多媒体教室扩声系统探讨

段海涛　冀燕丽　王敬

[摘要]目前，多媒体教室已经成为高校教育教学的主要场所，扩声系统是多媒体教室设备的重要组成部分，但是在多媒体教室密集的教学楼或区域紧凑的教室群，现有技术的有线话筒已经不能满足应用需求。文章首先介绍了多媒体教室扩声系统的发展历程，包括有线（移频）话筒、红外线无线话筒等过渡性技术，其次，详细阐述了四种无线扩声技术的特点，并做了总结对比，通过技术比较表明，蓝牙无线话筒是目前多媒体教室无线话筒的技术发展趋势。

[关键词]多媒体教室；扩声系统；蓝牙技术；

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2013）03-0059-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.012

随着国家对教育投入的不断增大，利用多媒体设备开展教学活动已经成为当前日常教学的必要手段，在开展教学活动时，语音扩声设备的重要性是不容置疑的，其稳定性、抗干扰性、音质的优劣是影响教学活动正常开展的重要因素，扩声系统已经成为多媒体教室设备的重要组成部分，本文仅对教室的扩声系统技术、发展、使用、管理进行论述。

一.多媒体教室扩声系统发展历程

高校的电化教学教室大都始建于1978年，当时的电化教学教室主要设备包括：幻灯机、透射式投影仪、彩色电视机和音频扩声系统。

扩声系统作为多媒体教室设备的重要组成部分约经历了四个时期：

1.第一个时期：20世纪80年代初至90年初中期，

教室的扩声系统主要以手持动圈话筒、V段无线话筒为主，为配合教学工作的扩展，少量单位配备移动式无线话筒，供教师临时借用。

这个时期扩声系统采用手持动圈有线话筒，和V段无线话筒。采用手持动圈式话筒授课，受话筒线长度的制约，老师的活动范围小，妨碍老师讲课时的利用肢体语言与学生互动，而使用无线话筒虽然可以随意走动，但其使用手续繁琐、电池消耗大、频点少等弊端制约了V段无线话筒的推广使用。

2.第二个时期：20世纪90年中期至2004年左右

学校普遍使用界面式话筒和U段无线话筒。尽管排除了话筒线的制约，加大了老师的活动范围，但扩声系统产生的啸叫一直无法得到解决。

3.第三个时期：2004年左右至2010年

随着科学技术的进步，为解决教室扩声系统产生的啸叫问题，科研人员研发了移频功放。在这里有必要简单阐述一下扩声系统产生啸叫的原因和移频功放的基本工作原理。

音频功率放大器产生啸叫的因素有二，一是反馈同相位，也就是当扬声器输出为正向位时，反馈到话筒的音频相位也为正。二是只有当音频振幅足够大时，才会产生啸叫。这是音频功率放大器产生啸叫的两个原因。这两个原因缺少一个都不会产生啸叫。

我们知道，界面式话筒在拾音过程中除了拾取直达声外，也拾取了从各个界面来的反射声，直达声和反射声的叠加导致相位不同，在某些频段出现周期性峰谷，满足产生啸叫的两个条件，极易产生啸叫。

移频功放，顾名思义，移频就是移动频率，移频功放正是基于通过改变输入音频信号的频率来不断回避啸叫点。举例说明，输入一个1000Hz信号时，当正方向移频3-8Hz时，移频器将会输出一个1003-1008Hz的信号：当反方向移频3-8Hz时，移频器将会输出一个997-992Hz的信号。移频的目的是保证输出的信号相位与反馈相位不一致，从而破坏啸叫条件之一——相位条件。

采用移频方式虽然可以防止界面话筒引起的啸叫，解决电池消耗量大的问题，然而，由于移频技术的应用，使扩声系统的音质大打折扣，在教师讲课过程中，每句话的末尾由于采用移频技术带来的所谓的“金属撞击声”，使语音变调。

移频功放主要特点是：

（1）移频是通过对整个音频范围内的某些频段有意失真达到抑制啸叫之目的；（2）界面话筒拾音对环境建声要求比较苛刻，调整难度大；（3）因界面话筒灵敏度的制约，教师只能在界面话筒附近授课。实践证明，教师离开界面话筒约4米，就无法达到理想扩音效果。

4第四个时期：2010年至今——红外无线话筒、2.4G无线扩声与蓝牙技术的应用

红外无线话筒是以红外光作为声音信号的载体，实现发射、接收的无线扩音系统。基本原理与普通射频系统类似。红外线话筒工作频率在3G以上，抗干扰能力强。但价格较昂贵，未能得到普及。

