第四講(2)室外擴(kuò)聲

第4章室外擴(kuò)聲系統(tǒng)我們從分析簡(jiǎn)單的室外擴(kuò)聲系統(tǒng)入手來(lái)研究擴(kuò)聲系統(tǒng)。第一節(jié)室外擴(kuò)聲系統(tǒng)的質(zhì)量要求室外擴(kuò)聲的基本要求與一般擴(kuò)聲要求相同，即能正確、清晰地傳播聲音信息。一個(gè)簡(jiǎn)單的室外擴(kuò)聲系統(tǒng)如下圖所示。室外擴(kuò)聲系統(tǒng)可以看成是沒(méi)有反射的，它近似于自由空間。因此聲壓級(jí)將按平方反比定律衰減，不考慮反射聲及混響聲，即距離每增加1倍，聲壓下降6dB。自由聲場(chǎng)聲音的衰減距離平方反比：

衰減量（dB）＝10lg(Dl／D2)2=20lg(Dl／D2)圖6.2所示即聲壓級(jí)增量隨距離比衰減的簡(jiǎn)明表，使用圖6.2可以很方便讀出不同距離的衰減值。對(duì)于室外擴(kuò)聲，當(dāng)聲源與地面保持適當(dāng)距離時(shí)，可由圖6.2按平方反比定律計(jì)算。當(dāng)聲源與地面距離較近時(shí)，由于地面是不規(guī)則的，當(dāng)距離增加1倍，不會(huì)正好衰減6dB。換句話說(shuō)，只要不存在大的反射面和吸聲面，室外可適用平方反比衰減定律。聲反饋引起的嘯叫問(wèn)題擴(kuò)聲系統(tǒng)的基本組成包括講話者、話筒、揚(yáng)聲器和收聽者。此系統(tǒng)的示意圖如圖6.3所示，虛線代表系統(tǒng)的聲學(xué)反饋路線，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，放大器的增益大到一定程度會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)嘯叫。當(dāng)電聲信號(hào)的通道增益等于1，揚(yáng)聲器在傳聲器處產(chǎn)生的聲音與原信號(hào)相位一致時(shí)，這種嘯叫就會(huì)持續(xù)下去。無(wú)論如何嘯叫都是令人不愉快和難以容忍的，因此對(duì)所有節(jié)目信號(hào)的正常擴(kuò)聲，為防止反饋，在達(dá)到發(fā)生嘯叫的增益之前應(yīng)留有6dB～10dB的安全余量。第二節(jié)擴(kuò)聲增益的概念擴(kuò)聲增益定義為：聽音區(qū)域內(nèi)一聽眾在系統(tǒng)工作時(shí)所收聽到的聲壓級(jí)與放聲系統(tǒng)不工作時(shí)所聽到的講話者聲壓級(jí)的增量，寫成公式為擴(kuò)聲增益=LON-LOFF式中，LON為系統(tǒng)打開時(shí)聽眾處的聲壓級(jí)；LOFF為系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)聽眾處的聲壓級(jí)。擴(kuò)聲增益的計(jì)算

假設(shè)揚(yáng)聲器和傳聲器均是無(wú)方向性的，主軸聲壓級(jí)比DI=0dB，指向性因素Q=1，傳聲器處（1m）產(chǎn)生的聲壓級(jí)為70dB，去掉反平方損失，則在聽音人處的聲壓級(jí)將為：70dB-20log(7／1)=70-17=53(dB)現(xiàn)在打開擴(kuò)聲系統(tǒng)，調(diào)整到反饋正好開始就不再提高放聲系統(tǒng)的增益。當(dāng)揚(yáng)聲器沿D1途徑在傳聲器處產(chǎn)生相當(dāng)于講話者聲壓級(jí)，即70dB，就屬于這種情況。揚(yáng)聲器在傳聲器處產(chǎn)生70dB聲壓級(jí)，則在聽眾處產(chǎn)生的聲壓級(jí)為

70－20log(6／4)=70-3.5=66.5(dB)不考慮安全余量，該系統(tǒng)可能產(chǎn)生的最大增益是66.5–53=13.5(dB)重新列出方程式：最大增益=70-20log(D2／D1)-[70-20log(Do／Ds)]=20logDo-20logDs+20logDl-20logD2式中，D0為傳聲器與收聽者距離；D1為揚(yáng)聲器與傳聲器距離；D2為揚(yáng)聲器與收聽者距離；Ds為講話者與傳聲器距離。再考慮6dB的安全系數(shù)，則

