摘要：明確闡述了擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所要涉及的揚(yáng)聲器噪聲功率、揚(yáng)聲器的峰值功率、揚(yáng)聲器的最大聲壓級(jí)、揚(yáng)聲器的額定阻抗、功放的輸出功率、功放的輸入靈敏度，以及功放與揚(yáng)聲器的功率匹配等基本參數(shù)，并以兩例具體工程案例，詳細(xì)給出了參數(shù)的計(jì)算過(guò)程、設(shè)備的選配，還特別指出了設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)的錯(cuò)誤及解決的方法。

嚴(yán)格地說(shuō)，一套完整的音響擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)和電聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)參數(shù)是由建筑聲學(xué)參數(shù)和電聲系統(tǒng)參數(shù)兩大部分組合而成的。

筆者主要從事現(xiàn)場(chǎng)演出租賃工作，由于演出場(chǎng)地大部分都已經(jīng)作了聲學(xué)處理，建筑聲學(xué)問(wèn)題，如混響時(shí)間、頻率響應(yīng)、本底噪聲等就不再論述了。在此主要談的是具有實(shí)際可操作性的與現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲有關(guān)的聲壓級(jí)設(shè)計(jì)和電聲系統(tǒng)的配置。要得到好的聲音，建筑聲學(xué)參數(shù)達(dá)標(biāo)是重要的前提，雖然有些建筑聲學(xué)參數(shù)，如頻率響應(yīng)、混響時(shí)間等, 可通過(guò)電聲設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償是有限的，并且是以電聲系統(tǒng)參數(shù)的變差為代價(jià)而換取的( 如失真等)。因此以下所談到的設(shè)計(jì)和配置都是在建筑聲學(xué)參數(shù)達(dá)標(biāo)的情況下進(jìn)行的。

1 擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

談到擴(kuò)聲現(xiàn)場(chǎng)的聲壓級(jí)設(shè)計(jì)和電聲系統(tǒng)的配置就必須先介紹相關(guān)的理論和參數(shù)。

1.1 平方反比定律

在自由聲場(chǎng)中， 聲壓級(jí)與聲源距離的平方成反比，即聲壓距離損耗值=20lg( 距離)，分別代入數(shù)值1 m，2 m，4 m，8 m 和16 m 得到0 dB，6 dB，12 dB，18 dB 和24 dB，歸納結(jié)果：聆聽(tīng)點(diǎn)與聲源的距離每增加一倍，聲壓級(jí)就下降6 dB。

1.2 揚(yáng)聲器的靈敏度

揚(yáng)聲器的靈敏度是指在揚(yáng)聲器輸入端加上額定功率為1 W 的電信號(hào)、距離揚(yáng)聲器軸方向1 m 處所產(chǎn)生的聲壓級(jí)。它體現(xiàn)了電能轉(zhuǎn)換為聲能的效率，靈敏度越高，揚(yáng)聲器越容易被功放驅(qū)動(dòng)。

1.3 揚(yáng)聲器的可承受功率

揚(yáng)聲器的可承受功率包括平均功率、節(jié)目功率(Program) 和峰值功率(Peak)。

1) 平均功率( 噪聲功率)

平均功率是采用RMS 電壓計(jì)算而確定的功率。

國(guó)際上比較普遍的是采用粉紅噪聲來(lái)對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率測(cè)試，因此平均功率又可稱為噪聲功率(Noise)。噪聲功率的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)大多采用AES、IEC 和EIA 三種，見(jiàn)圖1。

圖1。

AES2—1984 標(biāo)準(zhǔn)：由美國(guó)音頻工程師協(xié)會(huì)頒布，采用10 倍頻程帶寬、6 dB 峰值因數(shù)的粉紅噪聲作為測(cè)試信號(hào)，測(cè)試時(shí)間為2 小時(shí)，測(cè)試后單元在聲學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能上不應(yīng)產(chǎn)生大于10% 的永久性的改變。美國(guó)著名的揚(yáng)聲器廠家JBL 就采用AES 標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 60268-5 標(biāo)準(zhǔn)：由國(guó)際電工委員會(huì)頒布，所采用的測(cè)試信號(hào)為6 dB 峰值因數(shù)的粉紅噪聲，并且是按IEC 標(biāo)準(zhǔn)所確定的節(jié)目信號(hào)濾波器對(duì)粉紅噪進(jìn)行濾波，這一節(jié)目信號(hào)的頻譜模擬了真實(shí)音樂(lè)和語(yǔ)言的的頻率分布，高端和低端的頻率份量呈下降趨勢(shì)。測(cè)試時(shí)還應(yīng)根據(jù)揚(yáng)聲器單元技術(shù)指標(biāo)中關(guān)于頻率范圍的規(guī)定設(shè)置帶通濾波器， 對(duì)上述IEC 節(jié)目信號(hào)進(jìn)行濾波。測(cè)試時(shí)間為100 小時(shí)， 測(cè)試后揚(yáng)聲器不應(yīng)顯示損壞。

