擴聲系統的設計與實現

徐雅杰 胡澤

摘要：在日常生活中，擴聲系統的應用帶來了諸多便利，隨著技術的發展，越來越多的硬件設施應用在擴聲系統中，推動了擴聲系統的進步與發展。在擴聲系統工作過程中，音頻放大、音量調節、音質清晰是所要實現的基本功能。但如果想要構建一個有效的擴聲系統，相關細節不可忽視。本文就日常擴聲系統中所使用的揚聲器工作原理以及室內外聲學特性展開論述，明確其工作特性，并對調音臺信號流程進行闡述，同時結合室內外聲學特性以及對聲學系統中的影響，對未來滿足5G系統的擴聲系統進行展望。

關鍵詞：擴音系統;室內聲學;調音臺;5G網絡實現

一、引言

擴聲系統在日常生活中，常應用于公共廣播、廳堂擴聲、會議擴聲等。公共廣播是我們在公共區域內較為多見的形式，適用于各類消息通知、背景音樂播放、信息發布等。而會議擴聲則適用于遠程會議系統、同聲傳譯系統、法庭、大型會議室、學校會議中心、語音重放、擴聲及多媒體展示等。需要明確，在不同地點所需要的擴聲系統性能也有所不同，需根據實際情況進行設計，以確保能夠發揮出最好的效果。

二、常用揚聲器

（一）吸頂式揚聲器

吸頂式揚聲器是目前使用最為廣泛的揚聲器，它有自己的聲腔體，通常是嵌入到天花板中進行使用，因此又被稱為嵌入式揚聲器。此類揚聲器主要是通過振膜發揮作用，將通電導體作為線圈，輸入音頻信號形成磁場，帶動其振膜振動，從而發聲。吸頂式揚聲器中都有一塊小磁石，磁石磁性越強，擴聲效率也就越強。并且由于該類揚聲器是放置在天花板中，因此其更容易激勵空氣，產生較好的低頻音響效果，給人以強烈的沖擊感。因此公共場合音響、家庭影院音響、會議室音響都可以使用此種揚聲器，并且在家庭影院、會議室中更能發揮其優勢。同時，在設計此類揚聲器過程中，除了考慮工作原理外，還需要明確整體結構，使用功率控制在總功率的1.5倍左右，保障其穩定使用，使最終擴聲效果達到最好。

（二）點源式揚聲器

點源式揚聲器的代表就是日常生活中常見的錐盆式揚聲器，其主要是以球面波形式進行聲音的輻射，只要聲波波長超過聲源幾何尺寸，即可視為點源式。該類揚聲器一般不會出現諧波失真的情況，而且方向性較強，可以覆蓋很大一片區域。但其聲壓衰減速度較快，聲壓級以平方反比的規律進行衰減。在實際應用中，此類揚聲器多是用于室外、會場等較為開闊的區域，例如校園中用于廣播的揚聲器。因此在設計過程中，若是需要用于廣闊區域，則優先考慮此類揚聲器，不僅應用價值高，而且能夠節約成本。

（三）線陣列式揚聲器

線陣列式揚聲器簡單地說就是按照線性方式排列在一起的揚聲器組合，將所有揚聲器排列成直線或曲線陣列。線陣列揚聲器在應用上往往需要多個聯合使用才可以實現較好的覆蓋，放大器才可以發揮出更大的效果。該類揚聲器多用于對傳輸距離要求更大范圍的應用場所，如室外現場演出、大型室內演出等，其提供較好音質的同時也存在一定的不足之處：當聲音過大或是排列不夠緊密時，可能會出現聲音失真、低音沉悶，或者氣流聲過大的情況。

三、揚聲器指標

（一）輸出聲壓級

在聲學領域中，輸出聲壓級是判斷揚聲器性能重要指標之一，其具體是指揚聲器在有效回放頻率范圍內的聲壓級輸出特性。一般而言，對揚聲器性能進行分析中，可以通過繪制輸出聲壓級曲線來完成，曲線越平坦，表示聲壓級浮動較小，揚聲器性能越優異。就上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器而言，其覆蓋較為廣泛，基本可以維持較好的聲壓。但點源式會表現出一定不足，大部分當其距離擴大一倍后，輸出聲壓級就會相應衰減6dB。

（二）頻率特性

擴聲系統通常也可根據頻率等級分為高、中、低三大類，低音在20Hz-3kHz，中音在500Hz-5kHz，高音則在2-20kHz。在擴聲系統設計過程中，必須關注擴聲系統頻率的極大值、極小值，還有頻率不均度、總諧波失真等情況，這些都屬于擴聲系統的重要參數，必須符合擴聲器的基本需求。上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器在應用上多數應用于室內，頻率相對穩定，而點源式揚聲器由于本身特性及工作原理，頻率相較前兩者略顯不足。

