扩声系统设计的要点及实践（1）
摘 要：明确阐述了扩声系统设计中所要涉及的扬声器噪声功率、扬声器的峰值功率、扬声器的最大声压级、扬声器的额定阻抗、功放的输出功率、功放的输入灵敏度，以及功放与扬声器的功率匹配等基本参数，并以两例具体工程案例，详细给出了参数的计算过程、设备的选配，还特别指出了设计和调试过程中常见的错误及解决的方法。
严格地说，一套完整的音响扩声系统设计应包括厅堂音质设计和电声系统设计，其系统参数是由建筑声学参数和电声系统参数两大部分组合而成的。
笔者主要从事现场演出租赁工作，由于演出场地大部分都已经作了声学处理，建筑声学问题，如混响时间、频率响应、本底噪声等就不再论述了。在此主要谈的是具有实际可操作性的与现场扩声有关的声压级设计和电声系统的配置。要得到好的声音，建筑声学参数达标是重要的前提，虽然有些建筑声学参数，如频率响应、混响时间等, 可通过电声设备进行补偿，但这种补偿是有限的，并且是以电声系统参数的变差为代价而换取的( 如失真等)。因此以下所谈到的设计和配置都是在建筑声学参数达标的情况下进行的。
1 扩声系统设计要点
谈到扩声现场的声压级设计和电声系统的配置就必须先介绍相关的理论和参数。
1.1 平方反比定律
在自由声场中， 声压级与声源距离的平方成反比，即声压距离损耗值=20lg( 距离)，分别代入数值1 m，2 m，4 m，8 m 和16 m 得到0 dB，6 dB，12 dB，18 dB 和24 dB，归纳结果：聆听点与声源的距离每增加一倍，声压级就下降6 dB。
1.2 扬声器的灵敏度
扬声器的灵敏度是指在扬声器输入端加上额定功率为1 W 的电信号、距离扬声器轴方向1 m 处所产生的声压级。它体现了电能转换为声能的效率，灵敏度越高，扬声器越容易被功放驱动。
1.3 扬声器的可承受功率
扬声器的可承受功率包括平均功率、节目功率(Program) 和峰值功率(Peak)。
1) 平均功率( 噪声功率)
平均功率是采用RMS 电压计算而确定的功率。
国际上比较普遍的是采用粉红噪声来对扬声器进行功率测试，因此平均功率又可称为噪声功率(Noise)。噪声功率的测试标准大多采用AES、IEC 和EIA 三种，见图1。
图1。
AES2—1984 标准：由美国音频工程师协会颁布，采用10 倍频程带宽、6 dB 峰值因数的粉红噪声作为测试信号，测试时间为2 小时，测试后单元在声学、电学和机械性能上不应产生大于10% 的永久性的改变。美国着名的扬声器厂家JBL 就采用AES 标准。
IEC 60268-5 标准：由国际电工委员会颁布，所采用的测试信号为6 dB 峰值因数的粉红噪声，并且是按IEC 标准所确定的节目信号滤波器对粉红噪进行滤波，这一节目信号的频谱模拟了真实音乐和语言的的频率分布，高端和低端的频率份量呈下降趋势。测试时还应根据扬声器单元技术指标中关于频率范围的规定设置带通滤波器， 对上述IEC 节目信号进行滤波。测试时间为100 小时， 测试后扬声器不应显示损坏。
EIA RS426-A 标准：由美国电子工业协会颁布，所采用的测试信号也是6 dB 峰值因数的粉红噪声，但使用的节目滤波与IEC 标准有差别，它的低频段成分较高，而高频成分要低得多，测试时间为8 小时。
美国扬声器生产大厂EV 就采用此种测试方式。
2) 峰值功率
峰值功率是由峰值电压计算得到的功率。扬声器在接受峰值因数为6 dB 的粉红噪声测试时，瞬间要承受4 倍于平均功率的瞬态峰值的冲击，这个瞬态功率即峰值功率。
3) 节目功率
节目功率(Program) 是从老的扫描正弦波功率测试而推演出来的过时的说法，现在它不具备什么实际意义，对于大多数制造商，将平均功率乘以2 就得到了节目功率。
对于6 dB 峰值因数的功率测试信号，平均功率(Noise)、节目功率和峰值功率(Peak) 之间的比率如表1 所示。
表1 平均功率、节目功率、峰值功率之间的比率
4) 重点说明
