扩声用扬声器系统

九、扩声用扬声器系统

(一)扩声用扬声器的分类与性能要求

1.扩声用扬声器的分类

扩声用扬声器用以向较多的人真实地传送声音信息。按用途可以分为：

(1)剧场、音乐厅、大会堂用

(2)礼堂、会议室、宴会厅用

(3)工厂、机关、百货店、车站等广播用

(4)紧急警报用

另外，按扩声内容可以分为：

(1)音乐用

(2)语言用

(3)特殊信号用

2.扩声用扬声器的性能要求

扩声用扬声器有多种用途，使用目的不同，对重放频率范围及指向性方面所要求的性能也不同。但是，下述几点是共同的：

(1)清晰度好；

(2)对任何地点都能均匀地声覆盖；

(3)不易引起啸叫，工作稳定；

(4)耐久性好，容易检修。

因此，对扩声用扬声器的要求与对家庭用高保真扬声器的要求是不同的。现在也开始要求扩声用扬声器重放的声音要音质好，富有音乐性。下面，主要讲述音质优良的扩声用扬声器的设计方法。

(二)扩声用扬声器的布置设计

设计扩声用扬声器时，首先应考虑扩声声场，即对扩声房间的声学特性要有充分的把握，研究应该采用什么性能的扬声器，应该怎样布置才能使效果最好。但是由于情况不同，如果只研究扬声器的性能和布置方法，有时也很难获得良好的扩声效果。例如，在没有经过声学处理的体育馆等场所，声音被扩大后，由于混响严重，无法得到清晰的声音，并且对于回声、颤动回声等特殊反射声，只靠扩声装置很难消除。

因此，房间的声学特性不好，就无法得到良好的扩声效果。即使房间的声学特性良好，但布置方法不当，也同样无法得到良好的扩声效果。扬声器的布置设计应当符合房间的形状、大小、混响时间，以及使用目的等要求。具体来说，可以根据以下几点进行考虑：

(1)室内各处的声压分布应当均匀；

(2)不产生使清晰度变坏的特殊反射声；

(3)能听到由演奏者或讲话人方向传来的声音，即应当有自然的声音方向感；

(4)不易引起由扬声器→传声器→放大器→扬声器的反馈环路所形成的回授振荡，即啸叫。

首先，应当研究房间的声学特性与扩声用扬声器之间的关系。

1.房间形状与扩声用扬声器的布置方式

扩声用扬声器的布置方式有以下三种：

(1)集中布置方式

(2)分散布置方式

(3)集中布置另加辅助扬声器的方式

表3-1列举了这几种布置方式的适用条件、扬声器的指向性、优点及缺点，图3-49所示为房间形状与扬声器布置方式的关系。

表3-1　各种扬声器布置方式的特点

(1)集中布置方式

集中布置方式是将扬声器集中安装在舞台上方或两旁。它的特点是听众听到的声音方向与演奏者的方向一致，能得到自然的扩声。然而，这种方式如果用于图3-49b所示的天花板较低、长度较长的厅堂或图3-49c所示的大厅堂中，听众席后部座位处的声压就会很低，有此听众就可能听不到声音。所以，这种方式只适用于小厅堂或只有一层的厅堂。

图3-49　房间形状与扬声器布置方式的关系

另外，这种方式只需要少量的扬声器，从经济角度考虑是有利的。所以，也可以使用高质量的扬声器。从图3-49a可以看出，为了使听众席前部和后部的声压差小，应该使用宽指向性扬声器，并将扬声器安装在高处。但由于从扬声器到听众席前部的距离与从扬声器到传声器的距离大致相等，因此容易引起啸叫，这是这种方式的缺点。所以应该注意传声器的安装地点，并且扩声的音量不宜过大。

(2)分散布置方式

这种方式适用于天花板低、混响时间长或容易出现异常反射声的厅堂中。虽然声源的方向感被破坏，但全部听众席可以得到均匀的声压分布。当两个声音到达的时间差在50ms(距离差在17m)以上时，将形成回声，使清晰度变坏，所以每个扬声器的指向性应尖锐，并限定它的覆盖范围。房间的天花板越低时，这种方式越有利。由于各个扬声器的音量没有必要太大，所以这种方式不易产生啸叫。

