试论扩声系统的节能（上）

hififei · 发表于 2008-11-5 23:06:37

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1 引言
“节能减排”是拯救地球、造福人类的大事，已在众多领域积极开展，但在扩声工程中却至今似乎仍是一片空白，而且扩声工程人为加大能耗的现象还愈演愈烈，其最典型的就是无原则地提高扩声功率和系统复杂性，使扩声系统的功率消耗大大增加、资源浪费严重。
笔者见过不足20 ㎡的卡拉OK包房用了最大声压级达140 dB的全频+低音扬声器系统；还见过同样是不足20 ㎡的卡拉OK包房用了YAMAHA 01V96数字调音台和两台TC XO24数字声频处理器。小小包房用上这两种设备本来已经够“意思”的了，却还另外配置了均衡器、压限器和效果器等数字调音台和数字声频处理器内本来已内置的信号处理周边设备，最“精彩”的是还加了1台Tlaudio5001电子管传声器放大器。最终32路数字调音台仅仅起了6路小型模拟调音台的作用，而数字声频处理器只用作分频器，并且用两台数字处理器分别作左、右声道分频。上述设备加上两台无线传声器接收机、反馈抑制器、3台功放和电源时序器等几乎装满1台2m高的机柜，机柜一直锁着使用，因为这么复杂的系统唱歌的顾客肯定不会、也不敢调控。
究其原因可能是业主盲目追求“档次”，而无良工程商便投其所好，设备越多利润越多，设计、安装、调试费也越高，正好大赚一笔。
上述现象在当前绝非个别，只是也许没有这个例子那么夸张而已。
笔者无力改变这种现象，但试图提出一些在扩声系统中节能减排的建议，因此不打算做理论分析，只是分别从建声设计、扩声设计和现场调控3个方面谈谈自己的看法。扬声器系统、功放、信号处理设备、调音台、信号控制设备和信号源，逆着系统信号流程是因为扬声器系统和功放是扩声系统的“能耗大户”，最具有节能潜力，因此最先讲述。
2 建声设计
就广义的扩声系统而言，扩声环境是扩声系统的一个重要组成部分。建声设计不仅影响扩声效果，而且也影响扩声系统的能耗。
由于中小型工程很少进行专业的建声设计，往往是由装潢设计来兼任，而绝大多数装潢设计人员缺乏专业的建声设计能力，只知道扩声场所需要吸声，于是采用大量的软包或穿孔吸声板来装潢，造成扩声场所吸声过度而且各频段吸声不均匀，不仅使音质受影响，也提高了对扩声功率的要求。因此，避免过度吸声可以降低扩声功率而节能。
室内声场中某一点的声压级除了直达声以外，还有反射声的贡献，特别是有益的早期反射声。如果建声设计时考虑设置适当的反射面、利用声扩散，使早期反射声得到充分利用，也能够减小扩声功率，达到节能的目的。
3 扩声设计
(1) 扬声器系统
扬声器系统是扩声系统最终端设备，却也是效率最低的设备，因为扬声器的电／声转换效率是比较低的，特别是直接辐射式扬声器，其电／声转换效率只有1%一4%，也就是说加给扬声器100 W电功率，扬声器输出的声功率只有1-4W。正因为如此，扬声器系统是扩声系统节能的最关键因素。
① 选用最大声压级适当的扬声器系统
设计人员常常根据扩声工程类别和要求，依据GB 50371-2006《厅堂扩声系统的设计规范》等国家或部标准中规定的不同类型和级别要求的最大声压级，通过“距离加倍声压级相差6 dB”来简单估算对扬声器系统要求的最大声压级，为了保险起见，还要再加一定的余量。
且不说GB 50371-2006标准只规定最大声压级是否合理，而按照“距离加倍声压级相差6 dB”估算出来的是直达声的声压级，前面提到过室内声场的声压级还有反射声的贡献。在进行EASE声场模拟时就可以很明显地看出，即使全频混响时间在1s以下，总声压级还是要比直达声声压级高出许多。
可见，通过上面简单估算的最大声压级一般不必再加余量已经够“保险”了。近年来，扩声现场音量过大已经逐渐引起人们的重视（后面还要专门谈到）。因此，不要一味追求声压级过高的扬声器系统。
实际上，现场扩声无论选择声压级多么高的扬声器系统，最终扩声的实际音量还是要受到传声增益的限制。

