聲音建模
本文專門討論揚聲器的主題。 我們將嘗試消除關於它們的許多神話，並解釋揚聲器的真正含義，包括傳統揚聲器和具有聲束建模可能性的揚聲器。
首先，讓我們介紹一些我們將在本文中操作的基本電聲定義。 揚聲器是安裝在外殼中的單個電聲換能器。 只有幾個揚聲器組合在一個外殼中才能創建一個揚聲器組。 一種特殊類型的揚聲器是揚聲器。
什麼是揚聲器？
對於許多人來說，揚聲器是放置在外殼中的任何揚聲器，但這並不完全正確。 揚聲器柱是一種特定的揚聲器裝置，它的外殼內有幾個到十幾個左右相同的電聲換能器（揚聲器）垂直排列。 由於這種結構，可以創建具有類似於線性源的屬性的源，當然對於特定的頻率範圍。 這種聲源的聲學參數與其高度、放置在其中的揚聲器數量以及換能器之間的距離直接相關。 我們將嘗試解釋這個特定設備的工作原理，以及解釋日益流行的數字控制聲束柱的工作原理。
什麼是聲音建模揚聲器？
最近在我們市場上發現的揚聲器可以選擇對聲束進行建模。 尺寸和外觀與自 XNUMX 年代以來廣為人知並使用的傳統揚聲器非常相似。 數字控制揚聲器的安裝方式與其前代模擬揚聲器類似。 這種類型的揚聲器設備可以在教堂、火車站或機場的客運站、公共場所、法院和體育館等中找到。 然而，數字控制聲樑柱在許多方面勝過傳統解決方案。
聲學方面
上述所有地方都具有相對困難的聲學特徵，這與它們的體積和高反射表面的存在有關，這直接轉化為這些房間的大混響時間 RT60s（RT60“混響時間”）。
這樣的房間需要使用具有高指向性的揚聲器設備。 直接聲音與反射聲音的比率必須足夠高，以使語音和音樂的清晰度盡可能高。 如果我們在聲學困難的房間中使用方向特性較差的傳統揚聲器，可能會發現產生的聲音會從許多表面反射，因此直達聲與反射聲的比率會顯著降低。 在這種情況下，只有非常接近聲源的聽眾才能正確理解到達他們的信息。
建築方面
為了獲得所產生聲音的質量與音響系統價格的適當比例，應使用少量具有高 Q 因子（指向性）的揚聲器。 那麼，為什麼我們在上述設施中沒有找到大型管道系統或線陣系統，例如車站、碼頭、教堂？ 這裡有一個非常簡單的答案——建築師在很大程度上以美學為指導來建造這些建築。 大型管系統或線陣列集群與其尺寸不匹配房間的架構，這就是建築師不同意使用它們的原因。 在這種情況下，妥協往往是揚聲器，甚至在特殊的 DSP 電路和控制每個驅動器的能力被發明出來之前。 這些設備可以很容易地隱藏在房間的架構中。 它們通常安裝在靠近牆壁的位置，並且可以根據周圍表面的顏色進行著色。 這是一個更具吸引力的解決方案，最重要的是，更容易被建築師接受。
線陣列並不新鮮！
Hary F. Olson 在其 1940 年首次出版的《聲學工程》一書中很好地描述了線性聲源的數學計算原理及其指向性特性的描述。利用線源的特性在揚聲器中發生的物理現象
下表顯示了傳統揚聲器的聲學特性：
揚聲器的一個不利特性是這種系統的頻率響應不平坦。 他們的設計在低頻範圍內產生更多的能量。 這種能量的方向性通常較小，因此垂直色散將遠大於更高頻率的能量。 眾所周知，聲學困難的房間通常的特點是在非常低的頻率範圍內的混響時間較長，由於該頻帶中能量的增加，可能會導致語音清晰度的下降。
為了解釋為什麼揚聲器會有這種行為，我們將簡要介紹傳統揚聲器和具有數字聲束控制的揚聲器的一些基本物理概念。
點源交互
