音响系统设计方案

伤心的骆驼 · 发表于 2010-2-21 12:29:39

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音响系统设计的主要目标包含“还音”和“广播”。还音意味着需要拾取不同品质和内容的声音，广播意味着对不同环境进行统一品质的还原。而这一头一尾是发生在自然环境中，必然会受到自然环境的影响，因此如果没有一个标准化的设计过程，该音响系统将很难有很好的效果。

　　一套音响系统的设计就好像是搭积木。如果重心不在积木的中央，为了搭建得更高，势必会不断采取平衡措施。最终也许能够完成目标高度的搭建，但是其可承受的力量平衡就会小很多。转换到音响的概念上来说，就是系统的动态被减小了。
　　以上以积木的搭建做了个例子。类比到音响系统中，道理是一样的，从拾音环境到音量放大，到功率放大、扬声器输出，最终混合到扩声环境中，这一条链路必须保障一个稳定的重心。否则，最终获得的扩声效果就如同左边的积木——甚至更不如——因为输入的信号是动态的，就好像积木的底座有外力推动，只要重心偏移出了黄色区块，积木必然坍塌。
　　扩声流程梳理在此，我们需要对一个扩声流程进行一个梳理，拣选最必须的流程进行整理：

　　上图所示为一个常见的单一小型扩声系统的流程。在此，我们需要先分析容易产生不同品质变化的环节，才有可能提出标准化建设的方案。
　　首先，最难受控的就是一头一尾的两个“环境”。声音在空间环境中混合、反射，严重受到环境的影响，以至同样的设备在不同环境会出现完全不同的扩声效果。这也是音响系统较其他系统难的地方之所在。
　　拾音器拾取到声音后，是否是我们所需的最佳品质，是一个很重要的环节，也是需要管控的。
　　除了品质，不同的信号输入的动态也是不同的，有的人声音很小，有的器乐声音很大。这个如果没有一个要求，也是会导致系统的不确定品质输出的。
　　扬声器本身也是一个有个性的产品。不同的扬声器需要不同的品质管控，然而，最终的品质管控的目的，是为了与环境融合。理想状态是输出信号的品质与输入信号一致——即真正的高保真。然而，现实是目前的技术还做不到这一点，尤其是在众多传输管理环节的干扰下。因此，我们做系统设计的时候，就需要尽量接近这一目标。
　　标准化设计过程依照我的经验，音响系统的设计应该以矩阵为核心，分两头走，独立考虑系统的需求。

伤心的骆驼 · 发表于 2010-2-21 12:30:48

　1 从输出端入手
　　扩声系统的目的是为了给受众使用的，因此，有必要先从输出端考虑。
　　当我们为一个环境设计时，该环境需要的音量值，其实并不是一个固定的数据。而是一个相对于环境的相对值。系统的最低值，要满足听清楚的需求，就要求大于该环境的本底噪声的10dB，最高值则只需要满足该环境下最低值之上满足听感的最低值和耳朵能够和愿意承受的最大值之间即可。
　　比如一个会议室，环境噪声包括空调、风机、电器设施和道路噪声。多数情况下，在30-50dB之间。我们以50dB为参照，那么我们扩声的最低值需要达到60dB即可。而最高值，则至少需要满足听感上的动态变化，即60dB+15dB=75dB即可。当然，也许需要更多一些音量，让听觉更舒适一些，播放的音乐内容动态更大一些，因此，可以再提升一些音量。但最大值不应该超过人们在这个环境里愿意承受的最大值(决不是生理上能承受的最大值)。参照语言类内容动态不超过20dB，disco音乐动态10dB，一般音乐动态20dB。因此，会议室的最大值定在60dB+20dB=80dB即可。再为系统增加6dB的余额，全系统最大值满足86dB就足够此会议室的听感了。
　　不过，以上数据还不够。因为，我们上述分析的是人耳听到的部分。事实上，音箱的安装距离人耳还有一些距离。我们需要减去距离带来的损耗。计算这个需要参考 “平方反比定律”：在自由声场中，每增加一倍距离，声音衰减6dB。
　　假设我们的音箱分布能够满足声场均匀度和声像要求的情况下，我们可以将会议室的音量最高值定在86dB+扩声补偿的数值。比如假设为6dB的补偿，则，系统扩声输出的最大值为86+6=92dB。系统音量范围为92dB～60dB之间。动态值为92-60=32dB。
　　这个数据非常重要。它决定了我们选择扬声器和功率放大器的依据，同时，它也是我们设定前端信号的动态值依据。
　　由32dB动态和92dB最大值这个数据，我们大概可以知道，音箱的灵敏度不是越高越好，而是它最低时能够清晰的分辨出声音的内容为最佳。
　　同样的道理可以类推到其他的声场扩声需求，比如演出环境的最低值和最高值之间是怎么样一个关系。
　　有了动态数据，下一步就需要找到品质补偿的依据了。这里所说的品质补偿，是指针对扬声器本身的缺陷而做出的补偿以及对环境的声学补偿。环境补偿往往又和声场分布设计有一定的关联。限于篇幅，环境补偿此处不再展开描述，以后文章中我们再一起探讨。这里只简单分析一下扬声器的补偿意义。

