第十七章 电声系统

从剧场、会堂中的扩声系统，到车站、空港、宾馆中的有线广播，再到普通住宅中的对讲门铃、电话、家用音响，电声设备无所不在，成为建筑中满足其使用功能要求的不可缺少的一个部分。同时，它也要求建筑设计为其创造一个适宜的建筑环境，并提供必需的安装、使用空间。一般建筑中的电声系统可分为以下几类：

(1)广播通信系统：包括有线广播、灾害报警、避难诱导系统以及有线和无线电话等，其用途是远距离通信。特点是对信号只要求清晰度，不要求高的保真度。

(2)扩声系统：将语言、音乐等信号通过传声器拾音，放大器放大，再由扬声器发声。主要用途是在房间较大、声源声功率级又较小的情况下将声音放大。它要求有较大的声功率，并有较高的保真度。

(3)重放系统：将录制在磁带、电影胶片、激光唱片等录音介质上的声音经过还音、放大，再由扬声器发出。如电影回音系统以及宾馆、饭店背景音乐系统等。一般剧场、等扩声系统都配备录音机、激光唱机等还音设备。

(4)音质主动控制系统：由传声器拾音、声处理设备加工(如延时、加混响)、放大器放大，再由扬声器在所需位置和方向发声。其作用在于弥补建筑声学的不足。重放系统、音质主动控制系统所用大部分设备与扩声系统相同，并且扩声系统一般兼有重放功能，故这里主要介绍扩声系统。

第一节扩声系统

一、扩声系统的组成

最简单的扩声系统包括传声器、带前置放大和电压的功率放大器及扬声器三种设备。小型会堂使用这样的系统即能满足扩声要求。

剧场、多功能厅、综合性体育馆的扩声系统一般以调音台为中心。信号源除传声器声器外，还有卡座、激光唱机及收音机等。从调音台输出的信号在到达功率放大器前，由频率均衡器、延时器、混响器、分频器等设备作进一步加工处理后，经功率放大器放大，最后由扬声器转换成声音发出。

二、扩声系统评价指标及标准

扩声系统评价指标有以下几个：

(1)传声增益：指传声器离测试声源一定距离(语言扩声为0.5m，音乐扩声为5m)拾音，扩声系统逐渐增加音量，当刚达到产生自然啸叫状态后再降6dB，即达到最高可用增益。此时，观众席上的平均声压级与传声器处的声压级差值即为传声增益。

(2)传输频率特性：扩声系统达到最高可用增益时，观众席上的平均声压级对于传声处声压级的频率响应。

(3)最大声压级：扩声系统置最高可用增益状态，调节扩声系统的输入，使扬声器输功率达到设计功率的1/4，此时观众席声压级平均值加6B即为最大声压级。

(4)声场不均匀度：扩声时，观众席各处声压级差值。

(5)总噪声级：扩声系统达最高可用增益，但无有用声信号输入时，听众席处噪声声压级平均值。

第二节扩声系统常用设备

一、传声器

传声器是一种将声信号转变为相应电信号的换能器，也叫话筒或麦克风。传声器的种类很多，在扩声中常用的有动圈式传声器、电容传声器、铝带式传声器和驻极体电容式传声器等。

动圈式传声器在其前部有一膜片，膜片后连接可移动线圈，嵌入永久磁铁环形缝隙中。当膜片在声场内受声波作用而振动时，线圈在磁场内作往返运动，切割缝隙中的磁力线，于是在线圈内产生微量的电信号，使声能转换成电能。由于动圈式传声器价耐用，故得到普遍的应用。

电容式传声器内有一块膜片式的极板和一块固定式的后极板组成极头。极头所需极化电压为50~200V。膜片在声场内受声波作用而振动，导致极板间电容量发生变化，引起负载电阻上的电流变化。电容式传声器极头电阻抗很高，约16~15mΩ。在这群高的阻抗下直接传输信号是不现实的，因此，在传声器内要有一个小型前置放大器，以取得较低的输出阻抗。由于电容传声器具有高保真度、高灵敏度、高信噪比等特点，所以在音质要求较高的场所经常被选用。

传声器是扩声系统的第一个环节，应该具有较高的质量并满足不同条件下扩声的要求。传声器的技术特性指标有：灵敏度、频率响应、指向特性、输出阻抗和动态范围等。此外，使用中还要求传声器性能稳定、结构牢固、使用方便。

(1)灵敏度：灵敏度是表明传声器声电转换本领的重要指标。通常说的灵敏度是传声器的轴向灵敏度，即在自由声场中正弦形声波由轴方向入射时，传声器开路输出电压和输人声压的比值，单位为毫伏/帕(mW/Pa)。动圈式传声器的灵敏度在 Imv/Pa左右，电容传声器的灵敏度较高，测量用电容传声器的灵敏度可达25~50 mV/Pao。

