声音与听觉系列知识 Part 6 — 厅堂声学2
在大多数音乐厅、演唱会、会议室等应用中，都会用到扩音系统，其简化模型如下图所示。
扩音系统的作用就是，保证在距离声源较远的位置也能很清楚听到声音。
模型虽然很简单，但要实现高品质的扩音可就没那么简单了。
首先，这个系统里面涉及到很多电声设备，比如麦克风、扬声器。这两种常见的电声设备经过了多年的发展，已经很成熟了，要选出合适的设备，需要对他们有一定的了解。
其次，不当的布置方式，会对扩音系统的声音质量产生很大的影响，在设计系统的时候需要考虑很多声学属性。
下面简单为大家做简单介绍。
1、扬声器
一个扬声器主要由磁铁、音圈、盆架、纸盆、防尘罩、音箱布、折环组成。
音圈和纸盆的重量，以及支撑的弹性，决定了扬声器的谐振频率。
一个好的扬声器必须与合适的箱体配合才能完美的回放声音。
基于安培力原理(通电导线在磁场中收到垂直于导线的力)，通过改变扬声器线圈中交变电流的频率和电流强度，可以还原出声音信号的特征(频率和幅值)。当然，实际工作中，我们需要用放大器，所谓的高保真放大器是指这个放大器在放大信号的同时不会丢失信号的特征。经过放大之后的电流形成的安培力推动连接在线圈上的纸盆振动，纸盆振动引起空气振动，形成接近于原始声音信号引起的空气压力变化状态，从而还原原始声音。
音圈与纸盆被有弹性的支撑起来，就像是一个质量弹簧系统，必然会有谐振频率。因为谐振频率的存在，当扬声器播放接近该频率的声音时，声音会发生变化，失真。
因为这个简谐系统没有阻尼(阻尼很小)，谐振频率相近的声音会引起震荡(共振)，声音变成boomy(低频)或ringing。
为了克服这个问题，常把2-3个扬声器用分频网络连接起来(汽车上用分频器把中低频和高频的声音分别让woofer和tweeter发出来)。
如上图所示：利用电容对高频信号阻抗低、对低频信号阻抗高的现象做成一个高通滤波器，让tweeter发出高频的声音；利用电感对高频信号阻抗高、对低频信号阻抗低的现象做成一个低通滤波器，让woofer发出低频的声音；而串联电阻和电感，可以过滤极高和极低频率，形成一个带通滤波器，让扬声器发出中频声音。
当扬声器纸盆的前表面向前推使气压变大的同时，其后表面将空气往前拉，使附近的气压变小。因此，二者同时运动引起同频率的声音。
由于低频的波长很大，根据衍射原理，扬声器后表面引起的低频声波可以绕过纸盆到达扬声器前方。且因为二者的相位相反，形成相消干涉。称这种现象为声短路。
所以，正常情况下，一个独立的扬声器放出来的声音，人听上去会很难听到低频成分。消费者购买音箱的时候能发现，所有的音箱都不是一个喇叭，而是将喇叭嵌在一个箱子里的，这个就是箱体。箱体的作用并不是为了让音箱更好看，而是有大作用的。汽车的车门扬声器的安装位置后方也是有一个空腔的，也就是说此时车门空腔就是扬声器的箱体。
箱体的特性可以影响扬声器的效率和方向性。
设计和选择合适的箱体可以很大程度解决扬声器在低频部分性能的先天不足。
箱体有很多种，如：密闭箱、倒相箱、被动振膜音箱。参考下图。
倒相箱是指经过箱体的反射，从倒相管里出来的声音相位与扬声器振膜正面声波的相位相同。通过调整倒相管的空腔谐振频率等于扬声器的谐振频率，可以让音箱系统的低频效率更高，低频响应截止频率更低。
对于迷你音箱，由于体积的限制，使用的喇叭不可能太大。由于喇叭振膜的口径太小，每次振动推动的空气量就很少。而低音量感与喇叭推动的空气体积有直接关系。这样迷你音箱的天生缺陷就导致了��低音的缺乏。被动振膜可以较好的解决这一问题。同时，被动振膜的口径增加，还能够降低谐振频率，使音箱具有较好的低音性能。
