多功能厅音响系统的设计

多功能厅音响系统的设计摘要：随着教学环境的不断改善,大量的多功能厅的兴建对音视频效果提出了更高的要求.文章从电声技术的角度,就多功能厅音响系统的指标要求、声场和音响系统设计、设备间的连接与调试等方面作分析与探讨。

关键词：多功能厅；音响系统；设计

多功能厅是集会议报告、学术讨论、文艺演出、新闻发布、同声翻译等形式于一体的多种用途的厅堂。文章从电声技术的角度出发,就多功能厅音响系统的指标要求、声场设计、音响系统设计、设备间互连与调试等方面作分析与探讨。

1 扩声系统设计

扩声系统的设计原则随着科学技术的进步，特别是数字技术在音频领域中的广泛应用，使得声音信号的记录与重放有了很大的改善。音质的好坏除了与声学环境和人耳的听觉特性有关外，更直接取决于扩声系统的合理设计，一般来讲在扩声系统设计遵循以下原则：（1）针对“人耳的听觉特性”进行科学的论证与设计；（2）以观众厅实际建声条件作为扩声设计基础；（3）紧密围绕“音质、方向感、响度与传声增益、稳定性”四项要素相对应的技术要求进行优化设计。

就技术指标而言，主要根据声场所期望的最大声压级、声场的均匀度、传输频率特性以及报告厅空间的大小、混响时间等来决定扬声器的总功率、音箱的数量、每只扬声器的额定功率、频响特性及其应能提供的最大声压级。具体要求如下：

（1）最大声压级、声场不均匀度、总噪声声压级、声场不均匀度、传声增益要达到国家标准GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中“多用途类扩声系统声学特性一级指标”要求（参见表1）

表1 GB50371-2006多用途类扩声系统声学特性一级指标（2）无声学缺陷，即无共振现象、无声染色、无声聚焦、无颤动回声、无声影区和死点；

（3）声像准确，听者觉得声源总是来自主席台讲演者方位；

（4）音质好，声音丰满、圆润、亲切、明亮、清晰，并有一定细腻感，失真小，质感强。

多功能报告厅扬声器系统的布局是影响最终扩声效果的又一重要因素，应遵循以下原则：

（1）整个观众席、主席台有均匀的响度、减少“死区”；

（2）有稳定的系统频率响应和优美的音色；

（3）尽量提高清晰度和可懂度；

（4）创造适当的“声场”，给音乐有舒适的空间感，音响效果得到真实的表现；

（5）声像一致性好；

（6）有利于控制声反馈和避免产生回声干扰。

扬声器的布置方式，一般分集中式、分散式以及将这两种方式混合并用三种方式。根据报告厅的具体形状该系统采用第三种混合方式，把全部4只全频音箱和2只低音音箱音箱分为两个群组布置在主席台左右两侧，每侧2只全频音箱和1只低音音箱，考虑到美观和两侧通道的需要，音箱全部采用内嵌式。

由前述音箱的布局可知，一项工程可能使用很多音箱，其中最重要的是主音箱。主音箱通常不止一只，而是若干只，或者由若干只音箱组成若干个群组。每只音箱（或每组音箱群组）应有的额定功率可按下式估计：

10lgPe=SPL+20lgr-SPLs 公式（1）

式中： Pe——音箱的额定功率（W）

SPL——听音区期望的声压级值（dB）

r——听音区与音箱的距离（m）

SPLs——音箱灵敏度声压级值（dB/W.m）

在本报告厅中，听音区与音箱的最大距离r=21m（参考图1），听音区期望的声压级值SPL=103dB（GB50371-2006要求），根据性价比全面考虑，预计选用Comuunity品牌的iHP1594音箱，该音箱的灵敏度值SPLs=99dB。代入公式（1）计算结果如下：

音箱的额定功率：Pe=1100（W）

已知单只iHP1594的额定功率为600W，由上述计算可知，每侧两只iHP1594（形成一个组群）即可满足设计要求。扩声系统特性测量及分析报告厅扩声系统安装、调试完成后，为了检验扩声实际效果，委托广州大学声像与灯光技术研究所检测中心对报告厅的扩声系统特性进行了全面检测，检测严格按照国家标准GB 50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中“多用途类扩声系统声学特性一级指标”所要求的各项特性指标进行。

