音响系统工程设计学习参考资料.docx

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音响系统工程设计学习参考资料

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音响系统工程设计是专业扩声系统在厅堂、场馆中的应用。

就室内扩声而言，是通过电声设计去控制和改善厅堂音质；就室外扩声而言，则是通过电声设计去控制室外声场音质。

以厅堂扩声为例，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。

扩声音响系统设计的最终目的是要保证声源和音响系统未端-音箱同处于一个声场区域内，使观众能感受到声源的真实存在，达到高保真重放的扩声要求。

目前，国内音响工程主要用于公共场所扩声，如：

1．报告厅利用扩声系统提高声源在听众席的声压级和清晰度的扩声。

2.歌舞厅音乐和演唱伴奏的扩声。

3．配合影院、歌剧院和地方戏等演出的音响效果。

4．大型文艺演出的音响扩声。

包括露天演出和室内演出。

5．电化教育场馆扩声和音响特技。

例如人工混响均衡器等电声措施，以达到某种声学效果。

6．对公共场所的背景音乐系统。

播放轻音乐和发布通知。

在国外，除了上述用途外，音响工程已开始进入家庭。

本章着重讨论厅堂音响系统的设计和音箱的声场布局及立体声扩声系统。

通过工程实例介绍，简述了工程设计的具体方法。

第一节音响系统的设计与选型

厅堂音响以自然声为主，要求扩散性良好、声场分布均匀、响度合适、自然度好。

厅堂建好以后，需要安装合理的音响系统。

采用音响系统的目的是提高响度和声场分布的均匀度，改善厅堂的音质和提高音响效果。

一、扩声系统设计的条件

扩声系统设计为了达到良好的音质，必须满足一些必要的条件，这是进行整个音响系统声学指标设计的基本要求。

1．要求有低的背景噪声

用作扩声的厅堂、房间必须要有低的背景噪声。

噪声不仅可能来源于室外，而且也有可能来源于室内，如空调、通风设备、光设备运动时产生的噪声等等。

应该采取措施尽可能地降低听音环境的噪声。

噪声过高会造成电扩声系统的清晰度、可懂度下降，难以使音响系统达到希望的音质，而提高设备输出功率以提高输出声压级时又可能导致声反馈而使系统无法稳定工作。

室内噪声控制问题，必须在建造和装修时加以充分的考虑，采取必要的隔音措施。

一般影剧院的背景噪声为25～30dB，报告厅为30～35dB，体育馆为47～56dB。

2．应具有均匀合理的声压级

要求室内的声压级按照不同类型的扩声达到一定的值。

具体地讲，音乐扩音应达到80～85dB平均声压级，语言扩音为7O～75dB，背景音乐则为60～70dB，且不均匀度应控制在±4dB之内。

这就要求电扩声系统应具备足够的输出功率和声增益，室内声场应均匀扩散，近次反射声应得到充分、合理的利用，音箱的幅射特性和摆放位置要合理选定。

3．保证清晰度

扩声系统应保证声音的清晰度和语言的可懂度。

这一要求对语言扩声的场合尤为重要，一般认为允许的最大辅音清晰度损失率不可超过15％。

对于以音乐重放或扩声为主的厅堂，该指标可以适当放宽，但要求有更好的音响效果。

4．保证系统能稳定工作

音响系统在达到规定的平均声压级时，应有足够的声反馈稳定度裕量，以保证不会因为反馈而造成系统自激啸叫。

一般要求反馈稳定度裕量6dB。

5．声象与图像的基本一致

成功的扩声音响系统应保证声象与图像的一致，使观众察觉不到扩声设备的存在，好象是直接听到来自舞台上的声音。

6．应具有良好的传输频率特性和较低的失真度

音响系统应具有宽且平坦的频率响应和较低的失真。

二、声场总功率的估算

在音响工程中，完全采用计算的方法定量的分析音箱的特性、摆放位置、驱动音箱的电功率以及高、中、低频的分配比例与所产生的室内声场的关系是存在一定困难的，因为通常情况下系统的设计者无法得到精确计算所必需的全部数据，音箱生产厂商对组合音箱系统往往不给出完整的指向性特性参数，室内建声特性的有关参数一般也不易准确求得。

