就室內(nèi)擴聲而言，是通過電聲設(shè)計去控制和改善廳堂音質(zhì)；就室外擴聲而言，則是通過電聲設(shè)計去控制室外聲場音質(zhì)。
擴聲音響系統(tǒng)設(shè)計的較終目的是要保證聲源和音響系統(tǒng)未端-音箱同處于一個聲場區(qū)域內(nèi)，使觀眾能感受到聲源的真實存在，達到高保真重放的擴聲要求。
本章著重討論廳堂音響系統(tǒng)的設(shè)計和音箱的聲場布局及立體聲擴聲系統(tǒng)。通過工程實例介紹，簡述了工程設(shè)計的具體方法。
一.擴聲系統(tǒng)設(shè)計的條件
擴聲系統(tǒng)設(shè)計為了達到良好的音質(zhì)，必須滿足一些必要的條件，這是進行整個音響系統(tǒng)聲學(xué)指標設(shè)計的基本要求。
1.要求有低的背景噪聲
用作擴聲的廳堂、房間必須要有低的背景噪聲。噪聲不僅可能來源于室外，而且也有可能來源于室內(nèi)，如空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備、光設(shè)備運動時產(chǎn)生的噪聲等等。
應(yīng)該采取措施盡可能地降低聽音環(huán)境的噪聲。噪聲過高會造成電擴聲系統(tǒng)的清晰度、可懂度下降，難以使音響系統(tǒng)達到希望的音質(zhì)，而提高設(shè)備輸出功率以提高輸出聲壓級時又可能導(dǎo)致聲反饋而使系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作。
室內(nèi)噪聲控制問題，必須在建造和裝修時加以充分的考慮，采取必要的隔音措施。一般影劇院的背景噪聲為25～30dB，報告廳為30～35 dB，體育館為47～56dB。
2.應(yīng)具有均勻合理的聲壓級
要求室內(nèi)的聲壓級按照不同類型的擴聲達到一定的值。具體地講，音樂擴音應(yīng)達到80～85dB平均聲壓級，語言擴音為 7O～75dB，背景音樂則為 60～70dB，且不均勻度應(yīng)控制在±4dB之內(nèi)。這就要求電擴聲系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的輸出功率和聲增益，室內(nèi)聲場應(yīng)均勻擴散，近次反射聲應(yīng)得到充分、合理的利用，音箱的幅射特性和擺放位置要合理選定。
3.保證清晰度
擴聲系統(tǒng)應(yīng)保證聲音的清晰度和語言的可懂度。這一要求對語言擴聲的場合尤為重要，一般認為允許的較大輔音清晰度損失率不可超過15%。對于以音樂重放或擴聲為主的廳堂，該指標可以適當(dāng)放寬，但要求有更好的音響效果。
4.保證系統(tǒng)能穩(wěn)定工作
音響系統(tǒng)在達到規(guī)定的平均聲壓級時，應(yīng)有足夠的聲反饋穩(wěn)定度裕量，以保證不會因為反饋而造成系統(tǒng)自激嘯叫。一般要求反饋穩(wěn)定度裕量6dB。
5.聲象與圖像的基本一致
成功的擴聲音響系統(tǒng)應(yīng)保證聲象與圖像的一致，使觀眾察覺不到擴聲設(shè)備的存在，好象是直接聽到來自舞臺上的聲音。
6.應(yīng)有良好傳輸頻率特性和較低的失真度
音響系統(tǒng)應(yīng)具有寬且平坦的頻率響應(yīng)和較低的失真。
二.聲場總功率的估算
在音響工程中，完全采用計算的方法定量的分析音箱的特性、擺放位置、驅(qū)動音箱的電功率以及高、中、低頻的分配比例與所產(chǎn)生的室內(nèi)聲場的關(guān)系是存在一定困難的，因為通常情況下系統(tǒng)的設(shè)計者無法得到計算所必需的全部數(shù)據(jù)。
