一、擴聲系統的電聲設計

1. 擴聲設計的依據

參考國家現行規範，設計依據如下：

《廳堂擴聲系統聲學特性指标》 GYJ25-86

《劇場建築設計規範》 JGJ57-2000 ， J67-2001

《廳堂擴聲特性測量方法》GB/T4959-1995

《聲系統設備互連的優選配接值》GB/14197-93

《客觀評價廳堂語言可懂度的 RASTI 法》GB/T14476-93

《廳堂混響時間測量規範》 GBJ76-84

《民用建築電器設計規範》 JGJ/T16-92

《舞台燈具光學質量的測試與評價》 WH/T0204-99

《電氣安裝工程施工及驗收規範》 GBJ232-90 ，92

《電子調光設備通用技術條件》

《電子調光設備性能參數與測試方法》

《電子調光設備無線電幹擾特性限值及測量方法》(GB15734-1995)

2. 擴聲設計的指标

根據聲場的建築環境，節目類型及音源動态要求，現行的多功能廳，報告廳、會議室等，都按照《廳堂擴聲系統聲學特性指标》 GYJ25-86 的語言兼音樂擴聲一級指标設計，設計的指标如下：

最大聲壓級（空場穩态，準峰值）：125～4000 Hz，平均≥98dB

傳輸頻率特性：125～4000Hz，≤4dB

傳聲增益：125～4000Hz，≥8dB

聲場不均勻度： 100Hz≤8dB， 1000 Hz～6300 Hz≤6dB

噪聲級：≤NR25 （擴聲系統）

3. 專業術語的解釋

由于電子技術的發展，擴聲系統中電子設備的頻率響應和相位響應處理技術已經達到很高的水平，影響擴聲系統還原性能的主要瓶頸是換能器（揚聲器）的失真，因此揚聲器是決定擴聲系統設計指标和品質因素的重點，換言之，擴聲系統的預期指标與揚聲器的規格參數息息相關。

頻響範圍：頻響範圍由頻率範圍與頻率響應組成：頻率範圍指電子設備最低有效重放信号頻率與最高有效重放信号頻率之間的範圍，一般采用圖表形式表示音箱的相對幅度和頻率的函數關系（頻率響應圖）。

上圖是某音箱理想的頻率範圍： 60Hz～20KHz@-3dB；

頻率響應指将一個恒壓輸出的音頻信号與系統相連接時，音箱産生的聲壓随頻率變化而發生增大或衰減，相位随頻率發生變化的現象，這種聲壓，相位,頻率的相關變化關系稱為頻率響應，單位為分貝（dB）。

聲壓與相位滞後随頻率變化的曲線稱為頻率特性。這是考察音箱性能優劣的一個重要指标，它與音箱的性價有着直接的關系，其分貝值越小說明音箱的頻響曲線越平坦、失真越小、性能越高。人耳可分辨的頻響不平坦程度因人及節目内容而異，大多數人對同一節目的頻響變化如果小于 2～4dB就不易覺察。

選擇音箱時應是頻響範圍越大越好，但也必須是平坦的，兩端衰減量不大于 3dB才有意義。

聲樂的頻率分布：

聲壓Sound Pressure：有聲波産生時，傳播媒質中的壓力與靜壓的差值。單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）。

聲功率：單位時間内通過某一面積的聲能，單位為W（瓦）。

聲壓級Sound Pressure Level：聲壓與基準聲壓的比值以10為底的對數乘以2，通常以分貝（dB）為單位，基準聲壓必須指明。

功放的功率Power：功放的單位是W（瓦），容量的大小與重放信号的大小、頻率範圍、負載阻抗、以及可承受的失真電平有關。為了制定功率的測試标準，聯邦貿易委員會（FTC）頒布了以輸入信号為20Hz～20KHz，失真低于1%的長時間測試标準，一種是使用“單音短脈沖觸發”的方法在以下頻率進行：

* 20Hz-0.05秒脈沖信号

* 50Hz-0.02秒脈沖信号

* 1000Hz-0.001秒脈沖信号

* 7000Hz-0.0014秒脈沖信号

另一種是以1000Hz信号，失真分别低于0.05%和0.1％，20Hz～20KHz正弦波掃頻，失真低于0.1%的長期“連續平均功率”測試法，在這種标準下測試的功率稱為“最大平均功率”，以其他方式标稱的功率都視為非标。功放容量的大小與重放信号的大小、頻率範圍、輸入阻抗、以及可承受的失真電平存在以下關系：

