淺談廣播系統(tǒng)中的揚聲器選擇

許天晨，孫振超，耿萬鵬

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

作為廣播擴聲及公共廣播系統(tǒng)的最終終端，揚聲器實際上是一種把可變范圍內(nèi)的音頻電功率信號通過換能器(揚聲器單元)，把它轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶銐蚵晧杭壍目陕犅曇?。為能在工程實際中正確選擇好揚聲器，必須首先了解聲音信號的屬性，使揚聲器能“原汁原味”地把音頻電信號還原成逼真自然的聲音。

聲音是一種隨機信號，可聽聲音的頻譜范圍一般為20 Hz～20 kHz；其中語言的頻譜范圍約在150 Hz～4 kHz 左右；而各種音樂的頻譜范圍可達(dá)40 Hz～18 kHz 左右；人聲的能量主要集中在200 Hz～3.5 kHz 頻率范圍。因此，揚聲器要能正確地重放出這些隨機信號，保證重放的音質(zhì)優(yōu)美動聽，揚聲器必須具有寬廣的頻率響應(yīng)特性，足夠的聲壓級和大的信號動態(tài)范圍。

本文就某大廈廣播系統(tǒng)及多媒體會議系統(tǒng)，揚聲器選擇中采用的方式方法做簡單論述。

2. 揚聲器系統(tǒng)設(shè)計中的幾種關(guān)鍵特性

2.1. 頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)是指一個以恒定電壓輸出的音頻信號與系統(tǒng)相連接時，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而產(chǎn)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象。對于一臺普通的音箱，這項特性主要反映了揚聲器工作的主要頻率范圍，有效頻率范圍越寬，放聲特性越好。

2.2. 靈敏度和最大聲壓級

在某大廈廣播擴聲及公共廣播系統(tǒng)的設(shè)計過程中，我們希望揚聲器能以相對較小的輸入功率轉(zhuǎn)換成很宏亮的聲音，這就要求揚聲器有較高的聲壓靈敏度。

靈敏度是指輸入揚聲器單元1 瓦的電功率，即在揚聲器軸線方向離開1 米遠(yuǎn)的地方測得的聲壓級大小。根據(jù)弗萊切-芒森曲線(如圖1)，正常人能清晰聽到的廣播聲壓級在70 dB 左右(環(huán)境噪聲一般取50～55 dB 左右)。

Figure 1. Fletcher-Munson curve圖1. 弗萊切-芒森曲線

聲壓級的計算與許多因素有關(guān)，但主要和輸入功率、聲源距離、揚聲器靈敏度有關(guān)[1]。

P——揚聲器的需要功率(輸入電功率，W)；

Lp——供聲范圍內(nèi)要求的聲壓級(dB)；

R——揚聲器至聽音者的距離(m)；

Lo——揚聲器軸向靈敏度(dB/W/m)。

從式(1)中可以看到人耳到揚聲器的距離每增加一倍，聲壓級將降低6 dB；同時也可以看出，揚聲器的靈敏度下降3 dB，要想達(dá)到同樣的聲壓級，輸入功率必須增加一倍?，F(xiàn)在主流有源音箱的靈敏度一般在83 db/w/m～92 db/w/m 之間，若兩種揚聲器的靈敏度每相差3 dB，功率要提高一倍才能獲得相同的音量。因此，我們在選擇設(shè)備時，既要考慮揚聲器的額定功率以及與功率放大器的配合，又要考慮揚聲器的靈敏度、聲壓級與距離的關(guān)系。

2.3. 靈敏度和音質(zhì)

靈明度是指在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)輸入給揚聲器的視在功率為0.1 VA 的信號時，在其參考軸上距參考點1 m 時，能產(chǎn)生的聲壓。而我們常說的音質(zhì)則是一個比較抽象的評價，往往無法靠實際的數(shù)值衡量。通常，在市場上同等價格的產(chǎn)品中，靈敏度與音質(zhì)是有矛盾的，靈敏度的提高往往是以犧牲喇叭自身控制力、低音的力度等一系列參數(shù)來實現(xiàn)的。因此，我們揚聲器選型過程中，需要在兩者中作適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

2.4. 揚聲器系統(tǒng)的指向特性

揚聲器發(fā)出的聲音在低頻段時，聲音是無方向性的，在各方向均勻傳播，但在高頻段時，聲音的傳播呈現(xiàn)較強的方向性，這個指向特性(各類音箱均不相同)正是我們在系統(tǒng)設(shè)計中要加以應(yīng)用的，因為優(yōu)良的恒定指向特性可在現(xiàn)場布置時把聲波的能量進(jìn)行集中，避開聲波的強烈反射面和聲場互相干擾。

通俗的說，揚聲器軸向方向的聲壓級最大，隨著偏角的增大，聲壓級逐漸減小。同時，與揚聲器之間的距離越大，聲壓級越小。因此，當(dāng)揚聲器/音箱需要涵蓋相對比較廣闊的區(qū)域時，需要將多只揚聲器/音箱配合，使其獲得最佳的聲音混響。

