第三章 音频系统和电声设备.doc

第三章 音频系统和电声设备第三章 音频系统和电声设备 音频系统及其环境的建立离不开电声设备，电声设备包括音源设备、调控设备、放大设备、重放设备、记录设备等五个部分，它们之间既独立又相互关联。 音源设备：传声或音频信号重放设备，如传声器(话筒)、录音卡座、录像机、CD重放机、LD机等。 调控设备：对声源设备送出的音频信号进行前级放大和混音后处理输出的设备，如调音台、音频处理器、均衡器、分频器、反馈抑制器等。 放大设备：对经过调控设备处理后的信号进行后级功率放大的设备，这里指专业功率放大器。 重放设备：将经过后级功率放大器处理的音频信号进行电一声转换并释放出人耳可听的音频信号的设备，这里指扬声器。 记录设备：指音频信号的记录包保存设备，它常常也是声源设备，如录像机、DvD机、录音卡座等。第一节 音频系统的重要术语 音频系统的整体性能指标和扩声系统的效果优劣，取决于每个设备单元的自身性能的好坏，如果系统中的每一个单元的性能指标都较高，那么系统整体的性能和效果就会很好。掌握下面的专业术语对了解电声设备的性能极为重要。一、频率响应 频率响应(Freqtlency Response)即频响范围，是指频率范围以及声波的幅度随频率的变化关系。扩声系统的调音设备和音频处理设备总体频率响应要求为20Hz20kHz，有的甚至更宽，达10Hz30kHz，但拾音设备和扬声器等则由于电路结构、组件的质量等原因，不能够达到该要求，频响范围要窄一些。一般来说，高档电声设备的频响范围较宽，能更保真地响应和输出音频信号，不过价格比较高。 由第一章已知，人耳能响应的频率范围是20Hz20kHz，而对于频率超过这个范围的声音则听不到。和人的耳朵类似，电声设备也只对在其频响范围内的输入音频信号才能做出不失真的响应，而对其他频率的输入信号则会产生失真或不响应。比如一只话筒的频率响应指标为70Hz16kHz，表示此话筒能不失真地输出70Hz16kHz的音频信号。 频响范围越宽，高、低频响应越好，不均匀度越小，频率均衡性能越好。通常，30150Hz低频使声音有一定厚度，150500Hz中低频使声音有一定力度，过分加强时，声音浑浊，过分衰减时，声音乏力；500Hz5kHz中高频使声音有一定明亮度，过分加强时，声音生硬，过分衰减时，声音飘散；510kHz高频段使声音有一定层次和色彩，过分加强时，声音尖刺，过分衰减时，声音暗淡、发闷。二、信号噪声比 信号噪声比(SN)简称为信噪比，指电声设备输出的信号电平与噪声电平的比例，用来客观评价电声设备的噪声指标大小。 这里的信号指的是来自设备外部需要通过设备进行处理的信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号，并且该种信号并不随原信号的变化而变化。 信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10log(P1P2)，其中P1和P2分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20log(V1V2)，V1和V2分别代表信号和噪声电压的“有效值”。 信噪比是音响界公认的衡量电声设备质量的一个重要指标，如DVD视盘机的信噪比(SN)优于90dB，而专业录音卡座的信噪比约为70dB左右。所以，信噪比应该越高越好，信噪比越高，说明这个设备的相对噪声越小。三、灵敏度 灵敏度(Sensitivity)也称轴向灵敏度(Axial Sensitivity)，是指馈给扬声器1W功率的电信号，离扬声器轴线1m处产生的声压级。 灵敏度是衡量扬声器系统电声转换效率的重要参数，也是衡量扬声器性能的重要指标。比如：同样功率的扬声器A和B，A的灵敏度比B的高6dB，那么要得到声场中相同的声压，A用一只，B就要用4只；A用一台功放机推动，B就要用同样的4台功放机推动才能达到A的声场效果。 四、失真率 失真指音频信号进入电声设备并被回放后，与原信号相比发生的某些不希望和不需要的(波形、频率等)变化。失真率(Distortion)或失真度是指经过设备处理后输出的音频信号与输入设备的音频信号产生的变化比率，通常用百分数表示，即： 失真率=(输入信号量值一输出信号量值)输入信号量值100音频系统的失真主要有以下几种： 1.总谐波失真, 2互调失真3瞬态失真4晃抖失真五、本底噪声 本底噪声(Noise Level)是指设备本身的原因而给输出信号增添的多余信号，它与系统的电路设计与布线结果、抗干扰能力以及前后级隔离度等都有直接关系，可以说是系统的纯净度。