专业音响扩声知识

济海云帆

作者：不详
出处：音频应用

一、扩声系统的电声设计
    扩声设计的依据（参考国家现行规范，设计依据如下）：
   《厅堂扩声系统声学特性指标》 GYJ25-86
   《剧场建筑设计规范》 JGJ57-2000 ， J67-2001
   《厅堂扩声特性测量方法》GB/T4959-1995
   《声系统设备互连的优选配接值》GB/14197-93
   《客观评价厅堂语言可懂度的 RASTI 法》GB/T14476-93
   《厅堂混响时间测量规范》 GBJ76-84
   《民用建筑电器设计规范》 JGJ/T16-92
   《舞台灯具光学质量的测试与评价》 WH/T0204-99
   《电气安装工程施工及验收规范》 GBJ232-90 ，92
   《电子调光设备通用技术条件》
   《电子调光设备性能参数与测试方法》
   《电子调光设备无线电干扰特性限值及测量方法》(GB15734-1995)
    扩声设计的指标
    根据声场的建筑环境，节目类型及音源动态要求，现行的多功能厅，报告厅、会议室等，都按照《厅堂扩声系统声学特性指标》 GYJ25-86 的语言兼音乐扩声一级指标设计，设计的指标如下：
    最大声压级（空场稳态，准峰值）：125～4000 Hz，平均≥98dB
    传输频率特性：125～4000Hz，≤4dB
    传声增益：125～4000Hz，≥8dB
    声场不均匀度： 100Hz≤8dB， 1000 Hz～6300 Hz≤6dB
    噪声级：≤NR25 （扩声系统）

    专业术语的解释
    由于电子技术的发展，扩声系统中电子设备的频率响应和相位响应处理技术已经达到很高的水平，影响扩声系统还原性能的主要瓶颈是换能器（扬声器）的失真，因此扬声器是决定扩声系统设计指标和品质因素的重点，换言之，扩声系统的预期指标与扬声器的规格参数息息相关。

     频响范围：频响范围由频率范围与频率响应组成：频率范围指电子设备最低有效重放信号频率与最高有效重放信号频率之间的范围，一般采用图表形式表示音箱的相对幅度和频率的函数关系（频率响应图）。上图是某音箱理想的频率范围： 60Hz～20KHz@-3dB；
频率响应指将一个恒压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率变化而发生增大或衰减，相位随频率发生变化的现象，这种声压，相位,频率的相关变化关系称为频率响应，单位为分贝（dB）。
    声压与相位滞后随频率变化的曲线称为频率特性。这是考察音箱性能优劣的一个重要指标，它与音箱的性价有着直接的关系，其分贝值越小说明音箱的频响曲线越平坦、失真越小、性能越高。人耳可分辨的频响不平坦程度因人及节目内容而异，大多数人对同一节目的频响变化如果小于 2～4dB就不易觉察。
    选择音箱时应是频响范围越大越好，但也必须是平坦的，两端衰减量不大于 3dB才有意义。

     声乐的频率分布：声压Sound Pressure：有声波产生时，传播媒质中的压力与静压的差值。单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。
     声功率：单位时间内通过某一面积的声能，单位为W（瓦）。
     声压级Sound Pressure Level：声压与基准声压的比值以10为底的对数乘以2，通常以分贝（dB）为单位，基准声压必须指明。
     功放的功率Power：功放的单位是W（瓦），容量的大小与重放信号的大小、频率范围、负载阻抗、以及可承受的失真电平有关。为了制定功率的测试标准，联邦贸易委员会（FTC）颁布了以输入信号为20Hz～20KHz，失真低于1%的长时间测试标准，一种是使用“单音短脉冲触发”的方法在以下频率进行：
    * 20Hz-0.05秒脉冲信号
    * 50Hz-0.02秒脉冲信号
    * 1000Hz-0.001秒脉冲信号
    * 7000Hz-0.0014秒脉冲信号
另一种是以1000Hz信号，失真分别低于0.05%和0.1％，20Hz～20KHz正弦波扫频，失真低于0.1%的长期“连续平均功率”测试法，在这种标准下测试的功率称为“最大平均功率”，以其他方式标称的功率都视为非标。功放容量的大小与重放信号的大小、频率范围、输入阻抗、以及可承受的失真电平存在以下关系：
    1. 负载阻抗越小，功放输出功率越大，失真越高。
    2. 负载阻抗越高，功放输出功率越小，失真越低。
    3. 频率范围越大，功放输出功率越小，失真越高。
    4. 频率范围越窄，功放输出功率越大，失真越低。
    5. 工作时间越长，功放输出功率越小，失真越高。
     
