JBL CBT 恒定波寬技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

    引言

    近年來(lái)，音柱揚(yáng)聲器已經(jīng)成為揚(yáng)聲器系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。其修長(zhǎng)的外型能適應(yīng)各種建筑風(fēng)格，而音柱的性能特性可以很好地工作于某些特定的房間類(lèi)型。

    最近，音柱揚(yáng)聲器變得更為流行了，它更是成為了音響設(shè)計(jì)師手中用于滿(mǎn)足審美和需要狹窄自然的垂直覆蓋設(shè)計(jì)的利器。大型的線陣列揚(yáng)聲器在大型的擴(kuò)聲系統(tǒng)中的使用日益普遍，而音柱則相對(duì)這么大型的線陣列體積更為細(xì)小。數(shù)字處理技術(shù)和控制界面已經(jīng)發(fā)展到有源音柱揚(yáng)聲器內(nèi)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有其相應(yīng)的數(shù)字處理器處理并可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，這種方式經(jīng)濟(jì)可行，但還是太昂貴。另外，覆蓋控制已成為音頻設(shè)計(jì)的重要評(píng)定手段。

    這篇文章是闡述的是使用在JBL CBT系列無(wú)源線陣列音柱揚(yáng)聲器中的恒定波寬技術(shù)（Constant Beamwidth TechnologyTM）。這些揚(yáng)聲器解決了很多存在于傳統(tǒng)無(wú)源音柱揚(yáng)聲器的難題，以及一些有源音柱和點(diǎn)投射揚(yáng)聲器目前存在的問(wèn)題。最終結(jié)果是在狹窄的垂直覆蓋角范圍提供恒定指向的一系列并不昂貴的無(wú)源音柱揚(yáng)聲器。它們?cè)诼?tīng)眾區(qū)不論距離遠(yuǎn)近或是在偏軸位置都能提供一致的頻率響應(yīng)，抑制旁瓣效應(yīng)，可切換的垂直覆蓋，非對(duì)稱(chēng)的垂直覆蓋對(duì)于房間從前到后提供更為均勻的聲壓，這對(duì)于各類(lèi)擴(kuò)聲工程來(lái)說(shuō)具有實(shí)際使用意義。

    歷史

    使用陣列式揚(yáng)聲器來(lái)增加指向性的方式可以追溯到十九世紀(jì)三十年代的早期的公共廣播系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，增加指向性一直被認(rèn)為用以改善擴(kuò)聲系統(tǒng)的可懂度的。在十九世紀(jì)五十年代末六十年代初，音柱線陣列被大規(guī)模的使用。設(shè)計(jì)師們?cè)噲D通過(guò)多單元線陣列的構(gòu)造和濾波技術(shù)來(lái)控制指向性。傳統(tǒng)的想法是指向性直接同陣列的大小有關(guān)。因此，要保持指向性恒定，陣列的有效尺寸需要隨頻率而變化。在十九世紀(jì)七十年代初，第一款真正意義上的恒定指向性設(shè)備以號(hào)角的形式出現(xiàn)了。盡管當(dāng)它們被使用在大型陣列上時(shí)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完美的覆蓋且?guī)�寬有限，但�?duì)點(diǎn)投射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已是一個(gè)大的飛躍。

    Klepper與Steele1和Novak2早期的例子在當(dāng)時(shí)展示了包括頻率線逐漸變窄及射程補(bǔ)償?shù)男路椒�。頻率的補(bǔ)償嘗試通過(guò)對(duì)外側(cè)單元低通濾波使最遠(yuǎn)端的驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制最低頻率的指向性，然后將聲源朝著陣列中心位置移動(dòng)，以提升響應(yīng)。這使射束孔徑大小隨頻率明顯減小，保持波束寬度相對(duì)頻率恒定。早期作品的作者承認(rèn)，這個(gè)概念受到了濾波器相位響應(yīng)的挑戰(zhàn)，濾波器相位響應(yīng)導(dǎo)致聲源并沒(méi)有按照期望在所有頻率上同相工作，限制了這個(gè)方法的表現(xiàn)。這個(gè)概念是為了使有效尺寸的陣列產(chǎn)生的波長(zhǎng)有一個(gè)固定的比率。

    圖1. Klepper與Steele1展示了為改善指向性控制的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，以及Novak2（右圖）展示了更復(fù)雜的濾波。

    Klepper與Steele1也說(shuō)明了射程補(bǔ)償（減少陣列末端的輸出）對(duì)于改善散射以及減少旁瓣效應(yīng)的重要性。

    圖2. 來(lái)自Klepper與Steele1的研究，使用吸收媒質(zhì)來(lái)對(duì)線陣列進(jìn)行射程補(bǔ)償?shù)囊环N新穎的、“被動(dòng)”的方式。

    在二十世紀(jì)八十年代期間，設(shè)計(jì)師們開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)并設(shè)想對(duì)波束成形使用數(shù)字延時(shí)，線陣列的波束寬度控制被進(jìn)一步改良。Augspurger與Brawley4展示了使用延時(shí)的線陣列和使用Bessel函數(shù)的射程補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)模型。