1. 負載阻抗越小，功放輸出功率越大，失真越高。

2. 負載阻抗越高，功放輸出功率越小，失真越低。

3. 頻率範圍越大，功放輸出功率越小，失真越高。

4. 頻率範圍越窄，功放輸出功率越大，失真越低。

5. 工作時間越長，功放輸出功率越小，失真越高。

音箱的功率：音箱的單位是W（瓦），涉及的内容與功放類似，但更加複雜。音箱功率容量的大小也與重放信号的電平、頻率範圍、以及可接受的總諧波失真有關。目前已經有許多組織制定了音箱功率的測試标準，他們分别是：AES（音響工程師協會AES-1984）、EIA（電子工業協會）、ANSI（美國國家标準協會ANSI-S4.26-1988），測試内容如下：粉紅噪音信号源連續2小時，每倍頻程10點的頻寬，12dB倍頻程濾波斜率。但未為全部廠商采用，業界最為廣泛使用的是以下三種測試方法：

* 連續、長期或有效值（RMS）功率：粉紅噪音信号源，測試時間連續1小時以上，給出最低功率值。

* 節目或音樂功率：帶音樂特色的測試信号源，測試時間約1秒，結果比連續功率高3dB（功率的2倍）

* 峰值或瞬時功率：帶音樂特色的測試信号源，測試時間約0.1秒，結果比連續功率高6dB（功率的4倍）

音箱的最大聲壓級SPL：指音箱在一定聲功率工作狀态下，在距離揚聲器平面垂直中軸前方一米的地方所測得的最大聲壓級。

音箱的靈敏度：給音箱輸入1W/1KHz信号時，在距音箱喇叭平面垂直中軸前方一米的地方所測得的聲壓級。靈敏度的單位為分貝dB。

音箱的指向性：聲波中心是在發聲器上或附近的一個點，在遠處觀測時，類似從該點發出的球面發散聲波。音箱的指向性是指音箱輻射聲壓的強弱随方向不同而産生變化的特性，也稱為覆蓋範圍，一般用聲壓級SPL相對于軸線處下降6dB的夾角來定義。指向性受頻率的影響很大，頻率越高，指向性越窄，頻率越低，指向性越寬。

聲場的最大聲壓級：單位為dB，與音箱的最大聲壓級、靈敏度、指向性和功率有着密切的關系。通過理論和實踐證明，聲場的最大聲壓級與音箱上述的幾個主要指标存在以下的關系：

1. 距離不變，功率增加一倍，聲壓級增加3dB

2. 功率不變，距離增加一倍，聲壓級衰減6dB

3. 同等距離，射角外沿比軸心聲壓級降低6dB

4. 處理系統設備的作用

1. 調音台 調音台在音響系統中主要用于對信号源的處理：将話筒微弱的信号進行放大，對各種不同的音源進行阻抗匹配、相應的音色修飾和集成調控。在專業錄音及舞台演出中，調音台還具備多路編組輸出、數模格式轉換、聲像定位編輯等多種功能。

一台優質的調音台，基本技術規格的指标應達到如下的參數：

* 總噪聲：-86.5dBu（20Hz~20kHz）

* 總諧波失真THD：<0.0007%（1kHz@ 14dBu，20Hz~20kHz）

* 通道串音：-84dBu（1kHz@0dBu，20Hz~20kHz）

* 頻率響應：-1dB@20Hz~60kHz，-3dB@20Hz~100kHz（話筒輸入至任一輸出）

* 等效輸入噪聲（EIN）： -129.5dBm（話筒輸入處于最大增益，150?終端）

* 共模抑制比CMR：>90dB@1KHz

* 最大輸入電平： 22dBu

* 主輸出最大電平： 28dBu

* 其他輸出最大電平： 22dBu

* 話筒輸入阻抗：1.3kΩ

* 線路輸入阻抗：10kΩ

* 輸出阻抗：120Ω

2. 均衡器

由于聲場的共振特性、吸聲材料對聲音頻率的吸聲系數不同，以及揚聲器頻率響應特性不均勻等原因，會導緻出現某些頻率聲音過強和某些頻率聲音不足的問題。但一般調音台上的均衡器僅能對高頻、中頻、低頻三段頻率電信号分别進行調節，達不到精細的頻率均衡。均衡器的作用是用于分别調節各種頻率成分電信号放大量，通過對各種不同頻率的電信号的調節來補償揚聲器和聲場的缺陷，補償和修飾各種聲源及其它特殊作用（頻率均衡）。