3. 某大廈揚聲器/音箱配置

3.1. 會議擴聲系統(tǒng)音箱設(shè)計

某大廈二層共設(shè)計有可容納400 人的報告廳1 個，中會議室2 個，小會議室5 個。設(shè)計時將一定數(shù)量的全頻帶音箱、低音音箱和超低音音箱組成了音箱組，全頻帶音箱的下限頻率一般為30 Hz～60 Hz，上限頻率為15 KHz～20 KHz，低音音箱是用來補充全頻帶音箱的低頻放音的專用音箱，用以加強低頻放音的力度。

作為專業(yè)的會議場所，往往是以語言擴聲作為主要手段，而語言信號主要集中在中頻段，這里的等響應(yīng)曲線度相對較小，所以基準(zhǔn)聲壓級可以取70～80 dB；同時為系統(tǒng)的擴聲留下12～18 dB 的峰值余量以及1～3 dB 的環(huán)境噪聲余量。由此可見，在平均的聽音距離上，設(shè)計的額定擴聲聲壓級應(yīng)該是：P額 = 98 dB + 3 dB = 102 dB，然后根據(jù)需要擴聲范圍確定平均的聽音距離L，額定的聲壓級就是在此位置的實際聲壓級，然后根據(jù)前面提及的：距離變化一倍，聲壓相應(yīng)變化6 dB 的關(guān)系，則揚聲器/音箱在1 m 處需要提供的聲壓級為：P=P額 + 6logL。結(jié)合上述其他幾個關(guān)鍵性參數(shù)，即可進(jìn)行某大廈會議系統(tǒng)揚聲器/音箱的選擇。

在已選定揚聲器/音箱的情況下，仍需要對會議場所所需的聲場功率進(jìn)行估算，才可得到最終的揚聲器配置。

聲場功率是指在達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的額定平均聲壓級時，聲場所需要揚聲器/音箱的驅(qū)動功率。聲壓級計算公式：

式(2)中，Lp為聲場的聲壓級，S為揚聲器/音箱的軸向靈敏度，D為接收點與音箱的距離，P為輸入音箱的功率，N為音箱組數(shù)。

由式(2)可以得到聲場功率的估算：

由計算得到的聲場功率可以確定音箱的數(shù)量，再確定功率放大器的輸出功率和數(shù)量。此外，在設(shè)計過程中，考慮到音響工程的功率儲備[2]，某大廈實際選用的揚聲器/音箱總功率比估算得到的聲場功率大30%左右。

3.2. 廣播擴聲系統(tǒng)揚聲器設(shè)計

針對某大廈的廣播擴聲系統(tǒng)做綜合分析，我們可以知道，廣播擴聲系統(tǒng)主要用作背景音樂、語言擴聲等用途，既不同于一般的會議場所，也不同于文藝演出場所。因此，某大廈廣播擴聲系統(tǒng)的聲學(xué)特性指標(biāo)應(yīng)遵從于表1 中相關(guān)要求。

某大廈周邊環(huán)境較好，一般樓層及通道環(huán)境噪聲低于55 dB，在人流較多時引起的噪聲將有所增加，約增加10 dB，同時為保證良好的廣播效果，在聽眾耳平面處的聲壓級要高于環(huán)境噪聲10～15 dB，將最大聲壓級確定為80 d B，結(jié)合式(2)和式(3)確定揚聲器的功率、靈明度及數(shù)量，某大廈一般樓層及通道內(nèi)均有吊頂，采用吸頂式揚聲器，用于背景音樂、業(yè)務(wù)廣播及消防廣播便于實施、漂亮美觀。除需考慮按照上述計算方式比較揚聲器的額定功率、靈敏度、頻率響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)，還要考慮揚聲器的輻射角及分布位置。

目前，大多數(shù)廠家生產(chǎn)的吸頂揚聲器輻射角大約是90°，在吊頂上布置揚聲器，其間隔與房間的高度與設(shè)計要求的聲場聲壓級有關(guān)[3]。揚聲器排布間距越小，聲場越均勻。某大廈室內(nèi)吊頂高度約為3 m，考慮一般線路段將揚聲器間距設(shè)為6 m，覆蓋面積可達(dá)30～50 m2。

Table 1. System resulting data of standard experiment表1. 多用途類擴聲系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)

4. 結(jié)束語

揚聲器作為廣播擴聲系統(tǒng)和會議擴聲系統(tǒng)的重要載體，如何結(jié)合工程實際進(jìn)行選取，是在通信設(shè)計中需要面臨并亟需解決的問題。本文通過總結(jié)某大廈工程，指出揚聲器設(shè)計時應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景，重點關(guān)注揚聲器的頻率響應(yīng)范圍、聲壓級、額定功率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為公共廣播系統(tǒng)的通信設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。