数字化技术在演播室音频及扩声系统中的应用

【摘要】音响效果对于演播室的节目效果具有重要的影响，现代演播室对于节目效果有比较高的要求，因此音响工程建设成为演播室建设的重要内容。传统演播室应用模拟信号音频系统以及扩声系统，不仅系统较为复杂，同时在使用的过程中也容易受到干扰信号的影响，难以保证演播室的音频效果。而随着数字音频技术不断成熟，数字化技术开始应用于演播室的音频以及扩声系统中，相关技术的应用能够在很大程度上改善演播室的音频效果，并促进节目质量的提升。基于以上认识，本文从扩声系统原理以及数字扩声技术概述出发，结合音频扩声系统的常见问题及原因，探讨数字化技术在演播室音频及扩声系统中的应用，希望该研究能够为演播室音响工程建设提供一定的参考。

【关键词】数字化技术；演播室；音频扩声系统；应用

中图分类号：G212                                 文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.08.067

从现代音频行业的发展趋势来看，数字化技术的应用成为主要的发展趋势，数字化技术的应用有效解决了传统音频领域集中管理与分散使用之间的矛盾，进一步提升了音频系统的可操作性，并保证了音频的质量。音频扩声系统作为演播室演出系统的重要组成部分，应用数字化的音频及扩声系统，能够进一步提升演出效果，并降低系统维护管理的难度，因此对于数字化音频技术的应用需要给予充分的重视。

1. 扩声系统原理分析

扩声系统主要用于放大声音的响度，并保证声音的清晰度，确保在一定空间内的所有听者都能清晰地听到音源所发出的声音以及声学环境的相对一致性。在扩声系统设计的过程中，需要充分考虑到扩声设备、声场环境、声源和周边环境对音量以及清晰度的影响，通过声音接收装置将声波信号转化为电子音频信号，并应用放大信号的设备、处理信号的设备以及传输线路，将放大后的音频信号传输给扬声器，从而实现扩声效果。简而言之，扩音系统就是在特定的空间中，对不同声源的声压进行还原和传输。扩声系统在设计的过程中需要应用一定的声学原理，并重视建筑声学应用，依据声音本身的频率特性来选择合适的拾音器，确保能够实现一定空间内声音信号的有效收集，并对系统电路进行优化，保证扩音传声的质量。在扩声技术的发展中，最初的音频信号是通过模拟的电子信号来传递的，通过拾音器内部薄膜的震动，形成不同声音的电子信号。

目前来看，现代演播室所应用的扩声系统，依据声源以及信号源的走向对演播现场的人声以及其他声音进行拾取就属于制造模拟信号的过程。而CD机等播放的则属于数字信号，这样的信号在调音台的控制下被传输到不同的还音装置里面，但是在这个过程当中，数字信号和模拟信号需要进行一定的转化。模拟信号由电信号转化而来，这种信号缺乏声音走向属性的变化，而声音设备之间传递的音频信号本质上属于电信号，因此调整音频信号的本质是对电信号进行调整。在调整的过程中，要确保设备的兼容性，以及设备电路设计的合理性，以防止任何一个环节的故障导致音频信号的损耗。

2. 数字扩声技术

数字化后的扩声装置能够对音频信号进行一定的修整，通过高精度的数字—模拟转换器对现场音频信号进行采集，然后将其转换为不同类型的二进制数字信号。数字信号通过编码的方式在装置间传输，从原理上讲，数字信号往往有比较高的清晰度，不易受干扰，所以能很好地保留原始信号的品质。在符合传输标准的情况下，数字信号不会受到距离、电缆长度、信号畸变等因素的影响。数字信号在经过一系列的数字效果器处理后，信号本身也会具有一定的处理特征，这一过程实际上是对声音信号数字编码的调整，并不是物理意义上的调整，所以，在数字扩音系统中，若音频处理相关环节出现问题，则不会是模拟信号所特有的“软”失真现象，相关的问题主要表现为音频传输线路问题，比如短路或者数字信号电平衰减，难以识别。

在数字化的扩音系统中，相关设备往往有比较强的兼容性，能够很好地控制信号的变化，由于不同设备之间都能相互兼容，因此也避免了因模拟设备问题造成的不稳定。扩声系统往往應用于大型的晚会、演唱会、音乐会等，相关场景本身具有一定的复杂性，存在多种声音信号，因此现代扩声系统在系统工程方面具有相当强的综合性，在相关的应用场景中，使用数字化扩声技术，能够较好地保证声音信号的质量。

