扩声系统中的音频设备

贵州家电维修网 http://www.gz112.cn 2008-1-2 18:21:14 来源:互联网

来源:电子标准论坛


扩声系统是声源和听众在同一个时空里的声音增强的电子系统,这个空间是个大空间,听众听不到直接来自声源的声音,需要通过增强进行传输。这个过程是实时的,并且在一个共用的空间内,譬如,在室内大厅,如音乐厅、歌剧院、戏剧院、多功能厅、会堂、体育馆,在室外典型的是体育场。它区别于有线公共广播系统(声源同听众不在一个空间)、放声系统(其声源是存储在磁带或唱片中的节目信号,非实时的),也区别于会议系统(其发言人和听众是全方位的)。不同的是声学关系,因为扬声器和传声器在同一个时空里,由声信号相耦合而组成一个闭环系统,由于声音的正反馈,当满足系统不稳定条件时,系统出现啸叫,并且在临界点附近的传输会产生失真。


扩声系统的基本组成由传声器、调音台、功率放大器、扬声器以及中间增加了各种信号处理设备(也称周边设备)这样五大功能块,随之数字化和网络化,设备的更新换代,使系统的整合和控制、信号的传输和调整的方式也随之而变,下面来谈谈反映在设备上的变化。


1、传声器


数字化和网络化对传声器没有太多的冲击,从换能原理上仍然是:电容式、电容驻极体式和宽带动圈式,在指向性上有心型、超心型、宽心型,在应用上音质的多样化,也就是对不同的乐器和人声有不同品牌和型号的传声器对应选择,还有,克服传声器接收时的“梳状滤波”失真的压力区(PZM)传声器……都有各自的使用空间。


无线传声器是传声器的特殊分支,它能适应演员在剧场上的大范围的移动。其中,解决接收“死点”、动态范围和频率稳定性问题,仍然是无线传声器的主要技术关键,宽带调制和结合压扩技术的窄带调制是它采用的两种调制方式,它的使用方式有手持式、头戴式和佩带式,克服近讲气流声、手持和衣服的摩擦声是它要解决的通常问题。


当有多个传声器工作时,会增加系统的增益,因此会产生声反馈而啸叫,传声器之间的信号延迟会产生“梳状滤波”失真,现在也有相应的技术和设备自动调节解决这类问题。


现场5.1声道的环绕声拾音的传声器配置组件也提出来了,我们知道,立体声拾音使用多传声器多轨时由调音台中的全景电位器(PanPot)控制声象,而使用主传声器法时传声器的配置有专门的制式如X/Y制、M/S制、A/B制。现在,对5.1声道的主传声器法也有几种制式如ASM(AdjustableSurroundMicrophone)5,INA(德语“理想心形指向性布置”的缩写)等。


对于未来,使用专门算法的传声器阵列技术也可能用于扩声中的传声器。


2、调音台


调音台是音频节目信号的调控中心,其输入可以是多个传声器、各种音源设备(如CD唱机),然后,由调音台统一调配,各路信号可以进行增益调节、相位调正、简单频率均衡、然后进行编组、合成输出。调音台有简单到复杂的各种挡次和价位。


数字式调音台是目前热门的话题,在重要的扩声系统的方案评审中都会有是选用“模拟”的还是“数字”的讨论,数字式的,当然是先进,其客观指标较高,输入等效噪声电平和输入动态指标较优,对调音状态可以存储下来,对大型演出复杂的调音自然方便多了,但录音师会感到使用的界面和操作不习惯,还有两个问题,一个是“死机”问题,另一个是操作过程中的菜单“翻页”,这两个问题应该说已经有许多补救措施,应该说不会出现系统故障,当然还有价格问题。


我认为“模拟”和“数字”会共存很长一段时间,现在还很难预测,数字调音台会还是不会替代模拟式调音台。


5.1声道环绕声调音台。传统的调音台有两路母线(总线),即终端是两路立体声输出,5.1声道环绕声调音台,有至少6路母线,多路输入信号各自的声象需要定位在XY平面上,定位是通过信号的增益调节分配到6条母线上,操作上可以是屏幕显示,摇柄操作。5.1声道环绕声调音台也有“数字”和“模拟”的,模拟的声象需要至少5个类似立体声中的全景电位器,也称声象摇移控制器。在扩声系统中极少使用5.1声道调音台,而5.1声道的电影还音是很普及的事情(当然电影还音不需要调音台),在小型多功能厅只要解决拾音问题,加上5.1声道调音台就可以实现5.1声道的扩声。当然对大的场馆,从观众席的角度判断也不可能设置环绕声。


3、信号处理周边设备和媒体矩阵(MediaMatrix)


在调音台输出到功率放大器输入之间,可以引入一些系统加工设备,压限器(compressors/Limiter)、均衡器(equalizers)和电子分频器(crossovers)、混响、延迟等设备。


压限器由压缩器和限幅器组成,压缩器对大信号和小信号有不同的放大倍数,大信号有较小的放大倍数,从而使信号的动态范围压缩到预定的较小范围内,以适应随后设备的动态范围要求,限幅器限制信号的最大电平,当信号中出现如炮声这样的高电平信号上进行限幅处理,使之不会随后传输时出现削波失真。


均衡器,是进行多频段的频谱均衡,调节系统的频率成分,它可以是1/3倍频程间隔的30段均衡器。


电子分频器是针对扬声器的,也是扬声器管理的一部分,扬声器在频域是分频段工作的,在空间是分区域分配的,所以扬声器的管理有信号的分配和分频,在完成分配和分频后才由各自的功率放大器去完成功率的放大。电子分频是低通、带通和高通滤波器。


