擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐雅杰 胡澤

摘要：在日常生活中，擴(kuò)聲系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了諸多便利，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的硬件設(shè)施應(yīng)用在擴(kuò)聲系統(tǒng)中，推動了擴(kuò)聲系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展。在擴(kuò)聲系統(tǒng)工作過程中，音頻放大、音量調(diào)節(jié)、音質(zhì)清晰是所要實現(xiàn)的基本功能。但如果想要構(gòu)建一個有效的擴(kuò)聲系統(tǒng)，相關(guān)細(xì)節(jié)不可忽視。本文就日常擴(kuò)聲系統(tǒng)中所使用的揚聲器工作原理以及室內(nèi)外聲學(xué)特性展開論述，明確其工作特性，并對調(diào)音臺信號流程進(jìn)行闡述，同時結(jié)合室內(nèi)外聲學(xué)特性以及對聲學(xué)系統(tǒng)中的影響，對未來滿足5G系統(tǒng)的擴(kuò)聲系統(tǒng)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)音系統(tǒng);室內(nèi)聲學(xué);調(diào)音臺;5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

一、引言

擴(kuò)聲系統(tǒng)在日常生活中，常應(yīng)用于公共廣播、廳堂擴(kuò)聲、會議擴(kuò)聲等。公共廣播是我們在公共區(qū)域內(nèi)較為多見的形式，適用于各類消息通知、背景音樂播放、信息發(fā)布等。而會議擴(kuò)聲則適用于遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)、同聲傳譯系統(tǒng)、法庭、大型會議室、學(xué)校會議中心、語音重放、擴(kuò)聲及多媒體展示等。需要明確，在不同地點所需要的擴(kuò)聲系統(tǒng)性能也有所不同，需根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計，以確保能夠發(fā)揮出最好的效果。

二、常用揚聲器

（一）吸頂式揚聲器

吸頂式揚聲器是目前使用最為廣泛的揚聲器，它有自己的聲腔體，通常是嵌入到天花板中進(jìn)行使用，因此又被稱為嵌入式揚聲器。此類揚聲器主要是通過振膜發(fā)揮作用，將通電導(dǎo)體作為線圈，輸入音頻信號形成磁場，帶動其振膜振動，從而發(fā)聲。吸頂式揚聲器中都有一塊小磁石，磁石磁性越強，擴(kuò)聲效率也就越強。并且由于該類揚聲器是放置在天花板中，因此其更容易激勵空氣，產(chǎn)生較好的低頻音響效果，給人以強烈的沖擊感。因此公共場合音響、家庭影院音響、會議室音響都可以使用此種揚聲器，并且在家庭影院、會議室中更能發(fā)揮其優(yōu)勢。同時，在設(shè)計此類揚聲器過程中，除了考慮工作原理外，還需要明確整體結(jié)構(gòu)，使用功率控制在總功率的1.5倍左右，保障其穩(wěn)定使用，使最終擴(kuò)聲效果達(dá)到最好。

（二）點源式揚聲器

點源式揚聲器的代表就是日常生活中常見的錐盆式揚聲器，其主要是以球面波形式進(jìn)行聲音的輻射，只要聲波波長超過聲源幾何尺寸，即可視為點源式。該類揚聲器一般不會出現(xiàn)諧波失真的情況，而且方向性較強，可以覆蓋很大一片區(qū)域。但其聲壓衰減速度較快，聲壓級以平方反比的規(guī)律進(jìn)行衰減。在實際應(yīng)用中，此類揚聲器多是用于室外、會場等較為開闊的區(qū)域，例如校園中用于廣播的揚聲器。因此在設(shè)計過程中，若是需要用于廣闊區(qū)域，則優(yōu)先考慮此類揚聲器，不僅應(yīng)用價值高，而且能夠節(jié)約成本。

（三）線陣列式揚聲器

線陣列式揚聲器簡單地說就是按照線性方式排列在一起的揚聲器組合，將所有揚聲器排列成直線或曲線陣列。線陣列揚聲器在應(yīng)用上往往需要多個聯(lián)合使用才可以實現(xiàn)較好的覆蓋，放大器才可以發(fā)揮出更大的效果。該類揚聲器多用于對傳輸距離要求更大范圍的應(yīng)用場所，如室外現(xiàn)場演出、大型室內(nèi)演出等，其提供較好音質(zhì)的同時也存在一定的不足之處：當(dāng)聲音過大或是排列不夠緊密時，可能會出現(xiàn)聲音失真、低音沉悶，或者氣流聲過大的情況。