在进行系统设计时，应注意有关设备的声音处理品质。随着数字技术的发展，扩音系统的装备也得到了极大的发展。现代声频处理装置主要由均衡器、混响器、演示器组成。在仿真均衡器中，利用模拟环路的方式对电信号进行变换，在串联谐振电路的晶体管放大器间设置隔离电容，并在电极和发射极上安装声调调整电位计。在电位仪的中心，用LC串联组成谐振电路。其中，中心频率、控制范围、Q值调节范围、转折频率、倾斜度等技术指标都取决于电路的物理性能，所以均衡器的设计水平直接关系到音频信号的品质。在串联谐振式均衡装置中，利用电位计调整输出端的数目，以解决音频信号的品质问题。

数字均衡器的作用，就是将模拟音频信号转化为数字信号，通过不同的算法，将数字音频信号进行二进制编码。通过应用数字格式，能够取代电位器、电阻器等电子元器件，同时也可以省去晶体管放大器和电容等部件，减少了扩声系统对硬件的依赖性，提高了系统的稳定性，从而避免了因为电子部件之间的相互干扰，导致音频信号质量下降的问题。

3. 音频扩声系统的常见问题及原因

3.1 阻抗问题

阻抗问题是扩声系统中普遍存在的问题，主要表现为匹配或失配问题。阻抗的匹配是指在传递音频信号的过程中，前、后级设备之间的阻抗呈现一定的比例，而这一匹配关系对于扩音系统的表现具有重要的影响。在将信号传输到扬声器时，要求放大器与扬声器之间的额定阻抗相匹配，这就是所谓的阻抗匹配。在阻抗匹配的情况下，能够最大程度地保证声音放大器的最大功率输出。

由于普通的拾音器和后期的音频处理设备之间的通信要确保将信号尽可能准确地传递给后面的设备，所以必须保证前后端的额定阻抗相差比较大，这就是所谓的阻抗失配。这种情况在模拟音频系统中是很常见的，在音频处理装置中，第一级可以将信号传输到下一级，从而产生阻抗不匹配。通常，后端设备的器件阻抗要比前端设备器件的阻抗高10～20倍，应用这种阻抗调整策略可以确保系统的信号具有较高的信噪比。当功率放大器与扬声器相连接时，传统的电子管必须选用与其额定阻抗相近的扬声器，而对于晶体管和D型功放，则不需要，其可以与任意阻抗的扬声器相连，并且不会对声音信号的质量产生影响，只要留意功放容许的最小负荷阻抗即可。

3.2 电平问题

在音频系统中，电平主要是指电压等级，电压等级=20 lg（U1/U2），以分贝（dB）表示。在连接音频装置时，要特别注意电平的匹配。如果系统设计不合理，则可能造成电平不匹配、系统电平不足或系统电平过载，扩声系统的严重畸变，甚至有可能降低系统时效。如果系统长期失真，它就相当于功率放大器直接将音频信号传递到扬声器上，会对扬声器内部的发音部件造成损伤。

在电平匹配问题上，必须重视系统的设计。在进行系统设计的过程中，必须要根据设备的前、后端的设备的参数来实现系统的匹配。在系统设计完毕后，系统调试工程师要针对系统本身的特性，结合系统所处的声学环境，对整个系统进行统一的调试和测试，使系统的电平匹配达到最优，从而满足扩音系统的质量要求。

3.3 均衡与非均衡传输方式

均衡与不均衡传输是指音频系统在信号的传递过程中所采用的连接方式，这是音频设备连接过程中需要考虑的重要问题。对于扩声系统来说，一台设备将终端的输入端与另一台具有同样内部电阻的端口相连。在发送信号时，两个端口的数值相等，但极性相反。在专业的音频系统中，音频信号的传递是通过均衡传输的方式进行的，而外界的干扰对系统内部的两条信号线造成的共模干扰水平是一致的。在后级装置的输入端，通过调整两条信号线路之间的共模电压来互相转化和消除差模电压，从而消除内部的干扰噪音。所以在采用均衡传输的方法下，信号的传输线路是不会被外部的电磁噪音影响的。

在多个装置的连接中，前一级装置的均衡输出端和后一级装置的非对称输入端是相连的，如果使用无屏蔽层的双芯线来进行设备的直接连接，那么在音频环路里面就会产生各种各样的噪音。所以无论是均衡还是不均衡传输，都必须采用带有屏蔽层的双芯光缆。无论何种接头屏蔽层都在平衡输出或者输出的一端接地，而在非平衡的连接端中，屏蔽层是悬浮的。