　　通常，我们拿到扬声器的说明书时，会有一些详细的参数，同时，还会附有扬声器的声学曲线图。这些图很好地将该音箱的工作能力体现出来了。那么这个曲线意味着它的工作范围，图纸中的曲线宽度就是它的频率响应范围，高度就是它的音量输出的能力范围。当它的最高值能够满足我们的系统要求的最高值，而它和它配套的功率放大器输出的最低值能够满足我们的最低值，那么这只音箱就是可以选择到本系统的产品。(功放输出的最低值可参考它的信噪比值)。但是这样还达不到我们用来作标准化设计的要求，最好能够提供音箱的补偿曲线，即用什么样的参数在电子设备中进行补偿，可以将此音箱的品质提升到最大化。达到最佳的品质输出。
　　除了动态的参数，我们还需要一个频率带宽的参数。即我们需要多少Hz到多少Hz之间的声音内容。通常可见的要求是20Hz～20KHz。但是，这实际上是理论上的人耳听觉范围。不同的工作需求还是有所区别的。以人的声音为例，男低音82～392Hz，基准音区64～523Hz;男中音123～493Hz，男高音164～698Hz;女低音82～392Hz，基准音区160～1.2KHz;女低音123～493Hz，女高音220～1.1KHz。也就是说，人类的声音范围在100Hz～1.2KHz范围就可以满足听清楚的需求了。加上各类谐波，可理解的纯语音，就只需要200Hz～3.5KHz，电话机的带宽上限就是4KHz;电视机的播音上限就是8KHz。高清电话会议的带宽也就是8KHz左右。在语言传输范围内，是无限无限制的提高带宽要求的。因为带宽提高会导致传输负担、相位干涉等很多其他的负面作用。
　　因此，我们在系统设计的时候，可以定义一个系统需要的频率范围。此范围可以用来规范系统各流程的最小值。比如扬声器和话筒。在系统的品质补偿环节，就是对扬声器的扩声带宽进行补偿和标准化。比如音箱的外置分频和均衡补偿。
　　2 规范输入端标准
　　当我们规范完了输出端的带宽和动态之后，就需要规范输入端的标准了。很容易理解的是对不同输入信号的增益进行控制。使输入信号的最大值在标准0dB左右，并保留一点音乐峰值的余额。(详见调音技巧类文章)。
　　除此之外，还存在一个输入的动态管理。我们已知本案例中，系统需要32dB的动态，不应该大于，也不应该小于这个参数。因此，我们就应该规范一下输入的动态范围。

　　图示为一个多节点的动态管理器。不同于一般的动态压缩器只有一个压缩转折点，它有多达四个动态转折点。红色线段为临界值，输入和输出等值。图中，2号点标准值0dB输入和输出端保持一致;1号点输出最大值为我们设定的+6dB的动态许可值，即系统允许最大输入25dB的额外动态时，最大输出仅输出6dB;4号最低值为系统允许输入的最低有效值，为-32dB，而更低的值则认为是无效值，做大幅度压缩处理，-32dB～-40dB之间降低输出到-60dB。5号点-40dB之下，则认为是完全无用的声音，大幅度衰减。这个效果与噪声门又有不同，不会出现声音中断的现象，只会平滑降低音量。
　　总结
　　至此，已经可以很好的规范了信号的动态管理，允许在我们系统许可的范围内正常工作，而无需担心系统过大和过小。其中保留了一个动态值3号点，可以用于特殊效果。比如是音乐播放，则保留在红色线段的临界值位置，不做任何处理。如果是语音，则可以做一些调整，比如压缩动态。效果区别在于演唱和语音演讲。演唱时，需要近讲效应，话筒需要距离嘴较近;而语音演讲时，需要嘴距离话筒较远，此时，就需要做较大幅度的压缩。
　　当我们分别做好了输入和输出的动态管理之后，再加上根据对环境的声场补偿之后，本系统的标准化设计就可以完成了。如果是大型系统，以矩阵为分界点，分别对输出环境和输入内容进行标准化处理，就可以搭建一个标准化的音频系统了。

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