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2020年文旅部戏曲艺术人才培养项目高级研修班-舞美班精品课程节选: 《音响系统设计理论基础及总体架构》——魏增来

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国家人才培养重点项目:2020年文化和旅游部戏曲艺术人才培养项目高级研修班(第五期),由中华人民共和国文化和旅游部主办,文旅部艺术司、中国戏曲学院承办。

2020年高研班舞美班(第五期)的教学方向为舞美设计创作理论、音响设计、影像多媒体设计。

学期:2020年7月至2021年7月

课程设置:围绕着戏曲艺术的创作,分析优秀音响设计、影像多媒体设计在戏曲创作中的优秀案例,结合当今音视频创作理论与体现,探索戏曲舞美传承与创新的学术研究方法。

教学理念:本届高研班舞美班教师团队将紧扣时代发展,将舞美艺术创作最新的理念和技术融入进来,结合当今最前沿的音视频技术和创作方法,展开本次第五期高研班舞美班的序幕。

教学模式:采取线上教学与远程实践相结合方式开展。

授课专家介绍

     


魏增来


中国传媒大学音乐与录音艺术学院教授

中国声学学会声频工程分会副主任委员

中国录音师协会音乐专业委员会

副主任委员兼秘书长

中国录音师协会演艺扩声专业委员会

副主任委员兼常务副秘书长

中国演艺设备技术协会演出场馆

专业委员会常务委员


从事音乐录音、演艺扩声及音视频系统设计集成工作近30年,录音作品及系统集成项目多次获奖;多次组织国内外知名专家开展讲座、论坛等学术交流活动;在国内核心专业期刊上共发表专业学术文章30余篇。主要系统设计及集成业绩包括:沈阳奥林匹克体育中心体育场扩声系统、上海科技馆AV控制系统、深圳电视中心音频系统、北京市委新办公楼数字会议系统、万达武汉“汉SHOW”大型演出扩声及内部通讯系统、沈阳文化艺术中心舞台音响系统、珠海歌剧院音频扩声系统、青岛万达东方影都大剧院音频系统等等。


主持人宝月:

魏老师从事音乐录音,演艺扩声,及音视频系统设计集成工作近30年,录音作品和集成项目多次获奖。今天魏老师给我们带来的课程的主题是《音响系统设计基础理论及总体架构》。这节课主要是由声音、物理学、电学等音响设计工作需要的基础理论入手,对系统基础架构及其衍生变化和未来趋势等内容进行阐述,下面我们欢迎魏老师上课。


授课内容


《音响系统设计理论基础及总体架构》


魏增来:

以下是这次技术交流活动主要涉及到的内容:

1.系统及音响系统的概念和定义

2.相关基础理论知识回顾

3.音响系统的扩声特性客观性能指标

4.音响美学即主观音质评价

5.音响系统的基本结构

6.音响系统的衍生变化-会议扩声类

7.音响系统的衍生变化-演播制作类

8.音响系统的衍生变化-专业演出类

9.时代背景下的音响系统结构演化

10.音响系统的创新应用

我们首先进入第一节,学习一下系统及音响系统的概念和定义。


系统及音响系统的概念和定义

系统是一个比较复杂、比较抽象的概念。一般系统论的创始人是美籍奥地利的理论生物学家贝塔朗菲(1901-1972),他给了系统一个这样的定义:“系统是相互联系、相互作用的诸元素的综合体。”这个定义强调了元素间的相互作用以及系统对元素的整合作用。这其中有几个点,首先是诸元素,说明它是很多个元素,其次它们之间是相互联系、相互作用的,然后又形成了一个综合体。

这个定义指出了系统的三个特征:

第一,多元性。系统是多样性的统一,差异性的统一。

第二,相关性。系统不存在孤立元素组分,所有元素或组分间相互依存、相互作用、相互制约。

第三,整体性。系统是所有元素构成的复合统一整体。

这是系统的基本概念,但是有些人也有自己一些独特的建议,比如说中国的钱学森先生,他对系统的理解就是这样的,“系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的,具有特定功能的有机整体,而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。”又有科学家认为,“一个整体系统是任何相互依存的集或群暂时的互动部分。”这些概念同样强调了此前所提到的系统的三个特性,同时又系统的相对性和时空概念,如“暂时”就引入了各种时间轴的概念等。但不管怎么理解,他们基础的概念还是比较类似的。

系统是由若干要素(元素)组成的。这些要素可能是一些个体、元件、零件,也可能本身就是一个系统(或称之为子系统)。比如说舞台演出系统中,音响系统就是它的一个子系统,灯光系统又是它的一个子系统。那么音响的系统之间又分为音响的控制系统、音响系统的还音系统,还有更多的子系统可以继续往下划分。

系统是有一定的结构的,一个系统是其构成要素的集合,这些要素相互联系,相互制约。系统内部各要素之间相对稳定的联系方式、组织秩序及控制关系的内在表现形式,就是系统的结构。

      系统有一定的功能,或者说系统要有一定的目的性。系统的功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用中表现出来的性质、能力和用途。

什么是音响系统?音响系统是由拾音器,扬声器等一系列声能/电能转化设备及其他音频信号处理设备组成的、并且相互关联的一个整体结构,用于对音频信号进行处理、记录和传播。

