线列阵技术详解

[转帖]列阵扬声器系统设计指南恰当设计并安装的线阵列扬声器可以提供平直的频率响应、高质量的还音效果以及很强的、可控的覆盖特性。

本质上，线阵列就是从不同的驱动器发出的相同输出信号，在整个覆盖区域内满足“同相”的要求。

这听起来可能很简单，但要实现这样的技术参数绝不是一件简单的事。

了解线阵列的基本原理是重要的，因为这可以帮助你更好的运用这种设备。

线阵列的确可以表现出完美的声音，但这只有在彻底的了解和正确的配置以后才行。

首先要了解它的基本概念。

大家知道声音是在空气中传播的周期性变化的波。

换句话说，声音在空气中传播，而空气本身并不产生移动。

因此，在讨论声输出时，所有表述声音是“空气移动”的观点都是错误的。

这是很重要的一个特点。

另一个要了解的基本概念是“断点频率”。

在此频率之上，可以通过控制辐射体的度数(在本文中，就是线阵列的度数)来控制它的指向性。

断点频率与扬声器长度和辐射角度成反比。

断点频率的公式(如下）是适用于所有扬声器的一个基本概念。

对于线性阵列，音频专业人员可以借此估算线阵列的尺寸以及指向性可控的起始频率。

BF ＝24,000/Φ*Is其中：Φ表示-6dB所对应的扬声器覆盖角度Is表示线阵列的长度，单位：米喇叭和线阵列为了更好的了解断点公式，想象一下把线阵列中取出一段作为单个扬声器模型。

每个线阵列喇叭的覆盖限制都取决于频率。

单个喇叭在低频上是没有指向性的；频率指向性取决于辐射元件的尺寸。

这些喇叭通过可调整的垂直张角组合在一起，箱体的范围就可以直接决定线阵列的效果。

例如，一个典型的（经过适当设计的）喇叭在6kHz可以确保20度的垂直覆盖，而在12kHz就只能覆盖到一半了。

这只随着频率的变化而改变，也称为垂直覆盖的“单调收缩”。

所以如果我们知道线阵列的长度，就可以根据断点公式中的频率很容易的计算出垂直面上的-6dB覆盖角。

相对的，知道了- 6dB覆盖角以及对应的频率，我们就能够算出其他频率下的覆盖角度。

线阵的特点：一个线性声源将会建立一个声压波阵面，在一个特定范围的波长（频率）下，这个波阵面呈松散的圆信状。

它的形状正像一个蛋糕上的一部分，因为波阵面的表面区域仅在水平面上扩张，所以每当距离加倍时，其影响的范围也加倍，这等于说每当距离加倍，声压级水平将损失3dB。

线性阵列的长度除了将垂直覆盖角度变窄以外，线性阵列的长度也能够决定这个被狭窄处理后的散射之波长。

阵列线越长，这种模式下所控制的频率（较波长为长）越低。

临界距离对于在每个加倍距离将损失3dB声压级这个理论还有一个限制条件，那就是线性阵列音箱要处在一个距离足够远的位置，在这个点上线性阵列音箱才会表现为超过一个的点声源并且其声压级开始不按照反区间法则在每个加倍距离上损失6dB。

这两个区间之间的距离就被称为线性阵列音箱的临界距离。

临界距离之内的区间被称为Fresnel区间，而超出临界距离的区间则被称为Fraunbofer区间，它们是分别被L-Acoustics的ChristianHeil命名的。

对于一个给定的线性阵列音箱长度，其临界距离和波长（频率）成反比。

在止期的文章中我们曾经深入的研究过这个问题，较短的波长（高频）比较长的波长（低频）有着更加远的临界距离。

从学术的角度来说，在一个比较远的距离上，相对与低频内容，一个阵列线音箱会保持更多的高频内容。

然而，空气对高频内容的衰减作用会会抵消掉这种特性。

频率渐缩“渐缩”这个术语也通常被称为“渐退”。

他们之间从本质上讲是一致的。

频率渐缩是线性阵列音箱能够有很好的效果所使用权的第一批手段之一。

我最早接触到这项技术是通过Electro-VoiceLR-4B柱式音箱。

在低/中频率上，它采用了使用低通滤波器的6英寸和9英寸锥形驱动器随着扬声器离柱子的边端越远，频率也逐渐下降。

这样的结果就是一个较长的柱式音箱会有较长的波长而较短的柱式音箱会有较短的波长，而它们可以为所有的频率产生相似的散射曲线和临办距离，这样就可以在所有的听众距离位置上产生一个更加平衡的回应。

