就室內(nèi)擴(kuò)聲而言，是通過(guò)電聲設(shè)計(jì)去控制和改善廳堂音質(zhì)；就室外擴(kuò)聲而言，則是通過(guò)電聲設(shè)計(jì)去控制室外聲場(chǎng)音質(zhì)。擴(kuò)聲音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是要保證聲源和音響系統(tǒng)未端-音箱同處于一個(gè)聲場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，使觀眾能感受到聲源的真實(shí)存在，達(dá)到高保真重放的擴(kuò)聲要求。

本章著重討論廳堂音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和音箱的聲場(chǎng)布局及立體聲擴(kuò)聲系統(tǒng)。通過(guò)工程實(shí)例介紹，簡(jiǎn)述了工程設(shè)計(jì)的具體方法。

1擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件

擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了達(dá)到良好的音質(zhì)，必須滿足一些必要的條件，這是進(jìn)行整個(gè)音響系統(tǒng)聲學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)的基本要求。

1要求有低的背景噪聲

用作擴(kuò)聲的廳堂、房間必須要有低的背景噪聲。噪聲不僅可能來(lái)源于室外，而且也有可能來(lái)源于室內(nèi)，如空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備、光設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲等等。應(yīng)該采取措施盡可能地降低聽(tīng)音環(huán)境的噪聲。噪聲過(guò)高會(huì)造成電擴(kuò)聲系統(tǒng)的清晰度、可懂度下降，難以使音響系統(tǒng)達(dá)到希望的音質(zhì)，而提高設(shè)備輸出功率以提高輸出聲壓級(jí)時(shí)又可能導(dǎo)致聲反饋而使系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作。

室內(nèi)噪聲控制問(wèn)題，必須在建造和裝修時(shí)加以充分的考慮，采取必要的隔音措施。一般影劇院的背景噪聲為25～30dB，報(bào)告廳為30～35 dB，體育館為47～56dB。

2應(yīng)具有均勻合理的聲壓級(jí)

要求室內(nèi)的聲壓級(jí)按照不同類型的擴(kuò)聲達(dá)到一定的值。具體地講，音樂(lè)擴(kuò)音應(yīng)達(dá)到80～85dB平均聲壓級(jí)，語(yǔ)言擴(kuò)音為 7O～75dB，背景音樂(lè)則為 60～70dB，且不均勻度應(yīng)控制在±4dB之內(nèi)。這就要求電擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的輸出功率和聲增益，室內(nèi)聲場(chǎng)應(yīng)均勻擴(kuò)散，近次反射聲應(yīng)得到充分、合理的利用，音箱的幅射特性和擺放位置要合理選定。

3保證清晰度

擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)保證聲音的清晰度和語(yǔ)言的可懂度。這一要求對(duì)語(yǔ)言擴(kuò)聲的場(chǎng)合尤為重要，一般認(rèn)為允許的最大輔音清晰度損失率不可超過(guò)15％。對(duì)于以音樂(lè)重放或擴(kuò)聲為主的廳堂，該指標(biāo)可以適當(dāng)放寬，但要求有更好的音響效果。

4保證系統(tǒng)能穩(wěn)定工作

音響系統(tǒng)在達(dá)到規(guī)定的平均聲壓級(jí)時(shí)，應(yīng)有足夠的聲反饋穩(wěn)定度裕量，以保證不會(huì)因?yàn)榉答伓斐上到y(tǒng)自激嘯叫。一般要求反饋穩(wěn)定度裕量6dB。

5聲象與圖像的基本一致

成功的擴(kuò)聲音響系統(tǒng)應(yīng)保證聲象與圖像的一致，使觀眾察覺(jué)不到擴(kuò)聲設(shè)備的存在，好象是直接聽(tīng)到來(lái)自舞臺(tái)上的聲音。