三、揚聲器指標(biāo)

（一）輸出聲壓級

在聲學(xué)領(lǐng)域中，輸出聲壓級是判斷揚聲器性能重要指標(biāo)之一，其具體是指揚聲器在有效回放頻率范圍內(nèi)的聲壓級輸出特性。一般而言，對揚聲器性能進(jìn)行分析中，可以通過繪制輸出聲壓級曲線來完成，曲線越平坦，表示聲壓級浮動較小，揚聲器性能越優(yōu)異。就上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器而言，其覆蓋較為廣泛，基本可以維持較好的聲壓。但點源式會表現(xiàn)出一定不足，大部分當(dāng)其距離擴(kuò)大一倍后，輸出聲壓級就會相應(yīng)衰減6dB。

（二）頻率特性

擴(kuò)聲系統(tǒng)通常也可根據(jù)頻率等級分為高、中、低三大類，低音在20Hz-3kHz，中音在500Hz-5kHz，高音則在2-20kHz。在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須關(guān)注擴(kuò)聲系統(tǒng)頻率的極大值、極小值，還有頻率不均度、總諧波失真等情況，這些都屬于擴(kuò)聲系統(tǒng)的重要參數(shù)，必須符合擴(kuò)聲器的基本需求。上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器在應(yīng)用上多數(shù)應(yīng)用于室內(nèi)，頻率相對穩(wěn)定，而點源式揚聲器由于本身特性及工作原理，頻率相較前兩者略顯不足。

（三）指向性

指向性是指傳聲器的靈敏度隨聲波入射角度而變化的特性，其主要描述揚聲器將聲波輻射到空間各個方向去的能力。通常，由于利用指向性可以減弱揚聲器對傳聲器的反饋作用，從而消除嘯叫現(xiàn)象，因此揚聲器的指向性十分重要。上述點源式擴(kuò)聲器具有極高指向性，這種指向性主要針對商場、交通、教育等，可以對某個方向內(nèi)的人發(fā)出聲音，且方向較遠(yuǎn)。在設(shè)計擴(kuò)聲系統(tǒng)時，需要充分考慮應(yīng)用目的。若是應(yīng)用在商場、學(xué)校等地方，必須重視指向性能的提高;若是在家庭中應(yīng)用，則主要考慮指向性的寬度，使之能夠在工作中極大發(fā)揮作用。上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器應(yīng)用上需要多個音響組合使用，覆蓋性較廣，可以在室內(nèi)環(huán)境中使用。而點源式擴(kuò)聲器則指向性較強，且涉及較為簡單，可以在室外環(huán)境使用。

四、室內(nèi)外聲學(xué)特性對擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計的影響

擴(kuò)聲系統(tǒng)的實現(xiàn)以及最終呈現(xiàn)出的效果，室內(nèi)、室外的聲學(xué)特性是我們必須要重點關(guān)注的方面之一。由于在擴(kuò)聲系統(tǒng)發(fā)揮作用時，環(huán)境會對其造成較多影響，因此必須整合環(huán)境整體信息，構(gòu)建合理的擴(kuò)聲系統(tǒng)。

（一）室內(nèi)聲學(xué)

室內(nèi)聲學(xué)主要是研究聲音在室內(nèi)的傳播和聽聞效果，其中房間大小、形狀、布局以及房屋材料等都會對聲音傳導(dǎo)造成一定的影響。在對室內(nèi)聲學(xué)進(jìn)行研究時，我們通常采取幾何作圖法，來分析直達(dá)聲和反射聲的具體情況。需要注意，在實際測試過程中，聲學(xué)測試必須持續(xù)較長時間，若是短時間就完成測量，不具有針對性且聲場不能完全穩(wěn)定，參考價值不高，因此測試時間一定要嚴(yán)格掌控。一般而言，室內(nèi)環(huán)境，尤其是在會議室中，可以考慮使用吸頂式揚聲器，該種揚聲器是鑲嵌在天花板中使用，在室內(nèi)可以實現(xiàn)全方位覆蓋，而且不會出現(xiàn)音量沖擊的情況，較點源式、線陣列式更為理想。

（二）室外聲學(xué)

