现代音响与调音技术课件第19次.ppt

1、1,第7章 扩声系统设计,各类音响系统的基本单元是以各种电子线路为基础的多种音响设备，以及典型的电声器件拾音器和扬声器。因此在专业上我们也将音响系统称为电声系统。,现代音响系统,扩声系统,录音制作系统,广播系统,2,扩声系统是声源和听众在同一个时空里的声音增强的电子系统.,什么是扩声系统?,扩声系统的音响效果不仅与电声系统的综合性能有关，还与声音的传播环境建筑声学和现场调音使用密切相关。,扩声系统设计的目的,以扩声为例，完整的系统设计应包括整套音响系统设备、信号传输、音箱的声场分布 。扩声系统设计的最终目的是要保证声源和音箱处于同一个声场区域内，使听众能感受到声源的真实存在，达到高保真重放的扩

2、声要求。,3,扩声系统设计通常都从声场开始，然后再向后推进到功率放大器、声音信号处理设备、调音台、直至话筒和其它声源。这种逐步向后推进的设计步骤是十分必然的。因为声场设计是满足系统功能和音响效果的基础，它涉及扬声器系统的选型、供声方案和信号途径等。只有确定扬声器系统才能进行功率放大器驱动功率的计算和驱动信号途径的确定，然后再根据驱动功率的分配方案进一步确定信号处理方案和调音台的选型等。,扩声系统设计的步骤,4,声场设计是扩声系统的基础，涉及系统最终的音响效果，但也是非常复杂繁琐的工作。由于计算机技术的飞跃发展，现在可采用相应的声学软件工具(EASE3.0)进行计算，声场设计过程可能需要反复多次

3、才能达到要求。,一个好的扩声系统的设计在实际中如何能获得良好音质效果，精确的安装和调试将是同样重要的环节。,如何设计声场?,首先建筑结构中应该没有明显的缺陷,其次不能在扩声范围内出现较大的声阴影区,最后就是要合理地布置音响系统,5,7.1 扩声系统设计概要,系统设计主要是指室内扩声系统的功率要求，所需设备的选择和设备与设备之间的连接等。,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。,一般用近似公式对功率进行估算。,6,用近似公式估

4、算功率,对不同体积的房间，要得到高质量的重放声场，一般来说，需要有约96dB有效峰值的声压级。,其中：W是以有效峰值声压为单位的发射声功率，V是以立方米为单位的房间体积。,例如：为了在62m3的房间里重放声场达到96dB的有效峰值声压级，需要约100mW的声功率。如果扬声器系统效率为1%(一般扬声器系统的效率约为0.2%1%)，为了避免有效峰值被衰减，则至少需要10W的放大器功率。,7,放大器的功率还与扬声器的效率有关,如果扬声器系统的效率为0.5% ，则需要放大器的功率还要增加一倍.,此外与希望得到的音响效果有关,如果希望得到100dB的有效峰值声压级，所需要功率应为上述功率的2.5倍。,8

5、,但是利用上述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。,9,在设计扩声系统的功率容量时，音响技术人员习惯于将厅堂的三维空间简化为二维空间，即按厅堂的面积来估算功率容量。根据经验，按照有效峰值声压级的要求，一般每平方米选取3W5W的电功率(即扬声器系统的

6、连续功率，纯低音音箱功率不计在内)。,如何设计扩声系统的功率容量?,10,对音乐厅、剧院等专业演出场所，背景噪声较低，要求96dB有效峰值声压级，通常取3W即可；对歌舞厅等场所，背景噪声较大，且要有较强的音响效果，要求有105dB有效声压级，但由于其高度有限(高度尺寸小于宽度尺寸)，也可按3W或略大设计；对于高度较大的歌舞厅应适当增加功率；对Disco舞厅，因为要有强劲的动感效果，因此要求有110dB以上的有效峰值和声压级。通常其功率容量要在上述基础上加倍。应取到610W/m2左右。对于高度较低的Disco舞厅可适当减小功率容量。,11,7.1.2 音响设备的选择,1. 音箱和功率放大器的选择

