現(xiàn)代音響與調(diào)音技術(shù)(第四版) 課件全套 王興亮 第1-8章 音響技術(shù)基礎(chǔ)知識 -擴(kuò)音系統(tǒng)的調(diào)音技巧

第1章音響技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1聲學(xué)基礎(chǔ)1.2聲源、聲場及室內(nèi)聲學(xué)1.3音響系統(tǒng)的分類和組成1.4音響系統(tǒng)的電聲性能指標(biāo)1.5立體聲基礎(chǔ)本章小結(jié)

1.1聲學(xué)基礎(chǔ)

1.1.1-聲波的基本特性

1.聲波和聲音

聲波是機(jī)械振動或氣流擾動引起周圍彈性介質(zhì)發(fā)生波動的現(xiàn)象。聲波也稱為彈性波。

聲波的定義有兩種:一是彈性媒質(zhì)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度等的變化或幾種變化的綜合;二是聲源產(chǎn)生振動時(shí),迫使其周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)往復(fù)移動,使空氣中產(chǎn)生附加的交變壓力,這一壓力波稱為聲波。產(chǎn)生聲波的物體稱為聲源。傳播聲波的物體稱為媒質(zhì)。聲波所波及的空間范圍稱為聲場。

聲音是聲源振動引起的聲波傳播到聽覺器官所產(chǎn)生的感受。所以說,聲音是由聲源振動、聲波傳播和聽覺感受這三個(gè)環(huán)節(jié)所形成的。

2.聲速、波長和頻率

聲波可以在空氣、液體及固體等媒質(zhì)中傳播,但不能在真空中傳播。

聲波在媒質(zhì)中每秒鐘傳播的距離稱為聲速,用符號c表示,單位為m/s。聲速與媒質(zhì)的密度、彈性等因素有關(guān),而與聲波的頻率、強(qiáng)度無關(guān)。當(dāng)溫度改變時(shí),由于媒質(zhì)特性的變化,聲速也發(fā)生變化。

聲波在一個(gè)周期T內(nèi)傳播的距離稱為波長,用符號λ表示,單位為m。聲波每秒鐘周期性振動的次數(shù)稱為頻率,用符號f表示,單位為Hz,周期T和頻率f互為倒數(shù)。

聲速、波長和頻率之間的關(guān)系為

由于在同一媒質(zhì)中,聲速是固定不變的,因此,聲波的頻率越高,其波長越短,反之,則波長越長。

1.1.2聲音的特性參數(shù)

1.頻率與倍頻程

頻率與聲音的對應(yīng)關(guān)系是:頻率低,相應(yīng)的音調(diào)就低,聲音就越低沉;頻率高,相應(yīng)的音調(diào)就高,聲音就越尖銳。人耳可以聽到的聲音,即可聞聲的頻率范圍通常是20Hz~20kHz,這一范圍的頻率稱為聲頻或音頻。頻率低于20Hz的稱次聲,高于20kHz的稱超聲,次聲和超聲都是人耳聽不到的,但有的動物卻可以聽到,這兩種聲頻通常對人體有害。

倍頻程定義為兩個(gè)聲音的頻率或音調(diào)之比的對數(shù),其公式為

式中:f1———基準(zhǔn)頻率;

f2———欲求其倍頻程數(shù)的信號頻率;

n———倍頻程數(shù)。n可正可負(fù),也可以是分?jǐn)?shù)或整數(shù)。

2.聲阻抗與特性阻抗

媒質(zhì)在波振面某個(gè)面積上的聲阻抗是這個(gè)面積上的聲壓與通過這個(gè)面積的體積速度的復(fù)數(shù)比值。其單位是聲歐,它的倒數(shù)稱為聲導(dǎo)納。聲阻抗的實(shí)部稱為聲阻,虛部稱為聲抗。

媒質(zhì)中某點(diǎn)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的復(fù)數(shù)比值稱為聲阻抗率,其單位是(Pa·s)/m帕秒每米),它的實(shí)部是聲阻率,虛部是聲抗率。

聲場中聲阻抗Za定義為表面上的平均有效聲壓p與經(jīng)過有效體積的速度U之比,即

聲阻抗的單位是(N·s)/m3(牛秒每立方米),即MKS制聲歐姆。

由于U的含義不明確,人們通常用質(zhì)點(diǎn)速度v來代替U,因此定義聲場中某位置的聲壓與該位置的質(zhì)點(diǎn)速度之比為該位置的聲阻抗率Zs,即

在理想介質(zhì)中,聲阻抗也是有損耗的,不過它不是把電量轉(zhuǎn)化成熱量,而是把能量從一處向另一處轉(zhuǎn)移,即傳播損耗。

平面波在傳播過程中的聲抗率可用下式計(jì)算

式中:c———聲速;

ρ0———介質(zhì)密度。

平面自由行波在媒質(zhì)中某點(diǎn)的有效聲壓與通過該點(diǎn)的有效質(zhì)點(diǎn)速度的比值稱為特性阻抗。媒質(zhì)的特性阻抗等于媒質(zhì)密度與聲速的乘積。

平面聲波的聲阻抗率,在數(shù)值上恰好等于介質(zhì)的特性阻抗,即平面波阻抗處處與介質(zhì)的特性阻抗相匹配。

3.聲壓與聲壓級

聲波的強(qiáng)度可用聲壓、聲壓級來定量描述。

大氣靜止時(shí)存在著一個(gè)壓力,稱為大氣壓強(qiáng),簡稱氣壓。當(dāng)有聲波存在時(shí),局部空間產(chǎn)生壓縮或膨脹,在壓縮的地方壓力增加,在膨脹的地方壓力減小。于是就在原來的靜態(tài)氣壓上附加了一個(gè)壓力的起伏變化。這個(gè)由聲波引起的交變壓強(qiáng)稱為聲壓。

聲壓的大小表示聲波的強(qiáng)弱。聲場中某一瞬時(shí)的聲壓值,稱為瞬時(shí)聲壓。在一定時(shí)間內(nèi)最大的瞬時(shí)聲壓值稱為峰值聲壓,聲壓隨時(shí)間按諧振規(guī)律變化。峰值聲壓也就是聲壓的幅值。在一定時(shí)間間隔內(nèi),瞬時(shí)聲壓對時(shí)間取均方根所得的值,稱為有效聲壓。

聲壓的國際單位是Pa(帕),1Pa=1N/m2,1個(gè)大氣壓為105Pa。聲壓與大氣壓相比是極其微弱的,有時(shí)也用μbar(微巴)作單位,1μbar=0.1Pa=0.1N/m2。正常人能聽到的最弱聲音約為2×10-5Pa,稱其為基準(zhǔn)聲壓,用符號pr

表示。

聲壓級指的是有效聲壓和基準(zhǔn)聲壓比值的常用對數(shù)的20倍,單位為dB,用Lp表示,即

式中:pe———有效聲壓;

pr———基準(zhǔn)聲壓。

4.聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級

在自由平面波或球面波中,設(shè)有效聲壓為p,傳播速度為c,介質(zhì)密度為ρ0,則在傳播方向上的聲強(qiáng)為

聲強(qiáng)的單位是W/cm2,可聞聲音的最小聲強(qiáng)為10-6W/cm2,稱為聽閾聲強(qiáng);震得耳朵發(fā)痛的聲音,其聲強(qiáng)約為10-4W/cm2,稱為痛閾聲強(qiáng)。

聲強(qiáng)級指的是對聲強(qiáng)與基準(zhǔn)聲強(qiáng)的比值取常用對數(shù)后再乘以10所得的值,單位為dB,用LI

表示,即

式中:Ir———基準(zhǔn)聲強(qiáng),常采用的Ir的值為10-12W/cm2。在自由行波中,聲強(qiáng)與聲壓關(guān)系固定,可以由聲壓求聲強(qiáng)級。但在一般情況下,兩者的關(guān)系很復(fù)雜,無法由聲壓求聲強(qiáng)級。

5.聲功率與聲功率級

聲源輻射聲波時(shí)對外做功。聲功率是指聲源在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過指定面積的聲能量。聲功率是在整個(gè)可聽聲的頻率范圍內(nèi)所輻射的功率,或者是在某個(gè)有限頻率范圍所輻射的功率(通常稱為頻帶聲功率)。聲功率可表示為

式中:W———聲功率(W);

U———流體的體積速度(m3/s);

RA———聲源的輻射聲阻(Pa·s/m3)。

聲功率級指的是對待測聲功率與基準(zhǔn)聲功率的比值取常用對數(shù)后再乘10所得的值,單位dB,用LW表示,即

式中:W———待測聲功率;

W0———基準(zhǔn)聲功率。W0=10-12W。

6.頻譜與譜級

頻譜是把時(shí)間函數(shù)的分量按幅值或相位表示為頻率函數(shù)的分布圖形。根據(jù)聲音的不同,它的聲譜可能是線譜、連續(xù)譜或二者之和,即混合譜。

對一個(gè)聲源發(fā)出的聲音的頻率成分和強(qiáng)度所做的分析,叫做頻譜分析。若用橫坐標(biāo)表示頻率,縱坐標(biāo)表示聲壓級,把頻率與強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系用圖形表示出來,就叫做頻譜圖,簡稱頻譜。

譜級也稱密度級,指的是對信號在某一頻率的譜密度與基準(zhǔn)譜密度的比值取常用對數(shù)后再乘以10所得的值。單位為dB,用Lpr表示,即

式中:p———通過濾波系統(tǒng)的有效聲壓;

pr———基準(zhǔn)聲壓;

Δf———濾波器的有效帶寬;

Δf0———基準(zhǔn)帶寬。

7.音質(zhì)

聲音的質(zhì)量由多種因素決定,其中音調(diào)、音色、音量及音品是決定音響效果的四大要素。

1)音調(diào)(Pitch)

音調(diào)表示聲音頻率的高低,主要與聲源每秒鐘振動的次數(shù)有關(guān),是人耳對聲調(diào)高低的主觀評價(jià)尺度。音調(diào)的客觀評價(jià)尺度是聲波的頻率。音調(diào)低,表示振動頻率低,聲音顯得深沉;音調(diào)高,表示振動頻率高,聲音就顯得尖銳。

2)音色(Timbre)

音色是指聲音的色彩和特點(diǎn)。不同的人和不同的樂器都會發(fā)出各具特色的聲音,可以說它與聲源振動的頻譜有關(guān)。如果說,音調(diào)是單一頻率的象征,那么音色則是由多種頻率所組成的復(fù)合頻率的表現(xiàn)。圖1-1所示為鋼琴彈奏某一音階時(shí)的聲譜。

圖1-1-鋼琴的頻譜

3)音量(Intensity)

音量是指聲音的強(qiáng)度或響度,標(biāo)志聲音的強(qiáng)弱程度。它主要與聲源振動幅度的大小有關(guān),太弱了聽不見,太強(qiáng)了會使人受不了。