6應(yīng)有良好傳輸頻率特性和較低的失真度

音響系統(tǒng)應(yīng)具有寬且平坦的頻率響應(yīng)和較低的失真。

2聲場(chǎng)總功率的估算

在音響工程中，完全采用計(jì)算的方法定量的分析音箱的特性、擺放位置、驅(qū)動(dòng)音箱的電功率以及高、中、低頻的分配比例與所產(chǎn)生的室內(nèi)聲場(chǎng)的關(guān)系是存在一定困難的，因?yàn)橥ǔＧ闆r下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者無(wú)法得到精確計(jì)算所必需的全部數(shù)據(jù)，音箱生產(chǎn)廠商對(duì)組合音箱系統(tǒng)往往不給出完整的指向性特性參數(shù)，室內(nèi)建聲特性的有關(guān)參數(shù)一般也不易準(zhǔn)確求得。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和一般原則首先選擇音箱布局，然后進(jìn)行估算，確定所需音箱的大致參數(shù)和規(guī)格指標(biāo)等，并確定具體擺位和方向，最后通過(guò)對(duì)場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)聲壓的測(cè)試和實(shí)際試聽(tīng)，對(duì)音箱的布置進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)還需增補(bǔ)一些輔助音箱。

如前所述，由于一些重要的參數(shù)難以精確獲得，在實(shí)際音響工程中很難精確定量計(jì)算室內(nèi)聲場(chǎng)。在參數(shù)不確切的情況下，采用一整套復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程得到一些并不準(zhǔn)確的結(jié)論并沒(méi)有太多的實(shí)際價(jià)值。因此，在工程設(shè)計(jì)中往往采用估算的方法，以此作為設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試的參考性依據(jù)。

1．估算條件

室內(nèi)聲場(chǎng)的估算方法基于混響聲場(chǎng)完全均勻，聲源指向性已知且為理想的前提。這兩項(xiàng)基本條件滿足得越好，估算結(jié)果也就越接近實(shí)際，反之、誤差便會(huì)較大。

室內(nèi)聲場(chǎng)估算的基本思路是這樣的：室內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓級(jí)由兩部分構(gòu)成，一部分是直達(dá)聲場(chǎng)在該點(diǎn)的聲壓級(jí)，另一部分是混聲場(chǎng)在該點(diǎn)的聲壓級(jí)，兩者迭加便得到了該點(diǎn)的實(shí)際聲壓級(jí)。直達(dá)聲場(chǎng)符合平方反比律，可以方便的算出室內(nèi)各點(diǎn)的直達(dá)聲聲壓級(jí)。根據(jù)臨界距離Dc的定義可知，在臨界距離處直達(dá)聲聲壓級(jí)與混響聲聲壓級(jí)相等。因此再算出臨界距離處的直達(dá)聲聲壓級(jí)，便知道了該點(diǎn)的混響聲壓級(jí)。

假設(shè)室內(nèi)混響聲場(chǎng)（理想情況下）是均勻分布的，因此在室內(nèi)各處的混響聲聲壓級(jí)都等于臨界距離處的混響聲壓級(jí)。有了室內(nèi)直達(dá)聲與混響聲在各個(gè)位置的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，室內(nèi)聲場(chǎng)各個(gè)位置上的聲壓級(jí)即可算出。需要注意的問(wèn)題是，在具體計(jì)算中應(yīng)將其換算為音箱的距離以及音箱的輸入電功率便可算出直達(dá)聲場(chǎng)聲壓級(jí)。

通常，聲場(chǎng)總電功率可由室內(nèi)聲場(chǎng)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)進(jìn)行估算。

2. 聲場(chǎng)總電功率的估算公式

在實(shí)際工程應(yīng)用中，估算聲功率時(shí)可以將混響聲聲壓略去，將其視為功率余量的一部分，這樣只要確定了聲場(chǎng)中某方向距離D處的聲壓級(jí)LP，就可以由LP來(lái)估算聲功率值。

聲功率與一般音箱或音箱系統(tǒng)所標(biāo)示的電功率不同，其間相差音箱的轉(zhuǎn)換效率η。音箱的效率與音箱所用揚(yáng)聲器單元的結(jié)構(gòu)、形狀關(guān)系極大。例如紙盆揚(yáng)聲器音箱的效率為1％左右，號(hào)筒式揚(yáng)聲器的音箱的效率可達(dá)15％。目前音箱的產(chǎn)品說(shuō)明書多數(shù)不給η值，而是只給靈敏度值S。為了能夠通過(guò)音箱的靈敏度來(lái)估算出系統(tǒng)的電功率，可作如下假設(shè)：

