就室內(nèi)擴(kuò)聲而言，是通過電聲設(shè)計(jì)去控制和改善廳堂音質(zhì)；就室外擴(kuò)聲而言，則是通過電聲設(shè)計(jì)去控制室外聲場(chǎng)音質(zhì)。
擴(kuò)聲音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是要保證聲源和音響系統(tǒng)未端-音箱同處于一個(gè)聲場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，使觀眾能感受到聲源的真實(shí)存在，達(dá)到高保真重放的擴(kuò)聲要求。
本章著重討論廳堂音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和音箱的聲場(chǎng)布局及立體聲擴(kuò)聲系統(tǒng)。通過工程實(shí)例介紹，簡(jiǎn)述了工程設(shè)計(jì)的具體方法。
一.擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件
擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了達(dá)到良好的音質(zhì)，必須滿足一些必要的條件，這是進(jìn)行整個(gè)音響系統(tǒng)聲學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)的基本要求。
1.要求有低的背景噪聲
用作擴(kuò)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(huì)造成電擴(kuò)聲系統(tǒng)的清晰度、可懂度下降，難以使音響系統(tǒng)達(dá)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(jí)時(shí)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(shí)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(bào)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(jí)
要求室內(nèi)的聲壓級(jí)按照不同類型的擴(kuò)聲達(dá)到一定的值。具體地講，音樂擴(kuò)音應(yīng)達(dá)到80～85dB平均聲壓級(jí)，語言擴(kuò)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(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的輸出功率和聲增益，室內(nèi)聲場(chǎng)應(yīng)均勻擴(kuò)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(kuò)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(duì)語言擴(kuò)聲的場(chǎng)合尤為重要，一般認(rèn)為允許的最大輔音清晰度損失率不可超過15％。對(duì)于以音樂重放或擴(kuò)聲為主的廳堂，該指標(biāo)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(dá)到規(guī)定的平均聲壓級(jí)時(shí)，應(yīng)有足夠的聲反饋穩(wěn)定度裕量，以保證不會(huì)因?yàn)榉答伓斐上到y(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(kuò)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(kuò)聲設(shè)備的存在，好象是直接聽到來自舞臺(tái)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(chǎng)總功率的估算
在音響工程中，完全采用計(jì)算的方法定量的分析音箱的特性、擺放位置、驅(qū)動(dòng)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(chǎng)的關(guān)系是存在一定困難的，因?yàn)橥ǔＧ闆r下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者無法得到精確計(jì)算所必需的全部數(shù)據(jù)；
音箱生產(chǎn)廠商對(duì)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(zhǔn)確求得。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和一般原則首先選擇音箱布局，然后進(jìn)行估算，確定所需音箱的大致參數(shù)和規(guī)格指標(biāo)等，并確定具體擺位和方向，最后通過對(duì)場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)聲壓的測(cè)試和實(shí)際試聽，對(duì)音箱的布置進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)還需增補(bǔ)一些輔助音箱。
如前所述，由于一些重要的參數(shù)難以精確獲得，在實(shí)際音響工程中很難精確定量計(jì)算室內(nèi)聲場(chǎng)。在參數(shù)不確切的情況下，采用一整套復(fù)雜的計(jì)算過程得到一些并不準(zhǔn)確的結(jié)論并沒有太多的實(shí)際價(jià)值。因此，在工程設(shè)計(jì)中往往采用估算的方法，以此作為設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試的參考性依據(jù)。
1.估算條件
室內(nèi)聲場(chǎng)的估算方法基于混響聲場(chǎng)完全均勻，聲源指向性已知且為理想的前提。這兩項(xiàng)基本條件滿足得越好，估算結(jié)果也就越接近實(shí)際，反之、誤差便會(huì)較大。
室內(nèi)聲場(chǎng)估算的基本思路是這樣的：室內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓級(jí)由兩部分構(gòu)成，一部分是直達(dá)聲場(chǎng)在該點(diǎn)的聲壓級(jí)，另一部分是混聲場(chǎng)在該點(diǎn)的聲壓級(jí)，兩者迭加便得到了該點(diǎn)的實(shí)際聲壓級(jí)。
直達(dá)聲場(chǎng)符合平方反比律，可以方便的算出室內(nèi)各點(diǎn)的直達(dá)聲聲壓級(jí)。根據(jù)臨界距離Dc的定義可知，在臨界距離處直達(dá)聲聲壓級(jí)與混響聲聲壓級(jí)相等。因此再算出臨界距離處的直達(dá)聲聲壓級(jí)，便知道了該點(diǎn)的混響聲壓級(jí)。
假設(shè)室內(nèi)混響聲場(chǎng)（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(jí)都等于臨界距離處的混響聲壓級(jí)。有了室內(nèi)直達(dá)聲與混響聲在各個(gè)位置的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，室內(nèi)聲場(chǎng)各個(gè)位置上的聲壓級(jí)即可算出。
需要注意的問題是，在具體計(jì)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(dá)聲場(chǎng)聲壓級(jí)。
通常，聲場(chǎng)總電功率可由室內(nèi)聲場(chǎng)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)進(jìn)行估算。
2.聲場(chǎng)總電功率的估算公式
在實(shí)際工程應(yīng)用中，估算聲功率時(shí)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(chǎng)中某方向距離D處的聲壓級(jí)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(biāo)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(yáng)聲器單元的結(jié)構(gòu)、形狀關(guān)系極大。
例如紙盆揚(yáng)聲器音箱的效率為1％左右，號(hào)筒式揚(yáng)聲器的音箱的效率可達(dá)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(shí)，擴(kuò)散聲場(chǎng)可以近似作為自由聲場(chǎng)處理。
（2）接收點(diǎn)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(chǎng)中計(jì)算聲壓級(jí)公式：
LP = S -20lgD + 10lgP
