现代音响与调音技术(第四版) 课件 第7章 扩声系统设计

第7章扩音系统设计7.1扩声系统设计概要7.2音乐厅、剧院扩声系统7.3歌舞厅、Disco厅扩声系统7.4背景音乐系统本章小结

7.1扩声系统设计概要

7.1.1室内扩声系统的功率要求

扩声系统的输出功率取决于房间的体积,墙壁、地板、天花板的声学特性,平均噪声电平,系统和重放节目的频率范围以及扬声器系统的效率等许多因素。对其进行精确设计是一件相当复杂的工作,一般是很难做到的。

1.用曲线图决定放大器的功率

图7-1所示的曲线可用来粗略估算在不同体积的房间扩声时对放大器功率的要求。

图中,曲线A适用于采用高效率号筒式扬声器的低噪声语言扩音;如果噪声电平高而又使用号筒式扬声器,则曲线B适用;曲线B也适用于使用纸盒式扬声器而电平不高的场合;当噪电平较高且使用纸盆式扬声器时,用曲线C;噪声电平低时,曲线C也适用于一般的音乐扩声;对于音质要求较高以及范围大的扩声,则选用曲线D。图7-1放大器输出功率和房间体积的关系

2.用近似公式估算功率

对不同体积的房间,要得到高质量的重放声场,需要有约96dB有效峰值的声压级(重放声场的动态范围约60dB)。扬声器系统发射的声功率近似为

式中:W——以有效峰值声压为单位的发射声功率,

V——以立方米为单位的房间体积。

必须指出,利用上述两种方法估算的扩声系统功率,仅仅是满足使人能基本听清楚这个最低要求所需的功率值。对于现代音响扩声系统,要求其能应付音乐高潮到来时的峰值,以避免对瞬时峰值的削波而造成瞬态互调失真,因此在设计扩声系统时要有更大的功率容量,这是必须要考虑的。特别是歌舞厅(尤其是Disco舞厅)等娱乐场所,由于其背景噪声较大,另一方面人们要求有更强劲的音响效果,因此要求扩声系统功率在上述估算基础上必须大幅度增加。

7.1.2音响设备的选择

1.音箱和功率放大器的选择

在进行扩声系统设计时,首先要根据扩声系统的功率容量来决定所用音箱的总功率,然后将总功率按比例分配到主扩声通道和辅助扩声通道的左、右两个声道(体积较小的厅

堂可设计一个辅助扩声通道,体积大的且较长的厅堂可设计两个或两个以上的辅助扩声通道),从而确定音箱的数量。通常,所选主扩声通道音箱的功率应适当大于辅助扩声通道音箱的功率。

不同国家、不同厂家生产的二分频或三分频的音箱,由于箱体设计结构及使用单元不同,各有其特点,以下举例说明。

JBL音箱:力度大、穿透力强、中高音强劲。其47、48系列产品为专业级设备,MR系列产品在一般歌舞厅中用得较多;

BOSE(博士)音箱:频响宽、动态大、功率足,专业扩声和娱乐扩声中都有使用;

PEAVEY(百威)音箱:音色结构坚实有力、清亮悦耳、低音弹性好、节奏感强,用于Disco舞厅比较理想;

EV音箱:音色清晰、透明、自然,在扩声系统中也常使用。

功率放大器的选择是有一定要求的。首先要根据厅堂的性质、环境和用途来选择不同类型和功率的功率放大器。一般情况下,音乐厅、剧院及以演唱为主的歌舞厅,扩声系统应选用频率响应范围宽、失真度小、信噪比大、音色优美的高品质功率放大器,对于娱乐性的歌舞厅、Disco厅应选择大功率的功放。其次要根据音频功率信号传输的距离远近选用定压式或定阻式功放。对于背景音乐系统或会议系统等远距离分散式扬声器系统,需要选用定压式功放。对音乐厅、剧院、歌舞厅、Disco厅等扩声系统选用定阻式功放。另外,还应根据音箱的功率来配置功率放大器,功放功率应大于音箱功率。

2.话筒和调音台的选择

不同的话筒,其指向性、频响特性和灵敏度等也不尽相同,在选择话筒时,要根据其拾音对象而定。一般在没有特殊要求的情况下,大多使用动圈式心形或超心形指向话筒;对于话筒的频响特性则要参考乐器或歌唱者的频率特性,例如,男声与女声应使用不同的话筒,这样才能充分表现声源原有的特点。