• 兩個源的方向性
當相隔半波長 (λ/2) 的兩個點源產生相同的信號時，這種陣列上下的信號將相互抵消，而在陣列的軸上信號將被放大兩倍 (6 dB)。
λ / 4（四分之一波長 - 用於一個頻率）
當兩個源相隔 λ / 4 或更小的長度（這個長度當然是指一個頻率）時，我們注意到垂直平面中的方向特性略有變窄。
λ / 4（四分之一波長 - 用於一個頻率）
當兩個源相隔 λ / 4 或更小的長度（這個長度當然是指一個頻率）時，我們注意到垂直平面中的方向特性略有變窄。
λ（一個波長）
一個波長的差異將在垂直和水平方向上放大信號。 聲束將採用兩片葉子的形式
2l
隨著波長與換能器之間距離之比的增加，旁瓣的數量也增加。 對於線性系統中換能器之間的恆定數量和距離，該比率隨頻率增加（這是波導派上用場的地方，通常用於線陣列組）。
線源的限制
各個揚聲器之間的距離決定了系統用作線路源的最大頻率。 源高度決定了該系統具有方向性的最小頻率。
光源高度與波長
λ/2
對於大於光源高度兩倍的波長，幾乎無法控制方向特性。 在這種情況下，可以將源視為具有非常高輸出電平的點源。
λ
線光源的高度決定了我們將觀察到垂直平面方向性顯著增加的波長。
2升
在較高頻率下，光束高度減小。 旁瓣開始出現，但與主瓣的能量相比，並沒有明顯的影響。
4升
垂直方向性越來越大，主瓣能量不斷增加。
單個傳感器之間的距離與波長
λ/2
當換能器相距不超過一半波長時，源會產生具有最小旁瓣的方向性很強的光束。
λ
具有顯著和可測量能量的旁瓣隨著頻率的增加而形成。 這不是問題，因為大多數聽眾都在這個區域之外。
2l
旁瓣的數量增加一倍。 將聽者和反射面與該輻射區域隔離是極其困難的。
4l
當換能器之間的距離是波長的四倍時，會產生如此多的旁瓣，以至於源開始看起來像點源，並且方向性顯著下降。
多路DSP電路可控制音源高度
上限頻率範圍控制取決於各個高頻換能器之間的距離。 設計人員面臨的挑戰是在保持最佳頻率響應和此類設備產生的最大聲功率的同時最小化該距離。 隨著頻率的增加，線源變得越來越有方向性。 在最高頻率下，它們甚至過於定向，無法有意識地使用這種效果。 由於可以為每個換能器使用單獨的 DSP 系統和放大功能，因此可以控制生成的垂直聲束的寬度。 該技術很簡單：只需使用低通濾波器來降低箱體中各個揚聲器的電平和可用頻率範圍。 為了將光束從外殼中心移開，我們改變了濾波器行和截止頻率（對於位於外殼中心的揚聲器來說最溫和）。 如果不對此類線路中的每個揚聲器使用單獨的放大器和 DSP 電路，這種類型的操作將是不可能的。
傳統的揚聲器允許您控制垂直聲束，但聲束的寬度會隨頻率而變化。 一般來說，指向性因子 Q 是可變的並且低於要求的值。
聲束傾斜控制
眾所周知，歷史喜歡重演。 下面是 Harry F. Olson “聲學工程”一書中的圖表。 以數字方式延遲線源的各個揚聲器的輻射與物理傾斜線源完全相同。 1957 年後，技術需要很長時間才能利用這一現象，同時將成本保持在最佳水平。
帶有 DSP 電路的線源解決了許多建築和聲學問題
• 輻射聲束的可變垂直方向因子Q。