频率上处于20Hz到20kHz的可闻声频率范围内的信号,称为音频信号。音频信号,是扩声系统的重要特征。音响系统是对音频信号进行记录和传播的,所以音频信号是串联整个音响系统的一条主线,是音响系统的重要特征。

那么我们为什么要前面介绍系统的概念呢?因为系统概念可以带给我们:

1.系统性、整体性、全面性的思维方式。

2.功能目标导向。

3.系统内的动态平衡:横向各组分的平衡以及纵向各阶段的平衡。

我们现在进入第二节,相关基础理论知识回顾。

基础理论知识回顾

(一)声音的本质


·声音的产生:声源振动→声波传播→听觉感受。

·声波:发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波的传播实质上是能量在介质中的传递。声波借助各种介质向四面八方传播。

声音有一些基本的物理特征。

·振幅:指声波振动的物理量可能达到的最大值,通常以A表示。它是表示振动的范围和强度的物理量。

·声速:声音在媒质中的传播速度。常用c来表示,单位为米/秒(m/s)。

·频率:指声源在一秒钟之内所震动的次数,用来f表示,单位是赫兹(Hz)。

·周期:声源每完成一次震动所需要的时间,用T来表示,单位是毫秒(ms)。

·波长:声音震动一个周期,所传播的路程长度。用λ来表示,单位是米(m)。

公式:f=1/T,  T=l/f,  λ=TxC=C/f

       

声音还跟温度有关系。0°的时候,声速大概为331.4米/秒;15°的时候,声速大概是340.5米/秒。那么温度升高,声速就会提高,波长会变长。5℃的温度变化大致可以引起1%的声速变化。另外温度越低,高频传输衰减越大。

我们把仅包含一个频率的声音音号叫做纯音或者单音。比如说1000赫兹,就叫纯音或者单音。声音都是千变万化的,一般情况下,是由许多单音(正弦波)在不同的时间、周期上组合而成的,以不同的强度来进行叠加。任何一个复合音都可以分解成频率不同、强度不同的正弦波。

·基频:复合音中最低且通常情况下最强的频率,大多数通常被认为是声音的基础音调。

·谐波成分:谐波是指对非正弦信号进行傅里叶分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量。在声波中,谐波成分特指组成声波的除基波以外的其他频率的声波。

·频谱包络:按声音信号的频率成分高低加以排列时,其顶端所连成的曲线,成为声音的频谱包络。

(二)人耳的特性


首先是人耳听觉三要素。

1、音强(响度):是指人耳对声音强弱的感觉程度。

2、音调:指人耳对声音高低的感觉。

3、音色:又称音品,人耳对声音特性的感觉。

·听觉阈:听觉健康的听众能听到的平均最低声压级(0dB),若用声强表示,等于0.000000000001瓦/米2(10-12瓦/米2)。

·声压级:声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20,通常用dB为单位,即:

       

·其中:基准声压为0.0002dyn/cm2=0.00002N/m2(20μN/m2)=10-12瓦/米2=20μPa

我们所感受的响度和衡量音量的声压是有一定关系的,但是它跟声量的大小并不是完全一致的,人耳对声音频率的感觉是不一样的。某些频率声压很大,听起来也不是很响。但有些频率我们听起来比较敏感,声音不是很大,但是我们感觉它挺响的。所以就有了Fletcher-Munson等响曲线,把人耳听觉上感觉是同样响度的声音,用线表达出来,就得到了这个等响曲线。

       

从图中我们可以看出,我们认为1000赫兹是20dB这种听感响度的时候,对于100赫兹来说,可能需要40dB的声压级,我们才能听起来他们两个是一样响的,音量越弱的时候对低频的需要越多。

3000到4000赫兹是人耳最敏感的声音。通常的混音制作工作时我们的监听音量建议放到75到90这个区间。可以看到,从等响曲线的这个角度来说,这个响度区间中等响曲线是相对平滑的,高低音比较均衡。响度也是我们正常欣赏音乐喜欢听的一个响度。那么此时我们的高低音是均衡的。

我们的声压级不能完全代表响度。我们用这个等响曲线给他取一个单位。比如说这个1000Hz、40dB的等响曲线所代表的响度,我们把它称之为“方”。就意味着1000赫兹就是40dB的声压级,但是到了100赫兹就要接近60dB的声压级。虽然响度都是40方,但对于每个频率来说声压级来说是不一样的。那么把方再倒回来,对低音进行衰减,对高音进行加强,即对频率进行一个模拟人耳响度听觉的修正,就得到了“计权”。A计权就是用40方这个响度,把它反向对整个频率进行计权。用“A计权”的时候,如果频率响应是平直的,但实际上表达的是左图蓝线的频谱关系,低音是翘的,中音是凹下来的,但是你在频谱上看A计权是平的,是因为它把低音进行了衰减,中音进行了补偿。B计权C计权是同样的道理。

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音调是指声音的高低,主要由声音的基频决定。总体来说,物体振动的快所发出的音调就高,振动的慢所发出的音调就低。

下面我们来讲一下人耳特征中比较有意思的几个效应。

第一是遮蔽效应,一个声音的听觉阈值由于另一个声音的出现而提高的效应。后者称为掩蔽声,前者称为被掩蔽音。举一个最简单的例子,比如说两个人说话,后面有一个噪声忽然起来,那么说话声就可能被更大的噪声掩蔽掉了。这个效应不论是在混音里面还是在扩声之中都有很强的运用。