模拟设备由一台又一台独立的设备实现每一种功能,对于分布式的扩声系统,这些设备会装满几个机架,还有大量的电缆线用来连接它们。最初的数字设备也是独立的单一功能,除了上述问题,还有每台设备重复的模数和数模变换,累积了量化失真问题。


媒体矩阵(MediaMatrix)由一台设备完成上述所有功能,而且可以多路输入和输出并行工作,扩声系统组网时作为路由器,也可以作调音台使用。它的操作是设计师在屏幕上使用鼠标进行菜单编辑,并完成设计的原理方框图的连接。


媒体矩阵(MediaMatrix)由数字信号处理器(DSP)芯片为核心的硬件系统配以专用版本的软件系统组成,它的网络连接是在以太网(Ethernet)的结构上使用Cabranet协议完成音频信号和控制信号的传送。


媒体矩阵只是美国百威公司的一组产品,其他公司同类产品还有,如美国Symetrix公司的Symnet音频矩阵(AudioMatrix),英国BSS公司的Soundweb系列产品。


4、功率放大器


新一代的功率放大器有三个输入接口:模拟输入、数字(AES/EBU)输入和网络接口,这就是数字化和网络化。


模拟输入就是传统的模拟输入,这同传统功放没有区别。


数字输入,是输入PCM数字信号,即0,1的二进制数字信号,通过数模转换,转换成模拟信号,经前级放大进入功率放大器,功率放大器还是模拟的。它不是现在说的所谓“数字功率放大器”,所谓“数字功放”,最早是D类放大器,它将模拟信号脉宽调制(PWM)的信号,通过一个低通滤波器输出,PWM信号不是我们原先定义的数字信号即PCM信号,后来美国德州仪器(TI)等公司推出由PCM码流转化为PWM的芯片,他们称为纯数字音频放大器(TrueDigitalAudioAmplifier),这样就叫出来了,其实应该叫“功率型数模转换器”,不是原来意义上的数字信号的“放大”,PWM信号大小就是它的输出功率。这类功放的特点是效率高,电源变压器可以小些,音质不是它的特点。目前还没有看到把它用在扩声系统中。


网络接口是实现对功放的远程调节、分组、控制、监测和开关,调节主要是调节增益,监控是功放温度测定、功放保护状态、负载状态监控、输入/输出状态控制,电源开启、关闭和休眠等,在控制室用一台PC机和专用软件通过功放的网络接口实现操作。


这就是功放的数字化和网络化,如果使用以太网(Ethernet)和Cabranet协议则可以在网上实现音频信号传送和控制信号的监控。


另外,功率放大器还发展了各种保护电路,保护自己不损坏,保护负载扬声器不损坏,而且不会过载停机,以及超高频和射频干扰保护等。


5、扬声器


扬声器的种类、品牌很多,每个品牌都有自己的系列产品,对扩声系统来说,扬声器的分配布置是设计的关键,用EASE软件进行声场仿真时,在场馆体型确定后,扬声器的指向性和它的布置是主要参数,扬声器布置分集中式和分布式,选用的扬声器也不同,扬声器指向性是窄还是宽同远距离投射还是近距离投射有关。这里我只想谈两个问题,也是这次北京国家大剧院的法国设计方案中最有争议的两个问题:①不使用有源扬声器系统②选用线阵列扬声器系统。


有源扬声器系统指的是功率放大器组合在扬声器箱体内,它采用电子分频,每个频段有独立的功放,它整合后,由自己内部解决匹配、频率均衡等信号处理问题,使整体性能更加优化(它完全不同于多媒体有源音箱),国外知名品牌的扩声用扬声器系统如美国MeyerSound公司,德国d&b公司都使用这种技术。如果建议不使用有源扬声器系统,也就是放弃这种优良的技术,提出不使用的原因可能是考虑防火安全,或者是每个扬声器位置需要配交流电源。


线阵列(lineArray)扬声器系统,线阵列扬声器的原理在上世纪60~70年代也曾被广泛应用,后各种号筒扬声器的出现,它逐步退出视线,重新提出是在上世纪90年代后,并在本世纪初达到了高潮,各大知名公司都推出他们的系列产品。它的基本原理是,排列成线列的一列同间距的相同的声源,同相辐射时,它呈现线声源的特性即柱面波传播,它不同于球面波发散,其声压随距离增加一倍减3dB(不是球面发散的6dB),这样可以有更远的传播距离。线阵列扬声器有几个条件参数:


满足柱面波的近场距离,超过这个距离则按球面波发散。


这个距离同波长有关,低频的近场距离短,高频的远,计算该距离时还要考虑一个约束条件,即满足柱面波的允差。


声源单体的间距d>λ/2时,指向性会出现旁瓣。


当声源不满足同相幅射时,而成为相干的有限个脉动球源组成的线列源仍然按球面发散。


当前的线阵列加进了数字信号处理(DSP),调节波阵面,调节相位等来控制指向特性,加之承受功率大,辐射距离远,覆盖的声场均匀,它被广泛地用于大型的扩声场所,在北京国家大剧院提出这个问题,法国的设计是选用线阵列而排斥其他方案,不同的意见是,线阵列是适用大型的扩声场所,大的空间,而象北京国家大剧院的音乐厅是不适用的,另外,传统的古典音乐,喜欢音箱隐藏的,只有流行音乐、摇滚才有把音箱外露的布置,所以不主张使用线阵列。


上面介绍了扩声系统中的音频设备的近期发展趋势,它只是专业音频设备的一部分,专业音频设备还有:公共广播系统(机场、车站、楼宇),广播录音、监听系统,会议音频系统,同声传译系统,科技馆展览厅的解说播音系统,园林景点展示的解说播音系统(每个点解说词不同,互相又不能干扰),都有专用的技术。也值得我们去关注。

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