(3)集中布置加辅助扬声器的方式

这种方式先采取集中方式，为了对房间形状或声学特性上的缺陷进行补偿，在适当位置增加辅助扬声器，特别要对听不到声音的座位增加辅助扬声器。但当主扬声器与辅助扬声器的声音到达的时间差在50ms以上，并且几乎没有声压差时，主扬声器的声音将成为回声，使清晰度变坏。另外，声音的方向感也不自然。所以，只有辅助扬声器的音量不过大，才能取得好的效果。

还有如图3-50所示的应用延时装置，使辅助扬声器的输入信号时间稍迟于主扬声器。这种方法也可以用于3-49b所示的分散布置方式。

图3-50　应用延时装置扩声的例子

2.声压级

听众席上的平均声压级，通常音乐为85dB，讲话为75dB。当节目声的峰值声压级比平均声压级高15dB时，则音乐需要的最大声压级为100dB，讲话为90dB。为了得到与大型管弦乐团相同的音量感觉，听众席的最大声压级需要达到113dB。这样大的声压级对近代舞蹈音乐的扩声是必需的。因为对音乐的扩声不能缺少大的音量，所以最近的扩声装置有向大输出功率发展的趋势。

听众席的声压是直接声和扩散声之和，由扬声器的辐射功率、指向性系数、房间常数、扬声器与听众席的距离等决定。图3-51所示为在室外等自由空间中，以距扬声器1m远处的声压级为基准，声压级随距离的衰减量。例如，20m处的声压级为100dB，因距离的衰减量为-26dB，所以在1m处必需的声压级为126dB。设扬声器的灵敏度为96dB，则放大器的电输出应为126-96=30dB，即需要1000W。

由于在室内还有扩散声，声压级还会上升，所以在距离20m处要得到100dB声压级，只需上述功率的几分之一。但在运动场等地方以大声压扩声时，就需要几千瓦的电功率。

图3-51　距声源的距离与声压级的衰减量

图3-52所示为音乐和语言扩声所需要的最大声压级、房间体积与放大器所必需的电功率输出之间的关系。这是考虑了扬声器的指向性和主轴方向，并假设扬声器的主轴方向集中指向听众席的结果。放大器必需的功率输出即为扬声器所必需的允许输入功率。

图3-52　放大器的输出功率与房间体积的关系

3.声压分布

为了使房间中各处的声压分布相同，就要按照房间形状选择适当的扬声器布置设计方案。因此，要对扬声器的指向性与室内声压分布之间的关系进行研究。

表示室内扩声的声学效果的指标之一，是由扬声器传来的直达声能量与一系列经过反射的散射声能量值比A。扩声时首先应要求清晰度高，但也需要适当的混响。因此，A值应在0.7< A<1.5的范围之内。另外，A的频率特性在1000Hz以上如大于1，就可得到更好的清晰度。A值与白瑞纳克(Beranek)给出的稍有不同，它是指向性扬声器主轴方向指向吸声量大的听众席的A值。换句话说，它是考虑直达声被室内具有最大吸声量的听众席首先吸声而求出的。

A值可以由扬声器的指向性控制。然而，如图3-53a所示，非常尖锐的指向性在某些地方不能保证具有必要的声压级，即使能很好地听到声音，但由于指向频率特性不好，某些地方的音质也不会好。因此，如图3-53b所示，指向性要具有适合房间形状的恰当的服务范围。A值要适当，并且应当使在传声器的方向不辐射强的声音。