扬声器测试时，如果输入的是简谐正弦信号，则峰值与RMS 之间只有3 dB 的差值，如果输入的测试信号是峰值因数为6 dB 的粉红噪声，则峰值与RMS之间就有6 dB 的差值。国内有很多扬声器生产厂商还在使用简谐正弦信号作为测试信号，因此同样是标注250 W 平均功率的扬声器， 采用简谐正弦信号测试的扬声器可承受的峰值功率只有500 W，而采用AES、IEC 和EIA 标准测试的扬声器，其可承受的峰值功率却可以达到1 000 W。这点在选用多大功率的功放去驱动此音箱时显得尤为重要。
1.4 扬声器的最大声压级
扬声器的最大声压级是指听音点在距离扬声器1 m 处，且在扬声器的声辐射轴线上时，扬声器所发出的最大声压级。
(1) 扬声器最大声压级= 扬声器灵敏度 10lg( 扬声器的峰值功率)，也可以写成扬声器最大声压级=扬声器灵敏度 10lg( 扬声器的噪声功率) 6 dB。
(2) 根据前面讲过的平方反比定律，在听音点距离扬声器为D (m)， 且在扬声器的声辐射轴线上时，可得自由声场计算公式： L P=S 10lgW -20lgD 。L P 为听音点的声压级，W 为输出给扬声器的电功率，S 为扬声器的灵敏度， D 为扬声器前1 m 处到听音点的距离。
如果在一个供声区内有N 个扬声器，那么上式中还要增加10lgN ，即 LP=S 10lgW 10lgN -20lgD 。
1.5 扬声器的额定阻抗
是指在某一段规定频段内对音频信号所呈现的阻抗值。扬声器与功放相配接的阻抗值最常见的有8 Ω，4 Ω 和16 Ω。
1.6 功放的输出功率
过去功放输出功率的标法五花八门，有RMS 功率、MPO 功率、PMPO 功率等。现在国际上已经规范了功放输出功率的测试标准。
1)FTC 功率
联邦贸易委员会(FTC) 颁布了以输入信号为20 Hz~20 kHz 正弦波扫频、失真低于0.1% 的长期连续平均功率测试法。在这种标准下测试得出的功率称为功率放大器的“长期连续平均功率”。
2)EIA 功率
以输入信号为1 kHz 正弦波、失真低于0.1% 的长期连续平均功率测试法。在这种标准测试下得出的功率放大器输出功率要比FTC 标准下测得的输出功率稍微高一点，称为“最大平均功率”。以其他方式标称的功率都视为非标。
3) 功放输出功率与扬声器阻抗
功放输出功率的大小会随着连接扬声器阻抗的不同而改变，连接扬声器的阻抗越小，功放的输出功率越大，但过小的扬声器阻抗会使电流过大而烧毁功放。国外顶级功放厂商如QSC、Crown、Crest Audio、LAB.Guppen 等生产的高档功放， 在双声道连接时，其连接音箱的阻抗一般不能小于2 Ω，单声道桥接时一般不能小于4 Ω ；国内功放在双声道连接时，音箱阻抗一般不能小于4 Ω，单声道桥接时一般不能小于8 Ω。
1.7 功放与扬声器的功率匹配
最佳匹配原则是选用功放的峰值功率要等于扬声器的峰值功率。功放的功率是通过电压算出来的。交流电中，峰值电压=
电压，而
，因此峰值功率=2 倍RMS 功率。一台功放的连续FTC 功率容量，允许其峰值超过连续功率3 dB，也就是说一台功放允许其峰值功率为FTC 连续功率的2 倍。这点是功率放大器与扬声器功率匹配的关键。例如一个扬声器的噪声功率为250 W，则它的峰值功率为1 000 W。
同样，一台功放的连续FTC 功率为500 W，其峰值功率为1 000 W。因此，如果一台功放能够提供1 000 W的峰值功率，则要求它的连续FTC 功率为500 W。换言之，如果功放要达到扬声器的峰值功率容量，则要求功放的连续FTC 功率2 倍于音箱的噪声功率。因此在阻抗匹配的前提下，选用功放的FTC 功率应该2倍于扬声器的噪声功率。
1.8 功放的输入灵敏度(Input Sensitivity)
一台功放能接受的最大输入电压称为输入灵敏度，如果输入电压超过了最大输入电压，功放的输出容量也将会超出最大范围，并产生较大的失真。
1) 输入灵敏度的选择
较为高档的功放， 后面板有输入灵敏度选择开关， 输入灵敏度的标法一般有2 种。例如CrownMA3600VZ 功放， 国际版的输出功率为965 W(8 Ω)，后面板输入灵敏度选择有0.775 V、1.4 V 和26 dB 这3 个选择。当开关选择在0.775 V 时，说明当输入功放的电压达到0.775 V，且功放输入增益衰减旋钮打到最大位置( 无衰减) 时，功放处于满功率运行状态。
