同轴扬声器在体育馆扩声系统中的应用

2014-09-03吴国强

演艺科技 2014年3期

关键词：体育馆

吴国强

【摘要】阐述了DGS（神马）PTS系列同轴扬声器系统在某企业的体育馆中的应用及其扩声系统的调试方法。

【关键词】同轴扬声器；体育馆；扩声系统；声场模拟；扬声器摆位；系统调试

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.03.008

Application of Coaxial Speaker System in the Stadium

WU Guo-qiang

（Shanghai Film Studio， Shanghai 200030， China）

【Abstract】The application of coaxial speaker system in the tadium of an enterprise and the debug method of the acoustic amplification system was elaborated in this paper.

【Key Words】coaxial speaker； the stadium； acoustic amplification system； acoustic field simulation； speaker placement；

system debugging

1 前言

某企业的庆典活动在该企业自建的体育馆举行，该馆可容纳1 500人。活动现场扩声系统的扬声器选用了音王DGS（神马）PTS系列的同轴扬声器。本文即对该活动扩声系统的设计、调试进行分析和总结。

2 同轴扬声器的特点

普通分频扬声器的箱体设计中，各频段的声音是从不同的发声单元发出的，音源发声点不同；而同轴扬声器不同频段的发声单元共有一个轴心，不同频段的声音从一个扬声器同一轴向发出，因而同轴扬声器不同发声单元之间的相位干涉更小。从图1和图2中可以分别了解普通分频扬声器和同轴扬声器的发声原理。

如图1所示，普通扬声器的高音单元和低音单元平行地排列在扬声器的面板上，所以，它们的发声中心不可能重合为一个点，这样，高音和低音到达聆听者的时间就有差异，这种差异会导致相位偏差，从而对音质产生一定的影响。而图2中，同轴扬声器在设计上是高音单元和低音单元的组合体，高音巧妙地放置在低音振膜的轴心处，因此，能保证高、低音的声学中心是同一个点，从而解决同一个扬声器高、低音单元之间相位偏差的问题，真正接近自然界的原始声源。

3 扩声系统设计

3.1 扬声器选型背景

根据该体育馆的大小（长33 m、宽48 m、高10 m），经粗略计算后得出：如果采用上述拟选用的点声源全频扬声器，左、右各放置3只扬声器，中央放置2只扬声器，共8只扬声器就可以满足扩声要求。如果采用线阵列全频扬声器，基于其狭窄的垂直指向角，左、右各需要6只扬声器，中央至少需要4只扬声器，共计16只扬声器，是点声源的两倍。与此同时，功率放大器的数量也要相应地增加一倍。因此，从需要设备的数量上比较，采用点声源扬声器具有一定性价比优势。

为此，扩声系统设计中以音王DGS（神马）PTS系列为主线，并配置了已定型并批量生产的PTS-33远程扬声器、PTS-66中远程扬声器、PTS-DF近场扬声器及PTS-SUB超低音扬声器。

3.2 设计依据

扩声系统的设计根据GB 50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》扩声系统声学特性指标的相关要求进行，采用全数字音频传输和处理设备完成对信号的处理。

此次演出活动中，容座为1 500座的观众区分为A、B、C、D四个区域，在台下舞台正前方为贵宾区（VIP区）。同时要对音乐和语音进行扩声，且须获得足够的声压级（106 dB）。所以，要求扩声系统的频响范围较宽，低音的震撼力较强。

由于演出舞台区域达120 m2（敞开式），且合唱演员近60人，所以，要求表演区域返听系统的声压足够大、清晰度良好，以便为演员提供准确的伴奏音乐，调动出演员的演出激情。

3.3 扬声器的确定

通过仔细阅读PTS-33、PTS-66、PTS-DF、PTS-SUB全频扬声器及超低音扬声器的技术参数和在消音室测试的数据，该系列扬声器的频率响应和最大声压级均可以达到使用要求。为了保证达到GB 50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中的最大声压级指标，采用公式（1）进行计算，以确认在最远处的声压级。

（1）

式中：

Lp——距离扬声器距离R m处的声压；

S0——扬声器灵敏度；

Q——扬声器指向性。

在轴向上可以按照近似计算，即：

。

从单只扬声器的计算中可以看出，该扬声器完全可以满足最大声压级的要求。

由此，设置了远程及中远程的扬声器共5只；考虑到两边侧看台的声音，又增加了2只TS-66中远程扬声器；考虑到VIP区前排位置的直达声效果，在舞台上增加了2只台唇扬声器，采用音王K系列的K-212。

3.4 模拟声场分析

确定扬声器的布置方案时，采用EASE软件生成模拟声场图，并参考仿真图的数据进行比较。图3是左-右二声道情况下的模拟声场图，图4是左-中-右三声道的EASE模拟声场图。

