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学校报告厅音响扩声系统设计与应用
学校报告厅音响扩声系统设计与应用

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学校报告厅音响扩声系统的设计要求与设计标准,接着介绍声场处理器、数字音频处理器及数字功率放大器等数字产品的功能和应用,最后对数字音频技术、智能会议系统进行深入分析。一、前言学校报告厅音响扩声系统已不是单一的音响设备的有序组合,而是一个集建筑声学(声场)和信息电子技术(音频电子设备)为一体的声音闭环......

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  学校报告厅音响扩声系统的设计要求与设计标准,接着介绍声场处理器、数字音频处理器及数字功率放大器等数字产品的功能和应用,最后对数字音频技术、智能会议系统进行深入分析。

  一、前言

  学校报告厅音响扩声系统已不是单一的音响设备的有序组合,而是一个集建筑声学(声场)和信息电子技术(音频电子设备)为一体的声音闭环系统。它对环境的要求也越来越高,要求观众厅有足够的声压级,并具有均匀的声场分布。相应地,音响扩声系统已不是仅提供简单的扩音功能,而是会随使用要求不同呈现不同的声学效果和使用功能。一般来说,音响扩声系统主要由传声器、扬声器、调音台、声场处理器、音频处理器、自动混音台及数字功放等设备构成。

学校报告厅音响扩声系统设计与应用

  二、扩声系统设计要求

  学校报告厅主要承担学术报告、会议等以语言为主的扩声,这就要求音响扩声系统能真实清晰地还原语言信号。首先,系统要保证有良好的语言清晰度和足够的、均匀的声压级,语言清晰度频带在300~6000Hz。此外,报告厅也是进行歌舞、戏曲、音乐等文艺表演的场所,需要扩声系统能完美还原再现各种音源。因此,这就对信号的清晰度和丰满度提出更高的要求。

  三、扩声系统的设计标准

  音量的设计标准音量和扩声系统的额定功率相关,足够的音量是扩声系统的基础目标要求。根据国家行业标准GB50371—2006《厅堂扩声系统设计规范》对多功能用途扩声标准要求,以语言类为主的厅堂最大声压级为≥90dB,一级舞厅≥103dB,二级舞厅≥110dB。音量水平是根据信噪比和系统运行特色来决定的。

  音质的设计标准音质主要取决于扩声系统的非线性失真和传输频率特性。国标规定一级厅堂传输频率特性指标为以100~6300Hz的平均声压级为0dB,在此频带内允许范围为-4~+5dB,50~100Hz和6300~12500Hz的允许范围为-8~+4dB。频率传输特性是决定音质的关键指标,非线性失真也是影响音质效果的因素之一。此外,音乐和语言的清晰度也是衡量音质的重要标准。清晰度的衡量方法很多,实际操作中通常依靠现场的主观感觉进行评价。

  声场的设计标准国家标准要求一级厅堂不均匀度为1000Hz时不大于6dB,4000Hz时不大于8dB,100Hz处不大于10dB。所以,学校报告厅应该按照国家标准来构建声场,要求有尽可能均匀的声场。

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  四、传声器的选择和应用

  传声器是整个系统的“入口”。传声器把采集到的声波信号转变成微弱的电压信号进行输出,这就需要后端的音频处理设备把信号放大提高,因此,如果话筒有杂音输入,那么后端很难消除,传声器的选择和使用方法对扩声质量和效果会产生很大影响。此外,在室内存在声反馈的矛盾,因此,对传声器(话筒)的灵敏度、频响范围、指向性都有较高的要求。

  灵敏度是指传声器开路输出电压U和声压P的比值。实际上并不是灵敏度越大越好,灵敏度适中就可,不一定追求高灵敏度。传声增益125~6300Hz的平均值不低于-8dB。

