随着有源音箱的迅猛发展，内置“心形模式（cardioid mode）”DSP的有源超低音音箱（俗称低音炮）正在崛起。但是在这一切现象之下究竟发生了什么？
让我们先来了解一下心形超低音音箱阵列背后的原理，为您解除一些常见的困惑，并学习如何在演出现场对心形超低音音箱阵列进行部署。
在对如何控制超低音音箱的覆盖范围进行深入讨论之前，让我们先了解一下我们为什么需要对它进行控制。与全频音箱不同，我们不能简单地将超低音音箱对准我们想要（声音传播的）的方向。我们经常说：超低音音箱是全指向性的，它会将声能分散地传播到各个方向。在我们所讨论的频率范围内，波长都是比较长的（在30赫兹的情况下，波长超过37英尺），因此，相对较小的音盆直径不能对输出的声波进行有效的方向控制。
一个针对这个观点的反驳是：超低音音箱在前面的声音都更响亮。虽然超低音音箱在其频率范围的低频段非常接近于全指向性，但是较高的声音频率通常会带来较短的波长，也就意味着随着频率的增加对声音方向控制更容易。
尽管交叉滤波器可以在较高频率的频段造成频率响应的滚降，但是我们的耳朵对100 Hz以上的声波更敏感，这也使得超低音音箱在其主要覆盖范围内，听起来指向性更强。
对这个问题进行量化分析需要一个宽敞而且开放的室外空间，在这个场地内架设超低音音箱和用于测量的麦克风。应该选什么地方呢？没错，我的后院是个非常好的选择。
因为在这个测试当中，我并不打算挪动我的房子还有工具房，所以在我们所获得的测量结果中，能够看出这些边界对测量结果存在着一定的影响。接下来您很快就能发现，测量的距离对低音音箱阵列的感官性能也会产生非常显着的影响。
我将一对18英寸的超低音音箱放置在院子的中央，并在距离他们前后各二十英尺的地方架设了测量麦克风，这个距离是在不毁掉我的后院的情况下，能达到的最远的距离了。图1显示了这两个测量麦克风的架设位置，是从后置的测量麦克风看过去的角度。这样的麦克风架设位置，可以让我们了解在超低音音箱阵列的“前面”和“舞台上”分别发生了什么。
图1
我们先看一下单个超低音音箱的情况（图2）。通过图2，我们能够了解为什么重低音音箱需要波束控制。黑色的曲线显示的是音箱前方的响应，红色的曲线显示的是音箱后方的响应。我们主要的关注区域是两个倍频程，它们对于超低音音箱来说是最主要的性能区间（31 - 125 Hz）。在图2中，我们可以看到前后两个位置的响应水平是相似的。
由此，我们可以得出结论：改变超低音音箱的方向，对其声音传播方向的影响是非常小的。如果我们希望得到“观众席声音洪亮，同时舞台上相对安静”的效果，通过改变超低音音箱的方向是达不到目的的，我们必须寻找另一种方法。（针对较真儿的人的注解：为了让曲线看起来更加清晰，图中的所有传递函数曲线都使用了1/12倍频程平均值，虽然在练习时，我通常使用的是1/24倍频程。时间平均值为6秒，激发源是带限粉红噪声。）
图2
更远的距离
另一个普遍的对于超低音音箱的指向性的看法是，后向的抵消是以前向的减少为代价的。这是真的，但是这是有条件限制的。超低音音箱列的前向效率的降低主要是由两个因素所造成的。
首先，某些超低音音箱阵列的配置导致了其在正向上存在延迟或者/和极性能量匮乏。其严重程度取决于超低音音箱阵列的具体配置情况，我们将在后面对此进行讨论。另一个因素就不那么明显了：两个超低音音箱的最大叠加值（ 6 dB）仅能在满足下面两个条件时才能达到：两个音源在相同的时间于空间中的某个点相遇，且具有相同的电平。
这个测试里的所有双单元阵列都使用物理位移作为转向装置的一部分。简单的来说就是：一些音箱的放置位置会比其他的一些音箱更靠近观众，这会造成水平偏移，并且使我们无法达到 6 dB的最大值。好消息是水平偏移是相对的，所以随着我们离超低音音箱阵列的距离越来越远，这几英尺的位移会变得越来越不重要。
