电影院音响系统.docx
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电影院音响系统
电影院音响系统
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自1995年道尔比电影立体声引入我国以来，国内电影立体声事业获得长足开展，特别是数字电影的开展，极大地推动了我国的电影科技进步。
现在，我国的城市影院已绝大局部改造为SR型立体声或数字立体声声电影院，电影院声学环绕的改善，音响系统质量的提高，已日益受到重视。
电影院音响系统涉及范围较广，它包含电影院内的建筑声学设计与全部还音系统及其设计。
这里仅讨论电影还音系统的B环局部——功放与扬声器的根本特性，以及声场设计方法，同时对我国目前影院内使用最多的音霸牌电影立体声功放与扬声器予以介绍。
第一章功率放大器的根本技术特性与典型产品介绍
功率放大器的作用是将解码、均衡后的各路声频信号进展放大，并推动扬声器供声。
在立体声电影重放技术中，对功率放大器的要求是高效率、低失真、大功率、高保真，确保声音的重放有足够的功率，并能如实地反映声频信号的音质与音色。
掌握功率放大器的各项技术性能，是正确选择与使用功率放大器的必要条件。
1.1功率放大器主要性能指标及其评价
以定阻输出功率放大器为例，其主要性能指标见表1
表1声频功率放大器根本参数
序
号
根本参数
名称
测量条件
单位
根本参数要求
I类
II类
III类
1
赠益限制的有效范围
正常工作条件
HZ
20Hz-20kHz
±0.5dB
40Hz-16kHz
±1dB
80Hz-8kHz
±2dB
2
总谐波失真
额定条件
正常工作条件
%
≤0.5
20Hz-20kHz
≤0.5
40Hz-16kHz
≤2
80Hz-12.5kHz
1/100额定输出功率时
≤
≤1
≤4
3
失真限制有效频率范围
正常工作条件
Hz
20Hz-20kHz
≤0.5
40Hz-16kHz
≤0.5
80Hz-12.5kHz
≤0.5
4
信噪比
线路
输入
宽带
dB
≥94
≥81
≥71
A计权
≥99
≥86
≥76
5
过载源电动势与额定源电动势之比
线路输入额定条件
dB
≥26
≥12
≥12
6
阻尼系数
额定条件
≥10
≥4
7
串音衰减
额定条
件宽带
1kHz
dB
≥60
≥40
≥30
250Hz-10kHz
≥50
≥30
8
转换速率
额定条件
≥30
9
增益差
音量控制器从最大位置到下降46dB范围内
dB
1
4
4
10
稳定性
额定条件
不应有自激和寄生振荡
1.1.1频率响应
频率响应应考虑两个指标：
增益—频率响应和失真—频率响应。
增益—频率响应是指功率放大器各频率分量的放大能力。
它说明功率放大器的整机频率特性，即放大器的通频带宽度以及在通频带内放大量的不均匀度。
图1为典型高保真功率放大器的频响曲线。
尽管可闻声频响范围为20~20kHz，但为了降低失真，放大器的频带宽度扩展至10~100kHz，不均匀度小于1dB。
图1增益—频率响应曲线
失真—频率响应曲线亦称功率带宽，它是指功率放大器工作在1/2额定输出功率状态下，各频率成分均小于总谐波失真额定值的频率范围。
图2为高保真功率放大器的失真—频率相应曲线，为了保证大功率输出状态下放大器音质依然良好，其频响范围在总谐波失真系数小于0.1%的情况下，须在10~60kHz范围内不均匀度低于3dB。
图2失真—频率响应曲线
1.1.2失真度
失真度是指功率放大器非线性畸变状况，考虑静态指标有谐波失真、交越失真、削波失真、相位失真和互调失真；动态指标有瞬态互调失真等。
对于晶体管功率放大器，只要参加相当量的负反应就可以到达相当高的谐波失真水平〔目前已可降低到0.01%以下〕。
但是，即使特别小的谐波失真，在主观听声中仍感到声音发硬，高频发毛，不如比它低两个等级的电子管功率放大器音质好。
