扬声器拾音器的指向特性在扩声系统中的作用.docx

扬声器拾音器的指向特性在扩声系统中的作用.docx

《扬声器拾音器的指向特性在扩声系统中的作用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扬声器拾音器的指向特性在扩声系统中的作用.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

扬声器拾音器的指向特性在扩声系统中的作用

摘要

扩声系统的基本作用就是通过建筑声学和电声学的手段使听众或技术和艺术人员获得所需要的声音信息。

众所周之，自然声源所发出的声功率是有限的。

随着声波的传输，声压级会逐渐下降，从而造成在噪声环境下的听音者就听不清声音的内容，甚至完全听不到声音。

因此，在室内厅堂和室外的场合下，需要用扩声系统对声音信号进行放大等处理，使听众所处的声场环境有一个令人满意的声压级。

要达到这样的目的，就要利用室内声学和电声学手段。

某些室内声学传统的设施还在使用，因为他们可以满足一些基本的要求，并且基本上不用维护。

但是其系统的多功能性和传输音质等方面的不足，已经不能满足当代设计的要求了。

电声学的发展为现代的扩声系统的设计提供了强大的支持。

除了要传递简单的消息和信息以及再现舞台声场效果之外，电声学的发展为一些全新的应用铺就了道路。

比如在一些公共场合的扩声系统中，它向人们传递的除了一些服务性信息之外，还有背景音乐和应急信息等等。

但是扩声系统的最大贡献还是体现在文化娱乐领域。

如今在室外活动、展览会和音乐表演中，扩声系统已经被普遍采用。

这时声音信号在被话筒拾取后被直接传输和通过扬声器宰辐射出去，或者是先储存在声音媒体中，然后在以后需要的时候再重放出来。

对于实时工作方式，必须格外仔细，因为声音的拾取和放大信号的辐射是发生在同一环境下，这样就会产生相互干扰（声反馈）。

这样的扩声工作就要着重考虑系统稳定工作的问题。

在本论文中，我们将会讨论到如何正确的利用扬声器以及传声器的指向性从而改善扩声系统整体的扩声质量与扩声效果。

关键词：

扬声器传声器指向性扩声系统频率响应传声增益

ABSTRACT

Thefundamentalroleofsoundreinforcementsystemisthroughtheconstructionofacousticandelectricacousticmeansofmakingtheaudienceorthetechnicalandartisticpersonnelneedaccesstosoundinformation.Itisweeks,naturalsoundemittedbythesourceofthesoundpowerislimited.Withthesoundtransmission,soundpressurelevelwillgraduallydecline,resultinginnoisylisteningenvironmentshearthevoicesofthoseonthecontent,orevenhearvoices.Therefore,intheindoorhallandoutdooroccasions,theneedforsoundreinforcementsystemforsignalamplification,suchasvoiceprocessing,sothatlistenersofthesoundfieldinwhichthereisasatisfactoryenvironmentforsoundpressurelevel.Toachievethispurpose,itisnecessarytousetheindooracousticandelectricacousticmeans.Roomacousticsinsomeofthefacilitiesarestillusingtraditional,becausetheymeetsomebasicrequirements,andbasicallydonothavetomaintain.However,theversatilityoftheirsystemsandtransmissionofthelackofsoundquality,etc.,cannolongermeettherequirementsofacontemporarydesign.Thedevelopmentoftheacousticpowerofmodernsoundreinforcementsystemdesignprovidesapowerfulsupport.

Inadditiontothesimpletransmissionofnewsandinformation,aswellastheeffectofsoundfieldreproductionstage,thedevelopmentofacousticpowerforanumberofnewapplicationspavedtheroad.Insomepublicplacessuchasthesoundreinforcementsystem,itpassedtothepeopleexceptforsomeserviceinformation,aswellasbackgroundmusicandemergencyinformationandsoon.Butthegreatestcontributiontothesoundreinforcementsystemisreflectedinthefieldofcultureandentertainment.Todayinoutdooractivities,exhibitionsandmusicalperformances,thesoundreinforcementsystemhasbeenwidelyused.Atthistimethevoicesignalinthemicrophonetopickupafterthedirecttransmissionandradiationoutthroughthespeakersslaughtered,orisfirststoredinthevoiceofthemedia,andthenatalaterdate,whennecessary,andthenreplayit.Forreal-timework,havetobeverycareful,becausethevoicesignalofthepickupandamplificationofradiationtakesplaceinthesameenvironment,thiswillresultinmutualinterference（acousticfeedback）.Thisworkshouldfocusonthesoundreinforcementtoconsidertheissueofsystemstability.Inthispaper,wewilldiscusshowtousethecorrectspeakerandmicrophonedirectivityofsoundreinforcementsystemsoastoimprovetheoverallqualityandsoundreinforcementsoundreinforcementeffect.