（1）略去混響聲聲壓，作為聲壓余量的一部分，此時(shí)，擴(kuò)散聲場(chǎng)可以近似作為自由聲場(chǎng)處理。

（2）接收點(diǎn)距音箱為D（m），且在音箱的聲輻射軸線上。

這樣可得自由聲場(chǎng)中計(jì)算聲壓級(jí)公式：LP = S -20lgD + 10lgP

式中：LP 為聲場(chǎng)的聲壓級(jí)；P為饋給音箱的電功率；S為音箱的軸向靈敏度。

例如，給靈敏度為92 dB的音箱加3W的電功率，可求得距音箱8m處的聲壓級(jí)為：LP = 92 -20lg8 + 10lg3 = 78.8 dB。

假定在一個(gè)供聲區(qū)內(nèi)有多組（N組）靈敏度相同的音箱供聲，那么上式中還要增加10lgN，即變?yōu)椋篖P = S -20lgD + 10lgP + 10lgN

求電功率P可寫為：P = 10（Lp-S-10lgN+20lgD）/10

音箱的額定功率應(yīng)不小于由上式計(jì)算出來(lái)的P值。式中未考慮混響效應(yīng)，混響將會(huì)增加重放聲場(chǎng)的響度，如果混響時(shí)間在1.5s~2.0s左右，則從精打細(xì)算出發(fā)，音箱的額定功率可取（0.5~0.8）Pe。不過(guò)穩(wěn)當(dāng)?shù)霓k法還是當(dāng)做沒(méi)有混響來(lái)考慮，以便留有余量。

（3）假定接收點(diǎn)偏離音箱輻射軸線θ度，那么偏離軸線供聲區(qū)域聲場(chǎng)的直達(dá)聲聲壓級(jí)可按下式計(jì)算：

LP(θ) = S -20lg Dθ + 10lgPq + 20lgD(θ) + 10lgN 求電功率P可寫為：

P(θ) = 10(Lp-S-10lgN+20lgDθ-20lgD(θ))/10

式中：LP(θ） ——偏離軸線θ角接收點(diǎn)的聲壓級(jí)；

Dθ ——偏離軸線θ角供聲點(diǎn)軸射距離；

D(θ)——音箱的指向性函數(shù)，20lgD（θ）值應(yīng)由音箱生產(chǎn)廠家提供。

3．計(jì)算要點(diǎn)

1計(jì)算音箱的驅(qū)動(dòng)功率

根據(jù)各類場(chǎng)所需要的平均聲壓級(jí)，選定音箱靈敏度和聽(tīng)音距離。按照上述公式便可算出系統(tǒng)所需的聲場(chǎng)電功率。也就是音箱所需的驅(qū)動(dòng)功率。



① 確定聲壓級(jí)

對(duì)于一般廳堂的語(yǔ)言擴(kuò)聲而言，要求達(dá)到 75dB左右的平均聲壓級(jí)；對(duì)音樂(lè)節(jié)目的擴(kuò)聲則要求達(dá)到85dB左右的平均產(chǎn)壓級(jí)?？紤]到音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)語(yǔ)言擴(kuò)聲應(yīng)考慮留有6dB的裕量、音樂(lè)擴(kuò)聲則應(yīng)考慮10～12dB的裕量，要求較高時(shí)應(yīng)更大一些，一般可考慮18dB的裕量。

對(duì)于歌舞廳擴(kuò)聲，一般以原廣播電影電視部部頒標(biāo)準(zhǔn)GYJ25-86表中最大聲壓級(jí)值為依據(jù)。

聲壓級(jí)LP的確定須充分考慮擴(kuò)聲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)余量。