本底噪声一般都会存在，如果是轻微的、完全不影响信号的是可以接受的，但是明显的本底噪声会对弱的信号造成严重影响。六、动态范围 动态范围(dynamic range)的定义是指电声系统能接受的最大音频信号(不失真)的声压级与可能产生的噪音(噪音和)的等效声压级之差，单位也是dB。 动态范围表示的是最大不失真信号与噪声值的比例，此处的噪声指的就是上面的本底噪声。动态范围的测试方法一般是用一60dB1kHz的信号来激励，测量其余频率的噪声及谐波总量。频响要求越宽越好，那么动态范围就是越高越好。从事音频工作的人都希望音频环境能获得较好的动态范围，能清晰地录制和重放尽可能小的声音信号，同时又能不失真地录制和重放尽可能大的声音信号。从理论上说，回放设备的动态范围指标，应该大于输出信号(比如音乐)的动态范围，这样才能获得高保真的重放效果，否则就会出现失真。要实现真正的高保真(HiFi)，提高回放的效果，其保障基础就是：宽广的频响范围，宽幅的动态范围，以及超大的信噪比，超小的失真度。七、立体声串扰 音频系统的立体声系统有左、右两个声道，立体声效果取决于两个方面：立体声平衡度和立体声分离度。 立体声平衡度：立体声平衡度表示立体声音响系统中左、右声道的增益的差别，如果不平衡度过大，重放的立体声的声像定位将产生偏移。一般高品质的音响系统的立体声平衡度应小于1dB。 立体声分离度：表示立体声音响系统中左、右两个声道之间的隔离度，它实际上反映左、右两个声道相互干扰的程度。 立体声串扰(Stereo Crosstalk)是针对左、右两个声道之间的互相干扰情况的。如果两个声道之间串扰较大，那么重放声音的立体感将减弱。但如果是纯数字的音频，这个指标意义并不大，因为数字信号要做到两声道的独立还是很容易的。第二节 音源设备 顾名思义，音源设备指的是产生声音信号的设备，包括传声器(有线和无线话筒)、磁性录放设备(电唱机、录音机及卡座、录像机等)、光盘播放设备(CD、DVD、LD机等)及收音机和各类电子乐器等。由于录像机、DVD、LD机等既是音频设备又属于视频设备，将在后面有关章节叙述。 一、传声器 传声器即我们常讲的“话筒”或“麦克风(mic)”，是声能转换成电能的设备，通过声波作用到电声组件上产生电压，再转为电能。所以说任何一种拾音设备都可称为传声器。但平时我们主要说的还是麦克风，即话筒。 传声器的种类很多，根据换能原理可将其分为：电动式、电容式、电磁式、压电式和半导体式传声器等；按接收声波的方向性可分为无指向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心形指向性、强指向性、双指向性等；按传输方式可分为有线和无线等。第二节 功率放大器 音频系统的功率放大器(Acostic Power Amplifier)简称功放。扩声系统中，根据用户对象不同可将功放分为两大系列：专业扩声用的PA(Professional Amplitier)功放,家用高保真(HI-FI)功放和家用(家庭影院和卡拉()K等)的AV功放。它的主要任务是将外部处理单元送来的音频信号进行放大并驱动扬声器放出声音。 音频系统的功率放大器与音源和周边处理设备不同：一方面，它工作于高电压、大电流状态下，特别是PA系统，不仅要及时地有dB的增益以满足动态范围的需要，还要有很大的电流增益；另一方面，功放驱动的扬声器是一种特性复杂的非线性负载，其阻抗在不同的状态下会有很大的变化，要求功放对扬声器有优良的匹配和控制能力，以完美地再现原声。所以，功率放大器是扩声系统中最重要也是技术要求较高的设备。 一、音频功率放大器的分类 音频功率放大器的分类方法有几种，下面分别说明。 1按使用元器件分类 音频功率放大器按使用元器件的不同可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器(包括场效应管功率放大器)和集成电路功率放大器(包括厚膜集成功率放大器)。目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。 (1)电子管功放(俗称胆机) 电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机制决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管功效的设计、安装、调试都比较简单，仅是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦一些，其缺点是耗电大、体积大、电子管有一定的使用期限。