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三、如何进行工程报价和投标决策?
今天在座各位有从事专业音响技术的,也有从事民用音响技术的(家庭影院和HiFi),两者都属听觉效果的产品,因此他们必有着相同的技术基础,但由于使用场所和使用功能的不同,考虑问题的出发点和采取的技术措施也会有很大差异。
一般来说,专业音响的技术措施更为复杂些,如果把专业音响技术引入到民用音响中,可能会给民用音响获得进一步的发展。
让我们从专业音响与民用音响的异同作为这次讲座的开始,逐步展开讨论。
一、专业音响技术与民用音响技术的异同
专业音响与民用音响的共同点
1、两者都在不断追求达到最佳音响效果。
2、他们都需使用混音放大信号处理(如均衡器的混音效果器等)、功率放大器、扬声器和各种音源等音响设备。
3、系统稳定可靠,达到最佳性能价格比
4、听音效果不仅与系统设备性能有关,还与听音环境(建声条件)密切相关,因此都需关心建声条件。
由于服务区域,服务对象和使用功能的不同,他们也存在很大差异:
1、民用音响的服务区域一般都小于50㎡,服务对象为人数不多的家庭成员或亲戚朋友,因此要求功放的输出功率不大,扬声器的功率也较小,对扬声器的电声转换效率(声压灵敏度)、指向特性、最大声压级等指标特性不大在意,为追求高音质,可不惜功本(尤其是发烧的HiFi系统)
专业音响的服务区域很大,服务对象的人数少则数百人,多至上万人,因此特别考虑系统的效率问题和成本问题,对扬声器的技术特性提出了更高的要求,希望以最少的系统造价,能获得最好的音响效果和最低的使用成本。
既要“马儿好”又要“马儿少吃草”。
2、专业音响广泛用于剧场、影院、宾馆、会议中心、体育比赛、音乐广场、娱乐中心、会展中心、机关学校、机场港口、车站地铁和部队营房等------,使用功能,场地形状和声学特性各不相同,系统设计必须因地制宜,没有通用的系统配套方案,民用音响使用对象单一,可采用通用配套模式,使用简单。
3、专业音响必须因地制宜,周密考虑系统声场设计(扬声器布局),才能获得良好的声学效果。
4、专业音响必须根据使用功能,设计不同的信号处理方式和信号传送途径。
5、由于专业音响的服务区域大,因此更加突出建声条件的重要性,电声系统与建声条件的关系是汽车与公路的关系。
6、民用音响主要是声源节目的还音系统,专业音响既有节目源的还音功能又话筒声源的扩声功能,在扩声系统中如何防止声反馈啸叫和提高系统传声增益是一项重要问题。
7、专业音响还必须仔细考虑与专业灯光系统、视频系统(投影机和摄录像系统)、通讯系统和消防报警系统(紧急广播)等相关系统的配接互联的问题。
二、音响系统与建筑声学的关系
音响发烧友有一个口头语“低级发烧友玩器材,高级发烧友玩房间”,充分说明了建筑声学对取得优良音质的重要性。
周密考虑和正确设计室内声音的传播条件,是获得优良音质的保证。
房间中某一点声源发声时,声波以球面波方式向四周扩散传播,声音的强度与传播距离的平方成正比减少(平方反比定律)。
当声波传播到周围界面时,一部分声能被吸收,另一部分声能被反射。
到达听众耳朵的声音有三部组成:
直达声、比直达声晚50ms到达的早期反射声(又称近次反射声)和比直达晚50ms以上的多次反射声(又称混响声)。
三种声音的贡献分别为:
1:
直达声:
提供声源的方向、传递声音信息、提高声音清晰度和声压级的主要来源。
2:
早期反射声:
提高声压级和声音清晰度、增强声音的空间感。
耳朵无法把它和直达声分离出来,在EASE设计软件中,可用声线法把它们分离出来。
3:
混响声:
