音响系统的配接与稳定性
 

音响系统各个部件之间的配接(互连)十分重要,如果配接不好,就会明显影响整个系统的放声质量,严重时会损坏部件或使整个系统无法正常工作。通常,由一个厂家生产的套装组合音响,因对各部件的配接要求已作考虑,故配接问题不大;对于不同厂家组合而成的组合音响,则必须对系统的配接问题给予足够的重视。

关于音响系统的配接,国际上有IEC268-15的《声系统设备部件互连的优选值》,我国也有相应的标准——《家用声系统设备互连配接要求》(GB9031-1988)和《声系统设备互连的优选配接值》等。

一、常用配接插头、插座和接线

常用的配接插头、插座有如下几种,如图11-66所示。


(1)两芯或三芯插头、插座

有直径φ2.5mm、φ3.5mm和φ6.3mm三种,一般用于传声器输入、外接扬声器输出或耳机输出等。两芯的用于单声道或不平衡接法,三芯的用于立体声或平衡接法。

(2)TX型同心插头、插座

又称莲花插头、插座,或称电唱盘插头、插座,因最早用于电唱头输出线而得名,目前应用很广。除了电唱盘外,还可供调谐器、录音机和其他音响设备以及扬声器等作输入、输出使用。总之,它主要用于音频电平在IV左右的各种音响设备输入、输出的连接。

(3)YC型五芯插头、插座

又称德国DIN标准插头、插座,一般用于盒式录音机与放大器之间的配接,作录音机的线路输入、输出使用。

(4)卡侬(Canon)插头、插座

如图11-67所示。多用于调音台及其周边设备、功放的输入/输出连接。通常卡侬插头、插座用于平衡接法,其各端子的接法是:1端为屏蔽接地.2端为信号(+)端,3端为信号(一)端,而且公插和母插的端子序号方向正好相反。如果将卡侬插头接成不平衡接法,则可将3端与l端用导线接通。


关于配接用连线,除了功放与音箱之间的扬声器连接线可用一般没有屏蔽层的塑料线外,其他各种信号连线都戍采用单芯、双芯或多芯屏蔽线,以避免串入交流声或其他高频干扰。信号传输用的屏蔽线以75Ω同轴电缆用得最为普遍。五芯DIN插头用的屏蔽线是一种专用的五芯屏蔽线,如果没有的话可用两根有屏蔽的双芯线代替。

扬声器连接线属于大信号的功率线,在要求不高的场合虽然一般可选用多股(最好是20股以上)塑料线,但在高保真放声场合,扬声器连接线对音质的影响不可忽视,因此国外有专用的扬声器连接线提供,以便获得最佳的音响效果。由于现代功放的输出内阻~般都很小,只有0.050.2Ω,因而扬声器接线电阻对阻尼系数有很明显的影响,所以一般要求扬声器连接线粗而短,以减小接线电阻。

二、系统的配接考虑

一个音像系统能否发挥各种设备的性能,其配接是很重要的。如果配接不好,就会明显地影响系统的放声和图像质量,严重时会损坏部件或使整个系统无法工作。为了实现正确的配接,必须注意:一是要保证各设备之间在阻抗、电平、功率、频带等方面达到匹配;-是是注意信号的传输方式,是采用平衡方式还是不平衡方式;三是要正确选用传输线和接插件。

1.阻抗匹配

在电工学中曾讲过,当负载阻抗与信号源内阻抗相等时,负载从信号获得的电功率取得极大值,此时称为阻抗匹配。然而,在音响系统中阻抗匹配具有更为广泛的意义,如果作为信号源的设备输出阻抗和作为负载的设备输入阻抗的取值,能使设备以及整个系统较好地工作,我们就认为达到了阻抗匹配。这里,信号源和负载之间并非有最大的功率转换。在音响系统中,通常信号电平低,为了进行高质量传输,要求负载阻抗应远大于信号源内阻抗,这是因为信号源内阻抗小,则信号源内消耗的功率就低,输出同一电平值时要求信号源的开路输出电压也较低。更重要的是信号源内阻抗低时,可以加大信号的有效传输距离,改善传输的频响。这可以从图11-68所示等效电路看出,图中设Rs为信号源内阻,RL为负载阻抗,C为传输电缆与负载端输入电容的总电容,这是一个低通网络,其高端截止频率,式中R=Rs//RL。可见减小信号源内阻抗对频响有利。按照国际上和我国规定,一般要求设备的信号源内阻抗(输出阻抗)与负载阻抗之比应为1:5,或者信号源内阻抗更小一些。


