漫谈声频工程中的几个误区

yinxiang999 · 发表于 2010-7-1 12:24:53

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随着文化事业的蓬勃发展和人们文娱生活的内容日益丰富，声频工程的数量迅猛增加，质量大幅度提高，从事声频工程的人员也越来越多。但是在声频工程设计领域内，一些人仍然对声学概念认识不清、界线模糊。这种现象对提高声频工程质量极为不利。本文想通过简单的描述，指出其中的问题，澄清一些概念，抛砖引玉，希望能引起大家的重视，进而作更深入的讨论，以利于提高声频工程设计的整体水平，提高工程设计的质量。
　　一、功率放大器的储备功率与扬声器标称功率之间的关系
在声频工程中功率放大器的主要功能是放大信号并提供负载（扬声器系统）足够的功率。功率放大器对音质的影响主要取决于输入信号能否在不失真的状态下得到放大与传输，给负载以足够大的功率。功率放大器放大和传输的节目信号不同于简谐信号，是一个瞬时变化的复杂信号。它具有很多尖峰，它们的能量不大，但是峰很尖、很高。这些尖峰对响度的贡献很小，但对音质影响却很大。如果发生削波，则放大的声音听起来让人感到发燥、发硬。如果只注意能量的传输（对应的量为响度），而不注意传输过程中波形的变化，那麽，我们有可能听到的声音很响，但是不好听。
　　根据多种乐器和不同剧种节目信号的调查结果[1]，大部分节目信号的最大均方根功率（即节目信号的峰——峰值在负载上的功率）与平均均方根功率（即节目信号在负载上的平均功率）之比为3~10，最高达12.7。如果功率放大器的额定功率对应于节目信号的平均均方根功率，那麽功率放大器的最大输出功率应为其3~10倍方能保证输出信号不出现削波。这就是为什麽我们选用功率放大器的功率比放大节目信号的平均均方根功率大得多的缘由，这也是我们通常说的功率储备。
　　我们在一些介绍声频工程设计的文章中常看到这样的一些说法：“为了保证功放所配接的扬声器系统的安全，要求功放的额定输出功率与所配接的扬声器系统的标称功率相当”，“为了保证足够的功率储备，通常选用扬声器功率的1.2~2倍的功率放大器”等。这样的提法是否表明该系统已经考虑了功率储备或功率储备已足够了，不会出现的功率与扬声器的功率不是同一概念。
　　功率放大器的输出功率一般是指一定失真限制条件上的正弦输出功率。例如，厂家规定的总谐波失真为0.1?，当功放在额定负载上的输出信号达到该失真时的输出电压称为最大输出电压，用这电压来计算功率放大器的输出功率，就是功率放大器的输出功率，这也可以理解为该功放的最大输出功率。而扬声器的标称功率，厂家经常提供的是粉噪功率，它是指在扬声器额定频率范内，馈给以规定的模拟节目信号，连续工作100小时而不产生热和机械损坏的功率。显然，这两个功率是从完全不同的角度作出的规定和测试的，两者是不可比的。如果厂家能提供扬声器的正弦功率（指用正弦信号作为测试信号时馈给的功率），则两者有可比性，然而，厂家一般不提供这一数据。那麽，对扬声器而言，扬声器的粉噪功率与正弦功率是否有一定的对应关系呢？正确的答案是——没有！扬声器的粉噪功率和正弦功率对于不同结构、不同材料和不同规格的扬声器完全不同，后者还与频率有关。因此，我们可以说在声频工程中用功率放大器的功率与扬声器标称功率作比较以表征其功率储备的方法是不可取的。
　　在声频工程中所需的扬声器的功率与听众区所需的声压级、声源的指向特性、声源覆盖的范围以及扩声场所的声学环境等有关。而所需的功放的功率与扬声器的辐射效率、被放大的信号的特性和对音质的要求等有关，并不是千篇一律地选用1~2倍的扬声器的标称功率就能满足所有演出的需求。
　　二、扩声系统的最大输出声压级与准峰值的关系
我们在定量描述交变信号时常用有效值来表示。它是指某一时间间隔内信号的瞬时值的平方根值，其定义为：式中：Urms是信号在时间T内的有效值；u(t)是信号的瞬时值；T是时间间隔。

