扩声系统设计介绍，什么情况下使用扩声系统

2．4．2　扩声系统设计

什么情况下使用扩声系统？

有时由于房间较大，固有噪声较高，为了提高语言清晰度和可懂度，就必须使用扩声系统。一般可以不用扩声设备的，最大体积大致是1　000m³，最远听众的距离大约为15m。当然，还与讲话人的嗓子和条件有关。因此，用不用扩声系统，这要根据实际情况而定。特别是学校的大教室，要考虑到年老的教授、女教师及身体不好的同志，所以，一般当容纳200人左右时，就要考虑采用扩声设备。

作一粗略的定量估计：人讲话的平均声级（离嘴1m时）为L_s，传递距离r的衰减为L_r（＝－10lgr²），干扰噪声级为L_n，则当L_s＋L_r－L_n＜10dB时，就需要用扩声系统来增加语言声级。如L_s为65dB，传递距离10m时L_r＝－20dB，L_n为40dB，则需要采用扩声系统。

1）扬声器的选择

无论是厅堂，还是大教室，扩声效果的好坏，包括各点声场是否均匀，听众听到的声音响度是否合适，讲话是否听得清楚等等，这些虽和建筑、扩声设备有关，但在很大程度上取决于扬声器的选择、组合和布置。

扬声器有电动式、电磁式和静电式等，电动式又有纸盆扬声器和号筒扬声器。纸盆扬声器的特点是体积小，价格便宜，频响较宽，但发声效率低；号筒扬声器的发声效率高，功率大，指向性较强，缺点是频响较窄，结构较复杂，价格也较贵。

根据以上情况及实际需要，对于200人左右的教室，可选用两只6英寸半（或稍大些）的纸盆扬声器，再配上简易小巧的助声箱就可以了；也可采用半集中式扬声器系统，如4只120mm×190mm椭圆扬声器，分别装在2只箱内，以增强指向性，扩大覆盖面。现行的教室，其吸声性能都很差，混响时间较长，因此，不宜也无需采用大口径的扬声器。因为这样低音虽丰富了，但有沉闷感，且易产生声反馈。

再大一点的厅堂，可采用2只以上的音箱或小型声柱，广场扩声亦可采用号筒扬声器。

2）扩声设备的选择与使用

扩声设备的主机是扩音机，它的作用是把传声器拾取到的微弱信号加以放大后送给扬声器，再转换成声信号重发出去。其余附属设备有前级增音机、调音台、收录机、电唱机等。下面主要介绍的是扩音机的性能、功用及连接问题。

（1）对扩音机的功率要求

图2－12　会场内达到70、80和90dB声压级所需的声功率和会场体积的关系

一般厅堂、大教室中达到正常响度所需要的声功率并不很大。图2－12给出了要达到70dB、80dB、90dB声压级时所需的声功率和房间体积的关系。例如，房间体积为5　000m³，要使听众有80dB的声压级，则只需声功率0．1W。考虑到电动式纸盆扬声器把电功率转换成声功率的效率只有百分之一左右，如果按1%计算，则0．1W声功率需要100倍的电功率，也不过10W而已，加上各种损失并留有余量，有15～20W也就够了。所以，一般200人左右的大教室可选用5～10W的扩音机，过大功率的扩音机反而给配接、使用带来不利，而且价格也贵。

（2）扩音机的输入与输出

扩音机的输入端有传声器（高阻或低阻）、拾音（唱机或相应阻抗和电压的信号源）和线路等插口，输入信号的阻抗和电压要与扩音机的各输入端相匹配。扩音机输入端的大致情况如表2－17。扩音机的输入端有平衡式和不平衡式两种；输入端有定阻抗输出和定电压输出两种，输出功率在150W以下的一般为定阻抗输出，在150W以上的一般为定电压输出。