    圖3. 來(lái)自Augspurger與Brawley4的研究，展示了使用延時(shí)可得到相對(duì)平坦的偏軸覆蓋，以及加入Bessel補(bǔ)償獲得的非常平滑的偏軸表現(xiàn)。

    盡管這個(gè)模型沒(méi)有展現(xiàn)恒定指向性（平直的偏軸曲線），但文章表述的揚(yáng)聲器延時(shí)弧形和Bessel射程補(bǔ)償提供了一個(gè)非常有用的解決方案。這種方法為CBT的概念做好了鋪墊。

    多年來(lái)，許多對(duì)使用性能有所限制的模擬的方法被廣泛應(yīng)用。近幾年，這種方法又通過(guò)使用Horbach與Keele5的零相位移動(dòng)數(shù)字FIR濾波器被加以改進(jìn)。他們描繪了使用新型DSP濾波技術(shù)的對(duì)數(shù)（驅(qū)動(dòng)器按規(guī)定間隔排列）陣列的預(yù)期性能。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)控制波束寬度非常有效。不過(guò)這個(gè)方法如早期的系統(tǒng)一樣，受限于最大高頻輸出，因?yàn)樽詈笠粋�(gè)倍頻程僅僅通過(guò)兩個(gè)小的驅(qū)動(dòng)器來(lái)覆蓋。

    圖4. 圖15、16、17來(lái)自Horbach與Keele5的研究，使用零相位移動(dòng)有限脈沖響應(yīng)濾波器的對(duì)數(shù)陣列實(shí)現(xiàn)恒定指向性。

    沒(méi)有任何頻率補(bǔ)償或射程補(bǔ)償?shù)闹本�型線陣列在一段時(shí)間內(nèi)深受市場(chǎng)青睞。最常被提及的特性是它們生成柱面波。雖然一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)度的線型聲源會(huì)生成柱面波，但是有限尺寸的陣列僅僅在一個(gè)窄小的空間和頻率區(qū)域生成類(lèi)似于柱面波的波陣面。這個(gè)區(qū)域由陣列的高度界定。利用離散輻射原理的直線型線陣列簡(jiǎn)單的重疊模型工作起來(lái)相當(dāng)不錯(cuò)，展現(xiàn)了真正有限尺寸的線陣列的實(shí)際情況。然而對(duì)于生成一個(gè)聲音覆蓋面來(lái)說(shuō)，此陣列的覆蓋圖形隨頻率而不斷收窄且并不平坦。另外，響應(yīng)隨距離變化而變化。

    在25英尺處，2、4和6度的偏軸響應(yīng)。響應(yīng)在一個(gè)非常小的前端波束內(nèi)激變。

    圖5.16個(gè)單元，1m高的有限尺寸直線型線陣列在同軸與偏軸上表現(xiàn)的模擬，以及以25英尺平直的響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的6、12和50英尺的響應(yīng)曲線。同軸的響應(yīng)隨距離而變化。

    即使在非常窄的范圍內(nèi)（+/- 6度）的偏軸響應(yīng)也很不一樣，主要的前端波束在高頻處變得極其狹窄。正是這種狹窄使得陣列聲音有種激光波束的感覺(jué)，但事實(shí)上這個(gè)波束在寬度上并不是恒定的或者說(shuō)并不是真正的柱形面。通過(guò)在空間中不同點(diǎn)位的響應(yīng)和覆蓋的檢查，可以發(fā)現(xiàn)陣列在每個(gè)地方的情況都不一樣，并且絕不可能在指定的覆蓋區(qū)域提供一致的聲音。

    隨距離（當(dāng)陣列變得更為相干）增加而增加的高頻輸出給予了這個(gè)陣列投射更遠(yuǎn)的感覺(jué)，并且距離每增加一倍減少的聲壓小于6dB。這對(duì)于更高的頻率是正確的但是對(duì)于每個(gè)頻率來(lái)說(shuō)又有差異。在更低的頻率（波長(zhǎng)大于陣列的尺寸），隨距離增加一倍而減少的聲壓值又回到了6dB。揚(yáng)聲器只不過(guò)隨距離增加而變得更為明亮而已。在某些點(diǎn)位響應(yīng)就不再變化（當(dāng)達(dá)到遠(yuǎn)聲場(chǎng)），且所有頻率隨距離增加一倍而減少的聲壓值都回到6dB。此外，波陣面將變成球形面，而不是柱形面，與頻率無(wú)關(guān)。

    離散聲源的直線型線陣列將會(huì)有嚴(yán)重的旁瓣效應(yīng)。

    圖6.  從一個(gè)流行的1m高、12個(gè)獨(dú)立單元的直線型線陣列上測(cè)量的垂直方向極性圖。在800Hz以下就可以看到旁瓣效應(yīng)。這個(gè)圖形隨頻率而不斷變窄，且在主瓣外側(cè)有明顯的旁瓣。