均衡器按照電路的不同，主要分為圖示均衡器和參量均衡器二類，且圖示均衡器結構簡單，直觀明了，在專業音響中應用非常廣泛。

圖示均衡器，亦稱圖表均衡器，通過面闆上推拉鍵的分布，可直觀地反映出所調出的均衡補償曲線，各個頻率的提升和衰減情況一目了然。圖示均衡器采用恒定Q值技術，每個頻點設有一個推拉電位器，無論提升或衰減某頻率，濾波器的頻段帶寬始終不變。

常用的專業圖示均衡器将20Hz~20kHz的信号分成10段、15段、27段、31段來進行調節。用戶可以根據不同的要求選擇不同段數的圖示均衡器。一般來說10段均衡器的頻率點以倍頻程間隔分布，使用在一般場合下；15段均衡器以2/3倍頻程間隔分布，使用在專業擴聲上；31段均衡器以1/3倍頻程間隔分布，多數在需要精細補償的場合下使用。

一台優質的均衡器，基本技術規格的指标應達到如下的參數：

* 總噪聲：-92dBu（20Hz~20kHz）

* 總諧波失真THD：<0.01%@ 20dBu

* 通道串音：<-80dBu（20Hz~20kHz）

* 頻率響應：±2.5dB

* 最大輸入電平： 23dBu

* 最大輸出電平： 23dBu

* 輸入阻抗：平衡式20kΩ，非平衡10KHz

* 輸出阻抗：平衡式200Ω，非平衡100?

* 斜率：±3%

* 倍頻程：1/3倍頻程

* 增益範圍：≥±6dB

二、擴聲系統的電聲計算

1. 最大功率容量與最大電壓容量的計算

* 公式一：最大電壓容量V=√最大功率W×負載阻抗Ω

* 公式二：最大功率容量W=最大電壓V2×負載阻抗Ω

假如已知一個音箱的最大持續功率（AES/ANSI）和标明的負載阻抗，則可以計算出此音箱的最大電壓，例如A音箱的最大功率是600W RMS（ES/ANSI），阻抗是8Ω，希望通過系統的壓限器或者音箱控制器設定功放的最大輸出電壓值，對A音箱進行保護，把相關的數據套進公式一：

最大電壓容量V=√600W×8Ω

= √4800

= 69.28V

由此得出69.28 V電壓加在8Ω負載阻抗時，可以産生最大600W RMS的功率，所以我們要在壓限器或者音箱控制器上設定功放的最大輸出電壓值不能超過69.28 V，才能有效保護A音箱不緻燒毀。

2. 功放電壓增益的計算

* 公式三：電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

增益由音頻電路的輸入和輸出之間的關系決定，增益表示為倍數（×），或者用單位dB表示，若我們想知道一台功放的增益（稱為電壓增益），則必須知道輸入信号電平和其相應的輸出信号電平。例如已知從系統前級輸入至A功放的信号電平是0.775V，輸出信号是31V，把相關的數據套進公式三可以得知A功放的電壓增益：

電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

=31V/0.775V

=40×（倍）

又如已知從系統前級輸入至B功放的信号電平是0.5V，輸出信号是20V，把相關的數據套進公式三同樣可以得知B功放的電壓增益：

電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

=20V/0.5V

=40×（倍）

注意，從以上兩例可以看到A、B兩台功放的電壓增益一樣是40×，所以電壓增益大小與輸入信号的大小無關。

* 公式三：電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

增益由音頻電路的輸入和輸出之間的關系決定，增益表示為倍數（×），或者用單位dB表示，若我們想知道一台功放的增益（稱為電壓增益），則必須知道輸入信号電平和其相應的輸出信号電平。例如已知從系統前級輸入至A功放的信号電平是0.775V，輸出信号是31V，把相關的數據套進公式三可以得知A功放的電壓增益：

電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

=31V/0.775V

=40×（倍）

又如已知從系統前級輸入至B功放的信号電平是0.5V，輸出信号是20V，把相關的數據套進公式三同樣可以得知B功放的電壓增益：

電壓增益=輸出電壓V/輸入電壓V

=20V/0.5V

=40×（倍）

注意，從以上兩例可以看到A、B兩台功放的電壓增益一樣是40×，所以電壓增益大小與輸入信号的大小無關。

3. 輸入靈敏度與電壓增益

* 公式四：輸入靈敏度V=最大電壓容量V/電壓增益×

與習慣的說法相反，功放不能自我産生功率。功放使輸入信号電平放大某一倍數輸出，輸出的電平大小由放大倍數決定，标準的說法應該是：功放的輸出電壓驅動了音箱的負載阻抗并由此轉成電聲功率。一台功放能接受的最大輸入電壓又稱為輸入靈敏度，如果輸入電壓超過了最大輸入電壓，功放的輸出容量也将會超出最大範圍，并産生較大的頻響失真。所以如果用最大電壓容量除以電壓增益，即可得到最大輸入電壓（輸入靈敏度）。例如A功放與A音箱連接，二者的相關參數如下：