式中：LP 為聲場(chǎng)的聲壓級(jí)；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(jí)為：
LP = 92 -20lg8 + 10lg3 = 78.8 dB。
假定在一個(gè)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?BR> 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(jì)算出來的P值。式中未考慮混響效應(yīng)，混響將會(huì)增加重放聲場(chǎng)的響度，如果混響時(shí)間在1.5s~2.0s左右，則從精打細(xì)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(diǎn)偏離音箱輻射軸線θ度，那么偏離軸線供聲區(qū)域聲場(chǎng)的直達(dá)聲聲壓級(jí)可按下式計(jì)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(diǎn)的聲壓級(jí)；
Dθ ——偏離軸線θ角供聲點(diǎn)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(jì)算要點(diǎn)
1
計(jì)算音箱的驅(qū)動(dòng)功率
根據(jù)各類場(chǎng)所需要的平均聲壓級(jí)，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(chǎng)電功率。也就是音箱所需的驅(qū)動(dòng)功率。
① 確定聲壓級(jí)
對(duì)于一般廳堂的語言擴(kuò)聲而言，要求達(dá)到 75dB左右的平均聲壓級(jí)；對(duì)音樂節(jié)目的擴(kuò)聲則要求達(dá)到85dB左右的平均產(chǎn)壓級(jí)。考慮到音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)語言擴(kuò)聲應(yīng)考慮留有6dB的裕量、音樂擴(kuò)聲則應(yīng)考慮10～12dB的裕量，要求較高時(shí)應(yīng)更大一些，一般可考慮18dB的裕量。
對(duì)于歌舞廳擴(kuò)聲，一般以原廣播電影電視部部頒標(biāo)準(zhǔn)GYJ25-86表中最大聲壓級(jí)值為依據(jù)。
聲壓級(jí)LP的確定須充分考慮擴(kuò)聲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)余量。
② 確定音箱靈敏度
計(jì)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(hào)有關(guān)。
靈敏度一旦確定，音箱型號(hào)也基本確定了，不宜隨意改動(dòng)。音箱靈敏度高低對(duì)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。
③ 確定聽音距離
音箱的最遠(yuǎn)供聲距離D，不應(yīng)超過3Dc。即最遠(yuǎn)距離D應(yīng)小于3倍臨界距離Dc
④ 聲場(chǎng)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(jí)），其混響時(shí)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，其最遠(yuǎn)傳輸距離為30m，那么，在最遠(yuǎn)傳輸距離內(nèi)；可否保證語言可懂度，音箱的驅(qū)動(dòng)功率為多大？假定場(chǎng)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(diǎn)要獲得相同聲壓級(jí)，需多大的音箱的驅(qū)動(dòng)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
∴需要最大驅(qū)動(dòng)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，需要最大驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)際工程中，也常常采用以下方法確定。
① 一般廳堂，可取放大器功率與音箱功率相等。
② 對(duì)報(bào)告廳、音樂廳等以語言擴(kuò)聲為主的廳堂，放大器的功率可小于音箱功率的1/3；這樣可使音箱失真最小，保真度最好。
③ 對(duì)電影院、舞廳等音響效果擴(kuò)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(qiáng)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(hào)的單臺(tái)放大器功率確定放大器的臺(tái)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(huì)擴(kuò)聲：放大器的功率為567 × 1．33 = 754 W；單只音箱的驅(qū)動(dòng)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(tái)，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(tái)，接為BTL形式，單臺(tái)功率為430W。
由音箱靈敏度聲壓級(jí)值出發(fā)，根據(jù)功率每提升一倍聲壓級(jí)增加3dB，距離每增加一倍聲壓級(jí)衰減6dB等規(guī)律，不難推出音箱滿功率時(shí)在聲音射線直擊點(diǎn)上的聲壓級(jí)。例如,250W的音箱，在大約8m的距離上，最大聲壓級(jí)比靈敏度聲壓級(jí)值大6dB左右。推算過程如下：
該音箱滿功率運(yùn)行時(shí)的輸入功率（250W），約相當(dāng)于靈敏度測(cè)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(jí)會(huì)提升3dB，因此滿功率時(shí)靈敏度測(cè)試點(diǎn)上的聲壓級(jí)應(yīng)比其靈敏度值大：
3dB*8=24dB
另外,8m處相當(dāng)于靈敏度測(cè)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(jí)會(huì)衰減6dB，因此該處的聲壓級(jí)應(yīng)比靈敏度測(cè)試點(diǎn)低：
6DB*3＝18dB
由功率增加所引起的聲壓級(jí)增益與由距離增加所引起的聲壓級(jí)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(chǎng)，常常采用速算法進(jìn)行估算。對(duì)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(shí)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(shí)，可選250W×2或275W×2的放大器兩臺(tái)，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(yàn)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(shí)間在1.5ss~2.0s之間，則為使最高聲壓級(jí)達(dá)到103dB（一級(jí)歌舞廳標(biāo)準(zhǔn)），主音箱的總功率可按每平方米場(chǎng)地約2W~5W估算。所要求的聲壓級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，初步?jīng)Q定主音箱的總功率為500w。現(xiàn)在希望聲壓級(jí)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(jí)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(shí)則不能這樣推算）。
這是由于這時(shí)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（詳見第一章）推算，即距離加倍聲級(jí)減少6dB；若要保持聲級(jí)不變，則距離加倍時(shí)功率須增大6dB（4倍）。此外，混響時(shí)間過短時(shí)，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(huì)有很大出入。雖然如此，但由于功率以幾何級(jí)數(shù)增減才能引起聲級(jí)的顯著變化，而在大功率的水平上，聲級(jí)的相對(duì)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(huì)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(jìn)行取舍
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