3.其他设备的选择

调音台、功率放大器和音箱即可组成一个简单的扩声系统,但欲得到好的音响效果,还必须配以信号处理设备。

首先,均衡器和效果器是必不可少的。在专业或大型扩声系统中应选用双31段图示均衡器和高档次的效果处理器;一般娱乐场所的扩声系统也可以选择15段均衡器和一般效果处理器。

其次,大型和高档次的扩声系统还应使用压限器、电子分频器以及数字延时器等设备。

7.1.3设备之间的互连

1.效果器的连接

扩声系统中大多数音响设备都采用串接的连接方式,但效果器通常有四种连接方式:

(1)利用调音台的AUX(辅助输出)和RTN(立体声返回)端口将效果器并接在调音台上,这是扩声系统中最常用的方式,就效果器而言,通常使用一入一出的工作方式,一入双出也行,但很少使用双入工作方式。

(2)将效果器输入端口接在调音台AUX端口,其输出端接入调音台任一输入通道的LINE(线路)输入端,则成为调音台新的声源。这种连接方法,效果器一般也采用一入一出的工作方式,一入双出方式也可,但要占用两路输入通道。需要注意的是,在调音台上接效果器的输入通道与接效果器的辅助输出相对应的AUX旋钮应置于关闭状态,否则又会把信号送入效果器而形成正反馈,产生啸叫,以致损坏扬声器系统。

(3)将效果器接入调音台的INSERT(插入)端口,只对演唱话筒进行效果处理。一入一出处理一路话筒,双入双出可处理两路话筒。这种联系方法,常在卡拉OK厅中用来对歌声进行处理,以免影响LD、VCD已在制作中处理过的音乐伴奏的效果。

(4)将效果器串接在扩声系统中,通常接在调音台与均衡器之间,这样全部音频信号都会经过效果器。这种方法一般只用在环境音乐的制作和播放系统中。

此外,在扩声系统中对信号进行效果处理的数字延时器与效果处理器的接法相同,常采用与调音台并联的方式。

2.连接线与接插件

在专业扩声系统中,连接音响设备的连接线主要有两大类:一类是用于连接功率放大器与音箱的平行传输线,俗称“金银线”、“音箱线”或“喇叭线”;另一类是用来连接其他设备的双芯屏蔽电缆,俗称“话筒线”。两种线缆的芯线都由多股铜合金线组成,在专业上用导线截面积的平方毫米来衡量线缆的粗细,线缆越粗,阻抗越小,对信号的衰减也越小。

专业扩声系统所用的接插件也主要有两大类:一类为XLR型接插件,俗称“卡侬接插件”,分为K系列和J系列;另一类为1/4英寸直插件,有立体声和单声道两种。两类插件的结构示于图7-2中,下面列出其具体的接线方法。

图7-2接插件结构图

3.设备互连

在扩声系统设计中(其他音频系统也一样)普遍存在设备的互连问题。如果连接不当,轻者会使系统指标下降,严重时甚至导致设备和系统不能正常工作。

1)阻抗匹配

在音响系统中,几乎所有设备都采用跨接方式,即设备的输出阻抗设计得很小,输入阻抗却很大。这是由于在系统中,除非信号作远距离传输,一般都当做短线处理。而且信号电平低,要求信号能高质量地传输,且负载的变化基本不影响信号的质量。当将信号源设计为一个恒压源,或者说负载远大于信号源内阻抗时,能满足上述要求。这实际是电路中的恒压传输方式。信号源内阻低,信号源消耗的功率就小,输出同一电平值时,要求信号源的开路输出电压也较低。最主要的是,信号源内阻低,可以加大信号的有效传输距离,改善传输的频率响应。

专业音响设备的阻抗都是按上述原则设计的,设备互连采用跨接方式,这就是音响设备的阻抗匹配。在对扩声系统进行设计时,一般不必考虑阻抗问题。但当一台设备的输出端需要连接多台设备时,即一个信号源驱动几个负载时,必须采用有源或无源音频信号分配器,以满足设备阻抗匹配的要求(若为两台设备,一般可直接并在前级设备的输出端)。