第二个是双耳效应,双耳效应是人们依靠双耳间的音量差,时间差和音色差判别声音方位的效应。同时,人在双耳接受声音信号的听觉阈值上要比用单耳接受时的阈值低3-6dB。

第三个是是哈斯效应,当两个声源强度相等且其中一个经过延迟后而同时到达聆听者耳中时,如果延迟在30m/s以内,听觉上将感到声音好像只来自先到的声源,觉察不到经延迟的声源的存在,当延迟时间在30米每秒到50米每秒之间时,则听觉上可以识别出已延迟的声源的存在,但仍感到声音来自于先到的声源。当延迟时间超过50m/s以上后,才会在听觉上感到延迟声变成一个较为清晰的回声。这种现象称为哈斯效应,有时也称为优先效应。

(三)声波的传输特性


·声波的反射。声波的反射是指当声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒介时,在两种媒质的分界面将发生反射,使入射声波的一部分能量返回第一种媒质。

       

入射声波遇到不同表面后会发生以下几种变化:

a.单一固体平滑表面。

b.凸面。

c.凹面。

d.90°直角反射面。

       

声波的衍射或绕射。衍射又称为绕射,指声波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。

       

当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时,如果小孔宽度大于声波波长,声波将从小孔穿过向前传播:如果小孔宽度小于声波波长,则在障碍物的另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波。当声波的波长远大于障碍物尺寸时,声波可绕过障碍物向前前进;当声波的波长远小于障碍物尺寸时,声波会被反射一部分,并在障碍物后面形成一片无声区。

       

声波的干涉。声波的干涉是指频率相同的两列声波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,这种现象叫做声波的干涉。

干涉分为两种:

一种是相长干涉,若两波的波峰(或波谷)同时抵达同一地点,称两波在该点同相,干涉波会产生最大的振幅,称为相长干涉。

另一个叫相消干涉,若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点,称两波在该点反相,干涉波会产生最小的振幅,称为相消干涉。

·形成明显生干涉的条件:

1.频率相同(相干信号)。

2.相位差恒定

3.声压级接近

拍频指两个频率相近的正弦信号因为叠加增强或减弱,而形成一个较低频率的变幅信号。拍频不是指声波震动的频率,而是指强弱变化的频率。对于声音信号而言,在听觉上会感到音量有周期性的强弱。“一强一弱称为一次拍”,所以称之为拍频。幅度变化的频率为两个正弦信号的频率之差。

我们再来看一下声能传输的衰减。自由场中,当距声源足够远的距离时,可以认为声波是以球面波的形式发散。Lp=Lp0-20lg(r/r0),其中以r0为参考距离;Lp0为r0的声压级,Lp为任意位置r处的声压级。简而言之,反平方定律,距离增加一倍,声压级衰减6dB。

(四)声音在室内传播过程

      下面我们来讲一下室内传播过程。一个人讲话到另一个人听到,首先我们会听到一个直达声。其次还有各种反射声,有的从顶面反射过来。还有一些声波从后墙反射回去。R5这个声音反射到顶面,再反射到后墙,再反射给这个人,是二次反射声。

         

声音在厅堂空间中的传播有一个非常重要的概念:房间脉冲响应(Room Impulse Response),它好比这个厅堂在声音传播方面的基因,决定了声音最终的扩散形态。

       

早后期声能比。我们研究声能比是为了了解清晰度和明晰度这两个特征。清晰度是规定时间取50毫秒,主要用于对语言清晰度的评价。明晰度规定的时间取80毫秒,主要用于对音乐可分辨程度的评价。

混响时间。声音达到稳态之后将声源停止,平均声能密度自原始值衰减到百万分之一(-60dB)所经历的时间。单位为秒(S)。

接下来有一个RT30及RT20的概念。在混响时间的实际测量中,由于60dB动态范围的限制,通常测量其–5dB至-35dB的衰变时间,即RT30,并由此衰变斜率推算出混响时间。如本底噪音太高,也可用RT20推算得出。

任何算法都不影响混响时间为稳态声源终止后60dB衰减时间的定义。

在扩声之中还有一个概念叫做混响半径或者临界距离,直达声能等于混响声能。直达声场是指半径小于混响半径的声场。混响声场是指半径大于混响半径的声场。

下一个内容是驻波。当声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面时,垂直入射的声波与反射声波会形成干涉现象,其结果是在空间形成振幅恒定不变的振动,称为驻波。

一个白波和一个绿波,一个往这边传,另一个是反射声往那边传,如果两者基本接近的话,在某些情况就会形成一个叠加。叠加成红波,红波只是振幅在发生变化,而它的波似乎是静止不动的,所以叫驻波。

         

现在讲一下消除房间内驻波的方法,首先可以改变声音反射的方向,可以通过改变房屋内墙体形状,或增加反射板来实现。

其次可以通过声学处理,消除反射声。大家可以看到一些大量的斜面、一些材料,这种布局可以来消除反射。

       


(五)电路方面内容

声音这块基本原理还是比较简单。

这是一个基本的电路,类似于一个水泵,把水流循环起来,中间可以设置一个负载,让水流变快一点或变慢一点。再比如说我们有一个电压产生装置,我们外面有一个大的电阻,形成回路,高电压经过各种内阻和外阻出来流到低电压这儿,因为电压跟水一样,由压力高的方向压力低的地方去流转。

