声音建模

本文专门讨论扬声器的主题。 我们将尝试消除关于它们的许多神话，并解释扬声器的真正含义，包括传统扬声器和具有声束建模可能性的扬声器。

首先，让我们介绍一些我们将在本文中操作的基本电声定义。 扬声器是安装在外壳中的单个电声换能器。 只有几个扬声器组合在一个外壳中才能创建一个扬声器组。 一种特殊类型的扬声器是扬声器。

什么是扬声器？

对于许多人来说，扬声器是放置在外壳中的任何扬声器，但这并不完全正确。 扬声器柱是一种特定的扬声器装置，它的外壳内有几个到十几个左右相同的电声换能器（扬声器）垂直排列。 由于这种结构，可以创建具有类似于线性源的属性的源，当然对于特定的频率范围。 这种声源的声学参数与其高度、放置在其中的扬声器数量以及换能器之间的距离直接相关。 我们将尝试解释这个特定设备的工作原理，以及解释日益流行的数字控制声束柱的工作原理。

什么是声音建模扬声器？

最近在我们市场上发现的扬声器可以选择对声束进行建模。 尺寸和外观与自 XNUMX 年代以来广为人知并使用的传统扬声器非常相似。 数字控制扬声器的安装方式与其前代模拟扬声器类似。 这种类型的扬声器设备可以在教堂、火车站或机场的客运站、公共场所、法院和体育馆等中找到。 然而，数字控制声梁柱在许多方面胜过传统解决方案。

声学方面

上述所有地方都具有相对困难的声学特征，这与它们的体积和高反射表面的存在有关，这直接转化为这些房间的大混响时间 RT60s（RT60“混响时间”）。

这样的房间需要使用具有高指向性的扬声器设备。 直接声音与反射声音的比率必须足够高，以使语音和音乐的清晰度尽可能高。 如果我们在声学困难的房间中使用方向特性较差的传统扬声器，可能会发现产生的声音会从许多表面反射，因此直达声与反射声的比率会显着降低。 在这种情况下，只有非常接近声源的听众才能正确理解到达他们的信息。

建筑方面

为了获得所产生声音的质量与音响系统价格的适当比例，应使用少量具有高 Q 因子（指向性）的扬声器。 那么，为什么我们在上述设施中没有找到大型管道系统或线阵系统，例如车站、码头、教堂？ 这里有一个非常简单的答案——建筑师在很大程度上以美学为指导来建造这些建筑。 大型管系统或线阵列集群与其尺寸不匹配房间的架构，这就是建筑师不同意使用它们的原因。 在这种情况下，妥协往往是扬声器，甚至在特殊的 DSP 电路和控制每个驱动器的能力被发明出来之前。 这些设备可以很容易地隐藏在房间的架构中。 它们通常安装在靠近墙壁的位置，并且可以根据周围表面的颜色进行着色。 这是一个更具吸引力的解决方案，最重要的是，更容易被建筑师接受。

线阵列并不新鲜！

Hary F. Olson 在其 1940 年首次出版的《声学工程》一书中很好地描述了线性声源的数学计算原理及其指向性特性的描述。利用线源的特性在扬声器中发生的物理现象

下表显示了传统扬声器的声学特性：

扬声器的一个不利特性是这种系统的频率响应不平坦。 他们的设计在低频范围内产生更多的能量。 这种能量的方向性通常较小，因此垂直色散将远大于更高频率的能量。 众所周知，声学困难的房间通常的特点是在非常低的频率范围内的混响时间较长，由于该频带中能量的增加，可能会导致语音清晰度的下降。

