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引言
近年來，音柱揚(yáng)聲器已經(jīng)成為揚(yáng)聲器系統(tǒng)的一個重要組成部分。其修長的外型能適應(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)計師手中用于滿足審美和需要狹窄自然的垂直覆蓋設(shè)計的利器。大型的線陣列揚(yáng)聲器在大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中的使用日益普遍，而音柱則相對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)每個驅(qū)動器都有其相應(yīng)的數(shù)字處理器處理，并可對整個系統(tǒng)實時遠(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)計的重要評定手段。
這篇文章闡述的是使用在JBL CBT系列無源線陣列音柱揚(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)無源音柱揚(yáng)聲器的難題，以及一些有源音柱和點投射揚(yáng)聲器目前存在的問題。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源音柱揚(yáng)聲器。它們在聽眾區(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，非對稱的垂直覆蓋對于房間從前到后提供更為均勻的聲壓，這對于各類擴(kuò)聲工程來說具有實際使用意義。
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歷史
使用陣列式揚(yáng)聲器來增加指向性的方式，可以追溯到十九世紀(jì)三十年代早期的公共廣播系統(tǒng)。長期以來，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。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)計師們試圖通過多單元線陣列的構(gòu)造和濾波技術(shù)來控制指向性。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)備以號角的形式出現(xiàn)了。盡管當(dāng)它們被使用在大型陣列上時并沒有實現(xiàn)完美的覆蓋且?guī)捰邢蓿珜c投射系統(tǒng)來說已是一個大的飛躍。
Klepper與Steele1和Novak2早期的例子，在當(dāng)時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)償嘗試通過對外側(cè)單元低通濾波使最遠(yuǎn)端的驅(qū)動器來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，以提升響應(yīng)。這使射束孔徑大小隨頻率明顯減小，保持波束寬度相對頻率恒定。早期作品的作者承認(rèn)，這個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)致聲源并沒有按照期望在所有頻率上同相工作，限制了這個方法的表現(xiàn)。這個概念是為了使有效尺寸的陣列產(chǎn)生的波長有一個固定的比率。
圖1. Klepper與Steele1展示了為改善指向性控制的簡單網(wǎng)絡(luò)，以及Novak2（右圖）展示了更復(fù)雜的濾波。
Klepper與Steele1也說明了射程補(bǔ)償（減少陣列末端的輸出）對于改善散射以及減少旁瓣效應(yīng)的重要性。
圖2. 來自Klepper與Steele1的研究，使用吸收媒質(zhì)來對線陣列進(jìn)行射程補(bǔ)償?shù)囊环N新穎的、“被動”的方式。
在二十世紀(jì)八十年代期間，設(shè)計師們開始使用計算機(jī)設(shè)計，并設(shè)想對波束成形使用數(shù)字延時，線陣列的波束寬度控制被進(jìn)一步改良。Augspurger與Brawley4展示了使用延時的線陣列和使用Bessel函數(shù)的射程補(bǔ)償?shù)挠嬎銠C(jī)模型。
圖3. 來自Augspurger與Brawley4的研究，展示了使用延時可得到相對平坦的偏軸覆蓋，以及加入Bessel補(bǔ)償獲得非常平滑的偏軸表現(xiàn)。
盡管這個模型沒有展現(xiàn)恒定指向性（平直的偏軸曲線），但文章表述的揚(yáng)聲器延時弧形和Bessel射程補(bǔ)償提供了一個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，許多對使用性能有所限制的模擬方法被廣泛應(yīng)用。近幾年，這種方法又通過使用Horbach與Keele5的零相位移動數(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)的對數(shù)（驅(qū)動器按規(guī)定間隔排列）陣列的預(yù)期性能。這個系統(tǒng)對控制波束寬度非常有效。不過這個方法如早期的系統(tǒng)一樣，受限于最大高頻輸出，因為最后一個倍頻程僅僅通過兩個小的驅(qū)動器來覆蓋。
圖4. 圖15、16、17來自Horbach與Keele5的研究，使用零相位移動有限脈沖響應(yīng)濾波器的對數(shù)陣列實現(xiàn)恒定指向性。
沒有任何頻率補(bǔ)償或射程補(bǔ)償?shù)闹本�型線陣列在一段時間內(nèi)深受市場青睞。最常被提及的特性是它們生成柱面波。雖然一個無限長度的線型聲源會生成柱面波，但是有限尺寸的陣列僅僅在一個窄小的空間和頻率區(qū)域生成類似于柱面波的波陣面。這個區(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單的重疊模型工作起來相當(dāng)不錯，展現(xiàn)了真正有限尺寸的線陣列的實際情況。然而對于生成一個聲音覆蓋面來說，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。