欧姆定律,在同一电路中,通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。

音频系统的实质其实就是一个分压电路。在系统链路中要考虑怎么把电压有效的传递到下一级。根据前面所讲的欧姆定律,这个电压的传递其实是跟我们整个电路的起始电压以及阻抗密切相关的,简单来讲,我们可以把电路中的阻抗分成两部分,一个称之为源阻抗、内阻或输出阻抗,另一个则称之为负载阻抗、外阻抗或输入阻抗。

那什么叫阻抗匹配呢,就是当源阻抗和负载阻抗之间满足一定关系时,我们称之为“阻抗匹配”。匹配方式主要有两种,一个是1:1的阻抗匹配,主要用于频段较高的射频信号及光波信号传输等,能够有效缓解回波反射所造成的信号衰减。而模拟音频电路中最常见的就是高阻跨接,即负载阻抗与内阻基本上达到10:1的匹配关系,以更高效率地传输电压,主要用于音频(Audio)信号。

我们还有一个常用的Di Box,它里头有很多功能,那么其中有一个很重要的功能,就是从外面来看,把高阻的输出的阻抗变小,跟后面相匹配,通过一系列电路的转换,完成阻抗匹配的这个功能。

什么叫平衡信号,这里就牵扯到一个差分电路的问题。差分电路的输入端为两个信号,其差值视为电路有效输入信号,电路的输出是对两个输入信号之差的放大。如果存在对两个输入信号产生相同干扰的信号,则通过二者之差,将干扰信号的有效输入相减为零,从而达到了抗干扰的目的。

指向性因数Qd,扬声器在特定方向的固定距离上,声压的平方与该换能器在同一距离上全方向平均的声压均方根值之比。其轴向的指向特性可以通过扬声器的水平指向及垂直指向角求得。

       

扬声器的功率:扬声器的功率是指某些特定的技术条件下,扬声器单元从功率放大器所获得的电功率,即扬声器单元所消耗的电功率,而不是指扬声器单元所产生的声功率。

关于扬声器的功率,主要有三种标注形式:额定功率、峰值功率和节目功率,主要差异在于所用的测试信号和测试时长,理论上国际上有相应的测试标准,但每个专业厂家也有些自己的做法。通常来讲,额定功率是指扬声器所承受的连续正弦波有效值功率,而峰值功率通常为RMS额定功率的四倍,节目功率约为额定功率的两倍。

扬声器的最大声压级,指扬声器在大音量重放而又不致于烧毁时的能力。MAX SPL=10LogP+S,其中P为额定最大功率,S为灵敏度。

扬声器灵敏度是扬声器输入1W的功率(2.83Vrms@8Ω),在距扬声器一米处所测得的声压级。

覆盖角度可以用很多不同的方式来呈现,覆盖角度的定义是指轴线以外相对轴线方向衰减6dB所得到的那么一个覆盖范围,比如说在轴线是95dB。95减6是等于89的时候就认为覆盖角度是它的边界了,其实外面依然是有声的,只不过是声音通常会大幅衰减。扬声器的指向通常是中高频,只有中高频的波长比较小,才能受到明显的方向的控制,对于低频的一些部分基本都会到360度。

       

阻抗:扬声器系统内因电阻、电感和电容等电路或器件,而对电流所起的阻碍作用叫做阻抗,常用Z表示,单位为欧姆(Ω)。它通常由电阻和电抗组成。扬声器的阻抗不是一成不变的,是跟频率相关的,图中的黑线表示阻抗,有些频段是高的,有些频段是低的。功放电压输出不变的情况下,阻抗越小的频率部分,对电流的要求越大。

       

(六)功放特性

扬声器与功放之间的匹配依赖于重放节目的类型以及其峰值因数(CREST FACTOR),并跟音响工程师对节目重放质量的要求有关。通常来说,重放节目峰值因数越大,对重放质量的动态、失真等要求越高,功放额定输出功率就应该越大于扬声器的额定功率,反之,则可以越接近扬声器的额定功率。但这也是一个手心正反两面的选择,会带来其他问题。

1.小马拉大车:功率不足以充分驱动扬声器,容易产生信号的失真。

2.大马拉小车:功率过大,容易损坏扬声器。

3.功率匹配:功率放大器额定功率为扬声器额定功率的2到4倍。

(七)分贝的概念

分贝是一个度量衡,就相当于用来度量尺寸、重量等等的单位,但是分贝(dB)是一个对数单位(logarithmic unit),它和很多常见的单位如“米”,“秒”或者“千克”等物理单位是不同的,它并不能直接用来描述一个物理量的大小或者多少,它表示的是两个相同单位物理量的比值。分贝经常用来描述声音及电子学等其他领域的物理量,如信号强度的衰减等等。

分贝表示的是两个物理量的比值,作为分母的那个量通常是一个标准的基准值( standard reference value ) ,分贝描述的就是作为分子的物理量相对于这个基准值的大小,分贝的计算公式如下:

dB=10log₁₀( Value/Valueret)

其中Valueref为比较基准值,基准值不同,结果一定不同。

·“声压”(SPL/Lp) :声音强度与基准声强之比的以10为底的对数乘以10 ,通常用dB为单位,即:

dB SPL=10log₁₀(I/ref )

·I=P²/p所以dB SPL=10log₁₀( I/Iref ) = 10log₁₀ ( P²/P²ref ) = 20log₁₀·(P/Pref)

其中,基准声压为Pref=0.0002dyn/cm²-0.00002N/m²(20μN/m²) =10-12瓦/米²=20μPa.

