基于三分频扬声器系统分频器电感的精确设计
沈勇++魏增来
【摘 要】 介绍了扬声器系统在线阵列技术、指向性控制、自适应技术方面的进展，以及传声器在基础结构、微型化、数字 无线技术、3D拾音方面的进展。
【关键词】 扬声器系统；指向性控制；自适应；传声器；微型化；结构；3D拾音
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.07.009
【Abstract】The author introduced the progress of loudspeaker on line array technology， directional control and adaptive technology， and the progress of microphone in infrastructure， micromation， digital radio technology and 3D pickup.
【Key Words】loudspeaker； directional control； adaptive； microphone； miniaturization； structure； 3D pickup
1 扬声器系统
1.1 扬声器线阵列技术
线阵列扬声器系统是目前专业音响产品中最有技术含金量的类别之一。国际上几大主要品牌的全尺寸主导型线阵列扬声器产品的更新频度放缓，扬声器线阵列相关核心技术已趋于成熟。但围绕着线阵列扬声器系统衍生出很多令人瞩目的新技术和新产品，因此扬声器线阵列技术在专业音响产品中仍属重要的核心基础技术。
紧凑型线阵列扬声器系统是各厂商近期的热点产品，以极小体积实现高声压级的声学特性。2016年的新产品已经可以达到以重量仅14 kg实现138 dB的声压级（自由场，1 m，峰值）。这类小尺寸紧凑型产品在对于外观要求较高的固定安装场合有很高的实用价值。代表性产品包括L-Acoustics的KivaⅡ、Kling & Freitag的SEQUENZA 5 W、EAW的KF720和Martin的MLA mini。
L-Acoustics的KivaⅡ是具有极高声压/体积比的无源两分频超紧凑型线阵列扬声器系统，单只重14 kg，在自由场条件下的最大峰值声压级为138 dB（峰值因子4）。在70 Hz～20 kHz的工作频率范围内，可产生100°无旁瓣的水平指向性和平坦的频率响应。KivaⅡ的箱体由新型复合材料制成，采用倒相式负载的箱体结构；安装的单元包括：2只6.5 in单元和1只1.75 in振膜的压缩策动单元，采用DOSC波导和L-Fins负载。KivaⅡ的单元性能优异，尤其体现在冲程和功率承受能力方面，确保了极高的声压/体积比。
Martin Audio的MLA Mini系列线阵列扬声器系统具有超紧凑的箱体结构、极轻的重量，适用于小规模便携安装应用场所。每只MLA Mini扬声器均包含2只6.5 in直径/ 2 in音圈的低频驱动器，以及3只1.4 in铝振膜球顶高音驱动器，水平扩散角可达100°。MLA Mini的有源小型15 in反射加载的超低频扬声器MSX，内置9个通道的D类功率放大器、DSP处理器以及网络控制接口，一方面可为其自身及最多4只MLA Mini扬声器提供信号处理及功率驱动，另一方面通过网络控制可与DISPLAY2.1优化软件交互作用，从而对整个线阵列系统进行精确优化。该系统可以进行吊装、堆叠或支架安装。从规模上来说，一个阵列可吊装多达16只MLA Mini扬声器，由4只地面堆叠的MSX提供信号处理及功率驱动。
另外，EAW的KF720扬声器，超紧凑的箱体重量小于19.8 kg；K&F的SEQUENZA 5也只有368 mm×349 mm×394 mm的大小，重量仅16.3 kg。
1.2 波束控制＼指向性控制
声辐射指向性可控可以说是现代专业扬声器与传统扬声器设备的主要技术分界线。指向性控制技术水平的提升在国际最新一代的产品中有多方面的体现。目前，对于指向性的控制有物理和信号处理两种方式。
（1）物理手段控制