用於線源的 DSP 電路可以改變聲束的寬度。 這要歸功於對單個揚聲器的干擾檢查。 美國公司 Renkus-Heinz 的 ICONYX 柱允許您在以下範圍內更改這種樑的寬度：5、10、15 和 20°，當然，如果這樣的柱足夠高（只有 IC24 外殼允許您選擇寬度為 5° 的光束）。 通過這種方式，狹窄的聲束可以避免在高混響房間的地板或天花板上產生不必要的反射。
隨著頻率的增加，恆定的方向性因子 Q
由於每個換能器的 DSP 電路和功率放大器，我們可以在很寬的頻率範圍內保持恆定的指向性因子。 它不僅可以最大程度地減少房間內的反射聲級，而且還可以為寬頻帶提供恆定增益。
無論安裝位置如何，都可以引導聲束
儘管從信號處理的角度來看，聲束的控制很簡單，但出於建築原因，它非常重要。 這種可能性導致了這樣一個事實，即無需物理傾斜揚聲器，我們創造了一個與建築融為一體的眼睛友好的聲源。 ICONYX 還具有設置聲束中心位置的能力。
使用建模線性源
• 教堂
許多教堂都有類似的特點：非常高的天花板、石頭或玻璃反射面，沒有吸收面。 這一切導致這些房間的混響時間很長，甚至達到幾秒鐘，這使得語音清晰度很差。
• 公共交通設施
機場和火車站通常使用與教堂中使用的材料具有相似聲學特性的材料來完成。 公共交通設施很重要，因為到達、離開或延誤到達乘客的信息必須易於理解。
• 博物館、禮堂、大堂
許多比公共交通或教堂規模更小的建築物具有類似的不利聲學參數。 數字建模線源面臨的兩個主要挑戰是混響時間長，會對語音清晰度產生不利影響，以及視覺方面，這在最終選擇公共廣播系統類型時非常重要。
設計標準。 全頻段聲功率
每個線源，即使是那些帶有高級 DSP 電路的源，也只能控制在某個有用的頻率範圍內。 然而，使用形成線源電路的同軸換能器可在非常寬的範圍內提供全範圍聲功率。 因此，聲音清晰且非常自然。 在語音信號或全頻音樂的典型應用中，由於內置同軸驅動器，大部分能量都在我們可以控制的範圍內。
使用高級工具進行完全控制
為了最大限度地提高數字建模線性源的效率，僅使用高質量的傳感器是不夠的。 畢竟，我們知道，為了完全控制揚聲器的參數，我們必須使用先進的電子設備。 這種假設迫使使用多通道放大和 DSP 電路。 ICONYX 揚聲器中使用的 D2 芯片提供全頻多聲道放大、對 DSP 處理器的完全控制以及可選的多個模擬和數字輸入。 當編碼後的 PCM 信號以 AES3 或 CobraNet 數字信號的形式傳送到列時，D2 芯片立即將其轉換為 PWM 信號。 第一代數字放大器首先將 PCM 信號轉換為模擬信號，然後再轉換為 PWM 信號。 不幸的是，這種 A/D – D/A 轉換大大增加了成本、失真和延遲。
靈活安排
數字建模線源的自然清晰的聲音使得該解決方案不僅可以用於公共交通設施、教堂和博物館。 ICONYX 柱的模塊化結構允許您根據給定房間的需要組裝線源。 例如，在設置許多點時，對這種源的每個元件的控制提供了很大的靈活性，在這些點處創建了輻射束的聲學中心，即許多線源。 這種樑的中心可以位於柱子整個高度的任何位置。 這是可能的，因為在高頻換能器之間保持較小的恆定距離。
水平輻射角取決於列元素
與其他垂直線源一樣，ICONYX 的聲音只能垂直控制。 水平波束角是恆定的，取決於所使用的傳感器類型。 IC 列中使用的那些具有寬頻帶的波束角，對於 140 Hz 到 150 kHz 頻帶中的聲音，差異在 100 到 16 Hz 的範圍內。
廣角輻射提供更高的效率