虽然我们用于测量的麦克风仅放置在离超低音音箱20英尺外的地方，但是它们检测到的水平偏移却比站在60或70英尺外的观众来的更多。为了看清这个影响到底有多大，我们将把每个超低音音箱阵列的前向输出与标准的并排排列的超低音音箱阵列的输出进行比较，这个标准的超低音音箱阵列拥有的 6 dB的最大叠加值，我们把它称为音箱的“黄金标准”。
内联梯度阵列，非反相
首先是内联非反向梯度阵列（即inline, non-inverted gradient array，有时候这种阵列被称为端射阵列endfire，我更喜欢使用多单词组成的术语。）图3中所显示的是音箱阵列的物理位置的侧视图，可以看出，其中一个音箱会更靠近观众。
如此架设的超低音音箱阵列能够以相对较小的频率范围为中心创造出后向抵消的效果，并且我们能够根据想要抵消的频率来调整音箱间的物理间隔。
通常我会把目标频率设在65赫兹左右，正好是超低音音箱覆盖的频率范围的中间值。两个单元的声学中心的间隔距离应为四分之一个波长，在65赫兹的情况下，这个距离约为4英尺4英寸（4’/4″）。更加靠近观众的那个音箱的输出与相对靠后的音箱的输出有一定的时间差。我们可以很容易地计算出声波传播4英尺4英寸距离所用的时间大约是3.8毫秒。
在现实生活中，时间可能会略长一些，因为从靠后的音箱所发出的声音必须要先绕过前面的音箱，而不可能笔直的穿过它。因此，在实际架设音箱的时候，使用分析仪器所获得的效果往往比使用卷尺量所获得的效果更好。
图3
图4显示了超低音音箱阵列正面的情况：上面的图显示的是幅度，蓝色曲线（较靠近观众的音箱）的幅度更大意味着它的声音更响亮，原因是它的位置更接近麦克风 - 这就是上面所提到的水平偏移，当我们离音箱阵列越来越远时，它会逐渐缩小。
图4
下面的图显示的是相位响应。我并不想在这里写一篇阐述快速傅立叶变换（FFT）的论文，对于那些不熟悉解码相位轨迹的人，您只需要理解下面这个规律即可：相位斜率越高（更陡）就意味着时间的偏移越大。位置靠后的音箱的曲线是黑色的，图中可见它的斜率更大，因为它距离麦克风的距离更远，因此它的声波输出需要经过更长的时间才能到达麦克风。
要想将此超低音音箱阵列对齐，我们不需要进行任何形式的计算 - 只需在更靠近麦克风的音箱添加一个延迟，使它的相位曲线向下倾斜，直到与较远音箱的曲线的斜率相同即可，这样更靠后的音箱的声波就能和更靠前的音箱的声波同时到达指定的位置。
然而在音箱阵列的后方，情况就完全不一样了：靠后的音箱的输出将会更快到达指定地点，而靠前的音箱的输出则会较晚到达 – 因为此时它的物理距离更远，而且它的电子信号还被延迟了。实际距离4'/ 4“造成的传播延迟（3.8 ms）再加上电子信号造成的延迟（也是3.8 ms），将会在后方带来总共7.6 ms的累积时间偏移。
在这时就能体现出我们之前选择的间距的重要性了：7.6 ms恰好是65 Hz的半个周期，这就意味着两个超低音音箱的输出在此频率下相位相差180度，因此它们的声波会相互抵消。这个时间偏移对应的是65 Hz的情况，在其他的频率下会有所不同。且由于相位差在180度的时候，声音波的抵消最彻底，因此在音箱阵列的后方，频率在65Hz左右的声音的抵消情况最佳。
图5中的红色曲线是靠后的音箱的响应曲线，黑色的曲线是靠前的音箱的输出曲线，以及上面我们用标准架设方式所获得的 6 dB的黄金标准曲线。
图5
我们已经在65 Hz左右的频率区域制造了一个效果很好的后向声波抵消。在65Hz的频率之外，我们可以站在音箱阵列的前面，效果是不错的，而且随着我们向观众区域移动，效果会更好。
我们有非常干净的输出，和单极且无极性的前端，因此这种音箱阵列的配置会带来最小的声音降级。但是不幸的是，这对于反向声波的消除没有什么好处。
