野战专用音响系统电声设计探讨

周东宪，张林，郭清学，魏杨



野战专用音响系统电声设计探讨

周东宪1，张林2，郭清学2，魏杨2

(1. 总政治部文化工作和网络宣传教育中心，北京100120；2. 四川湖山电器有限责任公司，四川绵阳621000)

针对野战部队所用音响设备的特殊性，为满足系统体积小、重量轻、高声压远距离扩音目的，重点对系统功率放大器、扬声器单元进行了有针对性的研究和实验。首先对现有功率放大器的种类和优缺点从原理上进行了对比分析，采用AP2722音频测试仪进行了参数调测，同时在提高温度环境下进行了实验。为了达到高声压远距离音频信号传输要求，通过对多种方案的对比分析，选择了提高单只扬声器单元灵敏度方案，通过改善单只扬声器单元磁路，筛选振膜、音圈、音圈线和骨架等材料，改善单元结构设计等方法，采用美国Linearx System公司的电声测试系统LMS作为测试工具，通过常温老化、环境试验来调试、完善参数，保证扬声器的灵敏度和可靠性满足设计要求。最后通过系统现场测试及主观评价，验证该系统达到了设计要求。

数字功率放大器；灵敏度；声压级

0 引言

野战音响设备具有小型便携、适应各种环境、功能配置丰富、操作简单、耐用可靠的要求。其中电声转换是一个非常重要而又关键的环节，这涉及起驱动作用的功率放大器及起扩声作用的扬声器单元。

野战音响设备适用的环境是室外，使用场地空旷，和室内扩声需要涉及混响、反射、建筑环境的形状等情况是不一样的。如何根据室外使用的特点，提高声压和增大声音覆盖范围，使声音保持高保真和高清晰传播就是一个急需解决的问题。声传播的一般客观标准是[1]：

(1) 宽而平直的频率响应；

(2) 低的谐波失真；

(3) 清晰的声场宽度，前后声场深度再现其特性；

(4) 无压缩的高动态范围。

下面针对该系统的功率放大器和扬声器作具体的研究和介绍。

1 功率放大器

功放的分类一般按照末级放大电路不同的工作状态，大致可分为常见的A(甲)类、AB(甲乙)类、B(乙)类、C(丙)类、D(丁)类。不常见的E类放大器电路形式类似A(甲)类，工作形式类似D类放大器，有通和断两种工作状态，功放的效率高达90%以上[2]；G类(庚类)放大器，似乎与B类(乙类)或AB类(甲乙类)的放大器有些类似。对于小输出信号，它的供电电流来自低电压；而对于“大信号”，供电将转换到较高电压的电源。这样功率效率比B类的更高。但是G类放大器所产生的失真，相应比B类的大。H类功放的供电也会随着信号的强弱自动改变，从而提高功放的效率，并使电路发热更少，其平均功率效率可达50%~60%，可靠性更高[3]。还有F类功放应用于射频场合，S类即T类功放能用开关电源供电，适用数字音频功放，效率很高。但由于分别工作于截止和导通状态的晶体管的开关速度不够高，可引起两个管子同时截止或同时导通而增大功耗甚至损坏晶体管[3]。在音频功放领域中，前四类经常使用，均可直接采用模拟音频信号直接输入，经放大后推动扬声器工作。A类功放的保真度好，但效率很低，不到10%；AB类功放的保真度略为逊色，但效率可以达到20%~40%。D类放大器比较特殊，只有两种状态，即通和断，所以D类功放的效率高达80%~90%，使用时只需要很小的散热器或不需要散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大大下降，同时，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要经过模-数变换后再放大，通常把这样具有“开关”方式的放大装置，称为“数字功率放大器”，在音频信号处理和功率放大的整个过程中，全部采用数字方式，只是在功率放大后为了推动音箱才转化为模拟信号。

野战专用音响使用环境一般在室外，而室外声音反射基本很少，导致系统声压级不足。为了提高系统的声压，增大声音覆盖面积，一般情况下采用较大的功率放大器，但是作为野战设备，减小体积和重量便于携带是一个硬性指标，功率的增大必然会加大供电保障的压力，因此，采用数字功率放大器就是一个必然的选择。

根据系统的要求将每个声道功率放大器的额定输出功率确定在200 W(8 Ω负载)，输出电压有效值的计算公式为：

式中：为额定功率；为数字功率放大器输出电压有效值，为所驱动音箱的输入阻抗。

由式(1)计算出数字功率放大器输出电压有效值为40 V。根据这个参数设计了两款功率放大器，包括一款数字功率放大器和一款模拟功率放大器，对比测试了其体积、重量、功率转换效率三个参数，数字功率放大器均有明显优势。