  对室内扩声来说,扩声系统所能达到的声音大小程度受声反馈(反馈就是声音从扬声器经功放音箱输出再传回扬声器的过程。经多次反馈达到一定能量时,啸叫便会产生)的牵制。因此,在同一扩声系统中,传声器灵敏度高了,输出电压就会增大,扬声器发出的声音也会相应增大。为了防止反馈啸叫,不得不把音量调小,从而达到良好的扩声效果。

  频响范围是指传声器在一恒定声压下,不同频率时测得的输出电压变化值。一般来说,频响曲线越平越好,对于会议话筒,其频响范围在250~4000Hz就可以了。设计时应将频谱范围放在较高的频段内,以提高语言的清晰度。因为人的语言频谱范围一般在100~4000Hz,所以对清晰度影响较大的是高频段。

  传声器的指向性是指在某一频率下,在某一方向的灵敏度与最大灵敏度的比值。对于学术报告、会议等语言类扩声来说,为有效地预防、抑制声反馈引起的声音啸叫,要选用有指向性的传声器。指向性与接受的声波信号频率有很大关系:频率越低时,指向性越差;频率越高时,指向性越强。

  输出阻抗是传声器输出端用频率1kHz声音信号测得的内阻的模值,分为高阻抗和低阻抗两种。我国推荐使用的是200Ω、600Ω和2000Ω。传声器具体有以下应用。

  1、拾音方式。对于传声器的拾音方式主要分为两种情况:在进行语言扩声时,话筒的声轴要正对演讲人;而在进行音乐会的扩声时,一般采取立体拾音的方式来进行。

  2、相对位置。距离越大越能减少声反馈,因此,话筒在摆放时相对位置要远,应该尽量降低高度并避免其正对音箱。

  3、传声器与发声者的距离。一般来说,用作演讲的话筒离口型的距离取为10~20cm为宜。若离话筒太近,受讲话气流的影响,其低频声音会加重,声音出现混杂不清、闷声闷气的效果,直接影响语言的清晰度,所以应离话筒稍远一点儿,避免讲话气流直冲话筒;也不能太远,否则声音信号会变弱,影响拾音灵敏度。另外,合适的距离能有效地抑制环境噪音的进入。一般来说,近场灵敏度要比远场高,而环境噪音都来自远场,如果演讲者口型离传声器在10~20cm,发出的声音属于近场,演讲者的低频灵敏度比环境噪音高,从而相对抑制噪音灵敏度。

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  五、扬声器(音箱)的选择

  扬声器一般采用主音箱与辅助音箱。如果要求特殊的音响效果,则还需要前置音箱、环绕音箱和低音音箱。扬声器的额定功率要根据最大声压级以及厅堂空间的大小决定。如容纳500人的会场,可选用主音箱一对,额定功率可选择大一些;辅助音箱五对,额定功率在250~750W之间。音箱的频响指标根据所追求的传输频率特性来决定,如对于一级厅堂扩声系统,传输频率特性指标规定为:以80~8000Hz的平均声压级为0dB,在此频带内允许范围-4~+4dB。

  六、数字音频技术产品与应用

  数字音频技术和模拟音频技术是实现扩音系统的两种方式。数字音频系统在混音和处理阶段采用数字音频技术,其抗噪音能力和音质比模拟音频系统要强,解决了远距离传输的信号干扰损耗问题。

  声场处理器数字音频矩阵是用数字方式实现模拟矩阵切换的系统,有FPGA和DSP两种方式。DSP处理器可实现增益控制、数字自动混音、均衡控制、反馈抑制等。当进行音乐扩声时,DSP处理器对单双声道的声音信号进行数字处理,呈现出多种场景下的音效效果,如营造立体声的幻觉,让人能感受到如同在影院、音乐厅等特定环境下的听觉效果。

  数字音频处理器有着强大的音频处理功能,可实现自动增益控制(AGC)、图示均衡、参量均衡、效果处理、延时压缩、限幅分频等。它可代替均衡器、压限器、滤波器、反馈抑制器、限幅、演示、分频等多台外围器材,节省成本、减少故障率并提高稳定性。