（1）传输频率特性测量数据分析

一多功能报告厅的平面简图如图1所示:

图1 多功能报告厅的平面简图及测量点位置分布图

根据报告厅的形状左右对称特点，选择左侧有代表性的五个测量地点、在63Hz~8000Hz频率范围内共计22个特征中心频率点进行了测量，测得的传输频率特性曲线如图2所示。

传输频率特性曲线

(8.00)(6.00)

(4.00)

(2.00)0.002.00

4.00

0200040006000800010000

倍频程中心频率（Hz）

相对声压级(d B )

图2 报告厅扩声系统传输频率特性曲线图

由上图可知，本报告厅达到GB 50371-2006多用途类扩声系统声学特性一级指标要求，即：以1000~6300Hz 的平均声压级为0dB ，在此频带范围内允许-4~+4dB ；在50~100Hz 和6300~12500Hz 的频带范围内允许-6dB~+4dB 。

（2） 传声增益测量数据分析

以传声器点基准声压为90dB ，测得的传声增益5个测量点的数据分别为：-88.1dB 、-90.3 dB 、-87.5 dB 、-85.7 dB 和-85.7 dB 。经计算传声增益空间平均值为-2.54dB ，满足多用途类扩声系统声学特性一级指标要求：传声增益125~6300Hz 的平均值≥-8dB 。

（3） 最大声压级测量数据分析 测得的5个测量点的最大声压级数据分别为：111 dB 、110 dB 、108 dB 、106 dB 和108 dB 。符合多用途类扩声系统声学特性一级指标要求：即额定通频带内最大声压级≥103dB 。

（4） 稳态声场不均匀度测量数据分析

稳态声场不均匀度测量曲线如图3所示。

稳态声场不均匀度曲线

-10

1

2

3

4

5

6

7

8

0123

456

测量点不均匀度（d B ）系列1系列2

图3 稳态声场不均匀度曲线图

上图中，系列1曲线为1000Hz 频率的稳态声场不均匀度曲线，系列2曲线为4000Hz 频率的稳态声场不均匀度曲线。

由上图可知，在1000Hz 和4000Hz 两个频率点，报告厅稳态声场不均匀度均符合多用途类扩声系统声学特性一级指标要求，即：对于1000HZ ，稳态声场不均匀度≤+6dB 对于4000HZ ，稳态声场不均匀度≤+8dB ；

（5） 系统总噪声级测量数据分析

报告厅平均噪声测量数据曲线图如图4所示。

平均噪声曲线图

20

40

60

80

0200040006000800010000

倍频程中心频率（Hz）平均噪声（d B ）系列1系列2

图4 报告厅平均噪声曲线图

上图中，系列1是报告厅平均噪声测量数据形成的曲线图，系列2是国家标准GB 50371-2006中定义的噪声标准。由上图可知，该报告厅总噪声级符合多用

途类扩声系统声学特性指标一级指标（NR≤20）的要求。

2 多功能厅音响系统的指标要求

多功能厅音响系统的设计必须围绕实现电声指标来展开,音响系统一般要满足下面的指标要求：

(1)足够的音量。这是音响系统中最重要的指标。根据中华人民共和国文化部行业标准WH0301-93(以下简称“标准”)。最大声压级(空场稳态)为：语言扩声90dB，卡拉OK厅一级≥110dB，二级≥103dB。多功能厅既用于语言的扩声,又用于音乐、音响的重放。声压级要求达到103dB。

(2)良好的音质。音质主要取决于系统的失真度和传输频率特性。“标准”允许的非线性失真度为5%以下。一级厅堂的传输频率特性指标在40Hz～12.5KHz之间允许+4dB～-8dB。

