聲柱的演變與發(fā)展

沈 勇

（南京大學(xué)，江蘇 南京 210008)

1 聲柱的概念

聲柱(Sound Column)是將一組或多組相同的揚(yáng)聲器單元作線狀豎直排列，裝在柱狀箱體中，以達(dá)到預(yù)期指向性和聲壓級(jí)等聲學(xué)指標(biāo)的裝置（部分聲柱可附加低頻揚(yáng)聲器單元），俗稱“音柱”。常見的聲柱如圖1所示。目前，聲柱已被廣泛應(yīng)用于演出場(chǎng)館、影院、多功能廳、會(huì)議室、報(bào)告廳、教室、機(jī)場(chǎng)、火車站、博物館、指揮中心、教堂等場(chǎng)合。

圖1 聲柱示意圖[1]

2 為什么出現(xiàn)聲柱？

單只揚(yáng)聲器單元由于其自身額定功率和失真的限制，存在輻射聲功率的上限。為了獲得更高的聲壓級(jí)，滿足遠(yuǎn)距離聲輻射的需求，一種自然的想法便是將多只相同的揚(yáng)聲器單元組合起來，共同輻射聲功率，以期能覆蓋更大的范圍。這樣做在低頻情況下非常有效，能顯著提高低頻輻射功率，于是出現(xiàn)了早期的揚(yáng)聲器陣列的應(yīng)用，包括柱狀揚(yáng)聲器陣列和二維平面分布的揚(yáng)聲器陣列，其中柱狀揚(yáng)聲器陣列就是后來所稱的“聲柱”。

1930年，RCA研究實(shí)驗(yàn)室的I.Wolfe和L.Malter在美國(guó)聲學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表論文Directional Radiation of Sound，研究分析了點(diǎn)源、線源、曲線源、平面源的指向特性[2]，論文給出了各類聲源相應(yīng)的理論公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

人們發(fā)現(xiàn)聲柱除了可以提高輻射聲功率以外，還可以使輻射的聲波具有較強(qiáng)的指向性，這使得聲柱可以用于提升高混響環(huán)境中的語(yǔ)言清晰度。但是，如果對(duì)聲柱控制不當(dāng)（例如沒有針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景妥善設(shè)定輸入各揚(yáng)聲器單元的信號(hào)、各揚(yáng)聲器單元間距不當(dāng)），聲柱中的各揚(yáng)聲器單元會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的相互干涉。

1957年，RCA研究實(shí)驗(yàn)室的H.F.Olson著書Acoustical Engineering綜合分析了由多只相同的點(diǎn)聲源直線排列組成的聲柱，給出了理論模型和指向特性[3]。該聲柱的水平方向指向性與單只揚(yáng)聲器單元相同，而在豎直面內(nèi)即垂直方向的指向性隨著頻率升高而增強(qiáng)，即主瓣越來越窄，逐漸出現(xiàn)旁瓣并越來越多。

1963年，紐曼公司的Klepper和麻省理工學(xué)院的Steele提出了“理發(fā)師”螺旋形聲柱[4]，通過旋轉(zhuǎn)布置的揚(yáng)聲器單元縮短高頻時(shí)聲柱的有效長(zhǎng)度以優(yōu)化聲柱垂直方向的指向性，如圖2所示。

圖2 “理發(fā)師”螺旋形聲柱[4]

二十世紀(jì)六七十年代，聲柱產(chǎn)品開始流行，直到現(xiàn)在。

3 聲柱的種類

根據(jù)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，聲柱有不同的分類，以滿足不同的使用需求，如聽眾區(qū)的位置、演講者的位置、有害反射面的方位等。以下從幾何形狀、揚(yáng)聲器單元的頻帶相位幅度等特性、功放和指向性幾個(gè)方面對(duì)聲柱進(jìn)行分類。

1) 按揚(yáng)聲器單元排列形狀分，聲柱可分為直線形、曲線形、鋸齒形、螺旋形、階梯形等。

2) 按揚(yáng)聲器單元的頻帶分，聲柱的揚(yáng)聲器單元可以是一組全部相同的全頻揚(yáng)聲器單元，也可以由一組相同的中高頻揚(yáng)聲器單元與一只或一組相同的低頻揚(yáng)聲器單元組合而成二分頻系統(tǒng)，也可以由一組相同的高頻揚(yáng)聲器單元、一組相同的中頻揚(yáng)聲器單元與一只或一組相同的低頻揚(yáng)聲器單元組合而成三分頻系統(tǒng)。