最大增益

=20logDo-20logDs+20logDl-20logD2-6

這種形式的最大增益公式說(shuō)明：

(1)最大增益與講話者聲壓級(jí)無(wú)關(guān)；

(2)Ds減小，則增益增大；

(3)Do增大，則增益增大。第三節(jié)指向性對(duì)系統(tǒng)最大增益的影響我們?nèi)匀环治錾厦娴睦?，這時(shí)若揚(yáng)聲器的指向性圖如圖下所示。由圖揚(yáng)聲器指向性圖可以看出，沿著D1方向傳到傳聲器的聲音比無(wú)指向性揚(yáng)聲器減少6dB，使系統(tǒng)的潛在聲增益增加。傳聲器的指向性對(duì)系統(tǒng)最大增益的影響上述分析同樣適用于指向性傳聲器，如圖所示，傳聲器6dB下降軸對(duì)準(zhǔn)揚(yáng)聲器，在這種情況下不難看出系統(tǒng)的潛在聲增益增加6dB。如果同時(shí)使用指向性傳聲器和指向性揚(yáng)聲器，就能更進(jìn)一步增大系統(tǒng)潛在聲增益。過(guò)分依賴揚(yáng)聲器和傳聲器的指向性來(lái)提高系統(tǒng)的增益是不明智的。大部分設(shè)計(jì)師只期望從使用指向性器件中獲得不高于6dB的增益，這是因?yàn)椴徽搨髀暺骰蛘邠P(yáng)聲器，它們的指向性是隨頻率變化的，大部分指向性揚(yáng)聲器在低頻時(shí)表現(xiàn)為無(wú)指向性。若想加大增益，最直接的方法還是減少Ds或加大D1。以上所述都是一只傳聲器的情況，有時(shí)會(huì)有若干只獨(dú)立的傳聲器，它們對(duì)增益的影響必須仔細(xì)考慮。兩只相同的傳聲器時(shí)擴(kuò)聲增益在使用兩只相同的傳聲器時(shí)，系統(tǒng)增益會(huì)衰減，從理論上講，傳聲器數(shù)增加1倍，衰減為3dB。由此可知，在有若干個(gè)獨(dú)立傳聲器時(shí)，潛在聲增益(PAG)為下式：

PAG=20logDl+20logDo-20logD2-20logDs-6-10logN式中，N為傳聲器數(shù)量。圖6.9是10logN的值的直讀尺，用它可直接查出dB值。第四節(jié)傳聲增益的計(jì)算一個(gè)給定的擴(kuò)聲系統(tǒng)的增益，可能比實(shí)際需要的大，我們最好能預(yù)先確定出所需的最大增益，這正是設(shè)計(jì)的任務(wù)。設(shè)計(jì)一個(gè)最佳系統(tǒng)，一種方法是指定一等效或有效聲學(xué)距離(EAD)，如圖6.10所示。有效聲學(xué)距離可以看成是由于擴(kuò)聲系統(tǒng)的存在，其作用相當(dāng)于講話者向聆聽者靠近了的距離。有效聲學(xué)距離比如，在安靜環(huán)境中，可以認(rèn)為談話者與聆聽者距離為3m左右時(shí)可以滿足聽音要求?？梢院?jiǎn)單認(rèn)為，對(duì)于遠(yuǎn)處的聽音人而言，擴(kuò)聲系統(tǒng)產(chǎn)生的響度和3m處的講話人響度相當(dāng)。就是相當(dāng)于放聲系統(tǒng)對(duì)位于Do處的聽眾所產(chǎn)生的響度級(jí)。達(dá)到這一要求的必要增益可以由平方反比規(guī)律計(jì)算出：必要聲增益=20logDo-20logEAD在前面的例子中，若Do=7m，EAD=3m，則必要聲增益=20log7-20log3=17-9.5=7.5dB上面的例子中，假設(shè)揚(yáng)聲器和傳聲器都是無(wú)方向性的，我們希望的最大增益為最大增益=20log7-20log1+20log4-20log6-6=17-0+12-15.5-6=7.5(dB)有效聲學(xué)距離由此看到，需要的增益和最大增益都是7.5dB，所以該系統(tǒng)可以使用。如果為一個(gè)要求較短EAD的噪聲環(huán)境選定一擴(kuò)聲系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)就不具有足夠的增益了。假如有效聲學(xué)距離為EAD=1.5m，這種情況下的所需增益：20log7-20log1.5=17-3.5=13.5(dB)13.5-7.5=6(dB)，說(shuō)明由于EAD由3m減至1.5m，所需增益加大6dB。為此可以使用指向性揚(yáng)聲器和指向性傳聲器，產(chǎn)生所需要的6dB增益。更簡(jiǎn)單的辦法是將Ds由1m減至0.5m，則20log0.5=-6dB，亦相當(dāng)于增加6dB的增益。等效聲距離的取值一般情況下，對(duì)于室外系統(tǒng)，當(dāng)講話者的峰值比周圍噪聲的A計(jì)權(quán)聲級(jí)高出大約25dB時(shí)就有良好的清晰度。一般談話在1m處需要產(chǎn)生60dB～65dB的聲壓級(jí)。因此在50dB的噪聲環(huán)境中，我們講話峰值只有達(dá)到75dB～80dB才能聽得清楚，這需要將有效聲距離EAD縮短。我們知道：