(2)频率响应：传声器灵敏度随频率变化的情况称为频率响应，简称“频响”。它是反映电声设备或系统在电声信号转换或放大过程中对频率特性改变程度的一个重要指标。

一般未指明的频率响应都是指声波0°人射时的频响。普通动圈式传声器中频段(大约3-300Hz范围)比较平直，低频和高频灵敏度逐渐下降。电容传声器的频响可以从低频到高频很宽的频率范围内保持平直。频响一般用频响曲线表示，或用频率范围加上不均匀度表示，如某传声器为(20~460001H±2dB。一般要求传声器频响曲线在使用频率范围内尽量平坦，即不均匀度小些。

(3)指向特性：传声器灵敏度随声波入射方向而变化的特性称为传声器的指向特心指向特性与频率有关，频率越低，指向特性越弱；频率越高，指向特性越强。一般用指向性图案(或正背差(传声器正面与背面灵敏度之差)表示。

(4)输出阻抗：传声器有一定的内阻，从输出端测得的交流阻抗就是该传声器的输出阻抗。根据输出阻抗大小不同，传声器分为高阻和低阻两种类型。输出阻抗50~6000的为低阻传声器；1~50从2的为高阻传声器。

传声器的选择，应根据使用要求和传声器特性确定。一般的语言扩声，并不需要使用过分昂贵的传声器，可选用动圈式传声器；音乐扩声或录音，要求传声器有很好的频率响应，可选用电容传声器。会议扩声或大厅混响时间过长时应选用强指向性传声器，以减少声反馈，防止啸叫。音乐扩声和录音，除使用有指向性传声器外，还需要无指向性传声器，以拾取整体效果。

二、扬声器

扬声器的作用是把电信号转化为声信号。扬声器主要有两类，一种是直射式扬声器，它通过振动膜片直接把声波辐射到空气中。另一种为号筒式扬声器，其膜片的振动经过号筒的耦合，再把声波辐射到空气中。

扬声器或音箱的主要技术特性如下：

(1)灵敏度：给扬声器输入一定的粉红噪声(倍频带或13频带声能相等的连续噪（声)信号电功率，在轴线上一定距离处测定声压级，换算到输入为1W，测试距离为1m时所得的声压值，称为特性灵敏度，单位为帕/瓦(Pa/W)。工程中为便于计算，常用输入为1W时,1m处的声压级来表示灵敏度大小。灵敏度越大，从电能转换成声能的效率就越高。

(2)频率响应：当扬声器输入电压保持不变时，在扬声器轴线方向上一定距离处声压级随频率的变化情况。频率响应一般用频响曲线表示，或用频率范围加上不均匀度表示。

(3)指向特性：扬声器输入功率不变时，离扬声器相同距离的不同方向上声压级的变化情况。指向特性与频率有关。扬声器指向性一般用指向性图表示，或用辐射角加上指向性因素Q来表示。辐射角是以灵敏度最大的方向(通常是0方向)向两侧衰减6dB的角度，分水平辐射角和垂直辐射角。

(4)额定阻抗：指馈给扬声器音圈的电压与音圈中的电流之比。在扩声系统设计中，扬声器额定阻抗要求与功率放大器输出阻抗相匹配。

(5)额定功率：扬声器正常工作时平均功率的极限值。使用时因节目信号起伏很大，扬声器的功率要留有足够的余量。

单只直接辐射扬声器功率较小，效率也不高，但在一定频率范围内有较好的频率响应。因此，通常把多只扬声器组合在一起做成音箱，以提高功率和辐射效率。号筒式扬声器辐射效率高，音量大，但频带窄，一般作中高音扬声器使用。为适合各种环境下使用。

在大厅扩声中，为在全频域获得较高声功率，通常高低音采用不同扬声器(音箱)发声。功率较小的家用音箱，往往一个箱子中组合了高、中、低频几种不同的扬声器。有时为了获得强指向性，可把各个直射扬声器排成一直线装在音箱内，并使所有扬声器相位相同，这样就成了声柱。声柱越长，指向性越强。声柱用在混响时间较长的大厅，可提高声音的清晰度。

三、调音台

调音台也称扩声控制桌，是扩声系统的控制中枢。调音台由传声器放大器、中间放大器及末级放大器三部分组成。

一个调音有多个传声器放大器，一般有4路、6路、16路、24路等，根据所用信号源及传声器的多少决定调音台的通道数。调音台可对每一路输入信号的电平、频率特性进行单独控制。在各路信号的相对电平满足要求后进行混合。一些调音台还有加混响、延时等功能。

