扩声系统的增益结构

扩声系统的增益结构

——设置扩声系统增益结构的注意事项与方法

作者：John Murray

作者单位：ProSonic Solution

目录

第一节引言

第二节参考级的概念

2.1 分贝

2.2 电子学中的分贝参考量

第三节峰值电平，均方电平及音量表电平

3.1 峰值电平

3.2 均方根值电平

3.3 音量表电平

第四节设置信号流的增益结构

4.1 准备工作

4.2 使用振荡器和示波器进行调整

4.3 电子分频器及压缩器/限幅器的调整

4.4 功率放大器的调整

4.5 分频网络低驱动电平选项

4.5 更高均值/峰值比与更小的动态围选项

第五节调音台的增益设置

5.1 基本原则

5.2 初步调整（初步设置）

5.3 技术优化方法

5.4 易于理解的方法

第六节参考书目

第一节引言

对于一个扩声系统来说，合理的增益结构是不可或缺的，尤其是当系统中采用了当今的数字信号处理设备（DSP）的时候。这类数字信号处理设备比较容易出现严重的削波失真，而如果要避免削波并维持低系统噪声就需要精确地设置增益机构。

信噪比（S/N）是一个设备或一个系统的额定信号电平（通常为+4dBu或者0dB VU）与所测的热噪声电平的dB值之差。动态余量则是额定信号电平与最大不削波电平的dB值之差。最大不削波电平亦即是受设备最大输出电压限制的最大信号强度。将信噪比与动态余量相加，就得到该设备会系统的动态围。合理的增益结构调整就是实现系统动态围最大化的过程。

图1显示的是一个动态围为105 dB 的设备。这一数据（动态围）是根据可听的电信号围和可听的声信号围随意校正的（什么意思？）。

图2中反映了扩声系统信号路径上各个设备的动态围窗。请注意，这里以0 dBu 作为参考电平，调音台和DSP都被设置为“统一增益”，即输入电平等于输出电平。经过校验得到的声信号动态窗显示，将功率放大器输入衰减器置于最大位置，音箱输出声压级在参考听音位置达到120 dB的时候，功放已经发生削波现象了。该图所示的增益结构是一种很普遍的做法，即将电子设备（调音台，DSP）设置为“统一增益”，并将功放输入增益调至最大。

根据图2中普遍使用的增益设置，所得到的系统动态围为65 dB（见图3），这样的数据只能是差强人意。

本文旨在说明应当如何设置扩声系统的增益结构，从而使得系统的动态围不小于系统中噪声最大的设备的动态围。本文还将说明，如果技术人员只是想要更

大的声音，那他可以在噪声问题上做出妥协，从而使扩声系统产生很大的声压——相当于几倍大的系统产生的声压。

为了更好地阐述这些观点，我们还得从最基本的开始说起。

第二节参考级

2.1分贝

在音频领域，各种各样的参考量经常令人感到困惑。要正确地理解增益结构，就必须要知道这些参考量之间的关系。“分贝”是由“贝尔”这个单位衍生的。“贝尔”则是为了纪念亚历山大·贝尔，它表示信号通过1英里线之后的电平衰减量。将这一衰减量用作单位显得太大，并不实用，因此在实际应用常将贝尔除以10。于是得到的更小单位被称为分贝（dB），根据参考量的不同，分贝可以用来表示很多不同的值。当你只使用dB,而不加其他后缀时，它仅仅表示一个比值。因此dB 要和参考量一起使用，后缀可以显示由该参考量所定义的0dB的值。因本文的阐述围有限，我们在此只介绍音频电信号中使用的参考量，对于声学中用到的参考量则不作讨论。

2.2 电子学中的dB参考量

dBm是最早被用来表示功率级的单位，0dBm等于1毫瓦。0 dBm (1毫瓦)通常被描述成通过600Ω电阻消耗的功率。这里600Ω的电阻并不是关键，并非限定的，只不过在dBm最初应用（于传输技术）时，600Ω恰巧是线的标准线路电阻。

今天专业音响中使用的信号处理器和功率放大器，绝大部分都有并联输入（桥接输入）设置，通过高阻电路来实现同一信号同时驱动多个单元。而且它们具有运算放大器输出，其输出阻抗极低，可以用来驱动从600Ω直至开路（无穷阻抗）的负载，负载阻抗并不会影响输出电压。因为这类设备不同于早期的电子设备，不再是基于阻敏功率电路。因此dBm（这样一个功率参考级）在当今的系统调试（校正）工作中，实用性不及电压参考级。

分贝同样被应用于电压的参考级中，首先被采用的参考量是0 dBV = 1.0V.你可能不时会见到这一参考量，但是作者本人在计算时不太喜欢采用。当你在某份技术参数中看到时知道它的含义就足够了。

当某个电路中接入600Ω的负载，并且产生功率为1mW时，则加在负载两端的电压近似等于0.775V。最初，这一电压值作为参考量的电压级被记为dBv，由于很容易与dBV混淆，后来改记为dBu（dBv并未因此而停用）,即0dBu=0.775V。如果要将dBV换算成dBu，只需用dBV值加2.2dB即得到对应的dBu值。

最后，我们还需要熟悉一个参考量——尽管它并不是一个实际的标准参考量，但是相比于其它参考量，我们更多地看到这一参考量的指示灯。这就是音量表（VU表）参考单位，当电路负载为600Ω时，0dB VU=+4 dBm。如果电路的负载不是600Ω（现今的音响系统基本如此），则0 dB VU = +4 dBu。

表1.列出了各个dB参考量的特性及相互关系

由于现代的音响系统信号流是电压源，本文将采用dBu作为测量电压的标准参考级来讨论系统增益的设置，并且会将之与音量表上的dB VU 相联系。

第三节峰值电平，均方根值电平及音量表电平

3.1 峰值电平

为了设置系统增益，我们必须了解峰值电平和均方根值电平之间的差异。峰值电平很简单，它是电路所产生的最大信号电压（电平）。在示波器上，正弦波开始出现削波时的电平就是峰值电平。由于现在的电子设备都采用运算放大器输出，本质上来讲是电压源，当供电器不能为音频电路提供更高电压时，就达到了峰值电平。电路中的电阻器有时可以提供比供电电压极限值更高的瞬时电平，但是这个高电平只能持续很短时间，且只比连续输出电平高几个dB而已，这种情况通常会发生在功率放大器中。

3.2 均方根值电平

均方根值电平是用来表示交流电路中复杂的波形所消耗的功的数学方法。均方根值是等效的直流电路的电平近似值。本文中，均方根值为示波器上正弦波峰值的0.707倍。

必须要记住的是，如果一个调音台标注的输出电压是均值方根值，那么这个值除以0.707就是其实际的峰值输出电压，达到这个峰值电压时就会出现削波。我们在伏特-欧姆表上读到的数值为均值方根电压值，而很多的产品参数给出的是dBu值，表2可以帮组我们记住它们之间的转换关系。

在第四节中（你会体会到），我们没有必要把这些dB参考量或者峰值与均