公共广播系统说明

（一）、公共广播系统概述

    公共广播系统属于扩声音响系统中的一个分支，而扩声音响系统又称专业音响系统涉及电声、建声和乐声三种学科的边缘科学。所以公共广播系统*终效果涉及合理、正确的电声系统设计和调试，良好的声音传播环境（建声条件）和精确的现场调音三者*佳的结合，三者相辅相成缺一不可。
    公共广播作为一个系统问题，在系统设计中必须综合考虑上述问题。在选择性能良的电声设备基础上，通过周密的系统设计，仔细的系统调试和良好的建声条件上，达致电声悦耳、自然的音响效果。 
 广播系统分类：
    广义的广播系统包含扩声系统和放声系统两大类：
    1、扩声系统：扬声器与话筒处于同一声场内，存在声反馈和房间共振引起的啸叫，失真和振荡现象。要保证系统稳定和正常运行，可用的系统增益比发生声反馈自激的临界增益低6dB。
     2、放声系统：系统中只有磁带机，光盘机等声源，没有话筒，不存在声反馈可能，声反馈系数为0，是广播系统一个特例。

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 公共广播系统说明
公共广播系统按用途可分为以下几类：
     1）室外广播系统
     室外广播系统主要用于体育场、车站、公园、艺术广场、音乐喷泉等。它的特点是服务区域面积大，空间宽广。背景噪声大；声音传播以直达声为主；要求的声压级高，如果周围有高楼大厦等反射物体，扬声器布局又不尽合理，声波经多次反射而形成超过50ms以上的延迟，会引起双重声或多重声，严重时会出现回声等问题，影响声音的清晰度和声像定位。室外系统的音响效果还受气候条件、风向和环境干扰等影响。
     2）室内广播系统
     室内广播系统是应用*广泛的系统，包括各类影剧院、体育场、歌舞厅等。它的专业性很强，既能非语言扩声、又能供各类文艺演出使用，对音质的要求很高，系统设计不仅要考虑电声技术问题，还要涉及建筑声学问题。房间的体形等因素对音质有较大影响。
     3）公共广播系统
     公共广播系统为宾馆、商厦、港口、机场、地铁、学校提供背景音乐和广播节目。近几年来，公共广播系统还兼做紧急广播，可与消防报警系统联动。公共广播系统的控制功能较多。如选区广播与全呼广播功能、强制功换功能和优先广播权功能等。扬声器负载多而分散、传输线路长。为减少传输线路损耗，一般都采用70V或100V定电压高阻抗输送。声压要求不高，音质以中音和中高音为主。
公共广播系统图：

（二）、广播系统的特点

     背景音乐简称BGM，是 Back ground music 的缩写，它的主要作用是掩盖噪声并创造一种轻松和谐的气氛，听的人若不专心听，就不能辨别其声源位置，音量较小，是一种创造轻松愉快环境气氛的音乐。因此，背景音乐的效果有两个，一是心理上掩盖环境噪声，二是创造与室内环境相适应的气氛，它在宾馆、学校、餐厅、商场、智能物流园、办公楼等广泛的应用。

（三）、广播音响系统的组成

     不管哪一种广播音响系统，基本可分四个部分：节目源设备、信号的放大处理设备、传输线路和扬声器系统。
 节目源设备：节目源通常为DVD播放器、MP3播放器、收音机、卡座等设备，此外还有话筒（麦克风）、消防报警器等。
     信号放大器和处理设备：包括均衡器、前置放大器、功率放大器和各种控制器及音响加工设备等。这部分设备的首要任务是信号放大，其次是信号的选择。有多路音源时，须采用音源矩阵分配和前置放大器，它们的基本功能是完成信号的选择和前置放大，此外还担负音量和音响效果进行各种调整和控制。有时为了更好地进行频率均衡和音色美化，还另外单独投入图示均衡器。BOL公共广播系统这部分已经采用基于计算机平台的软件操作，或者采用基于51单片机软件平台控制操作，是整个公共广播音响系统的“控制中心”。功率放大器则将TCP/IP协议总线送来的信号传输到前置放大器，进行信号功率放大，再通过传统导线传输线去推动扬声器放声。
     传输线路：传输线路虽然简单，但随着系统和传输方式的不同而有不同的要求。对礼堂、剧场等，由于功率放大器与扬声器的距离不远，一般采用低阻大电流的直接馈送方式，传输线要求用专用喇叭线，而对公共广播系统，由于服务区域广，距离长，为了减少传输线路引起的损耗，往往采用高压传输方式，由于传输电流小，故对传输线要求不高。
     扬声器系统：扬声器系统要求整个系统的匹配，同时其位置的选择也要切合实际。礼堂、剧场、歌舞厅音色，而扬声器一般用大功率音箱；而公共广播系统，由于它对音色要不高，一般采用天花喇叭、壁挂音箱、室内音柱、室外全天候铝合金防水音柱、草地音箱（草坪音箱）即好。