2.4Ghz无线话筒工作频率范围是2.405GHz-2.485GHz之间，故称之为2.4G无线技术。2.4GHz无线传输技术采用的是自定义传输协议，因此制造成本较低。其中蓝牙无线话筒的问世与推广使用，使课堂使用无线扩声系统的推广与应用达到高潮。

二.V段、U段、红外、2.4G、蓝牙四种无线扩声技术比较

1.VHF无线话筒，简称V段无线话筒

V段无线话筒工作频率范围是30MHz-300MHz。国内准许使用的频率范围为169MHz-230MHz，共有61MHz频点。其与电视6-12频道所占用的频率范围相同。

V段无线话筒使用的61MHz频点，细分为A、B、C三个波段，即：

VHF（A）为169MHz-185MHz；

VHF（B）为185 MHz-200 MHz；

VHF（C）为200 MHz-230 MHz。

V段无线话筒的工作频率范围的传输特点是：电磁波除直接辐射外，电磁波能量还具有绕射特性，因此在同样的发射功率和传播条件下，传输距离可更远。

V段无线话筒主要缺点：

（1）易受其他系统干扰：因V段无线话筒工作频率与6-12电视频道节目发射到空中电磁波、呼叫站和无线电话的工作频率相同，极易受到其它电波的干扰。

（2）天线尺寸较大：VHF波长为10m-1m，称为“米波”。天线长度较长，不适合安装在多媒体机柜中。

V段无线话筒一般使用5号干电池或9V积层干电池，因其功耗大，几乎需要每天更换一次电池，耗材成本高，电池消耗量大，易造成环境污染。

（3）V段无线话筒采用固定频点，发射机和接收机只能配对使用，一间教室对应一只话筒。因频率资源有限，相互干扰。增大管理人员工作量。且有些无线话筒工作频率在50MHz左右，受到无线电管理委员会有关规定的限制，如松下早期生产的WX-710S无线话筒。

（4）故障率高：早期无线话筒的咪头与发射机的链接为固定焊接式，发射机话筒线是最容易出现故障的部位，在使用过程中，咪头与连线之间的连接处、连线与发射机之间的连接处极易断线。频繁更换电池，电池盒盖及电池簧片容易损坏；另外，话筒若长期不用，电池忘记取出，电池电解液外泄，会腐蚀电池簧片，造成接触不良，导致发射机故障。

（5）易串频：在学校开展教学活动时，有时多个教室使用无需话筒，但V段话筒频率点非常少，多只V段无线话筒同时在一幢楼宇中使用是不可能的。

2.UHF无线话筒；简称U段无线话筒

U段无线话筒工作400-870MHz频段，超过870MHz的频段较少采用，因为GSM和CDMA手机使用870-960MHz频段，960MHz以上的频段绕射能力逐渐变差，所以目前u段无线话筒的工作频率范围是740-870MHz。

U段无线话筒主要优缺点：

（1）频点多：U段无线话筒工作中使用更高的频率范围，因其工作频段较宽，故频点较多，只要调开频点，允许更多的话筒在同一楼宇使用。

（2）噪音低：噪音抑制电路与鉴频电路的设计更趋合理，接收机噪音低。

（3）保真度高：因通频带较宽，故失真度也较低。

（4）电能消耗大：UHF频段的电磁波是直接辐射的，传播衰减大，发射机功耗大。

（5）易串频：当几十甚至几百只话筒集中、大规模使用时，由于U段话筒频率特性，容易受到高次谐波干扰和镜像干扰，出现窜扰现象。

（6）管理难度高：U段无线话筒也使用5号碱性电池或9V积层电池，电池消耗量大，使用成本高。若使用碱性充电电池，管理难度大。

（7）故障率高：因其外观与V段无线话筒相同，故障率也相同。

3.红外无线话筒

红外线无线话筒工作频率一般在3G以上，其工作频率较普通无线系统工作频率高很多，不易受到其他频段设备的干扰，但如果使用环境中安装有红外摄像头或等离子平板电视机则不能使用红外线无线话筒。

红外线无线话筒是以红外光作为声音信号的载体，实现发射、接收的无线扩音系统。基本原理与普通射频系统类似，在无线发射接收过程中也需要进行声音信号的调制与解调的过程。但红外线无线话筒的载波为红外光。

红外线话筒工作时，需要有基本的反射面，否则信号接收窗将无法接受到信号。因此红外线无线话筒不适于在开放的环境下使用（如户外，面积很大的厅堂等），而在中小型会议室，有相对密闭的环境，使用效果好（如300座以下教室、KTV包房、小型会议室）。