EIA RS426-A 標(biāo)準(zhǔn)：由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)頒布，所采用的測(cè)試信號(hào)也是6 dB 峰值因數(shù)的粉紅噪聲，但使用的節(jié)目濾波與IEC 標(biāo)準(zhǔn)有差別，它的低頻段成分較高，而高頻成分要低得多，測(cè)試時(shí)間為8 小時(shí)。

美國(guó)揚(yáng)聲器生產(chǎn)大廠EV 就采用此種測(cè)試方式。

2) 峰值功率

峰值功率是由峰值電壓計(jì)算得到的功率。揚(yáng)聲器在接受峰值因數(shù)為6 dB 的粉紅噪聲測(cè)試時(shí)，瞬間要承受4 倍于平均功率的瞬態(tài)峰值的沖擊，這個(gè)瞬態(tài)功率即峰值功率。

3) 節(jié)目功率

節(jié)目功率(Program) 是從老的掃描正弦波功率測(cè)試而推演出來(lái)的過(guò)時(shí)的說(shuō)法，現(xiàn)在它不具備什么實(shí)際意義，對(duì)于大多數(shù)制造商，將平均功率乘以2 就得到了節(jié)目功率。

對(duì)于6 dB 峰值因數(shù)的功率測(cè)試信號(hào)，平均功率(Noise)、節(jié)目功率和峰值功率(Peak) 之間的比率如表1 所示。

表1平均功率、節(jié)目功率、峰值功率之間的比率

4) 重點(diǎn)說(shuō)明

揚(yáng)聲器測(cè)試時(shí)，如果輸入的是簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)，則峰值與RMS 之間只有3 dB 的差值，如果輸入的測(cè)試信號(hào)是峰值因數(shù)為6 dB 的粉紅噪聲，則峰值與RMS之間就有6 dB 的差值。國(guó)內(nèi)有很多揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠商還在使用簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，因此同樣是標(biāo)注250 W 平均功率的揚(yáng)聲器， 采用簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)測(cè)試的揚(yáng)聲器可承受的峰值功率只有500 W，而采用AES、IEC 和EIA 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的揚(yáng)聲器，其可承受的峰值功率卻可以達(dá)到1 000 W。這點(diǎn)在選用多大功率的功放去驅(qū)動(dòng)此音箱時(shí)顯得尤為重要。

1.4 揚(yáng)聲器的最大聲壓級(jí)

揚(yáng)聲器的最大聲壓級(jí)是指聽(tīng)音點(diǎn)在距離揚(yáng)聲器1 m 處，且在揚(yáng)聲器的聲輻射軸線上時(shí)，揚(yáng)聲器所發(fā)出的最大聲壓級(jí)。

(1) 揚(yáng)聲器最大聲壓級(jí)= 揚(yáng)聲器靈敏度+10lg( 揚(yáng)聲器的峰值功率)，也可以寫成揚(yáng)聲器最大聲壓級(jí)=揚(yáng)聲器靈敏度+10lg( 揚(yáng)聲器的噪聲功率)+6 dB。

(2) 根據(jù)前面講過(guò)的平方反比定律，在聽(tīng)音點(diǎn)距離揚(yáng)聲器為D (m)， 且在揚(yáng)聲器的聲輻射軸線上時(shí)，可得自由聲場(chǎng)計(jì)算公式： L P=S +10lgW -20lgD 。L P 為聽(tīng)音點(diǎn)的聲壓級(jí)，W 為輸出給揚(yáng)聲器的電功率，S 為揚(yáng)聲器的靈敏度， D 為揚(yáng)聲器前1 m 處到聽(tīng)音點(diǎn)的距離。

如果在一個(gè)供聲區(qū)內(nèi)有N 個(gè)揚(yáng)聲器，那么上式中還要增加10lgN ，即 LP=S +10lgW +10lgN -20lgD 。

1.5 揚(yáng)聲器的額定阻抗

是指在某一段規(guī)定頻段內(nèi)對(duì)音頻信號(hào)所呈現(xiàn)的阻抗值。揚(yáng)聲器與功放相配接的阻抗值最常見(jiàn)的有8 Ω，4 Ω 和16 Ω。

1.6 功放的輸出功率

過(guò)去功放輸出功率的標(biāo)法五花八門，有RMS 功率、MPO 功率、PMPO 功率等?，F(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)規(guī)范了功放輸出功率的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