音箱的功率：音箱的单位是W（瓦），涉及的内容与功放类似，但更加复杂。音箱功率容量的大小也与重放信号的电平、频率范围、以及可接受的总谐波失真有关。目前已经有许多组织制定了音箱功率的测试标准，他们分别是：AES（音响工程师协会AES-1984）、EIA（电子工业协会）、ANSI（美国国家标准协会ANSI-S4.26-1988），测试内容如下：粉红噪音信号源连续2小时，每倍频程10点的频宽，12dB倍频程滤波斜率。但未为全部厂商采用，业界最为广泛使用的是以下三种测试方法：
    * 连续、长期或有效值（RMS）功率：粉红噪音信号源，测试时间连续1小时以上，给出最低功率值。
    * 节目或音乐功率：带音乐特色的测试信号源，测试时间约1秒，结果比连续功率高3dB（功率的2倍）
    * 峰值或瞬时功率：带音乐特色的测试信号源，测试时间约0.1秒，结果比连续功率高6dB（功率的4倍）
    音箱的最大声压级SPL：指音箱在一定声功率工作状态下，在距离扬声器平面垂直中轴前方一米的地方所测得的最大声压级。
    音箱的灵敏度：给音箱输入1W/1KHz信号时，在距音箱喇叭平面垂直中轴前方一米的地方所测得的声压级。灵敏度的单位为分贝dB。
    音箱的指向性：声波中心是在发声器上或附近的一个点，在远处观测时，类似从该点发出的球面发散声波。音箱的指向性是指音箱辐射声压的强弱随方向不同而产生变化的特性，也称为覆盖范围，一般用声压级SPL相对于轴线处下降6dB的夹角来定义。指向性受频率的影响很大，频率越高，指向性越窄，频率越低，指向性越宽。
    声场的最大声压级：单位为dB，与音箱的最大声压级、灵敏度、指向性和功率有着密切的关系。通过理论和实践证明，声场的最大声压级与音箱上述的几个主要指标存在以下的关系：
    1. 距离不变，功率增加一倍，声压级增加3dB
    2. 功率不变，距离增加一倍，声压级衰减6dB
    3. 同等距离，射角外沿比轴心声压级降低6dB

声波距离衰减表
声速传播时间表（声速=340米/秒）
功率分贝表

10米
-20dB
10米
29.4毫秒
1W
0dB

15米
-24dB
20米
58.8毫秒
10W
10dB

20米
-26dB
30米
88.2毫秒
15W
12dB

30米
-30dB
40米
117.6毫秒
20W
13dB

40米
-32.2dB
50米
147毫秒
25W
14dB

50米
-34dB
60米
176毫秒
50W
17dB

60米
-35.8dB
70米
205.8毫秒
100W
20dB

70米
-37dB
80米
228.6毫秒
200W
23dB

80米
-38dB
90米
264.7毫秒
300W
25dB

90米
-39dB
100米
294.1毫秒
400W
26dB

100米
-40dB
150米
441.1毫秒
500W
27dB

150米
-43.5dB
200米
588.2毫秒
600W
28dB

200米
-46dB
300米
882.3毫秒
800W
29dB

300米
-49.5dB
400米
1176毫秒
1000W
30dB

400米
-52dB
500米
1470毫秒
  
  

500米
-54dB
  处理系统的作用
    1. 调音台：调音台在音响系统中主要用于对信号源的处理：将话筒微弱的信号进行放大，对各种不同的音源进行阻抗匹配、相应的音色修饰和集成调控。在专业录音及舞台演出中，调音台还具备多路编组输出、数模格式转换、声像定位编辑等多种功能。
　　一台优质的调音台，基本技术规格的指标应达到如下的参数：
    * 总噪声：-86.5dBu（20Hz~20kHz）
    * 总谐波失真THD：<0.0007%（1kHz@+14dBu，20Hz~20kHz）
    * 通道串音：-84dBu（1kHz@0dBu，20Hz~20kHz）
    * 频率响应：-1dB@20Hz~60kHz，-3dB@20Hz~100kHz（话筒输入至任一输出）
    * 等效输入噪声（EIN）： -129.5dBm（话筒输入处于最大增益，150?终端）
    * 共模抑制比CMR：>90dB@1KHz
    * 最大输入电平：+22dBu
    * 主输出最大电平：+28dBu
    * 其他输出最大电平：+22dBu
    * 话筒输入阻抗：1.3kΩ
    * 线路输入阻抗：10kΩ
    * 输出阻抗：120Ω