混响声无方向性,不包含声音信息,但它使声场分布均匀、音质丰满,可提供分辨别房间的空间特性(房间的大小)。
过大的混响声会降低声音的清晰度、掩蔽直达声,超过100MS延时的混响声会形成回声,严重影响声音清晰度。
直达声(包括早期反射声)与混响声的声能比(D/R)是直接影响声音清晰度的重要参数。
混响声能的衰减率与周围界面的吸声能力有关,通常用混响时间R60来表示,即声源停止发声后,室内声压级衰减60dB(1000倍)所需的时间,由于吸收材料的吸声特性α与声音的频率有关,因此R60也与频率有关。
混响时间对音质有着重要的影响,R60太大时会使声音混浊不清,过小时会使声音感到干涩无味。
声
(二)声学设计中的几个重要参数
1、吸声系数α
建筑声学设计中用吸声材和吸声结构来消除回声,颤动回声,声聚焦和减少混响时间等房间的声学缺陷。
吸声材料和吸声结构通常用吸声系数α来表示:
式中:
Eo—入射到吸声材料的声能;
Er—被材料反射出来的声能。
α=1意味着声能全被吸收;
α=0意味着声能全被反射。
2、临界距离Dc
前面已提到直达声的传播衰减与传输距离的平方比成反比,离声源的距离越远,声压级越低,混响声的传播衰减不遵守平方反比定律,在理想状态下,理论上它在整个房间的声压级是相等的。
图2-3黑点表示直达声,离扬声器越远,声压级越低,黑点密度越稀。
空心圆点代表混响声,整个房间的混响声声压级是相等的,因此空心圆点的密度到处是相等的。
临界距离Dc是指在声源轴线方向上,直达声与混响声声能相等的距离,即D/R=1(0dB),临界距离在计算声音清晰度时很有用,一般来说,在D/R>
-6dB区域内(即2倍临界距离),声音的清晰度是最好的,临界距离的计算方法为:
式中:
Q—扬声器的指向性因数
R—房间常数(即房间的吸声量)R=
α—房间的平均吸声系数
S—房间的总吸声面积(㎡)
3、混响时间R60
房间的混响R60与房间的容积V、表面面积S和房间的平均吸声系数有关,
计算公式如下:
V—房间容积M3
S—房间吸声面积,㎡
--房间平均吸声系数,
当≥0.2时,应使用Eying公式计算:
式中:
M为空气吸声系数,它与频率和湿度有关,1KHZ~8KHZ的M值为0.003~0.057.
不同混响时间R60的听觉感受:
R60<0.5秒(500Hz):
声音清晰,但太干(单薄),适宜于录音室。
R60=0.7~0.8秒(500Hz):
声音清晰、干净,适宜于电影院和会议厅。
R60=1.2~1.4秒(500Hz):
声音丰满、有气魄、空间感强,适宜于音乐厅和剧场。
R60>2秒~3秒(500Hz):
声音混浊、语言清晰度差,声音发嗡,有回声感。
(三)吸声材料与吸声结构
按吸声机理,常用的吸声材料与吸声结构可分为多孔吸声材料和共振吸声结构。
1、多孔吸声材料
多孔吸声材料包括纤维材料和颗粒材料。
纤维材料有:
玻璃棉、超细玻璃棉、矿棉等无机纤维及其毡、板制品,棉、毛、麻等有机纤维织物。
颗粒材料有膨胀珍珠岩、微孔砖板等块、板制品。
多孔吸声材料一般有良好的中高频吸声性能,吸声机理不是因为表面粗糙,而是因为它有大量内外连通的微小空隙气泡。
多孔材料的吸声能力与其厚度、密度有关,随着厚度增加,中低频吸声系数显著增加,高频变化不大。
增加材料的密度也可以提高中低频吸收系数,但比增加厚度的效果小,因此在使用同样材料时,当厚度不受限制时,宁愿采用结构密度松散的厚度大的多孔材料。
多孔材料背后有无空气层,对吸声性能有重要影响。
其吸声性能随着空气层厚度的增加而提高。
帘幕也是一种很好的多孔吸声材料。
就吸声效果而言,丝绒最好,平绒次之,棉麻织品再次,化纤类帘幕最差。
通过调节帘幕与墙面或玻璃的间距可调节吸声效果。