对于视频图像系统,作为信号源设备的输出阻抗值与作为负载设备的输入阻抗值之比为1:1,此时才为阻抗匹配。因此,卡拉OK歌舞厅中的电视机、录像机、激光影碟机等的射频和视频的输入、输出阻抗均为75Ω。

2.电平匹配

音像设备互连时,电平的配接也同样重要。如果配接不好,会使激励不足或发生过载,从而产生严重的失真。按IEC和我国标准,音像系统通常都有额定输出电压或额定输入电压、最大输出电压或最大输入电压、最小输出电压或最小输入电雎,一般按有效值标注。要做到电平匹配,就是不仅使信号在额定状态下电平匹配,而且在信号出现尖峰时也不发生过载。如果电平不能直接匹配,就应采取适当的变换方法,如用变压器或电阻分压网络,使电平达到匹配,变换时也需同时考虑到阻抗匹配。

3.功率匹配和阻尼系数匹配

功放与音箱配接时,应考虑它们之间的功率匹配、阻抗匹配、阻尼系数匹配以及相位等问题,若匹配不好会严重影响放音质量和效率等。这里着重说明一下功率匹配与阻尼系数匹配。

(1)功率匹配

从原则上说,功放的额定输出功率应与音箱的标称功率相一致。对于功放来说,它的输出功率大小只与音箱的阻抗有关,而与音箱的标称功率无关。无论音箱标称功率与功放的额定功率是否相同,对功放的工作都无甚影响,只是对扬声器本身安全有影响。

一般高保真功放要有足够的输出功率富余量。如果音箱的阻抗符合要求,功放的额定功率比音箱的标称功率大,则推动功率充足,这时功放的功率富余量较大,失真较小,尤其能充分表现音乐的低频成分。音箱实际输出功率可比它的标称功率大23倍,瞬时安全功率可达标称功率的4倍左右。因此功放的额定输出功率可以比音箱的标称功率大23倍,这是一种较好的匹配情况。但如果大得太多,音量开足时则可能烧毁音箱。如果功放的额定功率比音箱的标称功率小,虽然两者都能安全工作,但这时功放的推动功率不够,会觉得声音响度不足,往往发现功放已经开到饱和状态,失真严重,而声音响度仍感不足,这是一种较差的匹配方式。

音箱的标称功率并不能视作为各扬声器标称功率的总和,因为对于大多数音乐信号,低音和中低音的功率能量比例明显大于中音和高音的能量比例。因此,如果音箱是由单只人口径全频带扬声器构成,则音箱的标称功率就是该扬声器的标称功率:如果是组合音箱,其标称功率可简单地认为是低音扬声器的标称功率加上中音、高音扬声器标称功率的一半。

(2)阻尼系数匹配

功放的输出内阻实际上对扬声器的发声起着电阻尼作用,阻尼系数是指音箱的标称阻抗Zo与功放输出内阻Ro(包括接线电阻)之比值,即阻尼系数。一般来说,希望阻尼系数人些为好。当阻尼系数小时,扬声器的输出声压频率特性(尤其是低频特性)和谐波失真特性都要变坏,图11-69表示不同的阻尼系数值的频率特性的变化。由图可见,一般要求阻尼系数DF3,高保真放大器阻尼系数DF10,专业音响要求阻尼系数DF更人,有时甚至要求高达200以上。为了提高阻尼系数DF值,应减小音箱和接线电阻的接触电阻,故功放输出与音箱之间不用转换开关,而采用截面积大、直流电阻低的多芯导线连接。