现代音频功率放大器的输出阻抗都很小(指定阻式功放,以下若无特殊说明均为指定阻式功放),以使功放能适应扬声器阻抗的变化,从而达到优良的瞬态响应。许多优质功放的阻尼系数都在数十以上,有的达到几百(阻尼系数定义为负载阻抗与功放内阻抗之比)。

功放与音箱是按照功放标称的输出阻抗和音箱标称的输入阻抗来连接的。功放的输出阻抗有4Ω和8Ω两种,既可接4Ω音箱,也可接8Ω音箱。接4Ω音箱时,功放的输出功率较8Ω时大(在产品说明书中有说明)。两只8Ω音箱可并接在功放输出端,此时为4Ω工作状态。必须注意,音箱并接时,阻抗会减小,其并联等效阻抗不得小于功放标称的最小输出阻抗(有些功放还标有2Ω阻抗),否则会造成功放负载过荷而无法正常工作。

2)电平匹配

音响设备互连时,电平的匹配也同样重要。如果匹配不好,或者会使激励不足,或者会发生过载而产生严重的失真。这两种情况都会使系统不能正常工作。

音响系统中的电平,一般是指电压电平。所谓电压电平,是一个电压与一个参考电压之比的常用对数乘以20,单位为分贝,即

3)平衡与不平衡

音响设备通常有平衡和不平衡两种连接方式。如果一台设备的输入端或输出端对于一个参考点(通常是指“地”)具有相同的内阻抗,并且旨在传输对于该参考点来说数值相等但极性相反的信号,则这个端子是平衡的,称为平衡输入或平衡输出,否则就是不平衡的。当有共模干扰存在时,由于两个平衡端子上所受到的干扰信号数值相差不多,而极性相反,所以干扰信号在平衡传输的负载上可以互相抵消,因此平衡电路具有较好的抗干扰能力。在专业音响设备中,一般除音箱馈线外,大多采用平衡输入、输出。而非专业设备,为了降低成本,经常采用不平衡输入、输出。

根据平衡与不平衡关系,音响之间的互连主要有下列几种方式:

(1)从平衡输出到平衡输入,如图7-3(a)所示。

(2)从平衡输出到不平衡输入,如图7-3(b)所示。

(3)从不平衡输出到平衡输入,如图7-3(c)所示。

(4)从不平衡输出到不平衡输入,如图7-3(d)所示。

图7-3音响互连方式

4)屏蔽

为了安全,设备的金属外壳应当妥善接地。所谓妥善,一是接地电阻应尽量小,二是不能因为接地而引入干扰噪声。所以音响系统不能与舞台灯光、照明、动力设备等共用地

线系统。这样做的目的是防止发生公共阻抗干扰。此外,设备接地时应采用一点接地,或称为“星”形接地的方式,如图7-4所示;而不能像图7-5那样接成链形,也不能接成环形。接成链形,会发生公共阻抗干扰;接成环形,不仅会发生公共阻抗干扰,还会产生“地环路”。因为当空间中的交变电磁场(主要是工频电磁场)穿过“地环路”时,按照法拉第电磁感应定律就会在环路中激发出感应电动势,形成干扰。图7-4星形接地

图7-5不妥接地方式

检验设备接地是否正常的方法很简单,就是在设备接地线中串入一节干电池和一个小电珠(见图7-6),看小电珠是否发亮。如果发亮,说明有多点接地或有地环路存在。图7-6接地方式检验

当设备互连用的信号电缆的屏蔽层接地时,应注意尽量避免或减小地环路电流的影响。一般对平衡输入、输出,只将屏蔽层在一端接地,这样可以避免由于互连而形成地环路。由于输入阻抗大于输出阻抗,故屏蔽层通常在输入的一侧接地,这样感应噪声电平较低。当输入输出都是不平衡的时候,则应将屏蔽层两端都接地,这样虽产生地环路电流,但该电流不流经负载,如图7-7-所示。

图7-7-屏蔽层接地方法

7.2音乐厅、剧院扩声系统

7.2.1音乐厅扩声系统音乐厅主要用于交响乐、轻音乐、民族乐等音乐节目的演奏,所以对扩声系统的要求很高,必须保证有理想的音乐重放效果,因此,这些场所的音响设备均采用高档次的专业级产品。图7-8为音乐厅扩声系统设计参考方案,它只表示出了各设备之间是如何跨接的。