·dBm , dBu , dBV以及dBFS :电信号相关的物理量作为被测物理量时计算其值的单位。

· dBm :以声音信号的功率作为被测物理量,选择1毫瓦(1mW)的功率作为基准值,计算公式: dBm=10log₁₀ ( P/1*10⁻³)

·P=U2/R ,以600欧电阻产生1毫瓦功率计算得出此时的电压U=0.775V

·dBu:以声音信号的电压作为被测物理量,选择0.775V作为基准值,计算公式:dBu=10log₁₀(U²/U²ref)=20log₁₀(U/0.775) 。

· dBV:以声音信号的电压作为被测物理量,选择1V作为基准值,计算公式:dBu=10log₁₀(U²/U²ref ) =20log₁₀U。

·dBFS (全刻度分贝Decibels Full Scale ) :用于数字音频,以数字量化所能达到的最大值作为基准,该基准视量化比特数的变化而变化,因此,dBFS所得到的值均为负值,并可以视为某一设备所允许信号的动态范围。

扩声系统特性

·频率传输特性( Transmission Frequency Response ) :扩声系统在稳定工作状态下,厅堂内各测量点稳态声压级的平均值相当于扩声系统输入端声压级的幅频响应,包括声输入频率传输响应和电输入频率传输响应。

·传声增益(Transmission Gain ) :扩声系统在最高可用增益状态时,厅堂内各测量点稳态声压级的平均值与扩声系统传声器处稳态声压级的差值。

·总噪声级(Total Noise Level ) :扩声系统达最高可用增益,无有用信号输入时,听众区内各测量点噪声声压级的平均值。

·系统总噪声级(System Total Noise Level ) :扩声系统达最高可用增益,听众区内各测量点由扩声系统所产生的各频带的噪声声压级(扣除环境噪声影响)的平均值。

·语言传输指数( Speech Transmission Index/STI ) :一个物理量,由调制转移函数( MTF )导出的评价语言可懂度的客观参量。

·完美的语言传输是指听众处的语音时域包络与说话者处的包络完全一样。语言可懂度可以看作是语音包络被噪声和混响声调制后形态上的变化。

·调制频率: 0.8、 1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.15、4.0、5.0、6.3、8.0、12.5Hz,共计14个。

·被调制频带的中心频率:125、250、500、1000、2000、 4000、8000Hz。

·假设发声信号的振幅深度为Mi,我们也可以把它叫做调制指数,那么所接收到的信号的调制指数为Mo , fm为调制频率,则调制频率幅值深度的降低程度由调制转移函数M(fm)来表达,M(fm)=Mo(fm)/Mi(fm) ,这个值为1的时候,为最佳,越小则表示振幅包络降低的越多,转移能力越差。

       

·从MTF到ST的最主要步骤是:首先将调制指数的作用以表观信噪比SNR来解释, SNR=10lg{M(fm)/1-M(fm)} ,然后采用加权平均求出平均表观信噪比,最后经归一化后导出STI。

·表观信噪比的值被界定在±15dB之间,小于-15dB时,取-15dB ,大于+15dB时,取+15dB。每一个调制频率都对语言清晰度有一个贡献权重,采用这些权重把各个频带的平均表观信噪比加起来求得平均值X。并经归一化处理后STI= (X+15) /30,就得到了整个传输系统或者传输过程的STI值。

我们有两种简化的形式:

·房间声学传输指数( Room Acoustic Speech Transmission Index/RASTI):STI在某些条件下的一种简化形式,仅用中心频率为500Hz和2000Hz两个倍频带内9个调制转移函数计算所得到的语言传输指数。它主要用来测定不使用扩声系统条件下,人与人之间直接通话时与可懂度有关的语言传输质量,计入了噪声干扰和混响、回声等时域失真的影响。

·调制频率: 500Hz取4个调制频率:1、2、4、8Hz ; 2000Hz取5个调制频率: 0.7、1.4、2.8、5.6、11.2Hz ;共计9个值。

·扩声系统语言传输指数( Speech Transmission Index For Public AdressSystems/STIPA) : ST在某些条件下的一种简化形式,采用6个中心频率的倍频带,各用2个(共计12个)调制转移函数计算所得到的语言传输指数。适用于评价包括扩声系统的房间声学的语言传输质量。它受包括扩声系统在内的房间声学失真的影响。

       

对扩声特性指标的正确理解——主客观关系

·任何扩声系统都应该以最终的还音效果为主要目的。主观听觉感受是判断扩声系统成功与否的核心标准。

·虽然目前有关的扩声特性测量方法及声学指标还不能完全体现最终听觉效果的好坏,但在目前国内的现实情况下,其仍然是判断一个扩声系统成败的重要手段之一。

对扩声特性指标的正确理解

·“扩声系统声学特性指标”是必要但非充分的。是技术层面对扩声系统不完全的要求,而不是舞台演出艺术对扩声系统的要求。剧院音频系统的设计应实现音频工程技术与声音艺术美学的对接。

