多功能厅音响系统的设计

多功能厅音响系统的设计摘要：随着教学环境的不断改善,大量的多功能厅的兴建对音视频效果提出了更高的要求.文章从电声技术的角度,就多功能厅音响系统的指标要求、声场和音响系统设计、设备间的连接与调试等方面作分析与探讨。关键词：多功能厅；音响系统；设计多功能厅是集会议报告、学术讨论、文艺演出、新闻发布、同声翻译等形式于一体的多种用途的厅堂。文章从电声技术的角度出发,就多功能厅音响系统的指标要求、声场设计、音响系统设计、设备间互连与调试等方面作分析与探讨。1扩声系统设计扩声系统的设计原则随着科学技术的进步，特别是数字技术在音频领域中的广泛应用，使得声音信号的记录与重放有了很大的改善。音质的好坏除了与声学环境和人耳的听觉特性有关外，更直接取决于扩声系统的合理设计，一般来讲在扩声系统设计遵循以下原则：（1）针对“人耳的听觉特性”进行科学的论证与设计；（2）以观众厅实际建声条件作为扩声设计基础；（3）紧密围绕“音质、方向感、响度与传声增益、稳定性”四项要素相对应的技术要求进行优化设计。就技术指标而言，主要根据声场所期望的最大声压级、声场的均匀度、传输频率特性以及报告厅空间的大小、混响时间等来决定扬声器的总功率、音箱的数量、每只扬声器的额定功率、频响特性及其应能提供的最大声压级。具体要求如下：（1）最大声压级、声场不均匀度、总噪声声压级、声场不均匀度、传声增益要达到国家标准GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中“多用途类扩声系统声学特性一级指标”要求（参见表1）表1GB50371-2006多用途类扩声系统声学特性一级指标（2）无声学缺陷，即无共振现象、无声染色、无声聚焦、无颤动回声、无声影区和死点；（3）声像准确，听者觉得声源总是来自主席台讲演者方位；（4）音质好，声音丰满、圆润、亲切、明亮、清晰，并有一定细腻感，失真小，质感强。多功能报告厅扬声器系统的布局是影响最终扩声效果的又一重要因素，应遵循以下原则：（1）整个观众席、主席台有均匀的响度、减少“死区”；（2）有稳定的系统频率响应和优美的音色；（3）尽量提高清晰度和可懂度；（4）创造适当的“声场”，给音乐有舒适的空间感，音响效果得到真实的表现；（5）声像一致性好；（6）有利于控制声反馈和避免产生回声干扰。扬声器的布置方式，一般分集中式、分散式以及将这两种方式混合并用三种方式。根据报告厅的具体形状该系统采用第三种混合方式，把全部4只全频音箱和2只低音音箱音箱分为两个群组布置在主席台左右两侧，每侧2只全频音箱和1只低音音箱，考虑到美观和两侧通道的需要，音箱全部采用内嵌式。由前述音箱的布局可知，一项工程可能使用很多音箱，其中最重要的是主音箱。主音箱通常不止一只，而是若干只，或者由若干只音箱组成若干个群组。每只音箱（或每组音箱群组）应有的额定功率可按下式估计：10lgPe=SPL+20lgr-SPLs公式（1）式中：Pe——音箱的额定功率（W）SPL——听音区期望的声压级值（dB）r——听音区与音箱的距离（m）SPLs——音箱灵敏度声压级值（dB/W.m）在本报告厅中，听音区与音箱的最大距离r=21m（参考图1），听音区期望的声压级值SPL=103dB（GB50371-2006要求），根据性价比全面考虑，预计选用Comuunity品牌的iHP1594音箱，该音箱的灵敏度值SPLs=99dB。代入公式（1）计算结果如下：音箱的额定功率：Pe=1100（W）已知单只iHP1594的额定功率为600W，由上述计算可知，每侧两只iHP1594（形成一个组群）即可满足设计要求。扩声系统特性测量及分析报告厅扩声系统安装、调试完成后，为了检验扩声实际效果，委托广州大学声像与灯光技术研究所检测中心对报告厅的扩声系统特性进行了全面检测，检测严格按照国家标准GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中“多用途类扩声系统声学特性一级指标”所要求的各项特性指标进行。