A功放：FTC功率550W@8Ω，電壓增益40倍；A音箱：600W RMS（AES/ANSI），阻抗8Ω（音箱的功率比功放高50W）。

* 計算步驟1：A功放的最大電壓容量計算

A功放最大電壓容量V=√550W×8Ω

= √4400

= 66.33V

* 計算步驟2：A功放的輸入靈敏度計算

A功放輸入靈敏度V=最大電壓容量V/電壓增益

=66.33V/40×

= 1.65V（最大輸入限制閥值）

計算結果：A功放在輸入有1.65V時，輸出電壓為66.33V，加在阻抗為8Ω負載上時，相當于産生550W的功率，意味着如果我們想避免過度驅動A功放，就應避免輸入電壓達到1.65V（本系統的最大輸入限制閥值）。我們可以确信在A功放之前接上限制值為1.65V的限制電路之後（音箱處理器或數字分頻器），A功放的輸入就不會超過1.65V放。因此，當音箱處理器或數字分頻器輸出1.65V至A功放時，A功放會輸出66.33V至音箱（66.33V=550W@8Ω），如果音箱處理器或數字分頻器輸出大于1.65V的電壓至功放，将導緻功放産生失真和輸出更大的電壓，并會轉化成更大的功率和線圈熱量，極有可能會對音箱産生破壞。為了保護音箱，需要将音箱處理器或數字分頻器的限制閥值定在1.65V（6.5dBu）

又如A功放與B音箱連接，二者的相關參數如下：

A功放：FTC功率550W@8Ω，電壓增益40倍；A音箱：400W RMS（AES/ANSI），阻抗8Ω（音箱的功率比功放低150W）。

* 計算步驟1：B音箱的最大電壓容量計算

B音箱最大電壓容量V=√400W×8Ω

= √3200

= 56.56V

* 計算步驟2：A功放的輸入靈敏度計算

A功放輸入靈敏度V=最大電壓容量V/電壓增益

=56.56V /40×

= 1.41V（最大輸入限制閥值）

計算結果：A功放在輸入有1.41V時，輸出電壓為56.56V，加在阻抗為8Ω負載上時，相當于産生400W的功率，意味着如果我們想避免超過音箱的最大承受功率，就應避免功放輸入電壓達到1.41V（本系統的最大輸入限制閥值）。我們可以确信在A功放之前接上限制值為1.41V的限制電路之後（音箱處理器或數字分頻器），A功放的輸入就不會超過1.41V放。因此，當音箱處理器或數字分頻器輸出1.41V至A功放時，A功放會輸出56.56V至音箱（56.56V=400W@8Ω），如果音箱處理器或數字分頻器輸出大于1.41V的電壓至功放，将導緻功放輸出更大的電壓到音箱，并會轉化成音箱更大的失真和線圈熱量，極有可能會對音箱産生破壞。為了保護音箱，需要将音箱處理器或數字分頻器的限制閥值定在1.41V（5.19dBu）。

4. 功放的電平控制

在上述的示例裡，所有功放的電平控制音量都假設在最大的位置（0dB衰減），當功放電平調節鈕變化時，功放的輸入靈敏度和電壓增益也将會變化。當功放的電平控制減低時，其電壓增益降低，輸入靈敏度将增加。

右圖表示了一台功放的電壓控制，觀察到在不同電壓控制位置的增益（用倍數和dB表示）變化和輸入靈敏度的變化：

5. 功率容量的匹配

一個音箱的AES/ANSI 短期峰值功率容量允許超過連續功率容量的6dB，也就是說峰值功率是連續功率的四倍。例如一個音箱的連續功率為100W，則它的峰值功率為400W。

同樣，一台功放的連續FTC功率容量，允許其峰值超過連續功率的3dB，也就是說一台功放允許其峰值功率為連續功率的兩倍。例如如果連續功率為100W，其峰值功率為200W。

因此，如果一台功放能夠提供400W的峰值功率，則要求它的連續FTC功率為200W。換言之，如果功放要達到音箱的峰值功率容量，則要求功放的連續FTC功率兩倍于音箱的連續功率。

例如：C音箱的ASE/ANSI 連續功率為300W，則它的峰值功率為1200W（300W×4），如果功放要求提供1200W的峰值功率，則這台功放要求其連續FTC功率為600W（600W×2），由此得出：ASE/ANSI連續功率容量為300W的音箱，需要FTC連續功率為600W的功放來驅動。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!