4)音品

樂音即音樂中使用的聲音,其諧波組成和波形的包絡(luò),包括樂音起始和結(jié)束的瞬態(tài),確定了樂音的特征,稱為音品,也有人把音品與音色統(tǒng)稱為音色。

1.1.3聽覺特性

1.聽覺的感受性

人類聽覺感受的動態(tài)范圍很寬,能感受到的最小聲壓級為0dB,能耐受的最大聲壓級可達(dá)140dB;人耳能聽到的純音最低為20Hz,最高可達(dá)20kHz;人耳對聲長的解析力更是驚人。正常人的聽覺范圍如圖1-2所示。

圖1-2可聞聲的強(qiáng)度與頻率范圍

聽覺的感受性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)對音頻高、中、低各頻段平衡性的控制。

(2)密度與重量感。

(3)透明感。

(4)層次感。

(5)定位感。

(6)速度感與暫(瞬)態(tài)反應(yīng)。

(7)想象力與形體感。

(8)對比性。

(9)空間感。

2.響度與響度級

大量統(tǒng)計(jì)表明,一般人耳對聲壓變化的感覺是,聲壓級每增加10dB,響度增加1倍,所以響度與聲壓級有如下關(guān)系

式中:N———響度(宋);

Lp———聲壓級(dB)。

表1-1列出了用式(1-12)計(jì)算出的部分響度與聲壓級的關(guān)系。

3.聽覺靈敏度

聽覺靈敏度是指人耳對聲音的聲壓、頻率及方位的微小變化的判斷能力。

當(dāng)聲壓發(fā)生變化時(shí),人們聽到的響度會有變化。

當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí),人們聽到的音調(diào)會有變化。

研究結(jié)果表明:對于純音,人耳能分辨出280個(gè)聲壓層次和1400個(gè)頻率層次;對于復(fù)音,人耳只能分辨出7種不同的響度層次和7種不同的音調(diào),共49種響度和音調(diào)的組合。

4.聽覺的掩蔽效應(yīng)

掩蔽效應(yīng)是指同一環(huán)境中的其他聲音會降低聆聽者對某一聲音的聽力,或者說一個(gè)聲音的聽閾因?yàn)榱硪粋€(gè)較強(qiáng)聲音的存在而上升。當(dāng)一個(gè)復(fù)合聲音信號作用到人耳時(shí),如果其

中有響度較高的頻率分量,則人耳不易覺察到那些響度較低的頻率分量,這種生理現(xiàn)象稱為“掩蔽效應(yīng)”。一個(gè)聲音對另一個(gè)聲音的掩蔽值,被規(guī)定為由于掩蔽聲的存在,被掩蔽聲

的聽閾必須提高的分貝數(shù),提高后的聽閾稱為掩蔽閾。

掩蔽效應(yīng)有利有弊,如一些降噪系統(tǒng)就是利用掩蔽效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)的;信噪比的概念及其指標(biāo)要求也是根據(jù)掩蔽效應(yīng)提出來的。在數(shù)字音源中,可利用掩蔽效應(yīng)進(jìn)行壓縮編碼。

5.聽覺的延時(shí)效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)幾個(gè)內(nèi)容相同的聲音相繼到達(dá)聽者處時(shí),聽者不一定能分辨出是幾個(gè)先后來到的聲音,就是說,人的聽覺對延時(shí)聲的分辨能力是有限的,這種現(xiàn)象即是人類聽覺的延遲效應(yīng),也稱“哈斯(Hass)效應(yīng)”。

強(qiáng)聲暴露對聽覺是有害的,這種傷害可分為三種。

第一種是聲創(chuàng)傷,指在一次或數(shù)次極強(qiáng)聲波暴露中造成人耳器官組織的損害。聲創(chuàng)傷總要造成一定程度的永久性聽力損失,嚴(yán)重的會導(dǎo)致全聾。

第二種是暫時(shí)性聽閾提高,即產(chǎn)生聽覺疲勞。暫時(shí)性聽閾提高值隨聲級增加和暴露時(shí)間增長而增大。

第三種是永久性聽閾提高。

1.2聲源、聲場及室內(nèi)聲學(xué)

1.2.1-聲源振動物體借助于彈性媒質(zhì)傳播壓力、應(yīng)力,產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的位移和速度,作用于人耳形成聲音。物體的振動利用聲波向周圍擴(kuò)散,這便是音響傳播的最簡單的過程。產(chǎn)生聲能的物體稱為聲源,也是輻射聲能的振動體。

1.聲源的形式和類別

聲源的基本形式有兩種:

(1)機(jī)械聲源。它可以利用機(jī)械振動產(chǎn)生聲音,有簡單聲源和偶聲源兩種。

(2)空氣振動聲源。它由空氣柱輻射產(chǎn)生聲音,有單極子、偶極子、三極子和四極子四種類型。

根據(jù)聲音發(fā)生、應(yīng)用的不同,音響聲源大體可分為三類:

(1)環(huán)境音響。

(2)動作音響。

(3)非現(xiàn)實(shí)音響。

2.樂器聲源的機(jī)理

任何能發(fā)出聲音的器具和樂器都可分為兩個(gè)部分,即振動和共鳴。

衰減與頻率有直接關(guān)系。振動體在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)引起振動,稱為強(qiáng)衰減;振動體在某一窄頻段中形成振動峰,并很快在與此頻率無關(guān)的前后頻段中衰減下來,稱為弱衰減。

樂器的發(fā)聲體和共鳴體均具有強(qiáng)、弱衰減特性。

任何聲源的振動過程從時(shí)間上來考察可分為始振、穩(wěn)態(tài)和衰減三個(gè)階段。

“和聲效應(yīng)”指的是將不同音量、不同音色的聲音合成為一個(gè)具有特定音色,不突出其中某個(gè)聲音的整體的、和諧的合聲。

音樂動態(tài)表明強(qiáng)、弱聲音差異,下限用ppp表示,上限用fff表示。音樂演奏中的大動態(tài)范圍可達(dá)66~70dB,為了進(jìn)行聲傳輸,通常要把動態(tài)壓縮到40dB左右。如圖1-3所示為音樂動態(tài)等級。

圖1-3音樂動態(tài)等級

3.電子音樂聲源

作曲家的信息———音調(diào)、節(jié)奏、音色等;

演奏家的信息———力度強(qiáng)弱、演奏方法等;

指揮家的信息———統(tǒng)一的節(jié)拍變化、聲部平衡等;

錄音師的信息———聲像、音量控制、音響效果控制等。

所有這些信息,只有在電子音樂系統(tǒng)中才能得到最充分、最完美的控制。

1.2.2聲場

聲源產(chǎn)生的聲波通過媒質(zhì)向周圍自由場輻射時(shí),聲源的周圍均稱為聲場,也叫音場。聲場有近場和遠(yuǎn)場之分。

1.近場

近場也稱菲涅爾區(qū),指的是聲源附近區(qū)域,是聲波傳播速度和聲壓不同相的聲場。在該區(qū)內(nèi)某點(diǎn)的聲壓是聲源上各面?zhèn)魉偷皆擖c(diǎn)聲壓的疊加,在此范圍內(nèi),聲波不能看成平行聲線,否則就會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,稱之為菲涅爾衍射,形成菲涅爾區(qū)。

設(shè)聲場的最大直徑為d,波長為λ,則近場的區(qū)域半徑為

2.遠(yuǎn)場

遠(yuǎn)場也稱費(fèi)朗和費(fèi)區(qū),表示在均勻面各向同性媒體中遠(yuǎn)離聲源的區(qū)域,其間瞬時(shí)聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度同相。在遠(yuǎn)場中聲波與聲源之間呈球面狀,聲源在某點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓與該點(diǎn)至

聲源中心距離成反比,并且是聲源上各面到達(dá)該點(diǎn)聲壓的疊加,它們是按照平行線傳播的,遠(yuǎn)場區(qū)的范圍可計(jì)算為

3.聲場的定位與質(zhì)感

定位是與聲場相關(guān)的一個(gè)概念,是指在聲場中表示出某些樂器的確切位置。實(shí)際應(yīng)用中聲場也可以理解為是樂隊(duì)、演奏家或歌唱者的位置排列。如果在欣賞過程中覺得廳堂音

和空間感足夠,就說明該聲場的設(shè)計(jì)是合理的。

良好的定位是指除了可聞之外,還可以感覺到樂器好像“掛”在半空中,具有非常強(qiáng)烈的真實(shí)感。如果要了解定位,那么應(yīng)先了解樂器重播出的質(zhì)感。質(zhì)感就是人對聲音效果的

一種切身體驗(yàn)。

1.2.3室內(nèi)聲學(xué)

1.室內(nèi)聲學(xué)特性

由聲源直接傳播到聽者(或傳聲器)的聲音,稱為直達(dá)聲;由界面反射而后到達(dá)聽者(或傳聲器)的聲音,稱為反射聲;還有一些經(jīng)多次反射分布很密、方向不明確、能量更少一些的反射聲,專業(yè)上稱為混響聲。

影響聲音立體高傳真重播效果的因素還應(yīng)考慮隔音、吸音、聲場及環(huán)境四個(gè)方面。

2.室內(nèi)聲學(xué)的主要指標(biāo)

室內(nèi)聲學(xué)的主要指標(biāo)有四項(xiàng)。

1)混響時(shí)間

混響時(shí)間是衡量房間混響程度的量。聲學(xué)工程中,某頻率的混響時(shí)間是室內(nèi)聲音達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),聲源停止發(fā)聲后,殘余聲音在房間內(nèi)反復(fù)反射,經(jīng)吸聲材料吸收,平均聲能密度自原始值衰減到百分之一,即衰減60dB所需的時(shí)間,記為T60。

通常,在聲場均勻分布的封閉室內(nèi)的混響時(shí)間可用著名的賽賓(W.C.Sabine)公式進(jìn)行工程估算,即

式中:T60———閉室的混響時(shí)間(s);

S———室內(nèi)表面總面積(m2),包括地面、墻面和天花板;

α———墻壁、天花板、地板等房間內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)(無量綱);

V———閉室的容積。

2)本底噪聲

本底噪聲是指室內(nèi)不放聲源時(shí)的噪聲聲壓級,考慮人類聽覺特性,采用A計(jì)權(quán)法,記為dB(A)。本底噪聲可用聲壓級直接表示。

3)聲染色

聲染色是指信號傳輸過程中,由于某種原因使聲源中的某一頻率得到過分的加強(qiáng)或減弱,破壞了房間內(nèi)音響效果的均勻性。一般10~30m2房間中容易出現(xiàn)駐波的頻率為80~300Hz。駐波能改變聲源原有特性,如同白色的布染上了顏色。改善的方法是通過調(diào)整裝修使房間的長、寬、高之比為無理數(shù)。另外,室內(nèi)物品擺設(shè)要避免對稱性。

4)房間常數(shù)、混響半徑

房間常數(shù)反映房間吸聲特性,符號為R,其表達(dá)式為

3.室內(nèi)聲場的估算

根據(jù)揚(yáng)聲器自由場靈敏度、距揚(yáng)聲器的距離以及揚(yáng)聲器的輸入電功率便可算出直達(dá)聲的聲壓級,即

式中:SPL/D———直達(dá)聲聲壓級(dB);