(3)均匀合理的声场分布。“标准”要求一级厅堂重放声音声压级不均匀度在

1KHz～6.3KHz之间不大于8dB,在100Hz处不大于10dB。

(4)尽可能小的本底噪声。

(5)适当的传声增益。“标准”规定,传声增益应不小于-10dB～-6dB。

(6)良好的声反馈啸叫抑制能力。厅堂扩声必须使系统的扩声增益控制远离自激状态有6dB的余度,以维持系统扩声的稳定性。

3 多功能厅的声场设计

声场设计的目的是为音响系统建造一个理想的扩声空间。将电声设备的性能充分地发挥。在严格的建筑装饰设计中,一般都要进行声场设计.声场设计主要有以下几个方面。

(1)隔声处理.隔声处理包括与外界的隔声、扩声房间之间的隔声。通常高等级的音响工程室内总噪声要求控制在35～40dB以下,室内声音传到外界一般不要高于外界平均值10～15dB。隔声的部位有墙壁、门窗与天花板.通常厅堂与外界的隔墙大多数能满足音响工程的要求。但如果音响系统的声压级比较大,工作时间又是在夜间,就应该增加墙壁厚度.门窗是隔声的重要部位,不要让门窗产生缝隙,遇到门窗经常开关而室内外的声音又比较大时,可以考虑设置声隔离通道.天花板的隔声也不容忽视,房顶不是混凝土结构而是采用棚架结构时,天花板的声泄露就比较严重,需要对天花板的材质和安装质量提出比较高的要求。

(2)现场噪音的降低。大多数音响工程为了通风和降温的考虑,都要安装空调、通风机等设备,这些设备工作噪音在一定程度上会影响声场的质量,设计时要有针对性地加以考虑.空调和通风设备最好选择噪音低、工作稳定的产品,安装时尽量让空调的压缩机远离门窗,功率较大的通风机噪音难以控制时,可以将通风机安装在风道内。

(3)声场均匀度的实现。按声场均匀度的指标要求,在整个扩声区域内各处声压值偏差在10～12dB以下.可以通过选择建筑装饰结构和音箱的布局来实现声场的均匀.建筑结构应该避免扩声区域出现较大的立柱和较大的凹形结构,建筑装饰要让整个区域的装饰结构和材料基本一致.对于狭长厅堂的扩声,一定要使音箱的扩声区域沿长边展开.空间较高的扩声要将音箱位置抬高,并略微向后场倾斜。

(4)声场缺陷的避免。音响工程一般都不同程度地存在各式各样的声场缺陷,有声聚焦、声振颤、声反馈、声音共振等.这些缺陷引起的问题在实际使用中很难解决.有效的解决方法是在建筑装饰设计施工的时候,从以下几方面考虑:不要在扩声区域设置大面积光面的凹形结构,避免声聚焦的发生;不要在声压较大的区域设置两个平行的反射性强的墙面,可以有效地避免声振颤;声音的共振与装饰选材和施工有密切关系,要避免在扩声区域设置较大的空腔体,要求装饰工艺合理,不要让材料连接处松动。

(5)混响时间的计算。混响时间是声场设计中比较容易控制的量化指标.如果设计得当,声场的效果表现就会非常出色,声音圆润、饱满、清晰.混响时间控制的关键是通过相应的计算,指导装饰结构的设置和材料的选取,以便能达到相应的混响时间目标值.设计中可以查找“视听声室推荐混响时间图(表)”来确定混响时间的取值.在工程计算中一般采用艾润公式来计算。

4 多功能厅音响系统的设计

4.1 确定音箱的布局

音箱是电声系统的支柱。系统的具体结构依赖于音箱的布局.音箱的品牌、规格、布局直接决定了工程的效果,是电声系统中最重要的环节.从技术指标来说,音箱是整个电声系统中最不成熟的环节.无论是频响、失真、动态范围以及效率,所能达到的水平都比系统中的其它环节低的多,而价格却相对昂贵.系统的具体结构和其它设备的选配都应在选定音箱的基础上,按照与音箱档次相匹配的原则

和系统应有的功能来考虑.选配音箱,首先必须确定音箱在厅堂中的布局方案,然后根据厅堂的风格、档次、投资额度确定音箱的品牌和类型.再根据音箱所覆盖的听音区及其声压级要求估算音箱的功率,最后决定音箱的具体型号.一个电声系统可能有许多音箱,有主音箱、中置音箱、超低音音箱、反送音箱、环绕音箱、监听音箱等.其中,主音箱是系统的主干,原则上应是全频域音箱,至于其频响宽度,在很大程度上取决于投资.由于决定声音清晰度的高音分量在厅堂中很容易衰减,在要求高的系统中主音箱须辅以高音号筒。