图3-53　扬声器的指向性与服务范围

(三)扩声用扬声器

下面，将讲述对扩声用扬声器所要求的性能、实现要求的指向性的方法，以及扩声用扬声器的具体例子。

1.扩声用扬声器的性能要求

上面已经讲述过于对扩声用扬声器所要求的性能，这里做些补充，并加以汇总。

(1)室内各处都能均匀地扩声

室内声压分布均匀，任何地方都能得到优良的音质，具有适当的指向性和输出声压频率特性。通常，应有水平方向±60°、垂直方向±15°的服务范围。

(2)具有适当的重放频带

音乐的重放频带应为80Hz—8000Hz，声乐的重放频带应为100Hz—8000Hz，当着重于清晰度时，演讲的重放频带以200Hz—7000Hz为宜。房间的混响时间长时，希望声音的清晰度好时，则频率特性在1k Hz以上时应比1k Hz以下的频带高3dB—6dB，才能得到好的效果。

(3)失真小

为了得到优良音质，在大输入功率时失真也必须很小。特别重要的是，在大输入功率时，不应出现异常声。

(4)输出声功率大

输入功率应当大，因此必须使用耐热性能好的音圈、坚固的纸盆和可靠性高的部件。

(5)具有耐久性

在演奏或讲话过程中，不应因扬声器损坏而发不出声音。扬声器应能适应一些苛刻的使用条件，所以必须使用不易老化的振动部件。

(6)不易引起啸叫

如果扬声器容易产生啸叫，就意味着不能高效率地发出大的输出声功率。所以扬声器应该具有适当的指向性，使在传声器方向的辐射声音非常小。

(7)易于维修

为了使扩声用扬声器一直保持最佳性能，所以要定期维修。为了易于维修，应该对扬声器的安装方法等方面进行考虑。

2.指向性的设计

扩声用扬声器的指向性受室内的声压分布、啸叫的稳定度，以及直达声与散射声之比(与混响有关)影响。所以，指向性的设计是扩声用扬声器设计中最重要的部分。

关于希望的指向性的合成方法，有采用号筒扬声器、采用几个纸盆扬声器和在扬声器箱的箱体上开指向性调整孔等几种。

(1)采用号筒扬声器

号筒扬声器可以分为以下三大类：

①圆形及矩形号筒

②扇形号筒及径向号筒

③多格号筒

圆形号筒随频率的增高，指向性变尖锐。矩形号筒长轴方向比短轴方向的指向性尖锐。扇形号筒的声源呈现为从圆柱面上切取一部分的形状，它的特点是具有圆弧方向的指向性，即在圆弧角度范围内频率特性变化不大，可以得到几乎平滑的特性。可以根据需要的服务范围，将角度设计成60°、90°以及120°等。一般的厅堂在水平方向需要宽的服务范围，所以安装时应将主轴方向对准厅堂的中央或稍偏后方(如图3-54所示)。

图3-54　用号筒扬声器作为扩声用扬声器的安装例子

扇形号筒的垂直方向服务范围与号筒的宽度有关，约为±15°左右。另外，多格号筒的开口面呈现为从球面上切取一部分的形状，在垂直方向的指向性要比扇形号筒宽。

这样，圆形号筒的能量集中在主轴方向，指向性尖锐，声音能到达远方，适合于室外等场合使用。另一方面，扇形号筒可以得到接近均匀音质的扩声，比圆形号筒的服务范围要宽。因此，它们适用于剧场及音乐厅。这些号筒，一般承担500Hz以上的中高声频段的扩声。要得到低于这一频段的声音所需要的指向性，可以在纸盆扬声器上附加号筒，也可以采取下述方法。

(2)采用几个扬声器

要采用几个扬声器获得指向性，可以将扬声器作直线排列、曲线排列、曲面排列或者其他排列。

直线排列扬声器称为声柱，图3-55所示为几个扬声器作直线排列的情况。它的指向特性如图3-56所示，在水平面内指向性约等于单个扬声器的指向性，相当宽；在垂直平面内与扬声器数量成正比变窄，并随频率而变窄，在高声频段则过于尖锐，不利于使用。

图3-55　直线排列扬声器系统

改进的方法如下：

①在声柱两端改用高声频段衰减的扬声器；

②两端扬声器的输入端插入低通滤波器，以衰减高声频；

③采用两分频方式，在声柱中间安装高音扬声器；

④采用两分频方式，并使高音扬声器以较窄间隔作直线排列；

⑤采用两分频方式，并使用具有适当指向性的号筒扬声器作为中高音扬声器。

图3-56　声柱的指向性(口径10cm×10cm)