四、功率放大器

功率放大器（简称功放）的主要作用是把信号放大。功率放大器特性指标主要包括输入阻抗、输入电平、输出功率、额定负载阻抗、频率响应、总谐波失真及信噪比等。

五、辅助设备

辅助设备主要作用是对信号进行加工处理。常用的辅助设备有：

（1）频率均衡器：用于调整扩声系统的频率响应，使某些频率的声音大于或小于其他频率，还可用来抑制啸叫。

（2）延时器：使信号延迟某段时间后再发出。在扩声系统中对某些辅助扬声器的信号进行延时处理，可避免声像的改变。

（3）混响器：给信号加入混响器。子啊某些混响时间偏短的大厅，可改善声音的丰满度。

（4）压缩限幅器：相当于一个音量控制器，是一种增益随着输入电平的增大而减小的放大器。当通过信号峰值电平首次超过门槛电平后，超出部分就被自动削去；而当信号电平超出门槛电平持续十几毫秒后，整个信号电平被压低，使信号不至于失真。

（5）激励器：通过程序控制的方法，给信号假如丰富的高次谐波，以改善音质。

目前辅助设备种类很多。它们一般在一个方面或几个方面对信号进行加工处理。随着人们对室内音质认识的深化和电子技术的发展，各种影响辅助设备将越来越多。

第三节 扩声系统设计及设备选型

一、电声功率估算

    扩声系统扬声器所需发出的总声功率Ws取决于大厅索要达到的声压级，同时与大厅体积及吸声量有关。

在一般音乐或语言扩声中，维持正常响度所需功率时很小的，如在一个体积为8000m³的大厅中，要维持85dB左右声压级，所需功率只要0.06W即可。在扩声中峰值功率通常是稳态功率地 10~20倍左右。

在布置扬声器时，有时为了调整声像等原因，实际采用的扬声器功率一般要大于上述计算值。

二、扬声器组直达声声压级与最大辐射距离计算

扩声系统扬声器组可以是声柱，也可以是组合式音箱。厅堂内扬声器组直达声的供声面大小由其辐射角所决定。

扬声器轴线一般应指向大厅后2/3或3/4处。

室内混响声有利于声场分布均匀，但过多的混响声能会降低清晰度。因此，在厅堂扩声中直达声与混响声应有一个合适的比例。若取直达声强不低于混响声强12dB，则大厅最远座位和扬声器的距离不应超过混响半径r。的4倍。清晰度要求较高的大厅，最大距离可选取为混响半径r的3倍。

三、扬声器系统与功率放大器的配接

关于功率放大器与扬声器系统的功率匹配，如果功率放大器功率取扬声器系统额定功率的2~4倍，便可获得最好的效果。这样，放大器能驱动扬声器系统在它的额定功率附近工作，并留有足够的余量以使瞬时节目峰值通过。这种配接要求扩声系统操作人员训练有素，以防止偶然事件把扬声器烧坏。

一种较为保守的做法是，使放大器的输出功率等于扬声器系统的额定功率。

功率放大器按其输出方式可以分为定阻式和定压式两种。功率放大器采用定阻输出时，要求所接扬声器的总阻抗与功率放大器的输出阻抗相同，这样才能获得最大功率和最小失真。如果负载阻抗过大，则输出功率小，同时要增大失真；如负载阻抗过小，也要增大失真，并且很容易把功率放大器烧坏。

定阻抗输出又分为低阻和高阻两类。低阻一般有4、60、160等几种输出抽头。低阻输出一般用在扬声器离功率放大器较近、导线等声信号能量的损耗较小的场合。通常的厅堂扩声可用低阻输出。高阻输出通常有1009、250等，扬声器端用变压器耦合。可根据扬声器的阻抗、额定功率设计专用变压器。高阻输出用于扬声器离功放较远的场合。

为使扬声器总额定阻抗与功率放大器输出阻抗匹配，可通过并串联方式达到。为两种定阻抗输出的连接。

大型扩声系统需要用多个功率放大器：，分别负载不同的扬声器，有时不同的扬声器要单独控制音量，甚至馈给独立的信号，也就要由不同的功放分别负载。在总的系统中，功放数量要有备份，以便在损坏时及时切换。