7、,音箱：扩声系统用扬声器不同于监听用扬声器或高质量家用扬声器。它要求在具有一定的声性能的前提下，着重考虑高效率、承受大的功率和需要的指向性特性。扬声器的选取与合理的布置对扩声系统的的质量是很重要的。,12,1.近代观众厅的扬声器系统，几乎都是采用前期电子分频组合式扬声器系统。可以是2、3、4分频系统.其中中、高音单元多采用号筒扬声器。这种形式为扩声系统的设计、使用以及获得较高的质量提供更大的自由度。,如何选择扩声系统中的扬声器系统(即音箱)?,对于音乐厅、剧院、大型高档歌舞厅、Disco厅，主扩声音箱最好采用三分频音箱，并且可外接电子分频器。,13,2.选用扬声器（或系统）时应注意的主要技术参

8、数 1)频率范围是表示扬声器单元（或系统）重放声音的频带（或频段）。在比较频率范围时，需要注意的是响应的不平坦度。,2）由于扬声器有多种功率定义，不能以所标注的“功率值”简单地直接去比较，这要特别引以注意。,14,在进行扩声系统设计中考虑音箱的功率时，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。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。如果需要，还可在主扩声通道配一对纯低音音箱，纯低音音箱的功率应大于主音箱功率，且不计入系统功率容量。,15,扬声器系统(音箱)的功率与音质的好坏并没有必然的联系，其功

9、率大小仅仅决定了声音的大小.因此对于有限的房间面积而言，音箱的功率适用就好.对于普通家庭用户的15平米左右的房间来说，音箱的实际输出功率在15W2或20W2就足够了，如果声音不够大，可以考虑30W2或50W2的音箱.而在实际应用中，功率增加一倍，声压才增加三分贝，因此，50W2的功率和20W2的功率在大多数情况下，声压的区别不会太大。,16,3)平均特性灵敏度是衡量扬声器水平的重要标志之一。在扩声系统设计中，不少人往往忽视了所选用扬声器的平均特性灵敏度。我们知道，当两只平均特性灵敏度级（dB/1m.1VA）相差3dB的扬声器，要获得同样的声压级(dBspl)其馈给的功率要相差一倍。如果灵敏度相

10、差6dB，要获得同样的声压级馈给它们的功率是4倍的关系。因而在选取扬声器时，不仅要知道所承受的功率，同时要注意到它的平均特性灵敏度。,17,4)扬声器的指向特性扬声器的指向特性是频率的函数，一般工作频率越高指向性越“尖锐”（即覆盖角度越小）。扩声系统扬声器的指向特性，主要是讨论在中、高音号筒（或声柱）的指向特性。指向特性对扩声来讲是很重要的，它涉及到扩声声场的均匀性和传输频率特性。,18,3.扬声器系统的布置、扬声器选型与布局是厅内扩声系统设计的重要一环。几项重要的扩声系统声学特性指标将直接与此有关。这里介绍主扩声用扬声器的布置。1)在任何情况下，扬声器的布置应该保证有听众接收到均匀的声能；2

11、)扩声应该得到自然的印象；3)扬声器的位置在建筑上应当是合理的。厅堂扩声扬声器可以是集中的、分散的或两者的结合形式，对于中型观众厅（例如出2000人座席以下）集中式为好，扬声器的位置一般是在舞台的周围，在可能的情况下越集中越好。大多数情况下扬声器装在自然声源的上方，而两侧（如台边）相辅助。,如何选择及设计扩声系统中的扬声器系统(即音箱)?,19,JBL音箱：力度大、穿透力强、中高音强劲。 BOSE(博士)音箱：频响宽、动态大、功率足，专业扩声和娱乐扩声都有使用； 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、

12、自然，在扩声系统中也常使用。,20,以其主要用途来说,功放可以分做两个主要类别,这就是专用功放与民用功放。,在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅、公共场所扩声,以及录音监听等处所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称之为专用功放或是专业功放。 而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常我们称为民用功放或是家用功放。,7.1.2 音响设备的选择,1. 音箱和功率放大器的选择,21,Hi-Fi功放与AV功放是目前家用功放中的两个主要类别。这两类功放用于不同的用途,设计的侧重也不相同。Hi-Fi功放用于欣赏音乐,使用者追求的是尽可能的“原