S———自由場內(nèi)揚(yáng)聲器靈敏度(dBmW);

D———距揚(yáng)聲器的距離(m);

P———輸入揚(yáng)聲器的電功率(W)。

根據(jù)臨界距離、揚(yáng)聲器的自由場靈敏度以及輸入揚(yáng)聲器的電功率又可以算出室內(nèi)混響聲的聲壓級,即

式中:SPL/R———混響聲聲壓級(dB);

D/C———臨界距離(m);

S、P與式(1-17)中的意義相同。

4.室內(nèi)聲場的創(chuàng)造

為了獲得理想的聲場效果,必須從聲源、房間聲學(xué)特性等多方面考慮

AV接收放大器一般有五個(gè)以上的聲道輸出。以五聲道為例,分為左聲道(L)、右聲道(R)、中央聲道(C)以及兩個(gè)后置環(huán)繞聲道(S),不同聲道各盡其職,相得益彰。中央聲道能提高語言的表現(xiàn)力、逼真感,環(huán)繞聲道則更多創(chuàng)造空間效果。正是通過AV中心對不同聲道的控制調(diào)整,才創(chuàng)造出多種逼真的音響效果。

在工程上,對房間的大小要求可估算為

式中:Vmin———房間最小容積;

λmax———下限頻率對應(yīng)的波長。

1.3音響系統(tǒng)的分類和組成

1.3.1-音響系統(tǒng)的分類

從廣義的概念來說,凡是把若干音響設(shè)備按一定規(guī)律連接,組成一個(gè)控制系統(tǒng),能完成某一個(gè)特定的功能和目的,都可以稱之為音響系統(tǒng)。

音響系統(tǒng)的分類方法很多,這里主要按音響的任務(wù)及目的的不同來分,可劃分為擴(kuò)聲系統(tǒng)和錄音系統(tǒng)兩大類。

1.擴(kuò)聲系統(tǒng)

擴(kuò)聲系統(tǒng)的任務(wù)是對傳聲器、電唱機(jī)、調(diào)諧器或錄音機(jī)等信號源送來的語言或音樂等音頻信號進(jìn)行放大、控制及美化加工,最終送到揚(yáng)聲器或耳機(jī),還原成聲音信號,供人們聆聽。

根據(jù)使用場合的不同,擴(kuò)聲系統(tǒng)又可分為室外擴(kuò)聲系統(tǒng)和室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)。室外擴(kuò)聲系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求不高,可用于車站、碼頭、廣場、運(yùn)動場和露天劇場;室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)的種類繁多,可分為以下幾種:

(1)廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)。

(2)公共廣播系統(tǒng)。

(3)背景音樂系統(tǒng)。

(4)同聲傳譯系統(tǒng)。

2.錄音系統(tǒng)

錄音系統(tǒng)的任務(wù)是把從傳聲器、電唱機(jī)、調(diào)諧器或另一臺錄音機(jī)等信號源送來的音頻信號進(jìn)行放大、控制及加工美化,最后送到磁帶錄音機(jī)的錄音頭上,進(jìn)行磁帶(磁性)錄音;

或送到唱片刻紋機(jī)的刻紋頭上,進(jìn)行唱片(機(jī)械)錄音;或送到電影錄音設(shè)備的光電系統(tǒng)上,進(jìn)行電影(光學(xué))錄音。錄音系統(tǒng)的最終目的是把音頻信號記錄下來,待到需要時(shí)再通過其他重放設(shè)備還原成為音頻信號。錄音系統(tǒng)按照對音頻信號記錄方法的不同,可分為三種,即磁性錄音、機(jī)械錄音和光學(xué)錄音。

如果按照音響系統(tǒng)的使用場合劃分,音響系統(tǒng)可分為家用音響系統(tǒng)和專業(yè)音響系統(tǒng)兩類。家用音響系統(tǒng)主要用于家庭,也稱為家用組合音響;專業(yè)音響系統(tǒng)主要用于劇場、禮堂、電影院、歌舞廳以及電臺、電視臺等場合,專業(yè)音響的電聲指標(biāo)比家用音響的電聲指標(biāo)要高。

1.3.2家用音響系統(tǒng)的組成

典型的家用音響系統(tǒng)組成框圖如圖1-4所示,主要由節(jié)目源設(shè)備、放大器(主機(jī))和音箱三大部分組成。圖1-4家用音響系統(tǒng)組成框圖

1.節(jié)目源設(shè)備

節(jié)目源的種類很多,包括傳聲器、調(diào)諧器、電唱機(jī)、錄音座、CD唱機(jī)、電子樂器等。

音箱和放大器是組合音響必不可少的部件,而節(jié)目源則可按照需要選擇使用。所有的節(jié)目源,無論是磁性錄音、機(jī)械錄音還是光學(xué)錄音,也無論是現(xiàn)場講話還是現(xiàn)場演奏,都要將非電能轉(zhuǎn)換為電能,即變換為電信號輸出,并送給前置放大器,最后傳給音箱,以聲能形式釋放于空間。

2.放大器(主機(jī))

放大器又稱擴(kuò)音機(jī),它是音響的核心部分,無論是調(diào)諧器輸出的信號,還是錄音座、CD或電唱盤輸出的信號,都必須經(jīng)過放大器放大以后,才能推動音箱放出聲音。

放大器包括前置放大器和功率放大器兩部分。前置放大器除了要對調(diào)諧器、錄音座、電唱盤和CD等各種信號源的輸出進(jìn)行適配放大外,更重要的是還需對重放的音色、音量以及立體聲狀態(tài)進(jìn)行各種調(diào)整與控制;功率放大器的主要任務(wù)是給音箱和耳機(jī)提供足夠的聲頻功率。

3.音箱

音箱(包括耳機(jī))是音響的終端放音設(shè)備,其任務(wù)是將聲頻電壓信號轉(zhuǎn)換為聲能,以供人們聆聽。

音箱是獲得高保真放音效果的關(guān)鍵部分。

除上述三大組成部分以外,較高檔的家用音響系統(tǒng)還配有遙控單元和均衡器。遙控單元主要控制音響裝置中的音量、開關(guān)機(jī)、功能轉(zhuǎn)換、收音選臺、音調(diào)調(diào)節(jié)等;均衡器(或圖示均衡器)通常加在前置放大器和功率放大器之間,進(jìn)行頻率均衡和音色美化。

1.3.3專業(yè)音響系統(tǒng)的組成

典型的專業(yè)音響系統(tǒng)由聲源、調(diào)音臺、信號處理設(shè)備、功率放大器及音箱等部分組成,如圖1-5所示。

圖1-5典型的專業(yè)音響系統(tǒng)組成

1.調(diào)音臺和聲源設(shè)備

聲源設(shè)備包括話筒、唱機(jī)、盒(盤)式錄音機(jī)、激光唱機(jī)(CD機(jī))、調(diào)諧器和卡拉OK機(jī)等,用于提供多種多樣的音頻信號。調(diào)音臺是音響系統(tǒng)里的指揮中心,它能夠接收多路不

同阻抗、不同電平的聲源信號,并進(jìn)行信號處理,還能進(jìn)行混合后重新分配和編組,并有為下一級提供音頻信號的多個(gè)輸出端子。調(diào)音臺還具有監(jiān)聽、信號顯示及對講功能。有些

調(diào)音臺上還裝有混響效果處理器。

2.信號處理部分

音響信號處理設(shè)備又叫做聲頻信號處理裝置,包括均衡器、壓縮/擴(kuò)張器、延時(shí)器、降噪器、聽覺激勵(lì)器等,這些設(shè)備的目的和作用一是對信號進(jìn)行修飾以求得音色美化,達(dá)到

更為優(yōu)美動聽或取得某些特殊效果;

二是為了改進(jìn)傳輸信道本身的質(zhì)量,以求改善信噪比和減少失真等。

3.音響系統(tǒng)的輸出部分——功率放大器和音箱

音箱是專業(yè)音響中很重要的一個(gè)組成部分,也是最有個(gè)性的單元之一,因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)的音箱都有自己不同的風(fēng)格、不同的特性,產(chǎn)生不同的聲音效果。音箱一般由揚(yáng)聲器、分

頻器和箱體三部分組成。影響音箱聲音質(zhì)量的首要單元是揚(yáng)聲器,分頻器對音箱的頻率特性起重要作用。

專業(yè)音響系統(tǒng)與家用音響系統(tǒng)相比,具有以下幾大特點(diǎn):

(1)專業(yè)音響的功放和音箱的功率大,一般在幾百瓦以上,常見有150W、250W、300W、500W等。

(2)家用音響的主要用途是欣賞節(jié)目,一般以放大器為中心,配以幾種信號源和一對音箱,為了改善音質(zhì),再加上均衡器和混響器等,整個(gè)組合比較簡單;專業(yè)音響常用于各種演出場合,需要多路話筒和多種信號源輸入,故一般都是以調(diào)音臺為中心組成的,這是兩種音響系統(tǒng)的重要區(qū)別。

(3)專業(yè)音響主要工作于面積大、人員多且嘈雜的環(huán)境,要求有較高的聲壓級,低音要有震撼力,中、高音要有沖擊力和穿透力;家用音響主要用于在面積小、聽眾少、環(huán)境安

靜的場合進(jìn)行各種節(jié)目的欣賞,注重重放音樂的層次感、親切感,強(qiáng)調(diào)對音樂的“解析力”以及聲像定位準(zhǔn)確、瞬態(tài)響應(yīng)良好等。

總之,專業(yè)音響和家用音響的主要區(qū)別是使用的環(huán)境、對象和目的不同,因而設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)也不同,而并非是低檔和高檔的關(guān)系。

1.3.4數(shù)字音響簡介

音響技術(shù)是研究聲音信號的轉(zhuǎn)換、記錄、傳送和重放的專門綜合性技術(shù)。數(shù)字音響技術(shù)是指在音響技術(shù)的基礎(chǔ)上,對原聲信號(合樂、聲樂等)進(jìn)行一系列數(shù)字化處理后,再恢復(fù)成高質(zhì)量的模擬聲音信號的技術(shù)。

1.數(shù)字音響原理

數(shù)字音響技術(shù)首先應(yīng)該是原聲信號的數(shù)字化,其次才是音響設(shè)備的數(shù)字化。原聲信號的數(shù)字化是將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換成音頻數(shù)字信號,進(jìn)行傳送或存儲,然后將這些音頻數(shù)碼信息還原成音頻模擬信號,其間實(shí)行了兩次轉(zhuǎn)換,即模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)。

2.典型的原聲信號數(shù)字化方法

原聲信號的數(shù)字化一般從信號的波形、參數(shù)等方面入手,可以分為波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼等。