4.2 音箱的选配

音箱的选配主要根据声场所期望的最大声压级、声场的均匀度、传输频率特性以及厅堂空间的大小、混响时间等来决定音箱的总功率,音箱的数量,每只音箱的额定功率,频响特性及其所能提供的最大声功率.首先须确定音箱的额定功率.一项工程可能使用很多音箱,其中最重要的是主音箱.主音箱一般不只一只,每只音箱(或每个音箱群组)应有的额定功率可按下列公式估算:

10lgPe=SPL+20lgr+SPLs

式中,Pe-音箱的额定功率(W),SPL-听音区域期望的声压级值(dB),r-音箱与听音区域的距离(m),SPLs-音箱灵敏度声压级值(dB/W/m),音箱的额定功率应不小于计算出来的Pe值.考虑室内混响会增加重放声场的响度,如果混响时间在1.5～2.0s左右,音箱的额定功率可取0.5～0.8倍的Pe值。

音箱额定功率的选定,除了采用计算法外,还可以采用估算法.经验表明,如果厅堂没有特殊的结构,厅堂高度在3～4m左右,混响时间在1.5～2.0s左右,声压级最高要达到103dB,主音箱的总功率可按每平方米场地2～5W的功率计算.声压级每增加3dB,音箱总功率要增加一倍.另一方面,如果厅堂的高度增大,尽管

音箱的高度不变,所需的总功率也要加大,大约是高度加倍则功率加四分之一。

其次是超低音箱额定功率的确定。超低音箱的总功率可取主音箱总功率的0.5～1.5倍.多功能厅堂可取下限,迪斯科舞池应取上限,仅供语言扩声的场所,可不配置超低音箱.其他环绕音箱、后场音箱、反送音箱等,其功率可取主音箱的1/10～1/2。

当功率确定以后,还要考虑主音箱的频率特性和最大声压级等指标.原则上主音箱的频响范围应该是全域的,不窄于80Hz～16KHz,如果上限频率达不到,应

追加高音号筒来补偿.低音下限,原则上由超低音箱来承担.当所期望的最大声压级在100dB以上时,应注意所选音箱是否能够给出相应的声压值.有的音箱额定功率很大,但其最大声压级并不与其功率水平相当.以上仅从物理指标来考虑,但音箱的品质往往不是技术指标所能涵盖的,音箱的风格,如硬朗、抒情、统透、浑厚等等,在选配音箱时均需考虑。

4.3 功率放大器的选配

音箱的效能能否充分发挥,主要取决于驱动的功率放大器.功率放大器的技术指标主要有输出功率、输出阻抗(电压)、非线性失真和频响.近代功放的非线性失真、频响已达到相当高的水平,配备功放时一般只需考虑输出功率.功放的不失真功率应大于音箱的输入功率,通常应为音箱额定功率的1.2～2.0倍.功放的档次应与音箱相匹配,同时应考虑功放的风格。

4.4 其他设备的选配

多功能厅音响系统的其它设备,一是调音台,它是整个音响系统的控制中心.选配调音台时,首先要考虑调音台的档次,应与音箱、功放的档次以及场馆的规模相匹配.调音台的输入、输出通道数,切换、组合的功能,必须满足系统的要求.调音台的品质非常重要,信噪比是它最重要的指标。二是话筒,选配话筒除了考虑价格因素外,还应考虑应用的场合.用于开会做报告以及演说的以超心型的话筒为宜；用于演出的以心型或无指向性的话筒为宜；用于移动的以无线话筒为宜；用于语音的频响可以窄一些；用于乐队的频响则应宽一些；用于现场转播或现场录音的则采用高档电容式话筒或MS立体声话筒。

5 多功能厅音响设备之间的互连

在扩声系统设计中,设备的互连时要注意以下问题：

(1)阻抗匹配.阻抗匹配要考虑信号源连接的阻抗匹配和放大器与音箱连接的阻抗匹配。现代音频、视频设备由于普遍采用晶体管电路和集成电路,即使在不用变压器藕合的情况下,也可实现较低甚至很低的输出阻抗,又可以实现较高或很高的输入阻抗,于是在新型的设备中都采用“跨接”方式.一般音频设备信号源的配接,只要是负载阻抗大于信号输出阻抗,都可以直接配接,并且都能使之正常工作.对于放大器与音箱的连接,功率放大器的输出阻抗必须与扬声器阻抗相符合或相接近,否则会对重放音质和系统的可靠性产生不良的影响。