13、汁原味”。而AV功放的使用者追求的是与画面相配合的“现场”效果,甚至是夸张了的“现场”效果。,22,晶体管功放与电子管功放 用于Hi-Fi欣赏的功放可以分作晶体管功放和电子管功放两大类。晶体管功放和电子管功放并不存在着优劣的差异,只不过应用的器件不同(一是晶体管,一是电子管),由于两类器件不同,其物理基理与电路特点也不相同。,电子管功放与晶体管功放的音色确是有一定的差异,两者对瞬态信号的响应也不相同。这种不同都又分别适应了不同类别的音乐和不同的音乐欣赏者,所以目前的Hi-Fi功放中形成了晶体管功放和电子管功放并存的情况。不过,若是以品牌、型号、数量而言,晶体管功放所占的份额仍是绝对大于电子管功

14、放。,23,根据晶体管功放输出级晶体管的工作状态,可以分做甲类功放与乙类功放。,甲类功放不存在交越失真,而且不论实际输出功率大小,输出级晶体的内阻均为恒定。而乙类功放总会有一定的交越失真(尽管这种失真可能极小），这些不同,造成听感上也有不同.甲类功放的声音相对乙类功放而言比较柔和,另外对音箱的低频控制力也比乙类功放强,尤其是在小音量时低音的质感要好一些。甲类功放的这些特点,使得甲类功放在实际应用中不需要很大的输出功率余量,一台20W30W的甲类功放已经能够把大多数的音箱推动得很好。,24,纯后级功放与单声道功放 我们常见的功放都是把放大小信号的前置放大器(前级)与功率放大器(后级)做在一个机壳

15、中,这种功放常被称为“合并功放”。合并功放使用方便,又有比较高的性能价格比。但这种合并功放有它一些固有的缺点,其中最不好克服的就是前级与后级之间的相互干扰问题。为了解决这一问题,于是便把前级与后级分别做在两个机壳中,这样就有了纯后级功放。大多的纯后级功放都是双声道的结构形式,但这种结构形式使得两个声道相互干扰问题又不太好解决,为了解决两个声道相互间的干扰便又出现了把两个声道分开的单声道纯后级功放。,25,把功率放大器这样一块块地分割开，最主要的意义是要提高功放的素质，而不是追求这种形式。如果仅仅在形式上实现了相互分开，尽管可以解决相互干扰问题，但其它参数并未明显改善，那么这种分开对功放提高整体

16、素质来说还是有限的。 对于大多数的纯后级功放和单声道功放来说，都需要配接一台前级。因纯后级功放与单声道功放是为了提高功放素质出现的，所以对前级的素质要求也应与其相适应。功率放大器有晶体管与电子管之分，前级同样也有晶体管和电子管之分。,26,与纯后级功放配接的前级对整个音响系统的优劣影响比较大。首先它必须具有一定的素质，否则，纯后级或是单声道的优点便发挥不出来，甚至有可能把一台劣质前级的“毛病”突出出来，整体音效反而更差了。再有，不同的前级后级配合其音色特点不同，使用者可以根据个人的偏爱选择不同的组合形式。,27,功率放大器的选择：,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

17、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。,注意，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。,28,传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈

18、式和电容式。,静电传声器是以电场变化为原理的传声器，常见的有电容式和压电式两种。电动传声器是用电磁感应为原理，以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，常见的有动圈式和带式两种。 动圈式传声器以悬浮于磁路系统中的音圈切割磁力线而产生电压输出。它的结构牢固，性能稳定，电声性能良好，能承受强音而不失真，价格较便宜，是一种耐用的传声器，广泛应用于一般语言传声音响系统。,2. 话筒和调音台的选择,话筒的分类,29,压电式传声器属于静电传声器，其特点是灵敏度和输出阻抗高，成本低，但温度、湿度稳定性差、频率响应不够平坦，不适合高质量的音频传送。已趋淘汰。,电容式传声器的特点是频率响应平坦，传声质量非常好