同样当开关选择在1.4 V 时，说明当输入功放的电压达到1.4 V，且功放输入增益衰减旋钮打到最大位置( 无衰减) 时，功放处于满功率运行状态。把0.775 V和1.4 V 换算成电压分贝值分别为0 dB 和5.1 dB。
26 dB 标准的写法是20×26 dB。20× 指的是功放的功率电压从输入到输出放大了20 倍；26 dB 指的是当输入电平为0 dB 时，此时功放的增益为26 dB。如果选择输入灵敏度开关位于26 dB，此时功放满功率运行的输入电压值和电压分贝值应为多少呢？有2 种计算方法。
(1) 首先计算出这台功放总的增益值
则满功率输入电平为41-26=15.09 dB， 换算成输入电压值为4.4 V。
(2) 当功放灵敏度选择开关置于26 dB 时，此刻功放功率电压的放大倍数是20 倍。先求出这台功放的功率电压
，然后算出输入端的电压值为87.86÷20=4.4 V，换算成电压分贝值为
。
说明一下为什么当功放灵敏度选择开关置于26 dB 时功放的放大倍数是20 倍。记住公式20lg( 电压放大倍数)= 电压增益，电压放大倍数= 输出电压/ 输入电压。20×(26 dB)、40×(32 dB)、64×(36 dB) 等这些数值就是这样算出来的。
图2 是QSC RMX4050HD 功率放大器的输入增益衰减旋钮。
图2 QSC RMX4050HD功率放大器输入增益衰减旋钮。
其实只要看到输入增益衰减旋钮就已经知道这台功放的电压放大倍数。20lg( 电压放大倍数)=36，电压放大倍数=63.1 倍≈ 64 倍， 查看使用手册得知这台功放的输入灵敏度没有可选择开关，固定为1.25 V。知道了这些其实不看说明书上的输出功率也可以计算出来。QSC RMX4050HD 功放的功率电压为
， 即负载为8 Ω 阻抗时，功放的输出功率为800 W ；再用1.6 系数法可知负载阻抗为4 Ω 时，功放的输出功率约为1 280 W ；桥接功率可以乘以3.2，约为2 560 W(8 Ω)。
最后比对一下使用手册中的技术参数。
在功放输入灵敏度方面，做得最出色的当属瑞典的顶级品牌LAB.Guppen。图3 为FP6400 功放的后面板，可以看见正中有一排蓝白色的DIP 开关，这就是调整功放输出模式和输入灵敏度的选择开关。
图3 FP6400功放后面板。
这台功放的输入灵敏度有8 挡可调， 从20~41 dB。按照前面说过的方法很容易就可以计算出当DIP 开关位于这8 挡的任意一挡时，功放的电压放大倍数和削波输入电平。FP6400 负载阻抗为8 Ω 时FTC 输出功率为1 280 W。表2 给出的是这8 挡输入灵敏度分别对应的放大倍数及削波输入电平(8 Ω)。
表2 输入灵敏度对应的削波输入电平
2) 输入增益衰减旋钮和限幅阈值的设置
过去国内音响界一直在争论功放的输入增益衰减旋钮应该置于最大位置还是不应该打到最大位置。其实只要搞懂了如何正确设置功放的输入灵敏度选择开关，还有如何正确选择功放，使其输出功率与扬声器的功率相匹配这两大问题，答案就很明显了。此外，压限器的限幅阈值要以功放输入灵敏度为前提来进行调整，基本方法是限幅阈值至少不能低于使功放达到满功率工作状态时所需的输入电平值，如果使用的是国外优质功放( 符合FTC 测试标准)，可以将限幅阈值调至比满功率输入电平值高2~3 dB。因为符合FTC测试标准的功放允许其峰值功率超过连续功率3 dB，这3 dB 称为功放的头顶空间(Headroom)。如果功放的使用手册参数中已标明Headroom 值的大小，则限幅阈值增加的电平值要以使用手册上的参数为准，如上面提到的QSC RMX4050HD 功率放大器的Headroom 为2 dB。对于输入灵敏度为固定值的功放( 无输入灵敏度选择功能)，如果需要衰减功放的输入增益衰减旋钮，旋钮衰减多少个dB，压限器限幅阈值就要相应提高多少个dB。 ( 待续)
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作者：葛亮