Keywords:

speakermicrophonedirectivitysoundreinforcementsystemfrequencyresponseaudiogain

第一章绪论

1.1指向性

1.1.1拾音器的指向性概述

在实际工作中，拾音器的使用具有很大的目的性，换句话说，拾音器的技术指标或特性是否理想主要取决于录音师在一定环境中对其使用的目的。

尽管如此，每个拾音器都具有基本的设计特性或技术指标，并且通过对这些指标的研究，可以使录音师区别不同拾音器在系统扩声中的不同表现，并有利于录音工作人员在实际工作中对其进行灵活或具有创造性的使用。

那么传声器的性能可以用一系列客观参数和主观（听感）评价进行描述，虽然在主观评价方面引起过广泛的注意，但作为一种评定标准还有一段距离（由于其主观性，不确定性导致）。

目前大多数以客观评价为主，常用到的客观技术指标有：

灵敏度、频率响应、等效声压级、指向性、动态范围、最高声压级和输出阻抗等。

那么我们现在来着重分析一下拾音器的指向性。

传声器的指向性又称传声器的方向性，简而言之是指传声器对不同角度入射的声压的响应。

具体来说，当声波以不同的角度θ入社到传声器的振膜上时，振膜所受到的作用力也将不同，因此相应的输出也不相同。

这种因入射声波入射角度的不同而使传声器灵敏度产生变化的特性称为传声器的指向性。

（例如，指向特性曲线为超心形的话筒，电容话筒通过改变幻象电源的馈给方式即可得到超心形指向特性，超心形话筒更偏重于拾取从0度角进入话筒的声音，即正面面向话筒的声音，超心形话筒在120度角处的声抑制效果最好。

在这里声波的入射角θ指的是入射声波的入射线与法线之间的夹角。

）若以E（0）表示声波沿轴向（θ=0）时的灵敏度，E（θ）表示声波以θ角度入射时的灵敏度，则传声器的指向性函数D（θ）=E（θ）/E（0）（公式一）。

另外指向性还可以用传声器指向性图形（图1.1）来表示：

图1.1传声器指向性图形

这种运用极坐标来表明对不同频率的指向尺度的方法，也很好的表示了传声器的指向特性。

也就是说和0°方向相比较，各方位的相对幅度有多大。

因此，可以将其他不同方向的频率响应无一例外的和0°方向（轴向）联系起来。

然而，却和零度方向的频率响应无关。

轴向频率响应必将另行给定。

指向性何其相对值适用于直达声，也就是对自由场有效。

再扩散场中指向性说明了各方向的传输量，即从0°方向来的直达声功率，与全部的扩散声功率之比的电平大小。

指向性在混响半径内有效。

在混响半径以外，指向特性一般较弱。

这些优缺点都可以灵活运用或避免在扩声系统中。

在公式一中，一般情况下，D（θ）的值与频率有关。

因此，我们在使用时必须了解工作频率范围内传声器各频率的指向性。

频率响应（FrequencyResponse）指传声器的灵敏度随频率变化的特性，即对于恒定的不同频率输入信号传声器输出电压的大小，这种随灵敏度频率响应的范围是指传声器正常工作时的频带宽度，又叫带宽。

频率响应一般采取以下方法测定：

传声器在恒定声压和规定入射角声波的作用下，各频率正弦信号的开路电压与规定频率的传声器开路输出电压之比，用分贝（dB）表示。

不同的频率，传声器的灵敏度并不相同。

一只传声器的频率响应可以设计成平直的，也可以根据使用需要对高、中、低频有适当的提升或衰减。

传声器的频率响应与测量的角度有关，即对不同角度输入信号频率响应不同。

以下给出某种传声器不同指向性不同角度的频率响应曲线图做例：

图1.2频率响应心形指向性

图1.3频率响应全指向性

图1.4频率响应“8”字形指向性

频率响应平直，可以对声音本身的频率成分不改变相对大小的进行拾音，反映出声源本身的频率特性。

为了获得更好的声音效果，传声器的频率响应因往往在高频段有所提升。

高频是最容易损失的频段，在远距离拾音时，由于声音的反射以及空气的吸收，高频会有所下降，在传输工程中也会损失掉一部分高频信号，因而可以通过频率响应上的高频提升来适当弥补。