为了解释为什么扬声器会有这种行为，我们将简要介绍传统扬声器和具有数字声束控制的扬声器的一些基本物理概念。

点源交互

• 两个源的方向性

当相隔半波长 (λ/2) 的两个点源产生相同的信号时，这种阵列上下的信号将相互抵消，而在阵列的轴上信号将被放大两倍 (6 dB)。

λ / 4（四分之一波长 - 用于一个频率）

当两个源相隔 λ / 4 或更小的长度（这个长度当然是指一个频率）时，我们注意到垂直平面中的方向特性略有变窄。

λ / 4（四分之一波长 - 用于一个频率）

当两个源相隔 λ / 4 或更小的长度（这个长度当然是指一个频率）时，我们注意到垂直平面中的方向特性略有变窄。

λ（一个波长）

一个波长的差异将在垂直和水平方向上放大信号。 声束将采用两片叶子的形式

2l

随着波长与换能器之间距离之比的增加，旁瓣的数量也增加。 对于线性系统中换能器之间的恒定数量和距离，该比率随频率增加（这是波导派上用场的地方，通常用于线阵列组）。

线源的限制

各个扬声器之间的距离决定了系统用作线路源的最大频率。 源高度决定了该系统具有方向性的最小频率。

光源高度与波长

λ/2

对于大于光源高度两倍的波长，几乎无法控制方向特性。 在这种情况下，可以将源视为具有非常高输出电平的点源。

λ

线光源的高度决定了我们将观察到垂直平面方向性显着增加的波长。

2 l

在较高频率下，光束高度减小。 旁瓣开始出现，但与主瓣的能量相比，并没有明显的影响。

4 l

垂直方向性越来越大，主瓣能量不断增加。

单个传感器之间的距离与波长

λ/2

当换能器相距不超过一半波长时，源会产生具有最小旁瓣的方向性很强的光束。

λ

具有显着和可测量能量的旁瓣随着频率的增加而形成。 这不是问题，因为大多数听众都在这个区域之外。

2l

旁瓣的数量增加一倍。 将听者和反射面与该辐射区域隔离是极其困难的。

4l

当换能器之间的距离是波长的四倍时，会产生如此多的旁瓣，以至于源开始看起来像点源，并且方向性显着下降。

多路DSP电路可控制音源高度

上限频率范围控制取决于各个高频换能器之间的距离。 设计人员面临的挑战是在保持最佳频率响应和此类设备产生的最大声功率的同时最小化该距离。 随着频率的增加，线源变得越来越有方向性。 在最高频率下，它们甚至过于定向，无法有意识地使用这种效果。 由于可以为每个换能器使用单独的 DSP 系统和放大功能，因此可以控制生成的垂直声束的宽度。 该技术很简单：只需使用低通滤波器来降低箱体中各个扬声器的电平和可用频率范围。 为了将光束从外壳中心移开，我们改变了滤波器行和截止频率（对于位于外壳中心的扬声器来说最温和）。 如果不对此类线路中的每个扬声器使用单独的放大器和 DSP 电路，这种类型的操作将是不可能的。

传统的扬声器允许您控制垂直声束，但声束的宽度会随频率而变化。 一般来说，指向性因子 Q 是可变的并且低于要求的值。

声束倾斜控制

众所周知，历史喜欢重演。 下面是 Harry F. Olson “声学工程”一书中的图表。 以数字方式延迟线源的各个扬声器的辐射与物理倾斜线源完全相同。 1957 年后，技术需要很长时间才能利用这一现象，同时将成本保持在最佳水平。

带有 DSP 电路的线源解决了许多建筑和声学问题

• 辐射声束的可变垂直方向因子Q。

用于线源的 DSP 电路可以改变声束的宽度。 这要归功于对单个扬声器的干扰检查。 美国公司 Renkus-Heinz 的 ICONYX 柱允许您在以下范围内更改这种梁的宽度：5、10、15 和 20°，当然，如果这样的柱足够高（只有 IC24 外壳允许您选择宽度为 5° 的光束）。 通过这种方式，狭窄的声束可以避免在高混响房间的地板或天花板上产生不必要的反射。

随着频率的增加，恒定的方向性因子 Q

由于每个换能器的 DSP 电路和功率放大器，我们可以在很宽的频率范围内保持恒定的指向性因子。 它不仅可以最大程度地减少房间内的反射声级，而且还可以为宽频带提供恒定增益。

无论安装位置如何，都可以引导声束

尽管从信号处理的角度来看，声束的控制很简单，但出于建筑原因，它非常重要。 这种可能性导致了这样一个事实，即无需物理倾斜扬声器，我们创造了一个与建筑融为一体的眼睛友好的声源。 ICONYX 还具有设置声束中心位置的能力。

使用建模线性源

• 教堂

许多教堂都有类似的特点：非常高的天花板、石头或玻璃反射面，没有吸收面。 这一切导致这些房间的混响时间很长，甚至达到几秒钟，这使得语音清晰度很差。

• 公共交通设施

机场和火车站通常使用与教堂中使用的材料具有相似声学特性的材料来完成。 公共交通设施很重要，因为到达、离开或延误到达乘客的信息必须易于理解。

• 博物馆、礼堂、大堂

许多比公共交通或教堂规模更小的建筑物具有类似的不利声学参数。 数字建模线源面临的两个主要挑战是混响时间长，会对语音清晰度产生不利影响，以及视觉方面，这在最终选择公共广播系统类型时非常重要。