因此，实际工程设计往往是根据经验和一般原则首先选择音箱布局，然后进行估算，确定所需音箱的大致参数和规格指标等，并确定具体摆位和方向，最后通过对场内各点声压的测试和实际试听，对音箱的布置进行调整，必要时还需增补一些辅助音箱。

如前所述，由于一些重要的参数难以精确获得，在实际音响工程中很难精确定量计算室内声场。

在参数不确切的情况下，采用一整套复杂的计算过程得到一些并不准确的结论并没有太多的实际价值。

因此，在工程设计中往往采用估算的方法，以此作为设计与系统调试的参考性依据。

1．估算条件

室内声场的估算方法基于混响声场完全均匀，声源指向性已知且为理想的前提。

这两项基本条件满足得越好，估算结果也就越接近实际，反之、误差便会较大。

室内声场估算的基本思路是这样的：

室内任一点的声压级由两部分构成，一部分是直达声场在该点的声压级，另一部分是混声场在该点的声压级，两者迭加便得到了该点的实际声压级。

直达声场符合平方反比律，可以方便的算出室内各点的直达声声压级。

根据临界距离Dc的定义可知，在临界距离处直达声声压级与混响声声压级相等。

因此再算出临界距离处的直达声声压级，便知道了该点的混响声压级。

假设室内混响声场（理想情况下）是均匀分布的，因此在室内各处的混响声声压级都等于临界距离处的混响声压级。

有了室内直达声与混响声在各个位置的声压级数据，室内声场各个位置上的声压级即可算出。

需要注意的问题是，在具体计算中应将其换算为音箱的距离以及音箱的输入电功率便可算出直达声场声压级。

通常，声场总电功率可由室内声场稳态声压级进行估算。

2.声场总电功率的估算公式

在实际工程应用中，估算声功率时可以将混响声声压略去,将其视为功率余量的一部分，这样只要确定了声场中某方向距离D处的声压级LP，就可以由LP来估算声功率值。

声功率与一般音箱或音箱系统所标示的电功率不同，其间相差音箱的转换效率η。

音箱的效率与音箱所用扬声器单元的结构、形状关系极大。

例如纸盆扬声器音箱的效率为1％左右，号筒式扬声器的音箱的效率可达15％。

目前音箱的产品说明书多数不给η值，而是只给灵敏度值S。

为了能够通过音箱的灵敏度来估算出系统的电功率，可作如下假设：

（1）略去混响声声压，作为声压余量的一部分，此时，扩散声场可以近似作为自由声场处理。

（2）接收点距音箱为D（m），且在音箱的声辐射轴线上。

这样可得自由声场中计算声压级公式：

LP=S-20lgD+10lgP

式中：

LP为声场的声压级；P为馈给音箱的电功率；S为音箱的轴向灵敏度。

例如，给灵敏度为92dB的音箱加3W的电功率，可求得距音箱8m处的声压级为：

LP=92-20lg8+10lg3=78.8dB。

假定在一个供声区内有多组（N组）灵敏度相同的音箱供声，那么上式中还要增加10lgN，即变为：

LP=S-20lgD+10lgP+10lgN

求电功率P可写为：

P=10（Lp-S-10lgN+20lgD）/10

音箱的额定功率应不小于由上式计算出来的P值。

式中未考虑混响效应，混响将会增加重放声场的响度，如果混响时间在1.5s~2.0s左右，则从精打细算出发，音箱的额定功率可取（0.5~0.8）Pe。

不过稳当的办法还是当做没有混响来考虑，以便留有余量。

（3）假定接收点偏离音箱辐射轴线θ度，那么偏离轴线供声区域声场的直达声声压级可按下式计算：

LP（θ）=S-20lgDθ+10lgPq+20lgD（θ）+10lgN求电功率P可写为：

P（θ）=10（Lp-S-10lgN+20lgDθ-20lgD（θ））/10

式中：

LP（θ）——偏离轴线θ角接收点的声压级；

Dθ——偏离轴线θ角供声点轴射距离；

D（θ）——音箱的指向性函数，20lgD（θ）值应由音箱生产厂家提供。

3．计算要点