3.數(shù)字音響音頻格式

1)WAV格式

WAV壓縮是基于PCM編碼的壓縮方案。

2)MP3格式

MP3格式產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代的德國。所謂的MP3,指的是MPEG標(biāo)準(zhǔn)中的音頻部分,即MPEG的音頻層。

3)OGG格式

OGG有著出色的算法,可以用更小的存儲空間和碼率獲得更好的音質(zhì),尤其在中低碼率下表現(xiàn)突出。

4)MP3PRO格式

作為MP3的改良版本,MP3PRO表現(xiàn)出了相當(dāng)不錯(cuò)的音質(zhì),它采用SBR插入技術(shù),在64kb/s碼率下表現(xiàn)極為突出,高音豐滿,但其低頻表現(xiàn)不佳。這種格式主要適用于低要求下的音樂欣賞。

5)WMA格式

WMA是WindowsMediaAudio編碼后的文件格式,由微軟開發(fā),其研發(fā)的目標(biāo)市場就是網(wǎng)絡(luò)音頻。

6)APE格式

APE是Monkey’sAudio提供的一種無損壓縮格式,可以提供50%~70%的壓縮比。

7)ACC格式

AAC(AdvancedAudioCoding,高級音頻編碼技術(shù))是杜比實(shí)驗(yàn)室為音樂社區(qū)提供的技術(shù)。

4.數(shù)字功率放大器

數(shù)字功率放大器直接對數(shù)字語音數(shù)據(jù)進(jìn)行功率放大,而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,通常也稱作D類功放。它具有兩大優(yōu)點(diǎn):效率高;模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入,能夠與數(shù)字音源播放機(jī)對接。

5.數(shù)字音響的基本組成

為了將連續(xù)的模擬信號變換成離散的數(shù)字信號,在數(shù)字音響中普遍采用的是脈沖編碼調(diào)制方式,即PCM(PulseCodeModulation)技術(shù)。以PCM為基本技術(shù)的數(shù)字音響設(shè)備的原理方框圖如圖1-6所示。圖1-6數(shù)字音響設(shè)備的原理方框圖

6.數(shù)字音響的特點(diǎn)

1)信噪比高

數(shù)字音響的記錄形式是二進(jìn)制碼,重放時(shí)只需判斷“0”或“1”,因此,記錄媒介的噪聲對重放信號的信噪比幾乎沒有影響。而模擬音響記錄的形式是連續(xù)的聲音信號,在錄放過

程中會受到諸如磁帶噪聲等的影響,而使音質(zhì)變差。盡管在模擬音響中采取了降噪措施,但無法從根本上加以消除。

2)失真度低

在模擬音響錄放過程中,磁頭的非線性會引入失真,為此需采取交流偏磁錄音等措施,但失真仍然存在。而在數(shù)字音響中,磁頭只工作在磁飽和和無磁兩種狀態(tài),表示“1”和“0”,對磁頭沒有線性要求。

3)重復(fù)性好

數(shù)字音響設(shè)備經(jīng)多次復(fù)制和重放,聲音質(zhì)量不會劣化。

4)抖晃率小

數(shù)字音響重放系統(tǒng)由于時(shí)基校正電路的作用,旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的不穩(wěn)定不會引起抖晃,因而不像模擬記錄那樣,需要精密的機(jī)械系統(tǒng)。

5)適應(yīng)性強(qiáng)

數(shù)字音響所記錄的是二進(jìn)制碼,各種處理都可用二進(jìn)制數(shù)值運(yùn)算來進(jìn)行,可不改變硬件,僅用軟件進(jìn)行操作,便于微機(jī)控制,故適應(yīng)性強(qiáng)。

6)便于集成

數(shù)字化系統(tǒng)可由超大規(guī)模集成電路形成,由此帶來的優(yōu)點(diǎn)是整機(jī)調(diào)試方便,性能穩(wěn)定,可靠性高,便于大批量生產(chǎn),降低成本。

1.4音響系統(tǒng)的電聲性能指標(biāo)

1.4.1-有效頻率范圍有效頻率范圍習(xí)慣上稱為頻率特性或頻率響應(yīng),是指各種放聲設(shè)備能重放的聲音信號的頻率范圍,以及在此范圍內(nèi)允許的振幅偏差程度(允差或容差)。顯然,頻率范圍越寬,振幅容差越小,則頻率特性越好。

規(guī)定有效頻率范圍,是為了保證語言和音樂信號通過該設(shè)備時(shí)不會產(chǎn)生可以覺察的頻率失真和相位失真。常見樂器與男女聲的頻率范圍如圖1-7所示。

圖中實(shí)線表示各種樂器的基頻頻率范圍,虛線表示音響設(shè)備要完美地表現(xiàn)該樂器的音色所需要的起碼的頻率范圍。圖中各種等級擴(kuò)音機(jī)的頻率范圍表明,只有一級擴(kuò)音機(jī)能高保真地重放語言、音樂信號,二、三級擴(kuò)音機(jī)能高保真地重放男女聲。各頻段聲音對聽覺的影響如圖1-8所示。圖1-7所示

圖1-8各頻段聲音對聽覺的影響

頻率特性的測量方法如圖1-9所示。圖中是以放大器為待測設(shè)備的。待測設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)聲頻信號的幅度不變,頻率從20Hz掃至20kHz,待測放大器的輸出端有一個(gè)固定負(fù)載R0,20Hz~20kHz的聲頻信號經(jīng)過待測放大器后,放大器的輸出端就會在R0上形成電壓。如果以1kHz對應(yīng)的輸出電壓E1k為參考電壓,其他各個(gè)頻率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓為En,則頻率特性指標(biāo)可用下式求出:

圖1-9放大器頻率特性的測量

1.4.2信噪比

信噪比又稱信號噪聲比,是指有用信號電壓與噪聲電壓之比,記為S/N,通常用dB表示:

式中:uS———有用信號電壓;

uN———無用噪聲電壓。

1.4.3諧波失真

由于各音響設(shè)備中的放大器存在著一定的非線性,導(dǎo)致音頻信號通過放大器時(shí)產(chǎn)生新的各次諧波成分,由此而造成的失真稱為諧波失真。諧波失真使聲音失去原有的音色,嚴(yán)

重時(shí)使聲音變得刺耳難聽。該項(xiàng)指標(biāo)可用新增諧波成分總和的有效值與原有信號的有效值的百分比來表示,因而又稱為總諧波失真。

電壓諧波失真系數(shù)可采用國際規(guī)定的測試方法

分別測量基波和各諧波分量,按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:u1——輸出電壓中的基波分量;

u2、u3——輸出電壓中的二次、三次諧波分量;

γ——電壓諧波失真系數(shù)。γ值越小,說明保真度越好。

諧波失真可用諧波失真測量儀來完成,它由三部分組成(如圖1-10所示)。圖1-10諧波失真測試儀方框圖

1.4.4互調(diào)失真

互調(diào)失真也是非線性失真的一種。聲音信號都是由多頻率信號復(fù)合而成的,這種信號通過非線性放大器時(shí),各個(gè)頻率信號之間便會互相調(diào)制,產(chǎn)生出新的頻率分量,形成所謂的互調(diào)失真,使人感覺聲音刺耳、失去層次?；フ{(diào)失真的定義為全頻帶內(nèi)非線性信號的均方根的和與某一高次基頻振幅的比值取百分比,即

互調(diào)失真是用兩個(gè)信號f1-和f2進(jìn)行測量的。測量時(shí),需將低頻信號f1-與高頻信號f2混合,再送到待測設(shè)備。f1-與f2的振幅比取4∶1,ff1-通常選用比待測設(shè)備通頻帶下限頻率高1個(gè)倍頻程的頻率,f2則選比待測設(shè)備通頻帶上限頻率低1~2個(gè)倍頻程的頻率,f2與f1-一般應(yīng)滿足f2>8f1-的要求。

1.4.5數(shù)字音響的幾個(gè)主要性能指標(biāo)

1.有效頻率范圍的上限頻率fm

數(shù)字設(shè)備的取樣頻率一般均大于等于兩倍的音頻信號上限頻率,因此,只要知道設(shè)備的取樣頻率fs,音頻信號上限頻率fm就可求出,即fm≤fs/2。例如,CD唱片的取樣頻

率fs=44.1kHz,所以,fm≤fs/2=22.05kHz,這就是有效頻率范圍的上限頻率。

2.信噪比和動態(tài)范圍

理論分析表明,由量化噪聲決定的信噪比可用下式計(jì)算:

式中n為量化位數(shù),在CD唱片中,n=16,所以S/N≈96(dB)。在線性量化情況下,上式也就是數(shù)字音響設(shè)備的動態(tài)范圍。

3.傳碼率R

數(shù)字音響系統(tǒng)每秒鐘所傳送的碼數(shù)稱為傳碼率,可用下式計(jì)算:

式中m為聲道數(shù),對于雙聲道立體聲系統(tǒng),m=2。因?yàn)镃D唱片的n=16,fs=44.1kHz,故R=1.411-Mb/s。由于CD唱片還要采用專門技術(shù)進(jìn)行調(diào)制,其實(shí)際傳碼率為4.3218Mb/s。

1.5立體聲基礎(chǔ)

1.5.1-立體聲基本概念1.立體聲的定義立體聲是一個(gè)應(yīng)用兩個(gè)或兩個(gè)以上的聲音通道,使聆聽者所感到的聲源相對空間位置能接近實(shí)際聲源的相對空間位置的聲音傳輸系統(tǒng)。

在音樂廳中,聆聽者聽到的立體聲由三部分聲音組成,即直達(dá)聲、反射聲和混響聲。直達(dá)聲能夠幫助人們確定聲源的方位;反射聲給人空間感,可以感覺到音樂廳的空間大小;混響給人包圍感,可以感受到聲音在三維空間環(huán)繞。反射聲和混響聲共同作用,綜合形成現(xiàn)場環(huán)境音響氣氛,即產(chǎn)生所謂的臨場感。優(yōu)良的立體聲應(yīng)能再現(xiàn)這些要素。

2.立體聲的特點(diǎn)

1)具有明顯的方位感和分布感

單聲道放音時(shí),聲音是從一個(gè)“點(diǎn)”發(fā)出的,即使聲源是一個(gè)樂隊(duì)的演奏,聆聽者仍會明確地感到聲音是從揚(yáng)聲器一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的。而用多聲道重放立體聲時(shí),聆聽者會明顯感到

聲源分布在一個(gè)寬廣的范圍,主觀上能想象出樂隊(duì)中每個(gè)樂器所在的位置,產(chǎn)生了對聲源所在位置的一種幻象,簡稱聲像。幻覺中的聲像重現(xiàn)了實(shí)際聲源的相對空間位置,具有明顯的方位感和分布感。

2)具有較高的清晰度

用單聲道放音時(shí),由于辨別不出各聲音的方位,各個(gè)不同聲源的聲音混在一起,受掩蔽效應(yīng)的影響,使聽音清晰度較低。而用立體聲系統(tǒng)放音,聆聽者明顯感到各個(gè)不同聲源來自不同的方位,各聲源之間的掩蔽效應(yīng)減弱很多,因而具有較高的清晰度。