通过仿真模拟声场比较，可以看出采用左-中-右三个声道布置扬声器时，其声场均匀度好于只用左-右两声道的方式。所以，决定用左-中-右三个声道的扬声器布置方式。

3.5 扬声器摆位的确定

根据EASE软件仿真时确定的扬声器吊挂高度和每只扬声器的指向角度，作出了扬声器的平面和立面的声线图，可以比较直观看出声场的覆盖。左-中-右三个声道的扬声器摆位平面声线图见图5，扬声器摆位立面声线图见图6。

从图5和图6中可以看到，正前方的8只扬声器已经覆盖了全部正面区域，侧面的2只扬声器PTS-66也覆盖了两面侧台区域。另外，增加了2只台唇扬声器，由此在贵宾区产生的声干涉现象，只能在调试中通过延时、均衡等其他手段予以校正。

活动现场最终吊挂的左、右主扬声器如图7所示，超低音扬声器放在左、右主扬声器的下方。

3.6 系统连接图

根据此次庆典和演出的节目内容，共选用12支有线传声器和无线传声器。再根据传声器及播放用音源的数量，选择了英国CADAC Live 3242紧凑型现场调音台，该调音台有24路单声道传声器输入和4路立体声输入，完全满足使用要求。另外，选择了与扬声器匹配的功率放大器、数字音频处理器、混响器等周边设备，这样就构成了完整的扩声系统，如图8所示。根据系统图中的连接方式，并按照阻抗匹配原则将设备连接，安装在三个机柜，如图9所示。

4 扩声系统的连接以及调试

4.1 系统连接中的功率放大器和扬声器匹配的原则

笔者总结多年的实际工作经验，建议在功率放大器与扬声器进行连接时，遵循如下匹配原则：

（1）扬声器的输入阻抗≥功率放大器的输出阻抗；

（2）与扬声器配对功率放大器的功率≥扬声器的2倍标称功率（PGM）；

（3）选用功率放大器的阻尼系数（8 Ω，1 kHz）≥300，保证对扬声器有足够的控制；

（4）功率放大器的通道隔离度（8 Ω，1 kHz）≥60 dB，保证声像定位准确。

根据上述功率放大器和扬声器的匹配原则，此次扩声系统中选用了音王AA系列功率放大器，分别是AA1600、AA2200和推动超低音的AA3500。

4.2 同轴扬声器音频系统调试

根据图8所示系统图，功率放大器机柜分别放置在左右两组扬声器的下方。这样可保证功率放大器到扬声器的连接线在20 m之内，对降低功率信号的传输线损有很大的益处，对改善阻尼系数也有帮助。

扩声系统调试的流程和顺序往往是根据调音师的经验决定，没有捷径可走，只有对所选用的音响设备熟悉掌握才可以较快地调出较好的声音效果。

4.2.1 检查电源

（1）检查总配电箱电源是否安全可靠，为扩声系统单独配备的电源电压是否正常。一定要确认在220（1±5%） V位置时才可以连接通电。

（2）检查所有与音响设备相连的电源插头和电源时序器的插座连接是否安全、接触是否可靠。

（3）逐一打开所有设备。打开前将设备的输入、输出旋钮旋动到最小的位置，打开电源后看电源指示灯是否正常，是否有异常声音和气味。检查完毕，确认设备正常后将该设备电源关闭，不正常的予以调换。

4.2.2 检查信号线

扩声系统中的信号连接线很多，确认所有的连接插头焊接可靠，插头和插座插接到位。

4.2.3 检查设备运行状况

（1）开机时一定按顺序开机，先开音源、调音台等信号流前端的音响设备；而关机时则要先关掉功率放大器然后再关功率放大器以外的音响设备，否则，扬声器会产生较大的响声。

（2）按顺序开机，所有设备电源开关打开后，设备电源指示灯正常，所有输入、输出调节旋钮在中间位置，如没有异常的声音，则可以进入正常的系统调试。

4.2.4 系统调试的顺序

（1）播放粉红噪声信号

注意调音台总音量推子从小到大慢慢推起，最后到音量适中。检查每一只扬声器是否都有声音，如果发现有音量较大或较小的扬声器，再调节与这只扬声器相连的功率放大器，所有扬声器的音量都调节到85 dB左右。

（2）分频点的确定

分频点的设置和确定对音色的好坏起关键性作用。PST-33、PST-66同轴扬声器是外置分频的二分频全频扬声器，高频、低频的分频点确定很重要，除参考消音室的测试数据外，更重要的是试听。依据笔者的经验，试听时用人声（男声），声音硬说明分频点高了，要听到男声的磁性并以此为分频点。