值得关注的是指向性控制在过去垂直聚焦的基础上更多地开始关注水平方向的聚焦。
BOSE的RoomMacth和ShowMatch系列是一种典型的技术方案，通过为扬声器线阵列装配各种不同指向性的声波导模块以实现垂直和水平指向性的双向控制。RoomMatch系列产品共设计有42种辐射角的波导模块，形成不同辐射立体角的波导，可根据使用环境进行针对性选择及搭配，从而有效降低水平以及垂直两维方向上的墙体反射，加强远场声场能量，从而实现不同环境下的均匀辐射。同时可以为实际需要的固定安装系统进行指向性订制，因此在应用中有独特的竞争力。其通过较为简单易行的手段实现了两维指向性的控制，并且可以获得更好的声能量效率。
（2）信号处理方式
采用信号处理方式进行扬声器指向性控制的产品首先出现在更容易满足相干性频率波长与扬声器间距关系的声柱类产品中，早期由Duran、Renkus-Heniz等厂家研发，而后Tannoy、CVS等厂商逐渐跟进，发展到目前，很多原来以点声源和线阵列见长的品牌，如Meyersound、Kling&Freitag等也纷纷推出此类产品，而成为一种非常成熟并得到广泛应用的技术，以Meyer Sound的CAL系列产品为例，作为一款波束数量与指向性均可控的声柱产品，其单一波束的水平覆盖角度为120°，垂直覆盖角度为5°～30°可调（增量为5°），指向性摆动角度为±30°可调（增量为1°），频响范围为105 Hz～15 kHz（±4 dB），能够提供良好的人声重放性能。
在上述声柱类产品的基础上，已有某些品牌的线阵列扬声器产品通过信号处理的手段也实现了一定程度的声辐射指向性的控制，从而对听众区域提供相对精准且均匀的覆盖，如Martin的MLA Compact。值得注意的是，这类产品都会向用户提供配套的调试工具软件，其中集成了声场預测、声学仿真等功能，通过此类有效的调试手段和控制工具发挥其产品的功能优势。
1.3 自适应技术扬声器系统
指向性控制技术的前沿是更加智能化的自适应技术，除了对线阵列扬声器指向性的精确控制之外，自适应功能打破了过去工程应用中 “阵列装配→现场测量→装配调整→现场测量”的反复循环，通过结合仿真和优化等技术，基于软件与数字信号处理平台计算自动调整参数，优化控制目标声场，每一个工作步骤都通过计算辅助设计和自动优化降低了设计调试人员的工作量。AES第139届大会上Scovill的报告中对专业声频工程的技术时代划分认为，声场控制与计算的新技术将引领整个行业从计算预测辅助时代进入智能适应辅助时代。AES第141届大会（2016年10月）上，“数值化扬声器线阵列系统优化——下一代扬声器系统”专题讨论认为，数值优化技术将改变行业的工作流程并最终会改善听众的听觉体验。
目前，自适应指向性控制技术以EAW的Adaptive系列為代表。
EAW的Adaptive系列产品，根据声重放场所的条件，通过ResolutionTM 2软件对波束覆盖角度和指向性进行自动计算调节。在此以Adaptive系列产品Anya为例，其频响范围为35 Hz～18 kHz，水平覆盖角度为70°，垂直覆盖角度可通过软件进行调节，用户可将重放场所模型和Anya吊挂具体参数（如阵列间距，吊挂高度等参数）导入软件中，通过计算，在不改变扬声器阵列物理位置的情况下，即可自动调节垂直覆盖角度，以适应现场声学覆盖需求。此后在实际使用过程中，还可通过ResolutionTM 2软件对Anya的工作情况进行远程监控，若出现某一扬声器单元故障的突发情况，系统可自动重新进行自适应并对Anya参数进行调节修正。2016年EAW推出了该系列的小型款Anna，重量减轻了约一半。
2 传声器系统
近几年，专业传声器的指向性控制和高声压响应都已经非常优秀了，近期传声器系统的重要进步主要体现在小型可穿戴传声器、数字无线传声器以及传声器结构创新等方面。
2.1 可穿戴传声器
可穿戴的微型传声器技术水平有着显著的提升，在0.2 in级别，传声器的动态范围可超过100 dB，并且全指向与超心形指向性均可提供。可穿戴传声器在演出中能为演员带来更大的自由度和灵活性，也意味着在更多演出场景下可以为观众提供更好的拾音。
