中国报告大厅网讯，在2025年，音箱行业呈现出快速发展的趋势，尤其在声学技术领域取得了显著进展。随着消费者对音质和场景适应性的要求不断提高，各大音箱制造商纷纷致力于优化音箱的声学性能。其中，波束合成和恒定束宽技术(Constant Beamwidth Transducer, CBT)的应用成为研究热点。这些技术不仅能够提升音箱的指向性，还能在复杂场景中提供更精准的声音覆盖。本文将探讨波束合成和CBT技术在音箱声学优化中的应用及其带来的创新价值。

  一、波束合成技术在音箱中的应用

  《2025-2030年全球及中国音箱行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，波束合成技术是一种通过控制音箱阵列中各个单元的信号相位和振幅来实现可控波束指向和宽度的方法。其核心在于利用多个声源的干涉效果，通过调整相对相位或延迟来强化或削弱特定方向的波束能量。这种技术能够在不同角度形成波束，并根据需求动态调整波束的宽度和指向，从而实现高度可控的声场分布。

  在理想条件下，音箱可以近似为点声源，通过将多个音箱按照一定的空间顺序排列，形成音箱阵列。通过为每个阵元增加延时相位器，可以控制声源波束的传播方向，形成不同特定的声场。例如，单一点声源发出的声波以球面波的形式传播，其声压可以通过公式表示为 p=A(r)⋅exp{−j(ωt+ϕ)}，其中 A(r) 为与距离 r 有关的振幅，exp 为自然常数 e 的指数函数，ω 为声波的角频率，t 为时间，ϕ 为相位。

  对于多点声源组成的阵列，其声压可以通过每个点声源的声压求和得到。通过调整各阵元的相位或延迟，可以动态控制波束的指向，而无需物理移动阵列。这种技术在音箱设计中具有重要的应用价值，能够显著提升音箱的指向性和声场控制能力。

  二、恒定束宽技术(CBT)在音箱中的应用

  恒定束宽技术(CBT)是一种通过施加特定加权函数来实现恒定波束宽度的技术。该技术通过使用Legendre函数加权，能够在宽频带内实现恒定的波束宽度，并且具有极小的旁瓣。CBT技术在相控音箱系统中的应用，旨在解决传统相控音箱系统中不同频率下波束宽度不一致的问题。

  CBT技术的核心在于通过延迟控制方法实现直线阵模拟弧形阵列的效果，并结合CBT算法优化阵列的指向性控制。例如，当半径为 α 的刚性球体表面上的法向速度分布满足特定条件时，远场压力分布可以近似为 p(θ)={pvcos(θ),0,θ≤θ0θ>θ0。通过选择适当的Legendre函数阶数，可以使第一个零点位于球帽的半角处，从而实现恒定的波束宽度。

  CBT技术在音箱中的应用具有显著优势。它不仅能够实现恒定的波束宽度，还能在宽频带内保持稳定的指向性。此外，CBT技术还可以通过调整波束的个数、宽度、偏转角度和波束的中心点来适应特定场景，具有较高的实用价值。

  三、音箱设计与实现

  为了验证CBT技术和波束合成技术在音箱中的应用效果，本文设计了一个基于这两种技术的音箱阵列。通过仿真验证，展示了这些技术在优化音箱指向性和波束宽度方面的显著优势。

  (一)音箱阵列设计

  直线音箱阵列设置在xoy平面坐标系的y轴上，中心位于原点，阵元间距为34mm，共有11个阵元。对于延迟模拟的弧形阵列，设阵列弧度角 θc=100∘，计算得弧形半径 r=0.22。对于Legendre加权函数，取 θ0=60∘，11个阵元的 θ 取值分别为 -50°、-40°、-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°、30°、40°、50°。为了使边缘阵元的加权系数不为0，令边缘阵元的角度与球帽半角 θ0 不重合。

  (二)仿真验证

  通过仿真验证，记录各频率时的主波束宽度并绘图。横坐标表示频率，取值范围为0~16kHz，以频程的1/3为基准计算频点值。纵坐标表示主波束宽度，即主波束两侧下降至-3dB的夹角。

  在无加权无延迟的情况下，扬声器阵列在低频段(20~500Hz)的波束宽度非常宽，几乎没有指向性。随着频率的升高，波束宽度逐渐变窄。在偏转+20°的情况下，波束宽度在更高频率下才开始减小，并且在整个频率范围内均比无偏转角时更宽。当阵列的主波束偏转角度增加时，各音箱的声波传播路径差增大，相对相位差更加显著，这种相位差会改变音箱之间的干涉模式。此外，当偏转角度增加时，有效阵列长度相对变短，会减少阵列的“孔径效应”，使主波束变宽。

  通过应用CBT加权后，垂直波束宽度表现更好，中频变窄更少。高频段(1600~6300Hz)范围内的垂直极性非常均匀，没有旁瓣。同样，在8kHz以上，由于声源间距的原因，垂直覆盖范围有所减小。CBT加权阵列在高频段能够更好地维持波束的稳定性，表明加权算法在一定程度上抵消相位差异带来的不利影响。

  四、语音仿真与多通道扩展

  音箱行业现状分析指出，为了进一步验证CBT与波束合成技术在实际应用中的效果，本文进行了语音仿真和多通道扩展实验。原始输入单通道声源信号的时域波形图与语谱图显示了小型会议室内多人开会讨论的内容，采样率为16kHz。

  通过仿真，展示了扬声器阵列不同波束数量的极性响应图，每个波束的控制独立，参数灵活可调，包含随距离衰减效果。基于CBT与波束合成算法处理后的多通道语音波形和语谱图显示，输入为单通道，输出为16通道，实现了稳定的波束宽度控制与多通道扩展。

  五、总结

  综上所述，CBT技术结合波束合成处理在音箱的指向性和波束宽度优化方面展现出显著优势。相较于传统的直线和普通弧形阵列，CBT加权阵列在中高频段更稳定地维持了恒定的波束宽度，避免了高频段波束过度收窄的问题，使指向性更加精确。通过波束合成算法，不仅实现了双波束生成，还可以对波束进行灵活偏转，并且在偏转角度下依然保持了优良的指向控制性能。此外，该方法支持对波束宽度、起始点、偏转角度和波束数量的自由调整，能够适应更多复杂应用场景，为多维度声场控制提供了极大的灵活性和实用价值。这一优化方案在声学工程中具有广泛潜力，可以为精准的声音投射与覆盖需求提供有效解决方案。