影厅扬声器的功率选择

苏冠华

(北京新亚天影电影科技股份有限公司,北京 100085)

在影厅还音系统的配置中,扬声器的功率选择是其中的关键一环,对放映还音效果影响很大。目前有不少影院设计者在还音系统的配置过程中还存在一些误区,如配置扬声器功率时,以影厅的座位数、银幕宽度等来定义影厅大小,以至配置还音系统造成一些影厅扬声器功率配置不足,影响电影放映还音效果或过度配置而造成浪费。比如影厅结构为长方形,厅长与厅宽的比值较大,银幕受到厅宽的限制,只能做得较小,如果作为小厅配置还音系统,则放映还音时往往达不到规定的声压要求；再如有的影厅接近正方形,银幕可以做得很大,由于厅长局限,听音距离没有多远,按大厅配置还音,很可能造成配置过度而造成不必要的浪费。笔者从事电影放映器材、还音设备等集成工作多年,实践中积累了较多有关影厅还音系统扬声器配置的经验和体会,现与同行们进行如下分享。

扬声器功率配置,需要重点把握住两个环节:一是根据影厅空间大小,估算出各类扬声器的听音距离；二是保证测试点(最佳听音点)有足够的声压。前者是扬声器声中心到测试点的距离,后者即为扬声器工作时测试点处能达到的最大声压。

扬声器声中心是一个点,这个点对于同轴或单个扬声器来说,正面发声的中心点就是其声中心；对于两分频扬声器组合,高音扬声器 (号角)的中点为声中心；对于三分频扬声器组合,其中置声道与高音扬声器的交界处为声中心。

测试点指的是在影厅长度2/3处起坡平面高出1.15m 的银幕中轴线偏左或偏右一个座位处,如图1中的P点,这个点就是影厅的测试点。还音系统配置时选择扬声器,也是以在该点能否达到规范要求的最大声压为依据。

图1 影厅平面及立面图

扬声器声中心到测试点的距离则为听音距离。

1 主扬声器系统的选择

主扬声器系统的选配,是影厅扬声器配置的关键一环,其直接影响到放映还音的质量,如银幕人物旁白的清晰度、效果音乐的丰满度等。根据GY/T 311-2017 《电影院视听环境技术要求和测量方法》,主声道峰值声压应该为大于或等于103dB。这就是说,主扬声器的峰值功率应满足:主声道最大声压减主扬声器到影厅听音测试点距离所衰减的声压,结果应大于或等于103dB。那么要保证达到以上要求,就要根据配置影厅的结构数据,不限于影厅的长、宽、高、幕大小、宽高比、银幕底边到影厅地面的高度、影厅的座位排列、起坡等,准确计算出扬声器声中心到影厅还音测试点的距离,以及此距离的声学衰减值。配置的具体步骤如下:

首先进行扬声器声中心到测试点间的距离估算。影厅结构如图1所示,图中标注有L、C、R 三路主音箱,P为测试点。图1a、图1b中各有一个直角三角形,一个是△y x l,一个是△y z l′,标注中:y为测试点到银幕中心的距离；z为主扬声器系统声中心(一般设置在银幕画面高度的2/3处)到测试点对应的高度(图中为影厅2/3处起坡台阶平面高加上1.15m)；x为银幕中心点到左 (右)扬声器的距离(一般取银幕画面宽度的1/2 减去0.3m),l为主扬声器到测试点的距离。根据图1 所示,可方便得出听音距离l的计算公式为:

式(1)中:x为银幕中心点到左 (右)扬声器的距离,y为测试点到银幕中心的距离,z为主扬声器系统声中心到测试点对应的高度。按照勾股定理公式:直角三角形的两条直角边的平方和等于斜边的平方。同时根据影厅平面和立面图中的概念,可以看出x、y、z分别为两个直角三角形的直角边,通过两次“勾股”即得出式 (1)。为了让读者更清晰了解计算过程,请看下面示例。

示例一:有一个影厅,厅长 (银幕起到影厅后墙距离)24m,画面尺寸18.6×10.1m,画面下视点0.8m,影厅2/3处起坡台阶高度为2.5m,该厅主扬声器到测试点的听音距离为多少?

