浅谈广播系统中的扬声器选择

许天晨，孙振超，耿万鹏

1中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊

2中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

作为广播扩声及公共广播系统的最终终端，扬声器实际上是一种把可变范围内的音频电功率信号通过换能器(扬声器单元)，把它转变为具有足够声压级的可听声音。为能在工程实际中正确选择好扬声器，必须首先了解声音信号的属性，使扬声器能“原汁原味”地把音频电信号还原成逼真自然的声音。

声音是一种随机信号，可听声音的频谱范围一般为20 Hz～20 kHz；其中语言的频谱范围约在150 Hz～4 kHz 左右；而各种音乐的频谱范围可达40 Hz～18 kHz 左右；人声的能量主要集中在200 Hz～3.5 kHz 频率范围。因此，扬声器要能正确地重放出这些随机信号，保证重放的音质优美动听，扬声器必须具有宽广的频率响应特性，足够的声压级和大的信号动态范围。

本文就某大厦广播系统及多媒体会议系统，扬声器选择中采用的方式方法做简单论述。

2. 扬声器系统设计中的几种关键特性

2.1. 频率响应

频率响应是指一个以恒定电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而产生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。对于一台普通的音箱，这项特性主要反映了扬声器工作的主要频率范围，有效频率范围越宽，放声特性越好。

2.2. 灵敏度和最大声压级

在某大厦广播扩声及公共广播系统的设计过程中，我们希望扬声器能以相对较小的输入功率转换成很宏亮的声音，这就要求扬声器有较高的声压灵敏度。

灵敏度是指输入扬声器单元1 瓦的电功率，即在扬声器轴线方向离开1 米远的地方测得的声压级大小。根据弗莱切-芒森曲线(如图1)，正常人能清晰听到的广播声压级在70 dB 左右(环境噪声一般取50～55 dB 左右)。

Figure 1. Fletcher-Munson curve图1. 弗莱切-芒森曲线

声压级的计算与许多因素有关，但主要和输入功率、声源距离、扬声器灵敏度有关[1]。

P——扬声器的需要功率(输入电功率，W)；

Lp——供声范围内要求的声压级(dB)；

R——扬声器至听音者的距离(m)；

Lo——扬声器轴向灵敏度(dB/W/m)。

从式(1)中可以看到人耳到扬声器的距离每增加一倍，声压级将降低6 dB；同时也可以看出，扬声器的灵敏度下降3 dB，要想达到同样的声压级，输入功率必须增加一倍。现在主流有源音箱的灵敏度一般在83 db/w/m～92 db/w/m 之间，若两种扬声器的灵敏度每相差3 dB，功率要提高一倍才能获得相同的音量。因此，我们在选择设备时，既要考虑扬声器的额定功率以及与功率放大器的配合，又要考虑扬声器的灵敏度、声压级与距离的关系。

2.3. 灵敏度和音质

灵明度是指在规定的频率范围内输入给扬声器的视在功率为0.1 VA 的信号时，在其参考轴上距参考点1 m 时，能产生的声压。而我们常说的音质则是一个比较抽象的评价，往往无法靠实际的数值衡量。通常，在市场上同等价格的产品中，灵敏度与音质是有矛盾的，灵敏度的提高往往是以牺牲喇叭自身控制力、低音的力度等一系列参数来实现的。因此，我们扬声器选型过程中，需要在两者中作适当的平衡。

2.4. 扬声器系统的指向特性

扬声器发出的声音在低频段时，声音是无方向性的，在各方向均匀传播，但在高频段时，声音的传播呈现较强的方向性，这个指向特性(各类音箱均不相同)正是我们在系统设计中要加以应用的，因为优良的恒定指向特性可在现场布置时把声波的能量进行集中，避开声波的强烈反射面和声场互相干扰。

通俗的说，扬声器轴向方向的声压级最大，随着偏角的增大，声压级逐渐减小。同时，与扬声器之间的距离越大，声压级越小。因此，当扬声器/音箱需要涵盖相对比较广阔的区域时，需要将多只扬声器/音箱配合，使其获得最佳的声音混响。