·对达到相关的扩声特性指标要有足够的重视度,严格的实际测量会出现很多问题。

音响美学

·从人对声音的审美角度出发,以声音本身对人类听觉感受的影响作为主要对象,研究声音的音质与人的审美意识之间科学。是物理现象、心理现象以及生理现象相互结合的科学。

·音响美学与声音科学是人类对于声音分别在心理和物理层面的感知,在目前的认知水平下,这两者既相互关联又有一定的差异。

我们下面进入本次技术交流活动中最重要的“音响系统的基本结构和它的衍生变化”环节。我们首先来看一个标准的音响系统结构。

音响系统的基本结构

       


话筒完成声电转换后,和其他节目源将音频信号送到主控调音台或主控系统,调音台或主控系统的实质实际上是一个具备一定信号处理功能的路由设备,它的主要目的是对输入信号进行输出调度,如果调音台处理功能不够,我们还要借助与调音台相连的其他周边处理设备,之后根据具体需要送入播出等其他系统,或返回到节目源设备进行录音,如果有用到扩声的场景则就要进入声场和扬声器处理设备,再到功率放大器,最后驱动扬声器。


如何保证扬声器好听呢?或者说工作在扬声器设计生产者最希望的最佳状态呢?

之前,我们可以借助系统工程师或调音师的综合调校,但通常扬声器会在一个使用环境中进行还音,那么这样一来,这个扬声器重放的声音一定也会受到它所在的场所的固有声学环境的影响,就像我们之前讲的声音在厅堂中传播的特性那样。这时对扬声器的调校其实既包含了扬声器本身的影响、功放与扬声器匹配的影响以及扬声器所处声学环境的影响,它们之间互相牵扯,互为变量,为调试带来了很大的麻烦。那么随着社会的发展和技术的进步,社会分工越来越明确和细致,同样也影响到了我们音频扩声行业。所以近年来我们通常把扬声器调校这个环节交由扬声器生产厂商来完成,采用他们提供的针对性的扬声器处理器或信号处理数据软件包,因为没有人会比这款扬声器的研发人员更了解它了,但是,这里需要注意的是,厂商针对扬声器的调校通常不包括环境因素,一般都是在自由场环境中针对扬声器进行分频、均衡或者其他动态处理,保证扬声器在自由场状态下以达到厂商所期望的表现,所以这里我们可以将扩声活动中的系统声音调校划分为两个环节:扬声器系统调试环节和声场及系统处理设备调试环节。前者包括扬声器处理设备、功率放大器、扬声器,统称为扬声器系统调校;后者主要包括整个扩声系统在特定声学环境中的针对性调整,包括不同的扬声器组别之间的调整和针对所处声学环境的适应性调整。


扬声器系统的设计调校以不计入环境影响的最佳工作状态为目标,与自身相关性更强。主要包括:

1.扬声器:箱体结构、单元选择及总体匹配、驱动器及波导结构设计与优化等。

2.功率放大器:自身性能(功率、频率响应、失真、阻尼系数)以及与扬声器的匹配。

3.扬声器处理器:针对特定扬声器或扬声器子系统的分频网络设计(分频点、斜率、电平等)、相位校正、频率均衡补偿及其他动态处理等。

4.进一步带动了有源与类有源扬声系统发展。

我觉得这种发展趋势将扩声系统的信号处理环节进一步简化、清晰划分了我们作为音响系统具体使用人员的工作思路。


声场及系统处理设备的设计调校以系统总体的最佳呈现效果为目标,与应用环境、总体使用功能以及扬声器系统构成等关联性更强。主要包括:

1.针对应用环境:厅堂建筑结构及声学条件等(如厅堂频率传输特性)。

2.针对总体使用功能:系统总体使用功能及重放信号类别等(如语言、古典音乐、摇滚类音乐等)

3.针对扬声器系统构成:针对不同扬声器组的电平设置、延时校正、相位校正、总体的频率均衡补偿或修正等(依据安装位置、覆盖目标等)。

4.与系统工程师的技术能力及综合审美关联巨大。

此外,在扩声系统设计和调试中,还要充分注意基于通用美学需要的系统技术层面的调整和基于扩声节目具象美学需要的艺术层面的调整。

音响系统的衍生变化

(一)会议扩声类

了解了音响系统的总体构成后,让我们分门别类来看看相关的衍生变化,首先是会议类扩声系统。

就像我们之前系统概论所说过的,系统必须具备功能性,以满足其具体应用的需要,这是指导我们扩声系统设计和实践的最重要的原则,那么我们首先来看会议类系统的应用特点:

1.以清楚准确地传递信息为主,音质的优先级要低于清晰度、可懂度等指标。

2.主要扩声内容为语言,还音的频率范围相对较窄,声压级要求相对演出来说较低。

3.空间布局多样,但发言人和听众大多位于同一听觉空间内,容易产生啸叫问题。

4.使用操作人员多为非专业人士,对系统的理解和对设备的操作能力相对较弱。

现代的多媒体会议的设置当中,调音台已经基本上退居二线。现在更多的是用一种多通道的音频处理器来进行系统的主控。这是技术发展配合功能需求的演化趋势。

       