厅长为24m,乘以2/3即为图1中的y,y=24×(2/3)=16；银幕宽度为18.6m,取其1/2再减去0.3m 即为图1中的x,x=18.6× (1/2)-0.3=9；由银幕尺寸得知银幕高度为10.1m,取银幕高度的2/3,加上银幕下边沿到地面的高度0.8m,减去听音点处观众坐姿时的耳朵高度 (2.5+1.15),得出的就是图1中的z,z=10.1× (2/3)+0.8-(2.5+1.15)≈3.93。将y、x、z同时代入式 (1),可得出该厅的听音距离:

因此,该厅主扬声器听音距离约为18.77m。

有了听音距离,可算出该距离对声压的衰减值来。计算公式为:

式(2)表示:距离对声压的衰减值是距离除以1取对数后的20倍,单位:距离为m,声压为d B。如果我们设:距离为2m,这时对声压的衰减为:20lg2=20×0.3010≈6dB。

这里要说一下为什么用2m 距离来举例,是因为:扬声器有一个关键指标叫灵敏度,该指标是指在扬声器输入端加上额定功率为1W 的电信号、距离扬声器轴方向1m 处所产生的声压级。根据这个概念,如果距离为1m,该处是没有声衰减的(lg1=0),设为2m 还有一个用意就是2m 是1m 的2倍,还可以推算出距离增加1倍时的声压的衰减情况:即听音距离每增加1倍,声压在原来基础上衰减6个分贝。为了验证此概念,我们分别算出距离扬声器发声点4m、8m 和16m 处的声压衰减值来,分别为:

因为2/1=4/2=8/4=16/8=2,同时又有12-6=18-12=24-18=6,所以计算结果验证了距离增加1倍声压衰减6个分贝的说法。

下面回到示例一,该厅听音距离为18.77m,那么该距离的声压衰减为:

20lg18.77=20×1.273≈25.5dB

在听音距离计算出声压衰减的基础上,根据扬声器的灵敏度(1m 处的声压),就可以计算出扬声器必须具备的最大声压了。

计算公式为:

式(3)中:SPLmax为扬声器最大声压 (额定功率时扬声器正前方1m 处的声压),单位:d B；Lp为制式系统主声道最大声压 (5.1/7.1 通道为103dB,全景声为105d B)；l为听音距离,单位:m。

示例二:某影厅配置5.1声道系统,听音距离为15m,主扬声器的最大声压至少要达到多少分贝?

根据5.1声道数字立体声规范要求,主声道最大声压(在听音点处)应达到103dB,又已知该厅的听音距离为15 米,对应式 (3),即为:Lp=103,l=15。

将Lp、I代入式(3)得:

SPLmax=103+20lg15≈103+23.5=126.5d B

因此,该厅主扬声器最大声压应达到或大于126.5dB。

扬声器的最大声压,在厂家给出的参数中可以查到。这时,只要选择最大声压等于或大于估算声压的扬声器即可。有的品牌扬声器参数中只标明了阻抗、功率、灵敏度,没有最大声压,可以根据额定功率和灵敏度 (IW@IM)来换算出最大声压。其换算公式为:

式(4)中:Ls为扬声器的灵敏度(IW@IM),单位:d B；P为扬声器额定功率,单位:W。

示例三:如某扬声器额定功率600W,灵敏度98dB,计算其最大声压为:

SPLmax=98+10lg600≈98+27.8=125.8d B

如果将本扬声器用于示例二中的影厅,因125.8d B＜126.5dB,显然功率达不到要求。若选用功率900W,灵敏度为99dB,最大声压为128.5dB的音箱,符合该厅主扬声器的声压要求。

2 环绕声扬声器系统的选择

环绕声扬声器系统的选择与主声道不同之处是:主声道是单组独立工作,环绕声是多只扬声器组合在一起工作。配置前需要了解多只扬声器组合一起工作时,总的声压和单只扬声器独立工作时的声压变化情况,这里介绍多只相同功率(包括其它参数)扬声器同时工作时的声压计算方法。在已知每只扬声器的灵敏度的情况下,使用公式:总声压 (d B)=Ls+10lg N 可以计算得出结果。式中:Ls为扬声器灵敏度,N 为扬声器的数量(只)。

如某环绕声扬声器灵敏度为95dB,如果分别将2只、4只和8 只组合一起工作,则总声压级分别为:

从上述计算结果可以看出,相同扬声器的数量每增加1倍,总声压在原来声压级基础上提高3个分贝。

那么影厅环绕声扬声器的数量是怎么确定的呢,选用环绕声扬声器的水平覆盖角一般由相邻扬声器距离大约在2～3m 来确定,同时以离银幕最近的一只不超过第一排观众为宜。如某影厅,第一排观众座席到影厅后墙距离为20米,则:20/2=10,20/3≈7,所以该厅的左 (右)环绕声扬声器可配置为7～10只。具体数量要根据影厅情况,如墙壁梁柱、灯带等设施布置,还要结合多只扬声器的串并联后阻抗的计算以及与功率放大器阻抗的匹配,最终确定环绕声扬声器的数量。环绕声扬声器数量确定后,就可进入听音距离的计算程序了。

在估算听音距离时,首先要确定环绕声扬声器声中心的高度。

图2 是影厅左右环绕声点位图。图中Lss 和Rss为左右环绕声扬声器,P 为影厅中轴线上的、某环绕声扬声器所对应的观众听音点,左右环绕声扬声器声中心的高度 (H)应该通过计算获得,公式为:

图2 左右环绕声位置图

式(5)中:H 为环绕声扬声器的高,单位:m；W 为影厅的宽,单位:m。

需要说明的是,高度H 的起点是从该扬声器对应的观众起坡平面开始的,即H 为扬声器声中心垂直向下到观众座椅起坡平面的距离。

示例四:某影厅的宽度 (左右墙到墙)为18m,该厅左右环绕声扬声器声中心高度应该为:影厅宽度 (W)为18m,只需将W=18 代入式(5),即可求出该影厅环绕声扬声器的高度:

有了声中心的高度(H),就可以用勾股定理计算出听音距离(L):

式(6)中出现的0.3m 为扬声器声中心到墙面的距离,1.15m 为观众坐姿时耳朵到地面的高度。

得出听音距离后,用配置主声道扬声器的相同方法,求出听音点处达到规定声压时扬声器的最大声压值,要求选择的扬声器的最大声压值不得小于计算值。

由于环绕声扬声器是矩阵式工作方式,即每组都有多个同规格扬声器同时工作,计算出来的最大声压是多个扬声器共同承担的,那还要计算出每只扬声器需承担的功率部分值。

每只环绕声扬声器所承担的声压=SPL-10lg N,SPL为矩阵组合最大声压,N 为环绕扬声器的数量。

如示例四中每组环绕声扬声器为6只,矩阵最大声压为音箱最大声压级+20×lg 距离=100+20lg9.1≈119.18d B。

每只扬声器所承担的最大声压为:

119.18-10lg6≈119.18-7.78=111.4dB

如果我们在SLS 系列环绕声扬声器中选择CS1090,其最大声压为119dB,大于111.4dB,符合声压要求。如果选用CS850,其最大声压只有109d B,不符合声压要求。

3 次低频扬声器系统的选择

按照GY/T 312-2017 《电影 录音控制室、室内影厅B 环电声响应规范和测量》,次低频扬声器系统的峰值声压要求比主声道峰值声压高出10d B,主声道为103d B,那次低频扬声器的峰值声压则要求达到 (或超过)113dB。因为声压悬殊过大以及次低频的窄频特性,一般在还音测试时不用声级计直接测量其声压级,而是在实时分析仪上看频谱曲线的高度来确认。为什么说次低频比主声道声压悬殊大呢,我们就用相同功率来比较,功率是原来的2倍,声压增加3d B,功率提高4 倍,声压增加6dB,功率提高到8倍,声压增加9dB,那功率增加10W,功率则需提高到10倍及以上才能达到要求。所以次低频扬声器系统由于声压过大,多采用多只扬声器一同工作,以达到规定的声压要求。

因为次低频扬声器的选择,其听音距离可参考(或等同)主声道,无需(可忽略)估算；根据其在听音点处的声压要比主声道高出10d B即113dB,以及灵敏度,利用式(4)来直接计算扬声器的所需功率。

如示例二中的某影厅,主声道听音距离为15m,听音点最大声压113dB,则次低频扬声器系统必须满足的最大声压为:113+20lg15≈113+23.5=136.5dB。

选择SLS系列的CS218XL,每只最大声压只有133dB,达不到声压要求,SLS系列没有再大功率的次低扬声器了,那只能增加扬声器数量,先选择2只CS218XL,看是否合适。

由于两只声压相等的扬声器一起工作,总声压级可在一只声压基础上增加3dB。也就是说增加2只CS218XL,总声压级可由133dB 提高到139d B,这样就符合声压要求了。另外,多只次低频扬声器如果叠加在一起,声压级还可提升3d B；如果把次低频扬声器放置在地面,还可以提高2dB。

4 结语

通过以上计算和分析,笔者与大家分享以下观点:

(1)影厅还音系统扬声器的功率选择只与听音距离和扬声器最大声压有关。

(2)听音距离由影厅长度所决定,而与影厅的座位数、银幕宽度没有关系,根据影厅座位数和银幕宽度来选择扬声器功率是不科学的。

(3)扬声器最大声压由扬声器有效功率和灵敏度共同决定,配置时不能只考虑功率不考虑灵敏度。

注释

①正常情况下,银幕中轴线和影厅中轴线是重合的,但有的影厅因银幕不在影厅左右中心位置,银幕和影厅的中轴线是不重合的,这时测试点应该设置在银幕的中轴线上。

②为保证各路主扬声器系统都能达到规定的声压,所以取左右路扬声器到测试点的距离为听音距离。

③扬声器额定功率——应为IEC噪音,AES持续时间为2小时来计算。

④两个声压级相等的两个声源相同声压作用于某一点时,总声压不能直接相加,其合成的总声压级比一个声源的声压级增加3dB。如两个声源LP1=LP2,则总声压级:LP (总)=LP1+10lg2≈LP1+3 (dB) 。