3. 某大厦扬声器/音箱配置

3.1. 会议扩声系统音箱设计

某大厦二层共设计有可容纳400 人的报告厅1 个，中会议室2 个，小会议室5 个。设计时将一定数量的全频带音箱、低音音箱和超低音音箱组成了音箱组，全频带音箱的下限频率一般为30 Hz～60 Hz，上限频率为15 KHz～20 KHz，低音音箱是用来补充全频带音箱的低频放音的专用音箱，用以加强低频放音的力度。

作为专业的会议场所，往往是以语言扩声作为主要手段，而语言信号主要集中在中频段，这里的等响应曲线度相对较小，所以基准声压级可以取70～80 dB；同时为系统的扩声留下12～18 dB 的峰值余量以及1～3 dB 的环境噪声余量。由此可见，在平均的听音距离上，设计的额定扩声声压级应该是：P额 = 98 dB + 3 dB = 102 dB，然后根据需要扩声范围确定平均的听音距离L，额定的声压级就是在此位置的实际声压级，然后根据前面提及的：距离变化一倍，声压相应变化6 dB 的关系，则扬声器/音箱在1 m 处需要提供的声压级为：P=P额 + 6logL。结合上述其他几个关键性参数，即可进行某大厦会议系统扬声器/音箱的选择。

在已选定扬声器/音箱的情况下，仍需要对会议场所所需的声场功率进行估算，才可得到最终的扬声器配置。

声场功率是指在达到系统设计的额定平均声压级时，声场所需要扬声器/音箱的驱动功率。声压级计算公式：

式(2)中，Lp为声场的声压级，S为扬声器/音箱的轴向灵敏度，D为接收点与音箱的距离，P为输入音箱的功率，N为音箱组数。

由式(2)可以得到声场功率的估算：

由计算得到的声场功率可以确定音箱的数量，再确定功率放大器的输出功率和数量。此外，在设计过程中，考虑到音响工程的功率储备[2]，某大厦实际选用的扬声器/音箱总功率比估算得到的声场功率大30%左右。

3.2. 广播扩声系统扬声器设计

针对某大厦的广播扩声系统做综合分析，我们可以知道，广播扩声系统主要用作背景音乐、语言扩声等用途，既不同于一般的会议场所，也不同于文艺演出场所。因此，某大厦广播扩声系统的声学特性指标应遵从于表1 中相关要求。

某大厦周边环境较好，一般楼层及通道环境噪声低于55 dB，在人流较多时引起的噪声将有所增加，约增加10 dB，同时为保证良好的广播效果，在听众耳平面处的声压级要高于环境噪声10～15 dB，将最大声压级确定为80 d B，结合式(2)和式(3)确定扬声器的功率、灵明度及数量，某大厦一般楼层及通道内均有吊顶，采用吸顶式扬声器，用于背景音乐、业务广播及消防广播便于实施、漂亮美观。除需考虑按照上述计算方式比较扬声器的额定功率、灵敏度、频率响应等技术指标，还要考虑扬声器的辐射角及分布位置。

目前，大多数厂家生产的吸顶扬声器辐射角大约是90°，在吊顶上布置扬声器，其间隔与房间的高度与设计要求的声场声压级有关[3]。扬声器排布间距越小，声场越均匀。某大厦室内吊顶高度约为3 m，考虑一般线路段将扬声器间距设为6 m，覆盖面积可达30～50 m2。

Table 1. System resulting data of standard experiment表1. 多用途类扩声系统声学特性指标

4. 结束语

扬声器作为广播扩声系统和会议扩声系统的重要载体，如何结合工程实际进行选取，是在通信设计中需要面临并亟需解决的问题。本文通过总结某大厦工程，指出扬声器设计时应结合应用场景，重点关注扬声器的频率响应范围、声压级、额定功率等关键技术指标，为公共广播系统的通信设计提供了设计依据。