廣泛的分散，特別是在高頻下，確保了聲音的更好的連貫性和可理解性，特別是在方向性特徵的邊緣。 在許多情況下，更寬的波束角意味著使用更少的揚聲器，這直接轉化為節省。
皮卡的實際互動
我們非常清楚，真正的揚聲器的指向特性不可能在整個頻率範圍內保持一致。 由於這種源的大小，它會隨著頻率的增加而變得更具方向性。 在 ICONYX 揚聲器的情況下，其中使用的揚聲器在高達 300 Hz 的頻段內是全向的，在 300 Hz 到 1 kHz 的範圍內是半圓形的，對於 1 kHz 到 10 kHz 的頻段，指向性特性是圓錐形，其光束角為 140°×140°。 因此，由理想全向點源組成的線性源的理想數學模型將與實際換能器不同。 測量結果表明，真實係統的反向輻射能量遠小於數學建模的能量。
ICONYX @ λ（波長）線源
我們可以看到梁具有相似的形狀，但對於 IC32 柱，比 IC8 大四倍，特性明顯變窄。
對於 1,25 kHz 的頻率，創建一個輻射角為 10° 的光束。 旁瓣減少 9 dB。
對於 3,1 kHz 的頻率，我們看到一個角度為 10° 的聚焦良好的聲束。 順便說一句，形成了兩個旁瓣，它們明顯偏離主波束，這不會造成負面影響。
ICONYX 色譜柱的恆定方向性
對於 500 Hz (5 λ) 的頻率，方向性恆定為 10°，這已通過先前對 100 Hz 和 1,25 kHz 的模擬得到證實。
波束傾斜是連續揚聲器的簡單漸進延遲
如果我們在物理上傾斜揚聲器，我們會在時間上相對於收聽位置移動後續驅動器。 這種類型的偏移會導致朝向聽者的“聲音斜率”。 我們可以通過垂直懸掛揚聲器並在我們想要引導聲音的方向上為驅動程序引入越來越多的延遲來實現相同的效果。 為了聲束的有效轉向（傾斜），聲源的高度必須等於給定頻率波長的兩倍。
借助 ICONYX 柱的模塊化結構，可以有效地傾斜梁：
• IC8：800Hz
• IC16：400Hz
• IC24：250Hz
• IC32：200Hz
BeamWare – ICONYX 柱樑建模軟件
前面描述的建模方法向我們展示了需要對數字信號應用哪種類型的操作（列中每個揚聲器上的可變低通濾波器）才能獲得預期的結果。
這個想法相對簡單——在 IC16 列的情況下，軟件必須轉換然後實現十六個 FIR 濾波器設置和十六個獨立延遲設置。 為了轉移輻射束的聲學中心，使用柱殼中高頻換能器之間的恆定距離，我們需要計算並實現所有濾波器和延遲的一組新設置。
創建一個理論模型是必要的，但我們必須考慮到揚聲器實際上表現不同、更有方向性的事實，並且測量證明獲得的結果比使用數學算法模擬的結果更好。
如今，隨著技術的飛速發展，計算機處理器已經可以勝任這項任務。 BeamWare 通過圖形輸入有關收聽區域大小、高度和柱子位置的信息，使用結果的圖形表示。 BeamWare 讓您可以輕鬆地將設置導出到專業聲學軟件 EASE，並將設置直接保存到列 DSP 電路中。 在 BeamWare 軟件中工作的結果是在真實聲學條件下可預測、精確且可重複的結果。
ICONYX – 新一代聲音
• 音質
ICONYX 的聲音是製作人 Renkus-Heinz 很久以前開發的標準。 ICONYX 列旨在以最佳方式再現語音信號和全頻音樂。
• 廣泛分佈