hififei · 发表于 2008-11-7 18:23:51

② 选用灵敏度高的扬声器系统
扬声器的灵敏度是可以表征扬声器效率的一个特性参数。由于功率和声压级是对数关系，如果扬声器的特性灵敏度级高3 dB，加给扬声器的功率就可以减少一半。也就是说，灵敏度分别为93 dB和96 dB的扬声器系统，要在距离扬声器中轴线1 m处得到113 dB的声压，前者要加上100 W功率驱动，而后者只要50 W。
有人说灵敏度低的扬声器音质更好，例如被HiFi发烧友趋之若鹜的LS3/5A扬声器灵敏度只有82.5 dB。其实不尽然，法国LMlab（劲浪）扬声器灵敏度都很高。对专业扩声扬声器更不必在意灵敏度高低对音质的影响。
因此，尽量选用高灵敏度的扬声器是扩声系统节能的最重要措施之一。
③ 选用功率分频扬声器系统
虽然电子分频系统通常可以取得比功率分频更好的音质，但其代价是必须分别用功放去驱动各路扬声器，使功放的数量和能耗大大增加。其实质量好的功率分频全频扬声器系统也具有优良的音质，因此从节能的角度出发还是尽量使用功率分频的整体或分立（中高音扬声器系统独立，但从低音扬声器系统取得功率分频的驱动）的扬声器系统。
④ 尽量减少辅助扬声器
滥设“辅助”扬声器可以说是目前扩声工程中最普遍的问题。笔者几年前应邀去解决一个中型多功能报告厅因明显的声音拖尾造成语音清晰度差、传声增益低等问题，去了以后发现该厅建声方面没什么大问题，但厅内除了两只返听扬声器和安装在舞台内的两只低音扬声器外，主席台口两边各吊装了两只全频扬声器，观众厅两边侧墙和后墙又每边各吊装了3只全频扬声器。在这10只扬声器“包围”下，致使厅内产生了严重的声干涉现象。于是，笔者只保留主席台口两侧各1只扬声器作为主扩声，其余8只扬声器的功放全部关闭，并取下两只装入舞台内低音扬声器旁作为前排补声以使声像下移。结果声音拖尾完全消失，语音清晰度很好，传声增益得到明显提高，声像一致性也明显改善。几年来接待多位名人讲学，效果十分满意。
造成滥设“辅助”扬声器的原因一方面是一些工程商缺乏正确的设计水平和调试手段，为了不易产生声反馈啸叫，就在观众厅大量设置“辅助”扬声器以提高听众附近的声压，以为这样就可以降低主扬声器声压而避免声反馈啸叫；另一方面便可能是前面提到过的利益驱使。
实际上，除非进深特别大而层高又很矮、或是建声太差以及主扩声扬声器会产生声阴影的有楼座的厅堂才需要考虑设置辅助扬声器。只要建声不太差、系统调试得当，主扬声器可以保证声压级和声场不均匀度达到指标，而且听众都在临界距离之内，既改善了声像一致性，又节省了辅助扬声器及其功放，显然符合节能和节省资源的目的。

伤心的骆驼 · 发表于 2010-8-17 21:20:49

(2) 功放
① 选用高效率功放
专业声频功放多年来的主流是AB类，它的效率可以达70%~80%，实际上是指单纯功率放大级在满功率时的效率值。实际上在输出功率很小的时候，功放管功率损耗明显增加，效率便大大下降，只有20%~30%。为此派生出了所谓G类和H类功放，它们都是使功率管供电电压随输出功率自动调整，低功率输出时功率管供电电压随之降低，以减小功率损耗，使功放效率得以提高。
近些年由于D类功放解决了开关干扰问题，已经在扩声领域得到愈来愈广泛的应用，其效率可达到80%~90%，而小功率输出时效率不像AB类那样明显下降，由于效率高，功率管的散热器也大大减小，因此D类功放功率损耗和资源损耗都很低。
开关电源的应用也提高了功放的整体效率。相比线性电源，它的功率损耗和资源损耗都要小很多，线性电源功放里单是那又大又重的电源变压器要消耗多少硅钢和铜材。目前AB类功放和D类功放都有使用开关电源的，尤其是D类功放和开关电源可以说是相得益彰。
现在D类功放价格还比较贵，其实它的生产成本比AB类功放低，其价格一定会逐渐走低。目前使用开关电源的AB类功放或许可以兼顾高效率和低成本。
② 功放的输出功率适当
为了取得足够的动态，设计人员常常把功放的功率余量设计得很大。其实除非是一些高动态场合，一般功放额定输出功率取扬声器系统额定输入功率的1.0 ~1.2倍就可以了，即使是高动态场合，一般有1.5倍也能满足使用要求。
功放过大的功率余量显然增加能耗和资源损耗，所以功放的输出功率要适当选择。

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