这是因为晶体管功率放大器的过荷失真是硬的，如图3所示，在过荷点后，非线性畸变迅速增加，输出波形如刀削，而电子管功率放大器过荷曲线较平缓，输出波形失真虽扁但仍有弧度。
由于现代音乐冲击成分多，为了获得良好的音质，晶体管功率放大器应有较大的输出功率，通常其输出功率至少大于电子管功率放大器输出功率2倍以上才能到达相当效果。
两种功率放大器的过荷曲线
两种功率放大器的过荷失真输出波形
图3晶体管功率放大器与电子管功率放大器的过荷失真比拟
瞬态互调失真是晶体管功率放大器的严重弊病之一，它是由于放大器使用了深度负反应而伴随着深度滞后补偿而引起的。
为了防止出现瞬态互调失真，应尽量采用全对称电路构造，提高晶体管的截止频率〔fr〕值，使放大器的开环频响好，降低整个放大器的开环增益，只使用20~25dB的大环路负反应，增加局部负反应，使放大器的各级具有最大带宽和线性，将开环增益控制在44~55dB；在放大器稳定工作条件下，设法去掉消振电容，改滞后补偿为超前补偿等等。
1.1.3 转换速率
功率放大器的转换速率的定义是放大器瞬时输出电压上升〔或下降〕的最大时间变化率，即输出电压对时间的最大导数〔dv/dt〕。
它反映了放大器跟随能力的大小，可用来作为评价放大器瞬态失真——“亏损失真〞的一种方法。
由于现代立体声音乐节奏强烈，信号变化量大，而且又有较多中、高频分量的打击乐器，这就要求放大器须有跟得上输入信号跃变的速率。
功率放大器的转换速率可以用使放大器获得最大输出的10kHz大振幅方波信号作为源电动势测量，方波的上升〔下降〕沿要十分陡，然后用示波器的纵轴刻度〔V/μs〕和横轴刻度〔t/div〕计量放大器输出方波信号前沿〔后沿〕的10%~90%间电压变化值△t，计算△v与△t的比值，可得到功率放大器的转换速率。
转换速率低的功率放大器瞬态响应差，而转换速率相当高〔数百V/μs〕的功率放大器，稳定性差，而且还有可能引入噪声和干扰。
转换速率终究以多大为最正确，目前尚无定论，根据信号源与听感要求，转换速率在30~100V/μs的功率放大器比拟符合需要。
1.1.4 输出功率
功率放大器的输出功率是指在额定负载阻抗下，放大器不失真的输出功率，亦称额定输出功率。
在额定输出电压不变时，降低负载阻抗，放大器不失真的输出功率称为放大器的最大输出功率。
功率放大器的输出功率可根据使用场合，负载状态去选择，专业功率放大器可有从50~1200W等各种系列。
由于晶体管功率放大器过荷后将会产生迅速增加的非线性畸变，见图3。
为了保证节目的一定动态范围和音质的明显改善，晶体管功率放大器的额定输出功率应远远大于实际使用需要的平均输出功率，通常应有5-10倍的功率储藏传余量。
这是与电子管功率放大器实际使用的不同之处。
1.1.5 阻尼系数
阻尼系数的定义为功率放大器的额定阻抗〔即扬声器阻抗〕与输出阻抗比值，它是指功率放大器对扬声器电阻尼的大小，也反映了功率放大器与扬声器的配接关系。
扬声器阻抗不能用纯电阻代替，它是随频率而变化的。
实际放声时，各种频率成分都存在而且不断变化，扬声器振动自身产生的反电动势又回送给功率放大器，这种阻抗的变化、频率的波动和反电动势的“逆电效应〞，会使功率放大器产生瞬态失真，严重影响音质，因此功率放大器必须有一定的阻尼系数。
阻尼系数过小〔放大器输出电阻大〕，低音扬声器在声音停顿后仍留有阻尼余振，产生欠尼现象，音质不清脆。
阻尼系数过大〔放大器输出电阻小〕，会产生过阻尼现象，瞬态特性变坏，声音发干，明显影响音质。
为了获得各类扬声器的阻尼匹配，功率放大器应有较大的阻尼系数，高保真功率放大器的阻尼系数设计在20～100。
1.1.6信噪比
功率放大器的信噪比是由输入级晶体管和反应电阻决定的，通常功率放大器的信噪比应高于前置系统的信噪比，较好的功率放大器信噪比应到达100~110dB。
双通道立体声功率放大器的别离度可用左、右两通道的信号串音衰减来表示。
理想状态下的串音衰减应为无穷大，保证左、右两通道完全别离，实际的高保真立体声功率放大器的串音衰减应≥70dB。