表2－17　扩音机各通道输入灵敏度的大致情况表

＊相对于0．775V的参考基准

①平衡式和不平衡式

连接扩音机输入端的电缆线必须采用屏蔽线。屏蔽线有单芯和多芯的。如用单芯线连接，则为不平衡式连接。有时为了增加屏蔽措施，提高连接线的抗干扰能力，特别是连线较长时，则需采用平衡式双芯线连接。

②扩大机的输入电平及衰减器

严格地讲，输出信号的电平应与扩大机的输入电平相吻合，但有时会遇到信号过大的问题，以致不能正常扩声或损坏扩音机。这时，应将信号衰减后送到扩音机。

（a）串联式。在输出信号的热端串接一只电阻R_串，以达到电平大致平衡，如图2－13 （a），衰减比为：

式中：U_内——扩大机的输入电平；

U_出——输出信号电压；

R_内——扩大机的输入阻抗。

这种方式适用于要求不高的扩音机。

（b）分压式。电路如图2－13（b），R₁相当于图3－13（a）中的R_串，R₂和扩大机输入阻抗并联后相当于图3－13（a）中的R_内，一般R₂《R_内，故R_内可忽略不计，因此衰减比为：

此法适用于前级为低阻输出，扩大机为高阻输入的情况。

③T型

适用于不平衡低阻抗输出的情况，见图2－13（c）。

当Z₁＝Z₂＝Z时（对称型），

式中：N——功率衰减倍数（如要衰减20dB时，N＝100）。

当Z₁≠Z₂时（不对称型）

④H型

阻值计算方法同T型衰减器，适用于平衡式电路中，见图2－13（d）。

图2－13　四种电阻衰减网络

3）扬声器与扩音机的配接

（1）定阻式

正常情况，扬声器的额定功率、标称阻抗均应与扩大机的输出指标相一致。下面是几种配接情况，见图2－14。

实践证明：馈送给扬声器的电压为其额定工作电压的60%～75%时，扬声器发音最好，又不易损坏。通常，当扬声器实际承受的功率为扬声器额定功率的0．7～1．2倍时，都能正常工作。

图2－14　阻抗相同、功率不同时的几种连接情况

下面，我们用同一例子说明不同的功率分配情况。

【例】　有一台80W扩音机，输出阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、250Ω。

第一种情况：现有四只25W16Ω的扬声器，功率平均分配，如图2－15所示。

图2－15　功率平均分配时的连接方法

方案一：把四只16Ω扬声器全部并联后总阻抗值为4Ω，接在扩音机4Ω的输出端上。

方案二：先把各两只16Ω扬声器串联为两组，再将两组32Ω并联为16Ω，接在扩音机16Ω的输出端子上。

方案三：采用高阻抗连接，各用一只25W、输入端1　000Ω、输出端16Ω的变压器进行配接，四只变压器并联后为250Ω，再接在扩音机的250Ω端子上。

以上三种接法，虽然扬声器的额定总功率为100W，但实得总功率为80W，是可以的。

第二种情况：6只25W16Ω扬声器，分为3组各2只，要求功率比为4∶2∶1。

方案一：接高阻250Ω端子上（如图2－16所示）。

图2－16　按比例高阻抗连接方法

根据公式：

即：

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A组扬声器各得20W时，

即用2只初级为1　000Ω，次级为16Ω的20W线间变压器，并接在250Ω端子上。

B组扬声器各得10W时，

即用2只初级为2　000Ω，次级为16Ω的10W线间变压器，并接在250Ω端子上。

C组扬声器各得5W时，

即用2只初级为4　000Ω，次级为16Ω的5W线间变压器，并接在250Ω端子上。

扬声器总承受功率为20×2＋10×2＋5×2＝70（W），故需加接10W电阻，阻值和B组扬声器相同为2　000Ω，并接在C组扬声器上。

方案二：接低阻端子上（如图2－17所示）。

图2－17　按比例低阻抗连接方法

根据公式：

A组各得20W时，

即并接在4Ω端子上。也可将2只串联为32Ω，再用上式计算得

即接在扩音机的16Ω端子上。

B组各得10W时（2只串联为20W32Ω），

即接在扩音机的8Ω端子上。

C组各得5W时（2只串联为10W32Ω），即接在扩音机的4Ω端子上。

取一10W32Ω电阻并接在4Ω端子上。

第三种情况：要求降低C组的音量

这时可在以上接高阻的情况下，将C组扬声器的线间变压器的初级阻抗加大，并适当加大负载电阻的功率就行了；若是接低阻抗端子，则可在C组扬声器上串接一负载电阻，也可降低C组扬声器的音量。

