第四讲(2)室外扩声

第4章室外扩声系统我们从分析简单的室外扩声系统入手来研究扩声系统。第一节室外扩声系统的质量要求室外扩声的基本要求与一般扩声要求相同，即能正确、清晰地传播声音信息。一个简单的室外扩声系统如下图所示。室外扩声系统可以看成是没有反射的，它近似于自由空间。因此声压级将按平方反比定律衰减，不考虑反射声及混响声，即距离每增加1倍，声压下降6dB。自由声场声音的衰减距离平方反比：

衰减量（dB）＝10lg(Dl／D2)2=20lg(Dl／D2)图6.2所示即声压级增量随距离比衰减的简明表，使用图6.2可以很方便读出不同距离的衰减值。对于室外扩声，当声源与地面保持适当距离时，可由图6.2按平方反比定律计算。当声源与地面距离较近时，由于地面是不规则的，当距离增加1倍，不会正好衰减6dB。换句话说，只要不存在大的反射面和吸声面，室外可适用平方反比衰减定律。声反馈引起的啸叫问题扩声系统的基本组成包括讲话者、话筒、扬声器和收听者。此系统的示意图如图6.3所示，虚线代表系统的声学反馈路线，当系统工作时，放大器的增益大到一定程度会使系统出现啸叫。当电声信号的通道增益等于1，扬声器在传声器处产生的声音与原信号相位一致时，这种啸叫就会持续下去。无论如何啸叫都是令人不愉快和难以容忍的，因此对所有节目信号的正常扩声，为防止反馈，在达到发生啸叫的增益之前应留有6dB～10dB的安全余量。第二节扩声增益的概念扩声增益定义为：听音区域内一听众在系统工作时所收听到的声压级与放声系统不工作时所听到的讲话者声压级的增量，写成公式为扩声增益=LON-LOFF式中，LON为系统打开时听众处的声压级；LOFF为系统关闭时听众处的声压级。扩声增益的计算

假设扬声器和传声器均是无方向性的，主轴声压级比DI=0dB，指向性因素Q=1，传声器处（1m）产生的声压级为70dB，去掉反平方损失，则在听音人处的声压级将为：70dB-20log(7／1)=70-17=53(dB)现在打开扩声系统，调整到反馈正好开始就不再提高放声系统的增益。当扬声器沿D1途径在传声器处产生相当于讲话者声压级，即70dB，就属于这种情况。扬声器在传声器处产生70dB声压级，则在听众处产生的声压级为

70－20log(6／4)=70-3.5=66.5(dB)不考虑安全余量，该系统可能产生的最大增益是66.5–53=13.5(dB)重新列出方程式：最大增益=70-20log(D2／D1)-[70-20log(Do／Ds)]=20logDo-20logDs+20logDl-20logD2式中，D0为传声器与收听者距离；D1为扬声器与传声器距离；D2为扬声器与收听者距离；Ds为讲话者与传声器距离。再考虑6dB的安全系数，则

最大增益

=20logDo-20logDs+20logDl-20logD2-6

这种形式的最大增益公式说明：

(1)最大增益与讲话者声压级无关；

(2)Ds减小，则增益增大；

(3)Do增大，则增益增大。第三节指向性对系统最大增益的影响我们仍然分析上面的例子，这时若扬声器的指向性图如图下所示。由图扬声器指向性图可以看出，沿着D1方向传到传声器的声音比无指向性扬声器减少6dB，使系统的潜在声增益增加。传声器的指向性对系统最大增益的影响上述分析同样适用于指向性传声器，如图所示，传声器6dB下降轴对准扬声器，在这种情况下不难看出系统的潜在声增益增加6dB。如果同时使用指向性传声器和指向性扬声器，就能更进一步增大系统潜在声增益。过分依赖扬声器和传声器的指向性来提高系统的增益是不明智的。大部分设计师只期望从使用指向性器件中获得不高于6dB的增益，这是因为不论传声器或者扬声器，它们的指向性是随频率变化的，大部分指向性扬声器在低频时表现为无指向性。若想加大增益，最直接的方法还是减少Ds或加大D1。以上所述都是一只传声器的情况，有时会有若干只独立的传声器，它们对增益的影响必须仔细考虑。两只相同的传声器时扩声增益在使用两只相同的传声器时，系统增益会衰减，从理论上讲，传声器数增加1倍，衰减为3dB。由此可知，在有若干个独立传声器时，潜在声增益(PAG)为下式：