3) 按揚(yáng)聲器單元的相位特性分，聲柱可分為相同的揚(yáng)聲器單元均為同相連接的聲柱和各揚(yáng)聲器單元的相位均可獨(dú)立調(diào)整的聲柱。

4) 按輸入揚(yáng)聲器單元的信號(hào)幅度特性分，聲柱可分為輸入相同的揚(yáng)聲器單元相同幅度驅(qū)動(dòng)信號(hào)的聲柱和輸入相同的揚(yáng)聲器單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度按一定規(guī)律變化的聲柱。

5) 按功率放大器的安置分，聲柱可分為無源聲柱和有源聲柱。無源聲柱是將功率放大器外置的聲柱，電信號(hào)先輸給功率放大器再輸入無源聲柱。有源聲柱是將功率放大器內(nèi)置的聲柱，電信號(hào)可直接輸給有源聲柱。

6) 按聲柱的指向特性分，聲柱可分為固定指向性的聲柱和可調(diào)可控指向性的聲柱兩大類。固定指向性的聲柱有三種主要類型：自然指向性、全指向性和恒指向性?？烧{(diào)可控指向性的聲柱可分為機(jī)械（物理結(jié)構(gòu)）調(diào)控指向性的聲柱和電子調(diào)控指向性的聲柱。電子調(diào)控指向性的聲柱中，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)調(diào)控聲波輻射的波束方向和波束寬度，豎直安裝且具有恒指向性的有源聲柱稱為數(shù)字波束點(diǎn)陣（Digit-beam Array of Points，簡(jiǎn)稱DAP）。

4 固定指向性的聲柱

4.1 自然指向性聲柱

自然指向性聲柱未對(duì)每只相同的揚(yáng)聲器單元進(jìn)行權(quán)重控制，由多只相同的揚(yáng)聲器單元共同輻射聲波而產(chǎn)生自然的指向性。對(duì)于揚(yáng)聲器單元等距排列的直線型聲柱，其垂直方向指向性是頻率的函數(shù)，頻率越高，主瓣越窄，旁瓣越強(qiáng)越復(fù)雜。

4.2 全指向性聲柱

全指向性聲柱對(duì)每只相同的揚(yáng)聲器單元進(jìn)行權(quán)重控制，使得聲柱具有全指向性特征。聲柱的垂直方向指向性和單只揚(yáng)聲器單元的指向性相同。全指向性聲柱包括：Bessel型、sinc型、二次剩余序列型等。

1983年，Philips公司在第73屆歐洲AES會(huì)議上介紹了一種Bessel函數(shù)陣的概念[5]。電路控制圖如圖3所示。

圖3 Bessel函數(shù)聲柱電路控制圖[5]

1990年，DBK Associates公司的D.B.Keele Jr.提出了源強(qiáng)按照Bessel函數(shù)分布來設(shè)置各揚(yáng)聲器單元的聲壓輻射強(qiáng)度，從而改善聲柱輻射聲場(chǎng)的均勻特性[6]。

2004年，南京大學(xué)的江超和沈勇提出了源強(qiáng)按照sinc函數(shù)分布來設(shè)置各揚(yáng)聲器單元的聲壓輻射強(qiáng)度，從而在提高聲場(chǎng)均勻程度的同時(shí)也改善了其相位特性[7]。

2009年，南京大學(xué)的沈勇和江超獲得了“利用二次剩余序列設(shè)置揚(yáng)聲器陣列的方法及裝置”專利授權(quán)。該專利按照二次剩余序列的比例關(guān)系調(diào)整各揚(yáng)聲器單元的信號(hào)延時(shí)和相位大小，以提高聲場(chǎng)均勻程度，從而使得聲柱指向的均勻性得到明顯改進(jìn)[8]。

4.3 恒指向性聲柱

恒指向性聲柱是在寬頻帶內(nèi)聲柱的垂直方向指向性不隨頻率變化的聲柱?！皩掝l帶”目前沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般為中頻區(qū)至少1～2個(gè)倍頻程（如1～2 kHz，1～4 kHz）?！爸赶蛐圆浑S頻率變化”目前沒有統(tǒng)一規(guī)定，可簡(jiǎn)化為：在指定的頻率范圍（“寬頻帶”）內(nèi)，1)覆蓋角（主瓣波束寬度）變化不超過某一限值；2）主瓣的幅度與最大旁瓣的幅度之差大于某一限值（如10 dB）。