（1）传输频率特性测量数据分析一多功能报告厅的平面简图如图1所示:图1多功能报告厅的平面简图及测量点位置分布图根据报告厅的形状左右对称特点，选择左侧有代表性的五个测量地点、在63Hz~8000Hz频率范围内共计22个特征中心频率点进行了测量，测得的传输频率特性曲线如图2所示。传输频率特性曲线(8.00)(6.00)(4.00)(2.00)0.002.004.000200040006000800010000倍频程中心频率（Hz）相对声压级(dB)图2报告厅扩声系统传输频率特性曲线图由上图可知，本报告厅达到GB50371-2006多用途类扩声系统声学特性一级指标要求，即：以1000~6300Hz的平均声压级为0dB，在此频带范围内允许-4~+4dB；在50~100Hz和6300~12500Hz的频带范围内允许-6dB~+4dB。（2）传声增益测量数据分析以传声器点基准声压为90dB，测得的传声增益5个测量点的数据分别为：-88.1dB、-90.3dB、-87.5dB、-85.7dB和-85.7dB。经计算传声增益空间平均值为-2.54dB，满足多用途类扩声系统声学特性一级指标要求：传声增益125~6300Hz的平均值≥-8dB。（3）最大声压级测量数据分析测得的5个测量点的最大声压级数据分别为：111dB、110dB、108dB、106dB和108dB。符合多用途类扩声系统声学特性一级指标要求：即额定通频带内最大声压级≥103dB。（4）稳态声场不均匀度测量数据分析稳态声场不均匀度测量曲线如图3所示。稳态声场不均匀度曲线-10123456780123456测量点不均匀度（dB）系列1系列2图3稳态声场不均匀度曲线图上图中，系列1曲线为1000Hz频率的稳态声场不均匀度曲线，系列2曲线为4000Hz频率的稳态声场不均匀度曲线。由上图可知，在1000Hz和4000Hz两个频率点，报告厅稳态声场不均匀度均符合多用途类扩声系统声学特性一级指标要求，即：对于1000HZ，稳态声场不均匀度≤+6dB对于4000HZ，稳态声场不均匀度≤+8dB；（5）系统总噪声级测量数据分析报告厅平均噪声测量数据曲线图如图4所示。平均噪声曲线图0204060800200040006000800010000倍频程中心频率（Hz）平均噪声（dB）系列1系列2图4报告厅平均噪声曲线图上图中，系列1是报告厅平均噪声测量数据形成的曲线图，系列2是国家标准GB50371-2006中定义的噪声标准。由上图可知，该报告厅总噪声级符合多用途类扩声系统声学特性指标一级指标（NR≤20）的要求。2多功能厅音响系统的指标要求多功能厅音响系统的设计必须围绕实现电声指标来展开,音响系统一般要满足下面的指标要求：(1)足够的音量。这是音响系统中最重要的指标。根据中华人民共和国文化部行业标准WH0301-93(以下简称“标准”)。最大声压级(空场稳态)为：语言扩声90dB，卡拉OK厅一级≥110dB，二级≥103dB。多功能厅既用于语言的扩声,又用于音乐、音响的重放。声压级要求达到103dB。(2)良好的音质。音质主要取决于系统的失真度和传输频率特性。“标准”允许的非线性失真度为5%以下。一级厅堂的传输频率特性指标在40Hz～12.5KHz之间允许+4dB～-8dB。(3)均匀合理的声场分布。“标准”要求一级厅堂重放声音声压级不均匀度在1KHz～6.3KHz之间不大于8dB,在100Hz处不大于10dB。(4)尽可能小的本底噪声。(5)适当的传声增益。“标准”规定,传声增益应不小于-10dB～-6dB。(6)良好的声反馈啸叫抑制能力。厅堂扩声必须使系统的扩声增益控制远离自激状态有6dB的余度,以维持系统扩声的稳定性。3多功能厅的声场设计声场设计的目的是为音响系统建造一个理想的扩声空间。将电声设备的性能充分地发挥。在严格的建筑装饰设计中,一般都要进行声场设计.声场设计主要有以下几个方面。(1)隔声处理.隔声处理包括与外界的隔声、扩声房间之间的隔声。