 （四）、公共广播工程系统设计

     公共广播系统设计通常都从声场开始（即扬声器的放置位置），然后再向后推进到功率放大器、声处理系统，音源矩阵、直至话筒和其他音源。这种逐步向后推进的设计步骤是十分必然的。因为声场设计是满足系统功能和音响效果的基础，它涉及扬声器系统的选型，供声方案和信号途径等。只有确定扬声器系统才能进行功率放大器驱动功率的计算和驱动信号途径的确定，然后再根据驱动功率的分配方案进一步确定信号处理方案和音源矩阵以及时间控制设备选型等。
     声场设计是公共广播系统的基础，涉及系统*终的音响效果，但也是非常复杂繁琐的工作。由于计算机技术的飞跃发展，现在可采用EASE3.0以上的版本的声学软件工具进行计算，*终可获得满足预期要求的声场设计报告。声场设计过程可能需要反复多次才能达到要求。图 1 是声场设计的流程式图。 
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广播系统供声方案

     根椐建筑物的功能、体型、空间高度及布局等因素，可分为集中供声、分散供声和分区供声三种供声方案。良好的公共广播工程应能有效地控制扬声器的声场分布和满足投射距离的声压级要求。BOL公共广播一般采用分散供声方式。
     a） 分散式供声
     对于无法采用集中供声的大型或狭长高度又不高（低于6米）或空间结构可分为几部分的建筑室内或者室外空间，以及对于难以获得好的语言清晰度的混响时间较长的大型室内环境，可采用分散式的供声。
     分散式供声有两种形式：一种是以天花安装扬声器为供声单元的分散式供声，这里要求建筑必须具备安装天花喇叭的结构，另一种是以音柱或壁挂音箱为供声单元的分散式供声系统。
     分散式供声系统能获得均匀的声场；并由于扬声器与听众之间的距离很近，可保持较高的直达声与混响声的声能比。所以在混响时间较长的条件下也能获得较高的清晰度，并且不容易发生回声问题。
     吊顶天花板扬声器大都是口径为130mm~160mm（5寸~6.5寸）的5W~10W 中频纸盆扬声器，声压级为90~93 db,1m,适合播放语言节目，高音与低音性能较差。
     天花喇叭的布局设计应根据服务区域的体形，空间设计，环境噪声和扬声器的声压级等参数综合考虑。图6是扬声器的指向角 α=90圆锥形方向图的服务区计算图。单元个天花板扬声器的声所覆盖S1为：
         S1=0.785［2（H-1.5）tgα］的平方(平方米)
         当α=90时，（1）式可简化为：
         S1=0.785 [α(H-1.5)] 的平方(平方米)
     如果需要覆盖的面积为S，按80%的覆盖分布，需要的扬声器总数量N为：
         N=S/S1
         上式中：S为声场覆盖的总面积。单位为m
         S1为单个扬声器的声场覆盖面积，单位为m
         H为天花离地面的高度，单位为m
     小功率天花喇叭常用于空间高度H不大于5～６m的会场或公共场所，例如在一个高度 H= 4m 环境噪声为 45dB（A）的会场采用天花板扬声器供分散式供声时，可选用灵敏度为86dB，1W，1m 左右的，额定功率为5W 的天花喇叭。为使听众能获得良好的清晰度，要求听众处的直达声声压级高于环境噪声声压级 25dB,即 45dB + 25dB=70dB。5W扬声器在离扬声器口 1m 处的声压级为 86+4.8dB ( 3W 功率分为 4.8dB)=90.8dB,1m。2.5m 高度 (H-1.5) 的距离衰减为-8dB 因此到达听众耳朵高度的声压级为90.8 - 8 = 82.2 dB，可满足良好清晰度的要求。根据图6（a）还可算出天花扬声器之间的间隔距离为：2(H-1.5)=5m。
   
   使用音柱或者壁挂音箱的分散式系统也可按上例类似的方法计算其间隔的距离和声压级等级参数。图7是声压级距离衰减的计算曲线。图中横坐标为离声源端口的距离，
     纵坐标为声压级的相对衰减速dB.
 
