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高品质扬声器系统工程设计和探讨

—— 德国CODA公司位于德国汉诺威市,自1996年开始,主要研发、生产扬声器单元,到现在已有12年历史。

2009-05-21 赵晓维


    德国CODA公司位于德国汉诺威市,自1996年开始,主要研发、生产扬声器单元,到现在已有12年历史。以BMS公司的名义为世界各国有名的专业扬声器系统(俗称音箱)厂商提供优质的单元。 自2003年起,该公司利用自己生产的优质扬声器单元的优势,自主开发生产了扬声器系统及其配套用的功率放大器等电子产品,以CODA公司的名义直接销往世界各地,供专业音响工程使用。
    目前,国内一些工程中应用CODA的产品。如:北京中华全国新闻记者报告厅和中国中铁建礼堂都使用了RX35型和D5型音箱设计的扩声系统,其测试的性能指标和音质效果都得到了用户的好评。2008年8月5日,故宫前面的午门奥运会火炬接力仪式现场使用LA8线性阵列扬声器进行现场实地扩声,其音质效果得到奥运会火炬接力组委会和现场观众的一致好评。CODA公司Alexandov先生从事音响产品研究设计之前是一个“音乐人”,从事过乐队演出等工作,对乐器的音质、表演有很高素养。本文中Alexandov先生在高音质的扬声器系统、扩声系统声学特性和工程案例进行了技术探讨。

高音质的扬声器系统应该具有什么样的性能指标
    (1)频率响应要达到40Hz—20kHz,不均匀度达±1dB,低频是30Hz、40Hz或稍高一点问题都不太大,可以根据客观需求而定,不是非常重要的问题,而高频更重要,上限达14kHz、15kHz、16kHz不够好,要达到18kHz、20kHz甚至22kHz才好,按前者会影响清晰度,如zi声达16kHz尚可,si声达18kHz—20kHz才不影响清晰度。其不均匀度,按参观时,现场测得的频响不均匀度,可以达到2~3dB左右。
    (2)更重要的指标是指向性指标、指向性频率响应指标。频率响应指标,国际、国内标准规定是在距离扬声器1m处,在扬声器轴线上,测得的频率响应,其频响不均匀大或小,只是说明在音箱正前方的性能指标和可能听到的效果;但音箱是规定在某个水平与垂直角度如60°X40°内工作的,所以要在这个角度内(含水平、垂直两部分)不同角度的中高频频率响应一样好,才能在它所覆盖的宽的听音区内有好的音质效果。这一点往往被人们所忽视,这也正是音箱产品好坏的关键所在。
    (3)专业扬声器的失真问题
    一般专业扬声器产品,很少给出失真的参数指标;有哪几种失真,应该限定在什么数值之内,才能获得高音质效果也没有给出。往往只说明某型号产品失真很低、音质好!这是我们应进一步探索的问题。CODA公司是如何考虑谐波失真、互调失真、次谐波失真、瞬态失真等技术参数呢。
    (a)对于谐波失真,高次的谐波失真比低次的谐波失真对扬声器的影响更大。
    一般说来,一个信号往往不是一个纯音而是有一定幅值电平的一组信号,如:主信号在100Hz,但在其上下频率,都存在一定的信号强度。其低次谐波(如二次、三次)虽有一定强度,但被信号组的信号所淹没,故主观感觉不明显;对于高次谐波,同样的谐波电平,由于信号组没有那么高的频率成分掩盖它,主观感觉就非常明显,所以设计扬声器时应尽量减少高次谐波失真。
    (b)注意改善钕磁体磁路回路引起的互调失真
    钕磁体磁能积工作点的设计较过去铝镍钴磁体磁能积工作点的设计,更容易使扬声器单元产生互调失真,这是应该着重注意的技术问题。CODA公司声称已解决了这个问题,它的互调失真已达到过去铝镍钴产品同样低的互调失真水平。

扩声系统声学特性标准问题
    (a)厅堂、体育场馆工程扩声系统频率范围上限的设计,一般希望达到16.0kHz,低于此值就会影响清晰度。当谈及扬声器的声音辐射距离达到40m或更远时,频率10.0kHz以上,大气中声波衰减已经很大,而且随温度和湿度不同而变化,如何能达16.0kHz频率上限,他们认为若有条件的话,可用补声扬声器做近距离补声,以解决问题。若没有这种条件就达不到了。[Page]
    (b)对厅堂听众区内各座位的声场不均匀度,认为可以测量宽频带的声压级,要求不均匀性不应超过4dB。对于测定1/3oct窄带的100Hz、1000Hz、4000Hz、6300Hz的听众区内的声场不均匀度,认为不必要,因为不能解决分离度问题。
 