图7-8音乐厅扩声系统方案

图7-8音乐厅扩声系统方案

扩声音箱的布局是扩声系统设计的重要环节。音乐厅在建筑结构上是有严格要求的,一般比较宽,且长度不是很大。主扩声音箱应摆放在舞台口两侧,并根据音箱传声的指向性,使左右声道音箱摆放有一定角度,使中前排的中间听众席为最佳听音区,为了得到较好的立体声效果,通常还要在舞台下正中央布置辅助扩声音箱,如图7-9所示。

图7-9扩声音箱布局

7.2.2剧院扩声系统

剧院通常是一个多功能专业演出场所,既有音乐歌舞类节目演出,又有话剧、戏曲类节目演出。因此其扩声系统应兼具音乐扩声和语言扩声的功能,既要有一定的音乐动态范

围,又要有一定的语音清晰度。图7-10为一般剧院扩声系统设计方案,也大多采用高档次专业音响设备,其系统较为复杂。

图7-10剧院扩声系统方案

剧院的体积一般比较大,且大多设有两层观众席。为了保证观众能够有好的听音效果,就应合理布置扩声音箱的位置,如图7-11所示。

图7-11剧院音箱布局

剧院的音控室一般设在二层观众席最后面。调音台应使用24路以上且有多路输出通道的大型调音台,舞台上和乐池内应安装话筒连接器(舞台上应暗装)。此外,调音台还应为灯光控制台提供一路声控信号(应为立体声混合信号),以备演出时制造声控灯光效果。

并接在调音台上的数字延时器主要用来为歌声或语言声制造回声及其他特殊效果。

7.3歌舞厅、Disco厅扩声系统

7.3.1歌舞厅扩声系统大型高档歌舞厅一般都具有两种功能,即小型演出(主要是歌曲演唱)功能和跳舞娱乐功能。为了得到好的音响效果,应将两种功能的扩声系统(主要是扩声通道)分开设计,演出时声场的最大声压级应为95dB,跳舞娱乐时声场的最大声压级应为100~105dB,也就是说跳舞娱乐扩声系统的功率容量较演出扩声系统的功率容量大。

图7-12示出了歌舞厅扩声系统连接方案,其设备应选用专业级产品。

由于歌舞厅通常都是改造的而不是专门设计的建筑结构,不会有理想的混响时间。在装修时应大量采用吸声材料,以减小原有混响时间,然后使用数字混响器或效果器的混响功能,来得到所需的混响时间。

图7-12歌舞厅扩声系统

为了较好地实现观众自娱演唱的卡拉OK功能,还应为扩声系统配置可对音乐进行变调处理的变调器。变调器通常串接在LD(或VCD)机与调音台之间,如图7-13所示。图7-13变调器的跨接

歌舞厅中,演出时的音箱布局与剧院类似,用于跳舞娱乐时的音箱应布置在舞池四周,如图7-14所示。图7-14大型歌舞厅音箱布局

以跳舞娱乐为主的大众舞厅和以自娱演唱为主的卡拉OK厅,其音箱通常也采用周围布局的方式,如图7-15(a)和(b)所示。图7-15大众舞厅和卡拉OK厅音箱布局

至于人们常说的KTV包房,其扩声系统就更简单了,一般只要在包房内配置一台有变调功能的卡拉OK功率放大器和一对高保真音箱即可。对于面积较大的豪华KTV,可使

用一台卡拉OK伴唱机和两台纯功率放大器(也可只有一台,但要注意阻抗),推动4只音箱,音箱按前面2只后面2只布置。当然,KTV中还应配置一套点歌系统。KTV设备的跨接方式如图7-16所示。

图7-16KTV设备跨接

7.3.2Disco厅扩声系统

Disco厅的主要功能是跳Disco舞,为了具有震撼的动感和强烈的节奏感,其最大声压级比歌舞厅的最大声压级要大,一般取到105~110dB。同时也会使用较多的纯低音音箱。

图7-17-为Disco厅扩声系统的设计方案,供读者设计时参考。

与歌舞厅一样,Disco厅基本也是在原有建筑上改造的,但应注意选择空间较高的厅堂,否则会有压抑感。

图7-17-Disco厅扩声系统

Disco厅的音箱也应布置在舞池四周,如图7-18所示,它与歌舞厅的音箱布局相似。所不同的是,Disco厅还应多使用2~4只(也可更多,视规模而定)纯低音音箱(一般应比主低音音箱功率小)作为辅助低音扩声音箱,并吊挂在舞池上方。图7-18Disco厅音箱布局