设计标准。 全频段声功率

每个线源，即使是那些带有高级 DSP 电路的源，也只能控制在某个有用的频率范围内。 然而，使用形成线源电路的同轴换能器可在非常宽的范围内提供全范围声功率。 因此，声音清晰且非常自然。 在语音信号或全频音乐的典型应用中，由于内置同轴驱动器，大部分能量都在我们可以控制的范围内。

使用高级工具进行完全控制

为了最大限度地提高数字建模线性源的效率，仅使用高质量的传感器是不够的。 毕竟，我们知道，为了完全控制扬声器的参数，我们必须使用先进的电子设备。 这种假设迫使使用多通道放大和 DSP 电路。 ICONYX 扬声器中使用的 D2 芯片提供全频多声道放大、对 DSP 处理器的完全控制以及可选的多个模拟和数字输入。 当编码后的 PCM 信号以 AES3 或 CobraNet 数字信号的形式传送到列时，D2 芯片立即将其转换为 PWM 信号。 第一代数字放大器首先将 PCM 信号转换为模拟信号，然后再转换为 PWM 信号。 不幸的是，这种 A/D – D/A 转换大大增加了成本、失真和延迟。

高度灵活

数字建模线源的自然清晰的声音使得该解决方案不仅可以用于公共交通设施、教堂和博物馆。 ICONYX 柱的模块化结构允许您根据给定房间的需要组装线源。 例如，在设置许多点时，对这种源的每个元件的控制提供了很大的灵活性，在这些点处创建了辐射束的声学中心，即许多线源。 这种梁的中心可以位于柱子整个高度的任何位置。 这是可能的，因为在高频换能器之间保持较小的恒定距离。

水平辐射角取决于列元素

与其他垂直线源一样，ICONYX 的声音只能垂直控制。 水平波束角是恒定的，取决于所使用的传感器类型。 IC 列中使用的那些具有宽频带的波束角，对于 140 Hz 到 150 kHz 频带中的声音，差异在 100 到 16 Hz 的范围内。

广角辐射提供更高的效率

广泛的分散，特别是在高频下，确保了声音的更好的连贯性和可理解性，特别是在方向性特征的边缘。 在许多情况下，更宽的波束角意味着使用更少的扬声器，这直接转化为节省。

皮卡的实际互动

我们非常清楚，真正的扬声器的指向特性不可能在整个频率范围内保持一致。 由于这种源的大小，它会随着频率的增加而变得更具方向性。 在 ICONYX 扬声器的情况下，其中使用的扬声器在高达 300 Hz 的频段内是全向的，在 300 Hz 到 1 kHz 的范围内是半圆形的，对于 1 kHz 到 10 kHz 的频段，指向性特性是圆锥形，其光束角为 140°×140°。 因此，由理想全向点源组成的线性源的理想数学模型将与实际换能器不同。 测量结果表明，真实系统的反向辐射能量远小于数学建模的能量。

ICONYX @ λ（波长）线源

我们可以看到梁具有相似的形状，但对于 IC32 柱，比 IC8 大四倍，特性明显变窄。

对于 1,25 kHz 的频率，创建一个辐射角为 10° 的光束。 旁瓣减少 9 dB。

对于 3,1 kHz 的频率，我们看到一个角度为 10° 的聚焦良好的声束。 顺便说一句，形成了两个旁瓣，它们明显偏离主波束，这不会造成负面影响。

ICONYX 色谱柱的恒定方向性

对于 500 Hz (5 λ) 的频率，方向性恒定为 10°，这已通过先前对 100 Hz 和 1,25 kHz 的模拟得到证实。

波束倾斜是连续扬声器的简单渐进延迟

如果我们在物理上倾斜扬声器，我们会在时间上相对于收听位置移动后续驱动器。 这种类型的偏移会导致朝向听者的“声音斜率”。 我们可以通过垂直悬挂扬声器并在我们想要引导声音的方向上为驱动程序引入越来越多的延迟来实现相同的效果。 为了声束的有效转向（倾斜），声源的高度必须等于给定频率波长的两倍。

借助 ICONYX 柱的模块化结构，可以有效地倾斜梁：

• IC8：800Hz

• IC16：400Hz

• IC24：250Hz

• IC32：200Hz

BeamWare – ICONYX 柱梁建模软件

前面描述的建模方法向我们展示了需要对数字信号应用哪种类型的操作（列中每个扬声器上的可变低通滤波器）才能获得预期的结果。

这个想法相对简单——在 IC16 列的情况下，软件必须转换然后实现十六个 FIR 滤波器设置和十六个独立延迟设置。 为了转移辐射束的声学中心，使用柱壳中高频换能器之间的恒定距离，我们需要计算并实现所有滤波器和延迟的一组新设置。