曲线排列扬声器可以按照扩声场所合成需要的指向性。图3-57a所示为各扬声器的主轴方向分别指向将听众席截面等分后的等分点，图3-57b所示为对较远的听众席后部安排较多扬声器的方法。图3-58所示为两分频方式曲线排列扬声器。曲线排列扬声器可以调整水平面和垂直面两个方向的指向性，图3-59所示为在曲面上排列多个扬声器的情况。

图3-57　曲线排列扬声器系统

图3-58　曲线排列扬声器系统　

图3-59　曲面排列扬声器系统

(3)在扬声器箱的箱体上开有指向性调整孔

这个方法可以应用于直线排列扬声器系统中，在箱体的背面开孔，使这些孔辐射与扬声器前面辐射的声波反相的声波，在水平面内形成单一指向性或双指向性(如图3-60)。这种方式可以改善直线排列扬声器系统的缺点，即低声频段由于扬声器的相互辐射阻抗，使效率不必要地提高和低声频段的指向性变宽。

图3-60　在箱体上开有指向性调整孔的扬声器系统

3.剧场用扬声器的种类及其举例

剧场和厅堂通常用以演出音乐和话剧、作报告、放映电影等，所以必须安装针对全场扩声用和效果声扩声用等各种用途的扬声器。图3-61所示为剧场中各种扬声器安排的例子。

图3-61　剧场用扬声器

(1)舞台前部用扬声器

舞台前部用扬声器是剧场、厅堂的主扬声器，应当能单独使整个厅堂得到足够的音量。因此，应使用具有高效率、适当指向性和频率特性的扬声器系统。通常，使用两分频或三分频扬声器系统。

舞台前部用扬声器的数量随厅堂的形状和大小而不同，两声道立体声需要两只扬声器，也可以再增加一只扬声器。通常，对中间的第三只扬声器馈给立体声的和信号(L+R)。

(2)舞台下方用扬声器

舞台下方用扬声器安装在舞台下部，当只有主扬声器而听众席前部的音量不足时，可用它来进行辅助扩声。因此，可采用口径为20cm或16cm的纸盆扬声器做成两只竖向排列的扬声器系统，或采用口径为20cm及5cm左右的复合纸盆扬声器。

(3)舞台用扬声器

舞台用扬声器是在舞台两侧放置的可移动的扬声器系统，在要求重放大音量的效果声或轻音乐演奏时使用。另外，也可以作为主扬声器的辅助扬声器，或做成比舞台前部用扬声器更大的扬声器系统。

在舞蹈音乐会中，也有将十几个大型号筒扬声器系统重叠起来使用的情况。这时为了避免听众席前部的声压级过高，可以将扬声器安装在高处或吊在天花板上。

(4)侧壁用扬声器及嵌入天花板的扬声器

侧壁用扬声器及嵌入天花板的扬声器使用目的如下：

①作为后部听众席的辅助扬声器用；

②作为演剧或电影的效果声用；

③作为附加混响用，以改善室内声学效果。

根据厅堂的大小，可以使用20cm全频带扬声器或38cm两分频扬声器。

(5)吊在天花板上的扬声器

吊在天花板上的扬声器用于对一部分听众席进行集中扩声，因此它应当有尖锐的指向性，并且可以改变指向方向。当在听众席上使用传声器时，为了防止啸叫，使用这种扬声器可以使在传声器附近的扩声不致太强。

(6)返送用扬声器

通常，扩声用扬声器为了不引起啸叫，设计成使对舞台方向扩声的声级低。这样将使演奏人员感到其他演奏人员的声音以及自己演奏的声音被送回来得很弱，以致演奏起来感到困难。这种情况，可以在舞台两侧安装能对舞台全体扩声的声柱和号筒扬声器，或者在演奏人员脚下安装小型扬声器系统。