    2. 均衡器
     
由于声场的共振特性、吸声材料对声音频率的吸声系数不同，以及扬声器频率响应特性不均匀等原因，会导致出现某些频率声音过强和某些频率声音不足的问题。但一般调音台上的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节，达不到精细的频率均衡。均衡器的作用是用于分别调节各种频率成分电信号放大量，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用（频率均衡）。
    均衡器按照电路的不同，主要分为图示均衡器和参量均衡器二类，且图示均衡器结构简单，直观明了，在专业音响中应用非常广泛。
    图示均衡器，亦称图表均衡器，通过面板上推拉键的分布，可直观地反映出所调出的均衡补偿曲线，各个频率的提升和衰减情况一目了然。图示均衡器采用恒定Q值技术，每个频点设有一个推拉电位器，无论提升或衰减某频率，滤波器的频段带宽始终不变。
    常用的专业图示均衡器将20Hz~20kHz的信号分成10段、15段、27段、31段来进行调节。用户可以根据不同的要求选择不同段数的图示均衡器。一般来说10段均衡器的频率点以倍频程间隔分布，使用在一般场合下；15段均衡器以2/3倍频程间隔分布，使用在专业扩声上；31段均衡器以1/3倍频程间隔分布，多数在需要精细补偿的场合下使用。
     一台优质的均衡器，基本技术规格的指标应达到如下的参数：
    * 总噪声：-92dBu（20Hz~20kHz）
    * 总谐波失真THD：<0.01%@+20dBu
    * 通道串音：<-80dBu（20Hz~20kHz）
    * 频率响应：±2.5dB
    * 最大输入电平：+23dBu
    * 最大输出电平：+23dBu
    * 输入阻抗：平衡式20kΩ，非平衡10KHz
    * 输出阻抗：平衡式200Ω，非平衡100?
    * 斜率：±3%
    * 倍频程：1/3倍频程
    * 增益范围：≥±6dB

二、扩声系统的电声计算
    1. 最大功率容量与最大电压容量的计算
    * 公式一：最大电压容量V=√最大功率W×负载阻抗Ω
    * 公式二：最大功率容量W=最大电压V2×负载阻抗Ω
    假如已知一个音箱的最大持续功率（AES/ANSI）和标明的负载阻抗，则可以计算出此音箱的最大电压，例如A音箱的最大功率是600W RMS（ES/ANSI），阻抗是8Ω，希望通过系统的压限器或者音箱控制器设定功放的最大输出电压值，对A音箱进行保护，把相关的数据套进公式一：
    最大电压容量V=√600W×8Ω
                 = √4800
                 = 69.28V
    由此得出69.28 V电压加在8Ω负载阻抗时，可以产生最大600W RMS的功率，所以我们要在压限器或者音箱控制器上设定功放的最大输出电压值不能超过69.28 V，才能有效保护A音箱不致烧毁。

    2. 功放电压增益的计算
    * 公式三：电压增益=输出电压V/输入电压V
    增益由音频电路的输入和输出之间的关系决定，增益表示为倍数（×），或者用单位dB表示，若我们想知道一台功放的增益（称为电压增益），则必须知道输入信号电平和其相应的输出信号电平。例如已知从系统前级输入至A功放的信号电平是0.775V，输出信号是31V，把相关的数据套进公式三可以得知A功放的电压增益：
    电压增益=输出电压V/输入电压V
            =31V/0.775V
            =40×（倍）
    又如已知从系统前级输入至B功放的信号电平是0.5V，输出信号是20V，把相关的数据套进公式三同样可以得知B功放的电压增益：
    电压增益=输出电压V/输入电压V
            =20V/0.5V
            =40×（倍）
    注意，从以上两例可以看到A、B两台功放的电压增益一样是40×，所以电压增益大小与输入信号的大小无关。

    2. 功放电压增益的计算
    * 公式三：电压增益=输出电压V/输入电压V
    增益由音频电路的输入和输出之间的关系决定，增益表示为倍数（×），或者用单位dB表示，若我们想知道一台功放的增益（称为电压增益），则必须知道输入信号电平和其相应的输出信号电平。例如已知从系统前级输入至A功放的信号电平是0.775V，输出信号是31V，把相关的数据套进公式三可以得知A功放的电压增益：
    电压增益=输出电压V/输入电压V
            =31V/0.775V
            =40×（倍）
    又如已知从系统前级输入至B功放的信号电平是0.5V，输出信号是20V，把相关的数据套进公式三同样可以得知B功放的电压增益：
    电压增益=输出电压V/输入电压V
            =20V/0.5V
            =40×（倍）
    注意，从以上两例可以看到A、B两台功放的电压增益一样是40×，所以电压增益大小与输入信号的大小无关。