音箱生產(chǎn)廠商對組合音箱系統(tǒng)往往不給出完整的指向性特性參數(shù)，室內(nèi)建聲特性的有關(guān)參數(shù)一般也不易準確求得。因此，實際工程設(shè)計往往是根據(jù)經(jīng)驗和一般原則首先選擇音箱布局，然后進行估算，確定所需音箱的大致參數(shù)和規(guī)格指標等，并確定具體擺位和方向，較后通過對場內(nèi)各點聲壓的測試和實際試聽，對音箱的布置進行調(diào)整，必要時還需增補一些輔助音箱。
如前所述，由于一些重要的參數(shù)難以獲得，在實際音響工程中很難定量計算室內(nèi)聲場。在參數(shù)不確切的情況下，采用一整套復(fù)雜的計算過程得到一些并不準確的結(jié)論并沒有太多的實際價值。因此，在工程設(shè)計中往往采用估算的方法，以此作為設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試的參考性依據(jù)。
1.估算條件
室內(nèi)聲場的估算方法基于混響聲場完全均勻，聲源指向性已知且為理想的前提。這兩項基本條件滿足得越好，估算結(jié)果也就越接近實際，反之、誤差便會較大。
室內(nèi)聲場估算的基本思路是這樣的：室內(nèi)任一點的聲壓級由兩部分構(gòu)成，一部分是直達聲場在該點的聲壓級，另一部分是混聲場在該點的聲壓級，兩者迭加便得到了該點的實際聲壓級。
直達聲場符合平方反比律，可以方便的算出室內(nèi)各點的直達聲聲壓級。根據(jù)臨界距離Dc的定義可知，在臨界距離處直達聲聲壓級與混響聲聲壓級相等。因此再算出臨界距離處的直達聲聲壓級，便知道了該點的混響聲壓級。
假設(shè)室內(nèi)混響聲場(理想情況下)是均勻分布的，因此在室內(nèi)各處的混響聲聲壓級都等于臨界距離處的混響聲壓級。有了室內(nèi)直達聲與混響聲在各個位置的聲壓級數(shù)據(jù)，室內(nèi)聲場各個位置上的聲壓級即可算出。
需要注意的問題是，在具體計算中應(yīng)將其換算為音箱的距離以及音箱的輸入電功率便可算出直達聲場聲壓級。
通常，聲場總電功率可由室內(nèi)聲場穩(wěn)態(tài)聲壓級進行估算。
2.聲場總電功率的估算公式
在實際工程應(yīng)用中，估算聲功率時可以將混響聲聲壓略去，將其視為功率余量的一部分，這樣只要確定了聲場中某方向距離D處的聲壓級LP，就可以由LP來估算聲功率值。
聲功率與一般音箱或音箱系統(tǒng)所標示的電功率不同，其間相差音箱的轉(zhuǎn)換效率η。音箱的效率與音箱所用揚聲器單元的結(jié)構(gòu)、形狀關(guān)系極大。
例如紙盆揚聲器音箱的效率為1%左右，號筒式揚聲器的音箱的效率可達15%。目前音箱的產(chǎn)品說明書多數(shù)不給η值，而是只給靈敏度值S。為了能夠通過音箱的靈敏度來估算出系統(tǒng)的電功率，可作如下假設(shè)：
(1)略去混響聲聲壓，作為聲壓余量的一部分，此時，擴散聲場可以近似作為自由聲場處理。
(2)接收點距音箱為D(m)，且在音箱的聲輻射軸線上。
這樣可得自由聲場中計算聲壓級公式：
LP = S -20lgD + 10lgP
式中：LP 為聲場的聲壓級;P為饋給音箱的電功率;S為音箱的軸向靈敏度。
例如，給靈敏度為92 dB的音箱加3W的電功率，可求得距音箱8m處的聲壓級為：
LP = 92 -20lg8 + 10lg3 = 78.8 dB。
假定在一個供聲區(qū)內(nèi)有多組(N組)靈敏度相同的音箱供聲，那么上式中還要增加10lgN，即變?yōu)椋?/p>
LP = S -20lgD + 10lgP + 10lgN
求電功率P可寫為：
P = 10(Lp-S-10lgN+20lgD)/10
音箱的額定功率應(yīng)不小于由上式計算出來的P值。式中未考慮混響效應(yīng)，混響將會增加重放聲場的響度，如果混響時間在1.5s~2.0s左右，則從精打細算出發(fā)，音箱的額定功率可取(0.5~0.8)Pe。不過穩(wěn)當(dāng)?shù)霓k法還是當(dāng)做沒有混響來考慮，以便留有余量。