第四种情况：要求提高C组的音量

这时与上述情况相反；若是接低阻抗，则可将2只串联后并接到B组端子上，再通过计算串联适当的电阻。

如果扬声器是连接在两抽头阻抗上，则应由下式计算

如有一台10W扩音机，输出有4、8、125Ω各档，现有4W4Ω和8W8Ω扬声器各一只，并联后阻抗为2．7Ω，算得8Ω和4Ω两端的阻抗为

可近似匹配。

（2）定压式

定电压式扩音机都标明了它的输出电压和输出功率。由于输出电压一般都很高，所以要接输送变压器，降低电压后再与扬声器连接，同时也要求把扬声器的标称阻抗和额定功率换算成额定电压，再配接相应的输送变压器。

扬声器的额定电压可由下式算出：

式中：P、Z——分别为扬声器额定功率和标称阻抗。

配接时，一组扬声器，不论连接方式如何，可以很容易算出它们的额定工作电压。例如，有六只10W8Ω扬声器，每只额定电压为9V，当全部串联时，总额定电压为9× 6＝54（V）；当两两串联再并联时，总额定电压为9×2＝18（V）；当每三只串联再并联时，总额定电压为9×3＝27（V）；当全部并联时，总额定电压为单只扬声器的额定电压（即9V）。

定压式输出的扩音机在配接时，对负载阻抗和功率的匹配要求不高，但扬声器的额定电压必须等于或大于输出变压器次级的电压，有时要将变压器的初、次级线圈并联或串联，这时，必须注意极性，即要同相位！此外，不同电压的两组线圈绝不能并联使用，否则将引起短路！

（3）OCL、OTL电路

OCL、OTL均为无输出变压器功放电路，其输出功率有下列关系：

在功放电路的电源电压不变时，输出功率与负载阻抗成反比关系，而与扬声器的标称功率并无关系。如电路设计为接8Ω负载，若接成4Ω扬声器，其输出功率为原来的2倍，则有可能使扩大机损坏；若所接负载阻抗比原先设计的大，则在扩声音量达到要求时是允许的。

在阻抗合乎要求的情况下，功放电路的输出功率比扬声器的标称功率大些小些均没有问题。如果输出功率大，则扩音机有一定的功率余量，失真也小，但不能很大；如果输出功率小于扬声器的标称功率，这时只要能满足扩声要求，也是可以的，只是扩音机已达到饱和状态，失真较大。

4）声反馈的抑制

用了扩音机后，传声器将接收到三方面的声音：一是讲话人的直接声，二是扬声器辐射出来的声音，三是墙壁的反射声。后两种声音是构成声反馈的主要原因。一旦出现声反馈，扩音机的音量就“开不大”，否则就“啸叫”。抑制声反馈的措施有：

（1）传声器选择

影响扩声系统反馈点高低的主要因素之一是传声器的选用类型，为了提高反馈点，应选择具有适当方向和频率特性的传声器。显然，采用方向性强的传声器，并将其检拾灵敏度高的一面朝向声源，灵敏度低的朝向观众及扬声器，能较好地抑制声反馈。实践证明：使用心形指向性传声器比无指向性传声器，在室外扩声时可使系统稳定度提高6dB；在室内扩声时，可使系统稳定度提高5dB。