3)具有較小的背景噪聲

用單聲道放音時(shí),由于背景噪聲與有用聲音都從同一點(diǎn)發(fā)出,所以背景噪聲的影響大。而用立體聲放音時(shí),重放的噪聲聲像被分散開了,背景噪聲對有用聲音的影響減小,使立體聲的背景噪聲顯得比較小。

4)具有較好的空間感、包圍感和臨場感

立體聲系統(tǒng)放音對原聲場音響環(huán)境的復(fù)原程度是單聲道放音所望塵莫及的。這是因?yàn)榱Ⅲw聲系統(tǒng)能比單聲道系統(tǒng)更好地傳輸近次反射聲和混響聲。音樂廳里的混響聲是無方向

性的,它包圍在聽眾四周;而近次反射聲雖然有方向性,但由于哈斯效應(yīng)的緣故,聽眾也感覺不到反射聲的方向,即對聽眾來說也是無方向性的。單聲道系統(tǒng)中,重放的近次反射聲、混響聲都變成一個(gè)方向傳來的聲音;而在立體聲系統(tǒng)中,能夠再現(xiàn)近次反射聲和混響聲,使聆聽者感受到原聲場的音響環(huán)境,具有較好的空間感、包圍感和臨場感。

1.5.2立體聲原理

1.聲源平面定位

1)時(shí)間差

設(shè)聲源在聆聽者聽覺平面的右前方較遠(yuǎn)處發(fā)聲,用聲線表示聲波的傳播方向,如圖1-11所示。從右前方傳來的聲音,到達(dá)右耳的路徑短,到達(dá)左耳的路徑長,聲音到達(dá)兩側(cè)耳殼

處的時(shí)間差可近似為

圖1-11-雙耳效應(yīng)

2)相位差

由于傳到兩耳的聲音存在時(shí)間差,因而也會產(chǎn)生相位差。對于頻率為f的純音,相位差與時(shí)間差有如下關(guān)系

3)聲級差

兩耳間的聲級差與聲音頻率有關(guān)。對于高頻聲音,由于其波長小于頭顱尺寸,便會被人頭遮擋,形成反射及吸收,致使與聲源同側(cè)的耳朵所獲得的聲音強(qiáng)于另一側(cè)耳朵,產(chǎn)生較大聲級差。對于低頻聲音,由于其波長大于頭顱尺寸,便會繞射而過,使兩耳感受到的聲級差減小。所以,人耳根據(jù)聲級差可以辨別高頻聲音的平面方位,而不容易辨別低頻聲音的平面方位。

4)音色差

當(dāng)聲源不是單一頻率的純音,而是一個(gè)復(fù)音時(shí),情況要復(fù)雜些。如一個(gè)樂器發(fā)出的聲音,可以分解為一個(gè)基頻聲和許多諧頻聲。根據(jù)繞射規(guī)律,由于人頭部對諧頻聲的遮蔽作用使基頻聲和各高次諧頻聲在左右耳際的聲壓級不同,因而兩側(cè)耳朵聽到的音色將有差別,形成音色差。

2.聲源距離定位

人耳對聲源距離的定位,在室外主要依靠聲音的強(qiáng)弱來判斷,在室內(nèi)則主要依靠直達(dá)聲與反射聲、混響聲在時(shí)間上、強(qiáng)度上的差異等因素來判斷。

聲源在房間中發(fā)聲時(shí),直達(dá)聲、反射聲、混響聲依次傳到耳際。一個(gè)房間大小形狀固定后,反射聲強(qiáng)度是固定的,混響聲強(qiáng)度也是固定的,但直達(dá)聲強(qiáng)度是隨聲源距離而變化的。當(dāng)聲源距人較近時(shí),直達(dá)聲較強(qiáng),直達(dá)聲與反射聲比值較大,清晰度較高。而當(dāng)聲源距人較遠(yuǎn)時(shí),直達(dá)聲減弱,直達(dá)聲與反射聲比值變小,清晰度降低。所以在室內(nèi)人耳能夠根據(jù)直達(dá)聲與反射聲的強(qiáng)度比、清晰度來判斷聲源的遠(yuǎn)近。

3.聲源高度定位

聲源的高度位置由聲波在垂直面上的入射角(仰角)和直線距離兩個(gè)坐標(biāo)量來確定。直線距離的定位機(jī)理與前面所闡述的相同,而仰角定位是理論上尚未圓滿解決的問題。

4.雙揚(yáng)聲器聲像定位

圖1-12是雙揚(yáng)聲器聲像定位實(shí)驗(yàn)框圖。在該實(shí)驗(yàn)裝置中,每個(gè)聲道都有改變信號強(qiáng)度和延時(shí)時(shí)間的環(huán)節(jié),以便獲得聲道信號強(qiáng)度差Δp或時(shí)間差Δt。圖中,I表示聲像所在位置,θ表示聲像方位角,α表示聆聽角,B表示兩只揚(yáng)聲器之間的距離(基線長度),s表示聲像I偏離揚(yáng)聲器基線中點(diǎn)的距離,y表示聆聽者至揚(yáng)聲器基線的垂直距離。圖1-12雙揚(yáng)聲器聲像定位實(shí)驗(yàn)框圖

5.聲像分布

聲像分布與聲級差及頻率范圍的關(guān)系,在數(shù)學(xué)上可用著名的正弦定理來描述,即

式中:θ——聲像方位角;

α——聆聽角;

L、R——左、右兩聲道的信號強(qiáng)度;

k——修正系數(shù)。當(dāng)信號頻率f≤700Hz時(shí),k=1;當(dāng)f>700Hz時(shí),k=1.4。

1.5.3立體聲系統(tǒng)

1.雙聲道立體聲

在電聲技術(shù)發(fā)展的早期,廣泛應(yīng)用的是單聲道技術(shù),這種單聲道的音響系統(tǒng)是由一個(gè)傳聲器,一個(gè)放大器和一個(gè)揚(yáng)聲器組成的單一聲音信號通道,見圖1-13(a)?！奥暤馈币卜Q

“通道”,是指一個(gè)電信號或聲信號獨(dú)立的專有路徑。圖1-13(b)是由左(L)、右(R)通道組成的雙通道立體聲現(xiàn)場擴(kuò)音系統(tǒng)示意圖,從圖中可見,兩個(gè)通道分別使用兩只適當(dāng)拉開距離的傳聲器拾音,以模擬人的雙耳拾音效果,每一個(gè)傳聲器拾得的聲音信號各自通過一個(gè)獨(dú)立的放大系統(tǒng),分別驅(qū)動放置在聽音者前方左、右兩側(cè)的揚(yáng)聲器放音,從而獲得類似在現(xiàn)場欣賞節(jié)目時(shí)的方位感、展開感和深度感。

圖1-13單聲和雙通道立體聲

實(shí)踐證明,雙通道立體聲的最佳聽音位置是與兩只音箱成等邊三角形的中央頂點(diǎn),或者擴(kuò)大一點(diǎn)的范圍,即與兩只音箱所成的等腰三角形的頂點(diǎn)附近區(qū)域,而開角約在30°~50°之間,如圖1-14所示。

圖1-14最佳聽音位置

2.3D立體聲

理論和實(shí)踐證明:200Hz以下的低音信號基本上不具有方向性,所以超低音通道不必像高、中音那樣用左、右兩套放大器和音箱播放,而只需用單通道放大器和單只音箱播放,

隨意移動音箱的角度或位置也不會對聽音效果產(chǎn)生太大的影響。具有超低音功能的三維(簡稱3D)立體聲系統(tǒng)就是基于這一原理組成的。圖1-15是一個(gè)3D立體聲系統(tǒng)的方框圖,由圖可見輸入信號中200Hz以上的中、高音聲頻仍然采用左、右兩個(gè)通道的立體聲功放和左、右兩只音箱播放,以保證節(jié)目中的立體聲信息能使人耳準(zhǔn)確進(jìn)行聲像定位,確保良好的立體聲效果。

圖1-153D立體聲系統(tǒng)

3.環(huán)繞立體聲

所謂環(huán)繞聲或環(huán)繞聲系統(tǒng),是在音頻信號的傳送過程中使聽眾產(chǎn)生一種被聲音所環(huán)繞(包圍)的感覺。這種環(huán)繞聲效果,是在重放的聲場中,保持了原有信號聲源的方向性,從而使聽眾產(chǎn)生聲音的包圍感、臨場感和真實(shí)感。

環(huán)繞立體聲可通過以下三種方式獲得:

第一種,分離四通道(4—4—4)系統(tǒng),亦稱為四方聲系統(tǒng),即在軟件(錄音帶或唱片)制作時(shí)就直接采用四通道錄音,在錄音帶或唱片上錄下四條聲軌。重放時(shí)則必須用四軌錄音機(jī)或四通道電唱機(jī)配合四臺擴(kuò)音機(jī)和四個(gè)音箱放音。這種方式中,從節(jié)目源到傳輸通道直到重放設(shè)備都采用四個(gè)通道,如圖1-16所示。

圖1-164—4—4環(huán)繞聲系統(tǒng)

第二種,編碼式的四通道(4—2—4)系統(tǒng)。4—2—4指的是節(jié)目源制作是四個(gè)通道,然后經(jīng)過編碼器使之壓縮為兩通道,重放時(shí)再通過解碼器恢復(fù)為原來的四個(gè)通道,如圖1-17所示。圖1-174—2—4環(huán)繞聲系統(tǒng)

第三種,杜比環(huán)繞聲電影系統(tǒng)。它使用特定的編碼技術(shù)將左、中、右和環(huán)繞聲四個(gè)聲道經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換成兩個(gè)聲道,制作成電影的光學(xué)聲帶。當(dāng)放映采用杜比編碼系統(tǒng)錄音的立體聲電影時(shí),只需配備一臺CP-55解碼系統(tǒng),就能把影片中錄下的兩通道信號還原成四個(gè)通道:右通道R、左通道L、中央通道C和環(huán)繞聲通道S,另外還有一個(gè)重低音通道B。用上述五個(gè)信號分別推動五臺擴(kuò)音機(jī)和音箱,放置于電影院銀幕背面的左、中、右位置和觀眾席處,即可獲得與電影畫面相配合,使人有親臨其境的逼真環(huán)繞立體聲效果,如圖1-18所示。

圖1-18杜比環(huán)繞聲電影系統(tǒng)

1.5.4雙聲道立體聲拾音

拾音是指用傳聲器拾取聲音,并將聲音轉(zhuǎn)換為電信號。雙聲道立體聲采用兩個(gè)傳聲器拾音,產(chǎn)生左右兩個(gè)聲道信號,供給雙揚(yáng)聲器放聲。根據(jù)兩個(gè)傳聲器放置方式不同,構(gòu)成了A—B制、X—Y制、M—S制和仿真頭制等拾音方式。