在电视图像系统中也有功率匹配问题,它是指作为输出设备的射频额定输出功率与作为负载的多台设备的射频额定输入功率之和相适应。例如,一台录像机要配接5台电视机时,加上馈线损耗,会感到录像机输出的射频信号功率不足,如果中间加一台天线放大器将信号适当放大后,再由分配器分配给各电视机,就能达到功率匹配。此外,在电视图像设备中,也经常用到阻尼的概念,只不过在系统的设备配接时不涉及这个问题,故不再讨论。

4.平衡与不平衡连接方式

平衡与不平衡也是音响系统设备互连时需要注意的一个问题。平衡接法是指一对信号传输线的两根芯线对地阻抗相等;而不平衡接法是指两根信号传输线中,其中一根接地。当有共模干扰存在时,由于平衡接法的两个端子上所受到的干扰信号数值相差不多,而极性相反,干扰信号在平衡传输的负载上可以互相抵消,所以平衡电路具有较好的抗干扰能力。在专业音响系统(特别是使用调音台的系统)中,一般除扬声器馈线外,大多采用平衡输入、输出;而在家用音响系统中,为了降低成本,往往采用不平衡输入、输出。平衡电路有的采用传输变压器(带中心抽头接地的和不带中心抽头的),也有用差分放大电路的。当不平衡电路与平衡电路连接时,就破坏了传输的平衡,但这有时是不得已的,因为有些设备采用不平衡输入或输出方式。但是设备的差分电路输出不能与设备的不甲衡输入相连接,因为这时差分电路的一个输出端与地短路,电路不能正常工作。当设备的不平衡输出与设备的差分输入相连时,只要不破坏差分电路的直流工作点,则双端输入的差分电路就变成了单端输入的差分电路,可以正常工作。

在电视图像系统中,由于天线(半波振子天线或折合半波振子天线)都是对称的,故采用平衡连接方式。而在其他部分,一般都采用同轴电缆传输信号,即为不平衡连接方式,其特性阻抗为75°。

三、音响调整

在音箱和音响系统正确布局后,还要注意音响系统的调整或校正。对于立体声音响系统,除了一般的音量、响度、音调等调节外,在这里着重是声道校正、相位校正、平衡校正和频响校正等。

1.声道校正

声道校正主要是检查左、右音箱是否相应地接在左、右功放输小上以及声道间有无串音存在。借助于“声道平衡”旋钮可进行简单测试。例如将平衡旋钮向左旋到底,左音箱音量应明显增大,右音箱应无声;反之将此旋钮向右旋到底,右音箱应发声,左音箱应无声。若检查结果与此相反,应将左、右音箱接线交换。对于没有平衡旋钮而设有左、右声道音量电位器的机器,可分别调节两电位器进行检查。

串音检查最好用分别只录有左声道信号和右声道信号的试听唱片或磁带进行。在放送左声道信号时,应只有左音箱发声,右音箱应无声,这说明没有串音和串音衰减很大。一般立体声系统要求串音衰减大予20dB

2.相位校正

立体声重放系统要求左、右声道从声源(磁头、唱头、调谐器)到音箱的相位一致。可使用同一单声道信号(如重放单声道唱片或磁带)输入到左、右声道,并按以下三种方法巾的一种测试和校正相位。

①站在左、右音箱的中垂线上聆听,若感到声像处于两音箱的中点上,说明左、右声道同相;若感到声像跳到音箱外侧或后侧去,则相位相反。这时将一个音箱的接线极性颠倒即可。

②听者在两音箱前从左边缓步走到右边,此时如果感到声音是平滑变化的,则两者同相;如果感到声音由一音箱突然跳跃到另一音箱,则两者反相。

③把两个音箱靠拢在一起,此时如果左、右声道反相,聆听者听到音乐中的低音会大大削弱,总的响度也会降低很多。

3.平衡校正

平衡校正主要是校正左、右声道输出的平衡度,它包括放大器增益的差别、音箱灵敏度差别和房间对称性的差别等。校正的方法是:重放一段单声道音乐,站在两音箱中乖线上的听者应感到声像在两音箱的中点上;若偏离一侧,说明两声道不平衡,应调节平衡旋钮,将声像移到中点上来。