2.共振吸声结构
穿孔板吸声结构和薄板、薄膜吸声结构都可看作利用共振吸收原理的吸声结构。
穿孔板吸声结构具有较好的中频吸声特性。
它是由金属板、薄木板、石膏板等穿以一定密度的小孔或缝隙后固定在龙骨上,背后留有空气层而构成共振吸声系统。
它可视为由许多并联的亥姆霍兹共振器组成。
共振频率可用下式计算:
式中C——声速,34×
103cm/s
P——穿孔率,即穿孔面积与总面积之比值;
D——板厚(cm)
d——穿孔直径(cm)
穿孔板的吸声特性在共振频率附近有最大的吸声系数。
为扩展吸声系数的频率范围,可在穿孔板后铺设多孔吸声材料及留有一定的空气隙。
穿孔的孔径小于1mm(穿孔率p=1%~3%)时称为微孔板,用薄金属板制成,其后面再铺设多孔吸声材料,可在较宽带内获得较好的吸声效果。
做成双层微穿孔板结构,吸声性能更佳。
如果把穿孔率达到50%以上的微穿孔金属薄膜或微孔有机玻璃板直接贴在大面积装饰玻璃平面上,则可解决玻璃平面的强声反射问题,同时也不大影响玻璃的透光性或透明度。
它的缺点是造价太高。
3.声波扩散体
改善建筑声学特性的方法除使用吸声材料外,还经常在墙面及声波反射强烈地地方设置声波扩散体/面,使声波产生漫反射和分散室内的共振频率。
改善声音的“染色”失真(即音色变调)和颤动回声。
常用的声波扩散体形状如图2-12所示,图中(a)为等三角形,(b)为圆弧形,(c)为MLS扩散体。
三种扩散体墙面结构的效果以(c)MLS为最好(1-3-2-1-1-2-1随机序列),(a)次之,(b)最差。
4.最新的高性能防潮吸声材料
室内游泳池的建声设计一直是一个老大难问题,因为常规的吸声材料都不能防潮、防水,使游泳馆的扩声系统音质难以提高。
1997年八届全运会新建上海浦东临沂游泳馆时引进了美国Pyork吸声喷涂材料和日本NDC多孔吸声金属装饰板,获得了极为满意的结果。
第三章数字声原及其编码格式
数字音频给我们生活带来了前所未有的变化,它以音质优美、信号纯真、动态范围大、可反覆复制和传输不增加失真、便于编辑处理,还可在一对线路上同时传输很多路信号……等等。
成为21世纪音视频系统的主流。
1、如何实现数字化?
日常生活中的各种声源(语言和音乐信号等)都是模拟信号,即信号的振幅随时间连续变化。
模拟信号可直接用传统的录放设备(如录音机)、放大器、处理器(如均衡器、压缩限幅和分频器等)、混音器和扬声器等设备进行放大和还音。
但是在对模拟信号进行放大和处理过程中,存在着非线性失真、动态范围受到限制(自然界中声音的动态范围可达120dB,模拟音频系统的动态范围只能达到60dB),信息复制和传输中会引入噪声和增加失真,这些因素限制了模拟音频系统的进一步提高和发展。
数字音频系统解决了模拟音频的这些难题。
把连续变化的模拟信号变换成时间上不连续的脉冲数字信号(简称模拟一数字,A/D变换),需要经过如图1所示的取样(又称采样)一量化一编码三个过程。
取样(Samping)
根据信息论原理,一个频率为fs的正弦波信号的信息量完全包含在频率为2倍的不连续的脉冲信号中。
即脉冲取样频率fp=2fs。
如果要把20Hz-20KHz范围的音频信号数字化,那么取样脉冲的频率至少应为最高信号频率的2倍,即40KHz,其周期Tp=1/fp=1/40KHz=25us。
量化(Quantization)
模拟信号采样后,需要解决取样点振幅数值的读取问题。
信号振幅的大小可用“一把具有刻度的尺子”来量度。
用来读取信号振幅大小的过程称为量化。
在A/D变换中,“尺子”的度量刻度用二进制的脉冲数bit(波特)表达。
1bit可读取2个数值(0和1);
2bit可读和4个数(00,01,10,11);