    更新的方法，CBT原理

    在2000年Don Keele6（JBL兩幅對(duì)稱(chēng)（BiRadial®）恒定指向性號(hào)筒的創(chuàng)造者）提出由間隔相等且全帶寬驅(qū)動(dòng)的，離散的換能器組成的恒定波束寬度設(shè)計(jì)的概念。這個(gè)概念簡(jiǎn)稱(chēng)為CBT（constant beamwidth transducer恒定波寬換能器），除此之外，JBL又賦予其更為廣義的含義為恒定波寬技術(shù)（Constant Beamwidth TechnologyTM）。

    這個(gè)概念是一個(gè)恒定波寬陣列可以通過(guò)彎曲陣列到一個(gè)固定的弧形，并使用一個(gè)非常特定的數(shù)學(xué)表達(dá)式（勒讓德函數(shù)）對(duì)驅(qū)動(dòng)器從內(nèi)到外進(jìn)行射程補(bǔ)償來(lái)制造，這樣可消除旁瓣效應(yīng)并產(chǎn)生一個(gè)為弧形的66%的完美的恒定波寬。在后來(lái)的版本中Keele與Button7表明時(shí)間延時(shí)可以用來(lái)代替物理上的弧形來(lái)產(chǎn)生有效的曲率。這個(gè)概念可應(yīng)用于非常寬的帶寬，且僅僅局限于陣列的大小和驅(qū)動(dòng)器的間距。

    圖7.  來(lái)自Keele與Button7的圖（80，57）表明恒定波寬陣列可以通過(guò)延時(shí)彎曲（圖80）或物理弧形（圖57）及勒讓德補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    這個(gè)概念雖然簡(jiǎn)單，但顛覆了隨頻率而改變聲源外觀大小來(lái)得到恒定波束寬度的傳統(tǒng)方式。

    圖8.  虛擬弧形陣列可通過(guò)時(shí)間延時(shí)彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際的點(diǎn)聲源在陣列后方。

    許多工程師使用獨(dú)立的功放通道并通過(guò)DSP處理加入時(shí)間延時(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這相似的概念。然而這種方法雖然有效，但較為昂貴和復(fù)雜。

    JBL已經(jīng)研發(fā)了一個(gè)正申請(qǐng)專(zhuān)利的方法，在無(wú)源揚(yáng)聲器中模擬經(jīng)數(shù)字延時(shí)處理的音柱陣列的表現(xiàn)。最主要操作的前提是，相對(duì)頻率而平坦的群組延時(shí)要與來(lái)自數(shù)字處理的時(shí)間延時(shí)沒(méi)有差別。所有無(wú)源的單元都有以度數(shù)為單位的相位移動(dòng)，這都可以用以時(shí)間為單位的群組延時(shí)來(lái)表示。單個(gè)無(wú)源單元的群組延時(shí)相對(duì)頻率而言并不平坦。不過(guò)，電感線圈和電容器的網(wǎng)絡(luò)可被設(shè)置在寬帶寬上得到平坦的群組延時(shí)。它的缺點(diǎn)是在許多箱體使用情況下，群組延時(shí)非常的小。不過(guò)事實(shí)證明當(dāng)它作為必需的延時(shí)用以“彎曲”一個(gè)直線型線陣列時(shí)是有益的。尤其是在驅(qū)動(dòng)器較小情況下，每一個(gè)連續(xù)的驅(qū)動(dòng)器之間所需要的延時(shí)量較少。

    實(shí)際上，獲得數(shù)字延時(shí)的CBT需要每一個(gè)延時(shí)線路被單獨(dú)地發(fā)送到每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，并且延時(shí)的數(shù)量必須根據(jù)采樣頻率來(lái)量化。在一個(gè)典型的48KHz采樣率的系統(tǒng)中，它是20微秒或用距離表示大約6毫米。這限制了陣列的虛擬弧形的平滑度。在一個(gè)無(wú)源的CBT系統(tǒng)中，群組延時(shí)可以沿著一個(gè)“階梯型”網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)“流出”。各部分之間每一個(gè)少量的群組延時(shí)累積到階梯下。因?yàn)楂@得的群組延時(shí)的數(shù)量建立在模擬合成的基礎(chǔ)上，并為連續(xù)變量，所以不存在時(shí)間的量化誤差。CBT也可被看作是延時(shí)的傳輸線和衰減全部地累積。通過(guò)對(duì)在群組延時(shí)階梯網(wǎng)絡(luò)中的單元的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以適量的延時(shí)來(lái)及時(shí)提供平滑的弧線是可以實(shí)現(xiàn)的。為完成CBT原理，在網(wǎng)絡(luò)中也是現(xiàn)實(shí)存在的外部的驅(qū)動(dòng)器必須做射程補(bǔ)償（衰減）。少量的延時(shí)和衰減被累積在網(wǎng)絡(luò)下。

    對(duì)于JBL CBT的計(jì)算機(jī)最優(yōu)化是用以計(jì)算最適合網(wǎng)絡(luò)的單元屬性值來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定波寬。

    圖9.  無(wú)源CBT的原理是利用無(wú)源單元的階梯來(lái)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)于群組延時(shí)的延時(shí)線，以模擬獲得數(shù)字延時(shí)的CBT陣列的表現(xiàn)。具有特定弧形的單元可以根據(jù)覆蓋圖形的需要來(lái)改變以提供新的弧形。