因此在实际使用中有一定的局限性。(2)集成电路功放 由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。(3)晶体管功放 目前，大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质电路使功放的谐波失真很容易减少005以下。2按输出级与扬声器的连接方式分类 当前经常使用的功率放大器有OTL电路、OCL电路、BTL电路等形式。 (1)OTL电路 它是一种无输出变压器式推挽功放电路，输出级与扬声器之间采用电容耦合，在收音机中见。 (2)OCL电路 该电路是OTL电路的改进型，工作原理和电路结构与OTL电路相同，但它的输出级与扬声器之间采取直接耦合的方式，可进一步改善低频响应和失真度。 (3)BTL电路 它由两对互补对称桥式电路组成，功率大、失真小，工作状态发生变化时容易烧坏。3按输出管的偏置和工作状态分类 (1)甲类(A类) 当输入正弦波信号时，整个周期内输出管总处在导通工作状态，其特点是失真小，但效率低、耗电多。 (2)乙类(B类) 输出管仅导通半个周期，另外半个周期截止，其特点是输出功率大、效率高，但失真较大。 (3)甲乙类(AB类) 输出管导通时间大于半个周期，但又小于一个周期，其特点是效率低于前者，但失真度又小于前者。实际使用乙类或甲乙类功放电路时，都采用两只输出管组成推挽功放电路形式。 (4)丙类和丁类 丙类的管子导通时间小于半个周期，大部分时间处于截止状态。丁类又称为开关式工作状态，即输出管工作于饱和导通和完全截止两种开关状态。 (5)超甲类 新型的放大电路，晶体管不工作在截止状态以减少失真，或是通过晶体管的工作点随信号大小滑动(动态偏置)以提高效率。 二、功放的基本构造 功率放大器由放大电路(前置放大、驱动放大和输出功率放大)、电源电路和保护电路等部分组成。 1功放的放大电 (1)前置放大 前置放大电路处于功放的最前端，所以也叫前级，包括输入接口界面、输入信号放大、音量控制和平衡控制等。前置放大电路对输入的信号进行音量和平衡控制。由于它工作在小信号状态，其性能的优劣直接影响到后级放大电路的效果，因此对其技术规格要求较高。 (2)驱动放大 从图342中可以看出：驱动级放大电路处于功放的中间，起桥梁作用，将前置放大器送来的信号，作进一步电流放大，放大成中等功率的信号，以便驱动末级功率放大器正常工作。该级工作在大信号放大状态下，放大器中的放大管静态电流比较大。 (3)输出级放大 功放输出级放大电路是整个功率放大器的最后一级，用来对信号进行电流放大。 2功放的电源电路与保护电路 ,功放需配置完备的保护电路，如过载保护、短路保护和高温保护等。四、功率放大器的性能指标 无论AV系统还是HiFi或专业扩声系统，对功率放大器的要求都较高，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确且严格的要求。 1输出功率 输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时应注意以下几方面的功率含义。 (1)额定功率(RMS) 额定功率也称连续正弦波功率。通常以lkHz正弦波输入，在额定负载下(2、4或8 )，总谐波失真小于1的条件下所能输出的平均功率. (2)最大输出功率 当不考虑失真大小时，功放还可能输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，功放的最大输出功率可远高于额定功率。 (3)音乐输出功率(MPO) 音乐输出功率MPO是英文Music Power Output的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是在输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。 音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给人以力度或有使不完的劲的感觉；有的功放却显得力不从心。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力，可以用音乐输出功率来量度。 (4)峰值音乐输出功率(PMPO) 它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度，功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。2频率响应 频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围，国际规定一般音频功放的频率范围是40Hz16kHz15dB。但实际上音频功率放大器的工作频率范围必须为20I-Iz20kHz1dB或更好。3失真 失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。功放波形失真主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。 4动态范围 放大器放大最小信号与最大信号电平而不失真时的比值就是放大器的动态范围。优秀的功放在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，又不应被自身产生的噪声所淹没，因此应当具有较大的动态范围，专业放大器的动态范围应大于90dB。 5信噪比 信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将功放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数就是信噪比的大小，专业放大器的信噪比应优于100dB。 6输出阻抗和阻尼系数 功放输出端与负载(扬声器)所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。一般有2、4或8 等。 阻尼系数(Damping Factor)是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。在功放的音频信号推动扬声器发音的过程中，当扬声器输入信号中止后，其纸盆并不会立即停止作业，而是会有短时间的过渡期才能静下来。如果过渡期较长，前面的信号就会出现“拖尾”或“淡出”的现象，并与后面的信号叠加造成信号混杂和声音混浊。用于表征这一现象的特性参数就称之为功放的阻尼系数(DF)，DF值越大，信号过渡期就越短，声音还原效果就越干脆。DF值并非越大越好，DF值过大，声音效果就会感到生硬；FD值过小，声音就会变得混浊。专业功放的DF值一般都在1030之间。第三节扬声器 扬声器是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。确切地说，扬声器的作用实际上是把一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。 一、扬声器的类型及特点 扬声器的分类方式主要有以下几种：1按工作原理分类 按工作原理的不同，扬声器主要分为电动式扬声器、电磁式扬声器、静电式扬声器和压电式扬声器等。2按振膜形状分类 按振膜形状分类，扬声器主要有锥形、平板形、球顶形、带状形、薄片形等。3按频响范围分类 按放声频率范围扬声器可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器、全音域扬声器等。 由于单只扬声器所发声音的频率范围不可能宽达整个听音范围，因此在高保真立体声系统中常常采用由多只扬声器组成的多频段系统音箱。其中低音和中音大多采用直接辐射式电动扬声器，而高频范围除采用电动扬声器外，还可采用静电式扬声器、等相位电动扬声器和气流变换式扬声器等，这样组成的扬声器系统其频响范围可达20Hz20kHz。此外，扬声器的组合如线性阵列声柱、方阵、声棒、声环等已广泛用于高保真放音系统和扩声系统中。 就个体而言，音箱有分体式音箱和组合式音箱之分，但从音箱的结构来说，可以分为封闭式音箱、倒相式音箱、空纸盆音箱、迷宫式音箱、号筒式音箱等种类。其中以封闭式、倒相式两种最常见。1封闭式音箱封闭式音箱的原理：当有音频电流通过扬声器时，扬声器振膜产生振动，推动扬声器纸盆前面的声波向四周辐射，而纸盆后面的声波则被吸音材料所吸收，这就将扬声器的前向辐射声波和后向辐射声波完全隔离开来，从而有效避免了声短路现象。封闭式音箱在所有的音箱中是最简单的扬声器系统，它的灵敏度较低，可使用相应输出功率大一些的放大器，而且其结构相对较为简单，容易设计，方便放置，所以广泛地应用于家庭及小型娱乐场所。2倒相式音箱 倒相式音箱也叫低音反射音箱，其结构如图351所示。