4. 数字化技术在演播室音频及扩声系统中的实际应用

上文对扩声系统的原理以及扩声系统的常見问题进行了分析，下文就以面积为670m²的演播室为例，分析扩声系统的实际设计与布置，从而探讨扩声系统的实际应用。

4.1 方案设计

针对演播室的扩声系统设计与布置需要考虑到诸多问题，不仅需要合理利用演播室原有的音频设备，还需要考虑如何将现有的设备连接起来，最大限度地使用演播室已敷设的线缆。在整个扩声系统的设计中，必须认识到扩声系统是整个演播室声学工程的最后一个环节，充分考虑系统的声压级、声场的均匀度、传输频率的特性、相位的对应特性、声频的覆盖角等因素。针对音响设备的选择，主要结合演播室的实际需求以及场地面积，配备了4对Martin-Audio左右声道线阵列扬声器、一对Martin-Audio左右声道超低扬声器，并应用线阵列原厂吊架、超低频扬声器原厂吊架放置扬声器，此外还针对观众全区配备了4个Martin-Audio补声扬声器，再加上现场的辅助扬声器，形成一个整体的声场，可以满足不同的表演需求。在舞台的布置上，舞台中央的扬声器可以按照需要自由的排列，扬声器分为主扬声器、观众补声扬声器、舞台流动扬声器、乐队反送扬声器、观众流动补声扬声器，确保舞台的音响效果。在此种情况的信号线、调音台、母线设置以及扩声开关方面都可以按需求尽量减少，从而避免对已有系统的某些功能造成影响。

在主扩声线的左右两边，都要配备一台超低频扬声器，这样既能提高舞台音响的低频效果，又能提高扩音器的震慑力。可在台唇部安装一个补音喇叭，确保台口部声场的均匀分配。基于哈斯效应原理，应用台唇部的补声音响，能够有效地消除前部的声场盲区，并减轻观众的声响压力。演播室的音响系统，主要是为舞台上的演员以及舞台下的观众服务的，因为舞台上的表演形式十分多元，所以观众们的要求也是五花八门，在这种情况下就可以采用流动式扬声器，以满足不同舞台演出的要求。

4.2 细节布置

在布置演播室扩声系统的过程中，必须要精确的计算场地的大小、声场环境、灯栅设备的悬垂程度，从而决定主放大阵列的安装形式，在确认了场地原有穿线孔和插孔的位置后，就可以决定扩声系统接线盒以及线框的安装。

4.3 系统应急设计

为了保证系统的安全性，针对670m²的演播室的扩声系统设计采用了二级安保措施，在应用系统的过程中可以通过主调音台来实现主系统与备用系统之间的切换，并且在系统里面安装了高可靠的主开关RadialSW-8，这样可以在主系统发生故障的第一时间自动切换到备用系统。在扩声系统中，电源部分往往容易发生故障，所以在主备信号转换器中都设置了备用电源适配器。主扩声线采用了多种功率放大器，并采用了多路DSP放大器，以备不时之需。而且功率放大器还根据音响的内部参数和系统结构进行了调整，在发生故障的情况下，可以快速的切换和替换。除主扩线外，其它扬声器均采用相同规格的多路DSP功放，并具有充分的功率裕度，因此能有效地防止放大器因满载工作而引起的过热故障，提高了系统的可靠性。

4.4 系统运行

由于所设计的扩声系统相对简洁，因此能够在较短的时间内完成拆旧、清理、悬挂、安装调试等环节，且该系统所选用的设备有较高的成熟度，能够保证运行的稳定性，并较好地满足不同节目以及舞台分区的音响效果要求，语言的清晰度更高，音质也更好。

参考文献：

[1]公宁.基于数字音频技术的广播电视项目研究[J].无线互联科技，2022，19（11）：10-12.

[2]段红阳.数字音频及嵌入技术在广播电视工程中的应用[J].西部广播电视，2021，42（10）：199-201.

[3]韩扬.数字音频技术在广播电视工程中的运用研究[J].西部广播电视，2020，41（20）：212-213，225.

[4]高银.几种常见扩声系统信号动态处理设备的对比与应用[J].现代电影技术，2020（09）：54-56.

[5]侯杰.探究数字扩声系统的校准与调试方式[J].电子制作，2018（19）：83-84.

[6]朱昱霏.教学环境扩声系统的现状与发展趋势[J].中小学信息技术教育，2018（04）：82.

[7]梁梓.基本扩声系统组成原理与应用[J].电视指南，2018（06）：220.

[8]马亚洲.扩声系统的噪声分析及处理方法[J].科技创新与应用，2017（02）：66.

[9]邹德浩.浅谈室内扩声系统的布置[J].人文天下，2016（10）：68，73.

作者简介：方永平，山东省肥城市，音响录音师.