(3)假定接收點偏離音箱輻射軸線θ度，那么偏離軸線供聲區(qū)域聲場的直達聲聲壓級可按下式計算：
LP(θ) = S -20lg Dθ + 10lgPq + 20lgD(θ) + 10lgN 求電功率P可寫為：
P(θ) = 10(Lp-S-10lgN+20lgDθ-20lgD(θ))/10
式中：LP(θ) ——偏離軸線θ角接收點的聲壓級；
Dθ ——偏離軸線θ角供聲點軸射距離；
D(θ)——音箱的指向性函數(shù)，20lgD(θ)值應(yīng)由音箱生產(chǎn)廠家提供。
三.計算要點
1.計算音箱的驅(qū)動功率
根據(jù)各類場所需要的平均聲壓級，選定音箱靈敏度和聽音距離。按照上述公式便可算出系統(tǒng)所需的聲場電功率。也就是音箱所需的驅(qū)動功率。
�、� 確定聲壓級
對于一般廳堂的語言擴聲而言，要求達到 75dB左右的平均聲壓級;對音樂節(jié)目的擴聲則要求達到85dB左右的平均產(chǎn)壓級�？紤]到音頻信號的動態(tài)范圍，對語言擴聲應(yīng)考慮留有6dB的裕量、音樂擴聲則應(yīng)考慮10～12dB的裕量，要求較高時應(yīng)更大一些，一般可考慮18dB的裕量。
對于歌舞廳擴聲，一般以原廣播電影電視部部頒標準GYJ25-86表中較大聲壓級值為依據(jù)。
聲壓級LP的確定須充分考慮擴聲系統(tǒng)的動態(tài)余量。
�、� 確定音箱靈敏度
計算之前，首先要確定音箱靈敏度。需要指出的是，音箱靈敏度往往和音箱的型號有關(guān)。
靈敏度一旦確定，音箱型號也基本確定了，不宜隨意改動。音箱靈敏度高低對系統(tǒng)所需電功率的影響很大，靈敏度相差3dB，電功率則相差一倍。因此，專業(yè)音箱的靈敏度不宜太低，一般應(yīng)在95～100 dB左右為宜。
�、� 確定聽音距離
音箱的max遠供聲距離D，不應(yīng)超過3Dc。即max遠距離D應(yīng)小于3倍臨界距離Dc
④ 聲場總電功率
許多廳堂需分區(qū)供聲，那么系統(tǒng)的總電功率應(yīng)為所有聲源所需電功率之和。
例題
某多功能廳堂(一級)，其混響時間T60=1.2s，房間常數(shù)R=1860，采用2只靈敏度為100dB的組合音箱供聲，所有音箱的指向性因數(shù)Q=12.8，其max遠傳輸距離為30m，那么，在max遠傳輸距離內(nèi)；可否保證語言可懂度，音箱的驅(qū)動功率為多大？假定場聲器偏離水平角度30°的指向性函數(shù)20lgD(θ)=-3dB，那么在偏離軸線30°，同樣距離接收點要獲得相同聲壓級，需多大的音箱的驅(qū)動功率？
解：D=30<3Dc
∴在30m以內(nèi)可以保證語言可懂度。
∵P=10(Lp-S-10lgN+20lgD)/10
查表可得LP=98dB
∴需要較大驅(qū)動功率為285W。
∵20lgD(θ)=-3dB
P(θ)=10(Lp-S-10lgn+20lgrθ-20lgD(θ))/10=567(W)
答：偏離30°角后，需要較大驅(qū)動功率應(yīng)為567(W)。
2.確定放大器的功率和數(shù)量
音箱所需電功率計算完成后，根據(jù)音箱的數(shù)量和功率，便可確定放大器的功率和數(shù)量。總的原則是放大器功率應(yīng)以音箱功率匹配。在實際工程中，也常常采用以下方法確定。
�、� 一般廳堂，可取放大器功率與音箱功率相等。
② 對報告廳、音樂廳等以語言擴聲為主的廳堂，放大器的功率可小于音箱功率的1/3;這樣可使音箱失真較小，保真度較好。
�、� 對電影院、舞廳等音響效果擴聲為主的廳堂，放大器的功率可大于音箱功率的1/3;這樣可使音箱的音量充沛，節(jié)奏強勁，功率得到充分發(fā)揮。