首先还是介绍一下阵列吧:关于阵列特征在创建阵列时，通过改变某些指定尺寸，可创建选定特征的实例。

选定用于阵列的特征称为阵列导引。

阵列有如下优点：创建阵列是重新生成特征的快捷方式。

阵列是参数控制的。

因此，通过改变阵列参数，比如实例数、实例之间的间距和原始特征尺寸，可修改阵列。

修改阵列比分别修改特征更为有效。

在阵列中改变原始特征尺寸时，系统自动更新整个阵列。

对包含在一个阵列中的多个特征同时执行操作，比操作单独特征，更为方便和高效。

例如，可方便地隐含阵列或将其添加到层。

系统允许只阵列一个单独特征。

要阵列多个特征，可创建一个“局部组”，然后阵列这个组。

创建组阵列后，可取消阵列或取消分组实例以便可以对其进行独立修改。

阵列类型有多种方法可以阵列特征：尺寸(Dimension) - 通过使用驱动尺寸并指定阵列的增量变化来控制阵列。

尺寸阵列可以为单向或双向。

表(Table) - 通过使用阵列表并为每一阵列实例指定尺寸值来控制阵列。

参照(Reference) - 通过参照另一阵列来控制阵列。

要使用阵列功能，可1.右键点击要阵列的特征，选择pattern；2.Feature->Pattern注：用野火的朋友还有填充这一类型！(本教程以2001为主，但方法是相通的)如何使用相同，变化，一般！如果你要阵列的特征仅仅是位置的不同，特征本身尺寸不变，特征之间也不干涉，可用相同（Identical)！如果你要阵列的特征本身尺寸有变化，但彼此间不干涉，可用可变(Varying)!如果阵列的特征不公本身尺寸有变化，且存在干涉，则需用一般(general)!其关系如图：第一种：尺寸阵列创建“尺寸”阵列时，可选取特征尺寸，并指定这些尺寸的增量变化以及阵列中的特征实例数。

“尺寸”阵列可以是单向阵列（如孔的线性阵列），也可以是双向阵列（如孔的矩形阵列）。

换句话说，双向阵列将实例放置在行和列中。

根据所选取的要更改尺寸，阵列可以是线性的或角度的。

稀疏阵列原理是一种用于空间信号处理的技术，它通过在空间中布置一组相对稀疏的接收天线来提高信号处理性能。

下面我将从背景介绍、工作原理、应用场景和局限性四个方面来阐述稀疏阵列原理。

一、背景介绍阵列信号处理是一种在无线通信、雷达、声纳等领域广泛应用的技术。

阵列由一组天线组成，每个天线都可以看作一个传感器，能够接收来自不同方向上的信号，通过调整天线间的相位和幅度关系，可以对信号进行增强、滤波等处理。

传统的阵列天线通常采用均匀线阵（ULA）或多天线阵列，这些阵列中的天线排列密集，可以提供较高的空间分辨率和较好的信号处理性能。

然而，密集阵列的天线数量较多，制作成本高，且在某些应用场景下可能并不需要如此高的空间分辨率。

稀疏阵列原理正是针对这些问题提出的。

二、工作原理稀疏阵列原理通过选择相对稀疏的阵列排列方式，利用阵列增益的原理来提高信号处理性能。

在稀疏阵列中，天线之间的距离较大，每个天线的空间分辨率较低，但通过合理地调整天线的相位和幅度关系，可以获得较高的空间协方差矩阵增益，从而提高信号处理性能。

具体来说，稀疏阵列通过优化天线排列和相位、幅度控制，使得阵列输出的协方差矩阵的特征值集中在较大的特征值附近，从而获得较高的空间协方差矩阵增益。

这种增益的提升可以增强信号的强度，提高信噪比（SNR），进而改善通信质量或雷达性能。

三、应用场景稀疏阵列原理在以下场景中具有广泛的应用前景：1. 无线通信：在无线通信中，稀疏阵列可以通过提高信噪比来改善通信质量，特别是在信号较弱或干扰较多的环境中。