圖5. 16個單元，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、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，但事實上這個波束在寬度上并不是恒定的或者說并不是真正的柱形面。通過在空間中不同點位的響應(yīng)和覆蓋的檢查，可以發(fā)現(xiàn)陣列在每個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陣列投射更遠(yuǎn)的感覺，并且距離每增加一倍減少的聲壓小于6dB。這對于更高的頻率是正確的但是對于每個頻率來說又有差異。在更低的頻率（波長大于陣列的尺寸），隨距離增加一倍而減少的聲壓值又回到了6dB。揚(yáng)聲器只不過隨距離增加而變得更為明亮而已。在某些點位響應(yīng)就不再變化（當(dāng)達(dá)到遠(yuǎn)聲場），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，與頻率無關(guān)。
離散聲源的直線型線陣列將會有嚴(yán)重的旁瓣效應(yīng)。
圖6. 從一個流行的1m高、12個獨(dú)立單元的直線型線陣列上測量的垂直方向極性圖。在800Hz以下就可以看到旁瓣效應(yīng)。這個圖形隨頻率而不斷變窄，且在主瓣外側(cè)有明顯的旁瓣。
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歷史更新的方法，CBT原理
在2000年Don Keele6（JBL兩幅對稱（BiRadial®）恒定指向性號筒的創(chuàng)造者）提出由間隔相等且全帶寬驅(qū)動的，離散的換能器組成的恒定波束寬度設(shè)計的概念。這個概念簡稱為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）。
這個概念是一個恒定波寬陣列可以通過彎曲陣列到一個固定的弧形，并使用一個非常特定的數(shù)學(xué)表達(dá)式（勒讓德函數(shù)）對驅(qū)動器從內(nèi)到外進(jìn)行射程補(bǔ)償來制造，這樣可消除旁瓣效應(yīng)并產(chǎn)生一個為弧形66%的完美的恒定波寬。在后來的版本中，Keele與Button7表明時間延時可以用來代替物理上的弧形來產(chǎn)生有效的曲率。這個概念可應(yīng)用于非常寬的帶寬，且僅僅局限于陣列的大小和驅(qū)動器的間距。
圖7. 來自Keele與Button7的圖（80，57）表明恒定波寬陣列可以通過延時彎曲（圖80）或物理弧形（圖57）及勒讓德補(bǔ)償來實現(xiàn)。
這個概念雖然簡單，但顛覆了隨頻率而改變聲源外觀大小來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時間延時彎曲來實現(xiàn)。實際的點聲源在陣列后方。
許多工程師使用獨(dú)立的功放通道并通過DSP處理加入時間延時的方法來實現(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)了一個正申請專利的方法，在無源揚(yáng)聲器中模擬經(jīng)數(shù)字延時處理的音柱陣列的表現(xiàn)。最主要操作的前提是，相對頻率而平坦的群組延時要與來自數(shù)字處理的時間延時沒有差別。所有無源的單元都有以度數(shù)為單位的相位移動，這都可以時間為單位的群組延時來表示。單個無源單元的群組延時相對頻率而言并不平坦。不過，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。它的缺點是在許多箱體使用情況下，群組延時非常的小。不過事實證明當(dāng)它作為必需的延時用以“彎曲”一個直線型線陣列時是有益的。尤其是在驅(qū)動器較小情況下，每一個連續(xù)的驅(qū)動器之間所需要的延時量較少。
實際上，獲得數(shù)字延時的CBT需要每一個延時線路被單獨(dú)地發(fā)送到每一個驅(qū)動器，并且延時的數(shù)量必須根據(jù)采樣頻率來量化。在一個典型的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。在一個無源的CBT系統(tǒng)中，群組延時可以沿著一個“階梯型”網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點“流出”。各部分之間每一個少量的群組延時累積到階梯下。因為獲得的群組延時的數(shù)量建立在模擬合成的基礎(chǔ)上，并為連續(xù)變量，所以不存在時間的量化誤差。CBT也可被看作是延時的傳輸線和衰減全部地累積。通過對在群組延時階梯網(wǎng)絡(luò)中的單元的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，以適量的延時來及時提供平滑的弧線是可以實現(xiàn)的。為完成CBT原理，在網(wǎng)絡(luò)中也是現(xiàn)實存在的外部的驅(qū)動器必須做射程補(bǔ)償（衰減）。少量的延時和衰減被累積在網(wǎng)絡(luò)下。
對于JBL CBT的計算機(jī)最優(yōu)化是用以計算最適合網(wǎng)絡(luò)的單元屬性值來實現(xiàn)恒定波寬。
圖9. 無源CBT的原理是利用無源單元的階梯來創(chuàng)建一個對于群組延時的延時線，以模擬獲得數(shù)字延時的CBT陣列的表現(xiàn)。具有特定弧形的單元可以根據(jù)覆蓋圖形的需要來改變以提供新的弧形。
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