放大器的功率確定后，即可根據(jù)所定型號的單臺放大器功率確定放大器的臺數(shù)。
例如
上題兩只音箱的功率為567W，單只音箱功率為284W。
如用于舞會擴聲：放大器的功率為567 × 1.33 = 754 W；單只音箱的驅(qū)動功率為377W。
如果音箱阻抗為8歐，可選美國皇冠GSL-800功放1臺，功率為400W×2。
如果音箱阻抗為4歐，可選美國皇冠GSL-460功放2臺，接為BTL形式，單臺功率為430W。
由音箱靈敏度聲壓級值出發(fā)，根據(jù)功率每提升一倍聲壓級增加3dB，距離每增加一倍聲壓級衰減6dB等規(guī)律，不難推出音箱滿功率時在聲音射線直擊點上的聲壓級。例如,250W的音箱，在大約8m的距離上，較大聲壓級比靈敏度聲壓級值大6dB左右。推算過程如下：
該音箱滿功率運行時的輸入功率(250W)，約相當(dāng)于靈敏度測試功率(1w)倍升8次：
1W*2*2*2*2*2*2*2*2=256W
如前所述，功率每倍升一次，聲壓級會提升3dB，因此滿功率時靈敏度測試點上的聲壓級應(yīng)比其靈敏度值大：
3dB*8=24dB
另外，8m處相當(dāng)于靈敏度測試距離(1m)倍增3次的距離：
1M*2*2*2=8M
而距離每倍增一次聲壓級會衰減6dB，因此該處的聲壓級應(yīng)比靈敏度測試點低：
6DB*3=18dB
由功率增加所引起的聲壓級增益與由距離增加所引起的聲壓級衰減互相抵扣，凈增益為：
24dB-18dB=6dB
3.速算法
在音響工程現(xiàn)場，常常采用速算法進行估算。對于采用靈敏度為95～100 dB音箱系統(tǒng)的廳堂，其功率可按0.5W/m3來速算;要求較高的廳堂，其功率可按1W/m3來速算。速算法也可以作為公式法的參考。
例如：
某多功能廳室內(nèi)面積為400m2，高5m，平時作為一般廳堂使用。選擇靈敏度為98 dB的音箱，按0.5W/m3速算，需要功率1000W。
此時，可選250W×2或275W×2的放大器兩臺，按阻抗匹配的原則，選擇4只額定功率250W，靈敏度98 dB的音箱，即可滿足需要。
經(jīng)驗表明，如果廳堂沒有特殊的結(jié)構(gòu)、廳堂高度約3m-4m左右、混響時間在1.5ss~2.0s之間，則為使max高聲壓級達到103dB(一級歌舞廳標準)，主音箱的總功率可按每平方米場地約2W~5W估算。所要求的聲壓級每增加 3dB，音箱功率就須加倍(翻一番)。
例如100m2的廳堂，根據(jù)每平方米5W的標準，初步?jīng)Q定主音箱的總功率為500w�，F(xiàn)在希望聲壓級由103dB增大到106dB則主音箱的總功率應(yīng)由500W增至1000w；如果希望聲壓級增大到109dB,則主音箱的總功率應(yīng)再加倍至1000w*2=2000W。
另一方面，如果廳堂的高度增大，則盡管音箱的高度不變，所需的總功率也要加大，大約是高度加倍功率加四分之一(高度無限增大時則不能這樣推算)。
這是由于這時廳堂頂部的反射聲減少了的緣故。如果隨著廳堂高度增大而把音箱掛高，則應(yīng)按平方反比定律推算，即距離加倍聲級減少6dB；若要保持聲級不變，則距離加倍時功率須增大6dB(4倍)。此外，混響時間過短時，總功率也要酌情增加。
必須指出，由于各種音箱的換能效率差別很大，不同廳堂的建聲特性也極不相同，所以估算數(shù)據(jù)會有很大出入。雖然如此，但由于功率以幾何級數(shù)增減才能引起聲級的顯著變化，而在大功率的水平上，聲級的相對變化量隨功率的變化更小，所以估算的功率數(shù)據(jù)盡管出入很大，而聽覺效果則不會有那么大的出入。至于取上限抑或下限，或是否適當(dāng)加一些裕量，當(dāng)根據(jù)檔次的高低以及資金的寬裕程度進行取舍。 |