通常高等级的音响工程室内总噪声要求控制在35～40dB以下,室内声音传到外界一般不要高于外界平均值10～15dB。隔声的部位有墙壁、门窗与天花板.通常厅堂与外界的隔墙大多数能满足音响工程的要求。但如果音响系统的声压级比较大,工作时间又是在夜间,就应该增加墙壁厚度.门窗是隔声的重要部位,不要让门窗产生缝隙,遇到门窗经常开关而室内外的声音又比较大时,可以考虑设置声隔离通道.天花板的隔声也不容忽视,房顶不是混凝土结构而是采用棚架结构时,天花板的声泄露就比较严重,需要对天花板的材质和安装质量提出比较高的要求。(2)现场噪音的降低。大多数音响工程为了通风和降温的考虑,都要安装空调、通风机等设备,这些设备工作噪音在一定程度上会影响声场的质量,设计时要有针对性地加以考虑.空调和通风设备最好选择噪音低、工作稳定的产品,安装时尽量让空调的压缩机远离门窗,功率较大的通风机噪音难以控制时,可以将通风机安装在风道内。(3)声场均匀度的实现。按声场均匀度的指标要求,在整个扩声区域内各处声压值偏差在10～12dB以下.可以通过选择建筑装饰结构和音箱的布局来实现声场的均匀.建筑结构应该避免扩声区域出现较大的立柱和较大的凹形结构,建筑装饰要让整个区域的装饰结构和材料基本一致.对于狭长厅堂的扩声,一定要使音箱的扩声区域沿长边展开.空间较高的扩声要将音箱位置抬高,并略微向后场倾斜。(4)声场缺陷的避免。音响工程一般都不同程度地存在各式各样的声场缺陷,有声聚焦、声振颤、声反馈、声音共振等.这些缺陷引起的问题在实际使用中很难解决.有效的解决方法是在建筑装饰设计施工的时候,从以下几方面考虑:不要在扩声区域设置大面积光面的凹形结构,避免声聚焦的发生;不要在声压较大的区域设置两个平行的反射性强的墙面,可以有效地避免声振颤;声音的共振与装饰选材和施工有密切关系,要避免在扩声区域设置较大的空腔体,要求装饰工艺合理,不要让材料连接处松动。(5)混响时间的计算。混响时间是声场设计中比较容易控制的量化指标.如果设计得当,声场的效果表现就会非常出色,声音圆润、饱满、清晰.混响时间控制的关键是通过相应的计算,指导装饰结构的设置和材料的选取,以便能达到相应的混响时间目标值.设计中可以查找“视听声室推荐混响时间图(表)”来确定混响时间的取值.在工程计算中一般采用艾润公式来计算。4多功能厅音响系统的设计4.1确定音箱的布局音箱是电声系统的支柱。系统的具体结构依赖于音箱的布局.音箱的品牌、规格、布局直接决定了工程的效果,是电声系统中最重要的环节.从技术指标来说,音箱是整个电声系统中最不成熟的环节.无论是频响、失真、动态范围以及效率,所能达到的水平都比系统中的其它环节低的多,而价格却相对昂贵.系统的具体结构和其它设备的选配都应在选定音箱的基础上,按照与音箱档次相匹配的原则和系统应有的功能来考虑.选配音箱,首先必须确定音箱在厅堂中的布局方案,然后根据厅堂的风格、档次、投资额度确定音箱的品牌和类型.再根据音箱所覆盖的听音区及其声压级要求估算音箱的功率,最后决定音箱的具体型号.一个电声系统可能有许多音箱,有主音箱、中置音箱、超低音音箱、反送音箱、环绕音箱、监听音箱等.其中,主音箱是系统的主干,原则上应是全频域音箱,至于其频响宽度,在很大程度上取决于投资.由于决定声音清晰度的高音分量在厅堂中很容易衰减,在要求高的系统中主音箱须辅以高音号筒。4.2音箱的选配音箱的选配主要根据声场所期望的最大声压级、声场的均匀度、传输频率特性以及厅堂空间的大小、混响时间等来决定音箱的总功率,音箱的数量,每只音箱的额定功率,频响特性及其所能提供的最大声功率.首先须确定音箱的额定功率.一项工程可能使用很多音箱,其中最重要的是主音箱.主音箱一般不只一只,每只音箱(或每个音箱群组)应有的额定功率可按下列公式估算:10lgPe=SPL+20lgr+SPLs式中,Pe-音箱的额定功率(W),SPL-听音区域期望的声压级值(dB),r-音箱与听音区域的距离(m),SPLs-音箱灵敏度声压级值(dB/W/m),音箱的额定功率应不小于计算出来的Pe值.考虑室内混响