19、，但成本较高，主要供专业场合使用。,带式传声器的特点：振动系统是一条悬挂在强磁场中的波状合金箔。它的频率响应极好，特别是瞬态特性好，音色柔和自然，指向性为双向，但输出电平极低，而且防风耐震性差，易损坏，不宜在室外使用。目前除特殊用途外，已很少使用。,30,炭粒式传声器的特点是灵敏度高，结构简单，价格低，但频率特性较差。,驻极体传声器是利用驻极体材料制作的电容传声器，音质接近电容式，无需极化电压，阻抗变换用前置放大器使用低噪声场效应管，由电池供电。这种传声器结构简单，电声性能好，体积小，耐振动，价格较低，有较广泛的应用。,31,近讲传声器的前后进声孔距只有普通动圈式传声器的1/31/4，在近用（

20、嘴与话筒的距离低于5cm）时，也不会出现低频失真。其内部安装了防震系统和防风罩，可防止使用者手持传声器时产生的振动噪声及近用时使用者的呼吸气流影响音质。 近讲传声器的特点是灵敏度高，频率特性好，噪声低，失真小。,32,无线传声器 无线传声器也称微型无线话筒，由小型话筒极头和无线发射电路组成，其工作频段为7882MHZ、88108MHZ、155-167MHZ。 无线传声器佩带在演员或播音员、主持人身上（一般在领口附近），当使用者讲话时，话筒及头将声音转换成电信号，再经无线发射电路调制在某一载频上发射出去。接收系统收到此信号后，需经过放大解调处理后，才能还原成音频信号，送入放大器中进一步放大处理。

21、,33,2. 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。,奥地利话筒,换能器原理：大膜片和电容膜片系统相结合 指向特性： 心形和超心形 频率响应：,话筒类型：动圈话筒 - 指向性：心型 - 频率响应：30Hz-13KHz,34,在演出中，为得到合奏合唱的整体效果，除采用动圈话筒按乐器、声部拾音外，还应适当选用电容式话筒对整场进行拾音。,调音台的作用是

22、：1、拾取信号，进行放大；2、按需要进行高、中、低音的音调均衡；3、将信号按需要送入左右母线或进行编组控制；4、对送入辅助母线的信号进行艺术处理；5、按要求进行输出控制。,35,调音台分为：录音室专用和舞台舞厅专用两种。,调音台的选择：,首先应根据演出规模确定调音台输入通道的路数，然后根据扩声环境来确定调音台的输出通道。通常，在音乐厅、剧院等专业演出场所，应选用有多个输入通道(至少二十四路以上)、带编组输出(并可考虑矩阵输出)及多路辅助输出的大型专业调音台；在一些高档次的具有专业演出功能的大型歌舞厅等场所，也可以考虑使用上述调音台；在一般的娱乐场所，选用十二路以上不带编组输出的调音台即可。,3

23、6,3.其它设备的选择,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。,在音响系统中加入信号处理设备通常有两种目的：,一是对信号进行修饰求得音色美化，达到更为优美动听或取得某些特殊效果；,二是为了改进传输信道本身的质量，以求得改善信噪比和减小失真或弥补某些环境的声缺陷等。,37,均衡器的作用：通过对不同频率或频段的信号分别进行提升、衰减或切除，以达到加工美化音色和改进传输信道质量的目的。,在音响系统中有广泛的应用，但大多数场合，它并没有发挥应有的作用。,误区：把均衡器仅当作音调

24、控制器,如均衡器的频点的电位器被整齐的设置成两头高、中间底的形状,38,效果器：包括延时器和混响器。通过模拟闭室内声音信号的延时和混响的特性，使乐音更加丰富和亲切，并可制造一些特殊的音响效果。,对于其它信号处理设备，可根据需要进行选择。在特别大型的演出中，其扩声系统几乎囊括了所有信号处理设备。,听觉激励器，主要用在歌舞厅等扩声系统.除非特殊需要,一般专业演出很少使用.,39,7.1.3 设备之间的互连,1. 效果器的连接,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.,通道1的声音,主立体声总线（母线）,没有任何效果的原始声音