2. 雷达：稀疏阵列雷达可以通过提高目标检测性能和降低噪声干扰来提高雷达性能。

3. 声纳：在水中探测目标的声纳系统中，稀疏阵列可以提高声纳信号的分辨率和信噪比。

四、局限性尽管稀疏阵列原理具有许多优点，但也存在一些局限性：1. 天线数量相对较少，可能无法提供高空间分辨率。

2. 对天线设计和相位、幅度控制的要求较高，需要精确的计算和调整。

阵列天线分析与综合前言任何无线电设备都需要用到天线。

天线的基本功能是能量转换和电磁波的定向辐射或接收。

天线的性能直接影响到无线电设备的使用。

现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多地采用阵列天线。

阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。

如果按直线排列，就构成直线阵；如果排列在一个平面内，就为平面阵。

平面阵又分矩形平面阵、圆形平面阵等；还可以排列在飞行体表面以形成共形阵。

在无线电系统中为了提高工作性能，如提高增益，增强方向性，往往需要天线将能量集中于一个非常狭窄的空间辐射出去。

例如精密跟踪雷达天线，要求其主瓣宽度只有1/3度；接收天体辐射的射电天文望远镜的天线，其主瓣宽度只有1/30度。

天线辐射能量的集中程度如此之高，采用单个的振子天线、喇叭天线等，甚至反射面天线或卡塞格伦天线是不能胜任的，必须采用阵列天线。

对一些雷达设备、飞机着陆系统等，其天线要求辐射能量集中程度不是很高，其主瓣宽度也只有几度，虽然采用一副天线就能完成任务，但是为了提高天线增益和辐射效率，降低副瓣电平，形成赋形波束和多波束等，往往也需要采用阵列天线。

在雷达应用中，其天线即需要有尖锐的辐射波束又希望有较宽的覆盖范围，则需要波束扫描，若采用机械扫描则反应时间较慢，必须采用电扫描，如相控扫描，因此就需要采用相控阵天线。

在多功能雷达系统中，既需要在俯仰面进行波束扫描，又需要改变相位展宽波束，还需要仅改变相位进行波束赋形，实现这些功能的天线系统只有相控阵天线才能完成。

随着各项技术的发展，天线馈电网络与单元天线进行一体化设计成为可能，高集成度的T/R组件的成本越来越低，使得在阵列天线中的越来越广泛的采用，阵列天线实现低副瓣和极低副瓣越来越容易，功能越来越强。

等等。

综上所述，采用阵列天线的原因大致有如下几点：■容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益；■易于实现赋形波束和多波束；■易于实现波束的相控扫描；■易于实现低副瓣电平的方向图。

§2.6 伍德沃德—劳森抽样法简称伍德沃德法。

这种方法是用于天线波束赋形的一种常用的方向图综合方法，它是对所需方向图在不同离散角度处进行抽样来实现预期方向图的。

与各方向抽样和联系的是谐波电流，谐波电流对应的场叫做构成函数。

综合方法分为连续的线源和离散的线阵分别讨论。

对于连续线源。

其构成函数为形式，对于离散线阵，其构成函数为形式。

各谐波电流激励系数等于所要求的方向图在对应抽样点上的幅度。

谐波电流的有限项之和为源的总激励。

构成函数的有限项之和则为综合的方向图，其中每一项代表一个电流谐波产生的场。

sin()/m m a u u m m sin()/(sin )m m a nu n u m a 伍德沃德方法中有关公式的处理类似于信号理论中的香农(Shannon)抽样定理。

该定理指出：“一个有限频带的函数，如果最高频率为()g t h f ，则函数可以用等间隔的抽样唯一地表示。

抽样间隔必须不大于()g t 1/(2)/2h h t f T Δ==，为对应于最高频率的周期”。

用类似的方法综合天线方向图时，其抽样间隔应取h T /L λ弧度，L 为源的长度。

2.6.1连续线源(1) 连续线源上的电流分布对于长为L 的连续线源，伍德沃德方法是令连续线源的总电流I (z )在线上用若干谐波电流()n I z 的有限和来表示：()(),/2/2N n n N I z I z L z L =−=−≤∑≤ (2.119)式中谐波电流为cos (),/2/2n jkz n n a I z e L z L Lθ−=−≤≤ (2.120) n θ代表所需方向图的抽样角度。

(2N 个偶数抽样)1,2,,n =±±± N N (2N +1个奇数抽样)0,1,2,,n =±±± (2) 谐波电流产生的场方向图由各谐波电流()n I z 产生的场方向图函数(即构成函数)为/2/2(cos cos )cos /2/2()()n L L jkz jkz n n n L L a S I z e dz e L θθθθ−−−==∫∫dzsin[(cos cos )]2(cos cos )2n n n kL a θθθθ−=− (2.121) 其最大值发生在n θθ=处。