创建一个理论模型是必要的，但我们必须考虑到扬声器实际上表现不同、更有方向性的事实，并且测量证明获得的结果比使用数学算法模拟的结果更好。

如今，随着技术的飞速发展，计算机处理器已经可以胜任这项任务。 BeamWare 通过图形输入有关收听区域大小、高度和柱子位置的信息，使用结果的图形表示。 BeamWare 让您可以轻松地将设置导出到专业声学软件 EASE，并将设置直接保存到列 DSP 电路中。 在 BeamWare 软件中工作的结果是在真实声学条件下可预测、精确且可重复的结果。

ICONYX – 新一代声音

• 音质

ICONYX 的声音是制作人 Renkus-Heinz 很久以前开发的标准。 ICONYX 列旨在以最佳方式再现语音信号和全频音乐。

• 广泛分布

这要归功于使用具有非常宽的辐射角（甚至在垂直平面上高达 150°）的同轴扬声器，特别是对于最高频率范围。 这意味着整个区域的频率响应更加一致，覆盖范围更广，这意味着在设施中使用更少的此类扬声器。

•灵活性

ICONYX 是一款垂直扬声器，具有相同的同轴驱动器，彼此非常靠近。 由于外壳中扬声器之间的小而恒定的距离，辐射束的声学中心在垂直平面中的位移实际上是任意的。 这些类型的属性非常有用，尤其是当架构约束不允许对象中的列的正确位置（高度）时。 这种柱子的悬挂高度的余量非常大。 模块化设计和完全可配置性允许您使用一根长柱定义多个线源。 每个辐射束可以具有不同的宽度和不同的斜率。

• 降低成本

再一次，由于使用了同轴扬声器，每个 ICONYX 扬声器都可以让您覆盖非常广泛的区域。 我们知道柱子的高度取决于我们相互连接的IC8模块的数量。 这种模块化结构使运输变得容易且便宜。

ICONYX 色谱柱的主要优点

• 更有效地控制源的垂直辐射。

扬声器的尺寸比旧设计小得多，同时保持更好的指向性，这直接转化为混响条件下的可理解性。 模块化结构还允许根据设施和财务状况的需要配置柱子。

• 全频音频再现

以前的扬声器设计在此类扬声器的频率响应方面几乎没有产生令人满意的结果，因为有用的处理带宽在 200 Hz 到 4 kHz 的范围内。 ICONYX 扬声器的结构能够产生 120 Hz 至 16 kHz 范围内的全频声音，同时在整个范围内保持水平面的恒定辐射角。 此外，ICONYX 模块的电子和声学效率更高：它们比类似尺寸的前代产品“响亮”至少 3-4 dB。

• 先进的电子产品

外壳中的每个转换器都由单独的放大器电路和 DSP 电路驱动。 当使用 AES3 (AES / EBU) 或 CobraNet 输入时，信号是“数字清晰的”。 这意味着 DSP 电路直接将 PCM 输入信号转换为 PWM 信号，而无需进行不必要的 A/D 和 C/A 转换。

• 先进的 DSP 电路

专为 ICONYX 色谱柱开发的高级信号处理算法和对眼睛友好的 BeamWare 界面方便了用户的工作，因此它们可以在许多设施中广泛使用。

求和

本文致力于详细分析扬声器和使用高级 DSP 电路进行声音建模。 值得强调的是，使用传统扬声器和数字模型扬声器的物理现象理论早在 50 年代就已有描述。 只有使用更便宜和更好的电子元件，才有可能完全控制声学信号处理中的物理过程。 这些知识普遍可用，但我们仍然会遇到并且我们会遇到对物理现象的误解导致扬声器的布置和位置经常出现错误的情况，一个例子可能是扬声器经常水平组装（出于美观原因）。

当然，这种动作也是有意识地使用的，一个有趣的例子是在火车站的月台上水平安装扬声器向下的立柱。 通过这种方式使用扬声器，我们可以更接近“淋浴”效果，在这种情况下，超出这种扬声器的范围（分散区域是柱子的外壳），声级会显着下降。 通过这种方式，可以最大限度地减少反射声级，从而显着提高语音清晰度。

在电子技术高度发达的时代，我们遇到越来越多的创新解决方案，然而，这些解决方案使用的是很久以前发现和描述的相同物理学。 数字建模声音为我们提供了适应声学困难房间的惊人可能性。

生产商已经宣布在声音控制和管理方面取得突破，其中一个重点是全新扬声器（Renkus-Heinz 的模块化 IC2）的出现，它们可以以任何方式组合在一起以获得高质量的声源，完全管理，同时是一个线性源和点。