1.2EP－CPA系列影院功率放大器
EP－CPA系列影院功率放大器是南京音霸音响电子系统工程根据数字立体声还音的根本要求与“THX〞系统的推荐而研制的新型大功率、低失真功率放大器。
1.2.1产品性能指标〔见表2〕
表2CPA系列影院功率放大器主要电性能指标
工程
CPA401
CPA801
CPA1201
CPA2401
CPA3601
额定输出功率，W／8Ω
300
300×2
400×2
600×2
850×2
额定输出功率，W／4Ω
450
450×2
600×2
900×2
1300×2
额定输出功率，W／桥接8Ω
监听10W
900
1200
1800
2600
额定频率范围，Hz
20-20K
总谐波失真，≤
0.2%
输入灵敏度，V
1.1
输入阻抗，Ω
20K〔平衡输入〕10K〔不平衡输入〕
串音衰减，dB
≥50
信噪比，Db〔A计权〕
≥100
注：
所有技术指标均为实测结果。
1.2.2产品主要性能特点
功率放大器设计的重点是解决大功率与低失真的一对矛盾。
并使其具有足够的动态余量并保证其工作可靠。
该产品的所有关键元件，诸如晶体管与大功率管、电解电容、运放集成电路等全部进口，并进展严格的筛选，严格的配对，严格的老化，在电路设计上全部采用国外先进的设计理念与技术。
其主要技术特点为：
1.2.2.1
互补反应对管群式“地输出〞电路，让大功率晶体管体直接接触到散热器上，而其间不加任何绝缘云母片，并配合大型散热器及变速风机，加速大功率管的散热能力，确保功率放大器在长期使用条件下温升很低、使可靠性提高、输出功率持续不断。
采用先进的层压电源设计，每个声道均由独立电源供电，其中CPA3601设计为双变压器供电形式，这样能使输出电流供应有力，大大地提高了声道的别离度。
功放设计有直输出保护，输出短路保护，开机、关机冲电流保护及温度保护电路。
1.2.2.4
在工艺构造设计上，力求简洁、精致，同时更注意其工作的长期稳定可靠。
例如，采用性能优良的带状条形散热器，并在功放内部设计了顺畅的散热器通道，控制变速风机转速，可产生较大的散热面，以利快速散热确保输出功放管的一致冷却效果。
此外从产品的喷漆到商标的印制，无一不作精雕细啄。
第二章扬声器的根本技术特性与典型产品介绍
2.1扬声器的根本技术特性
扬声器的根本技术特性是衡量扬声器品质优劣的主要依据，对于音响系统设计人员来说，了解各类扬声器的根本特性，一是在选型与功放的配接上有更多的主动性与灵活性，二是在声场设计时，可以根据扬声器的指向特性获得最正确的声覆盖和音响效果。
确定扬声器根本技术特性的主要性能指标有功率、灵敏度、频率响应、阻抗、非线性失真、指向性等。
2.1.1功率
扬声器的功率是衡量扬声器工作可靠性的重要指标，确定扬声器功率应有二个原那么：
1〕扬声器应能承受此功率长期连续工作，2〕馈给扬声器此功率，扬声器的非线性失真不应超过规定值。
扬声器的功率是输入电功率的有效值，扬声器的功率应考核两个指标：
1〕额定噪声功率，这是指扬声器在额定频率范围内馈以长时间的粉红噪声信号进展负荷而不产生永久性损坏的功率，在扬声器商标上通常标这种功率值。
国外扬声器所标出的额定功率通常为馈以粉红噪声信号连续工作2小时的功率。
2〕长期最大功率，这是指扬声器在额定频率范围内馈以粉红噪声信号，扬声器承受持续时间1秒，时间间隔2秒，重复10次而不产生永入性损坏功率，长期最大功率一般为额定功率的2-4倍。
扬声器的额定功率与功率放大器的额定功率为截然不同的两个概念，功放的额定功率是指最大不削波〔无削波失真〕功率。
特别是晶体管功放，多为定阻输出，其输出功率随匹配阻抗而变化，由于其输出特性较硬〔相对于电子管功放〕，过了过荷点，将出现明显失真，因此不能满输出功率使用，应留有2~5倍功率余量，这对降低失真十分有利。
因此在进展功放与扬声器配接时，不必苛求二者功率完全一致，应该要求功放输出功率要大些，有关功率确实定方法在系统设计局部讨论.