(图片源自百度)
对于大型的演唱会现场，我们常常可以看到挂成一串的扬声器。如上图中红圈标注处。这种扬声器叫线阵列音箱。
线阵列音箱是一组振幅相等并同相，紧密地排成一条直线的音箱。该阵列音箱具有垂直指向性，能有效地投射声音，适用于大型，远距离的扩声系统。
如上图所示，相较于普通音箱向各个方向发声而言，线阵列音箱就像是一个线声源。产生这种变化的原因是线阵列音箱的干涉现象：线阵列音箱发出来的低频声音在每个扬声器的轴线上有相长干涉；除轴线外的其他空间位置上有相消干涉。正因为这种特性，线阵列音箱可以将低频声音成分传播得更远。
2、麦克风
麦克风实际上是一种传感器，用于探测声音并将其转换为等比例的电信号，例如电压、电流。
常见的麦克风有动圈式麦克风、铝带式麦克风、电容式麦克风、晶体麦克风。
NVH实验中常见的麦克风为压电式(ICP型，就是上述的晶体麦克风)或电容式的。
动圈式麦克风的工作原理是：声波推动线圈在磁场中运动，根据电磁感应定律，会在线圈中生成与声音信号成比例的电压。
这种麦克风的优点：声波推动线圈在磁场中运动，根据电磁感应定律，会在线圈中生成与声音信号成比例的电压。
缺点：对不同频率声音的响应的均匀性不如铝带式麦克风和电容式麦克风。
动圈式麦克风与扬声器的工作原理正好是对称的。
铝带式麦克风的工作原理是：空气运动引起位于磁场中的金属铝带(厚度大约0.015毫米)的运动，从而产生电压，电压信号与铝带的运动速度成正比。
优点：可以让声音听起来更有“温度”；可以明显区分低音远近距离的梯度变化。
缺点：低音有时候会产生“boomy”；对风噪太灵敏，不适合户外使用。
电容式麦克风的工作原理：声压改变电容薄膜之间的距离，从而改变电荷输出。
优点：全频率响应性能最好的麦克风，应用场景广泛。
缺点：价格较贵；关闭麦克风时可能出现pop音；需要供电(电池或外置电源)使薄膜位于平衡位置。
晶体麦克风的工作原理：压电晶体做成的薄带悬臂布置，自由端与薄膜连接，当薄膜受力时，压电晶体产生形变，受拉受压压电晶体均会生成电荷，电荷大小与变形量成正比。
优点：晶体麦克风输出的电量比其他麦克风大很多，容易测量。
缺点：频响特性相对动圈式麦克风差很多，一般不适合音乐领域使用。
如上图所示，麦克风的指向性一般用弧度来表示。在指向性范围内，至少可以有效拾取到峰值信号的一半以上(3dB对应能量衰减一半，6dB意味着能量衰减到1/4)。
常用心形曲线来表示指向性特征。
3、扩音系统增益
对于图示扩音系统，增益计算公式与声源到麦克风的距离Ds、声源到听音位置的距离D0、麦克风到扬声器的距离D1，以及扬声器到听音位置的距离D2有关。增大D1 或D0、减小Ds 或D2均可以使PAG变大。
实际操作中，一般需要保证扬声器发出的声音反馈到麦克风的上限为麦克风采集到的声源声音的3dB以下。否则，扩音系统将一直循环播放声音，出现“追尾”效应。
当给扬声器的增益过大时，扬声器可能会发出尖锐、刺耳的声音。相信很多人在参加某些活动的时候都遇到过这种情况，主持人一拿起话筒说话，扩音扬声器就发出啸叫声。
这种情况一般是因为反馈声过大导致的。此时扬声器不会发出所有的声音，而只会生成一个单频音，这个频率是声音系统/房间耦合后放大倍数最大的频点。在整体声音量级达到理想值之前，该频率声音已经到达触发系统振荡的量级了。如上图右上角的虚线所示，当声音信号中幅值最大的频率成分超出了临界值时，这种现象就产生了。
