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范围选项

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

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范围。合理的增益结构调整就是实现系统动态范围最大化的过程。

图1显示的是一个动态范围为105 dB 的设备。这一数据（动态范围）是根据可听的电信号范围和可听的声信号范围随意校正的（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范围窗。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，所得到的系统动态范围为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范围不小于系统中噪声最大的设备的动态范围。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。

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英里电话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，因此在实际应用中通常将贝尔除以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。因本文的阐述范围有限，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（于电话传输技术）时，600Ω恰巧是电话线的标准线路电阻。

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方根值死死记在脑中。掌握了以上的知识，我们就可以正确地理解并确认产品的电平参数。

3.3 音量表电平

最初，音量表的设计用途是指示与感知到的信号响度密切相关的电平大小。如今由于成本所限，很多音量表和LED指示灯不再具有适合的刻度。然而，系统操作者对于调音台输出的音量表和LED指示灯却很依赖。我们将此与设置增益结构时涉及到得峰值输出电平相联系。

因为音量表测量信号大小的所得结果比实际值要小，所以它不能很好的反映出信号的瞬时峰值。这就是为什么很多人要采用单独的峰值指示器（峰值表）。峰值电平高出音量表读值的幅度很少会超过15至20dB。调音台的设计师们对这一事实了然于胸——我们通过目前我们所使用的调音台就可以看出。我们知道0VU= +4 dBu,而大部分调音台的最大输出电平为+18dBu至+24dBu之间，0VU 和这两个值分别相差14dB和20dB。这个14—20dB正满足了均方根值值/峰值比所需要的动态余量，可以避免削波。如果你将节目信号电平控制在0VU，那么音量表上无法显示的峰值电平就不会超过调音台的最大输出电平，从而避免调音台削波。

记住一个警告：不要相信调音台上的峰值指示表能够指示实际的削波电平。制造商常常将峰值表的削波电平比实际的削波电平低10dB，从而让人******，不要犯这样的错误！

第四节设置信号流的增益结构

本章中提及的设置方法需要用到示波器，或者普通的压电换能器，在其带宽内馈以正弦波即可测定削波电平。

4.1 准备工作

设置工作从信号路径上的每个电子设备的输入输出增益开始。如果系统中有均衡器，则要确保将所有的衰减器都置于0dB，均衡应该在系统增益结构优化之后进行。如果系统使用的扬声器有专用的处理器/控制器，则需要考略其内部均衡造成影响，可以分频频段的最大提升的频率信号作为测试信号。此外，如果该处理器/控制器具备压缩限幅功能，在设置增益结构的过程中不要启用这些功能。

4.1 使用振荡器和示波器（或者压电换能器）进行调整

使用一个振荡器向调音台馈送一个1kHz 的正弦波，使调音台的输出电平处于临界削波电平。检测调音台是否达到削波电平的最简单可靠方法，就是使用一个示波器检验调音台的输出信号。而调音台的削波指示灯和参数表中的最大电平都是不可信的! 当你提升输出电平使之超出电路的最大信号电压时，示波器上的正弦波就会出现“平顶”。由于高于某一电平的波峰（波谷）被“削”掉了，那么这个电平值就是削波电平。跟据信号流程依次调节每台设备的输入和输出电平，使其在示波器上显示刚刚达到削波电平。切记，如果某设备具有输入衰减器，那么在你调整输出衰减器之前一定要清楚输入衰减器的“削波门限”

如果由于经济条件有限，手头没有示波器的话，则可以使用压电式换能器作为替代，比如摩托罗拉生产的一些用于廉价音箱中的换能器。这种情况下，我们需要馈送的正弦波信号的频率要低于换能器的带宽，通常在300-400Hz之间。如果没有出现削波，则换能器不能还原声音信号，我们听不到声音。而一旦电路发生削波，我们就很容易听到谐波产生的声音，从而判断已经发生削波了。

事实证明这一方法得到的结果相当准确，但是也有两点不足。其一，这一方法不可以用来测定功率放大器，因为功率放大器的信号电压太强。好在绝大多数功率放大器的削波指示灯是可信的，其指示的削波电平和实际的削波电平的误差一般在2dB以内。其二，如果系统中使用了电子分频器，且300-400Hz频段未能通过时，这一方法就不能用来测定通过分频器的高频信号是否会出现削波。如果电子分频器没有内置均衡，那么其它带通频段的设置应与300-400Hz频段保持一致，以便于正确地调整增益结构。

4.3 电子分频器与压缩器/限幅器的调整

当我们用示波器来调整分频网络的增益时，我们需要使用每个带通频段的中心频率来测试。一旦将第一个带通频段的输入增益设置好之后，其它（设备？频段）的输出就不需要再调整了（如果系统中使用了压缩/限幅器则要另外考虑）。如果压缩/限幅器接在电子分频器的输出和功率放大器的输入之间，在测试过程中不要开启压缩/限幅。设置压缩/限幅器应该是设置好增益结构之后的工作，而如何设置就要取决于系统工程师的意愿了。

4.4 功率放大器的调整

在设置分频器的输出之后，我们开始增大低频功率放大器的输入信号电平，使其刚刚低于削波电平，这时只能用示波器来进行测定，而不采用换能器，因为功率放大器的输出电平太高。这种情况下，我们可以使用功放的通道削波指示灯。功放的削波指示不同于调音台，其准确度更高，误差通常在几个dB之内。如果功放的输入灵敏度可调，则要选择最小输入增益/灵敏度（或者最大的输入电压）。因为如今的功率放大器都是恒压输出（只要负载的最小阻抗≥2-8Ω），所以功放连接高阻抗的示波器时的输出电压与连接扬声器时非常接近（只差几个dB）。其它的功放通道同样用这种方法设置。

连接扬声器之后，在使用测量麦克风和实时分析仪做系统均衡时，高频段的功放通道很可能要作更多的衰减，使之与实时分析仪上显示的低频段相匹配。如果某个频段提升至出现削波仍然不能与其他频段匹配，我们就需要将对其它频段进行衰减至与频段匹配。这就是一个系统中的薄弱环节（瓶颈）这样一个薄弱环节。这种情况下如果系统总音量不足，则可参考4.5中的方法，否则就要考虑增加扬声器数量，或者增加该频段的放大功率。

需要记住的是，绝大多数功放在输入衰减器置于最大位置时，只需要均值方根电压为0.775至1.545V（0至+6dBu）的输入信号就可以产生最大输出电压。要知道，将功放的输入衰减器扭小并不能限制或减小功放的最大输出功率，这只不过是减小了输入灵敏度，意味着功放需要更大的输入信号才能达到最大输出功率。

由于大部分调音台不不削波的情况下，可以产生6.153-15.454 V的均值方根输出电压（即+18—+26dBu）,所以功放在满功率状态下会出现高达24dB的削波。***********很多音响公司对系统削波都持宽容的态度，一是因为高频信号的削波的持续时间很短，人耳不容易听到削波失真。二是因为我们已经对驱动器在高声压时的难听声音见怪不怪了，且通常将其归因于驱动器失真而不是功放削波。这时就要将功放的输入增益调小，以避免这种情况发生。如果使调音台的输出电压保持在0dB VU（+4dBu），则调音台及其后的设备就至少有20dB的动态余量。这时最经济的驱动器保护方法（完全免费），而且可为系统提供最大的动态范围。