室外聲學(xué)與室內(nèi)聲學(xué)是有較大差異的，最突出的就是空間問題，人們最為明顯的感知就是室內(nèi)聲音傳導(dǎo)到耳朵內(nèi)，音量要高于室外聲音。這是因為室外通常較為空曠，對擴(kuò)聲系統(tǒng)會造成較多干擾，比如在聽感上聲音會比較散亂，難以充分集中，而室內(nèi)則可以依靠墻壁的回聲規(guī)避這一問題。因此，在設(shè)計過程中，為減少室外聲學(xué)產(chǎn)生的影響，必須考慮室外聲波的傳導(dǎo)，同時需要結(jié)合擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)用場地的特點，設(shè)計適合的方案。一般而言，應(yīng)用在室外，應(yīng)該使用指向性比較強的揚聲器，點源式、線陣列式都是可供選擇的方式，但是在過程中，必須充分考慮失真和干擾的問題。

五、擴(kuò)聲中的系統(tǒng)信號流程

（一）數(shù)字音頻信號處理流程

在擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)用時，需設(shè)置調(diào)音臺來對音頻信號進(jìn)行處理，其主要起到修飾音頻、美化音色的作用，用于改變傳輸質(zhì)量，彌補音頻中存在的不足。早先使用的模擬調(diào)音臺由于信號需要經(jīng)過一級級音頻處理設(shè)備的傳輸與處理調(diào)音師才能獲得，而在這個過程中失真便會隨之增大，因此對音質(zhì)有著較大的影響。

目前隨著擴(kuò)聲系統(tǒng)飛速發(fā)展，數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)逐漸走進(jìn)了大眾的視野中。所謂數(shù)字音頻即是以數(shù)字化的形式對模擬信號進(jìn)行處理，把模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號，而這個過程即是模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）。A/D轉(zhuǎn)換的過程通常包含三個階段：取樣保持、量化和編碼，其通常是用PCM脈沖編碼調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)。同時，采用糾錯技術(shù)對偶然事件也是非常有必要的，因為音頻數(shù)據(jù)以非常高的密度存儲在介質(zhì)上，制造過程中很小的一點失誤都會抹掉成百上千個比特，所以音頻數(shù)字在傳輸和儲存時，利用特定的編碼方法和冗余技術(shù)還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤檢測，使得傳輸出的音頻達(dá)到理想效果。因此，數(shù)字音頻擴(kuò)聲設(shè)備通常由四部分組成：傳聲器及音源部分、輸入輸出混合處理部分、數(shù)字功率放大部分、電聲能轉(zhuǎn)換部分。其中，調(diào)音臺混合處理部分主要包括均衡器、壓縮器、電子分頻器、延時器和混響器、聽覺激勵器等。當(dāng)聲音傳輸?shù)綌U(kuò)聲系統(tǒng)中，均衡器調(diào)整不同頻率的信號;壓縮器對信號進(jìn)行動態(tài)壓縮或是擴(kuò)展;電子分頻器對音頻頻率進(jìn)行分段;延時器和混響器用于制造特殊音效;聽覺激勵器則使得聲音變得細(xì)膩，多種處理一一結(jié)合，實現(xiàn)聲音理想化。在數(shù)字化高速發(fā)展的今天，該種擴(kuò)聲系統(tǒng)不僅大大減少了周邊處理設(shè)備及信號線纜，同時也能使聲音達(dá)到理想的效果，模擬信號擴(kuò)聲系統(tǒng)傳輸問題通過數(shù)字音頻系統(tǒng)已經(jīng)得到了有效的解決。

（二）擴(kuò)聲系統(tǒng)的三方面原則

1.系統(tǒng)穩(wěn)定性。在一個擴(kuò)聲系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定性應(yīng)該放在第一位。從最基礎(chǔ)的系統(tǒng)改造、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備造型等方面，都需要充分考慮整體安全穩(wěn)定運行，做到系統(tǒng)運行萬無一失。

2.設(shè)計合理性。一個擴(kuò)聲系統(tǒng)中，系統(tǒng)的設(shè)計合理性也占據(jù)重要部分。要根據(jù)現(xiàn)場舞臺的舞美燈光等，將系統(tǒng)的設(shè)計做到最高效且最簡化，將聲音完美傳遞到觀眾耳中。

3.設(shè)備先進(jìn)性。一場大型活動中，需要在活動前羅列出系統(tǒng)中所需要的設(shè)備。認(rèn)真了解每一個設(shè)備的優(yōu)缺點，想到可能的突發(fā)問題，結(jié)合設(shè)備切實改進(jìn)拾音和擴(kuò)聲的效果。同時，設(shè)備的先進(jìn)性也是決定擴(kuò)聲效果的重要因素。