对于PTS-33扬声器的分频点，则根据产品资料和在消声室测试的曲线，选择在960 Hz左右，且经过仔细的人声试听后最后确定在968 Hz。PTS-66扬声器共设置5只，辐射范围包括体育馆的大部分观众区，在试听后将其分频点选择在940 Hz，选用了24 dB/oct斜率的衰减，滤波器类型选择林克维茨-瑞莱（Linkwitz-Riley）。这种滤波器的特点是具有高达四阶的衰减斜率，即每隔一个八度音阶的频率，声音就会衰减24 dB，即衰减斜率为-24 dB/oct。同时，在整个音频段，林克维茨-瑞莱滤波器具有平坦的相位响应，信号经过滤波器之后，不会产生严重的相位扭曲。因为衰减速度适当，虽然对相位有一定影响，但人耳对于低频的敏感度很差，对低频音色的影响不大。

对于近场的PTS-DF扬声器，则选用了该全频扬声器的内置分频器，分频点在950 Hz。超低音扬声器和全频扬声器的衔接是确定超低音分频点的主要依据，要使低频的声音比较柔和，则需将超低频扬声器的下限选在25 Hz～30 Hz，上限选在100 Hz～110 Hz，以保证有很好的力度表现，并符合演出的低频要求。

（3）相位校正

扩声系统的相位问题是检测系统工作中应该重视的环节。

相位校正前，须检查所有需要临时接入设备接线的极性，最好的办法就是用万能表测量一下，确保所有连接线极性正确。

为保证不出现反相问题，采用相位仪直接测量各个扬声器的相位，其目地是使所有扬声器的信号和调音台输入信号的相位一致。具体测试的示意图见图10。

该系统设计中选用了CRICKET相位仪。该相位仪分为发声部分和接收部分。CRICKET-S为发声器；CRICKET-R为接受器。CRICKET-S输入接到调音台指定一路传声器输入。将电源（POWER）置于打开（ON）位置，此时绿色指示灯按照1 Hz的速度闪亮。此时与扩声系统终端连接的扬声器发出“哒哒”的声音，将CRICKET-R开关置于打开位置，另一侧开关位于MIC位置，在拨动开关的过程中绿色指示灯闪亮一次，将CRICKET-R顶端的MIC对准被测PTS扬声器的中心。此时，如果绿色指示灯闪亮表示此扬声器同相，如果红色指示灯闪亮表示该扬声器反相。如果出现反相的扬声器，立刻将该扬声器的相位纠正过来，纠正后再次测试，直到全部的扬声器（包括返听扬声器和台唇扬声器）均是绿灯闪亮，表示所有的扬声器和调音台输入信号的相位相同。

（4）利用SIA软件对各扬声器之间的传输时间差进行延时校正

在使用SIA校正时，首先要对测试传声器的灵敏度进行校正，音量设定为83 dB。

接下来对左-中-右声道的扬声器分组进行相移校正，传声器要正对所测试的扬声器，距离在6 m左右，离地面1.8 m。要以每组扬声器最下方的PTS-DF扬声器为基准，使左、右两组的三只扬声器和中间一组的两只扬声器的相位尽可能靠近。除了PTS-DF扬声器是内置分频外，其他的PTS-66扬声器和PTS-33扬声器都是外置分频，要分别校正其延时，使每只扬声器低频部分的曲线尽可能和PTS-DF重叠，然后再对下方超低音扬声器和上方左、右两组全频扬声器的延时进行校正。

上述分组扬声器的相位校正好后，还要对整个系统的传输时间进行校正。调节位于左、中、右方向的三组扬声器之间的延时，应该以场地VIP区域的中心位置为摆放测试传声器的基准点，要耐心地微调延时和分频点，使其相位尽可能重叠。须注意，在用软件调试延时之前一定要先测得系统延时，并把该系统延时计算进去。SIA测试框图如图11所示。

扬声器之间延时校正的目的是为了消除不同扬声器或扬声器组对共同覆盖区域产生的相位差，该相位差也是梳状滤波效应产生的主要因素，不但需要用数字处理器调整，有时微动一下扬声器的位置或者微调一下扬声器的角度都会使相位叠加得到改善。

4.2.5 利用SIA软件对音响系统的频率特性进行测量和修正

用SIA软件在声场环境内找了5个测试点，经测量及综合对比之后，对那些有较大波峰或波谷的频点、频段，在相应的均衡器上作了适当修正。均衡器的提升或者衰减均在±3 dB范围之内，从而避免此频段的相位发生偏移或畸变，影响总的声音质量。