這要歸功於使用具有非常寬的輻射角（甚至在垂直平面上高達 150°）的同軸揚聲器，特別是對於最高頻率範圍。 這意味著整個區域的頻率響應更加一致，覆蓋範圍更廣，這意味著在設施中使用更少的此類揚聲器。
• 靈活性
ICONYX 是一款垂直揚聲器，具有相同的同軸驅動器，彼此非常靠近。 由於外殼中揚聲器之間的小而恆定的距離，輻射束的聲學中心在垂直平面中的位移實際上是任意的。 這些類型的屬性非常有用，尤其是當架構約束不允許對像中的列的正確位置（高度）時。 這種柱子的懸掛高度的餘量非常大。 模塊化設計和完全可配置性允許您使用一根長柱定義多個線源。 每個輻射束可以具有不同的寬度和不同的斜率。
• 降低成本
再一次，由於使用了同軸揚聲器，每個 ICONYX 揚聲器都可以讓您覆蓋非常廣泛的區域。 我們知道柱子的高度取決於我們相互連接的IC8模塊的數量。 這種模塊化結構使運輸變得容易且便宜。
ICONYX 色譜柱的主要優點
• 更有效地控制源的垂直輻射。
揚聲器的尺寸比舊設計小得多，同時保持更好的指向性，這直接轉化為混響條件下的可理解性。 模塊化結構還允許根據設施和財務狀況的需要配置柱子。
• 全頻音頻再現
以前的揚聲器設計在此類揚聲器的頻率響應方面幾乎沒有產生令人滿意的結果，因為有用的處理帶寬在 200 Hz 到 4 kHz 的範圍內。 ICONYX 揚聲器的結構能夠產生 120 Hz 至 16 kHz 範圍內的全頻聲音，同時在整個範圍內保持水平面的恆定輻射角。 此外，ICONYX 模塊的電子和聲學效率更高：它們比類似尺寸的前代產品“響亮”至少 3-4 dB。
• 先進的電子產品
外殼中的每個轉換器都由單獨的放大器電路和 DSP 電路驅動。 當使用 AES3 (AES / EBU) 或 CobraNet 輸入時，信號是“數字清晰的”。 這意味著 DSP 電路直接將 PCM 輸入信號轉換為 PWM 信號，而無需進行不必要的 A/D 和 C/A 轉換。
• 先進的 DSP 電路
專為 ICONYX 色譜柱開發的高級信號處理算法和對眼睛友好的 BeamWare 界面方便了用戶的工作，因此它們可以在許多設施中廣泛使用。
求和
本文致力於詳細分析揚聲器和使用高級 DSP 電路進行聲音建模。 值得強調的是，使用傳統揚聲器和數字模型揚聲器的物理現象理論早在 50 年代就已被描述。 只有使用更便宜和更好的電子元件，才能完全控制聲信號處理中的物理過程。 這些知識是普遍可用的，但我們仍然會遇到並且我們會遇到對物理現象的誤解導致揚聲器的佈置和位置經常出現錯誤的情況，一個例子可能是揚聲器經常水平組裝（出於美學原因）。
當然，這種動作也是有意識地使用的，一個有趣的例子是在火車站的月台上水平安裝揚聲器向下的立柱。 通過這種方式使用揚聲器，我們可以更接近“淋浴”效果，在這種情況下，超出這種揚聲器的範圍（分散區域是柱子的外殼），聲級會顯著下降。 通過這種方式，可以最大限度地減少反射聲級，從而顯著提高語音清晰度。
在電子技術高度發達的時代，我們遇到越來越多的創新解決方案，然而，這些解決方案使用的是很久以前發現和描述的相同物理學。 數字建模聲音為我們提供了適應聲學困難房間的驚人可能性。
生產商已經宣佈在聲音控制和管理方面取得突破，其中一個重點是全新揚聲器（Renkus-Heinz 的模塊化 IC2）的出現，它們可以以任何方式組合在一起以獲得高質量的聲源，完全管理，同時是一個線性源和點。