（三）指向性

指向性是指傳聲器的靈敏度隨聲波入射角度而變化的特性，其主要描述揚聲器將聲波輻射到空間各個方向去的能力。通常，由于利用指向性可以減弱揚聲器對傳聲器的反饋作用，從而消除嘯叫現象，因此揚聲器的指向性十分重要。上述點源式擴聲器具有極高指向性，這種指向性主要針對商場、交通、教育等，可以對某個方向內的人發出聲音，且方向較遠。在設計擴聲系統時，需要充分考慮應用目的。若是應用在商場、學校等地方，必須重視指向性能的提高;若是在家庭中應用，則主要考慮指向性的寬度，使之能夠在工作中極大發揮作用。上述吸頂式揚聲器、線陣列式揚聲器應用上需要多個音響組合使用，覆蓋性較廣，可以在室內環境中使用。而點源式擴聲器則指向性較強，且涉及較為簡單，可以在室外環境使用。

四、室內外聲學特性對擴聲系統設計的影響

擴聲系統的實現以及最終呈現出的效果，室內、室外的聲學特性是我們必須要重點關注的方面之一。由于在擴聲系統發揮作用時，環境會對其造成較多影響，因此必須整合環境整體信息，構建合理的擴聲系統。

（一）室內聲學

室內聲學主要是研究聲音在室內的傳播和聽聞效果，其中房間大小、形狀、布局以及房屋材料等都會對聲音傳導造成一定的影響。在對室內聲學進行研究時，我們通常采取幾何作圖法，來分析直達聲和反射聲的具體情況。需要注意，在實際測試過程中，聲學測試必須持續較長時間，若是短時間就完成測量，不具有針對性且聲場不能完全穩定，參考價值不高，因此測試時間一定要嚴格掌控。一般而言，室內環境，尤其是在會議室中，可以考慮使用吸頂式揚聲器，該種揚聲器是鑲嵌在天花板中使用，在室內可以實現全方位覆蓋，而且不會出現音量沖擊的情況，較點源式、線陣列式更為理想。

（二）室外聲學

室外聲學與室內聲學是有較大差異的，最突出的就是空間問題，人們最為明顯的感知就是室內聲音傳導到耳朵內，音量要高于室外聲音。這是因為室外通常較為空曠，對擴聲系統會造成較多干擾，比如在聽感上聲音會比較散亂，難以充分集中，而室內則可以依靠墻壁的回聲規避這一問題。因此，在設計過程中，為減少室外聲學產生的影響，必須考慮室外聲波的傳導，同時需要結合擴聲系統應用場地的特點，設計適合的方案。一般而言，應用在室外，應該使用指向性比較強的揚聲器，點源式、線陣列式都是可供選擇的方式，但是在過程中，必須充分考慮失真和干擾的問題。

五、擴聲中的系統信號流程

（一）數字音頻信號處理流程

在擴聲系統應用時，需設置調音臺來對音頻信號進行處理，其主要起到修飾音頻、美化音色的作用，用于改變傳輸質量，彌補音頻中存在的不足。早先使用的模擬調音臺由于信號需要經過一級級音頻處理設備的傳輸與處理調音師才能獲得，而在這個過程中失真便會隨之增大，因此對音質有著較大的影響。

目前隨著擴聲系統飛速發展，數字音頻擴聲系統逐漸走進了大眾的視野中。所謂數字音頻即是以數字化的形式對模擬信號進行處理，把模擬電信號轉化為數字電信號，而這個過程即是模/數轉換（A/D）。A/D轉換的過程通常包含三個階段：取樣保持、量化和編碼，其通常是用PCM脈沖編碼調制技術來實現。同時，采用糾錯技術對偶然事件也是非常有必要的，因為音頻數據以非常高的密度存儲在介質上，制造過程中很小的一點失誤都會抹掉成百上千個比特，所以音頻數字在傳輸和儲存時，利用特定的編碼方法和冗余技術還可以對數據進行錯誤檢測，使得傳輸出的音頻達到理想效果。因此，數字音頻擴聲設備通常由四部分組成：傳聲器及音源部分、輸入輸出混合處理部分、數字功率放大部分、電聲能轉換部分。其中，調音臺混合處理部分主要包括均衡器、壓縮器、電子分頻器、延時器和混響器、聽覺激勵器等。當聲音傳輸到擴聲系統中，均衡器調整不同頻率的信號;壓縮器對信號進行動態壓縮或是擴展;電子分頻器對音頻頻率進行分段;延時器和混響器用于制造特殊音效;聽覺激勵器則使得聲音變得細膩，多種處理一一結合，實現聲音理想化。在數字化高速發展的今天，該種擴聲系統不僅大大減少了周邊處理設備及信號線纜，同時也能使聲音達到理想的效果，模擬信號擴聲系統傳輸問題通過數字音頻系統已經得到了有效的解決。