4.2.6 设置压限器

正常状态下，压限器尽量不要工作，以避免对音频信号波形造成改变。然而一旦接近或超出扬声器或功率放大器的安全许可，压限器就应自动启动，从而充分保证系统安全。本系统采用的是矩阵式数字音频处理器，具有较强的处理功能和充足的通道数，可对系统中各扬声器对应的功率放大器的压限进行设置。

一般情况下，笔者依据功率放大器的过载指示灯（CLIP）来获取压限器的启动阈值。尽量不要让功率放大器的动态输出因输入信号的限制而受影响，所以系统中的每台功率放大器开至最大。慢慢推起播放粉红噪声的分推子，此时调音台的总推子始终是在0 dB。仔细观察推动时每一台功率放大器的过载灯，过载灯一旦亮起时，分推子即停止。此时观察处理器中压限器的输入电平值，此值减去2 dB～3 dB可确定为压限器的启动阈值。

事实上，扬声器在播放音乐时承受功率比测试播放粉红噪声时的承受功率一般要大近一倍，所以设定的启动阈值绝对是可靠的。只要功率放大器不过载，就不要担心输出的失真问题。启动时间的设置应稍短一些，高频设置在5 ms～20 ms，低频可设置在10 ms～50 ms，释放时间可稍长一些，100 ms～ 300 ms均可。

根据本次演出的内容，选用的压缩比为4：1。

4.2.7 播放音乐试听

在上述调试工作完成后，需要播放试听曲目来检验音响系统的声音效果，并对其中不合适的地方进行再次微调。试听的曲目如下：

（1）《阿姐鼓》适用于检测系统的动态和设备的表现力。

《阿姐鼓》是突变性很大的一首曲目，歌曲进行到约两分钟时，大鼓声擂响，表现出低频骤出，厚实且有力，可用于检验系统的低音动态及爆发力。这时，需要注意听鼓声的音头是否完整，用来验证低频分频点是否合适，功率放大器和扬声器的匹配是否恰当，同时也可感觉PTS-SUB的下限是否舒展。

试听的方法一般是：试听人员静静地听一遍全曲，然后讨论找出共识；在第二遍播放时开始反复修正，直到听出歌手声音的甜美，高潮鼓声时的大动态效果，由此也体现出同轴扬声器的表现力。

（2）《被遗忘的时光》音域很宽，可用该曲目作为声像定位的试听。播放歌曲时，试听者须要坐在VIP区域偏后的中间位置，第一遍仔细聆听，记住声像位置的偏离；第二遍开始调整声像，调节修正左、中、右方向扬声器的音量和延时，将声音定位在中央；再用台唇扬声器的音量和延时将声像拉下来，当闭上眼睛时感觉到歌手是站在舞台上演唱。该曲目中，当歌曲进行到“渐渐地”（30 s左右）时就会听到一声“哒”的细小声音，这是口型变化时的“口水声”。能听到该细小的声音说明所选用的扬声器的解析力较好。

声像定位调好后，可以用传声器再次试音。调试者自己读几个音节，记住频率点。笔者常用“啊”声，先读平声，再读仄声。仄声分三种，上声高昂，去声低沉，入声短促。如此试音主要是感受一下传声器拾取的声音在经过调试的声场中是否正常，站在不同的方位仔细分辨自己的声音通过系统还原后的效果。若发现问题再微调一下即可。此环节的调试也可选用其他自认为合适的发音进行。

（3）试听由卡拉扬指挥的《贝多芬 F大调第六交响曲》（田园）的第三乐章和第四乐章。第三乐章为快板“乡村欢乐的集会”，F大调，3/4拍，诙谐曲，其牧笛风格的旋律单纯活泼，表现了来自四面八方的乡民跳起了欢乐的舞蹈；第四乐章为快板“暴风雨”，f小调，4/4拍，该乐章中雷雨声由远而近，狂风骤起、雷电交加、大雨倾盆，大自然笼罩在恐怖的气氛中。如果听到过于粗暴的声音或太浓重的低频，说明低音偏多。

试听者在这首曲目中既可以享受到弦乐声部的质感、光泽，还可以听到木管声部的悠扬、甜蜜。如果听不出上述美感，说明乐曲中精妙的平衡感已经被音响系统的扩声所破坏。

试听阶段最重要的就是要能够享受到音乐之美，无论是流行音乐或古典音乐，只要是还原声音的时候获得很好的平衡感，可以听出音乐的美感、乐曲的质感，即可检验扩声系统设计和调试的效果。

5 结束语

以上总结了同轴扬声器在某体育馆的应用及其音场表现。最好的音场形状是与录音时的原样一致，在这一点上，同轴扬声器的效果要比线阵列扬声器好一些，因为线阵列扬声器很难将音场的宽度和深度展现出来。