从个别厅堂扩声系统的设计案例,看其工程设计的技巧
    有些设计生产扬声器系统(音箱)的厂商,只模仿国内外某些音箱的性能指标和外形尺寸等来确定本公司的产品要达到的参数要求,而不从专业音响工程设计的实际需求,去探讨更实用的产品,这样就不会真正了解客观需求所在。
    以个别厅堂扩声系统的实例,共同进行探讨。
    实例1:某个小厅堂,宽14.0m,从舞台口两边主扬声器系统到后墙长20.0m,高3.0m,两只主音箱覆盖前厅区,声场很均匀,声压级足够了。但后场声压级太低,需用补声音箱给予补声。有的在后墙挂补声音箱,有的在两侧墙挂补声音箱,有的这两者同时使用,有的在天棚设置补声音箱,还有其它形式的补声。为了使声像一致性好,声音相互干扰小,音质好,请推荐使用哪一种。
    Alexandov先生认为,在扩声系统有数字处理器设备时,在距后墙5.0m,距两边侧墙3.5m的天棚处,设置两只补声音箱,并经数字处理器对信号做适当延迟时,这种方法最合适。
这个看法与我们使用两只CODA-RX35型号的音箱作主扩声音箱,置于舞台口两侧,采用CODA -D5型小型音箱作补声,作理论计算和实例应用,基本上是好的,可以达到较好的扩声系统声学特性指标和音质效果。
    实例2: 某一个厅堂宽31.0m,从舞台口两侧主音箱到后墙长36.0m,高6.0m。用两串CODA公司的LA4线性阵列音箱和适量的D5作补声,可以满足扩声系统声学特性要求吗?它的传输频率特性指标的上限频率可以达到多少?
    Alexander认为,用LA4线性阵列音箱作扩声在厅堂后区声压级较前区会偏低,故后区需用D5音箱作天棚音箱进行补声,使之与前区声压级基本一致。在后区距主音箱已有30多米,高频空气声衰减达,声压级难以平直达到16.0mHz,即使能达到,因受湿度、温度的影响,声衰减量也是不稳定的,故在后区(远场)需用D5音箱进行补声,可以稳定达到16.0 mHz.。
笔者对近似上述体积容量、尺寸的某扩声系统工程,用CODA LA4线性阵列音箱和D5音箱进行了认真设计,严格施工、调试后,实测结果:传输频率特性50Hz—16.0 kHz(各测点平均值)、宽频测量各测点不均匀度为4dB,最大平均声压级达103.0 dB,效果获得业主方认可满意。Alexander看了这组测量数值,认为很好,达到了应有的指标要求,但他又认为:如果不受工程费用的限制,采用其它型号的线性阵列音箱并增添必要的设备后,则有可能把扩声系统的特性指标进一步提高,达到更好的音质效果。

 为EASE软件的计算机辅助设计,提高更全面更精确的技术数据
    国内各种扩声系统工程投标设计时,投标方在进行方案设计时,基本上都要提供用软件进行计算机辅助声学参数的模拟设计,如最大声压级、传输频率特性、声场不均匀度等指标。但往往流于形式,其原因有二:
    一是没有真正地按客观听(观)众厅的实际混响时间及其混响频率特性、厅堂结构的真实建模、音箱的性能参数,进行认真细致地对声场参数进行机辅的优化设计,来指导声场设计。
    二是业主方(即招标方)给投标方进行投标设计的时间太短,要真正按实际混响时间做真实建模和模拟优化设计根本来不及,这样就在随意假设接近实际条件下进行CAD设计,更有甚者,随意绘出很漂亮的声学参数设计图。
    上述两个原因,使CAD声学参数设计形成虚设的一种手段,给业主方看看而矣,造成审标人也不去考核的不好局面。[Page]
    近年来业主方有的认识到上述问题,对一些重大的扩声系统工程,则采取委托有实际水平和经验的公司或个人,给予足够的时间和经费,对扩声系统工程进行反复研究设计,包括声场声学参数的CAD的优化设计,使之达到先进的高标准的性能指标和实际使用效果。全面、精确的音箱参数,是有水平、有见识的工程设计者进行扩声系统工程优化设计的基础,在此基础上进行严格的施工、调试,通过全面的声场参数的测定,才能获得优异的使用效果。

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