(二)专业演出类音响系统

专业演出对声音的要求比较高,同时演员的发挥对节目的最终质量也至关重要,因此,演员的听觉感受也越来越得到重视,所以现代专业演出中大都采用PA和返送独立调音的扩声方式,两者的服务人群不一样,对最终听感的要求也不一样,总体来说,PA要基于通用美学标准来进行混音调整,而返送,则需要根据演员自身的听音美学标准来调整。

       

从图中我们还可以看到,在重大的系统设计应用中,可以将PA及返送调音链路进行互备,以提高系统的安全性。

鉴于演员听感越来越得到重视,因此,为进一步降低调音师的工作量,尤其是在皮毛一体的调音活动中,就是PA和Monitor共用调音台的情况下,个人返送系统得到了充分的应用。

所谓专业演出中的个人返送监听系统,是指:

1.由演员按自身听觉意愿独立控制的返送监听系统,可通过耳机监听或经功率放大器放大后驱动监听扬声器。

2.由调音台分组馈送初混信号,信号容量视个人监听系统的品牌型号而定,一般在十余路到几十路之间,通常采用数字化网络协议传输,如DANTE、MADI等。

3.多用于较为复杂的大型专业音乐演出类节目,亦可在大型音乐类电视综艺演播或演艺厅堂使用。

个人返送系统的普及得益于现在数字和网络音频的发展,我们通过一根线可以传输多通道,而且可以多点同时共享信号。

         

(三)时代背景下的音响系统结构演化

音响系统中,最早开始的数字化是单体设备的数字化,比如处理器、混响器,然后是记录设备如多轨录音机、立体声录音机,并随着时代的发展,逐渐变成了硬盘录音机以及音频工作站。同时原来的模拟调音台也逐渐数字化演变,现在更多的是非常灵活的离散结构的数字调音台。

所以音响系统首先是单体设备的数字化,然后是设备间信号的传输变成了双向多通道,现在是全网络的资源共享。

常见的音频网络结构有:

双星型网络

环网结构

交叉矩阵结构

上面这些结构各自有各自的优势和缺点,要根据具体项目情况进行选用,我个人比较喜欢双星结构,尤其对于中大型系统而言,从系统安全性、施工难度、造价等各方面综合来看比较均衡。

扩声声场的传播特性与设计要点

(一)对扩声声场产生影响的主要因素

·声学环境

·不同声源点(扬声器组别)的相互影响

(二)环境三要素对物理声波传输的影响

·传输距离( Distance)

·空气温度( Air Temperature )

·湿度( Humidity )。

传输距离( Distance )

Lp=Lpo-20lg (r/ro)

·原则上遵循反平方定律,距离每增大一倍,衰减6dB。

·空气是非线性的传输介质,高频的衰减比率比低频的大,且随距离增加而累积。

·对于性能良好的线阵列扬声器而言,近场可视为柱面波传输,距离每增大一倍,衰减3dB,但逐渐会过渡到远场传输,遵循反平方定律。

空气是一种非线性的传输介质 在正常的空气当中,高频的传输衰减比低频要大。而且会随着距离增加而积累。所以在很多大型扬声器,我们都会有高频补偿、远距离补偿的按钮。

空气温度( Air Temperature)

Cᴛ=331.4+0.607*T

·温度升高、声速提高、波长变长。

·5℃的温度变化大致可引起1%的声速变化。

·温度越低,高频传输衰减越大。

多数情况下,空气湿度越低,空气黏稠度越干,高频衰减会随着湿度的降低而增大。温度对高频也是有影响的,温度越低,高频的衰减也越厉害,简而言之,在温度高,空气湿润的环境下,频率的传输特性一致性是比较好。

(三)形成明显声干涉的条件

1.频率相同(相干信号)

2.相位差恒定

3.声压级接近

我们看这么一张图,这是相位差,什么概念?就是说声音振动一个周期,是360度。如果两个是同相或者正好差360度,再叠加,会叠加出6db,振幅大了一倍。如果说相位差是180度,振幅正好一个向上振动一个向下震动,或者说一个向前伸一个向后拉,那么他们是抵消掉应该是100dB开外。那么如果相位差是90度,就是增加了3dB,相位差大概在120度的时候,那么是不增加也不衰减的。

       

下面我们用仿真软件看看两只扬声器之间发生的干涉问题。咱们看平面俯视图,就是从上到往下看这个音箱的声辐射情况,单只扬声器在100赫兹时,基本上呈现球状覆盖向四周辐射。到了200赫兹就会出现一定的指向性,这是因为扬声器箱体会产生一定的影响。当我们把两只扬声器放在一起,间距是1.7米,我们就会发现,两只扬声器叠加,即便在100Hz,也会出现指向性,即两侧声音减弱的情况,这就是因为声音产生了干涉的问题。

这种情况下,声音的干涉归根到底是由于距离差引起了时间差,时间差优引起了相位差,但是同样的时间对不同频率所造成的相位差是不一样的,就如同这张图上,1.7米的距离,意味着100   Hz在扬声器阵列连线两侧是半波长的关系,相位差是180度,所以会抵消,但针对200Hz,则相位差就变成了360度,所以这时候两只扬声器在这个频率上非但不抵消,还会同相叠加,所以,我们在考虑相位关系的时候一定要注意它与频率的相关性。

       