1.A—B制

A—B制拾音方式是將兩只型號及性能完全相同的傳聲器并排放置于聲源的前方,左右兩只傳聲器拾音后分別將信號送至左右兩個(gè)聲道。兩只傳聲器間距視聲源的寬度而定,通常為幾十厘米至幾米。傳聲器可選用全指向性或單指向性的。

A—B制拾音方式如圖1-19所示。

圖1-19A—B制拾音方式

2.X—Y制

X—Y制拾音方式采用兩只型號及特性完全一致的傳聲器,上下靠緊安裝在一個(gè)殼體內(nèi),構(gòu)成重合傳聲器。兩只傳聲器的指向性主軸形成90°~120°的夾角。把主軸左邊和右邊傳聲器輸出的信號分別送入左、右聲道,如圖1-20所示。采用這種拾音方式,兩只傳聲器拾得的信號幾乎不存在時(shí)間差和相位差,而只有聲級差。

圖1-20X—Y制拾音方式

3.M—S制

M—S制拾音方式是將一只傳聲器M的指向性主軸對著拾音范圍的中線,而將另一只傳聲器S的指向性主軸向著兩邊,兩只傳聲器的指向性主軸夾角為90°。通常,M傳聲器采用全指向性或心形傳聲器,而S傳聲器則必須采用雙指向性傳聲器。

采用這種拾音方式時(shí),M傳聲器拾得的是整個(gè)聲場的信號,而S傳聲器拾得的是聲場兩側(cè)的信號。M信號相當(dāng)于左右信號之和,即M=L+R;而S信號相當(dāng)于左右信號之差,即S=L-R。所以M和S兩只傳聲器所拾得的信號必須進(jìn)行和差變換才能成為左右聲道的信號,如圖1-21所示。

圖1-21-M—S制拾音方式

4.仿真頭制

仿真頭制拾音方式是將兩只傳聲器放置在用塑料或木材仿照人頭形狀做成的模擬人頭的兩耳部位,這兩只傳聲器輸出的信號分別為左右聲道的信號。仿真頭左右傳聲器所拾得

的聲音信號與人耳左右鼓膜所聽到的聲音信號非常相似,也有聲級差、時(shí)間差和相位差等。如果用立體聲耳機(jī)收聽,真實(shí)感很強(qiáng),立體聲效果很好。但是,不能用雙揚(yáng)聲器來放聲,否則會引起附加的時(shí)間差和聲級差,立體聲效果很差。

1.5.5對立體聲系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特殊要求

1.移相問題

移相問題是指一個(gè)聲道內(nèi)的相移頻率特性以及聲道間相頻特性差的問題。多聲道立體聲系統(tǒng)同樣存在著上述兩個(gè)問題。

2.串聲問題

左、右聲道間信號的互串(互相感應(yīng))會改變兩聲道間的強(qiáng)度差,因而會使重放聲像方向角發(fā)生畸變,為此應(yīng)盡量降低這種互串并制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.演播室特性

實(shí)踐證明,原來對單聲道效果較好的演播室一般也是適用于立體聲的,演播室包括廣播電臺的播(錄)音室、電視臺的演播室、電影制片廠的錄音棚等。實(shí)際上,立體聲技術(shù)就是在這些原來供單聲道使用的演播室里發(fā)展起來的。不過立體聲的發(fā)展對演播室也提出了一些新的要求。

本章小結(jié)

全書圍繞音響與調(diào)音技術(shù)展開全面的討論。作為全書的基礎(chǔ),本章對后續(xù)課程所要用到的基礎(chǔ)知識作了引導(dǎo)性講解。主要內(nèi)容涉及聲學(xué)基礎(chǔ)知識及相關(guān)的聲學(xué)參量,這些參量在音響技術(shù)方面有著重要的地位,讀者必須熟知。室內(nèi)聲學(xué)及聲場也是音響技術(shù)的一個(gè)重要方面,因?yàn)橐@得理想的音響效果,必須對室內(nèi)聲學(xué)和聲場分布有一個(gè)清晰的認(rèn)識。

音響系統(tǒng)的分類和組成部分主要對專業(yè)音響和家庭音響的組成和功能作了比較,重點(diǎn)應(yīng)放在熟悉專業(yè)音響知識上。電聲性能指標(biāo)主要敘述音響系統(tǒng)常用的指標(biāo)體系及各個(gè)參數(shù)的測試方法,掌握這些參數(shù),對以后接觸實(shí)際設(shè)備有很大的好處。立體聲技術(shù)是音響系統(tǒng)和調(diào)音系統(tǒng)的基礎(chǔ),掌握好立體聲技術(shù)對于獲得更加完美的音響效果是至關(guān)重要的。第2章傳聲器與揚(yáng)聲器2.1傳聲器2.2揚(yáng)聲器本章小結(jié)

2.1傳聲器

傳聲器(Microphone)簡寫為MIC,又稱話筒或“麥克風(fēng)”。它是音響系統(tǒng)中使用最為廣泛的電聲器件之一,它的作用是將話音信號轉(zhuǎn)換成電信號,再送往調(diào)音臺或放大器,最后從揚(yáng)聲器中播放出來。也就是說,傳聲器在音響系統(tǒng)中是用來拾取聲音的,它是整個(gè)音響系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié),其性能質(zhì)量的好壞,對整個(gè)音響系統(tǒng)的影響很大。

2.1.1傳聲器的分類

1.按能量的來源分

傳聲器按能量的來源可分為有源類傳聲器和無源類傳聲器兩類。有源類傳聲器用外加直流電源作為其能量來源,使傳聲器振膜的電學(xué)參量在聲場作用下發(fā)生變化,從而將聲能轉(zhuǎn)化為電能。

無源類傳聲器可直接把振膜的振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?而不消耗其他能量。

2.按換能原理分

傳聲器本身就是一種換能器件,通常是將聲能轉(zhuǎn)換為電能的。

3.按聲場作用力分

聲場作用力是指具體某點(diǎn)聲壓和振膜面積的乘積。這里的聲壓是標(biāo)量,無方向性,與頻率無關(guān)。傳聲器按聲場作用力分為兩種形式,即壓強(qiáng)式和壓差式。壓強(qiáng)式傳聲器是對空間聲場某點(diǎn)的聲壓起響應(yīng)的,而壓差式傳聲器是對空間兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的聲壓差起響應(yīng)的。聲壓差是聲壓梯度的函數(shù),聲壓梯度是有方向性的,是矢量且與頻率有關(guān),所以壓差式傳聲器是具有方向性的。

4.按指向性分

指向性分類方法比較直觀且容易理解。當(dāng)聲波波長接近揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí),都會發(fā)生衍射,產(chǎn)生相位損失、障板效應(yīng)等,因而不可避免地要在高頻區(qū)產(chǎn)生方向性。具體方向性有單向、雙向、全向、8字形、無指向和可變指向等6種。

2.1.2-傳聲器的原理結(jié)構(gòu)

1.動圈式傳聲器

動圈式傳聲器屬于無源類傳聲器,其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)

2.電容式傳聲器

電容式傳聲器的原理結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2-電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)

2.1.3傳聲器的技術(shù)指標(biāo)

傳聲器的技術(shù)指標(biāo)是指它的電聲性能和質(zhì)量指標(biāo),主要包括以下幾個(gè)方面。

1.靈敏度

靈敏度用于表示傳聲器的聲電轉(zhuǎn)換效率,其定義為:在自由聲場中,當(dāng)向傳聲器施加一個(gè)聲壓為1μbar的聲信號時(shí),傳聲器的開路輸出電壓(mV)即為該傳聲器的靈敏度。

2.頻率范圍(帶寬)

頻率范圍是指傳聲器正常工作的頻帶寬度,通常以帶寬的下限和上限頻率來表示。

3.信號噪聲比(S/N)

信號噪聲比指的是傳聲器有電信號輸出時(shí)的信號電壓與傳聲器內(nèi)在噪聲電壓的比,通常用dB表示。例如,電動傳聲器的靈敏度為0.1mV/μbar,當(dāng)在1m距離講話時(shí),到達(dá)振膜的聲壓約為1μbar,此時(shí),傳聲器輸出電信號為0.1mV。而傳聲器的內(nèi)在噪聲電壓約為0.5μV,則信噪比為

一般優(yōu)質(zhì)電容式傳聲器的S/N值為55~57dB。

4.源阻抗及推薦的負(fù)荷阻抗

源阻抗簡稱阻抗,指傳聲器的交流內(nèi)阻,以Ω為單位,通常用1kHz信號測得。低阻抗傳聲器,源阻抗為200Ω左右;中阻抗傳聲器,源阻抗一般在500Ω到5kΩ之間;高阻抗傳聲器,源阻抗則在25kΩ到150kΩ之間。由于中阻抗及高阻抗傳聲器的導(dǎo)線容易感應(yīng)交流聲,所以專業(yè)用的高質(zhì)量傳聲器,一律采用低阻抗方式。

5.最大容許聲壓級

通常以傳聲器產(chǎn)生0.5%諧波畸變時(shí)的聲壓級作為最大容許聲壓級。高質(zhì)量傳聲器的最大容許聲壓級已達(dá)135dB聲壓級。

6.隔振能力

隔振能力包括傳聲器與其支架間的隔振能力,以及傳聲器外殼內(nèi)芯件與殼體間的隔振能力。

7.瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)就是傳聲器對脈沖型聲波的跟蹤能力。由于方波信號是一種典型的瞬態(tài)信號,所以常常用一個(gè)矩形波信號來激勵(lì)傳聲器,然后用示波器來觀測傳聲器輸出信號的波形,從而判斷它的瞬態(tài)跟蹤能力。通常,電容傳聲器的瞬態(tài)響應(yīng)要優(yōu)于動圈傳聲器。

8.指向特性

傳聲器的指向特性,又稱傳聲器的方向性,是表征傳聲器對不同入射方向的聲信號檢拾的靈敏度,是傳聲器十分重要的電聲指標(biāo)。

1)壓強(qiáng)式傳聲器———無方向指向特性

壓強(qiáng)式傳聲器的振膜是裸露在聲場中的,振膜后面是密封的,聲波無法入射。所以,這種傳聲器具有無方向指向特性,或者說它具有球形指向特性,如圖2-3所示。

圖2-3無方向指向特性

2)壓差式傳聲器———8字形指向特性

壓差式傳聲器的振膜后面不密閉,因此振膜的振動取決于前面和后面的瞬時(shí)聲壓差,即對聲壓梯度產(chǎn)生響應(yīng)。很顯然,從前面0°和后面180°入射的聲波,都可以產(chǎn)生很大的聲

壓梯度,所以接收能力最強(qiáng),具有較高的靈敏度。從側(cè)面90°和270°入射的聲波,到達(dá)振膜前后兩面的強(qiáng)度相等,因而聲壓梯度為零,傳聲器沒有輸出,靈敏度為零。因此,壓差式傳聲器具有8字形(或雙向)指向特性,如圖2-4所示。