因为光线具有较强的反射性能，发射端送出的光信号不需要直接达到接收端，而只要经过反射面反射、散射后的光信号到达接收窗口就能确保可靠接收。目前红外线话筒都采用了多点发射和多点接收技术，进一步提高了设备的可靠性，发射端向空间各个方向发射的红外线信号，经各个反射面的反射、散射后，会在相对密封的空间内形成一个致密的，看不见的，没有盲点的光网。因此，红外无线话筒不会因为空间内人的走动，或因发射端的移动而出现通讯中断现象，故抗干扰性能强。

但红外无线话筒制造工艺相对复杂，制作成本较高，价格较为昂贵，目前市面上的主流产品仍使用5号干电池，发射机体积较大，但其抗干扰性能、保真度高的特点受到大家的青睐。

4.2.4G无线话筒

2.4GHz无线话筒和蓝牙无线话筒都工作在2.405GHz-4GHz频率之间，但由于它们采用不同的通讯协议，因此在功能和性能上各有偏重。

（1）2.4G无线话筒

2.4Ghz无线话筒工作频率范围是2.405GHz-2.485GHz之间，故称之为2.4G无线技术。2.4GHz无线传输技术采用的是自定义传输协议，因此制造成本低，但由于该频段是公共设施使用频段，社会上大量的无线设备均使用这个频段，如WIFI、蓝牙、ZIGBEE双向无线通讯技术等。这些设备在改造时会直接干扰2.4G无线话筒的通话质量。在使用过程中，会出现堵塞、掉频、锁相不稳等现象，故在较大规模的学校中不建议推广使用。

通常，2.4G无线话筒使用锂电池，为节约后期使用成本打下了坚实的基础。但由于生产厂商不同，2.4G无线话筒的通讯频点略有差异，一般在40-48个通讯频点之间，可以满足一般学校教学需求。

（2）蓝牙无线话筒

蓝牙无线话筒使用通讯协议与普通2.4G通讯技术使用的通讯协议不同，它除了传输音频信号之外，还要兼顾系统本身的通讯。为了保证一对发射机与接收机通讯工作的畅通无阻，不受其他发射机的干扰，蓝牙技术需要将一部分带宽用于接收与发射之间系统本身的通讯。而2.4GHz无线传输技术采用的自定义传输协议。故其成本较低。

一般蓝牙设备的通信距离是10m，通信速率为1Mbps。采用跳频（AFH）、扩频（FHSS）技术，共有79个信道，每个信道占用1MHz带宽，信号不断以1600Hz的速率在79个调频点问随机跳跃。

蓝牙设备一般工作在2400MHz的ISM频段。ISM的含义是工业、科学及医学的首字母缩写，起始频率为2402MHz，终止频率为2480MHz，并低端设置了2MHz的保护频段，高端设置了3.5MHz的保护频段。

为了避免相互干扰，蓝牙采用了自适应跳频AFH（Adaptive Frequency Hopping）、功率控制、LBT（Listen Before Talk）等独特的技术措施，避免相互冲突。

蓝牙无线话筒特点：

（1）任意匹配，自动对频

发射机和接收机均无须设置频点，当发射机与接收机供电电路接通时，发射机与接收机自动对频，发射机关机后，通讯结束，当另一台发射机开机后，重新开始对频，故称之为任意匹配，做到全部发射机与接收机通用，产品应用、设备管理和设备维护简单方便。

（2）采用CVC回声、噪声抑制技术音质清晰

蓝牙无线话筒为提高音质质量，采用了CVC回声与噪音消除技术，该技术可以自动侦测语音环境。通过独特的信号提取、分离技术将噪音中的语音信号提取出来，使教室中的扩声系统能够收听或发送更加清晰的语音，实现完美音质信号采集及信号还原。

（3）无串扰，抗干扰

蓝牙无线话筒采用的通讯技术，具有辩识码、数据重传、错误更正，动态数据长度调整等双向智能功能：系统通过蓝牙特有的跳频和锁频技术，使得蓝牙无线话筒不存在串频干扰等现象。即两只蓝牙无线话筒发射机不能在同一教室使用，两只蓝牙无线话筒的发射机中的其中一只先对上频后，另一只则不能对频。

蓝牙无线话筒为防止微波炉、无绳电话等电子设备的干扰，以及其他通信设备的相互干扰，采用了与众不同的先进技术。

1）自适应跳频技术AFH（Adaptive Frequency Hopping）

AFH技术是对原始蓝牙跳频序列的一种改进，它缩减蓝牙设备跳频点的数量，其基本原理是通过分辨出ISM频段中优良和恶化的信道，从而避免使用被干扰信道，减少受干扰源。当蓝牙电路进入AFH状态后，其跳频序列可使用的跳频点N的数量是动态变化的，但规定必须有一个最小值Nmin，即Nmin≤N≤79。