3bit可读得8个数值……;
16bit可读得21b=65536个数值,如果信号的最大振幅为1V,那么16bit的量化可读得的最小化振幅为1V/65536=0.015mv(毫伏),即最大读数误差为万分之15。
由此可见,量化biT数越多,振幅读数越精确。
振幅读数误差称为量化噪声。
编码(Coding)
为把量化后的数字信号进行传送或存储到媒体上(如光盘),还必须把每个瞬间的量化脉冲按时间顺序组成一个脉冲序列。
这个过程称脉冲编码调制PCM(PuleCodeModulation)。
在接收端或播放光盘时,数字一模拟(D/A)变换器再把脉冲序列变换成图1(e)的模拟信号并经低通滤波器恢复为平滑的输出信号。
编码后每秒流出的脉冲bit数(0和1)称为码流速率,单位为bit/s或为bps。
码流速率的更大单位为千bit(Kbps)和兆bit(Mbps)。
模拟信号变换成数字信号后,模拟信号的振幅变化信息已全部包含在二进制脉冲编码的数位变化中。
脉冲振幅已不代表信号振幅的变化。
因此外界干扰引起的脉冲振幅波动不会产生信号失真,这是数字信号的最大优点之一。
2、各类数字声源的编码格式和特性
(1)CD声源的编码格式
上世纪80年代末菲力浦公司和索尼公司同时推出了数字光盘存储技术。
根据取样定理,取样频率应大于或等于模拟信号最高频率的2倍。
音频信号的频率范围为20Hz-20KHz,因此确定CD光盘的取样频率为44.1KHz。
量化精度又如何确定呢?
量化精度与信号的动态范围直接相关,因为量化精度越高,量化噪声越小,可获得的信号动态范围越大。
它们的关系式为:
信号动态范围(dB)=20log2n(dB)
n为量化bit数。
菲力浦的工程师认为n=14bit的量化精度已可达到20lg214=84dB的信号动态范围,这种动态范围比模拟录音的60dB动态范围已高了很多,音质已有很大的提高。
索尼工程师认为从发展角度来看,14bit的变化精度是不够的,提议应采用16bit,最后一致通过了CD光盘的录(放)数字编码格式为:
44.1KHz取样/16bit量化。
为什么不采用更高的取样频率和更高的量化精度呢?
这是受当时光盘制造技术条件的限制。
数字信号存储的数据容量为:
数字信号存储的数据容量=取样频率×
量化bit数×
通道数
按上面确定的数字编码格式,双声道立体声CD光盘存储的数据容量应为:
44.1?
03Hz×
16bit?
通道=1.41MB。
常见的直径为12cmCD光盘的数据容量为650MB,大约可存储74分钟音乐,另一种直径为8CM的MiniCD,数据容量为185MB,可存储20分钟音乐。
早期开发的CD光盘使音频系统的音质有了很大的提高,但是在音质主观评价时与模拟音频系统相比感觉有“数码味”的差异。
原因在于数字信号径D/A变换后会在音频带以上的高端产生一个镜像频带,这是一种嗓声,必须用低通滤波器把它滤除,否则经非线性器件放大后会折回到可闻音频频带内,造成数码味的听感。
镜像嗓声频带的位置与取样频率有关,取样频率越低,镜像频带离音频频带越近。
必须用衰减特性十分陡峭的低通滤波器才能滤除靠近的镜像嗓声。
但是滤波器的斜率衰减特性越陡峭,相应失真越大,会影响声音高频部分的音质。
为此,采用超取样的方法,把镜像嗓声推到远离音频频率的位置,这样只需用低斜率衰减特性的低通滤波器就可滤除。
超取样是在CD机中采用的一种技术。
CD片上的数据信号读出后,用DSP电路进行插值处理,把44.1KHz的标准取样频率提高1倍至数倍。
(2)DVD-Audio(音频DVD)
DVD-Audio是近几年推出的一种高性能数字音频光盘。