1m處的講話者需要聲壓級(jí)=65dB；0.5m處的講話者需要聲壓級(jí)=71dB；0.25m處的講話者需要聲壓級(jí)=77dB。等效聲距離不是一個(gè)計(jì)算值，而是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，如表6.1所列。計(jì)算所需的聲增益在這些條件要求下，我們?cè)賮?lái)研究對(duì)室外系統(tǒng)的要求。首先計(jì)算所需的聲增益：所需聲增益=20LgD0-20LgEAD=20Lg7-20Lg(0.25)=17+12=29(dB)前面已經(jīng)計(jì)算過(guò)，除了6dB的安全系數(shù)只具有7.5dB的最大增益。如果使用指向性揚(yáng)聲器和指向性傳聲器可增大約6dB的增益，最大增益總共為13dB，這比我們所需要的增益還差16dB。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法之一是采用一個(gè)手持傳聲器，減少Ds以增加16dB的增益，此Ds可按下式計(jì)算：16=20Lg(1／X)16／20=Log(1／X)．

100.8=1／XX=1／100.8=0.16m手持傳聲器提高了增益，但是講話者難以長(zhǎng)時(shí)間維持這個(gè)固定距離。為此只有將傳聲器固定到講話者身上，如采用頭戴式等方法。第五節(jié)功率的確定對(duì)于一個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)而言，由它所需聲壓級(jí)可以推算所需的功率級(jí)，由功率級(jí)可以推算出系統(tǒng)的規(guī)模，并最終推算出系統(tǒng)的造價(jià)。效率較高的揚(yáng)聲器，可以降低工程造價(jià)，良好的設(shè)計(jì)亦可以降低工程造價(jià)。例如環(huán)境聲為75dB，要有足夠的清晰度，聲壓級(jí)要比周圍噪聲高出25dB，這樣聆聽者位置所要求的聲壓級(jí)(SPL)就要達(dá)到100dB。再假定聆聽者與揚(yáng)聲器距離為30m，根據(jù)前述平方反比定律，揚(yáng)聲器1m處的聲壓級(jí)與30m處聲壓級(jí)之差為

L(dB)=20log(30／1)=29.5(dB)選取揚(yáng)聲器的靈敏度為110dB／m·W，轉(zhuǎn)換成30m處聆聽者的聲壓級(jí)為110dB一29.5dB=80.5dB／1W·30m而聆聽者處要求的為100dB，兩者相差：

100dB（希望的聲壓級(jí)）-80.5dB（1w輸入的聲壓級(jí)）=19.5dB（必要的聲壓級(jí)）所要求的揚(yáng)聲器輸入功率：

19.5dB=10logP／1P＝89W因此，使用110dB／m·w的揚(yáng)聲器要在30m處產(chǎn)生100dB，則揚(yáng)聲器要求輸入89W高保真揚(yáng)聲器不能用到擴(kuò)聲系統(tǒng)中如果采用的揚(yáng)聲器不是高靈敏度的擴(kuò)聲用揚(yáng)聲器，而是一般高保真揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器的靈敏度為89dB，此時(shí)距30m的聲壓級(jí)為