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分析:音響工程設計的具體方法
更新時間:2019-11-7 12:57:15 編輯:溫情 文章來源:蘭格電子 調整文字大小:【

就室內擴聲而言,是通過電聲設計去控制和改善廳堂音質;就室外擴聲而言,則是通過電聲設計去控制室外聲場音質。

擴聲音響系統設計的最終目的是要保證聲源和音響系統未端-音箱同處于一個聲場區域內,使觀眾能感受到聲源的真實存在,達到高保真重放的擴聲要求。

本章著重討論廳堂音響系統的設計和音箱的聲場布局及立體聲擴聲系統。通過工程實例介紹,簡述了工程設計的具體方法。

 


一.擴聲系統設計的條件

 

擴聲系統設計為了達到良好的音質,必須滿足一些必要的條件,這是進行整個音響系統聲學指標設計的基本要求。

1 較低的背景噪聲

用作擴聲的廳堂、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,如空調、通風設備、光設備運動時產生的噪聲等等,應該采取措施盡可能地降低聽音環境的噪聲。

噪聲過高會造成電擴聲系統的清晰度、可懂度下降,難以使音響系統達到希望的音質,而提高設備輸出功率以提高輸出聲壓級時又可能導致聲反饋而使系統無法穩定工作。

室內噪聲控制問題,必須在建造和裝修時加以充分的考慮,采取必要的隔音措施。一般影劇院的背景噪聲為25~30dB,報告廳為30~35 dB,體育館為47~56dB。

 

2 具有均勻合理的聲壓級

要求室內的聲壓級按照不同類型的擴聲達到一定的值。

具體地講,音樂擴音應達到80~85dB平均聲壓級,語言擴音為 7O~75dB,背景音樂則為 60~70dB,且不均勻度應控制在±4dB之內。這就要求電擴聲系統應具備足夠的輸出功率和聲增益,室內聲場應均勻擴散,近次反射聲應得到充分、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

擴聲系統應保證聲音的清晰度和語言的可懂度。這一要求對語言擴聲的場合尤為重要,一般認為允許的最大輔音清晰度損失率不可超過15%。對于以音樂重放或擴聲為主的廳堂,該指標可以適當放寬,但要求有更好的音響效果。

 

4 保證系統能穩定工作

音響系統在達到規定的平均聲壓級時,應有足夠的聲反饋穩定度裕量,以保證不會因為反饋而造成系統自激嘯叫。一般要求反饋穩定度裕量6dB。

 

5 聲象與圖像的基本一致

成功的擴聲音響系統應保證聲象與圖像的一致,使觀眾察覺不到擴聲設備的存在,好象是直接聽到來自舞臺上的聲音。

 

6 良好傳輸頻率和較低的失真度

音響系統應具有寬且平坦的頻率響應和較低的失真。


二.聲場總功率的估算

 

在音響工程中,完全采用計算的方法定量的分析音箱的特性、擺放位置、驅動音箱的電功率以及高、中、低頻的分配比例與所產生的室內聲場的關系是存在一定困難的,因為通常情況下系統的設計者無法得到精確計算所必需的全部數據,音箱生產廠商對組合音箱系統往往不給出完整的指向性特性參數,室內建聲特性的有關參數一般也不易準確求得。

因此,實際工程設計往往是根據經驗和一般原則首先選擇音箱布局,然后進行估算,確定所需音箱的大致參數和規格指標等,并確定具體擺位和方向,最后通過對場內各點聲壓的測試和實際試聽,對音箱的布置進行調整,必要時還需增補一些輔助音箱。

如前所述,由于一些重要的參數難以精確獲得,在實際音響工程中很難精確定量計算室內聲場。在參數不確切的情況下,采用一整套復雜的計算過程得到一些并不準確的結論并沒有太多的實際價值。因此,在工程設計中往往采用估算的方法,以此作為設計與系統調試的參考性依據。

 

1 估算條件

室內聲場的估算方法基于混響聲場完全均勻,聲源指向性已知且為理想的前提。這兩項基本條件滿足得越好,估算結果也就越接近實際,反之、誤差便會較大。

室內聲場估算的基本思路是這樣的:室內任一點的聲壓級由兩部分構成,一部分是直達聲場在該點的聲壓級,另一部分是混聲場在該點的聲壓級,兩者迭加便得到了該點的實際聲壓級。