1)FTC 功率

聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(FTC) 頒布了以輸入信號(hào)為20 Hz~20 kHz 正弦波掃頻、失真低于0.1% 的長(zhǎng)期連續(xù)平均功率測(cè)試法。在這種標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)試得出的功率稱為功率放大器的“長(zhǎng)期連續(xù)平均功率”。

2)EIA 功率

以輸入信號(hào)為1 kHz 正弦波、失真低于0.1% 的長(zhǎng)期連續(xù)平均功率測(cè)試法。在這種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下得出的功率放大器輸出功率要比FTC 標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)得的輸出功率稍微高一點(diǎn)，稱為“最大平均功率”。以其他方式標(biāo)稱的功率都視為非標(biāo)。

3) 功放輸出功率與揚(yáng)聲器阻抗

功放輸出功率的大小會(huì)隨著連接揚(yáng)聲器阻抗的不同而改變，連接揚(yáng)聲器的阻抗越小，功放的輸出功率越大，但過(guò)小的揚(yáng)聲器阻抗會(huì)使電流過(guò)大而燒毀功放。國(guó)外頂級(jí)功放廠商如QSC、Crown、Crest Audio、LAB.Guppen 等生產(chǎn)的高檔功放， 在雙聲道連接時(shí)，其連接音箱的阻抗一般不能小于2 Ω，單聲道橋接時(shí)一般不能小于4 Ω ；國(guó)內(nèi)功放在雙聲道連接時(shí)，音箱阻抗一般不能小于4 Ω，單聲道橋接時(shí)一般不能小于8 Ω。

1.7 功放與揚(yáng)聲器的功率匹配

最佳匹配原則是選用功放的峰值功率要等于揚(yáng)聲器的峰值功率。功放的功率是通過(guò)電壓算出來(lái)的。交流電中，峰值電壓=
電壓，而，因此峰值功率=2 倍RMS 功率。一臺(tái)功放的連續(xù)FTC 功率容量，允許其峰值超過(guò)連續(xù)功率3 dB，也就是說(shuō)一臺(tái)功放允許其峰值功率為FTC 連續(xù)功率的2 倍。這點(diǎn)是功率放大器與揚(yáng)聲器功率匹配的關(guān)鍵。例如一個(gè)揚(yáng)聲器的噪聲功率為250 W，則它的峰值功率為1 000 W。

同樣，一臺(tái)功放的連續(xù)FTC 功率為500 W，其峰值功率為1 000 W。因此，如果一臺(tái)功放能夠提供1 000 W的峰值功率，則要求它的連續(xù)FTC 功率為500 W。換言之，如果功放要達(dá)到揚(yáng)聲器的峰值功率容量，則要求功放的連續(xù)FTC 功率2 倍于音箱的噪聲功率。因此在阻抗匹配的前提下，選用功放的FTC 功率應(yīng)該2倍于揚(yáng)聲器的噪聲功率。

1.8 功放的輸入靈敏度(Input Sensitivity)

一臺(tái)功放能接受的最大輸入電壓稱為輸入靈敏度，如果輸入電壓超過(guò)了最大輸入電壓，功放的輸出容量也將會(huì)超出最大范圍，并產(chǎn)生較大的失真。

1) 輸入靈敏度的選擇

較為高檔的功放， 后面板有輸入靈敏度選擇開(kāi)關(guān)， 輸入靈敏度的標(biāo)法一般有2 種。例如CrownMA3600VZ 功放， 國(guó)際版的輸出功率為965 W(8 Ω)，后面板輸入靈敏度選擇有0.775 V、1.4 V 和26 dB 這3 個(gè)選擇。當(dāng)開(kāi)關(guān)選擇在0.775 V 時(shí)，說(shuō)明當(dāng)輸入功放的電壓達(dá)到0.775 V，且功放輸入增益衰減旋鈕打到最大位置( 無(wú)衰減) 時(shí)，功放處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)。

同樣當(dāng)開(kāi)關(guān)選擇在1.4 V 時(shí)，說(shuō)明當(dāng)輸入功放的電壓達(dá)到1.4 V，且功放輸入增益衰減旋鈕打到最大位置( 無(wú)衰減) 時(shí)，功放處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)。把0.775 V和1.4 V 換算成電壓分貝值分別為0 dB 和5.1 dB。

26 dB 標(biāo)準(zhǔn)的寫法是20×26 dB。20× 指的是功放的功率電壓從輸入到輸出放大了20 倍；26 dB 指的是當(dāng)輸入電平為0 dB 時(shí)，此時(shí)功放的增益為26 dB。如果選擇輸入靈敏度開(kāi)關(guān)位于26 dB，此時(shí)功放滿功率運(yùn)行的輸入電壓值和電壓分貝值應(yīng)為多少呢？有2 種計(jì)算方法。