（三）音頻技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

對于現(xiàn)在各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，音頻行業(yè)也積極結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化音頻主要涉及音頻信號編碼、信號傳輸、數(shù)字處理、音頻信號解碼等流程，因此設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)聲系統(tǒng)時，需通過音頻輸入編碼器、音頻處理器、音頻輸出解碼器、處理器等流程。目前，通過網(wǎng)絡(luò)的整個擴(kuò)聲系統(tǒng)大致包括音源設(shè)備、揚聲器和控制設(shè)備，其中控制設(shè)備可以分為網(wǎng)絡(luò)音頻處理器、網(wǎng)絡(luò)交換機和網(wǎng)絡(luò)管理主機三個部分。所以，對于這里的網(wǎng)絡(luò)音頻處理器來說，是整個系統(tǒng)中不可或缺的部件。整個網(wǎng)絡(luò)音頻處理器可以主要分為兩大模塊，即數(shù)字音頻處理模塊和網(wǎng)絡(luò)處理模塊。數(shù)字模塊是主要完成電平控制、動態(tài)范圍控制、均衡等功能后，提供模擬或數(shù)字的輸入輸出接口，與網(wǎng)絡(luò)模塊相連接。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊即實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的傳遞功能，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時傳播。雖然在目前的形勢下，網(wǎng)絡(luò)模塊可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步化，有即時、不卡頓等優(yōu)點，但同步問題和實時音頻傳輸問題仍不可忽略，有待進(jìn)一步的發(fā)展，爭取實現(xiàn)延時時間極短的理想化音頻技術(shù)。

六、未來展望

根據(jù)當(dāng)前情況來看，信息技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前，在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計中，也積極投入信息化技術(shù)，其中最基本的設(shè)計包括遠(yuǎn)程調(diào)控、遠(yuǎn)程維護(hù)以及自我檢查等功能。就現(xiàn)有情況來說，手機軟件控制設(shè)備已經(jīng)有了較為廣泛普及，家中的空調(diào)、照明等都可以使用手機軟件進(jìn)行控制，因此在擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計中，也正逐漸嘗試應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)軟件的模式，在手機上進(jìn)行調(diào)音操作等，逐步實現(xiàn)擴(kuò)聲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。同時，外形的改進(jìn)也是需要重視的一方面，畢竟多數(shù)擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)用在室內(nèi)，需要與整個環(huán)境相契合。

相對于傳統(tǒng)音頻，網(wǎng)絡(luò)化音頻傳輸更為穩(wěn)定，失真的可能性更低，因此在接下來的設(shè)計發(fā)展中，可以嘗試將5G和無線系統(tǒng)技術(shù)投入到擴(kuò)聲領(lǐng)域中，重視信號傳輸流程，解決上述延時等技術(shù)問題，將網(wǎng)絡(luò)化音頻技術(shù)更好的應(yīng)用于劇場、會堂等環(huán)境中，實現(xiàn)擴(kuò)聲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。但由于5G技術(shù)成本消耗較大，目前還沒有徹底為大眾所接受。大眾都知道，5G即意味著速度更快，且可以減少延時，因此，如果將5G與擴(kuò)聲系統(tǒng)相結(jié)合，便可以完成音頻的快速傳導(dǎo)，從而進(jìn)一步實現(xiàn)音頻的實時共享，減少音頻的失真，提高音頻質(zhì)量。同時， 5G、音頻、視頻的相結(jié)合也是十分重要的一方面。一般而言，音頻都是伴隨視頻，因此需要重視三者的結(jié)合，使得聲、畫得以進(jìn)一步的同步，提高使用者的視聽享受。

七、結(jié)束語

設(shè)計一個高質(zhì)量的擴(kuò)聲系統(tǒng)，需要關(guān)注諸多細(xì)節(jié)。一場擴(kuò)聲實踐中，為了在后續(xù)調(diào)音中便于操作且保證較好效果，前期設(shè)置調(diào)音臺具體參數(shù)的過程中，不僅需要了解擴(kuò)聲系統(tǒng)工作原理、工作特性，還需了解室內(nèi)外聲學(xué)特點。工作原理和工作特性的明確，是便于設(shè)計工作的有序進(jìn)行，室內(nèi)外聲學(xué)研究是為減少環(huán)境對擴(kuò)聲系統(tǒng)造成的干擾。明確相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié)之后，才可以制定出較為完善的設(shè)計計劃，確保擴(kuò)聲系統(tǒng)能夠投入實際使用，在實踐中發(fā)揮出最好效果。目前，擴(kuò)聲系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其應(yīng)用價值是巨大的，相信未來加強相關(guān)內(nèi)容的研究、結(jié)合5G新型技術(shù)，擴(kuò)聲系統(tǒng)會有更廣闊的發(fā)展空間。

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