② 確定音箱靈敏度

計(jì)算之前，首先要確定音箱靈敏度。需要指出的是，音箱靈敏度往往和音箱的型號(hào)有關(guān)。

靈敏度一旦確定，音箱型號(hào)也基本確定了，不宜隨意改動(dòng)。音箱靈敏度高低對(duì)系統(tǒng)所需電功率的影響很大，靈敏度相差3dB，電功率則相差一倍。因此，專業(yè)音箱的靈敏度不宜太低，一般應(yīng)在95～100 dB左右為宜。

③ 確定聽(tīng)音距離

音箱的最遠(yuǎn)供聲距離D，不應(yīng)超過(guò)3Dc。即最遠(yuǎn)距離D應(yīng)小于3倍臨界距離Dc

④ 聲場(chǎng)總電功率

許多廳堂需分區(qū)供聲，那么系統(tǒng)的總電功率應(yīng)為所有聲源所需電功率之和。

例題

某多功能廳堂（一級(jí)），其混響時(shí)間T60＝1.2s，房間常數(shù)R=1860，采用2只靈敏度為100dB的組合音箱供聲，所有音箱的指向性因數(shù)Q=12.8，其最遠(yuǎn)傳輸距離為30m，那么，在最遠(yuǎn)傳輸距離內(nèi)；可否保證語(yǔ)言可懂度，音箱的驅(qū)動(dòng)功率為多大？假定場(chǎng)聲器偏離水平角度30°的指向性函數(shù)20lgD（θ）＝-3dB，那么在偏離軸線30°，同樣距離接收點(diǎn)要獲得相同聲壓級(jí)，需多大的音箱的驅(qū)動(dòng)功率？

解：D=30＜3Dc

∴在30m以內(nèi)可以保證語(yǔ)言可懂度。

∵P=10（Lp-S-10lgN+20lgD）/10

查表可得LP＝98dB

∴需要最大驅(qū)動(dòng)功率為285W。

∵20lgD(θ)=-3dB

P(θ)=10(Lp-S-10lgn+20lgrθ-20lgD(θ))/10=567（W）

答：偏離30°角后，需要最大驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)為567（W）。



2確定放大器的功率和數(shù)量

音箱所需電功率計(jì)算完成后，根據(jù)音箱的數(shù)量和功率，便可確定放大器的功率和數(shù)量?？偟脑瓌t是放大器功率應(yīng)以音箱功率匹配。在實(shí)際工程中，也常常采用以下方法確定。

① 一般廳堂，可取放大器功率與音箱功率相等。

② 對(duì)報(bào)告廳、音樂(lè)廳等以語(yǔ)言擴(kuò)聲為主的廳堂，放大器的功率可小于音箱功率的1/3；這樣可使音箱失真最小，保真度最好。

③ 對(duì)電影院、舞廳等音響效果擴(kuò)聲為主的廳堂，放大器的功率可大于音箱功率的1/3；這樣可使音箱的音量充沛，節(jié)奏強(qiáng)勁，功率得到充分發(fā)揮。

放大器的功率確定后，即可根據(jù)所定型號(hào)的單臺(tái)放大器功率確定放大器的臺(tái)數(shù)。

例如

上題兩只音箱的功率為567W，單只音箱功率為284W。

如用于舞會(huì)擴(kuò)聲：放大器的功率為567 × 1．33 = 754 W；單只音箱的驅(qū)動(dòng)功率為377W。

如果音箱阻抗為8歐，可選美國(guó)皇冠GSL-800功放1臺(tái)，功率為400W×2。

如果音箱阻抗為4歐，可選美國(guó)皇冠GSL-460功放2臺(tái)，接為BTL形式，單臺(tái)功率為430W。

由音箱靈敏度聲壓級(jí)值出發(fā)，根據(jù)功率每提升一倍聲壓級(jí)增加3dB，距離每增加一倍聲壓級(jí)衰減6dB等規(guī)律，不難推出音箱滿功率時(shí)在聲音射線直擊點(diǎn)上的聲壓級(jí)。例如,250W的音箱，在大約8m的距離上，最大聲壓級(jí)比靈敏度聲壓級(jí)值大6dB左右。推算過(guò)程如下：