    3. 输入灵敏度与电压增益
    * 公式四：输入灵敏度V=最大电压容量V/电压增益×
    与习惯的说法相反，功放不能自我产生功率。功放使输入信号电平放大某一倍数输出，输出的电平大小由放大倍数决定，标准的说法应该是：功放的输出电压驱动了音箱的负载阻抗并由此转成电声功率。一台功放能接受的最大输入电压又称为输入灵敏度，如果输入电压超过了最大输入电压，功放的输出容量也将会超出最大范围，并产生较大的频响失真。所以如果用最大电压容量除以电压增益，即可得到最大输入电压（输入灵敏度）。例如A功放与A音箱连接，二者的相关参数如下：
    A功放：FTC功率550W@8Ω，电压增益40倍；A音箱：600W RMS（AES/ANSI），阻抗8Ω（音箱的功率比功放高50W）。
    * 计算步骤1：A功放的最大电压容量计算
    A功放最大电压容量V=√550W×8Ω
                         = √4400
                         = 66.33V
    * 计算步骤2：A功放的输入灵敏度计算
    A功放输入灵敏度V=最大电压容量V/电压增益
                       =66.33V/40×
                       = 1.65V（最大输入限制阀值）
    计算结果：A功放在输入有1.65V时，输出电压为66.33V，加在阻抗为8Ω负载上时，相当于产生550W的功率，意味着如果我们想避免过度驱动A功放，就应避免输入电压达到1.65V（本系统的最大输入限制阀值）。我们可以确信在A功放之前接上限制值为1.65V的限制电路之后（音箱处理器或数字分频器），A功放的输入就不会超过1.65V放。因此，当音箱处理器或数字分频器输出1.65V至A功放时，A功放会输出66.33V至音箱（66.33V=550W@8Ω），如果音箱处理器或数字分频器输出大于1.65V的电压至功放，将导致功放产生失真和输出更大的电压，并会转化成更大的功率和线圈热量，极有可能会对音箱产生破坏。为了保护音箱，需要将音箱处理器或数字分频器的限制阀值定在1.65V（6.5dBu）
    又如A功放与B音箱连接，二者的相关参数如下：
    A功放：FTC功率550W@8Ω，电压增益40倍；A音箱：400W RMS（AES/ANSI），阻抗8Ω（音箱的功率比功放低150W）。
    * 计算步骤1：B音箱的最大电压容量计算
    B音箱最大电压容量V=√400W×8Ω
                         = √3200
                         = 56.56V
    * 计算步骤2：A功放的输入灵敏度计算
    A功放输入灵敏度V=最大电压容量V/电压增益
                       =56.56V /40×
                       = 1.41V（最大输入限制阀值）
    计算结果：A功放在输入有1.41V时，输出电压为56.56V，加在阻抗为8Ω负载上时，相当于产生400W的功率，意味着如果我们想避免超过音箱的最大承受功率，就应避免功放输入电压达到1.41V（本系统的最大输入限制阀值）。我们可以确信在A功放之前接上限制值为1.41V的限制电路之后（音箱处理器或数字分频器），A功放的输入就不会超过1.41V放。因此，当音箱处理器或数字分频器输出1.41V至A功放时，A功放会输出56.56V至音箱（56.56V=400W@8Ω），如果音箱处理器或数字分频器输出大于1.41V的电压至功放，将导致功放输出更大的电压到音箱，并会转化成音箱更大的失真和线圈热量，极有可能会对音箱产生破坏。为了保护音箱，需要将音箱处理器或数字分频器的限制阀值定在1.41V（5.19dBu）。

    4. 功放的电平控制
     
在上述的示例里，所有功放的电平控制音量都假设在最大的位置（0dB衰减），当功放电平调节钮变化时，功放的输入灵敏度和电压增益也将会变化。当功放的电平控制减低时，其电压增益降低，输入灵敏度将增加。
    右图表示了一台功放的电压控制，观察到在不同电压控制位置的增益（用倍数和dB表示）变化和输入灵敏度的变化：

    5. 功率容量的匹配
    一个音箱的AES/ANSI 短期峰值功率容量允许超过连续功率容量的6dB，也就是说峰值功率是连续功率的四倍。例如一个音箱的连续功率为100W，则它的峰值功率为400W。
    同样，一台功放的连续FTC功率容量，允许其峰值超过连续功率的3dB，也就是说一台功放允许其峰值功率为连续功率的两倍。例如如果连续功率为100W，其峰值功率为200W。
    因此，如果一台功放能够提供400W的峰值功率，则要求它的连续FTC功率为200W。换言之，如果功放要达到音箱的峰值功率容量，则要求功放的连续FTC功率两倍于音箱的连续功率。
    例如：C音箱的ASE/ANSI 连续功率为300W，则它的峰值功率为1200W（300W×4），如果功放要求提供1200W的峰值功率，则这台功放要求其连续FTC功率为600W（600W×2），由此得出：ASE/ANSI连续功率容量为300W的音箱，需要FTC连续功率为600W的功放来驱动。