另外，由于传声器的固有噪声、放大器产生的噪声以及风和震动等环境引起的外来噪声低频成份较多，为了降低噪声电平，频率响应可以在低频段进行适当衰减。

1.1.2扬声器的指向性概述

与传声器类似，扬声器的灵敏度指的是他在单位电压作用下的输出声压。

具体规定问在参考轴上距离参考点1米处的扬声器辐射的声压p与加在扬声器输入端上的纯音信号的电压V之比，即：

E＝p/V（微巴/伏或帕/伏）。

同传声器相似，扬声器的灵敏度一般也是频率的函数，反映扬声器灵敏度与频率之间关系的曲线就叫做扬声器的频率响应曲线。

扬声器频率响应是扬声器输出特性随频率变化的情况，主要由扬声器本身的惯性系统元件以及谐振频率等因素决定。

如声辐射时声阻抗减小，使低频段灵敏度下降；振动系统的惯性使高频段的灵敏度降低。

通过对音箱的结构进行合理设计、选用优秀的扬声器单元和音箱材料等。

可以改善扬声器的频率响应特性，补偿扬声器本身的频率缺陷。

扬声器频率变化的过程中，其指向性也在随之而变，其规律是频率越高指向性越强。

此外，还有人用指向性指数与指向性因子对其表示，公式分别如下:

Q（f）＝I1/I2；DI（f）=10log10Q（f）（dB）

以上公式中Q（f）和DI（f）分别为指向性因子和指向性指数，I1为在自由声场中沿扬声器振膜法线方向的指定距离处的声强，I2是在同一条件下同一位置上由总功率相同的点声源所产生的声强。

除扬声器的指向性（指向性因子或指向性指数）外，在适用中，扬声器的覆盖范围可能具有更加重要的意义。

特别是随着线阵列布局的出现，人们对其重要性的认识将会大大增强。

所谓扬声器的覆盖范围是指扬声器辐射的声能在某一数值以上可能到达的范围，通常用扬声器的覆盖角表示。

对已给定的辐射平面，覆盖角一般是由-6dB的测点（以轴向读数为参考）和信号中心组成的角度。

扬声器的指向性因子与覆盖范围一般彼此无关，但他们都与频率有关。

不同的指向性因子可能具有相同的辐射角。

1.1.3声源的指向性概述

讨论了扬声器与传声器的指向性，最后我们再来说说，声源的指向性，以便接下来讨论各指向性在扩声系统中的作用。

声源的指向性表示声源辐射声音强度的空间分布，指向性声源在距声源中心等距离的不同方向的空间位置的声压级不相等。

人和乐器发出的声音都具有指向性。

通常频率越高，声源的指向性越强，当声源的尺度比波长小得多时，可近似看作无方向性的“点声源”。

此时，在距离声源中心等距离处，声压级相等。

声源的指向性可以用指向性因数Q描述。

指向性因数是在距声源较远的某一点上，直达声的声压均方值p²D,d与声功率相等的无方向性声源（如点声源）在改点产生的直达声均方值p²D,o之比，即

Q=p²D,d/p²D,o

与无指向性声源相比较，在距指向性声源中心r处的直达声的声压均方值将增大Q倍。

显然，Q可以大于一，也可以小于一；当Q等于一时，即为无指向性声源。

以上我们基本论述了扬声器，拾音器以及声源的指向性和影响指向性的频率灵敏度等客观条件。

下面我们再来根据不同情况的不同条件的客观因素来进行主观的改善，所用方式基本都围绕着不同有效指向性来确定。

第二章拾音器的指向性在扩声系统中的作用

2.1拾音器的指向性引言

首先，我们来分析拾音器的指向性在扩声系统中的作用。

根据不同的现场任务要求，我们不一定会对指向性的要求很高，有时候例如要用拾音器拾取现场观众掌声时，将话筒设置在观众席中就会用到无指向性（全指向性）的拾音器，去拾取一大片观众席中的掌声，此时若用带有特定指向性的拾音器则使现场效果大打折扣。

因此，下面我将从不同的角度，根据不同的扩声要求，依据曾经学到过的客观方法来改善。

2.1.1提高扩声系统中的传声增益

现场扩声是扬声器与传声器同处一个声场中,扩声后扬声器重放出来的声信号被反射回来,由传声器拾入放大后再播出,多次循环,造成系统的自激振荡,信号源中的某些频率与环境中的某些固有频率相吻合激起共振峰，于是引起声反馈啸叫。