DVD-Audio采用与DVD相同的高密度光盘,单面单层的数据容量可达4700MB(4.7GB),是CD光盘的7.2倍,采用与CD光盘相同的线性脉冲编码方式(PCM)。
储存双通道时的取样频率高达192KHz,量化精度为16bit;
储存6通道时的取样频率为96KHz,量化精度为24bit。
音乐重放的最高频宽可达96KHz,拥有144dB的超高动态范围。
(3)SACD(超级音频CD)
从A/D变换原理可知,量化精度越高及取样频率越高,音质效果越好和信号动态范围
越大。
但是占有的数据空间也越大,可连续播放的时间也越短,传送数据的通道频带也越宽。
日本索尼公司近年推出一种SACD(SuperAudioCD)超级音频CD在不增加数据空间而实现超级性能的音频编码格式。
SACD的取样频率为2.822MHz,量化精度为11bit增量调制(调制)。
1bit量化的增量调制编码方案是对模拟信号取样点读出的不是它的绝对电平值,而是根据取样点前后相邻两个信号变化的增量值来判定。
如果后面取样点的信号振幅大于前面取样点的振幅,则输出的数字信号为1,反之,如果后面取样点的信号小于前面取样点,则输出的数字信号为0,由于取样频率极高(2.8224MHz),因此极微小的信号增量变化也能检出。
把这些信号的增量变化加上起始信号的基准电平,便可获得全部信号的真实数字电平。
SACD1bit超级CD可与1bit数字功放直接连接成一个性能极佳的全数字音频系统。
(4)MD(MiniDisc)迷你光盘机
信号格式用CD机,采用ATRAC压缩编码技术。
压缩比为5:
1,尺小比CD小,便于携带,防震性能优良。
(5)MP3数字音频
MP3的全名为MPEG-1AudioLayer3,运动图像专家组-1(MPEG-1)第3层音频编码。
MP3利用人耳听觉的感知特性,压缩人耳听不到的信号细节,虽然压缩后的信号存在有失真,但不会影响音质。
MP3以高音质、低取样率的方法,在音质丢失极少的情况下,把音频文件压缩到只有4-5MB数据容量,是CD格式的1/10。
所需频宽不大,便于存储和可在互联网上传输和下载。
(6)MP4保护版权的编码技术
压缩比为15:
1,市场很少采用
(7)WMA(WindowsMediaAudio)视窗媒体音频
压缩比可达18:
1,并可通过DRM(DigiTalRightManagement)防盗版数字媒体音频
(8)DAT数字录音机
DAT数字磁带录音机,取样频率48KHz/44.1KHz/32KHz可调,量化精度16bit
(9)DCC数字录音机
DCC数字磁带录音机,取样频率48KHz/44.1KHz/32KHz可调,量化精度18bit,采用PASC压缩编码,信号动态范围可达105dB。
几种数字声源的主要特性
3、数字音频信号的优点:
(1)数字编码信号的振幅变化仅为0和1两个状态,变化范围最多20dB,非常适宜各种媒体储存处理和网络传输。
(2)音频信号的动态范围取决于量化精度,很容易实现96dB以上的大动态系统,音质大大优于模拟系统。
(3)数字音频信号不受外界干扰影响,信号嗓声比高,声音纯真清晰,失真小。
(4)数字音频信号可以反复录制,编辑和变换,不会增加失真和降低信号嗓声比。
(5)数字信号便于加工处理和控制,因此获得了广泛应用。
(6)在一对传输线路上可实现多个通道同进传输。
第四章音频功率放大器与扬声器的配接和连接电缆的计算
根据音乐信号的特性,音乐信号的瞬态峰值比它的平均值大12dB--20dB(410)倍,从保证音质这个角度来说,功率放大器在此峰值范围内不应发生任何限幅或削波,即功率放大器的额定输出功率应是扬声器额定功率的410倍。