2.1.2阻抗与阻抗曲线
扬声器的阻抗是扬声器音圈输入端电压与通过音圈电流的比值，这一比值决定于音圈直流电阻、电感以及扬声器在幅射声波时引入的幅射阻抗，因此，阻抗是随频率而变的。
图4示出了扬声器在恒流或恒压条件下，阻抗模量随频率变化的曲线。
阻抗曲线中低频范围内阻抗最大值处频率为扬声器的谐振频率，用fo表示。
在最大值后的最小值就定义为扬声器的额定阻抗Z，通常额定阻抗要高于音圈直图4扬声器阻抗曲线流阻抗10%~20%。
图4扬声器阻抗曲线
2.1.3频率响应和有效频率范围
频率响应是指在馈给扬声器电压〔一般为1/10额定噪声功率电压〕不变情况下，扬声器在参考轴上距参考点为一定距离时输出声压随频率变化特性，它反映了扬声器对不同频率声波的幅射能力。
频率响应通常用扬声器输出声压级随频率变化曲线表示，称为频率响应曲线，如图5所示。
在频率响应曲线中找出声压级最大区域取一个倍频程带宽，测得声压级并下降10dB划一平行于横坐标直线，与频响曲线的上下两端分别交于f1和f2两点，f1和f2对应频率间隔为有效频率范围。
对于各值频率宽度小于1/8倍频程局部，不计算在内。
图5典型频率响应曲线
有效频率范围是表示扬声器重放声音的工作状态和调和音色能力，不同用途，不同场合下的扬声器应具有不同有有效频率范围。
例如，作为立体声音响系统重放时，必须选用具有宽有效频率范围的扬声器。
2.1.4特性灵敏度〔级〕
扬声器的特性灵敏度定义为在有效频率范围内，馈给扬声器以相当于在额定阻抗上消耗1W电功率的粉红噪声电压时，在参考轴上距参考点1m处所产生的声压，用dB表示。
其定义表示为：
式中，Lp为换算为1m1w时的声压级，Pr为在r处测得的声压，Po=2×10-5Pa为参考声压，W为测试时馈给扬声器的功率。
Wo=1W为参考功率，r为测试距离，ro=1m为参考距离。
2.1.5非线性失真
扬声器的失真是由振幅非线性引起的，通常也包括谐波失真，互调失真、差额失真和瞬态失真。
2.1.6指向特性
扬声器的指向特性是描述扬声器向空间各个方向幅射声波的能力，其实质是表示扬声器所产生的声压在空间的分布状况，一般以水平和垂直两个方向的幅射角来表示。
了解扬声器的指向性，对控制扬声器声场十分重要。
2.1.6.1描述扬声器指向性方法
2.1.6.1.1指向性图形：
它为声压随声波幅射方向变化的一簇曲线，这簇曲线中，每一条曲线分别描述某一频率的指向特性，并以极坐标表示，见图6。
2.1.6.1.2指向性频率响应：
它为在不同声波幅射方向，声压随频率变化而变化的一簇曲线，每一条曲线分别描述某一方向的频率响应特性，并用对数坐标表示，见图7。
图6指向性图形
图7指向性频率响应
2.1.6.2指向性因数Q和指向性指数DI
在实际工程设计中常用扬声器的指向性因数Q和指向性指数DI来描述其指向特性。
指向性指数是指扬声器在给定轴线方向上某一点的声强级与在该点上由一全向点声源幅射相等的功率产生的声强级之比。
指向性因数是指上述同一点上产生的两个声强级之差。
指向性因数Q和指向性指数DI之间关系如下：
图8指向性指数与指向性因数
图8中，具有一定指向特性的扬声器与全向性点声源幅射功率一样，此时在一样距离处的声压级却不一样。
由于扬声器的指向性因数为Q，因此扬声器的幅射声压级要较全向点声源高一个指向性指数DI值。
当给定了扬声器声压级下降6dB的水平覆盖角α和垂直覆盖角β后，指向性因数Q和指向性指数DI值，可由莫罗依〔C.T.Molloy〕公式计算出。