1963年，紐曼公司的Klepper提出了聲柱恒指向性的概念[4]。

1996年，Delft理工大學(xué)地震與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Menno van der Wal等人提出了結(jié)合升余弦函數(shù)的陣元權(quán)重和對(duì)數(shù)的揚(yáng)聲器單元間距實(shí)現(xiàn)恒指向性[9]。

2000年，DBK Associates公司的D.B.Keele Jr.提出了名為CBT（Constant-Beamwidth Transducer）的弧線形揚(yáng)聲器陣列[10]，如圖4所示，該陣列表面聲速滿足勒讓德函數(shù)分布，高于截止頻率的指向性和波束寬度恒定，并且隨距離的變化幾乎不變。

圖4 不同階數(shù)、角度的弧線形CBT聲柱示意圖[10]

2002年，DBK Associates公司的D.B.Keele Jr.利用延時(shí)技術(shù)，提出了延時(shí)直線型CBT聲柱[11]，如圖5所示。

圖5 延時(shí)直線型CBT聲柱示意圖[12]

2015 年，南京大學(xué)馮雪磊、沈勇等人根據(jù)恒指向性陣列的特點(diǎn)，提出了可以實(shí)現(xiàn)任意指向性的多重恒指向性陣列，即Multi-CBT陣列。能實(shí)現(xiàn)利用與頻率無關(guān)的陣元權(quán)重實(shí)現(xiàn)任意指向性，并且在寬頻率范圍內(nèi)指向性不隨頻率變化[13]。Multi-CBT陣列可用于大型觀演空間，針對(duì)空間布局采用特定的指向性，實(shí)現(xiàn)在觀眾席范圍內(nèi)不同位置都有一致的聽覺體驗(yàn)。

5 可調(diào)可控指向性的聲柱

5.1 定義

可調(diào)可控指向性聲柱是在寬頻帶內(nèi)聲柱的垂直方向指向性可調(diào)可控的聲柱。其垂直方向指向性用垂直偏轉(zhuǎn)角和垂直覆蓋角等技術(shù)指標(biāo)描述?？烧{(diào)可控指向性聲柱包括主瓣不可偏轉(zhuǎn)但垂直覆蓋角可調(diào)控的聲柱、主瓣可偏轉(zhuǎn)且在偏轉(zhuǎn)角可調(diào)控的同時(shí)垂直覆蓋角也可調(diào)控的聲柱?？烧{(diào)可控指向性聲柱采用機(jī)械方式，或者波場(chǎng)合成、聲壓匹配、模態(tài)匹配、聲對(duì)比度控制等電子方式，調(diào)控各揚(yáng)聲器單元通道的濾波器系數(shù)或揚(yáng)聲器單元權(quán)重，在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定的垂直指向性或聲場(chǎng)控制目標(biāo)。其中，“寬頻帶”沒有統(tǒng)一的規(guī)定，一般為中頻區(qū)至少1～2個(gè)倍頻程；“特定的垂直指向性或聲場(chǎng)控制目標(biāo)”沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求確定。

廣義的理解為可調(diào)可控指向性聲柱可以實(shí)現(xiàn)各種指向特性，包括：自然指向性、全指向性、恒指向性和期望的指向性等。

5.2 機(jī)械調(diào)控指向性聲柱

最原始的機(jī)械調(diào)控指向性聲柱是通過機(jī)械調(diào)節(jié)聲柱俯仰角度的方式使得聲柱傾斜，其主軸指向聽眾區(qū)。但這種方法外觀難看，與裝飾環(huán)境很不協(xié)調(diào)。

Bose公司出品了一款不必傾斜的機(jī)械調(diào)控指向性聲柱，前障板可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)垂直指向性可調(diào)。該產(chǎn)品提供了四種指向性模式，分別是直線模式、倒J模式、J模式和C模式，如圖6所示，不同的模式有不同的適用場(chǎng)景，可以根據(jù)不同的舞臺(tái)的和觀眾位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 4種機(jī)械調(diào)控指向性示意圖[14]