这样的功率配置质量当然很好,但投资会很高,同时如果操作不小心,容易发生烧坏扬声器,因此一般都会把这个功率配比定在12倍,根据不同使用场合具体确定。
1.在一些投资有限,要求较低的音响工程和报告厅扩声工程,可选用1.2倍的功率配比。
过小的功率配比(例如小于1倍),初看起来似乎不会损坏扬声器,但是由于过小的功率放大器极易发生过载削波,产生大量谐波,烧毁高音扬声器。
2.一般的娱乐总汇、会展中心、多功能厅和体育场馆音响工程可选择1.5倍的功率配比,超低音扬声器的功率配比可选择2倍。
这样可在确保足够声压级的前提下,不会发生明显的声音失真。
3.具有专业操作人员的剧场、音乐厅和录音室监听等场志,最理想的功率配比是2倍。
这与国际电工委员会IEC制定的配接标准的推荐值是一致的。
二、扬声器额定功率(又称长期连续功率)的标定方法
为获得宽阔平坦的频率响应特性,扬声器箱一般都由高音、中音和低音多个扬声器单元组成。
高音扬声器单元的振膜轻,音圈小,承受功率能力最小;
低音扬声器的纸盒大,音圈导线粗,功率最大,中音扬声器的功率介于两者之间。
如何确定扬声器箱的额定功率历来比较困惑,因为扬声器箱的额定功率与使用频段有关。
现已由美国EIA(美国电子工业协会)、AES美国工程师协会和IEC(国际电工委员会)三家单位分别制订了专业扬声器的测试标准。
1.EIARS-426专业扬声器的功率测试标准
测试信号:
全频段连续粉红噪声源,峰值功率与平均功率之比为6dB(4倍)
满负荷加载时间:
8小时
判决标准:
扬声器不损坏。
此时的满负荷功率称为长期连续功率;
短期功率=长期连续功率+6dB(即短期功率=4倍长期连续功率)。
2.AES21984专业扬声器的功率测试标准
全频段连续粉红噪声源,峰值功率与平均功率比为6dB(4倍)
2小时
扬声器发生永久性变化的机械和电气性能不大于10%,此时的满负荷功率称为长期连续功率。
短期功率=4倍长期功率。
AES2比EIARS426标准推出晚,因此更严格和更科学,但判决测量10%的永久性变化较难。
现在一般高性能的专业扬声器都采用AES2标准。
3.IEC268民用扬声器的功率测试标准
摸拟节目信号(全频连续粉红噪声源+专用带通滤波器)
持续1分钟,间隔2分钟,共重复10次。
扬声器不损坏,此时的满负荷功率称为长期连续功率(或额定功率)。
显然民用扬声器功率的标定方法比专业扬声器功率标定方法松一些,这是因为专业扬声器必须长时间连续工作在高声压输出的情况下,是确保高可靠性所必须的。
三、功率放大器与扬声器连云港接电缆的计算
为获得良好的音质效果,必须正确选用适当的连接电缆。
有些发烧友不惜功本的采用极大截面积的连接电缆,对音质并没有明显提高,浪费不少投资,连接也不方便。
但是,传输电缆如果截面积不足,对低音音质会产生明显影响,并增加了功率传输损耗。
经国外同行专家多年研究,为获得良好的音响效果,应根据扬声器与功放连接在一起后的系统阻压系数为依据。
系统阻尼系数D的表达式如下:
Rs扬声标称阻抗,单位为Ω,
Ri功放内阻,单位为Ω,
Rl连接电缆的电阻(双线电阻)单位为Ω,
较好音响效果的系统阻尼系数的最低要求为16,如需用获得更好的音质,还需具有更大的阻尼系数,例如D=50。
选择阻尼系数时,必须兼顾音质效果和经济性两个方面,达到最佳性能价格比。
例:
功放的阻尼系数Dp=127,输出功率500W,需用电缆长度L=25公尺,扬声器标称阻抗Rs=8Ω,要求系统达到的阻尼系数D=50,需多少截面积的电缆.
解:
根据功放的阻尼系数Dp,求出它的内阻
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