圖2-48字形指向特性

3)多種指向特性圖形的組合

將一個(gè)無方向圖形與一個(gè)8字形圖形疊加起來,就能得到一個(gè)心形圖形,如圖2-5所示。圖2-5心形特性的合成

現(xiàn)在,我們可以以無方向、8字形和心形指向特性為基本圖形,通過適當(dāng)?shù)慕M合,就可以得到許多個(gè)合成指向特性圖形了。圖2-6給出了5種主要的合成指向特性圖形,可供選擇傳聲器時(shí)參考。圖2-6多種指向特性圖形的組合

2.1.4有線傳聲器

1.有線傳聲器的特點(diǎn)

有線傳聲器的特點(diǎn)如下:

(1)與無線傳聲器相比,有線傳聲器的價(jià)格低廉,常常是同檔次無線傳聲器價(jià)格的1/4,甚至更便宜,是家用音響的首選類型。

(2)有線傳聲器的操作使用比較簡單。

(3)信號失落現(xiàn)象少,甚至沒有。

(4)在信號傳輸中,有線傳聲器常采用平衡傳輸,這可有效減小其他電聲設(shè)備的干擾。

(5)有線傳聲器常受到電纜線長度的影響,其活動距離會受到限制。

2.有線傳聲器使用中應(yīng)注意的問題

1)必須使用專用電纜饋送傳聲器信號

2)使用平衡線傳輸可有效減小外來干擾

所謂平衡線傳輸,是指傳輸線有兩根導(dǎo)線,它們上面的聲音信號對參考點(diǎn)(機(jī)殼—大地)正好數(shù)值相等而極性相反。

3)傳聲器必須防振

4)注意傳聲器的極性

5)注意近區(qū)效應(yīng)

2.1.5無線傳聲器

無線傳聲器用超高頻或特高頻載波在近距離范圍內(nèi)將傳聲器輸出的電信號經(jīng)調(diào)制后再通過發(fā)射機(jī)以電磁波形式傳向接收機(jī),接收機(jī)再將高頻信號還原成聲音信號。

1.無線傳聲器的特點(diǎn)

1)優(yōu)點(diǎn)

(1)無線傳聲器不使用傳送電纜,因而錄音設(shè)施變得簡單、方便。

(2)特別適用于移動聲源,如演講、舞臺表演、現(xiàn)場指揮等拾音場合。

(3)在同期錄音的情況下,要求圖像和聲音同時(shí)出現(xiàn),如拍電視、電影,無線傳聲器就可很好地解決這個(gè)問題,只要把佩帶式傳聲器和小型發(fā)射機(jī)隱藏好即可。

(4)利用無線傳聲器拾音,可減少混響聲的拾音,因此清晰度很高。

2)缺點(diǎn)

(1)無線傳聲器屬于射頻傳輸,因而保密性差,抗干擾能力差,同時(shí)也對其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

(2)有信號失落現(xiàn)象,即當(dāng)傳聲器與接收機(jī)的相對位置改變時(shí),有時(shí)會出現(xiàn)信號跌落、音質(zhì)變劣,甚至無法接收信號的現(xiàn)象。

(3)無線傳聲器在傳輸信號時(shí)因需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī),故技術(shù)實(shí)現(xiàn)上相對有線傳輸較復(fù)雜,成本較高。

2.典型無線傳聲器的技術(shù)指標(biāo)

表2-1列出了兩種專業(yè)級無線傳聲器的部分技術(shù)指標(biāo);表2-2列出了一種國產(chǎn)民用無線傳聲器的部分技術(shù)指標(biāo)。

3.無線傳聲器的組合使用

T系列無線傳聲器有三種形式的組合,適用于三種不同的場合和功能。

(1)電吉他手用的無線傳聲器:包括一臺夾于吉他手腰帶或背帶上的T1型無線發(fā)射機(jī),一條連接發(fā)射機(jī)“線路輸入”插孔與電吉他“線路輸出”插孔的電纜和一臺T3或T4型無線接收機(jī)。

(2)歌手用的無線傳聲器:包括一支T2-型手持式話筒兼發(fā)射機(jī)和一臺T3或T4型接收機(jī)。

(3)演出者用的無線傳聲器:包括一臺夾于腰帶的T1型發(fā)射機(jī),一個(gè)領(lǐng)帶夾話筒和一臺T3或T4型接收機(jī)。

2.1.6傳聲器的選擇和使用

1.正確選擇型號

選擇傳聲器時(shí),應(yīng)考慮以下各種因素:使用場合、目的、要達(dá)到的音響效果、聲源情況,以及對傳聲器的特殊要求等。

2.傳聲器輸入和線路輸入

所謂線路輸入,指的是有的聲源(如電吉他、電貝司和鍵盤(電子琴和合成器))本身具有線路輸出(LINEOUT)插孔,它可以通過屏蔽線直接接入調(diào)音臺的線路輸入(LINEIN)插孔上,以達(dá)到拾音的目的;所謂傳聲器輸入,指的是直接用傳聲器拾音,并通過傳聲器線接入調(diào)音臺的話筒輸入(MICIN)插孔。

3.平衡輸入與不平衡輸入

在聲頻系統(tǒng)中,存在著平衡與不平衡兩種傳輸形式。

對各種不同樂器拾音時(shí),傳聲器各有不同的最佳擺放位置,使用時(shí)要注意。對大鼓的拾音方法很講究,通常是把傳聲器插入大鼓背面的鼓皮的孔中,以便近距離拾取鼓聲。有的還用布袋或人造革袋把傳聲器包住,以衰減過強(qiáng)的聲壓,避免過載失真,并獲得一種較有彈性的鼓聲。

2.2

揚(yáng)聲器

2.2.1揚(yáng)聲器的分類揚(yáng)聲器俗稱喇叭,是一種把電能轉(zhuǎn)換為聲音的換能器件,它是人們較為熟悉的器件之一。在人們的日常生活中,揚(yáng)聲器發(fā)揮著較為重要的作用,如在電影院、歌舞廳等場合,還有收音機(jī)、電視機(jī)、錄放機(jī)等電器中都離不開揚(yáng)聲器(系統(tǒng))。

1.按換能方式分

揚(yáng)聲器按其換能方式的不同可分為電動式揚(yáng)聲器、電磁式揚(yáng)聲器、壓電式揚(yáng)聲器、離子式揚(yáng)聲器、氣流調(diào)制式揚(yáng)聲器及電容式(靜電式)揚(yáng)聲器等。

2.按結(jié)構(gòu)形式分

揚(yáng)聲器按其結(jié)構(gòu)形式的不同可分為單紙盆揚(yáng)聲器、復(fù)合紙盆揚(yáng)聲器、號筒揚(yáng)聲器、復(fù)合號筒揚(yáng)聲器、同軸揚(yáng)聲器等。

3.按振膜形式分

揚(yáng)聲器按其振膜形式的不同可分為錐形揚(yáng)聲器(振膜為圓錐形或橢圓錐形)、平板形揚(yáng)聲器、帶形揚(yáng)聲器、球頂形揚(yáng)聲器、平膜形揚(yáng)聲器(指音圈和振膜一體并形成平膜)等。

4.按工作頻段分

揚(yáng)聲器按其工作頻段的不同可分為低頻、中頻、高頻和全頻段揚(yáng)聲器。

5.按用途分

揚(yáng)聲器按其使用的場合不同可分為高保真用揚(yáng)聲器、擴(kuò)音用揚(yáng)聲器、監(jiān)聽用揚(yáng)聲器、樂器用揚(yáng)聲器、彩電用揚(yáng)聲器、汽車用揚(yáng)聲器、建筑廠房吸頂用揚(yáng)聲器以及防水、防火、防

爆等用的揚(yáng)聲器。

6.按外形分

揚(yáng)聲器的外形各異,常見的有圓形、橢圓形、薄形、球形揚(yáng)聲器等。

7.按振膜材料分

用不同振膜材料構(gòu)成的揚(yáng)聲器有紙盆式揚(yáng)聲器、碳纖維揚(yáng)聲器、PP盆揚(yáng)聲器、鈦膜揚(yáng)

聲器、玻纖揚(yáng)聲器等。

還可以按揚(yáng)聲器的輻射方式及磁路性質(zhì)的不同進(jìn)行分類。

2.2.2-揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)要求

1.揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以電動式揚(yáng)聲器為例加以說明。電動式揚(yáng)聲器包括普通紙盆揚(yáng)聲器、橡皮邊(或尼龍、泡沫邊)紙盆揚(yáng)聲器、號筒式揚(yáng)聲器、球頂形揚(yáng)聲器及雙紙盆揚(yáng)聲器等。

電動式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)原理大致是相同的,現(xiàn)以紙盆揚(yáng)聲器為研究對象。紙盆揚(yáng)聲器的紙盆就是振膜,但并非一定是紙質(zhì)做成。傳統(tǒng)的振膜是用紙漿做成紙質(zhì)的揚(yáng)聲器。近年來

常用各種合成纖維作紙盆,其中有聚丙烯、碳纖維、玻璃絲等。紙盆揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

圖2-7紙盆揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)

電動式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)由三部分組成:

(1)磁路系統(tǒng)。揚(yáng)聲器的性能與磁路系統(tǒng)有密切關(guān)系,設(shè)計(jì)合理的磁路可得到較高效率的能量轉(zhuǎn)換,在環(huán)形磁隙中應(yīng)有足夠大的均勻的磁通密度,這些與導(dǎo)磁材料的選擇、磁鐵的質(zhì)量和磁路形式的選擇等有關(guān)。

(2)振動系統(tǒng)。揚(yáng)聲器的振動系統(tǒng)包括策動元件音圈、輻射元件振膜和保證音圈在磁隙中處于正確位置的定心支片。這些是紙盆揚(yáng)聲器的關(guān)鍵零部件。

(3)支撐及輔助件。它包括盆架、壓邊、防塵罩、引出線等,是揚(yáng)聲器必不可少的輔助件。

2.揚(yáng)聲器的工作原理

揚(yáng)聲器的音圈與紙盆連成一體,音圈處于磁場中,當(dāng)其內(nèi)部通過音頻電流i時(shí),其受到的力為

式中:B——磁隙中的磁感應(yīng)密度(Wb/m2);

i——流經(jīng)音圈的電流(A);

l——音圈導(dǎo)線的長度(m);

F——磁場對音圈的作用力(N)。

通電音圈在磁場中受到力的作用而運(yùn)動時(shí),就會切割磁隙中的磁力線,從而在音圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,其感應(yīng)電動勢的大小為

式中:v——音圈的振動速度(m/s);

e——音圈中的感應(yīng)電動勢(V)。

3.揚(yáng)聲器的技術(shù)要求

揚(yáng)聲器作為一種電聲換能器,是整個(gè)音響系統(tǒng)的終端,它的性能將直接影響整個(gè)音響系統(tǒng)的放聲質(zhì)量。為了保證放聲質(zhì)量,必須對揚(yáng)聲器提出一定的技術(shù)要求。