动圈式传声器原振动膜片、声圈质量较大，故其频响中2～5kHz范围内往往都有较高的峰起部。

电容式传声器中的活动件质量极微，易将其谐振频率驱赶至高频甚至工作频段之外，故对提高扩声系统反馈点十分有利，但此种传声器价格昂贵。

驻极体传声器与电容式的原理相似，但价格低廉，对于改善声反馈影响效果亦好。

还有一种带式传声器，其活动件质量也很小，频响颇平坦，对抑制声反馈也较有利。但有的带式传声器为获得明亮的传声效果，在中高频部分故意搞成拱起状，故也不利于减轻声反馈影响。

总之，目前可供选择的传声器有数百种之多，但并无一种能彻底消除声反馈的，国外有一种Beyer　M260、N80带式传声器，实践证明可在困难的声学环境下使用，但缺点是价格太昂贵。

（2）扬声器的选择

单只扬声器的声音辐射图是一个圆锥体形，若音箱背面未完全封闭，其背部就会有一部分声音放出来，它们再经天花板、墙壁等反射至传声器，就会加剧声反馈，如这部分声音能被反射至观众，或采用背部封闭式音箱，显然就能减弱声反馈影响。

纵向柱形音箱亦称声柱，它由垂直安装的多只扬声器及柱体音箱体组成，其声音辐射图有一平坦的顶部和底部，声辐射的水平角度较大。如果声柱内扬声器数量少，声发散现象就较甚，使用时抑制声反馈的效果也差，一般至少要求装有4只扬声器，若有6只或更多些效果则较好。

使用声柱时的安装位置很重要，如装得偏高就应有一较大俯角，但这样难以照顾到全部观众。装得较低时所需俯角也小，相应的覆盖面较大；若将声柱装在与观众高度相近的高度上，此时俯角为0°，覆盖情况也比较理想。

（3）声学考虑

从厅堂声学情况考虑，舞台背墙对声音的反射也是加剧声反馈的因素之一。因此，在讲台、背墙处有必要挂上折叠式的吸声幕帘，至少应在正对传声器的背墙部分挂上稍小些的吸声帘幕。

听者本身的存在对声反馈也具有抑制作用。由于人们穿的衣服具有吸声性，射向观众的声音大多被吸收掉，当坐满观众时则尤甚，故声反馈造成的麻烦也较小。如果观众较少，问题就会比较突出。所以，如能在空厅时调试得当，有观众时的情况必然更好些。

在设备、安装等均成定局的情况下，还可以试试将其中一路的扬声器极性反接一下，有时也能减轻声反馈影响。

（4）频率偏移

如果将一个频率偏移网络插入到扩音机的混合级和功放级之间，就可以将进入扩音机的全部信号频率提高几个赫兹，使讲话声与扬声器放声的频率有一个微小的差别。这样做听起来尚不致引起观众注意，但抑制声反馈的效果则颇佳。频率偏移法能解决声反馈问题的原因，是因为它可避免扩声后的声音对原来自然声的加强作用。频偏之后的声音经反射再次进入传声器，再从扬声器放声的频率又会高一些，直到扩声系统截止频率以上为止。因此，在出现声反馈啸叫之前，就可使用较高的扩声系统增益，而且即使出现啸叫，其频率也相当高。频偏法缺点是频偏网络成本较高，且低音部扩声质量较差。这里，通常采取的频偏量为5Hz，由于频偏处理是对全部节目信号进行的，故对低音部分的频偏影响比高音部分大得多，这就会使节目的基音和谐音不调和，所以此方法宜应用于音乐类节目的扩声。

（5）其他

①使传声器和扬声器互相避开灵敏度高的方向，并使传声器接收到从扬声器辐射来的声能量尽可能小；

②讲话人与传声器之间的距离要近，保证有足够的直接声送入传声器，提高室内的响度，有时可使听众区声压级提高6～8dB；

③尽量减少同时工作的传声器数量，不用的传声器应随时关小电平；

④适当衰减高低音，特别是低音，混响时间较长，最易引起自激啸叫；

⑤在操作时，要缓慢调节音量，如果一下子就开得很大，就容易产生啸叫现象。