5.3 電子調(diào)控指向性聲柱

1994年，Peutz & Associes公司的van der Werff[15]提出了可在較大的高混響環(huán)境中，通過聲柱的長(zhǎng)度控制垂直覆蓋角，源密度控制旁瓣，源大小控制水平波束寬度，使用頻率相關(guān)的陣元權(quán)重和時(shí)延得到兩個(gè)波瓣，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于頻率的覆蓋角和可接受的旁瓣，提高直達(dá)聲與混響聲之比（3～5 dB），改善語(yǔ)言清晰度。

1994年，Duran Audio公司的de Veries等人[16]提出了一種針對(duì)等間距直線陣列的數(shù)字控制單元（DCA），該單元使用DSP技術(shù)控制各揚(yáng)聲器單元的振幅和相位，可以實(shí)現(xiàn)與頻率無關(guān)的指向性并且波束寬度可控。de Veries等人分析了DCA的基本結(jié)構(gòu)和要求，DCA由背板、電源、輸入模塊延遲控制單元和輸出通道構(gòu)成，需要滿足一定的頻域帶寬和時(shí)域分辨率條件，濾波器需要有相對(duì)恒定的群延時(shí)。

2001年，Duran Audio 公司的E.W.Start.和G.W.J.van Beuningen[17]使用對(duì)數(shù)間距陣列這一概念引入了數(shù)字指向性合成技術(shù)，該技術(shù)使用了有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器對(duì)揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行波束控制，其核心在于針對(duì)目標(biāo)聲場(chǎng)使用最優(yōu)化算法對(duì)各揚(yáng)聲器單元附加的濾波器進(jìn)行求解。

2021年，南京瑯聲聲學(xué)科技有限公司提出了數(shù)字波束點(diǎn)陣（DAP）的概念，并將低延時(shí)數(shù)字信號(hào)處理模塊、功率放大器、一組或多組揚(yáng)聲器單元內(nèi)置于豎直安裝的柱狀箱體，通過新一代優(yōu)化算法技術(shù)調(diào)整聲波輻射的波束方向和波束寬度，從而可以同時(shí)調(diào)控聲柱的垂直偏轉(zhuǎn)角和垂直覆蓋角（即主瓣可偏轉(zhuǎn)且在垂直偏轉(zhuǎn)角可調(diào)控的同時(shí)，垂直覆蓋角也可調(diào)控），并具有恒指向性。數(shù)字波束點(diǎn)陣（DAP）具有以下特征：1）采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)調(diào)控有源聲柱的指向性以實(shí)現(xiàn)特定的聲場(chǎng)控制目標(biāo)；2）豎直安裝的有源聲柱在垂直方向具有恒指向性，波束方向和波束寬度可以用賦值（輸入數(shù)字）的簡(jiǎn)單方法進(jìn)行設(shè)定，從而同時(shí)調(diào)控聲柱的垂直偏轉(zhuǎn)角和垂直覆蓋角；3）聲柱具有一組或多組相同的揚(yáng)聲器單元，形成點(diǎn)陣。

與其他指向性調(diào)控技術(shù)相比，數(shù)字波束點(diǎn)陣具有以下優(yōu)勢(shì)：1）采用了電子調(diào)控指向性技術(shù)且豎直安裝，相較于傾斜安裝等機(jī)械調(diào)控指向性技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更為豐富和靈活的指向性調(diào)控，且外觀易于融入裝飾；2）具有恒指向性；3）配合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，工程師可以很容易地調(diào)控聲柱的波束方向和波束寬度，優(yōu)化聲場(chǎng)分布，提高安裝調(diào)試效率；4）集成度高，可靠性高且便捷易用；相較于無源聲柱，避免了因現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)距離布線、接插件、安裝等帶來的不穩(wěn)定性。

6 聲柱的演變與發(fā)展

近年來“聲柱”（音柱）等詞語(yǔ)大量使用，如：陣列聲柱、線性陣列聲柱、聲柱揚(yáng)聲器、電子相控陣列揚(yáng)聲器、相控陣聲柱、可控指向性聲柱、有源“指向性可控”音柱、可調(diào)指向性音柱、數(shù)控有源可變指向性音柱、可調(diào)指向性陣列音柱、線陣列音柱揚(yáng)聲器、陣列音柱揚(yáng)聲器、數(shù)字指向性陣列音柱、線性陣列音柱、線性音柱音箱、無源音柱陣列揚(yáng)聲器……術(shù)語(yǔ)使用繁多且混亂，很有必要規(guī)范術(shù)語(yǔ)。