（1）计算音箱的驱动功率

根据各类场所需要的平均声压级，选定音箱灵敏度和听音距离。

按照上述公式便可算出系统所需的声场电功率。

也就是音箱所需的驱动功率。

①确定声压级

对于一般厅堂的语言扩声而言，要求达到75dB左右的平均声压级；对音乐节目的扩声则要求达到85dB左右的平均产压级。

考虑到音频信号的动态范围，对语言扩声应考虑留有6dB的裕量、音乐扩声则应考虑10～12dB的裕量，要求较高时应更大一些，一般可考虑18dB的裕量。

对于歌舞厅扩声，一般以原广播电影电视部部颁标准GYJ25-86表中最大声压级值为依据。

声压级LP的确定须充分考虑扩声系统的动态余量。

②确定音箱灵敏度

计算之前，首先要确定音箱灵敏度。

需要指出的是，音箱灵敏度往往和音箱的型号有关。

灵敏度一旦确定，音箱型号也基本确定了，不宜随意改动。

音箱灵敏度高低对系统所需电功率的影响很大，灵敏度相差3dB，电功率则相差一倍。

因此，专业音箱的灵敏度不宜太低，一般应在95～100dB左右为宜。

③确定听音距离

音箱的最远供声距离D，不应超过3Dc。

即最远距离D应小于3倍临界距离Dc

④声场总电功率

许多厅堂需分区供声，那么系统的总电功率应为所有声源所需电功率之和。

例题

某多功能厅堂（一级），其混响时间T60＝1.2s，房间常数R=1860，采用2只灵敏度为100dB的组合音箱供声，所有音箱的指向性因数Q=12.8，其最远传输距离为30m，那么，在最远传输距离内；可否保证语言可懂度，音箱的驱动功率为多大？

假定场声器偏离水平角度30°的指向性函数20lgD（θ）＝-3dB，那么在偏离轴线30°，同样距离接收点要获得相同声压级，需多大的音箱的驱动功率？

解：

D=30＜3Dc

∴在30m以内可以保证语言可懂度。

∵P=10（Lp-S-10lgN+20lgD）/10

查表可得LP＝98dB

∴需要最大驱动功率为285W。

∵20lgD（θ）=-3dB

P（θ）=10（Lp-S-10lgn+20lgrθ-20lgD（θ））/10=567（W）

答：

偏离30°角后，需要最大驱动功率应为567（W）。

（2）确定放大器的功率和数量

音箱所需电功率计算完成后，根据音箱的数量和功率，便可确定放大器的功率和数量。

总的原则是放大器功率应以音箱功率匹配。

在实际工程中，也常常采用以下方法确定。

①一般厅堂，可取放大器功率与音箱功率相等。

②对报告厅、音乐厅等以语言扩声为主的厅堂，放大器的功率可小于音箱功率的1/3；

这样可使音箱失真最小，保真度最好。

③对电影院、舞厅等音响效果扩声为主的厅堂，放大器的功率可大于音箱功率的1/3；

这样可使音箱的音量充沛，节奏强劲，功率得到充分发挥。

放大器的功率确定后，即可根据所定型号的单台放大器功率确定放大器的台数。

例如，上题两只音箱的功率为567W，单只音箱功率为284W。

如用于舞会扩声：

放大器的功率为567×1．33=754W；单只音箱的驱动功率为377W。

如果音箱阻抗为8欧，可选美国皇冠GSL-800功放1台，功率为400W×2。

如果音箱阻抗为4欧，可选美国皇冠GSL-460功放2台，接为BTL形式，单台功率为430W。

由音箱灵敏度声压级值出发，根据功率每提升一倍声压级增加3dB，距离每增加一倍声压级衰减6dB等规律，不难推出音箱满功率时在声音射线直击点上的声压级。

例如,250W的音箱，在大约8m的距离上，最大声压级比灵敏度声压级值大6dB左右。

推算过程如下：

该音箱满功率运行时的输入功率（250W），约相当于灵敏度测试功率（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，声压级会提升3dB，因此满功率时灵敏度测试点上的声压级应比其灵敏度值大：