图9是Molloy公式水平覆盖角和垂直覆盖角的示意。
需要指出的是利用Molloy公式计算出的Q和DI，仅在扬声器的实际水平与垂直覆盖角范围内才有效，而且对于工作波长远大于扬声器本身尺度情况，公式不成立。
因此，利用Molloy公式计算Q和DI，大多用于高频号筒式扬声器中。
例如，EP-PH2311、PH2314、PH2318型号筒，其水平指向角α=900，垂直指向角β=400，由公式可以计算出：
Q=12.86，DI=11.09dB。
EP-PH2319型号筒，其水平指向角α=900，垂直指向角β=500，由公式可以计算出：
Q=10.35，DI=10.15dB。
图9Molloy公式角度图
2.2EP-CPS系列数字立体声扬声器系统：
自音霸扬声器的系统进入市场以来，图9Molloy公式角度图一直致力于电影还音系统。
EP-CPS系列数字立体声扬声器系统以其精湛的技术、卓越的性能、可靠的质量，优质的性价比，赢得了中国和世界众多国家电影院的信赖。
在2002年EP-CPS扬声器系统与EP-CPA功率放大器一道，获得了国家科技成果鉴定和数字立体声影院还音设备的示范工程验收。
2.2.1EP-CPS系列数字立体声扬声器系统主要电声性能指标见表3：
表3CPS数字立体声扬声器系统主要电声性能指标
类别型号阻抗Ω
额定功率W最大功率W
频率范围Hz
灵敏度dB
失真≤％
指向特性
水平
垂直
主扬声器
CPS42114
6001200
40-16K
100
290°
40°
CPS4212
4
6001200
40-16K
100
CPS4213
8
300600
40-16K
97
CPS4214
4
6001200
40-16K
106
次低频扬声器
CPS42418
300600
35-500
95
2-
-
CPS4242
4
6001200
40-500
98
环绕声扬声器
CPS4283
8
100200
50-16K
91
2100°
100°
CPS4284
8
150300
50-16K
96
注：
所有技术指标均为实测结果
2.2.2产品主要性能特点：
根据数字立体声电影还音的根本要求与“THX〞系统的推荐值，该产品在系统设计方面，低音追求大功率、低失真，而高音那么注重指向性的控制和功率承受能力，整个系统考虑平直的声压频率特性，功率的合理分配。
全部主扬声器与次低频扬声器的单元均分别采用为PW1503型15"低音扬声器与PW1801型18"低音扬声器，低音的振动质量设计得较大，磁路系统设计为具有对称特性的通风冷却式“VGC〞磁路，大大改善了音圈散热条件，有效地抑制了低频失真；带加强筋的线性纸盆与带阻尼胶的布质悬挂系统连接的振动组件，确保最大偏移线性和严密的受控瞬态响应，提高了低频扬声器的功率承受能力，改善了阻尼特性。
恒定指向性双径向号筒的应用，可以按设计的复盖角度在有效的频率范围内提供均匀的声盖，保证所有频率到达观众厅每个座位，以获得多声道数字立体声电影的还音声场效果。
所设计的扬声器系统中CPS4211的高音号筒为PH2311〔尺寸：
790×790×900指向性：
900×400〕，CPS4212的号筒为PH2318〔尺寸：
450×280×240指向性：
900×400〕，CPS4213的高音号筒为PH2319〔尺寸：
760×380×290，指向性：
900×500，、CPS4214的中音号筒与高音号筒分别为PH2331〔尺寸：
760×140×270，指向性：
900×500〕，CPS4284的高音号筒为PH2104〔尺寸：