　　有效值广泛用于交变信号的度量，它表示信号所具有的能量，有明确的物理意义，可以精确计量。测量放大器的表头，声级计上的读数，以及万用表上电压指示等均属此类。然而，用有效值来指示声频工程中语言信号或音乐信号却有其不足之处。因为语言或音乐信号不同于简谐信号是一种瞬时变化的号，它有很多尖峰。在录音或现场扩声的调控中，我们不仅需要知道它的能量大小，更关心的是它的峰值。为了表示信号波形的特征，引入了峰值因子这个物理量，它等于信号的峰值与有效值之比。对于简谐信号，其峰值因子为1.4，而语言信号的峰值因子一般为3~5，音乐信号的峰值因子更高[1]。例如，钢琴协奏曲为12.7，，木琴为11.15，琵琶独奏为7.1，交响乐为7.1等。

在声频工程中，声音的强度与有效值有关，我们可以通过调音台和监听很容易控制它的大小。在调音台中我们更希望了解的是信号的峰值在哪里？有没有被削波？有效值表头只能告诉我们信号的能量大小，而不能指示信号的峰值。为此，提出了新的物理量：准峰值，它是用与声信号有相同的峰值的稳态简谐信号的有效值表示的值。对于简谐信号，准峰值就是有效值，而对于复杂信号，则知道其峰值就可以确切地知道其峰值的大小，即比准峰值大3dB，这对节目信号的控制非常有利，可以有效地防止设备对节目信号的削波。准峰值完全是应声频工程的需要而提出来的，不像有效值那样有明确的物理意义，它是一个相对量，不能精确计量。

　　根据准峰值的概念设计的表头称为峰值节目电平表。它利用表头很短的积分时间（表头上升时间5ms）来指示瞬时变化的信号的准峰值，给调音师一个信号，再加3dB，即为信号的峰值，以避免信号被削波。为了校准表头，规定1kHz稳态正弦信号，输入1.55V时为基准值（+6dB,0dB=0.775V）。该表头在某一瞬间的指示值的大小是一个相对量。显然，扩声系统的最大输出声压级用准峰值来表示是不恰当的，应该用有效值来表示。至于扩声系统能否保证被放大的信号不削波应由功率储备来确定。

　

yinxiang999 · 发表于 2010-7-1 15:23:05

　三、堂的混响时间与扩声系统的关系

　　厅堂的混响时间是一百多年前美国物理学教授W.C.Sabine提出的，用稳定声能在室内衰减60dB所需要的时间来衡量厅堂的音质，并提供了计算室内混响时间的经验公式。尽管一百多年来科学工作者提出了很多影响厅堂音质的声学参量，但是至今混响时间仍然是厅堂声学设计中唯一能定量计算的参量，也是一个公认的最成熟的厅堂音质的评价量。它反映了室内不同频率的声能随时间衰减的特性，它是建筑声学的一个重要的物理量，它是一个独立的参量，与扩声系统没有关系。那麽，为什麽在混响时间测量时，采用不同的扬声器作为声源，在不同位置和不同数量的条件下，结果会不一样呢？此外，在同一厅堂中采用不同的扬声器分布，主观感觉也会不一样呢？

其主要原因如下：混响时间是一个与建筑结构有关的物理量，在测量时必须选用无指向性声源作为测试声源。例如，发令枪、多面体球形声源。它要求声源向各个方向的辐射是相同的，这样才能充分反映出室内各个面对声波的吸收与反射。如果采用扩声系统中的扬声器作为测试声源，则它的指向性将直接影响混响时间的测量。这在国际标准中有明确的规定，不得选用商用扬声器作为测试声源，因为采用不同的扬声器将会得到不同的结果，测试的结果有随意性，不是很可靠的。