4.频响校正

这里的频响指的是包括房间声学特性在内的左、右声道的总的频响。频响校正是通过调节左、右声道中的图示均衡器(又称多频率补偿器)来实现的。校正时,可用音频信号发生器给左、右声道输入33Hz100Hz330Hz1kHz3,3kHz10kHz等单音频信号,调节图示均衡器中相应的电位器,使各个单音频的重发声像都处于两音箱的中点上,这时可认为左、右声道的频响基本一致。

四、扩声系统的声反馈抑制

1.声反馈的产生

扩声系统中影响音质的最重要因素是声反馈,对它的抑制是设计和使用扩声系统应该注意的重要问题。使用扩声系统时,会突然听到一些颤抖声或连续的啸叫声。这是由于扩声系统放大量过高,扬声器辐射的声能反馈到传声器超过一定限度引起的。啸叫现象的存在,轻则使人们听不清声音,重则使扩声系统无法正常工作,只能在降低扩声系统的放大量后才能恢复正常,这种情况表明声反馈限制了系统放人量的利用。实际上,在产生啸叫以前,扩声系统就有失真了。严重的声反馈使扩声系统放大量无法充分利用,扩声设备不能满负载使用,在听众区不能获得需要的声压级,传输响应也产生失真,并能在某些频率上感觉到一种类似房间内的混响感觉,从而降低听众区的语言可懂度和音乐的音质。

当使用扩声时,由于声源和放声的扬声器同处于一个区域内,来自传声器的声音经电声系统再由扬声器辐射,经室内表面反射,再次反馈到传声器,这就是声反馈。最简单的声反馈系统包括传声器、音量调节器、放大器和扬声器,如图11-70所示。从扬声器到传声器的声波传播路程构成声反馈回路。如果扩声系统是线性放大通路,声源产生的声压作用到传声器,转换成电信号,经系统放人后由扬声器重发,而扬声器辐射的声波经路程r反馈到传声器。在一般情况下,声源作用到传声器的声压po和扬声器在传声器处产生的声压p之间的相位关系可以形成正反馈和负反馈。基本信号和反馈信号同相,振荡的幅度逐渐增大,产生自激振荡的频率就是使pPo同相位的频率。通常扩声系统的使用频率范同很宽,因此,常常是正反馈和负反馈同时存在。如果系统的放大量足够大,总含有一些频率满足正反馈条件,而使扩声系统产生啸叫。实际扩声系统的使用极限不是决定于反馈啸叫点,在扩声系统开始产生自激振荡前,已经会引起频率畸变和再生混响干扰,因此,扩声系统必须远离自振点工作。需要远离自振点的程度用稳定度来描述,它定义为降低通路输出电压比值的分贝数。


在室内声场扩散的条件F,室内声压p


式中,p是扬声器发出的直达声和多次反射声作用到传声器的声压;Po是声源作用到传声器的声压;μ是考虑室内传输状态在内的声反馈环路的总声反馈系数:K为电声系统的增益;a是室内表面平均吸声系数。电声系统增益及室内平均吸声系数都是频率的函数,这个表达式反映了室内的传输特性。

当μ=1时右边数字为无穷大。表明室内声压p无限大,也就是说只要室内有点声音,就会产生无限大的室内声压,将会导致自激振荡,从而产生啸叫。因此μ是室内扩声系统稳定工作的条件。即使稳定工作,由于存在一些声反馈,也会使室内频率传输响应发生畸变以及混响时间加长,从而影响音质。为了改善音质,声反馈的抑制对提高音质起着重要的作用。

