为什么定向音响让声音更有指向性?

作者:李星明来源:蝌蚪五线谱发布时间:2014-10-11

在神州大地的夏日夜晚,各地都会出现一支名为广场舞大妈的“神秘力量”她们常年携带大功率音响占据着有利地形并对周围居民使用噪声攻击。之前也有新闻报道居民为了对付广场舞大妈耗资26万购置了定向音响,然而这个定向音响是何方神圣?

  在神州大地的夏日夜晚,各地都会出现一支名为广场舞大妈的“神秘力量”她们常年携带大功率音响占据着有利地形并对周围居民使用噪声攻击。之前也有新闻报道居民为了对付广场舞大妈耗资26万购置了定向音响,然而这个定向音响是何方神圣?

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  首先,我们平常听到的绝大多数的音箱其实发出的声波都是360度辐射出去的,即球面波。不同的频率、角度下,声波能量当然会有不同,只是常见的音箱在侧面、背面的声波能量比想象的要大得多,特别是低频,基本上是无方向性的;高频段方向性强一点,但在侧后方(45度/315度)也只是衰减3~6分贝左右而已。所以,你把家中的音箱拉出来听听就明白了,即使你并没有正对着音箱声音还是很响。

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  那么,怎么样才能让声音集中起来,或者用专业术语说加强指向性呢?最常见的就是在喇叭单元前加号角,高音广播喇叭、歌舞厅里的专业音箱就是如此。号角音箱的低频没有改变,但中高频段的指向性加强了,基本上垂直、水平方向可以控制在100度以内,该角度以外可以衰减12分贝以上。传统的号角系统如下图:

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  喉口到号角出口的中间和两边的距离不等。那么声音传播到的时间也不等(就是说,出口部分的相位角差异很大),所以出口部分的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波。但加了号角的音箱即使是球面波,声波的扩散角也比普通扬声器小的多。然而现在的远程投射号角已经有了些改变,如下图。将八字型号角的中间部分加了个菱型的塞子。号角中间的菱型塞子可以将高音在号角中间部分的声波做延时处理,使的声波从号角的喉口到号角的出口各部分的时间相等。也就是说,声波在该号角的出口各部分的相位角是相同的。那么,在号角的出口部分的波阵面趋向于柱型。

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  除了号角外,另外一个方法就是让音箱发出柱面波,用多只喇叭单元进行排列,广播音柱是比较容易见到的柱面波音箱,它的垂直指向性很强,水平指向性一般。如果还要再加强指向性怎么办?声学工程师们研究出了“线性阵列”音箱。大家有可能在运动场见过,如下图。线性阵列是将数个中高音单元用物理加电子的方式进行处理,可以非常精确地控制指向性。物理的方式是在每个单元前加声学透镜,电子的方式是将音频信号数字化后进行分频及复杂的数字效果处理,然后转换为模拟信号分别对每个单元独立放大驱动。

  另外,还有一种有源定向扬声器,这种扬声器利用不同频率的声波的特性来实现定向的目的。较高频率的波拥有较好的指向性,而较低频率的波能比较容易的绕过传播过程中的障碍。举个例子:蝙蝠利用指向性比较好的超声波来定位,地震产生的次声波则可以绕地球好几圈。与传统扬声器的原理不同,有源定向扬声器首先将低频声音信号载于指向性很强的高频信号之上,再经过放大、发射到空气中,而后,空气会把高频信号迅速过滤,其上的可听声音信号便会自然滤出,实现像激光一样定向传播。有源定向扬声器能够把声波控制在特定区域内,在这个区域内的声波很强,而出了这个区域,声波就会很弱,甚至没有。

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