PAG=20logDl+20logDo-20logD2-20logDs-6-10logN式中，N为传声器数量。图6.9是10logN的值的直读尺，用它可直接查出dB值。第四节传声增益的计算一个给定的扩声系统的增益，可能比实际需要的大，我们最好能预先确定出所需的最大增益，这正是设计的任务。设计一个最佳系统，一种方法是指定一等效或有效声学距离(EAD)，如图6.10所示。有效声学距离可以看成是由于扩声系统的存在，其作用相当于讲话者向聆听者靠近了的距离。有效声学距离比如，在安静环境中，可以认为谈话者与聆听者距离为3m左右时可以满足听音要求。可以简单认为，对于远处的听音人而言，扩声系统产生的响度和3m处的讲话人响度相当。就是相当于放声系统对位于Do处的听众所产生的响度级。达到这一要求的必要增益可以由平方反比规律计算出：必要声增益=20logDo-20logEAD在前面的例子中，若Do=7m，EAD=3m，则必要声增益=20log7-20log3=17-9.5=7.5dB上面的例子中，假设扬声器和传声器都是无方向性的，我们希望的最大增益为最大增益=20log7-20log1+20log4-20log6-6=17-0+12-15.5-6=7.5(dB)有效声学距离由此看到，需要的增益和最大增益都是7.5dB，所以该系统可以使用。如果为一个要求较短EAD的噪声环境选定一扩声系统，那么该系统就不具有足够的增益了。假如有效声学距离为EAD=1.5m，这种情况下的所需增益：20log7-20log1.5=17-3.5=13.5(dB)13.5-7.5=6(dB)，说明由于EAD由3m减至1.5m，所需增益加大6dB。为此可以使用指向性扬声器和指向性传声器，产生所需要的6dB增益。更简单的办法是将Ds由1m减至0.5m，则20log0.5=-6dB，亦相当于增加6dB的增益。等效声距离的取值一般情况下，对于室外系统，当讲话者的峰值比周围噪声的A计权声级高出大约25dB时就有良好的清晰度。一般谈话在1m处需要产生60dB～65dB的声压级。因此在50dB的噪声环境中，我们讲话峰值只有达到75dB～80dB才能听得清楚，这需要将有效声距离EAD缩短。我们知道：

1m处的讲话者需要声压级=65dB；0.5m处的讲话者需要声压级=71dB；0.25m处的讲话者需要声压级=77dB。等效声距离不是一个计算值，而是一个经验值，如表6.1所列。计算所需的声增益在这些条件要求下，我们再来研究对室外系统的要求。首先计算所需的声增益：所需声增益=20LgD0-20LgEAD=20Lg7-20Lg(0.25)=17+12=29(dB)前面已经计算过，除了6dB的安全系数只具有7.5dB的最大增益。如果使用指向性扬声器和指向性传声器可增大约6dB的增益，最大增益总共为13dB，这比我们所需要的增益还差16dB。解决这个问题的办法之一是采用一个手持传声器，减少Ds以增加16dB的增益，此Ds可按下式计算：16=20Lg(1／X)16／20=Log(1／X)．

100.8=1／XX=1／100.8=0.16m手持传声器提高了增益，但是讲话者难以长时间维持这个固定距离。为此只有将传声器固定到讲话者身上，如采用头戴式等方法。第五节功率的确定对于一个扩声系统而言，由它所需声压级可以推算所需的功率级，由功率级可以推算出系统的规模，并最终推算出系统的造价。效率较高的扬声器，可以降低工程造价，良好的设计亦可以降低工程造价。例如环境声为75dB，要有足够的清晰度，声压级要比周围噪声高出25dB，这样聆听者位置所要求的声压级(SPL)就要达到100dB。再假定聆听者与扬声器距离为30m，根据前述平方反比定律，扬声器1m处的声压级与30m处声压级之差为

L(dB)=20log(30／1)=29.5(dB)选取扬声器的灵敏度为110dB／m·W，转换成30m处聆听者的声压级为110dB一29.5dB=80.5dB／1W·30m而聆听者处要求的为100dB，两者相差：

100dB（希望的声压级）-80.5dB（1w输入的声压级）=19.5dB（必要的声压级）所要求的扬声器输入功率：

19.5dB=10logP／1P＝89W因此，使用110dB／m·w的扬声器要在30m处产生100dB，则扬声器要求输入89W高保真扬声器不能用到扩声系统中如果采用的扬声器不是高灵敏度的扩声用扬声器，而是一般高保真扬声器，扬声器的灵敏度为89dB，此时距30m的声压级为