特别采用AP2722音频测试仪对数字功率放大器的频率响应、失真度等进行了测试，均达到了设计要求，见图1和图2。从图中可见，在频率20 Hz~20 kHz范围内，输出功率达到200 W/8 Ω，即34 dB，频率响应小于±0.2 dB，失真度小于0.14%，保证了功率放大器信号的高保真度。同时按照国家标准《GB/T 9384-2011广播收音机、广播电视接收机、磁带录音机、声频功率放大器(扩音机)的环境试验要求和实验方法》做了高温负荷、高温储存、恒定湿热、低温负荷、低温储存等环境试验，高温试验加温到45 ºC测试，均符合该国家标准要求。

2 扬声器设计

系统要具有较高的声压输出和声覆盖范围，同样因为体积、重量等的限制，变得非常困难。根据音箱的关键指标灵敏度(dB/1w/1m)(即：标准气压和自由声场的条件下，用粉红噪声输入扬声器单元1 W的电功率，在扬声器辐射声场轴线方向离源点1 m处，测得的声辐射声压级的大小)，在同等条件下，灵敏度越高的扬声器辐射的声功率越大。如果两个扬声器的灵敏度相差3 dB，要达到同样的声压级，低灵敏度的扬声器输入的电功率将要增加1倍，采用这种扬声器就要求相应的功率放大器的输出功率也同时增大。

根据目前技术，达到远距离传输，同时要求具有很好的清晰度和可懂度等指标的音质要求。一般采用如下的一些设计方式来实现。

2.1 扬声器单元系统组合应用

采用增加扬声器单元的数量来实现声压的提高，即采用线阵音箱，它是一组排列成直线、间隔紧密的辐射单元，并具有相同的振幅与相位。近年来，现有的线性阵列扬声器系统是由若干音箱在垂直面重叠组合，形成一个水平方向角度一定(一般为90°)，垂直方向较窄的波束。这样可以达到较高的声压级输出和声场覆盖范围。但针对该系统应用，体积太大是一个不容忽视的问题。

2.2 改善单只扬声器单元灵敏度

根据灵敏度定义[4]，它由输入端加入额定功率1 W的电信号，在它主轴线上距声源1 m处产生的声压级决定，由测试点声压级、扬声器单元的输入功率、测试距离，根据式(2)即可算出扬声器系统的灵敏度。

式中：为扬声器单元的输入功率(W)；为声源距离测试点的距离(m)。

影响扬声器单元灵敏度的因素很多，包括磁路设计、振膜设计、音圈设计、音圈线和骨架材料选择、音圈的散热效果等。为了满足野战环境的应用，对扬声器的材料选择和结构设计都需做特别的考虑。

2.2.1 高音单元

音膜采用0.01 mm合金音膜，其表面经过纳米处理，不仅使高音更为清晰明亮，而且还能够承受更大的冲击力。音圈(见图3)导线采用表面特殊涂覆的铝扁线，使用耐高温的绝缘漆，这样音圈既轻又排列紧密；其骨架采用耐温达250ºC音圈骨架，可使密度小硬度高，降低振动质量，保证频率响应宽度；磁材采用高性能钕铁硼材料，可增强磁路的推动力。提高转换效率的公式如式(3)所示：

其中：密度0=1.2 kg/m3；为机电转换系数；为单元有效振动面积；为声音传播速度；为有效振动质量；为扬声器单元直流电阻。

采用上述措施及选材后，转换效率得到了可靠的保证，在转换效率较高的情况下，根据扬声器灵敏度的计算公式为

从而提高了高音单元的灵敏度。

图3 音圈示意图

Fig.3 Schematic of the voice coil

2.2.2中低音单元

在声频范围内[5]音箱功率主要集中在中低音扬声器单元，中低音扬声器单元剖视图(如图4所示)，包括磁路、音圈、弹波、纸盆、折环等。中低音扬声器单元经常要连续承受70% 以上的输入信号功率，由于扬声器声辐射的特点是大部分输入功率转换成热能。由于音圈发热，导致输出声压降低。为有效保证高声压输出，必须改善音圈的散热条件。

