聲柱的演變與發展

沈 勇

（南京大學，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聲器單元作線狀豎直排列，裝在柱狀箱體中，以達到預期指向性和聲壓級等聲學指標的裝置（部分聲柱可附加低頻揚聲器單元），俗稱“音柱”。常見的聲柱如圖1所示。目前，聲柱已被廣泛應用于演出場館、影院、多功能廳、會議室、報告廳、教室、機場、火車站、博物館、指揮中心、教堂等場合。

圖1 聲柱示意圖[1]

2 為什么出現聲柱？

單只揚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，滿足遠距離聲輻射的需求，一種自然的想法便是將多只相同的揚聲器單元組合起來，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，于是出現了早期的揚聲器陣列的應用，包括柱狀揚聲器陣列和二維平面分布的揚聲器陣列，其中柱狀揚聲器陣列就是后來所稱的“聲柱”。

1930年，RCA研究實驗室的I.Wolfe和L.Malter在美國聲學學報上發表論文Directional Radiation of Sound，研究分析了點源、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的理論公式和實驗結果。

人們發現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的指向性，這使得聲柱可以用于提升高混響環境中的語言清晰度。但是，如果對聲柱控制不當（例如沒有針對應用場景妥善設定輸入各揚聲器單元的信號、各揚聲器單元間距不當），聲柱中的各揚聲器單元會產生負面的相互干涉。

1957年，RCA研究實驗室的H.F.Olson著書Acoustical Engineering綜合分析了由多只相同的點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聲器單元相同，而在豎直面內即垂直方向的指向性隨著頻率升高而增強，即主瓣越來越窄，逐漸出現旁瓣并越來越多。

1963年，紐曼公司的Klepper和麻省理工學院的Steele提出了“理發師”螺旋形聲柱[4]，通過旋轉布置的揚聲器單元縮短高頻時聲柱的有效長度以優化聲柱垂直方向的指向性，如圖2所示。

圖2 “理發師”螺旋形聲柱[4]

二十世紀六七十年代，聲柱產品開始流行，直到現在。

3 聲柱的種類

根據不同的評價指標，聲柱有不同的分類，以滿足不同的使用需求，如聽眾區的位置、演講者的位置、有害反射面的方位等。以下從幾何形狀、揚聲器單元的頻帶相位幅度等特性、功放和指向性幾個方面對聲柱進行分類。

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

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

4) 按輸入揚聲器單元的信號幅度特性分，聲柱可分為輸入相同的揚聲器單元相同幅度驅動信號的聲柱和輸入相同的揚聲器單元的驅動信號幅度按一定規律變化的聲柱。

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置的聲柱，電信號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{可控指向性的聲柱可分為機械（物理結構）調控指向性的聲柱和電子調控指向性的聲柱。電子調控指向性的聲柱中，采用數字信號處理技術調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字波束點陣（Digit-beam Array of Points，簡稱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每只相同的揚聲器單元進行權重控制，由多只相同的揚聲器單元共同輻射聲波而產生自然的指向性。對于揚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，頻率越高，主瓣越窄，旁瓣越強越復雜。

4.2 全指向性聲柱

全指向性聲柱對每只相同的揚聲器單元進行權重控制，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會議上介紹了一種Bessel函數陣的概念[5]。電路控制圖如圖3所示。

圖3 Bessel函數聲柱電路控制圖[5]

1990年，DBK Associates公司的D.B.Keele Jr.提出了源強按照Bessel函數分布來設置各揚聲器單元的聲壓輻射強度，從而改善聲柱輻射聲場的均勻特性[6]。

2004年，南京大學的江超和沈勇提出了源強按照sinc函數分布來設置各揚聲器單元的聲壓輻射強度，從而在提高聲場均勻程度的同時也改善了其相位特性[7]。

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

4.3 恒指向性聲柱

恒指向性聲柱是在寬頻帶內聲柱的垂直方向指向性不隨頻率變化的聲柱?！皩掝l帶”目前沒有統一規定，一般為中頻區至少1～2個倍頻程（如1～2 kHz，1～4 kHz）?！爸赶蛐圆浑S頻率變化”目前沒有統一規定，可簡化為：在指定的頻率范圍（“寬頻帶”）內，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理工大學地震與聲學實驗室的Menno van der Wal等人提出了結合升余弦函數的陣元權重和對數的揚聲器單元間距實現恒指向性[9]。

2000年，DBK Associates公司的D.B.Keele Jr.提出了名為CBT（Constant-Beamwidth Transducer）的弧線形揚聲器陣列[10]，如圖4所示，該陣列表面聲速滿足勒讓德函數分布，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、角度的弧線形CBT聲柱示意圖[10]

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

圖5 延時直線型CBT聲柱示意圖[12]

2015 年，南京大學馮雪磊、沈勇等人根據恒指向性陣列的特點，提出了可以實現任意指向性的多重恒指向性陣列，即Multi-CBT陣列。能實現利用與頻率無關的陣元權重實現任意指向性，并且在寬頻率范圍內指向性不隨頻率變化[13]。Multi-CBT陣列可用于大型觀演空間，針對空間布局采用特定的指向性，實現在觀眾席范圍內不同位置都有一致的聽覺體驗。