DPA的d：screet系列针对各种场景设计了多种样式的微型传声器，其尺寸可小至0.2 in，重量轻达10 g。其中，SCO61B00-N53是一款项链式微型传声器；纤细版的SCO60-S及增强版的SCO60-H具有丰富的配件，演出人员穿戴使用时，从外观而言可以达到完全隐藏传声器的效果。
2.2 数字无线传声器
传声器领域的数字无线技术已迈向成熟，低延时全数字编码传输以及自适应跳频技术将无线传声器的通信可靠度提升到了新的水平。
Sennheiser的Evolution Wireless 系列是新一代适用于舞台演出的数字无线传声器系统，具有通信可靠、操作便捷、延时较低等特点。D1系统使用2.4 GHz频段，最多可兼容15个信道，采用多重传输机制，并每秒检索133次，以快速自动化频率管理为舞台表演者提供灵活性的同时，稳定可靠地传输声音信号；此外，智能化增益控制技术可将动态范围扩展至145 dB。而2016年新发布的G3系统使用A1频段，在运行时最多支持32个无线链接，可以适应更复杂的舞台场景。
Sennheiser的Digital 9000系列数字无线传声器系统，提供无压缩的低延时全数字编码传输技术。与模拟无线传输相比，该系统可有效防止信号的互相调制；自动化操控功能确保数字系统便捷、安全地配置和工作。
SHURE的Axient系列产品中提供了新型的无线音频传输与管理工具。其中，频谱管理整合了频谱扫描、频谱分析和兼容频率协调等功能，在使用时可以快速扫描UHF频谱，并智能分配可使用的最优频率；同时，在使用过程中，可通过WWB6软件实时监控整个系统；当所使用频率出现信号串扰等影响通信情况时，Axient将会发出警告并快速跳转到备用频率；频谱分集功能采用两个独立频率接收来自同一信源的信号，以确保在极端无线射频环境下音频信号的无缝连续传输。
2.3 传声器结构创新
作为2016年最新出现的双振膜手持式动圈传声器，KSM8 DualdyneTM心形动圈人声传声器在工程设计上取得了突破性的成果，提供了舒尔迄今开发的一致性最强的心形拾音模式，所采用的Dualdyne拾音器，有两个超薄振膜（一个有源、一个无源）和开创性的反向气流系统。在主动振膜振膜下方有一被动振膜，该被动振膜起到了封闭后腔与内部声学结构的作用，可以有效地对主振膜进行后侧声延迟，从而显著影响KSM8的指向性，同时也可起到机械自适应抑制主动振膜的位移的作用，能够较好地消除近讲效应，从而显著延长拾音距离，真实再现所拾取的整个频宽；并提供极佳的离轴抑制，不会产生轴内染色，抑制不需要的声源，提供无需处理就能媲美电容传声器的音频信号清晰度，而且兼具动圈传声器有效控制反馈的可靠性。振膜稳定系统（Diaphragm Stabilization System）采用气动防振设计，附加于主动振膜上方，可进行振膜保护与爆破音抑制，并可抑制高频手持噪声，而不产生低频响应损失；采用防凹陷的坚固碳钢网罩设计，配以疏水性内衬材料，具有出色的爆破音和风声抑制效果，同时提供防水保护。这款产品的高保真人声重现和反馈控制能力，能在专业演出场地提供更加优秀的现场拾音性能。
2.4 3D拾音系统
由于3D声音技术带来了更强的临场感和沉浸感，所以近年来得到了长足的发展。目前3D拾音方式多数采取在平面环绕声拾音制式的基础上加入带有高度信息的高层传声器组构成，主要包括双层Hamasaki square、Fukada Tree+高层四全向、INA5+高层四全向、Decca Tree Surround+高层四全向、双层OCT-Surround、人工头、人工头+四8字、双层Double M/S等。
Sennheiser公司针对3D音频的拾取，最近系统性地推出了Ambeo 3D音频拾音解决方案，包含以下三个方向：针对耳机的3D音频Binaural拾音方式、针对VR 3D音频的Ambisonics拾音方式以及针对扬声器系统3D音频的Ambeo拾音方式，具体如下所述。
（1）针对耳机3D音频的Binaural拾音
Binaural双耳拾音方案，以Neumann KU100人工头为核心，将人工头作为主传声器，并搭配点传声器，在数字音频工作站上使用Binaural声像处理插件对点传声器进行处理，使其与主传声器实现合理且良好的音响平衡。