2）跳频扩频（FHSS）技术

跳频技术，英文全称“Frequency-Hopping SpreadSpectrum”，缩写为FHSS，是无线通讯最常用的扩频方式之一。跳频技术是通过接收机和发射机无线传输信号的载波频率按照预定算法或者规律进行离散变化的通信方式，也就是说，无线通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频技术”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，跳频控制器包括：产生跳频图案、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率：数据终端则对数据进行差错控制。

①内置锂电池，节能环保

蓝牙无线话筒内置环保无记忆锂电池，通过Mini-USB接口快速充电，4小时即可充满；内部采用高效电源管理系统，发射器可连续使用20小时以上，大幅降低电池成本和环境污染。

②权威认证，低辐射

目前市场上主流蓝牙无线话筒已经通过国家权威部门认证，蓝牙辐射仅为手机的百分之一；产品拥有国家无线电（SRRC）认证证书，为安全低辐射产品。

以上我们讨论了各种无线话筒的技术特点，总结如表1。

三.蓝牙无线扩声系统的应用

随着蓝牙无线话筒技术的日趋成熟，目前北京已有十余所学校在多媒体教室安装了蓝牙无线扩声系统。蓝牙无线扩声系统的安装使用方法略有差异。

1.设备选型

新建多媒体教室或改造多媒体教室扩声系统，扩声设备选型工作十分重要，首先应确认学校规模，地面建筑空间各种无线信号的种类与强度；若学校规模不大，地面建筑空间各种无线信号的种类少与强度弱，建议采用经济实用的2.4G无线扩声设备。如若学校规模较大，且建筑空间各种无线信号的种类多与强度大，建议采用便于管理，无串扰、较经济的蓝牙无线扩声系统。

2.无线扩声系统的设备连接

在几百人甚至上千人的多媒体教学环境中，扩声系统的连接方式、工程施工质量的优劣显得十分重要，因此在扩声系统设备连接时，有线扩声话筒与无线扩声话筒应同时并存。当无线扩声话筒正常工作时，有线扩声话筒处于关闭状态：当无线扩声话筒供电不足或出现故障时，有线扩声话筒应自动启动，以保证教学活动的正常开展。

3.无线扩声系统的管理

无线扩声系统设备属于学校固定资产，各学校对无线扩声系统发射机的使用、管理方式也各有不同，主要有几种：

（1）课前领用，课后归还

无线扩声系统的发射机由现代教育技术中心、后勤或教务部门管理，负责无线扩声系统的发射机充电、清洁、维护等。老师凭证件上课前领用，下课后归还。这种方式的弊端是管理难度大，教师领用手续繁琐，不利于传染疾病的防控。

（2）开学初领用，学期末归还

无线扩声系统的发射机现代教育技术中心或教务管理，开学初根据教室大小、课程安排有选择的向老师发放无线扩声系统的发射机。其他老师如有需要临时领用。

（3）任课教师人手一只无线扩声系统的发射机（简称一师一麦）

现代教育技术中心或教务部门根据学校人事处教师名单将无线扩声系统的发射机发放到每位授课教师手中，发放及管理办法如下：

1）现代教育技术中心依据教务处、人事处给予的教师名单进行发放；

2）教师下载表格填写后，领用人需签名并加盖所在单位公章，凭工作证领取。

3）教师领用后由本人妥善保管，无线话筒在已安装无线扩声系统的多媒体教室均可使用；

4）老师对领用无线扩声系统的发射机负责，人为损坏、丢失应照价赔偿，自然损坏由现代教育技术中心负责维修。

5）无线扩声系统的发射机为学校固定资产，发射机上的编号是该设备的编号，教师退休或调离，需将无线话筒交回现代教育技术中心。

（4）一师一麦优点

1）无需调整使用方便。无线扩声系统的发射机和接收器均无须设置频点，自动对频，任意匹配，全部通用，使得产品应用、设备管理和设备维护更加简单方便。

2）关爱教师健康。做到以人为本，有效地防止传染性疾病的传播。发射功率小，电磁辐射小。

四.结束语

经上面论述可知，目前多媒体的扩声系统已经不能满足现有高校教学的应用需求，U段无线话筒、V段无线话筒、有线（移频）话筒、红外线无线话筒、2.4G无线话筒因有各自的技术或应用上的缺陷，也只能作为现有主流技术无线话筒的过渡。经过近两年蓝牙无线话筒在学校中的推广应用，一师一麦的蓝牙无线话筒的应用改善了教学环境，提高了教学效果，得到任课老师充分肯定。随着教育改革的不断深入，蓝牙无线话筒在音频扩声技术上的日趋成熟，以其音质清晰、性能稳定、无耗材、管理简单、使用方便的优势，必将成为多媒体教室无线扩声技术的发展趋势。

编辑：李婷