(2)电平匹配.设备连接和调整时要注意,如果前级设备的输出信号电平大大低于后级设备的输入信号电平,那么在后级设备中小信号就会因为低于本底噪声而被淹没;如果前级设备的输出信号电平大大高于后级设备的输入信号电平,那么在后级设备中大信号就会因为削波而失真,这两种情况都会导致信噪比降低和动态范围的缩小,影响声音的质量。

(3)平衡与不平衡配接,也是音响系统设备互连时需要注意的问题.当有共模干扰存在时,由于平衡接法的两个端子上所受到的干扰信号数值相差不多,而极性相反,干扰信号在平衡传输的负载上可以互相抵消,所以平衡电路具有较好的抗干扰能力.在电声系统中,为了提高系统的抗干扰能力,提高信噪比,系统中信号的连接应尽量采用平衡传输方式。

(4)线缆的排设与系统的接地.系统连接时,电源线不能和音频信号线同沟、同管敷设,若交叉、平行敷设时,要保持相当的距离,更不能用线扎将电源线和音频信号线捆绑在一起布线,交流电源线和音频视频信号线应分别用金属软管敷设,以避免对音视频系统造成干扰.音响系统的接地,由于系统大多数设备都要连接到调音台,可以先将单个设备的信号地和外壳地接于“一点”,再将所有设备的“一点”汇集到调音台,然后用一根粗铜线将调音台“一点”与真大地相连.电源地通过电源线将电源插头(插座)的接地端与真大地相连.这样就构成了机壳地、信号地、电源地、真大地“一点”接地的接地系统。

6 多功能厅音响统的调试

(1)将功放和音箱接入系统,逐一打开设备的电源,待工作稳定后,接入相位仪,在较小的音量下,逐一检查所有音箱的相位是否正确。

(2)均衡器的调试.将噪声发生器和均衡器接入系统,准备好频谱仪,按照国家有关厅堂扩声质量测试要求,将频谱仪设置在相应的地方.然后以适中的音量对粉红色噪声信号扩声,在20Hz～20KHz的音频范围内,微调均衡器的各个频点,在保持音量一致的前提下,使得频谱仪显示的房间频响曲线在各个测试点处基本平直,并且记录好均衡器各频点的位置.同样在音量较小和额定的音量下,再对均衡器进行调试,并记录好,最后将这些记录好的均衡器频点进行相应的折中处理,再利用频谱仪的高一级的档位进行测试,适当修正后就可以确定好均衡器的频点位置了。

(3)分频器的调试.将电子分频器接入系统,进行分频器的调试.对于仅作低音音箱分频的分频器,可以在均衡器调试结束后,让低音系统单独工作,将分频器的分频点取在150-300Hz处,适当调整低音信号的增益,感觉音量适合即可,然后与全频系统一道试听,平衡低音和全频音量;对于作为全频系统的分频器,一定要尽量参照音箱厂家推荐的分频点进行设定,然后反复调整各频段信号的增益,直到听感比较平衡后,再参照后面的声压级测试,对增益做进一步的微调即可。

(4)声压级的测定.同样将粉红色噪声仪接入扩声系统,象调试均衡器一样选取几个测试点放置声压计,将音响系统的所有设置都调整完毕,打开系统的设备,逐渐提升噪声信号音量,要求在保证信号的最佳动态的前提下,调整各设备的增益,使得系统的扩声声压在各测试点都要达到设计的要求,同时需要参考声压级在高、中、低各频段的情况,再对均衡器和分频器略微做一些调整,当然高、中、低各频段的声压级不可能完全相同,一般考虑听感的特点需要在高频的声压级上做一些降低。

(5)话筒和效果器的调试.对于话筒的调试一般要分类进行,人声、乐器用的有线话筒通常需要日常使用者配合完成,调试时需要了解各人、各乐器最合适的话筒型号和使用距离,只要音质好,没有可闻的线路噪音即可;而无线话筒天线的位置要合理,话筒使用时的死点和反馈点要足够少,并详细对位置作好记录,接收机的信号增益要适可,噪声抑制的微调旋钮要反复调试;对于效果器的调试工作要求不太严格,只要将信号的输入和输出增益调试合理,保证有一定的余量,并且将混响时间和延时量限制在一定范围,以免影响语言的清晰度和信号的连续性即可,其他设备的使用可以让操作者自己来进行。