（二）擴聲系統的三方面原則

1.系統穩定性。在一個擴聲系統中，系統設備安全穩定性應該放在第一位。從最基礎的系統改造、系統架構、設備造型等方面，都需要充分考慮整體安全穩定運行，做到系統運行萬無一失。

2.設計合理性。一個擴聲系統中，系統的設計合理性也占據重要部分。要根據現場舞臺的舞美燈光等，將系統的設計做到最高效且最簡化，將聲音完美傳遞到觀眾耳中。

3.設備先進性。一場大型活動中，需要在活動前羅列出系統中所需要的設備。認真了解每一個設備的優缺點，想到可能的突發問題，結合設備切實改進拾音和擴聲的效果。同時，設備的先進性也是決定擴聲效果的重要因素。

（三）音頻技術網絡化發展

對于現在各行各業網絡化的發展，音頻行業也積極結合網絡，實現網絡化技術。網絡化音頻主要涉及音頻信號編碼、信號傳輸、數字處理、音頻信號解碼等流程，因此設計網絡化擴聲系統時，需通過音頻輸入編碼器、音頻處理器、音頻輸出解碼器、處理器等流程。目前，通過網絡的整個擴聲系統大致包括音源設備、揚聲器和控制設備，其中控制設備可以分為網絡音頻處理器、網絡交換機和網絡管理主機三個部分。所以，對于這里的網絡音頻處理器來說，是整個系統中不可或缺的部件。整個網絡音頻處理器可以主要分為兩大模塊，即數字音頻處理模塊和網絡處理模塊。數字模塊是主要完成電平控制、動態范圍控制、均衡等功能后，提供模擬或數字的輸入輸出接口，與網絡模塊相連接。網絡傳輸模塊即實現音頻數據與網絡的傳遞功能，保證網絡數據的實時傳播。雖然在目前的形勢下，網絡模塊可以實現網絡同步化，有即時、不卡頓等優點，但同步問題和實時音頻傳輸問題仍不可忽略，有待進一步的發展，爭取實現延時時間極短的理想化音頻技術。

六、未來展望

根據當前情況來看，信息技術在很多領域都有廣泛應用。目前，在擴聲系統設計中，也積極投入信息化技術，其中最基本的設計包括遠程調控、遠程維護以及自我檢查等功能。就現有情況來說，手機軟件控制設備已經有了較為廣泛普及，家中的空調、照明等都可以使用手機軟件進行控制，因此在擴聲系統設計中，也正逐漸嘗試應用網絡軟件的模式，在手機上進行調音操作等，逐步實現擴聲系統的網絡化。同時，外形的改進也是需要重視的一方面，畢竟多數擴聲系統應用在室內，需要與整個環境相契合。

相對于傳統音頻，網絡化音頻傳輸更為穩定，失真的可能性更低，因此在接下來的設計發展中，可以嘗試將5G和無線系統技術投入到擴聲領域中，重視信號傳輸流程，解決上述延時等技術問題，將網絡化音頻技術更好的應用于劇場、會堂等環境中，實現擴聲系統的網絡化。但由于5G技術成本消耗較大，目前還沒有徹底為大眾所接受。大眾都知道，5G即意味著速度更快，且可以減少延時，因此，如果將5G與擴聲系統相結合，便可以完成音頻的快速傳導，從而進一步實現音頻的實時共享，減少音頻的失真，提高音頻質量。同時， 5G、音頻、視頻的相結合也是十分重要的一方面。一般而言，音頻都是伴隨視頻，因此需要重視三者的結合，使得聲、畫得以進一步的同步，提高使用者的視聽享受。

七、結束語

設計一個高質量的擴聲系統，需要關注諸多細節。一場擴聲實踐中，為了在后續調音中便于操作且保證較好效果，前期設置調音臺具體參數的過程中，不僅需要了解擴聲系統工作原理、工作特性，還需了解室內外聲學特點。工作原理和工作特性的明確，是便于設計工作的有序進行，室內外聲學研究是為減少環境對擴聲系統造成的干擾。明確相關設計細節之后，才可以制定出較為完善的設計計劃，確保擴聲系統能夠投入實際使用，在實踐中發揮出最好效果。目前，擴聲系統廣泛應用于各個領域，其應用價值是巨大的，相信未來加強相關內容的研究、結合5G新型技術，擴聲系統會有更廣闊的發展空間。

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