为改善视听感觉，在室内空间可设置一个目标扬声器，因为该扬声器没有经过延时，所以容量使听众认定为声源。为补偿前后各扬声器发出的声音能够同时到达各听众位置，系统中还应设不如图8所示的延时单元。延迟时间T的计算如下：
    T= ( D/340 )×103( ms )( 3 )
式中：D为观众离舞台声源的距离与*近扬声器声源的距离差，单位为m。

     分散式供声的优点是声场均匀，直达声与混响声的声能比高，它的缺点是视听感觉不一致和多声源之间的声音干扰较大，影响声音清晰度。采用小功率高密度低声压的分散式供声可在混响时间较长的特大型会场中获得较好的语言可信度。
 

   b） 分区式供声
     对于多空间功能不同的广播区域，集中供声扬声器投射到特定听众区的声压级会偏低,特别是具有空间分隔的建筑内部或者建筑外部遮挡,使单个扬声器的直达声无法抵达，故须对整体建筑空间区分开，采用分区式供声。
     的布局称为分区式供声。
     在分区式供声系统中，由于主扬声器与补声扬声器之间的距离较大，两个声源到达听众位置的相对延时较大，如不经延时处理，到达中、后部观众区的声音会产生两重声效果，影响这部分观众区的声音清晰度，为防止这种观象发生，可在补声扬声器的信号通道中插入一个延时单元使两组扬声器的声音能够同时到达听众区。为保证声像定位效果，要求补声扬声器的声压级低于主扬声器的声压级。
     分区式供声的扬声器系统如果设计和调试不当,很容易产生声波干扰，影响系统的清晰度。

室内分区式扬声器系统

    上述三种供声方案各有优缺点，必须因地制宜使用。为保证系统声像感觉一致，音质清晰自然，应先考虑集中供声方案。
     c） 室内扬声器的布置
     扬声器系统内置的合理与否，直接关系到整个系统的音响效果，扬声器的布置一般应遵循以下原则：
     （1） 使听众区的声场尽可能达到均匀一般：
     （2） 视听方向一致，声音听感自然；
     （3） 有利于克服声反馈，提高传声增益；
     （4） 扬声器的覆盖角应能覆盖全部听众
     （5） 听众区的声压级应能满足总技术条件要求；
     （6） 各扬声器发出的声音到达听众区各点的时间差应小于5~30ms;
     （7） 便于安装、调试和维护。
公共广播系统说明

（五）、系统设计中必须考虑的几个技术参数

     包括：传声增益、语言清晰度、升压级。
     1）传声增益
     工程业主也许首先会问扩声系统能开到多响？用什么技术参数来衡量呢？这个问题在欧美各国用声音增益来表达（EASE或其他声学设计软件都采用此参数）。在我国和原苏联采用传声增益来表达。
     扩声系统的传声增益（ 或声音增益 ）受声反馈因素限制，不能开到扬声器能够达到的声压级。图10是一个简单的室外扩声系统产生声反馈的原理图。
     扩声系统的接通时，逐渐增大系统放大器的增益，当增益递增大到某一位置时，扬声器放出的部分声音通过空间传播回收到话筒输入端，此时话筒输出端产生一个信号，其振幅大小等于或大于原输入信号的一个周期或是它的整数倍时，这个过程可以自己维持下去，即不需要外面的输入信号也会产生输出，系统进入反馈状态（产生系统啸叫）。扩声系统进入啸叫的临界状态时，虽然还示听到刺耳的啸叫声，但系统的频率特性出现极不规则的变化，声音发生很大畸变。要使系统正常运行，系统的增益应留有 6dB 的余量，使它远离系统啸叫（系统自激）的临界状态。于是我们可得到传声增益的定义为：
     传声增益：扩声系统达到可用增益时（临界增益减去6dB增益余量），在指定的各听众位置上测得的平均声压级与话筒处声压级的dB数差值。
     声音增益：系统打开并增大到可用增益时，在指定的各听众位置上测得的平均声压级（dB）减去系统关闭时在相同听众位置上测得的平均声压级dB的差值。
     上述两种定义表达同一个声反馈物理现象，它们的区别仅在于测量方法的不同和表达方法不同而已。声音增益的概念明确，容量理解，说明观众区使用扩声系统和不使用扩声系统可获得提高的声压级数值。但在实际测量中，如果测量点离原始声源较远，环境噪声又较大时，很难正确测出系统关闭时声源到达测点的声压级。传声增益表示观众区的平均的平均声压级与话筒处声声压级的差值（dB），如果我们知道了话筒处的声压，那么马上就可算出观众区的平均声压级了，例如；通常演讲人的嘴巴离话筒0.5m时,话筒处的声压级约为70dB，如果系统的传声增益为-6dB，那么可求得观众区的平均声压级为70dB-6dB=64dB,如果还要提高观众区的声压级，则可把话筒靠近讲话人的嘴巴，例如把这个距离从0.5m减小到0.125m(125mm)那么话筒处的声压级可提高到82dB（距离缩短4倍声压级可提高12dB）此时观众区的平均声压级也可提高到76dB，注意：声音增益是+dB数值；传声增益则是-dB的数值，实际能做到的传声增益为-6Db。
     系统可用的声音增益
     Gmax可用下式计算（请参看图10）：
     Gmax=20lgD0-20lgDS+20lgD2-b (dB)
     式中:D0为讲话人到听众间的距离，单位为m；
     Ds讲话人到话筒间的距离，单位为m；
     D1为扬声器到话筒的距离， 单位为m；
     D2为扬声器到听众之间的距离， 单位为m；