3dB*8=24dB

另外,8m处相当于灵敏度测试距离（1m）倍增3次的距离：

1M*2*2*2=8M

而距离每倍增一次声压级会衰减6dB，因此该处的声压级应比灵敏度测试点低：

6DB*3＝18dB

由功率增加所引起的声压级增益与由距离增加所引起的声压级衰减互相抵扣，净增益为：

24dB-18dB＝6dB

（3）速算法

在音响工程现场，常常采用速算法进行估算。

对于采用灵敏度为95～100dB音箱系统的厅堂，其功率可按0.5W/m3来速算；要求较高的厅堂，其功率可按1W/m3来速算。

速算法也可以作为公式法的参考。

例如：

某多功能厅室内面积为400m2，高5m，平时作为一般厅堂使用。

选择灵敏度为98dB的音箱，按0.5W/m3速算，需要功率1000W。

此时，可选250W×2或275W×2的放大器两台，按阻抗匹配的原则，选择4只额定功率250W，灵敏度98dB的音箱，即可满足需要。

经验表明，如果厅堂没有特殊的结构、厅堂高度约3m－4m左右、混响时间在1.5ss~2.0s之间，则为使最高声压级达到103dB（一级歌舞厅标准），主音箱的总功率可按每平方米场地约2W~5W估算。

所要求的声压级每增加3dB，音箱功率就须加倍（翻一番）。

例如100m2的厅堂，根据每平方米5W的标准，初步决定主音箱的总功率为500w。

现在希望声压级由103dB增大到106dB则主音箱的总功率应由500W增至1000w;如果希望声压级增大到109dB,则主音箱的总功率应再加倍至1000w*2＝2000W。

另一方面，如果厅堂的高度增大，则尽管音箱的高度不变，所需的总功率也要加大，大约是高度加倍功率加四分之一（高度无限增大时则不能这样推算）。

这是由于这时厅堂顶部的反射声减少了的缘故。

如果随着厅堂高度增大而把音箱挂高，则应按平方反比定律（详见第一章）推算，即距离加倍声级减少6dB；若要保持声级不变，则距离加倍时功率须增大6dB（4倍）。

此外，混响时间过短时，总功率也要酌情增加。

必须指出，由于各种音箱的换能效率差别很大，不同厅堂的建声特性也极不相同，所以估算数据会有很大出入。

虽然如此，但由于功率以几何级数增减才能引起声级的显著变化，而在大功率的水平上，声级的相对变化量随功率的变化更小，所以估算的功率数据尽管出入很大，而听觉效果则不会有那么大的出入。

至于取上限抑或下限，或是否适当加一些裕量，当根据档次的高低以及资金的宽裕程度进行取舍。

4．功率分配

（1）主音响系统的功率分配

扩声用主音箱系统的功率分配应根据所确定的组合台数，依照功率放大器不失真功率条件，选择适当的台数。

对于音箱的驱动，可以采用前级分频方式，也可以采用功率分频方式。

为了保证厅堂内音箱系统工作的合理性与可*性，在功率分配的分组与布线技术上，须作专门处理。

在大型厅堂，为了使音箱系统有较好的方位感，最好能使观众“看到”音箱，使视觉与听觉方位基本一致，因为对于听觉来说，水平方位感比较灵敏，而垂直方位感比较迟纯。

如果在主音箱系统中插入适当延迟，利用哈斯效应，使声象下移，使音箱放声系统与声源的方位更加趋于一致，那么聆听效果将更有所改善。

主音箱系统以外的辅助音箱系统一般有不同的类型，例如走廊与休息室内要用吸顶音箱作背景音乐放声用，小型贵宾会议室内要用组合音箱或小音柱等。

此时应根据所选择音箱的功率、阻抗（或电压）、数量进行适当分组，并作必要的并联与串联处理后与功率分配板相联接。

根据总的功率分配情况，设计与功率放大器可切换的联接电路，选择备用放大系统，使得在扩声控制室内能方便地控制与操作。

此外，还需确定返听系统和监听系统的功率

（2）返听系统及所需功率

返听系统是为了解决舞台上演员与乐队的听感问题而专门建立的音响系统。

演出时,演员与乐队位于主声场音箱的背后,如果他们不能听清自己的发声效果,就无法找准演出感觉，所以，对于剧院和歌舞厅的音响系统来说，除主声场的音响系统外，返听系统也是必不可少的。

此外，当主声场的音响系统出现故障时，返听系统还可以作为应急音响系统使用，以避免出现冷场局面。

在一般场合下，返听系统功率取主声场功率的20%。

例如,主声场功率为2000w，那么，返听系统功率应选的400w。

在返听系统中,为了使返听响度适宜，效果清晰,返听放大器的功率应大于返听音箱功率的