要消除这种现象，需要做系统均衡处理。
均衡指用特定滤波器以校正因频率不同而引起的声音成分的衰减。如上图所示，根据系统传递函数生成一个镜像的滤波器，是最有效的提高扩音系统最大声增益的方法之一。这样不仅可以让声音更保真，又可以避免系统振荡。
除了采用均衡器以外，还可以通过多个步骤，来提升扩音系统的增益上限。
第一步是将扬声器移动到距离麦克风更远的位置，这种方法对于扬声器系统比较轻便的场景是可行的。
实际应用中，不可能无限制的通过这种方法来提升增益上限。
因为房间内存在混响，所以有一个临界距离，超出临界距离之后，再将扬声器挪到更远的地方也对提升增益上限没有任何帮助了，因为此时麦克风会拾取到混响声。
所以，临界距离就是混响声量级等于扬声器传递给麦克风的直达声的量级的位置。
第二步是将扬声器移到距离听音点更近的位置，前提是此时不能改变扬声器与麦克风之间的距离。
实际应用中，一般采用额外的扬声器来实现第二步。如下图所示，在露台的下方增加一个小扬声器。
但是，增加扬声器会引入声像问题(从麦克风传递到额外增加的扬声器之间的信号是光速传播，而主扬声器传递到听音点的信号是声速传播，先到的声音对声音定位有很大影响)，所以建议对增加的扬声器使用数字延迟。
第三步是让声源靠近麦克风。声源贴近麦克风并适当减小扬声器的增益会让听众接收到充足的有用声音信号。
如果声源远离麦克风，传递给麦克风的声音信号将遵循反平方律，量级会快速衰减。与此同时，混响声与其他噪声没有发生明显变化。
所以，声源靠近麦克风不仅可以让麦克风拾取到更大的声音信号，同时还有助于提高信噪比和提升扩音系统增益上限。
第四步是使用指向性麦克风和扬声器。
实际应用中常用的麦克风是上图所示的心形指向性麦克风。当麦克风指向声源，且扬声器传递回来的反馈声位于90°角时，我们可以提高6dB的系统增益上限，因为90°角方向采集到的声音信号要衰减6dB。
对于扬声器，可以使用号角扬声器或者线阵列音箱。后者常在实际中使用。
第五步是使用陷波滤波器。如上图所示，在两个最大的波峰处设置两个陷波滤波器，使两处的声音成分被衰减下来。
这种陷波滤波器常被包装为专门的工具在市场上销售，一般会在做均衡器之前先使用陷波滤波器。
4、放大器
放大器的作用是将声音信号变大。这个任务实际上是比较艰巨的，因为声音信号涉及到的频率范围很宽，而放大器需要保证每一个频率下的声音都以相同的放大倍数被放大，而不会出现失真。
常见的放大器失真有谐波失真和互调失真两种。
谐波失真是指放大器削平信号峰值的情况。单频信号经过谐波失真之后会出现多个谐波，如果削波是对称的，则谐波均是奇数谐波。如上图右下角的频谱图所示。
如果谐波失真的削波是不对称的，奇数偶数谐波都会出现，只是奇数谐波的幅值要大于偶数谐波。如上图频谱图所示。
一般要求放大器谐波失真小于1%或0.5%。
互调失真是指由于放大器元件的非线性引起的和频与差频的失真现象。
互调失真一般情况很难被音乐相关应用所接受，因为它会引入原声中根本不存在的频率，且这些声音成分非常容易被识别到。而谐波失真所引起的谐波成分可能会被原声中的谐波成分所掩盖。
5、结束语
OK，今天就为大家介绍到这里。经过两期的介绍，我们把厅堂声学的内容介绍完了。希望大家喜欢。
下一期，我们将和大家聊一聊声场重构，请持续关注ACOUTEC。
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