7.4背景音乐系统

通常,人们在进入饭店、酒楼、商场等场所时,都会听到柔和的音乐声,它们大多是通过安装在顶棚上的吸顶式扬声器播放出来的,这就是所谓的背景音乐系统。

一般的背景音乐系统是由吸顶式扬声器和扩音机作为主要设备组成的扩声系统。吸顶式扬声器通常由安装在小型箱体内或开放式的全音域纸盆扬声器构成。这里所说的扩音机

实际上是集前置电压放大和后级功率放大于一体的放大器设备,其前置放大器相当于一个小型调音台,具有音调控制功能和多个输入端口。后级功率放大器可分为两种输出方式,即定阻式输出和定压式输出,分别称为定阻式扩音机和定压式扩音机。有些扩音机还带有卡座和调谐器(调谐器实际上是不带功放和扬声器的“收音机”),可直接播放磁带节目和接

收无线广播节目。

7.4.1厅堂背景音乐系统的声场

背景音乐系统均采用分散声场,即吸顶式扬声器按一定间距均匀地安装在厅堂顶部,如图7-19所示。

图7-19吸顶式扬声器布局

7.4.2扩音机与扬声器的配接

由于扩音机构造不同,扩音机输出一般有两种形式,即定阻式和定压式。

1.定阻式扩音机的匹配

定阻式扩音机的匹配必须满足下列条件。

(1)扬声器所得功率总和应等于或略小于扩音机额定功率,而扬声器额定功率总和必须大于(至少应等于)扩音机的输出功率,以防扬声器过荷而损坏。通常所说的负载总功率是指扬声器实际功率总和,而不是扬声器额定功率(标称功率)之和。

(2)扬声器连接好以后,负载总阻抗应等于扩音机输出总阻抗。若条件有限,相差不得超过10%,此时,应使负载总阻抗稍大于而不是小于扩音机输出阻抗,以防扩音机因过载而使功放管衰老或烧毁。

(3)每只扬声器的实际功率不超过其额定功率,最好不超过其额定功率的80%。这样声音虽然轻些(不很明显)但是音质优美,且不易使扬声器损坏。

定阻式扩音机是采用变压器来决定其输出阻抗的。变压器抽头不同,得到的阻抗也不同,一般有4Ω、6Ω、8Ω、12Ω、16Ω、32Ω、100Ω、125Ω、150Ω、200Ω、250Ω、500Ω等等,其中32Ω以下的通称为低阻抗输出,100Ω以上的通称为高阻抗输出,而且高阻抗输出扩音机比低阻抗输出扩音机的传输效率要高。为了说明这个问题,我们来看一个例子。

设有一只扬声器,阻抗为16Ω,接在距扩音机一定距离时,每根传输导线的直流电阻为20Ω,如图7-20所示。图7-20扩音机负载阻抗

此时,整个线路总阻抗为:

在串联电路中,电流相等,则它们所消耗的功

率为

所得总功率为

所以扬声器所得功率为总功率的也就是说,有71%的功率消耗在

传输线上,只有29%的功率到达扬声器,传输效率很低。

如果采用高阻输出,效率又将如何呢?还是上面的例子:

当输出阻抗为250Ω时,

1)低阻抗输出

(1)一般情况下扬声器与扩音机的匹配。所谓一般情况,是指所用扬声器的功率或阻抗各不相同。

①串联:即各扬声器相互串联。

此时

可以将两只扬声器串联,负载线接至0~12Ω,如图7-21所示。图7-21一般情况下扬声器的串联

②并联:即各扬声器相互并联。

对于例7-1,将两只扬声器接成并联是否可行呢?结论是不行。因为功率分配不平衡(读者可自己计算)。P2实际所得功率小于它的额定功率,可以使用,只是声音轻些;但P1实际所得功率远大于P1的额定功率,不满足Ps1≤P1的条件,所以不能并联使用。