关于声场设计中的关涉现象,除了与相位差密切相关外,还有一个因素也会产生很大的影响,那就是两个信号之间的电平差,这个在之前干涉发生的必要条件中反复强调过。不同的电平差所引起的干涉是不一样的,关于这点我们可以看看下面这张PPT,在声场设计中,因为相位差和电平差的不同,可以形成三种叠加区域,分别是“偶合区”、“混合区”和“隔离区”,从图中可以看出,不同区域中叠加信号的表现是不一样的。

       

关于扬声器指向角,因为理论上扬声器的覆盖是以球面形式传播的,所以我们在实际应用中还要考虑它在直线覆盖时的降维问题,也就是覆盖范围变窄的问题。那么角度越大,指向角的有效覆盖率越低,角度越小,它的有效覆盖率越大。所以这也是我们在声场设计当中最要注意的。

声场设计牵扯的因素很多,变量也很多,所以很难用概括性的语言给出特别具体的方式,但根据声音传播和扬声器辐射的基本理论,我们也可以归纳总结出一个通用的声场设计原则。

(四)声场设计的原则和要点

1.对于任何扩声系统而言,声场设计的最主要目的就是要对相关听音区域进行良好的声场覆盖,使听众听见、听清、听好。

2.如果以专业术语来描述,则是在足够的响度下,提高传声增益、可懂度及清晰度,并充分保障良好的频率传输特性和主观听感。

3.所有听音区的一致性是关键。

这是三个不同的概念,简而言之及,听见,就是声压级要足够,响度能够让整个听音区具有足够的信噪比;听清,则要求传声增益、清晰度要好;而听好,则是要求有比较好的音质,比较好的声音效果,而且能够和艺术表现能够很好的结合起来。目前我认为,我们依然处在听见和听清层面,我们依然还有很多路可以走。所以说我们行业是有很大的发展空间的。

第二个原则,解决衍射问题。避免遮挡,把需要扩声的声能(尤其是中高频部分)直接投射到需要听到这些扩声的区域。

第三个原则,解决干涉问题。从根本上怎么解决呢?首先,要规避强反射面!避免反射声与直达声形成干涉。第二,增大扬声器之间隔离区、耦合区的面积,减少混合区面积。

最好的方式就是一个地方只用一个或一组扬声器来覆盖,让他们隔离开,减少混合区的面积,尤其是有害混合区。在保证足够声压级、均匀度和可懂度的前提下,原则上讲,对某一听音区域进行覆盖的扬声器数量越少越好,以形成不同听音区间主要区域的隔离。

声反馈及啸叫抑制

啸叫产生的基本原因:扬声器发出的现场扩声信号在声场空间进行自由传播的过程中,如过多地被传声器拾取并进入同一套系统进行再次放大,并形成正反馈,从而引发啸叫现象。

目前的常规手段:

硬件设备,如啸叫抑制器(多点自动/手动陷波器)、移频器等等。

我们可以把话筒当作一个耳朵,如果当这个耳朵所接收的声源音量大于扬声器音量的时候,那么系统就是稳定的。如果声源音量小于扬声器音量时,就会变得不稳定。这样我们有几个途径:

1.减小Ds

2.减小D1

3.增大D2

4.采用指向性话筒。

5.指向性扬声器

6.移频处理

7.陷波处理

       
       

综合处理及控制措施

1.合理的拾音距离:尽可能使传声器靠近声源并远离扩声扬声器,使其所拾取的声源能量大于所拾取的扬声器重放能量。

2.合理的扩声距离:尽可能使扬声器靠近听众,以降低因距离产生的衰减,从而以较小的重放声能覆盖听音区。

3.合理的扬声器及传声器布局关系:传声器的指向角范围应尽量避免设置在扬声器直接或大规模反射覆盖的范围内,如能采用“背靠背"方式为最佳。

4.合理的场声器及传声器选型:通过设备选型,首先可以提高对扬声器指向范围的把握,降低声扩散的复杂度,提高对扩声声场的控制;同时也可通过把握传声器的指向,减少现场扩声信号的拾取量。

5.配备啸叫抑制器、均衡器、移频器等设备,在必要时可以借助这些设备自动或手动寻找并拉低啸叫点或对反馈信号进行移频,以相对降低扩声信号与传声器拾取信号之间的相关性。

6.合理的中心处理设备:如自动增益调音台、会议主机、媒体矩阵处理器等,自动控制同时开启的话筒数量,使系统在完成使用功能的前提下,尽量减少同时工作的话筒数,从而有效控制某一时段内话筒所拾取的扩声信号的能量。

7.采用矩阵式混音管理:如啸叫现象非常严重,则可将不同区域的话筒及覆盖扬声器分组,利用中心处理设备,设置扬声器在不同话筒分组之间的放音电平比例,从而避免正反馈,降低啸叫。

     

结语

魏增来:

今天我们主要就音响系统设计牵扯到的相关基础知识给大家系统性了梳理了一下,并把一些总体系统概念也给大家做了分享,希望大家在有限的时间里能够理解这些东西,融会贯通在具体工作实践中不断依据这些基础原理举一反三,拓展知识面。谢谢大家。

宝月:

非常感谢魏老师今天为我们带来的精彩的讲解,也感谢各位老师、学员的聆听。谢谢大家。


   

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本文由魏增来老师编著。

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文字整理:王梦琪 杨嘉璐 贾艳妍 付诗怡

图文制作:杨晰然