直達聲場符合平方反比律,可以方便的算出室內各點的直達聲聲壓級。根據臨界距離Dc的定義可知,在臨界距離處直達聲聲壓級與混響聲聲壓級相等。因此再算出臨界距離處的直達聲聲壓級,便知道了該點的混響聲壓級。

假設室內混響聲場(理想情況下)是均勻分布的,因此在室內各處的混響聲聲壓級都等于臨界距離處的混響聲壓級。有了室內直達聲與混響聲在各個位置的聲壓級數據,室內聲場各個位置上的聲壓級即可算出。

需要注意的問題是,在具體計算中應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聲場聲壓級。

通常,聲場總電功率可由室內聲場穩態聲壓級進行估算。

 

2 聲場總電功率的估算公式

在實際工程應用中,估算聲功率時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中某方向距離D處的聲壓級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所標示的電功率不同,其間相差音箱的轉換效率η。音箱的效率與音箱所用揚聲器單元的結構、形狀關系極大。

例如紙盆揚聲器音箱的效率為1%左右,號筒式揚聲器的音箱的效率可達15%。目前音箱的產品說明書多數不給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的電功率,可作如下假設:

(1)略去混響聲聲壓,作為聲壓余量的一部分,此時,擴散聲場可以近似作為自由聲場處理。

(2)接收點距音箱為D(m),且在音箱的聲輻射軸線上。

這樣可得自由聲場中計算聲壓級公式:LP = S -20lgD + 10lgP
式中:LP 為聲場的聲壓級;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處的聲壓級為:LP = 92 -20lg8 + 10lg3 = 78.8 dB。

假定在一個供聲區內有多組(N組)靈敏度相同的音箱供聲,那么上式中還要增加10lgN,即變為:LP = S -20lgD + 10lgP + 10lgN
求電功率P可寫為:P = 10(Lp-S-10lgN+20lgD)/10

音箱的額定功率應不小于由上式計算出來的P值。式中未考慮混響效應,混響將會增加重放聲場的響度,如果混響時間在1.5s~2.0s左右,則從精打細算出發,音箱的額定功率可取(0.5~0.8)Pe。不過穩當的辦法還是當做沒有混響來考慮,以便留有余量。

(3)假定接收點偏離音箱輻射軸線θ度,那么偏離軸線供聲區域聲場的直達聲聲壓級可按下式計算:
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角接收點的聲壓級;
Dθ ——偏離軸線θ角供聲點軸射距離;
D(θ)——音箱的指向性函數,20lgD(θ)值應由音箱生產廠家提供。

 


三.計算要點

 

1 計算音箱的驅動功率

根據各類場所需要的平均聲壓級,選定音箱靈敏度和聽音距離。按照上述公式便可算出系統所需的聲場電功率。也就是音箱所需的驅動功率。

① 確定聲壓級

對于一般廳堂的語言擴聲而言,要求達到 75dB左右的平均聲壓級;對音樂節目的擴聲則要求達到85dB左右的平均產壓級。考慮到音頻信號的動態范圍,對語言擴聲應考慮留有6dB的裕量、音樂擴聲則應考慮10~12dB的裕量,要求較高時應更大一些,一般可考慮18dB的裕量。

對于歌舞廳擴聲,一般以原廣播電影電視部部頒標準GYJ25-86表中最大聲壓級值為依據。
聲壓級LP的確定須充分考慮擴聲系統的動態余量。

② 確定音箱靈敏度

計算之前,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有關。

靈敏度一旦確定,音箱型號也基本確定了,不宜隨意改動。音箱靈敏度高低對系統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,專業音箱的靈敏度不宜太低,一般應在95~100 dB左右為宜。

③ 確定聽音距離

音箱的最遠供聲距離D,不應超過3Dc。即最遠距離D應小于3倍臨界距離Dc

④ 聲場總電功率

許多廳堂需分區供聲,那么系統的總電功率應為所有聲源所需電功率之和。

 

例題

某多功能廳堂(一級),其混響時間T60=1.2s,房間常數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Q=12.8,其最遠傳輸距離為30m,那么,在最遠傳輸距離內;可否保證語言可懂度,音箱的驅動功率為多大?假定場聲器偏離水平角度30°的指向性函數20lgD(θ)=-3dB,那么在偏離軸線30°,同樣距離接收點要獲得相同聲壓級,需多大的音箱的驅動功率?