这种音箱在箱体前面开一个或几个出声孔，音箱外形结构开孔位置和形状多种多样，有的只开一个孔，有的开几个孔。大多数孔内还装有声导管，声导管的形状也有多种多样。 倒相式音箱用较小的箱体就能重放出丰富的低音，失真比较小，性能也比较稳定，是目前应用最广泛的一种类型，但它的设计及制作较为复杂。3空纸盆音箱 空纸盆音箱又叫被动式低音辐射音箱或无源辐射器，是在倒相式音箱的基础上发展起来的一种新型扬声器系统。它是用空纸盆代替倒相式音箱中的声导管，由普通的扬声器、一个空纸盆装置装在封闭式箱体内构成的，空纸盆装置是普通扬声器去掉音圈和磁路系统只用其纸盆和支撑系统构成。4迷宫式音箱 迷宫式音箱是倒相式音箱的一种变形，理论上讲，迷宫式音箱会衰减来自锥盆后面的声波，阻止反射到开口端而影响低音扬声器的辐射。而实际上，它具有轻度阻尼和调谐作用，增加了扬声器在共振频率附近或以下的声音输出，并在增强低音输出的同时能迅速减小振幅量。四、音箱(扬声器系统)的性能指标 扬声器是扬声器系统(俗称音箱)中的关键部位，扬声器的放声质量主要由扬声器的性能指标决定，进而决定了整套的放音指标。扬声器的主要性能指标有：额定功率、额定阻抗、频响特性、灵敏度、指向性以及失真度等。 1额定功率 扬声器的额定功率是指扬声器能长时间工作的输出功率，又称为不失真功率。当扬声器工作于额定功率时，音圈不会产生过热或机械振动过载等现象，发出的声音没有显示失真。为保证在峰值脉冲出现时仍能获得很好的音质，扬声器需留足够的功率余量。一般扬声器的最大功率是额定功率的24倍。 2额定阻抗 扬声器的阻抗一般和频率有关。额定阻抗是指音频为400Hz时，从扬声器输入端测得的阻抗。它一般是音圈直流电阻的1215倍。一般动圈式扬声器常见的阻抗有4、8 、16 、32 等。 3频响特性 在规定的音频电压作用下，扬声器轴向一定距离处的辐射声压级随频率变化的特性，称为扬声器的频率响应特性。给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，其产生的声压将会产生变化。一般中频产生的声压较大，而低音频和高音频时产生的声压较小。 频率特性是衡量扬声器放音频带宽度的指标。高保真放音系统要求扬声器系统应能放202000Hz的人耳可听音域。由于用单只扬声器不易实现该音域，故目前高保真箱系统采用高、中、低3种扬声器来实现全频带重放覆盖。音箱理想的频响应为20Hz20kHz，这样就能把全部音频均匀地重放出来，然而这做不到的。一般音箱都把重放频率范围设定为50Hz20kHz，有些结合较大声压级的低音重放，尽量减少失真需要的音箱可达到30Hz20kHz，而且希望系统在各个听音的响应特性尽量均匀，否则会引起重放的频率失真。高保真放音系统要求扬声器在放音频率范围内频率特性不平坦度小于10dB。 4灵敏度 ， 扬声器的灵敏度通常是指输入功率为1W的噪声电压时，在扬声器轴向正面1m处所测得的声压大小。灵敏度是衡量扬声器对音频信号中的细节能否重放的指标。灵敏度越高，则扬声器对音频信号中所有细节均能作出响应。作为HiFi扬声器的灵敏度应大于86dBW。 5指向性 描述扬声器向各方向辐射声能的不均匀程度的特性称为辐射指向特性。由扬声器纸盆发出的声波，并不是很均匀地向四周传播，而是在不同的方向上有所差别。一般来说，频率较低的声波传播范围较宽，频率较高的声波传播范围较窄。由图352中扬声器的辐射特性可见，频率越高，扬声器的辐射声束范围越窄。一般而言，对250Hz以下的低频信号，没有明显的指向性。对15kHz以上的高频信号则有明显的指向性。扬声器的指向性还与扬声器的口径有关。 6失真 扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。扬声器失真有频率(互调)失真、非线性失真和瞬态失真。频率失真是由于对某些频率的信号放音较强，而对另一些频率的信号放音较弱造成的，失真破坏了原来高低音响度的比例，改变了原声音色。而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的，在输出的声波中增加一个新的频率成分。扬声器的谐波失真来源于磁体磁场不均匀、振动膜的特性、音圈位移等非线性失真。目前，较好的扬声器的谐波失真指标不大于5。 瞬态失真指由于振动系统的惯性使扬声器发声时跟不上信号快速变化而造成的失真。一般扬声器所发的语音和音乐信号基本上都是瞬态信号，如果扬声器的机械振动系统惯性太大，就会跟不上这些信号的瞬态变化；如果阻尼太小，就会出现当信号过去后它继续自由振荡。- 5 -