2.声反馈的产生原因

声反馈是声音能量的一部分通过声传播的方式传到传声器而引起的啸叫现象。在没有出现啸叫的临界状态,会出现振铃声,此时一般也认为存在声反馈现象。造成声反馈的原因有以下几点。

①场地内的建筑声学特性较差,例如有共振点。

②传声器与音箱的摆位不正确,例如传声器放在音箱的前面形成对射且距离较近。

③过多地提升扩声系统中的输入或输出信号的增益,例如调音台的输入增益、均衡器的输出增益、压限器和电子分频器的输入和输出增益等。

④过多地提升调音台音调电路中的某点增益,例如中频增益或低频增益。

⑤过多地提升系统均衡器中的某些频点,例如200Hz3kHz中的频点。

⑥过多地增加传声器的混响成分。

⑦同时使用多种不同频率特性和不同指向性的传声器,尤其是全指向、高灵敏度的电容传声器。

3.抑制声反馈的方法

 

(1)做好声学设计,尽量避免声学缺陷

音响设备只能通过改善响度、频响特性及加入混响来美化声音等,建筑物的声学缺陷是不能靠电路设计来克服的。房间出现声染色是导致声反馈啸叫的最主要的声学原因。房间建声条件不好,会导致严重的声反馈情况。消除房间声染色的主要方法,就是要尽可能减少简正共振现象的发生。另外,室内存在凹面反射也是导致声反馈的主要原因,凹面反射会引起声聚焦现象的发生,而声聚焦会导致声场内局部音量过强,当传声器在位于声聚焦的区域拾音时,因声音能量的回授量很大,极有可能发生声反馈啸叫现象。因此,在室内设计和装修时,一定要进行声学设计,以减少声学缺陷。例如应尽可能满足长、宽、高的声学比例,适当增设吸声物,保持声场均匀,尽量避免凹面反射等,从而提高系统的传声增益。有关声学设计的问题在这里不再详述,下面主要讨论在工作实践中应注意的问题。

(2)合理布置放音系统是减少声反馈的有效途径

室内传声增益与以下因素有关:扬声器与听音区之间的距离、声源与传声器之间的距离、室内总表面积、室内平均吸声系数、室内传输响应、扬声器的指向性、传声器指向性、传声器指向与扬声器轴向的夹角等。在工作中要注意如下几点。

①合理使用传声器,将传声器尽量靠近声源拾音,缩短声源和传声器之间的距离,能提高听众区的声压级。虽然这样不影响系统的反馈量,但由于听众区声压级提高了,也就等效于系统功率增益的提高。

②利用指向性扬声器和指向性传声器,并合理布置它们,使来自扬声器的声音在传声器的不灵敏方向,或者使传声器向着扬声器不灵敏的方向,或方向性强的传声器放至扬声器后面。同时要选用频率特性较为平坦的单指向性或双指向性传声器。实践证明,对于室内扩声,使用心形或八字形传声器和全指向性传声器相比,可以使系统稳定度提高约5dB。对于室外扩声,使用心形指向性传声器和全指向性传声器相比,可使扩声系统稳定度提高约6dB。但有一点要注意,传声器指向特性指向角度太小会造成拾音区域也相应减小,所以在选择传声器指向性时要综合考虑,不要顾此失彼。

③在同一场合使用同一型号的传声器时,同时使用的数量越少越好,这样便于控制反馈点的数量。

④合理控制传声器的混响比例,不仅可提高声音的清晰度,还可减少反馈机会。

⑤合理使用调音台的传声器输入增益及调音台各通道中的音调增益(3dB1倍),不要过多地提升某一频点,否则会破坏音色的平衡,导致声反馈。

⑥减小传声器通路的音量。这样做虽然会带来演唱或乐队拾音量的损失,使传声器通路音量受到限制,演出效果受到影响,但有时我们不得不采取减小音量的下策,根据演出情况实时控制音量的大小。比如当有振铃现象发生时,要及时将音量拉下来,以避免出现啸叫。演员手持或佩戴传声器经过音箱前时也要注意控制音量,否则可能会造成严重声反馈啸叫。