　厅堂使用的实际情况是装有扩声系统的，扩声系统的正确使用会影响人的听感。例如，在国外的大教堂内空间较大，壁面又不允许做吸声处理，因此，混响时间一般都比较长，在教堂的后座听不清楚。电声工作者在教堂内柱子的侧面安装了由小扬声器组成的声柱，朝向听众，起到了很好的效果（笔者曾亲身聆听过）。从声学角度看，采用小声柱增加了扬声器系统的指向性，改善了覆盖区域，增强了直达声，提高了语言的可懂度。从传输频率范围看，采用小扬声器辐射，它的频率范围比较窄，没有低频辐射，不会激发低频混响，但是对于语言传输已经满足了要求。从辐射声功率来看，小扬声器的辐射功率比较小，很快衰减不足以激发室内的混响，克服了长混响对语言的干扰。

　　在厅堂内增加直达声的强度可以减小厅堂内混响的影响，但是不能改变厅堂的混响的时间。因为厅堂的混响时间只决定于室内空间的大小，壁面吸声材料的性能、结构和分布，以及室内的设备，包括听众对声能的吸收和反射，与是否装有扩声系统无关。

　　四、音质与RASTI值的关系

　　一个厅堂设计，建造成功以后，如何来评价它的音质好坏，一直是人们研究的一个重要方面。根据现代观点，可以把厅堂看成是一个声音的传输系统，厅堂音质的好坏与声音的传输质量有关。评价传输系统的好坏有一些客观的物理量。例如，响度、混响时间、频率传输特性和失真度等。但是，实际声音的传输效果是由人去听的，人的主观听感评价是最终的判断。往往客观的测试与主观评价并不完全一致。人的主观听感评价主要是有：语言可懂度和清晰度。通过发音人发出的语言单位，例如，音节、单字、词汇或句子等经被测系统传输后，用能为听者正确辨认的百分数来评价被测传输系统的语言可懂度或清晰度。这种评价的方法，对发音人和听音人有一定的要求，做一次评价，组织工作要花费不少的精力，涉及面大，所以一般不常做。为此，在评价一种与人的主观评价一致的客观测试方法来替代。

　　上世纪70年代开始，T.Hougast和H.T.M.Steenken进行了一系列研究：从调制传输函数出发，对与语言统计特性有关的不同频率的调制信号，测量经过被测系统前后的调制系数的变化，再转化成与语言清晰度有关的一个单一的归一化函数——语言传输指数STI，最后建立起语言清晰度与语言传输指数的对应关系。这种方法要实施也很繁琐，一个条件需要测试98个调制传输函数，然后再进行计算。于是，与丹麦B&K公司合作拓展了一种称为快速语言传输指数RASTI方法。在此方法中调制传输函数只按两个对语言清晰度最主要的倍频带（500Hz和1000Hz）和9个调制降低因子来计算，大大地简化了测量方法，使得该方法能得以推广。实验证明，主观试听与RASTI方法所得结果之间有一定的相关性，于是1988年IEC268-16发布了此内容的技术报告，作为厅堂扩声系统清晰度的客观测量方法得到了认可。在最早的IEC268-16文件的附录中还给出了RASTI指数与语言传输质量的对应关系，列出了定量评价的RASTI值。但是后来发现，这定量评价的推荐值尚需进一步研究，于是取消了这定量的关系。然而，我国在没有进一步工作的前提下，普遍借用这关系作为一个依据来评价厅堂的语言传输品质之间的关系，著名的EARS软件的创始者之一W.阿诺德认为RASTI方法主要用于调试和校正扩声系统，不能用于预计或设计目的[3]。

雨落天外 · 发表于 2010-7-1 16:02:35

欣赏，分享了啊

745 · 发表于 2010-7-1 16:26:24

找了好久教程，不错啊，我收藏了，谢谢楼主啊！~:@

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