功率放大器采用定压式输出时，输出内阻很低，在额定功率以内和额定阻抗以上，其输出电压变化很小，失真也很小。在定压工作方式下应防止功率放大器严重过载。

四、其它电声设备之间的配接

电声设备之间的连接，要注意到阻抗匹配和电平匹配两个问题。一般要求后级的输入阻抗大于前级的输出阻抗。现较多设备采用6000的阻抗匹配。

设备之间还应满足电平匹配。多数设备采用“零电平”匹配。“零电平”是指在600Ω负载上消耗1mW的电压值，即0.75V为0dB。

设备间的连接有平衡式和非平衡式两种。非平衡式是两根信号线中一根接地，并可兼作屏蔽线。这种连接最为简单，但容易受到干扰。平衡式连接时，两根信号线都不接地，而在负载的中间点接地，如变压器的中间抽头接地，可以使两根导线上的感应噪声相互抵消。一般要求高的系统都采用平衡式连接。

五、反馈啸叫的抑制

扩声时，扬声器发出的声音一部分直接传至传声器，另一部分经过房间的反射后反馈到传声器。这两部分声音经扩声系统放大，再次由扬声器发出，形成一闭路统。如果某频率的放大系数大于1，经多次循环放大，声音越来越大，就产生啸叫，严重时还会导致设备损坏。一些扩声系统尽管功率余量很大，却因为啸叫而无法提高音量。抑制啸叫的根本措施是减少扬声器发出的声音反馈到传声器。一般可通过以下方法来控制啸叫：

(1)控制大厅混响时间。混响时间过长往往是产生啸叫的主要原因。把混响时间控制在合适的范围内，可有效减少反射声反馈进入传声器，使扩声系统比较容易达到所要求的传声增益。

(2)选用强指向性传声器和扬声器，调整传声器和扬声器的相对位置，使两者互相避开灵敏度高的方向。控制易反馈扬声器的音量，例如在体育馆布置扩声系统时，将直射主席台的扬声器音量进行单独控制，必要时可降低该扬声器的音量。

(3)使用窄带均衡器，降低某些易产生啸叫的频率信号的增益。

(4)使用“移频器”，使整个扩声系统的输出信号比输入信号移动几个赫兹(一般为1~4Hz)，破坏原来系统可能产生反馈啸叫的条件。但采用这种方法可能降低系统的保真度。

(5)采用压缩限幅器，使信号过大时系统自动降低增益。

第四节扩声系统扬声器布置与安装

扬声器布置直接影响扩声声环境的质量。室内扬声器布置的原则是：

(1)使整个观众席声压级分布均匀；

(2)观众席上的声源方向感良好，即观众听到的声音应与看到的讲演者、表演者等声源的方向一致；

(3)控制声反馈以防止啸叫，并避免产生回声和颤动回声；

(4)扬声器辐射角应交迭覆盖全部观众席。

扬声器布置方式应根据使用性质、室内空间的大小和形式来决定，一般分为集中式、分散式及混合式三种。

1.集中式

把扬声器集中布置在观众席前方靠近自然声源的地方，如剧场、报告厅的台口上方或两侧；一般可使扬声器产生的声压级比自然声源发出的声压级高5~10dB，而时间比自然声级延迟10~15ms，使听众感

到声音仍来自然声源。这种布置的优点是声源方向感好、清晰度高。集中式布置适合于容积不大、体型比较简单的厅堂。

2.分散式

当房间面积较大、平面较长、顶棚又低时，采用集中式布置就不能满足声场分布均匀的要求。这时可把扬声器分区布置在吊顶或侧墙上。这种方式可以使声场分布很均匀，清晰度高，但声音的方位与自然声源的方位较难取得一致。为改善方向感，应对各路扬声器信号分别进行延时，使来自自然声源方向的声音先到达听众。此外，采用分散布置时，扬声器之间辐射的波束宽度要相互重叠一半，以覆盖整个观众席。

当大厅容积很大，或混响时间很长时，也可采用分散布置法，使扬声器靠近观众席，提高直达声强度。

3.混合式

对于一些多功能厅及一些规模很大的厅堂，常采用集中与分散相结合的方式布置扬声器。这样可使大厅的后部或较深的挑台下空间等处也能获得足够的声压级。这时辅助扬声器的音量要调小一些，并且宜有一定的延时。扬声器布置在台口上方，使前排观众感到声音来自头顶，可能产生压顶感。为此，可同时在台口两侧和舞台边增加扬声器，以改善前区观众席的方向感。

扬声器的安装分为暗装和明装两种。扬声器暗装时，开口应足够大，外部罩面应用金属板网或喇叭布等透声材料。扬声器四周宜封闭，背后宜放置吸声材料。扬声器安装宜牢固、稳定，以免箱体发生振动。扬声器特别是低频扬声器体积较大，建筑设计时应预留安装空间。