210×190×112，指向性：
1000×1000〕。
所有主扬声器的号筒均设计为方向可任意调节，以满足不同影院声场条件的声覆盖需要。
高音驱动器的设计指导思想为“大音圈、大振膜、大磁路构造〞。
其中CPS4211、CPS4212的高音音圈为4"，CPS4213、CPS4214的高音音圈为3"。
轻如薄纸，比钢还硬的钻石纹钛合金振膜、KAPTON骨架矩形截面铜包铝线音圈，这样可降低振动系统质量，提高驱动器的功率承受能力，曲面导向均衡控制器的设计，有效地展宽了带宽和平滑的无峰响应，大大地改善高音的音质和音色。
2.2.2.4
系统低频扬声器箱全部采用直接幅射式倒相构造，箱体容积与倒相口均采用了计算机辅助设计。
箱体为硬质胶板〔侧板厚18，面板厚25〕榫木联接构造，确保系统的低频响应平滑、延伸值低、均衡特性好，无共振现象。
2.2.2.5
为确保数字立体声电影的还音要求，全部主扬声器系统均设计为电子分频，高、低音系统被分别驱动。
除CPS 4213外，其余主扬声器均为号筒外置构造。
两种环绕声扬声器系统〔CPS4283、4284〕为内置分频构造，其分频网络可专门切换，对高频预加重，以符合ISO2969“X〞特性曲线要求。
其音箱构造设计为150的倾斜角，并配套设计贴挂墙面的安装支架，对安装与调节环绕声场十分方便。
2.2.2.6
考虑到国内目前专业扬声器的根底制造工艺条件较差，局部部件与材料尚不能过关，扬声器的主要关键另部件全部采用国际采购方式，从国外进口。
进口的另部件主要为：
全部的高音音圈音膜组件，15"与18"低音扬声器纸盆与音圈，大功率高、低音扬声器用磁体〔Φ220〕，纸盆用阻尼软化胶、高音磁隙用磁流体，大功率低音扬声器用音圈编织线等等。
从多年的设计生产与使用实践中，我们深深地感受到这种做法对提高扬声器的音质、音色条件、提高的扬声器的可靠性十分有利，使产品能与国外进口产品相媲美，提高市场竞争力。
第三章影院音响系统设计
3.1影院音响系统设计的技术要求：
3.1.1足够的响度〔声压级〕
影院观众厅内，在没有噪声干扰情况下，观众听到的重放声应既不感到费力，又不感到震耳。
通常要求有85dB的平均声压级，考虑到音乐高潮的不失真重放，可再留有10dB余量，SR系统应有15-20dB余量，数字立体声系统应有20-30dB动态余量。
3.1.2均匀的声场分布：
声场分布均匀，可保证整个厅堂内各点声能分布均匀，各区域内观众听到的响度根本一致。
通常，均匀的声场分布应保证整个厅堂内最大声压级和最小压级之间不超过6dB，最大声压级〔或最小地质压级〕与平均声压级之间不超过3dB。
3.1.3适宜的混响时间
混响时间是影响影院观众厅音质的一个重要参数，混响时间控制适宜就能提高语言清晰度和音色饱满度，有助声像定位，同时增加响度和声扩散。
对于电影立体声所要求的观众厅最正确混响时间，可按其实际容积V〔单位：
立方米〕由公式⑹求得，亦可由图10中查得〔均以500-1000Hz为基准〕：
3.1.4具有良好过渡特性的频率特性：
厅堂内声场频率特性可以两个方面评价，一个是混响时间频率行性，另一个是声场特性的频率特性。
混响时间频率特性是指厅堂内所要求考核的各频段在各个频率的不均匀性，通常要求厅堂混响时间频率特性具有平滑的过渡，没有较大的起伏，并且允许低频混响时间稍有提高，高频混响时间稍有降低。
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