1)揚(yáng)聲器的額定阻抗、阻抗曲線、品質(zhì)因數(shù)和共振頻率

阻抗曲線是揚(yáng)聲器在正常工作條件下,用恒流法或恒壓法測得的揚(yáng)聲器阻抗模值隨頻率變化的曲線,圖2-8所示為揚(yáng)聲器的阻抗曲線。圖2-8揚(yáng)聲器阻抗曲線

當(dāng)揚(yáng)聲器工作頻率遠(yuǎn)小于f0時(shí),揚(yáng)聲器的阻抗接近于直流電阻RDC。RDC略低于ZC,當(dāng)不知額定阻抗ZC時(shí),通?？捎萌f用表測出其直流電阻值,乘以1.1左右的系數(shù),再調(diào)整成國

標(biāo)系列4、8、16、32等數(shù)值,即可得到揚(yáng)聲器的額定阻抗(非標(biāo)準(zhǔn)的額定阻抗值除外)。

當(dāng)f0<f<fC時(shí),阻抗呈容性,即阻抗隨頻率的升高而降低。當(dāng)工作頻率達(dá)到fC時(shí),電路發(fā)生串聯(lián)諧振(電壓諧振),此時(shí)阻抗取極小值,在工程上稱為反共振。

當(dāng)f>fC時(shí),阻抗又成為頻率的增函數(shù),呈感性,不過曲線上升速度變緩。

2)揚(yáng)聲器的特性靈敏度、特性靈敏度級、最大輸出聲壓級

特性靈敏度表示將揚(yáng)聲器放在消聲室的隔板上,在其輸入端加上額定功率為1W的粉紅噪聲信號的情況下,在輻射方向上距離該揚(yáng)聲器1m處所測得的聲壓值,通常用μbar作單位。所謂特性靈敏度級,是指以dB為單位表示的特性靈敏度。dB與μbar的對應(yīng)關(guān)系如表2-3所示。

最大輸出聲壓級是指當(dāng)揚(yáng)聲器工作在最大功率時(shí),在與特性靈敏度同樣的測試條件下所產(chǎn)生的聲壓級,即

式中:Sk———揚(yáng)聲器的特性靈敏度級(dB);

W

max———最大輸入功率(W);

SPLmax———最大輸出聲壓級(dB)。

3)額定頻率范圍和有效頻率范圍

額定頻率范圍是指制造廠家按國家、國際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對揚(yáng)聲器所限定的頻率范圍;而有效頻率范圍是在聲壓-頻率響應(yīng)曲線的最高聲壓級區(qū)域取一個(gè)倍頻程的寬度,求該寬度內(nèi)的平均聲壓級,然后從這個(gè)聲壓級算起,下降10dB畫一條水平線,這個(gè)水平線與頻響曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的頻率,稱為有效頻率范圍的上下限,而包含上下限在內(nèi)的頻率范圍稱為揚(yáng)聲器的有效頻率范圍。

4)額定噪聲功率、最大噪聲功率

額定噪聲功率是指在揚(yáng)聲器的額定頻率范圍內(nèi),用規(guī)定的噪聲信號測試后所確定的功率值。最大噪聲功率是指在額定頻率范圍內(nèi)饋給揚(yáng)聲器以規(guī)定的模擬節(jié)目信號時(shí),不產(chǎn)生

熱和機(jī)械損壞的最大功率。最大噪聲功率通常是額定噪聲功率的2~3倍。

揚(yáng)聲器有時(shí)也用長期最大功率、短期最大功率和額定最大正弦功率等指標(biāo)來衡量。

5)效率

揚(yáng)聲器的效率是指在某一頻帶內(nèi)所輻射的聲功率與該頻帶內(nèi)饋給揚(yáng)聲器的電功率的比值。設(shè)PA表示輻射的聲功率,PE表示饋給揚(yáng)聲器的電功率,則效率可表示為

6)非線性失真

揚(yáng)聲器的非線性失真是指在放聲過程中,出現(xiàn)了輸入信號中沒有的頻率成分。非線性失真包括：

(1)諧波失真。

(2)互調(diào)失真。

(3)分諧波失真。

7)瞬態(tài)失真

瞬態(tài)失真是指由于揚(yáng)聲器的振動系統(tǒng)跟不上快速變化的電信號而引起的輸出波形與輸入波形之間的差別。它與頻響曲線上的峰谷有關(guān),在振膜的諧振點(diǎn)處瞬態(tài)失真較為嚴(yán)重。

8)指向性

指向性是表征揚(yáng)聲器在不同方向上輻射聲波的能力,通常與頻率有關(guān)。

表示揚(yáng)聲器輻射方向性有兩種方法:一是指向性頻率響應(yīng)曲線,即在偏離參考軸指定范圍內(nèi)的不同角度上所測得的一組頻響曲線,如圖2-9所示;二是指向性圖,即指揚(yáng)聲器輻射聲波(不同頻率)的聲壓級隨輻射方向變化的曲線,如圖2-10所示。

圖2-9揚(yáng)聲器的指向性頻率響應(yīng)曲線圖2-10揚(yáng)聲器的指向性圖

9)純音

純音是一個(gè)主觀指標(biāo),它反映揚(yáng)聲器工作中純音信號的質(zhì)量。純音合格是指在額定頻率范圍內(nèi),饋給揚(yáng)聲器額定功率的某一頻率的正弦信號,揚(yáng)聲器應(yīng)無機(jī)械雜聲、碰圈聲、

垃圾聲、調(diào)制聲等。

2.2.3揚(yáng)聲器系統(tǒng)的分類

揚(yáng)聲器系統(tǒng)就是揚(yáng)聲器箱,也稱音箱,它是選用高、低音或高、中、低音揚(yáng)聲器裝在專門設(shè)計(jì)的箱體內(nèi),并用分頻網(wǎng)絡(luò)把輸入信號分頻以后分別送給相應(yīng)的揚(yáng)聲器的一種揚(yáng)聲器

系統(tǒng)。

揚(yáng)聲器系統(tǒng)按分頻方式常分為:單分頻音箱、二分頻音箱、三分頻音箱、四分頻音箱、多分頻音箱和超低音音箱。

按基本結(jié)構(gòu)分為:有限大障板型、背面敞開型、封閉式、倒相式、對稱驅(qū)動型、空紙盆型、克爾頓型、聲迷宮型、前向號筒型、背向號筒型、組合號筒型等多種結(jié)構(gòu)音箱。其基本結(jié)構(gòu)圖及對應(yīng)的特性曲線示于表2-4中。

1.有限大障板型音箱

為了反映和豐富音樂的低頻效果,常需要將揚(yáng)聲器裝在無限大障板上,最大限度地發(fā)揮揚(yáng)聲器的潛能,這是最理想的情況。但實(shí)際上是不可能做到的。實(shí)際應(yīng)用中都采用有限

大障板。障板尺寸大小與聲速及聲頻的關(guān)系為

式中:L——正方形障板的邊長(m);

f——低頻下限頻率(Hz);

V——空氣中聲速(m/s)。

2.背向敞開型音箱

這種形式的音箱是前一種音箱的變形。將有限大障板彎曲向后折疊成箱體形,將揚(yáng)聲器裝在前障板上就構(gòu)成了背向敞開型音箱。

3.封閉式音箱

將背向敞開式音箱的敞開部分封閉起來就構(gòu)成了封閉式音箱了。封閉式音箱的目的是要把揚(yáng)聲器背面所輻射的聲波完全隔絕,從而避免低頻時(shí)反相聲波的互相干涉,使低頻性能更加完美。

4.倒相式音箱

倒相式音箱利用倒相管將裝在箱子上揚(yáng)聲器背面的聲輻射相位改變180°,從而使揚(yáng)聲器振膜前后的輻射聲波得到加強(qiáng),提高了低音單元的輻射效率,改善了低頻性能。

5.對稱驅(qū)動型音箱

對稱驅(qū)動型音箱是針對封閉式音箱不能小型化的問題而制作的一種改進(jìn)型音箱,主要改善空氣的勁度。

6.空紙盆型音箱

空紙盆型音箱是倒相型音箱的變形,又稱無輻射源式音箱。它是利用空紙盆代替倒相管所構(gòu)成的。

7.克爾頓型音箱

克爾頓型音箱于1953年由美國人發(fā)明,其結(jié)構(gòu)比較特殊,它能夠展寬低頻重放頻段的范圍,可用于小口徑揚(yáng)聲器進(jìn)行失真較小的低音重放。

8.聲迷宮型音箱

聲迷宮型音箱是將揚(yáng)聲器背面的箱體做成聲學(xué)導(dǎo)管,并在板壁上做吸聲處理,導(dǎo)管的長度正好等于需要重放的低頻聲波波長的一半,這時(shí)開口的聲輻射正好與揚(yáng)聲器前向輻射

聲同相疊加,從而使低頻輻射增強(qiáng)。但是當(dāng)導(dǎo)管的長度L=λ/4時(shí),會產(chǎn)生逆共振現(xiàn)象。

9.前向號筒型音箱

前向號筒型音箱的低音重放效果相當(dāng)于一種超大型音響重放系統(tǒng),主要用于劇場主擴(kuò)音系統(tǒng)和效果擴(kuò)音系統(tǒng)上。

10.背向號筒型音箱

背向號筒型音箱又叫做反射號筒音箱,號筒的方向與前向的相反,它作為家用高保真低音重放系統(tǒng),吸引著許多音頻愛好者。

11.組合號筒型音箱

組合號筒音箱是將前向號筒音箱與背向號筒音箱組合起來而構(gòu)成的一種號筒音箱,其特性曲線體現(xiàn)了前后向兩種號筒型音箱的特性。

2.2.4揚(yáng)聲器系統(tǒng)的一般特性

1.額定阻抗與阻抗特性

揚(yáng)聲器系統(tǒng)的額定阻抗一般由其采用的揚(yáng)聲器單元的額定阻抗來決定。這與前面所討論揚(yáng)聲器額定阻抗是相同的。

圖2-11是封閉式音箱的典型阻抗特性曲線。

圖2-12-是幾種不良的阻抗特性曲線圖。

圖2-11封閉式音箱的典型阻抗特性曲線

圖2-12-幾種不良的阻抗特性曲線

2.失真

揚(yáng)聲器系統(tǒng)的失真,比揚(yáng)聲器單元復(fù)雜得多,它是由組成揚(yáng)聲器系統(tǒng)的各個(gè)部分的失真合成而得到的,包括組成系統(tǒng)的每個(gè)揚(yáng)聲器的失真、箱體內(nèi)駐波及壁板振動引起的失真、分頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的失真等。

3.額定頻率范圍與有效頻率范圍

揚(yáng)聲器系統(tǒng)重放的額定頻率范圍由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)給定,揚(yáng)聲器系統(tǒng)實(shí)際能達(dá)到的頻率范圍稱為有效頻率范圍。

4.特性靈敏度級與最大輸出聲壓級

揚(yáng)聲器系統(tǒng)的特性靈敏度級與最大