（2）针对VR 3D音频的Ambisonics拾音
AMBEO VR传声器（单声道叫MONO，立体声叫STEREO，都是以O结尾，因此Sennheiser为沉浸声创造了一个新名词AMBEO，取Ambience的AMB加上EO组成），基于Ambisonics声场再现技术而设计，能够从传声器所在点对声场中整个球体空间进行拾取，因此可提供一个沉浸式环绕声的感受，不但包括了水平面，而且还包括高度信息。AMBEO VR 传声器是一阶Ambisonics制式传声器，其中包含4个独立的电容传声器极头，在空间排列成一个正四面体，传声器输出原生的Ambience的A格式即4个极头的信号，需要使用Sennheiser提供的免费AMBEO A-B格式转换插件来转换为B格式信号。B格式为声场的再现提供W/X/Y/Z四个声音信息，W是4个传声器极头的总和，而X/Y/Z则分别代表前/后、左/右、上/下。因此，来自传声器任何方向的声音信息都能够在Ambisonics的B格式重放中被听音者感知。
记录AMBEO VR传声器输出需要占用4个音轨，同时与耳机3D音频类似，VR传声器作为主传声器的同时，也需要进一步配合点传声器使用，点传声器可使用如Facebook 360 Spatial Workstation等Ambisonics声像控制工具进行音轨的定位处理控制，最终通过包含了头部相关传输函数（HRTF）应用的双耳渲染插件对Ambisonics的B格式进行解码处理，这样便可以通过普通的耳机来监听Ambisonics的3D音频内容。
（3）针对扬声器系统3D音频的Ambeo拾音
该拾音方案使用多支MKH 800 TWIN双极头双输出电容传声器组成了AMBEO Square、AMBEO Cube（立方体）及简化版AMBEO Cube传声器阵列，从而实现3D音频主传声器的功能。
AMBEO Square使用4支MKH 800 TWIN电容传声器放置在一个方形的四个角上并垂直竖立在房间中，传声器两个极头的两个输出在拾取3D空间声像时，前面的极头拾取到的声音送到前方声道之中，后面的极头拾取到的声音则送到后方的声道之中；此外，还可以选择使用第5支MKH 800 TWIN传声器，拾取的信号馈送给中央声道。该阵列与所有现在常用的3D扬声器系统布置方案相兼容，包括基于声道的Auro 3D和基于对象的杜比Atmos等。
AMBEO Cube基于传统的AB立体声拾音制式，将原来的2支传声器扩展到9支传声器，直接对应于9.1扬声器重放系统的设置来摆位。MKH 800 TWIN传声器可以在调音台或工作站插件中对其拾音范围进行远程控制，实现连续无极的指向性调整，从而便于在录音现场或后期制作环节根据需要调整传声器的指向特性。AMBEO Cube阵列在设置时，不用完全按照重放时的扬声器系统摆位来放置传声器，可稍微做些调整将传声器放置在一个虚拟立方体的8个顶点上：在4支低层传声器之间设置相同的距离形成一个正方形，然后将4支高层传声器架设在低层传声器的上方（高低2支传声器可共用一个传声器杆），高低传声器的距离为低层传声器边长的一半。对应重放时中置聲道的传声器与低层传声器高度一致，并且位置尽量接近重放时中置扬声器系统的位置。需要说明的是，立方体边长可根据需要进行调整，低层与高层传声器之间的距离也需要根据实际情况进行改变，以听觉为准。同样，该阵列也与所有现在常用的3D扬声器系统布置方案相兼容，包括基于声道的Auro 3D和基于对象的杜比Atmos等。
简化版AMBEO Cube与AMBEO Cube使用相同的传声器设置，只是将部分或全部传声器从MKH 800 TWIN改成MKH 8090宽心形传声器，例如使用MKH 8090替代后方的MKH 800 TWIN传声器等。
除了以上三种阵列外，使用2支Sennheiser Esfera环绕声传声器（单点立体声传声器，可将仅有的两轨立体声信号转化成为5.1环绕声）上下布置，也可以组成一套简易的3D音频拾音阵列。
注：本章节选自《中国演艺装备科技蓝皮书（2015～2016）》之《专业音响技术发展研究》一文。
（编辑 杜 青）
