4 覆盖角——均匀直线声源 253.1.5 直线声源的轴上声压响应 273.1.6 直线声源的声压场 333.1.7 声场特性分析 363.2 弧线声源 373.2.1 弧线声源的极坐标指向性响应 373.2.2 弧线声源的轴上声压响应 393.2.3 弧线声源的声压场 413.3 J型声源 443.3.1 J型声源的极坐标指向性响应 443.3.2 J型声源的轴上声压响应 483.3.3 J型声源的声压场 503.4 渐进声源 523.4.1 渐进声源的极坐标指向性响应 533.4.2 渐进声源的轴上声压响应 563.4.3 渐进声源的声压场 583.5 小结 60第四章 扬声器线阵列ARF估算 624.1有效辐射率ARF 624.2理论模型 644.3 ARF与频率响应 644.4 ARF估计方法的完善 684.5 进一步讨论 704.5.1 测量位置 704.5.2 求方差的频率范围 734.6 实验 744.7 小结 77第五章 ARF的优化——高频波导交错排列改善扬声器线阵列的响应 785.1 问题的提出 785.2 直线排列方式 795.2.1 单个箱体 795.2.2 高频波导直线排列时的阵列 805.3 交错排列方式 845.3.1单个箱体 845.3.2 高频波导交错排列时的阵列 865.3.3 仿真分析 865.4 实验 895.4.1 实验条件说明 895.4.2 频率响应 905.4.3 垂直指向性响应 915.5 交错排列方式对指向性的影响 915.6 小结 96第六章 总结 97致 谢 100参考文献 101攻读博士学位期间主要成果 110第一章 绪论 第一章 绪论1.1 扬声器阵列发展历程在电声领域发展过程中，扬声器阵列一直备受关注。

从历史上看，人们将扬声器系统应用到扩声场合中，能够在一定的空间区域中满足特定的声重放需求当听众所处的空间区域很大时，需要所采用的扬声器系统能够产生很大的辐射功率，很自然的，由于客观条件限制，单一的扬声器系统常常无法满足大区域覆盖的要求当单一的扬声器系统无法满足越来越高的声重放需求时，人们很自然地想到运用多个类似的扬声器系统，按照一定规律排列组合而形成阵列，如直线、曲线、平面等，从而提高辐射声功率，覆盖更大的范围通过同相声压的叠加作用，期望在听众区域产生足够的声辐射[1]其中，简单地将多个扬声器排列于一条直线的方式被普遍采用，与此同时，保持各个扬声器上的驱动信号幅度和相位均相同，这就是常常被提及的“声柱”[2][3]早在1930年，I. Wolfe和L. Malter在美国声学学报上发表论文“Directional Radiation of Sound”，研究分析了点源、线源、曲线源、平面源的指向特性[3]1957年H. F. Olson著书综合分析了上述由多个相同的点声源直线排列组成的声柱，给出其理论模型及指向特性[2]正如这些经典文献的总结，这种早期的扬声器阵列，除了能辐射出更多的声能以外，阵列本身会带来额外的指向性。

因此，当使用扬声器来组成阵列时，整个系统的指向性也和原来单个扬声器的指向性发生了很大的变化，不同组合方式的阵列可以产生各不相同的指向性[4-9]这种特定指向性在很多场合是很有用的，比如，窄指向性使声波能量更多的覆盖远离阵列的地方，使得远距离的特定听众区域听得更清楚[10]另外，在教堂等混响时间很长的地方，可以有效。