数字功率放大器,一般分为A类、B类、AB类和D类。其中,A类模拟功放保真率高,但是效率低;采用PWM调制驱动功放管的D类功放,效率高达90%,但是音质较差。运用D类功放的效率和A类功放的效果相结合,产生出高性能、高效率的数字功率放大器。数字功率放大器是把前端的信号进行数字处理及放大,推动扬声器扩出声音,主要技术特点是音质好、功率大。如Class-I数字功率放大器的阻尼系数大,频响特性宽,音质特别纯真,能够轻松推动2Ω或更低阻抗的大功率扬声器;有高达90%的电源转换效率,热量小,稳定性高,可用网络化链接,还便于远距离监控。数字功放扩声功率的大小不同,会给语言清晰度带来较大影响。大型会场声压级控制在75~80dB为宜,语言清晰度保持基本不变。数字功放的三段压限技术可保持输出恒定,有效避免啸叫。

  网络远距离传输技术,是在数字音频技术的基础上融合了现代网络技术,实现无衰减远距离传输功能。现在比较成熟的以太网音频传输协议是CobraNet和EtherSound,在局域网中进行数据传递。其关键的核心技术是把低电平、多通道、长距离的模拟信号转换为数字信号传输,实现了频信号的网络化传输交换与控制处理,可解决多路音频线难以铺设和远距离传输的问题。

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  七、现代智能会议系统相关技术与应用

  抗噪音自动传声器具有强指向性,小于30°的接收角度,能有效地排除周围噪声入量,提高语言声音的纯净度,保证会议语言扩音效果;在0.5~2M范围内拾音增益自动调节,从而使拾音输出信号均衡,保持同样音量,有效地控制话筒信噪比;提高语言清晰度,通过语言传输指数(STIPA)测试,抗噪声传声器比普通传声器提高0.05,语言清晰度有了很大提高;具有智能化噪音消除及自动增益控制(AGC)功能,远近距离拾音都能使语言清晰度良好。

  强指向性扬声器能把声音定向播放,以窄的波束向指定方向传播,使场地前后的声音音量大小根据要求而定,声音均匀。当前上市的产品大部分为条状柱形指向性音箱。此外,还有方形磁砖音箱,其指向性是垂直方向和水平方向相同,波束都很窄,傳播角度呈锐角形式,能将声音更准确地给听众区域,能有效地防止啸叫,很大程度上减弱了声反馈对扩声系统带来的干扰。

  语音控制技术随着科技的进步,人工智能技术得到快速发展,语音控制技术已经在智能会议系统中得到应用。可以直接用语音来控制相关功能操作,更加简单实用,非专业人员即可操作,实现自适应语控智能会议系统。“所听即所见”技术是语音与文字智能转换的一个突破,可实现学术报告及会议中演讲人的讲话内容实时转变成文字,投射到大屏上观看;也可以实时显示图片说明字幕及视频资料上的音频字幕,从而增强学术报告及会议视听效果。

  自动混音台声音的质量与效果与传声器开启的个数有直接关系,一般来说,开启的话筒越少越好。话筒开启的数量多,进入传声器的环境噪音也多,如果控制不好,会引起声反馈啸叫现象。啸叫是室内扩声系统经常出现又难以解决的问题,对此,一种比较直接的解决方式是在话筒底座上安装开关,不用时关闭话筒以避免啸叫。但这种方式也容易造成因忘了开启话筒,导致讲话者声音扩不出去的事故。自动混音技术就解决了这个问题。自动混音台能以毫秒级的开关速度实时控制,优先只接通声音大的单只话筒,提高传声器增益和声音的清晰度。

  对于高校会议室报告厅音响扩声系统而言,智能化、数字化是未来发展的方向。数字传声器、数字扬声器、数字音频处理器、自动混音台、数字调音台、功放及数字处理技术是智能会议系统的核心技术。智能会议系统的应用,很好地满足了现代办公会议的使用要求,很大程度上提高了使用效率和管理效率,降低了管理成本,有着广阔的发展前景。