阵列天线分析与综合复习第一章直线阵列的分析1.阵列天线的分析是指：在知道阵列的四个参数(单元总数，各单元的空间分 布，激烈幅度和激烈相位)的情况下确定阵列的辐射特性(方向图，方向性 系数，半功率波瓣宽度，副瓣电平等)阵列天线的综合是指：在已知阵列辐射特性的情况下，确定阵列的四个参数。

2.能导出均匀直线阵列的阵因子函数S(u)二sin(Nu /2)u = kd cos 1 川黑 sin (u/2)(1)平行振子直线阵，振子轴为z 轴方向，沿x 排列时，阵轴与射线之间的夹角为 cos 一：x 二 cos 「sin^ ；沿 y 轴排列时，cos = sin 「sinr 。

⑵共轴振子线阵，一般设阵轴为 z 轴，此时cos -二COST(3)什么是均匀直线式侧射阵(各单元等幅同相激烈，等间距最大指向-/2)■沿x 轴并排排列，振子轴为z 轴的半波振子直线阵，侧射时的最大指向为 y 轴方向■沿z 轴排列的共轴振子直线阵，侧射时的最大指向在 xy 平面上■并能导出激励幅度不均匀、间距不均匀、相位非均匀递变的直线阵阵因子 3. 均匀侧射阵和端射阵(1) 什么是均匀侧射阵和端射阵，他们的阵因子表示是什么？ (2) 最大辐射方向及最大值。

弘二NI 。

侧射°=0 盅=兀/2 (X«cosP m =—端射 kd P m = 0L .kd'⑷ 零点位置：cos ：on = cos : m 二 n ，/ Nd(6)半功率波瓣宽度端射阵：(BW)h=108. /Nd (o)=1.9「/Nd (rad)(3)抑制栅瓣条件: d :::(5)主瓣零点宽度:侧射阵 端射阵(BW)bo =2 , / Nd (BW)b 。

=2、2 / Nd侧射阵: (BW)h=51 ■ / Nd (o) =0.886 ■ / Nd (rad )⑺副瓣电平能证明均匀直线阵的副瓣电平 SLL 二-13.5dB 。

(8)方向性系数能证明不等幅，等间距直线阵的方向性系数式(1.38)，即N Jr' I n 2n=0 j(n_m)：.sin[( n - m)kd](n -m)kdN Ar I n )2D =—VI 2心(9)强方向性端射阵概念：在普通端射阵的均匀递变相位的基础上再附加一个均匀递变的滞后相位 S ,可以提高端射阵的方向性系数。

阵列天线分析与综合前言任何无线电设备都需要用到天线。

天线的基本功能是能量转换和电磁波的定向辐射或接收。

天线的性能直接影响到无线电设备的使用。

现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多地采用阵列天线。

阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。

如果按直线排列，就构成直线阵；如果排列在一个平面内，就为平面阵。

平面阵又分矩形平面阵、圆形平面阵等；还可以排列在飞行体表面以形成共形阵。

在无线电系统中为了提高工作性能，如提高增益，增强方向性，往往需要天线将能量集中于一个非常狭窄的空间辐射出去。

例如精密跟踪雷达天线，要求其主瓣宽度只有1/3度；接收天体辐射的射电天文望远镜的天线，其主瓣宽度只有1/30度。

天线辐射能量的集中程度如此之高，采用单个的振子天线、喇叭天线等，甚至反射面天线或卡塞格伦天线是不能胜任的，必须采用阵列天线。

对一些雷达设备、飞机着陆系统等，其天线要求辐射能量集中程度不是很高，其主瓣宽度也只有几度，虽然采用一副天线就能完成任务，但是为了提高天线增益和辐射效率，降低副瓣电平，形成赋形波束和多波束等，往往也需要采用阵列天线。

在雷达应用中，其天线即需要有尖锐的辐射波束又希望有较宽的覆盖范围，则需要波束扫描，若采用机械扫描则反应时间较慢，必须采用电扫描，如相控扫描，因此就需要采用相控阵天线。

在多功能雷达系统中，既需要在俯仰面进行波束扫描，又需要改变相位展宽波束，还需要仅改变相位进行波束赋形，实现这些功能的天线系统只有相控阵天线才能完成。

随着各项技术的发展，天线馈电网络与单元天线进行一体化设计成为可能，高集成度的T/R组件的成本越来越低，使得在阵列天线中的越来越广泛的采用，阵列天线实现低副瓣和极低副瓣越来越容易，功能越来越强。