第五节扩声系统对建筑设计的要求

厅堂建筑声学条件和扩声系统共同决定音质的好坏。为有良好的扩声效果，要求厅堂有合适的混响时间及频率特性，声场有一定的扩散，具有低的背景噪声和无回声、多重回声、声聚焦等音质缺陷。第九章所介绍的对自然声合适的建声条件对扩声同样适用，由于用扩声时，声源功率足够大，厅堂容积可不受限制。

扩声系统对建筑设计的要求，一是要求在建筑设计中预留安装扬声器的位置。暗装扬声器的饰面应完全透声，可为铝板网或喇叭布。二是要安排好扩声控制室的位置及面积大小。

控制室用于对扩声系统进行控制和监听。除扬声器和传声器外，扩声系统其它设备都布置在控制室内。扩声控制室应能通过观察窗直接观察到舞台活动区以及大部分观众席。剧场、会堂等的控制室可设在舞台一侧挑台上或观众厅后面。控制室设在台侧的优点是与舞台联系方便；缺点是不能看到观众席，也不能根据直接聆听观众厅内的声音进行调整。控制室设在观众厅后面的优点是能看到整个舞台和观众席；缺点是离舞台较远，联系不便，而且传声器电缆较长，安装比较麻烦。也有把控制室设在耳光室位置的。此外，也可把调音部分设在观众厅内，其优点是视线好，监听直观可靠。这种方式要尽可能减少场内观众对调音台的注意力。体育馆内，一般主席台与裁判席相对设置，扩声控制室布置在主席台、裁判席的侧面。

一般控制室最小净面积应大于15m2，高度和宽度的最小尺寸要大于2.5m。

观察窗要足够大，使控制人员能看到主席台和三分之二以上的表演区。靠近观众厅的控制室，观察窗应能开启，以便能直接听到厅内声音。为了使地板不易受潮，并具有良好的绝缘性能，地面最好铺木地板。控制室内设敷线地沟，地沟净深约250px，宽度应大于500px，内衬铁皮以防鼠、防潮及便于接地，同时应装活动盖板。控制室顶、墙宜有一定吸声，以改善监听条件。控制室应有良好的通风，或设有空调。图19-19为扩声控制室一例。

扩声控制室应设独立的地线。扩声控制室不应靠近可控硅调光室，以防止可控硅对扩声系统的干扰。

第六节室内音质自动控制

    利用电声设备改善室内音质或创造某种特定的声学效果，被称为音质主动控制。音质主动控制分为两个方面：一是增加早期反射声，并改善反射声分布；二是增加房间混响声能，延长混响时间。增加反射声的方法非常简单：在声源附近布置传声器拾取直达声，将声信号经过放大并根据需要进行延时处理后，再由扬声器在特定位置按所需方向发出即可。这一系统可称为电子反射声系统。

    若置传声器于混响声场中拾取混响声，经放大、延时后再由扬声器在大厅内发出，就能提高室内混响声能，起到延长混响时间的作用。当然，这样一个简单的回路在增益很小时，并没有实际应用价值。当增益提高时，将使系统稳定性变差，并出现声染色现象，而使音质失去自然性。要使一个混响延长系统能被人们所接受，必须具备三个条件：

        (1)系统的稳定性好；

        (2)系统音质的保真性佳；

        (3)系统的可控性强。

    最早在厅堂中使用人工混响系统(称为受援共振系统)的是50年代英国皇家节日音乐厅。当时，采用了包括传声器、放大器、滤波器、移相器和扬声器在内的电声回路多达172路。每一回路对应一极窄的频段。在低频段，两相邻频率的间隔仅为1~2Hz。通过分别控制各个回路的增益，来避免声染色。为防止各路交叉，在每个回路上使用特性陡峭的滤波器，并将各回路的传声器分别装在对应的亥姆霍兹共振腔内。通过这些措施达到良好的音质效果。

    目前用于延长混响的电子设备很多，如日本雅马哈公司的受援音响系统AAS( Assisted Acoustic System)它通过内部电路，可产生一个反射声系列，不仅能提高混响声能，还能用于增加前次反射声。AAS采用四个一组的传声器阵，根据实际需要决定所使用的传声器阵组数，一般为1~4组。当用于提高混响声能时，传声器应布置在混响声场内。当用于增加前次反射声时，传声器应靠近声源。

    用于增加反射和延长混响时间的电子系统还有多通道混响延长系统MCR( Multi Channel Amplification of Reverberation)电子反射声系统ERS以及延时混响系统等。另外还有些用于改善混响以外其它音质指标的控制系统，如待尔塔立体声话筒( Dleta Stereophone)和幻像舞台( Vision-Stage)等。

    未完待续！