(3)利用移频法降低声反馈

利用移频法降低声反馈的基本思路是:采用偏移频率的方法去破坏反馈声与原始信号的同相条件,抑制系统的自激振荡。在扩声系统中,插入移频器,使音箱的输出信号相对于传声器信号的所有频率都偏移一个量,这种方法可以有效地抑制声反馈并降低频率畸变和再生混响干扰。

当扩声系统没有频移时,回路增益极大值超过0dB系统就会产生自激。因此系统增益的最大允许值取决于传输响应的极大值,相应于回路增益的极大值必须低于0dB,否则系统不稳定。插入移频器后,系统的稳定性不再取决于回路增益的极大值,而决定于传输响应的平均增益,只要平均增益低于0dB,系统就是稳定的。因此,移频法允许扩声系统增加的增益等于频响上极人增益与平均增益的差值。最佳频移量等于传输响应上各波峰和相邻波谷之间的平均距离,因为此时增益峰值所产生的多余能量会迅速地在谷值处被“吸收”。实践证明,最佳频移量与厅堂的混响时间T60有关,约为1/T60。更大的频移虽然也能增加扩声系统的增益,但是,当频移量超过7Hz后,将会影响音质。

移频器的使用具有一定的局限性,在语言扩声时使用起来效果很好,对声音破坏很小,但是在演唱和乐器中使用就会有明显的声音变调感。这是因为语言的频率范围是在130350Hz之间,仅仅5Hz频率的变化不会使人们有明显的变调感觉,但是在声乐和器乐扩声时就会有变调的感觉了,因为声乐和器乐的下限频率为20Hz左右,5Hz的音调变化人耳已经能明显地感觉出来了。

(4)利用反馈抑制器

20世纪90年代初,美国佛罗里达州中北部的赛宾音乐中心(SabineMusicCenter)的工程师们开始研制一种全新的自动反馈抑制器。这种新装置巾采用了带宽更窄(110倍频程)、中心频率可调而且非常精确、吸收深度可调的数字滤波器技术。运用DSP(数字信号处理)技术可在1s内自动测定和精确设置到反馈频率,不需任何专业人员操作,效果明显。

自动反馈抑制器有如下几大优点。

①吸收滤波器的带宽不仅较窄,而且可根据节目源的内容变更,大大减少了有用信号频谱成分的损失,它比任何其他的反馈抑制方法具有更小的信号失真。

②吸收滤波器的中心频率可精确地自动调节到反馈频点上,提高了反馈抑制的效果。

③吸收滤波器的吸收深度可根据需要自行设定,最大吸收深度可达-50dB

④可快速(1s之内)自动精确测定反馈频点,并能把滤波器自动锁定到反馈频点上。

⑤锁定在固定反馈频点上的滤波器称为固定滤波器,连续自动跟踪间隙反馈频点的滤波器称动态滤波器。两种滤波器的数量可视现场的需要自行设定。

反馈抑制器可使任何扩声系统的传声增益提高69dB,这意味着功放的输出功率可增大23倍,或者说扬声器输出的声压级可提高69dB

自动反馈抑制器在有效抑制扩声系统的声反馈和尽量减小音色损失这两方面的确有明显进步,但如何在扩声系统中正确连接才能发挥最佳效果呢?反馈抑制器毕竟是以处理幅频特性来工作的,因此将它直接串接在扩声系统的主输出通道中使用是不可取的,否则必然会破坏整个系统的频率特性。反馈抑制器应该针对传声器使用,合理的连接方式是将它以插入方式单独连接在调音台某编组通道输出母线的插入口中,并以该编组作为传声器的专用通道,然后再利用其通道输出混合键将其编组终端信号并入主输出通道。这样既可明确使用声反馈抑制器的针对性,又可避免对其他声源信号和系统的整体频率特性产生影响。

 
   
                     
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