声反馈的存在，不仅破坏了音质，限制了话筒声音的扩展音量，使话筒拾取的声音不能良好再现，深度的声反馈还会使系统信号过强，从而烧毁功放或音箱（一般情况下是烧毁音箱的高音头），造成损失。

所以，扩声系统一旦出现声反馈现象，一定要想方设法制止，否则，就会贻害无穷。

一般抑制声反馈可用声反馈抑制器或者提高传声增益（所谓的传声增益是从拾音器考虑的，扩声系统在使用拾音器时，对拾音器拾取的声音的放大量，是考察扩声反馈啸叫程度的重要指标，传声增益越高，声反馈啸叫越小“少”，话筒声音的放大量越大。

计算方法是将话筒音量开到最大（不能有声反馈现象），在拾音器前放一个声源，同时测量声场中和拾音器前的声压级，用声场中声压级减去拾音器前声压级，即得到了该扩声系统的传声增益）。

能否消除声反馈是衡量一个音响师技术水平的重要标志，在反馈抑制器出现以前，音响师往往采用均衡器拉馈点（衰减反馈频率）的方法来抑制声反馈。

扩声系统之所以产生声反馈现象，主要是因为某些频率的声音过强，将这些过强频率进行衰减，就可以解决这个问题，但用均衡器下拉可产生以下难以克服的不足：

一是对音响师的听音水平要求极高，出现反馈后音响师必须及时、准确地判断出反馈频率和程度，并立即准确无误地将均衡器的此频点衰减，这对于经验不丰富的音响师来说是难以做到的。

二是对重放音质有一定的影响。

现有31段均衡器的频带宽度为1/3倍频程，有些声反馈需要衰减的频带宽度有时会远远地小于1/3倍频程，此时，很多有用的频率成份就会被除掉，使这些频率声音造成无法挽回的损失。

三是在调整过程中有可能烧毁设备。

用人耳判断啸叫频率是需要一定时间的，假如这个时间过长，设备应付由于长时间处于强信号状态而损坏。

反馈抑制器是一种自动拉馈点的设备，当出现声反馈时，它会立即发现和计算出其频率、衰减量，并按照计算结果执行抑制声反馈的命令。

但由于反馈抑制只是一个辅助工具，它并不是万能的拉馈工具，且在功能和设计上存在着一定的问题，使用效果并不十分令人满意，有一定程度的拾音音质损失。

如果我们在扩声系统中做以适当调整再配合声反馈抑制器，即可避免声反馈的发生，起到“预防为主，防治结合”的效果。

那么到底如何改善才能抑制声反馈呢？

这就要从其产生说起了。

根据以上所说，“现场扩声是扬声器与传声器同处一个声场中,扩声后扬声器重放出来的声信号被反射回来,由传声器拾入放大后再播出,多次循环,造成系统的自激振荡”，那么也就是说造成此问题的症结在于拾音器与扬声器。

那么我们就可以着手在扩声系统中对扬声器、拾音器的位置与指向性做以调整如下：

根据声源的大小将扬声器的指向性设置成强指向性，目的是让扬声器在拾音过程中尽可能的只拾取到所要拾取的声源的声音，让扬声器重放出来的声音尽可能的分布在拾音器指向夹角之外。

这样就可以避免拾音器多次拾取到扬声器多次重放的声音。

再者，如果在同一个扩声系统中扬声器的指向性是非全指向性的话，那么可以做到使扬声器的指向夹角覆盖范围和拾音器的指向夹角覆盖范围不要有重叠部分就会明显避免声反馈现象。

2.1.2提高扩声系统的信杂比

本底噪声亦称背景噪声。

无有用声信号时音箱发出的噪声，包括音响设备噪声和放音环境噪声两部分，过强的本底噪声，不仅会使人烦躁，还淹没声音中较弱的细节部分，使声音的信杂比和动态减小，再现声音质量受到坏。

在扩声系统中，信杂比的概念很重要，他直接反映出设备的内部本底噪声情况或输出信号的质量，尤其反映出微弱信号的放大情况，因此信杂比是扩生系统的一个重要参数指标。

适当的缩小拾音器的拾音角度，增强是引起的指向特性可以有效的提高扩声系统的“信杂（噪）比”。

图2.1信杂比

我们把噪声的来源分为内部和外部两种，由于实验室的测试条件通常都十分优越，所以在这种条件下测试的信噪比指标实际是设备内部噪声的反应，内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素，由设备自身产生的，而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境（自然环境）所造成的，是不可能反映在信噪比指标中的，这一点通常会被很多人所忽略。