基于相同的原理所构造的更大的拥有四个单元的端射阵列在后向的声波分布会更加的分散，并且可以实现出色的宽频带后向声波消除，当然您要有足够的空间！
内联梯度阵列，反相
依靠相位偏移来实现反向声波消除的问题在于它只能针对给定的频率。下面，我们将使用极性（极性与频率不相关）来实现在整个频率范围内的反向声波消除。
这次的物理配置与之前的音箱阵列完全相同，但是这次是让靠后的音箱产生延迟，而不是靠前的音箱。音箱阵列的调整要从后面进行 - 在观察后方的麦克风的响应时，调整舞台后部音箱的延迟，直到它能够与靠前的音箱的声波完全匹配为止。
在这一点上，与我们在上面探讨的相同，只是改变了触发的方式。然后，对前面的音箱进行极性反转，将声波在后向的叠加转变为声波在后向的抵消。来自于靠前的超低音音箱的后向声波，被靠后的音箱的后向声波完全地抵消了。（顺带一提，这也就是降噪耳机的工作原理。）
图6显示了后向抵消时的情况，两个音箱的相位曲线在所有频率上均相隔180度，表示它们处于极性相反的状态。
图6
图7显示了在相当大的带宽下，反向声波消除的实现情况，还有黄金标准曲线以供比较。请注意，后向的声波消除会随着距离的增加而改善。这种方法的缺点是系统的瞬态性能会变差 - 在音箱阵列前，我们会听到来自靠后的音箱的迟到的非极性声波。直到100 Hz以上才会产生梳状滤波，但是瞬态看起来并不那么“有力”。
图7
多层梯度超低音音箱阵列
在我们的这次实验中，最后一个测试项目是将两个超低音音箱叠放在一起，并将其中一个音箱反着放。正如我们之前了解到的那样，改变音箱在物理上的方向并不能控制其真正的输出方向，我之所以这里这样做是为了在驱动单元之间的产生一个物理位移。
这个方法与之前所用的音箱阵列相同：在指向后方的音箱信号中加入一个延迟，然后进行极性反转以消除来自于向前的音箱的后向声波。虽然音箱本身的深度只有大约24英寸，但是加上声波需要绕路所带来的距离，我们实际上能够获得接近内联阵列的长度，因此时间上也是差不多的，之前的机制仍然起作用。但是问题是：在较高频率下，指向后方的音箱具有优势，因为这时候它们就不再是全向的了，因此两个音箱之间的偏差会随着频率的增加而增加（图8）。
图8
请注意，在频率较低的地方，两条曲线是一致的，但是在100 Hz的时候，指向后方的音箱（黑色曲线）有一个非常明显的变化。有些音箱制造商建议，可以尝试使用电平偏移来修复这个问题，但是这样做还是存在两个问题：1）音箱之间的电平偏移会随着频率的变化而变化，因此单凭一个增益是无法修复的，2）电平偏移意味着一个音箱将比另一个音箱更早的达到上限，当音箱阵列在全负荷工作时，这会导致“pattern implosion”。
出于这个原因，这样布置的音箱阵列的后向声波抵消效果在LF范围内是最好的，也就是图中的曲线比较一致的区域，如图9中的黄金标准所示。在露天场地，这种类型的超低音音箱阵列通常会使用三个以上的音箱，前后交替摆放。与之前所实验的音箱阵列一样，向前传播的非极性声波可能需要引起关注。但是这会造成问题吗？您可以自己测试一下，再按照您的实际情况决定。
图9
总结
由于篇幅原因，还有其他的一些方法我们在这里没有办法来深入讨论。但我发现这些方法都需要较大的空间来实现：因为它们都依赖于为声波制造环绕路径（让声波绕路）来工作，所以当遇到舞台这种障碍物时，它们就不能很好地发挥作用了。
人们经常问，在这些音箱阵列的布置方案中，哪一个才是“最好的”。答案是：这取决于具体的情况。 有时我们甚至不需要考虑后向声波消除的问题。 然而有时候，它确是我们首先需要解决的问题。最好的方式是：清楚地了解每种类型的音箱阵列的优点和缺点，再根据实际情况选择最适合的音箱布置方案。
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