解:D=30<3Dc
∴在30m以內可以保證語言可懂度。
∵P=10(Lp-S-10lgN+20lgD)/10
查表可得LP=98dB
∴需要最大驅動功率為285W。
∵20lgD(θ)=-3dB
P(θ)=10(Lp-S-10lgn+20lgrθ-20lgD(θ))/10=567(W)
答:偏離30°角后,需要最大驅動功率應為567(W)。


 

2 確定放大器的功率和數量

音箱所需電功率計算完成后,根據音箱的數量和功率,便可確定放大器的功率和數量。總的原則是放大器功率應以音箱功率匹配。在實際工程中,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 對報告廳、音樂廳等以語言擴聲為主的廳堂,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 對電影院、舞廳等音響效果擴聲為主的廳堂,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,節奏強勁,功率得到充分發揮。
放大器的功率確定后,即可根據所定型號的單臺放大器功率確定放大器的臺數。

例如
上題兩只音箱的功率為567W,單只音箱功率為284W。
如用于舞會擴聲:放大器的功率為567 × 1.33 = 754 W;單只音箱的驅動功率為377W。

如果音箱阻抗為8歐,可選Lannge P-2400功放1臺,功率為400W×2。

由音箱靈敏度聲壓級值出發,根據功率每提升一倍聲壓級增加3dB,距離每增加一倍聲壓級衰減6dB等規律,不難推出音箱滿功率時在聲音射線直擊點上的聲壓級。例如,250W的音箱,在大約8m的距離上,最大聲壓級比靈敏度聲壓級值大6dB左右。推算過程如下:

該音箱滿功率運行時的輸入功率(250W),約相當于靈敏度測試功率(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,聲壓級會提升3dB,因此滿功率時靈敏度測試點上的聲壓級應比其靈敏度值大:3dB*8=24dB

另外,8m處相當于靈敏度測試距離(1m)倍增3次的距離:1M*2*2*2=8M

而距離每倍增一次聲壓級會衰減6dB,因此該處的聲壓級應比靈敏度測試點低:6DB*3=18dB

由功率增加所引起的聲壓級增益與由距離增加所引起的聲壓級衰減互相抵扣,凈增益為:24dB-18dB=6dB

 

3 速算法

在音響工程現場,常常采用速算法進行估算。對于采用靈敏度為95~100 dB音箱系統的廳堂,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:
某多功能廳室內面積為400m2,高5m,平時作為一般廳堂使用。選擇靈敏度為98 dB的音箱,按0.5W/m3速算,需要功率1000W。此時,可選250W×2或275W×2的放大器兩臺,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。

經驗表明,如果廳堂沒有特殊的結構、廳堂高度約3m-4m左右、混響時間在1.5ss~2.0s之間,則為使最高聲壓級達到103dB(一級歌舞廳標準),主音箱的總功率可按每平方米場地約2W~5W估算。所要求的聲壓級每增加 3dB,音箱功率就須加倍(翻一番)。

例如100m2的廳堂,根據每平方米5W的標準,初步決定主音箱的總功率為500w。現在希望聲壓級由103dB增大到106dB則主音箱的總功率應由500W增至1000w;如果希望聲壓級增大到109dB,則主音箱的總功率應再加倍至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(高度無限增大時則不能這樣推算)。

這是由于這時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,則應按平方反比定律(詳見第一章)推算,即距離加倍聲級減少6dB;若要保持聲級不變,則距離加倍時功率須增大6dB(4倍)。此外,混響時間過短時,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,所以估算數據會有很大出入。雖然如此,但由于功率以幾何級數增減才能引起聲級的顯著變化,而在大功率的水平上,聲級的相對變化量隨功率的變化更小,所以估算的功率數據盡管出入很大,而聽覺效果則不會有那么大的出入。至于取上限抑或下限,或是否適當加一些裕量,當根據檔次的高低以及資金的寬裕程度進行取舍。

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