音频信噪比是指在扩声系统中音响设备播放时，正常声音信号强度与噪声信号强度的比值。

当信噪比低，小信号输入时噪音严重，在整个音域的声音明显变得浑浊不清，不知发的是什么音，严重影响音质，尤其是对于现场扩声的影响是非常大的，有时会起到决定性的作用，因为在一个扩声系统中，由于信号是串联的，因此传声器拾取的噪声会进入下面的设备中被放大。

噪声对于音质的表现主要有几个方面，而在扩声系统中影响比较大的是，过大的噪声会严重干扰听音者对主信号本身的关注，这是对于那些幅度很大的噪声信号而言的，这情形就像听音乐会时你了邻座不断大声聊天、手机乱响、磕瓜子劈劈啪啪，在这种环境下听音乐，听者不会有好心情的。

信噪比的大小是用有用信号功率（或电压）和噪声功率（或电压）比值的对数来表示的。

除了这些例如：

电磁屏蔽，净化电源之类的对硬件的信噪比提升的办法外，对外部噪声的抑制我们也可以通过利用指向性强的拾音器进行拾音，以提高信噪比。

记得我在陕西电视台实习时，有一次在600m2演播大厅录制一个节目，对一个四声部男生合唱进行拾音，用到了纽曼的U89电容话筒当时我设置话筒的时候，没有调整U89的指向性，也就是说话筒的初始选项是全指向性。

在现场扩声的时候，监听中出现了“丝丝”的声音当使用监控摄像机观察舞台时发现原来是由于电容话筒灵敏度高拾取了侧面干冰机的机器声，于是到舞台上查看话筒设置并修改了话筒的指向性为心形指向。

经过再一次的现场扩声，之前出现的问题解决了。

节目播出顺利进行。

2.1.3降低再生混响

混响是现场扩声时必不可少的效果元素。

声源停止发声后,由于边界面或其中障碍物使声波多次反射或散射而产生声音延续的现象。

声波在室内传播时，要被墙壁、天花板、地板等障碍物反射，每反射一次都要被障碍物吸收一些。

这样，当声源停止发声后，声波在室内要经过多次反射和吸收，最后才消失，我们就感觉到声源停止发声后声音还继续一段时间。

这种现象叫做混响，这段时间叫做混响时间。

混响时间的长短是音乐厅、剧院、礼堂等建筑物的重要声学特性。

混响时间短有利于听音的清晰度，过短则会感到声音干涩、缺少穿透力和亮度；混响时间长有利于声音的丰满，但过长则会感到声音含糊不清。

因此，在厅堂设计中，根据不同的性质和要求，必须选择一个最佳的混响时间，而且在某些演出现场中本来自然混响时间较长，加上有扩声系统的存在使得反射声增加，导致混响成分加长，形成再生混响。

为了降低或消除再生混响，我们可以通过使用指向性较强的传声器来来拾音。

采用指向性较强的传声器可明显减少扩声系统输出端辐射的直达声或空间混响声对传声器的影响，提高扩声系统的稳定度，使得扬声器的声辐射方向不包含传声器指向角的方向。

将传声器置于扬声器的后下方距离较远的地方，可以较好的抑制再生混响的产生。

2.1.4降低梳状滤波失真

在现场扩声中,当信号发生延迟再返回混入到原信号时,有可能会遇到声音突然音色变差,中高频比较明显,声音变薄,高频有类似于回声的效果。

这就是录音中常说的梳状滤波效应（Combfilters）之所以得名,从下两图例可以看出是因为频率响应曲线的许多波峰、波谷类似梳子的梳齿。

从梳状滤波效应的原理来看,这实际上就是一种声干涉现象,其幅频特性是是声音的频响幅值跟随频率的变化情况如同梳齿状。

图2.2梳状滤波失真1

形成扩声系统的原因基本有两个，一个是在拾音器部分，一个是在扬声器部分。

我们先来讨论前者，后者则放在之后的扬声器的部分作讨论。

例如，我们要对一个民间艺术表现形式—三弦弹唱进行扩声,如果我们采用以下方式进行录音就有可能产生梳状滤波效应,从而影响扩声效果。

演员坐定在台上，对演员使用一只话筒拾音，对演员所使用的三弦再用一只话筒拾音，两只话筒相隔较近共同拾音。

此时人声话筒拾取演员的演唱，同时拾取三弦的话筒也串入了演员的声音。

三弦话筒离人声话筒的距离大概有25CM-30CM。

因此，三弦话筒中拾取的人声