扩声系统的声反馈

声反馈（单个脉冲信号产生一串脉冲）
 
从上式中可得出以下结论：
     1、 声音增益或传声增益不依赖讲话人的声压级；
     2、 缩短讲话人与话筒之间的距离DS，可有效提高声音增益；
     3、 增加话筒和扬声器之间的距离D1，可增加声音增益；
     4、 利用强指向性和指向性优良的扬声器系统可提高传声增益。
     沿着指向性扬声器-6dB方向角设置一个全向话筒时，传到话筒处的声压级可比全向扬声器减少6dB，这个结果可直接加到系统的声音增益中。
     心形话筒不是可提高更多的声音增益吗？在实际工作过多的依赖指向性话筒和指向性扬声器来提高系统的声音增益是不明智的，原因是话筒和扬声器的指向特性是随频率的变化而变化的，在低频时接近无指向性特性。因此大多数设计师利用它们的指向特性可获得的声音增益提高不大于6dB。
     室内扩声系统的声音增益除受式（4）条件限制和话筒、扬声器指向物性的影响外，还受房间建声条件。此外在电声系统中可采用反馈自动抑制器把反射*强烈的频率和振幅的房间共振频率吸收掉，但是吸收的频率点不超过5~6个点频。
     2）声音清晰度
     声音清晰度是扩声系统的重要技术指标。语言清晰度是评价系统可懂度的一种方法。影响语言清晰度的主要因素有：图11 指向性扬声器声音增益的计算

1、 声压级与背景噪声声压级的比率
     良好的声音清晰度要求语言声压级大于背景噪声声压级25dB。如果这个比例在10～15dB时，清晰度指标会相应降低，但还是在允许范围。背景噪声来源于室内外的环境噪声、空调通风噪声和人群发出的噪声等。
     2、 混响时间
     讲话速度中等的人，每秒种可以出3～4个音节，因此 1.5秒更短一些的混响时间，对语言清晰度的影响不大。
     3、 直达声与混响时间的声能比
     混响时间超过1.5秒时，语言清晰度是混响时间和直达声与混响声声能比的函数关系。如图12所示。

图12辅音清晰度损失与混响时间和直达声与混响声比率的关系曲线

    3）声压级 扩声系统在可用增益状态下，馈入扬声器系统的电压相当于设计使用功率（或所声器额定功率）的电压值，在系统要求的频率范围内，各测量点上测出的各个1/3倍频程带内的声压级的平均值.然后再加上6dB的信号峰值因子就可得到的声压级。测试信号源为粉红色噪声+1/3倍频程带通滤波器。
     定义：厅堂内声场稳态时的声压级
     以技术参数说明系统声压级的压潜力。为防止测试时间过长损坏扬声器系统，扬声器系统的馈入功率可1/n取（n=2～１０），每测点的声压级可用下式计算：

     式中：Li为个1/3倍频程频带的声压级
             N为传输频率范围内1/3倍频程的频带数。