【声学基础】扬声器群组设计之阵列（Loudspeaker Cluster Design---Array）

　　基本概念】

　　1 阵列(array)

　　它指的是将多个音箱或扬声器系统组合在一起，以形成一个整体的声音输出系统。它们可以水平排列、垂直堆叠或以其他方式布置，旨在提供更广泛的覆盖范围和更均匀的声场分布。

　　2 扬声器阵列(loudspeaker array)

　　它是一种特定类型的将多个扬声器组合在一起，以共同工作并产生所需的声压级和频率响应的阵列。

　　最早期的扬声器阵列通常由多个单独的扬声器组成，它们被安装在一起以实现更好的声音覆盖范围和声场效果。然而，这种设计存在一些问题，例如声音的定位不准确和产生混响等。为了解决这些问题，第二代扬声器阵列应运而生。与最早期的扬声器阵列相比，第二代采用了更先进的技术和算法来改善声音的定位和均衡。它通常包括自适应波束成形和数字信号处理等功能，可以根据环境和听众位置进行实时调整，从而提供更清晰、准确和沉浸式的音频体验。总的来说，第二代扬声器阵列在音质和效果方面相较于最早期的设计有了显著的提升。

　　第一代扬声器阵列是早期的设计，它使用多个单独的扬声器单元排列在一起。每个扬声器单元负责放大和播放特定的频率范围。以下是第一代扬声器阵列的优点和缺点：

　　一：它的优点：

　　(1)灵活性：可以根据需要自由调整扬声器单元的数量和位置，以适应不同的音频要求。

　　(2)投影控制：由于扬声器单元分开放置，可以更好地控制声音的投影方向和覆盖范围。

　　(3)可靠性：如果一个扬声器单元出现故障，其他单元仍然可以继续工作，降低了系统的故障风险。

　　二：它的缺点：

　　(1)大尺寸：由于需要安装多个扬声器单元，第一代阵列通常体积较大，难以安装在空间有限的环境中。

　　(2)对准问题：由于扬声器单元相互独立，可能存在声音未能对准或者产生干涉的问题。

　　(3)相位差异：因为每个扬声器单元都是独立放置的，可能会导致声音在不同位置相位差异较大，从而影响音频的准确再现。

　　第二代扬声器阵列是对第一代设计的改进，它采用线性排列的扬声器单元，并且在电子层面上进行相位和时间校正。以下是第二代扬声器阵列的优点和缺点：

　　一：它的优点：

　　(1)同轴放置：所有扬声器单元都放置在同一个平面上，使得声音更加准确地定位和聚焦。

　　(2)相位校正：通过电子处理来校正不同扬声器单元之间的相位差异，提供更一致的声音表现。

　　(3)尺寸和安装：相较于第一代阵列，第二代阵列通常体积更小，更易于安装在各种场景中。

　　二：它的缺点：

　　(1)复杂性：第二代扬声器阵列需要更复杂的电子调整和校正，从而增加了系统的复杂性和成本。

　　(2)依赖电子处理：相较于第一代阵列，第二代阵列更依赖电子设备的支持，如果电子处理出现问题，可能会影响整个系统的工作。

　　(3)成本：由于技术的升级和额外的电子处理，第二代阵列通常比第一代阵列更昂贵。

　　最新的扬声器阵列技术是一种声音增强和定向传播的技术，它使用多个扬声器单元组成一个阵列，以改善声音的分布和覆盖范围。下面是两种最新的扬声器阵列技术：

　　(一)波束成形技术(Beamforming Technology)：它是一种用于聚焦和定向音频信号的技术。这种技术利用数字信号处理(DSP)和多个微小扬声器单元来生成一个具有定向性的声波束。通过调整每个扬声器单元的相位和振幅，可以形成一个聚焦的声束，将声音集中在特定的方向上。这种技术可以用于室内和室外场景，例如会议室、音乐表演或体育场馆，以提供更清晰、准确的声音。

　　以下是扬声器波束成形技术的详细介绍：

　　(1)原理：扬声器波束成形技术基于声学波束成形原理。波束成形通过将多个扬声器单元的输出进行合理的相位和幅度控制，使得声波在特定方向上叠加和干涉，形成一个集中的、窄束状的声场。这样一种定向性的声场可以达到更好的声音聚焦效果，减少了散射和反射，从而提高了声音的清晰度和可听性。

　　(2)多个扬声器单元：扬声器波束成形技术通常需要使用多个扬声器单元。每个扬声器单元负责发出特定的声音信号，并经过信号处理算法的调整，使得各个扬声器单元的输出相互协同，形成目标方向上的波束。扬声器单元的选择和布置位置对于波束成形的效果至关重要。

　　(3)信号处理算法：扬声器波束成形技术依赖于先进的信号处理算法。这些算法通过对输入音频信号进行分析和处理，确定各个扬声器单元的相位和幅度调整参数，从而实现声波的合成和定向。常见的信号处理算法包括波束形成算法、自适应滤波算法、时域和频域分析等。

　　(4)应用领域：扬声器波束成形技术广泛应用于会议系统、语音增强、音乐表演等场景。在会议系统中，可以通过扬声器波束成形技术将发言人的声音聚焦在听众区域内，减少背景噪音的干扰，提高语音清晰度。在语音增强方面，可以通过波束成形技术来改善远距离通信中的语音质量。在音乐表演中，可以使用波束成形技术将声音精确投射到特定的听众区域，提供更好的音频体验。

　　(二)自适应阵列技术(Adaptive Array Technology)：它是一种利用多个扬声器和麦克风组成的系统，通过自动调整扬声器输出信号以适应环境和听众位置的技术。这种技术利用麦克风阵列和信号处理算法来实现自动声源定位和抑制噪声。麦克风阵列由多个麦克风单元组成，并通过对各个麦克风信号进行加权、延迟和相位调节等处理，可以实现对特定声源的增强和其他方向的抑制。这种技术可以应用于语音识别、会议系统、无线通信等领域，提高声音的清晰度和可懂性。

　　以下是扬声器自适应阵列技术的工作原理：

　　(1)麦克风阵列：使用多个麦克风组成的阵列可以捕捉到不同位置的声音，并提供给系统用于分析和处理。

　　(2)信号处理：通过将麦克风阵列捕获到的声音信号与预设的算法进行比较和处理，系统可以确定听众所处位置和环境条件。

　　(3)扬声器控制：基于信号处理结果，系统可以自动调整每个扬声器的输出，以产生最佳的声音效果。例如，在靠近听众的扬声器可能会被放大，而远离听众的扬声器可能会被减小。

　　(4)实时反馈：通过不断分析麦克风阵列的输入信号和环境条件，系统可以实时调整扬声器输出，以适应任何变化的环境和听众位置。