該音箱滿功率運(yùn)行時(shí)的輸入功率（250W），約相當(dāng)于靈敏度測(cè)試功率（1w）倍升8次：1W*2*2*2*2*2*2*2*2=256W

如前所述，功率每倍升一次，聲壓級(jí)會(huì)提升3dB，因此滿功率時(shí)靈敏度測(cè)試點(diǎn)上的聲壓級(jí)應(yīng)比其靈敏度值大：3dB*8=24dB

另外,8m處相當(dāng)于靈敏度測(cè)試距離(1m）倍增3次的距離：1M*2*2*2=8M

而距離每倍增一次聲壓級(jí)會(huì)衰減6dB，因此該處的聲壓級(jí)應(yīng)比靈敏度測(cè)試點(diǎn)低：6DB*3＝18dB

由功率增加所引起的聲壓級(jí)增益與由距離增加所引起的聲壓級(jí)衰減互相抵扣，凈增益為：24dB-18dB＝6dB



3速算法

在音響工程現(xiàn)場(chǎng)，常常采用速算法進(jìn)行估算。對(duì)于采用靈敏度為95～100 dB音箱系統(tǒng)的廳堂，其功率可按0.5W/m3來(lái)速算；要求較高的廳堂，其功率可按1W/m3來(lái)速算。速算法也可以作為公式法的參考。

例如：

某多功能廳室內(nèi)面積為400m2，高5m，平時(shí)作為一般廳堂使用。選擇靈敏度為98 dB的音箱，按0.5W/m3速算，需要功率1000W。此時(shí)，可選250W×2或275W×2的放大器兩臺(tái)，按阻抗匹配的原則，選擇4只額定功率250W，靈敏度98 dB的音箱，即可滿足需要。

經(jīng)驗(yàn)表明，如果廳堂沒(méi)有特殊的結(jié)構(gòu)、廳堂高度約3m－4m左右、混響時(shí)間在1.5ss~2.0s之間，則為使最高聲壓級(jí)達(dá)到103dB（一級(jí)歌舞廳標(biāo)準(zhǔn)），主音箱的總功率可按每平方米場(chǎng)地約2W~5W估算。所要求的聲壓級(jí)每增加 3dB，音箱功率就須加倍(翻一番）。例如100m2的廳堂，根據(jù)每平方米5W的標(biāo)準(zhǔn)，初步?jīng)Q定主音箱的總功率為500w?，F(xiàn)在希望聲壓級(jí)由103dB增大到106dB則主音箱的總功率應(yīng)由500W增至1000w;如果希望聲壓級(jí)增大到109dB,則主音箱的總功率應(yīng)再加倍至1000w*2＝2000W。

另一方面，如果廳堂的高度增大，則盡管音箱的高度不變，所需的總功率也要加大，大約是高度加倍功率加四分之一（高度無(wú)限增大時(shí)則不能這樣推算）。這是由于這時(shí)廳堂頂部的反射聲減少了的緣故。如果隨著廳堂高度增大而把音箱掛高，則應(yīng)按平方反比定律（詳見(jiàn)第一章）推算，即距離加倍聲級(jí)減少6dB；若要保持聲級(jí)不變，則距離加倍時(shí)功率須增大6dB（4倍）。此外，混響時(shí)間過(guò)短時(shí)，總功率也要酌情增加。

必須指出，由于各種音箱的換能效率差別很大，不同廳堂的建聲特性也極不相同，所以估算數(shù)據(jù)會(huì)有很大出入。雖然如此，但由于功率以幾何級(jí)數(shù)增減才能引起聲級(jí)的顯著變化，而在大功率的水平上，聲級(jí)的相對(duì)變化量隨功率的變化更小，所以估算的功率數(shù)據(jù)盡管出入很大，而聽(tīng)覺(jué)效果則不會(huì)有那么大的出入。至于取上限抑或下限，或是否適當(dāng)加一些裕量，當(dāng)根據(jù)檔次的高低以及資金的寬裕程度進(jìn)行取舍。