③混联:上述两种方法的优点在于简单,但有时无法与扩音机匹配,必须串、并联同时使用,称为混联。其连接方式如图7-22所示。图7-22一般情况下扬声器的混联

(2)特殊情况下扬声器与扩音机的匹配。所谓特殊情况是指各扬声器的功率P和阻抗Z完全相同,实用中这种情况使用较多。

①串联:

此时,

同时应满足:Z串=Zsc,P串≥Psc,Ps≤P。

式中:n——所接扬声器的个数;

Ps——扬声器所得功率。

②并联:

此时,

同时应满足:Z并=Zsc,P并≥Psc,Ps≤P。

③混联:各并联支路内所串接的扬声器个数相等,如图7-23所示。图7-23特殊情况下扬声器的混联

此时,

同时应满足:Z混=Zsc,P混≥Psc,Ps≤P。

式中:M——并联支路数;

N——各并联支路串接扬声器个数。

(3)分头连接。对利用上述各种方法计算出来的阻抗通常取一种特殊数值,扩音机上没有这样的输出阻抗,而且任意两抽头间阻抗也不容易恰好相配。在这种情况下,可采用分头连接。但需注意,分头连接只适用于扬声器个数不多的情况。所选的扩音机阻抗与扬声器阻抗之间的关系为

同时应满足:

例7-3一只15W、16Ω和一只125W、8Ω的扬声器接至25W扩音机,应如何连接?

可将15W、16Ω扬声器接至扩音机的0~8Ω端,而将12.5W、8Ω扬声器接至0~4Ω端,如图7-24所示。

图7-24扬声器分头连接

(4)假负载。当扬声器所得的总功率远小于扩音机额定输出功率时,为了使扩音机正常工作和保护扬声器的安全,应接假负载来消耗多余功率。如果扬声器总功率已达到扩音机额定输出功率的80%以上,就不需要再接假负载,只要把阻抗匹配好即可使用。

在低阻情况下求假负载的公式为

例7-4有一台25W的扩音机,只有一只10W、8Ω扬声器,如何配接?

因此,可将扬声器接至扩音机的0~3.2Ω端,如果没有,也可接至3.5Ω或4Ω端;假负载接至0~16Ω端,其阻值为26.7-Ω,可用30Ω代替,功率为15W以上,如图7-25所示。为了安全,一般实际所用假负载功率为计算功率P假的1.5~2倍。图7-25假负载的连接

2)高阻抗输出

与低阻抗输出一样,扬声器和高阻抗输出的定阻式扩音机配接时,也有串联、并联、混联等多种方式。所不同的是,高阻抗输出时,各扬声器是通过线间变压器与扩音机相连的。线间变压器的初级阻抗是通过计算得到的,而次级阻抗即为扬声器的额定阻抗,通过变压器进行阻抗变换,从而达到阻抗匹配的目的。

(1)一般情况下扬声器与扩音机的配接。

①串联:各线间变压器初级串接,扬声器和扩音机的阻抗和功率的关系为

例7-5一台30W扩音机,输出阻抗为500Ω,一只25W扬声器,一只5W扬声器,如何用串联法配接?

因此,25W扬声器线间变压器的初级阻抗为417Ω,5W扬声器线间变压器的初级阻抗为83Ω,串接后接至扩音机的0~500Ω端,如图7-26所示。

图7-26线间变压器串联

②并联:各线间变压器初级并接,扬声器和扩音机的阻抗和功率的关系为

将例7-5改为并联,则有

因此,25W扬声器线间变压器的初级阻抗为600Ω,5W扬声器线间变压器的初级阻抗为3000Ω,并联后总阻抗为500Ω,接至扩音机0~500Ω端,如图7-27-所示。图7-27-线间变压器并联

③混联:

例7-6有四只扬声器,接成混联,如图7-28所示,接在一台输出阻抗为500Ω的扩音机上,求各线间变压器初级阻抗。图7-28线间变压器混联

(2)特殊情况下扬声器与扩音机的配接。

①串联:扬声器和扩音机的阻抗和功率的关系为

式中:n——串接扬声器的个数;

P——各扬声器的额定功率。

同时应满足:P串≥Psc≥nPs,Ps≤P。

(3)假负载的使用。假负载的使用按功能可分为以下两种情况:

①负担多余功率。

与低阻情况下类似,当扬声器所得总功率远小于扩音机额定输出功率时,要用电阻来承担多余部分功率。计算公式与低阻情况基本相同,只是此时Zs