25、,辅助发送旋钮(AUX),辅助母线,效果器输入,效果器的输出效果信号,添加效果的声音,40,插入插座,当需要使用其他音频信号处理设备对话筒或线路输入信号进行加工处理时便可将此外接到其他音频设备,效果器（混响器）,2)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。这种连接方法，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。,41,3)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。,4)将效果器串接在扩声系统中，通

26、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。,42,2. 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”或“音箱线”、“喇叭线”；另一类是用来连接其它设备的双芯屏蔽电缆，俗称“话筒线”。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”，另一类为1/4英寸直插件，有立体声和单声道两种。,43,a）XLR型插件结构，它是一种平衡式插件 端“1”(PIN1)接屏蔽(Screen)，即接地(

27、Ground)； 端“2”(PIN2)接热信号(Hotsignal)，即接信号“+”极 端“3”(PIN3)接冷信号(Coldsignal)，即接信号“-”极,b)为立体声直插件结构，有两种用法: 用作平衡式(Balanced)连接插件时: “尖”(TIP)接热信号，即接信号“+”极； “环”(RING)接冷信号，即接信号“-”极； “套”(SLEEVE)接屏蔽，即接地。,44,(b)用作连接立体声信号时： “尖”接左声道信号； “环”接右声道信号； “套”接屏蔽(地)。,图(c)为单声道直插件结构，也有两种用法，即用作非平衡(Unbalanced)或单声道插件，接线方法相同：“尖”为信号接线

28、端；“套”为屏蔽端。,45,3. 设备互连,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。,因为在系统中，除非信号作远距离传输外，一般都当作短线处理。如果要求信号能高质量地传输，而且负载的变化基本不影响信号的质量，就将信号源设计为一个恒压源，此时负载远大于信号源内阻抗时，能满足上述要求。这就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。,46,事实上，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

29、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)。,47,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4和8两种，即可接4音箱，也可接8音箱。接4音箱时，功放的输出功率较8时大(在产品说明书中有说明)。两只8音箱可并接在功放输出端，此时为4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2阻抗)，否则会

30、造成功放负载过荷而无法正常工作。,48,并且要注意，功率放大器的4输出与8输出对传输线的阻抗要求是不一样的。当采用4负载阻抗时，所要求的传输线阻抗是8的1/2.在高质量的扩声系统中考虑适当的储备，4输出时的传输阻抗不得超过0.2，若传输线小于100m，则要求其截面积不小于9mm2.要减小其截面积，需要用8输出来代替4输出。由于只允许传输线的传输阻抗为0.2，因此还应要求传输线两端的接触电阻更小。此时选用可靠性高和接触面大的接插件也相当重要。,49,2)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

31、。音响设备一般都有额定输出电平或额定输入电平，最小输出电平或最小输入电平，最大输出电平或最大输入电平，通常按有效值计算。要做到电平匹配，就是不仅要在额定信号状态下匹配，而且在信号出现尖峰时，也不发生过载。,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：,50,这里参考电压可以是不相同的，按照规定，最好以1V为参考电压，也可以以1mV或以1V为参考电压，对应电压电平的单位分别记为dBV,dBmV,dBV。,此外，还使用dBm，一种功率衡量的单位。是以1mw为参考对象，然后取10为底的对数再乘10，结果即以dBm为单位的值，但dBm只限于负载为600时的特定情况，这是需要注意的。,功率单位dBm是功率的对数表达方式，如下:dBm=10*lg(功率值mW/1mW),51,如果电平不能直接匹配，就应采取适当的变换方法，使电平达到匹配。如采用变压器，或者电阻分压网络。变换时，也要同时考虑到阻抗匹配。实际上，现代音响设备都是按标准设计的，只需在设备选型及系统调音时加以注意，即可满足电平匹配的要求。,52,3) 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