等等。

综上所述，采用阵列天线的原因大致有如下几点：■容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益；■易于实现赋形波束和多波束；■易于实现波束的相控扫描；■易于实现低副瓣电平的方向图。

线阵列综述Line Array Round Up翻译：曾山、苏文静、杨春霞新的线阵列系统在最近几个月非常火爆，Christopher Holder把它们吊装起来作了一次详细的考察，并和这些阵列的设计者们展开了讨论。

这篇文章长达8页——听起来像有很大的篇幅用于线阵列这个主题，虽然对于我们地区（澳洲）线阵列系统应用仍然很少的情况来说似乎过于关注了，但我相信线阵列技术的复兴和改善象征着很长时间内在扩声中最激动人心的发展方向，尽可能地了解它对于我们是没有坏处的，众所周知，L-Acoustics——一个座落在巴黎郊外农舍内的小公司，用他们的V-DOSC 系统使“大男孩们”警觉并关注他们，像EAW,Apogee Sound,meyer,JBL,和EV终于发现不可忽视他们的忠实客户对类似系统的要求。

他们针对竞争对手所有已显露的来设计产品，并且产品都有他们自己认为的线阵列应有的样子。

常见的线阵列：（从左到右）EV x-line，JBL Ver Tel，L-Acoustics V-DOSC ，meyer sound M3D 系统在美国某个未披露的地方为一争高下而排成一行。

毫无疑问，这是我参加过的一个有趣的会议。

线阵列背后的理论很早以前就有了——已发表的相关文章至少可以追朔到30年代。

线阵列类型的扬声器系统，在60和70年代就已经非常流行，当时并不大也不复杂，但毫无疑问在号角负载技术接替之前占据主导地位。

L-Acoustics的Christian Heil博士在80年代回到这个理论，建立了发展到现在为我们所知的V-DOSC的扬声器系统原型。

一个线阵列系统应该作为一个大扬声器来考虑，而不是仅仅为运输方便的缘故，分成独立的箱体（或“元素”），换句话说，不要用考虑常规音箱一样的方式来考虑线阵列音箱——孤立地用一个线阵列音箱其结果还不如一个常规音箱。

如果你建造一个足够大的线阵列并且单元之间的空间足够紧密的话，你将得到一个指向性强而且在一个很宽的频谱内高度可控的声音，并且声音从前到后都有极好的均匀度。

实验3 均匀间距线列阵波束形成器姓名：逯仁杰班级：20120001（12级陈赓1班）学号：20120111121.实验目的通过本实验的学习，加深对《声纳技术》中波束形成和方位估计的概念理解，理解声纳信号处理的基本过程，为今后声纳信号处理的工作和学习建立概念、奠定坚实的基础。

2.实验原理波束形成器的本质是一个空间滤波器。

当对基阵各基元接收信号作补偿处理，使得各基元对某个特定方向上的信号能够同相相加，获得一个最大的响应输出（幅度相加）；相应的各基元对其它方向的信号非同相相加，产生一定的相消效果的响应输出（对于各基元噪声相互独立的情况时功率相加）。

这就是波束形成的工作原理。

常用的波束形成方法主要有时延波束形成法和频域波束形成法。

在此基础上针对不同的阵形、设计要求以及背景噪声特性下还发展了许多波束形成算法。

针对不同的阵形时的波束形成方法是指依赖于阵形的特殊性（如直线阵、圆阵、体积阵等）而得到的波束形成算法：如直线阵波束形成法、圆阵波束形成法，体积阵波束形成法等。

针对不同的设计要求也衍生出多种新型的波束形成算法。

当对不同的频率响应要求相同的波束宽度时有恒定束宽波束形成法，当对波束的旁瓣级有要求时可采用切比雪夫加权波束形成法。

当要求对阵列误差具有宽容性响应时失配条件下的波束形成器[6,362-382]。

如果利用噪声干扰的统计特性有高分辨最小方差无畸变响应（MVDR）波束形成法，线性约束最小方差（LCMV）波束形成法，线性约束最小功率（LCMP）波束形成法，自适应波束形成法等。

但不管是何种波束形成方法，其目的均是在干扰背景下获取某个方向的信号或估计信号的方位。

下面仅给出时延波束形成和相移波束形成的基本原理。

时延波束形成法（时域）相移波束形成法（频域）3.实验内容（1）仿真等间距直线阵基元接收信号，对所接收信号进行延时波束形成，估计目标方位；分析波束形成性能。

参数：阵元数 16，中心频率1500Hz，带宽500Hz，信号脉宽20ms，信噪比20dB。