5 可調可控指向性的聲柱

5.1 定義

可調可控指向性聲柱是在寬頻帶內聲柱的垂直方向指向性可調可控的聲柱。其垂直方向指向性用垂直偏轉角和垂直覆蓋角等技術指標描述?？烧{可控指向性聲柱包括主瓣不可偏轉但垂直覆蓋角可調控的聲柱、主瓣可偏轉且在偏轉角可調控的同時垂直覆蓋角也可調控的聲柱?？烧{可控指向性聲柱采用機械方式，或者波場合成、聲壓匹配、模態匹配、聲對比度控制等電子方式，調控各揚聲器單元通道的濾波器系數或揚聲器單元權重，在寬頻帶內實現特定的垂直指向性或聲場控制目標。其中，“寬頻帶”沒有統一的規定，一般為中頻區至少1～2個倍頻程；“特定的垂直指向性或聲場控制目標”沒有統一規定，一般根據應用場景的需求確定。

廣義的理解為可調可控指向性聲柱可以實現各種指向特性，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 機械調控指向性聲柱

最原始的機械調控指向性聲柱是通過機械調節聲柱俯仰角度的方式使得聲柱傾斜，其主軸指向聽眾區。但這種方法外觀難看，與裝飾環境很不協調。

Bose公司出品了一款不必傾斜的機械調控指向性聲柱，前障板可以通過手動調節角度，實現垂直指向性可調。該產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景，可以根據不同的舞臺的和觀眾位置進行調節。

圖6 4種機械調控指向性示意圖[14]

5.3 電子調控指向性聲柱

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

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

2001年，Duran Audio 公司的E.W.Start.和G.W.J.van Beuningen[17]使用對數間距陣列這一概念引入了數字指向性合成技術，該技術使用了有限長脈沖響應濾波器對揚聲器陣列進行波束控制，其核心在于針對目標聲場使用最優化算法對各揚聲器單元附加的濾波器進行求解。

2021年，南京瑯聲聲學科技有限公司提出了數字波束點陣（DAP）的概念，并將低延時數字信號處理模塊、功率放大器、一組或多組揚聲器單元內置于豎直安裝的柱狀箱體，通過新一代優化算法技術調整聲波輻射的波束方向和波束寬度，從而可以同時調控聲柱的垂直偏轉角和垂直覆蓋角（即主瓣可偏轉且在垂直偏轉角可調控的同時，垂直覆蓋角也可調控），并具有恒指向性。數字波束點陣（DAP）具有以下特征：1）采用數字信號處理技術調控有源聲柱的指向性以實現特定的聲場控制目標；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（輸入數字）的簡單方法進行設定，從而同時調控聲柱的垂直偏轉角和垂直覆蓋角；3）聲柱具有一組或多組相同的揚聲器單元，形成點陣。

與其他指向性調控技術相比，數字波束點陣具有以下優勢：1）采用了電子調控指向性技術且豎直安裝，相較于傾斜安裝等機械調控指向性技術，可以實現更為豐富和靈活的指向性調控，且外觀易于融入裝飾；2）具有恒指向性；3）配合計算機輔助設計軟件，工程師可以很容易地調控聲柱的波束方向和波束寬度，優化聲場分布，提高安裝調試效率；4）集成度高，可靠性高且便捷易用；相較于無源聲柱，避免了因現場長距離布線、接插件、安裝等帶來的不穩定性。

6 聲柱的演變與發展

近年來“聲柱”（音柱）等詞語大量使用，如：陣列聲柱、線性陣列聲柱、聲柱揚聲器、電子相控陣列揚聲器、相控陣聲柱、可控指向性聲柱、有源“指向性可控”音柱、可調指向性音柱、數控有源可變指向性音柱、可調指向性陣列音柱、線陣列音柱揚聲器、陣列音柱揚聲器、數字指向性陣列音柱、線性陣列音柱、線性音柱音箱、無源音柱陣列揚聲器……術語使用繁多且混亂，很有必要規范術語。

“聲”與“音”的含義有一定區別?！奥暋狈褐敢磺新曇?；“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。研究人員認識到聲柱可以提高輻射聲功率，并具有較強的指向性，推導出了離散點聲源的指向性計算公式，分析得出在低頻時聲柱具有全指向性，隨著頻率的升高，指向性越來越強，并出現旁瓣。

從二十世紀六十年代中期至九十年代中期，聲柱產品開始流行。人們充分利用聲柱的指向性實現向特定區域輻射聲波。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優化各揚聲器單元的輸入權重等方法。非常重要的是提出了恒指向性概念，并且有相應的產品誕生。

從二十世紀九十年代至今，研發人員從研究聲柱主瓣不偏轉情況下的全指向性、固定覆蓋角的恒指向性，進展到研究可調可控指向性，特別是聲柱的主瓣可以偏轉、覆蓋角也可以調控的情況，并推出了豐富多樣的產品。目前，指向性可調可控的聲柱已得到普遍應用，機械調控逐步過渡為電子調控，而在電子調控聲柱中數字波束點陣（DAP）因技術指標、安裝調試效率、集成度和環境諧和度都比較高，漸成發展趨勢。

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

聲柱產品已大量投放市場，而研究仍在繼續深入推進，專家學者和工程技術人員不斷提出先進技術以優化聲柱的性能，特別是在波束控制、波場合成、擴聲重放、嘯叫抑制等方面?？梢灶A見，聲柱將涌現越來越多的先進技術和優秀的產品并得到更加廣泛的應用。與此同時，很有必要制定相關標準，規范相關名詞術語、技術參數。