“聲”與“音”的含義有一定區(qū)別。“聲”泛指一切聲音；“音”特指各種有秩序、有條理、有組織的聲音?！抖Y記·樂記》：“聲成文，謂之音”。故“聲柱”一詞更為貼切。

聲柱的研究從1930年起，迄今已有近百年歷史。從二十世紀(jì)三十年代至六十年代，主要研究聲柱的自然指向性。研究人員認(rèn)識(shí)到聲柱可以提高輻射聲功率，并具有較強(qiáng)的指向性，推導(dǎo)出了離散點(diǎn)聲源的指向性計(jì)算公式，分析得出在低頻時(shí)聲柱具有全指向性，隨著頻率的升高，指向性越來越強(qiáng)，并出現(xiàn)旁瓣。

從二十世紀(jì)六十年代中期至九十年代中期，聲柱產(chǎn)品開始流行。人們充分利用聲柱的指向性實(shí)現(xiàn)向特定區(qū)域輻射聲波。為了展寬垂直方向的中高頻覆蓋角，人們用改變聲柱形狀的幾何方法或以犧牲效率為代價(jià)優(yōu)化各揚(yáng)聲器單元的輸入權(quán)重等方法。非常重要的是提出了恒指向性概念，并且有相應(yīng)的產(chǎn)品誕生。

從二十世紀(jì)九十年代至今，研發(fā)人員從研究聲柱主瓣不偏轉(zhuǎn)情況下的全指向性、固定覆蓋角的恒指向性，進(jìn)展到研究可調(diào)可控指向性，特別是聲柱的主瓣可以偏轉(zhuǎn)、覆蓋角也可以調(diào)控的情況，并推出了豐富多樣的產(chǎn)品。目前，指向性可調(diào)可控的聲柱已得到普遍應(yīng)用，機(jī)械調(diào)控逐步過渡為電子調(diào)控，而在電子調(diào)控聲柱中數(shù)字波束點(diǎn)陣（DAP）因技術(shù)指標(biāo)、安裝調(diào)試效率、集成度和環(huán)境諧和度都比較高，漸成發(fā)展趨勢(shì)。

另外，關(guān)于聲柱、揚(yáng)聲器線陣列、揚(yáng)聲器陣列的名詞術(shù)語(yǔ)也容易混淆。廣義的揚(yáng)聲器陣列是指按照某種方式排列的一組揚(yáng)聲器，可以是一維排列，也可以二維排列，甚至是三維排列。揚(yáng)聲器線陣列是陣元呈線狀排列的揚(yáng)聲器陣列，且在聲學(xué)技術(shù)方面具有連續(xù)聲源特征。而聲柱是將一組或多組相同的揚(yáng)聲器單元作線狀豎直排列，裝在柱狀箱體中，以獲得預(yù)期指向性和聲壓級(jí)等聲學(xué)指標(biāo)的裝置，且在聲學(xué)技術(shù)方面具有離散聲源特征。通常，聲柱內(nèi)輻射中高頻的揚(yáng)聲器單元直接向空氣輻射；揚(yáng)聲器線陣列內(nèi)輻射中高頻的揚(yáng)聲器單元通過物理結(jié)構(gòu)形成線聲源間接向空氣輻射；聲柱中可以另外配置低頻揚(yáng)聲器單元；揚(yáng)聲器線陣列中一般都配置若干低頻揚(yáng)聲器單元（箱）和中低頻揚(yáng)聲器單元；聲柱體型較小，由若干揚(yáng)聲器單元組成；揚(yáng)聲器線陣列體積較大，由若干揚(yáng)聲器系統(tǒng)（音箱）組成。

聲柱產(chǎn)品已大量投放市場(chǎng)，而研究仍在繼續(xù)深入推進(jìn)，專家學(xué)者和工程技術(shù)人員不斷提出先進(jìn)技術(shù)以優(yōu)化聲柱的性能，特別是在波束控制、波場(chǎng)合成、擴(kuò)聲重放、嘯叫抑制等方面?？梢灶A(yù)見，聲柱將涌現(xiàn)越來越多的先進(jìn)技術(shù)和優(yōu)秀的產(chǎn)品并得到更加廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，很有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)、技術(shù)參數(shù)。