从磁路散热系统图(图5)可以看出，特别设计了空气的对流孔，利用扬声器振动形成空气对流，进行有效散热。保证扬声器输出声压的稳定性。

采用钕铁硼磁性材料做磁钢，磁场强度比铁氧体磁钢大大增强了，高效磁路提高了扬声器的灵敏度，改善了动态范围，还减轻了重量。

2.2.3 分频器

分频器必须与扬声器单元的特性准确配合，才能获得各频段平坦的特性。这里将经分频的频段滤波器斜率由12 dB/倍频程提高到18 dB/倍频程，令单元间的相互干扰降至最低。分频器在选料和制作上采用了无感金属散热电阻、高纯度铜线、低电阻电感器和精密的低损耗聚苯乙稀电容器等。

下面是通过LMS软件在专业消声室[6]测试的音箱频率响应曲线图(见图6)和阻抗特性曲线图(见图7)。从图6可见，在60 Hz~20 kHz范围内灵敏度达到了96 dB，达到了设计所需灵敏度；从图7中可见，在150 Hz~20 kHz频率范围内阻抗特性平缓，说明高低音单元之间的相互干扰降到了最低。

Fid.6 Curve of frequency response

根据系统配置要求及实际使用状态，用上述改进部件组成全新的扬声器系统，并选择A、B、C三个测试点，位置及距离参数见图8。采用包括声压测试仪、红外测距仪等设备进行了客观的数据测试，信号采用粉红噪声，使音箱的额定功率达到100W，即音箱的输入信号电压有效值为28.3 V。对100Hz、1 kHz、10 kHz三个频率点做了现场测试，测试数据如表1所示。从表1中数据分析可知，在A点全频段范围内声压超过了指标要求94dB，在B、C两点超过了指标要求87dB，满足了现场扩声声压级的需求。

表1 系统声压级测试(粉红噪声)

同时组织专业技术人员进行了非正式主观评听，主要测试点也定在A、B、C三点，测试数据见表2。

表2 系统主观听音评测

注：高-表示保真度稍稍差一点。

通过上述现场测试和主观评价，系统不论是测试数据还是听音评判均较好地满足了野战条件下的扩音需求，达到了高保真设计目标。

3 结论

采用数字功率放大器和高灵敏度的扬声器单元，可以有效降低系统体积和重量，提高电源转换效率，达到高声压远距离的声音传输，系统声音辐射区域内低音浑厚有力，中音清晰饱满，高音明亮，中高音近场衰减较小，达到发音人(或唱歌人)可监辨以及高保真度音质效果。设计的音响设备满足野战的使用要求。

今后将继续探索更加优良的扬声器材质，通过不断的优化，进一步提高野战音频扩声系统的性能。

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WANG Xuening, YUE Jikuan, HAN Xueliang, et al. Studies implemented clear sound signals propagation by Loudspeaker System at high SPL and long distance[J]. Technical Aoustics, 2009, 28(4): 283-288.

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JANG Guorong, Acoustical design of digital audio laboratory[J]. Technical Acoustics, 2004, 23(4): 250-252.

Study of electro-acoustic design forthe special field audio system

ZHOU Dong-xian1, ZHANG Lin2, GUO Qing-xue2, WEI Yang2

(1. The general political department of cultural work and network propaganda and education center, Beijing 100120, China;2. Sichuan Hushan Electric Co..Ltd,Mianyang 621000, Sichuan, China)

Focusing on the specific characteristics of the audio equipment used by field troop, this paper does the related research and experiments about power amplifier and loudspeaker in order to satisfy the system’s requirements in small volume, light weight and long distance sound transmission with high sound pressure. This paper firstly compares and analyzesthe advantages and disadvantages of the exiting power amplifiers in principle, then measures the parameters with the AP2722 Audio test instrument (AP means Audio Precision), and do the further test under rigorous conditions.After comparative analysis of different schemes, to meet the requirement of long distance audio signal transmission with high sound pressure,the way to improve sensitivity of single loudspeaker is selected,which includes improving the magnetic circuit of the single loudspeaker, appropriately choosing materials of diaphragm, voice coil, voice coil line, frame etc, and improving the design of unit structure. Then the LMS, which is an audio test system from America Linearx System Company, is taken as the test tool and used for normal temperature aging and environmental test to improve the system’s parameters, and finally to get the required sensitivity and reliability for the audio loudspeaker.The subjective and objective test as well as the listening and evaluation test show that the audio system can meet the design requirements.

digitalpower amplifier; sensitivity; sound pressure level (SPL)

TN02

A

1000-3630(2015)-02-0157-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.011

2014-11-15；

2015-01-25

周东宪(1972－), 男, 山东金乡人, 硕士, 高级工程师, 研究方向为音响扩声系统的设计、调试与安装。

魏杨, E-mail: 523918832@qq.com