(1) 首先計(jì)算出這臺(tái)功放總的增益值則滿功率輸入電平為41-26=15.09 dB， 換算成輸入電壓值為4.4 V。

(2) 當(dāng)功放靈敏度選擇開(kāi)關(guān)置于26 dB 時(shí)，此刻功放功率電壓的放大倍數(shù)是20 倍。先求出這臺(tái)功放的功率電壓，然后算出輸入端的電壓值為87.86÷20=4.4 V，換算成電壓分貝值為。

說(shuō)明一下為什么當(dāng)功放靈敏度選擇開(kāi)關(guān)置于26 dB 時(shí)功放的放大倍數(shù)是20 倍。記住公式20lg( 電壓放大倍數(shù))= 電壓增益，電壓放大倍數(shù)= 輸出電壓/ 輸入電壓。20×(26 dB)、40×(32 dB)、64×(36 dB) 等這些數(shù)值就是這樣算出來(lái)的。

圖2 是QSC RMX4050HD 功率放大器的輸入增益衰減旋鈕。

圖2QSC RMX4050HD功率放大器輸入增益衰減旋鈕。

其實(shí)只要看到輸入增益衰減旋鈕就已經(jīng)知道這臺(tái)功放的電壓放大倍數(shù)。20lg( 電壓放大倍數(shù))=36，電壓放大倍數(shù)=63.1 倍≈ 64 倍， 查看使用手冊(cè)得知這臺(tái)功放的輸入靈敏度沒(méi)有可選擇開(kāi)關(guān)，固定為1.25 V。知道了這些其實(shí)不看說(shuō)明書上的輸出功率也可以計(jì)算出來(lái)。QSC RMX4050HD 功放的功率電壓為， 即負(fù)載為8 Ω 阻抗時(shí)，功放的輸出功率為800 W ；再用1.6 系數(shù)法可知負(fù)載阻抗為4 Ω 時(shí)，功放的輸出功率約為1 280 W ；橋接功率可以乘以3.2，約為2 560 W(8 Ω)。

最后比對(duì)一下使用手冊(cè)中的技術(shù)參數(shù)。

在功放輸入靈敏度方面，做得最出色的當(dāng)屬瑞典的頂級(jí)品牌LAB.Guppen。圖3 為FP6400 功放的后面板，可以看見(jiàn)正中有一排藍(lán)白色的DIP 開(kāi)關(guān)，這就是調(diào)整功放輸出模式和輸入靈敏度的選擇開(kāi)關(guān)。

圖3FP6400功放后面板。

這臺(tái)功放的輸入靈敏度有8 擋可調(diào)， 從20~41 dB。按照前面說(shuō)過(guò)的方法很容易就可以計(jì)算出當(dāng)DIP 開(kāi)關(guān)位于這8 擋的任意一擋時(shí)，功放的電壓放大倍數(shù)和削波輸入電平。FP6400 負(fù)載阻抗為8 Ω 時(shí)FTC 輸出功率為1 280 W。表2 給出的是這8 擋輸入靈敏度分別對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)及削波輸入電平(8 Ω)。

表2輸入靈敏度對(duì)應(yīng)的削波輸入電平

2) 輸入增益衰減旋鈕和限幅閾值的設(shè)置

過(guò)去國(guó)內(nèi)音響界一直在爭(zhēng)論功放的輸入增益衰減旋鈕應(yīng)該置于最大位置還是不應(yīng)該打到最大位置。其實(shí)只要搞懂了如何正確設(shè)置功放的輸入靈敏度選擇開(kāi)關(guān)，還有如何正確選擇功放，使其輸出功率與揚(yáng)聲器的功率相匹配這兩大問(wèn)題，答案就很明顯了。此外，壓限器的限幅閾值要以功放輸入靈敏度為前提來(lái)進(jìn)行調(diào)整，基本方法是限幅閾值至少不能低于使功放達(dá)到滿功率工作狀態(tài)時(shí)所需的輸入電平值，如果使用的是國(guó)外優(yōu)質(zhì)功放( 符合FTC 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))，可以將限幅閾值調(diào)至比滿功率輸入電平值高2~3 dB。因?yàn)榉螰TC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的功放允許其峰值功率超過(guò)連續(xù)功率3 dB，這3 dB 稱為功放的頭頂空間(Headroom)。如果功放的使用手冊(cè)參數(shù)中已標(biāo)明Headroom 值的大小，則限幅閾值增加的電平值要以使用手冊(cè)上的參數(shù)為準(zhǔn)，如上面提到的QSC RMX4050HD 功率放大器的Headroom 為2 dB。對(duì)于輸入靈敏度為固定值的功放( 無(wú)輸入靈敏度選擇功能)，如果需要衰減功放的輸入增益衰減旋鈕，旋鈕衰減多少個(gè)dB，壓限器限幅閾值就要相應(yīng)提高多少個(gè)dB。( 待續(xù))