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音频技术综述之:专业产品和电声器件

2012-5-23 14:51:55点击:
 

音频技术综述:专业产品和电声器件

    专业音频产品,产品是技术的综合,而且是实用的,使用在一定的范围,专业音频产品大致可以归到如下几类:

    广播录音和唱片录音:传声器,调音台,信号处理周边设备,录音机和监听设备(功率放大器,扬声器),监听头戴耳机。

    扩声:传声器、调音台、信号处理周边设备和媒体矩阵(MediaMatrix)和监听控制、分配设备,功率放大器,扬声器,监听头戴耳机。

    电影录音和还音:传声器,调音台,信号处理周边设备,录音机和监听设备(功率放大器,扬声器),还音信号处理,功率放大器,扬声器

    通信用和音频会议系统用:传声器,耳机,放大器。

    同样是传声器、放大器、调音台……在广播录音、唱片录音、电影录音或扩声都有不同的要求,但为了叙述方便,我们还是按产品叙述,包括发展水平和趋势。

    2.1传声器和电声器件

    广播、唱片、电影录音用,舞台扩声用传声器

    从换能原理上仍然是:电容式、电容驻极体式和宽带动圈式,在指向性上有心型、超心型、宽心型,在应用上音质的多样化,也就是对不同的乐器和人声有不同品牌和型号的传声器对应选择,还有,克服传声器接收时的梳状滤波失真的压力区(PZM)传声器……都有各自的使用空间。

    无线传声器是传声器的特殊分支,它能适应演员在剧场上的大范围的移动。其中,解决接收死点、动态范围和频率稳定性问题,仍然是无线传声器的主要技术关键,宽带调制和结合压扩技术的窄带调制是它采用的两种调制方式,它的使用方式有手持式、头戴式和佩带式,克服近讲气流声、手持和衣服的摩擦声是它要解决的通常问题。

    当有多个传声器工作时,会增加系统的增益,因此会产生声反馈而啸叫,传声器之间的信号延迟会产生梳状滤波失真,现在也有相应的技术和设备自动调节解决这类问题。

    现场5.1声道的环绕声拾音的传声器配置组件也提出来了,我们知道,立体声拾音使用多传声器多轨时由调音台中的全景电位器(PanPot)控制声象,而使用主传声器法时传声器的配置有专门的制式如X/Y制、M/S制、A/B制。现在,对5.1声道的主传声器法也有几种制式如ASM(AdjustableSurroundMicrophone)5INA(德语理想心形指向性布置的缩写)等。

    对于未来,使用专门算法的传声器阵列技术也可能用于扩声中的传声器。

    数字化和网络化对传声器没有太多的冲击。

    这个领域的产品主要由国外产品占领市场,在上世纪70年代北京797厂,上海飞乐,电子3所曾经研制过有相当水平的电容传声器产品,但由于各种原因没有品牌,没有市场能力,现在有的已经退出,有的在为国外品牌做贴牌生产如电子管前级的电容传声器,适用家庭录音用传声器。

    在广东恩平是国内传声器生产的集散地,但产品档次低,只能适用家用卡拉OK的质量要求,而且主要是动圈的。

    配套电声器件,指手机配套用小型驻极体传声器,电动耳机,薄型电动扬声器,声响器,手机、PDAMP3随身听配套的耳塞机,电视机内置扬声器。

    2004年手机年产量将是1.7亿部,它的传声器主要是小型驻极体传声器,国内已经是世界上手机用小型驻极体传声器的主要制造供应商,国内目前的主要制造企业有山东维坊的怡力达电声有限公司等,再加上手机配套用电动耳机,薄型电动扬声器,声响器,再加上手机、PDAMP3随身听配套的耳塞机,国内也已经是世界上重要的制造供应商。主要制造企业有江苏常州的远宇公司、浙江嘉兴的凌嘉,台资美律计划在苏州建厂。

    电声行业协会统计:十五期间电视机用扬声器2.2亿只;通信用各类电声器件9亿只;手机需用电声器2亿只以上;视盘机需用传声器6000万套;家庭影院系统需用扬声器1亿只;组合音响用扬声器1亿只;汽车音响用扬声器1.5亿只;计算机多媒体系统用扬声器5000万只;头戴耳机传声器组400万套;录象机用传声器700万套;电子玩具用扬声器2.4亿只,传声器1亿只。

    新的技术突破:硅微型传声器,它是使用微电子加工工艺在硅片上生成膜片和后极板组成的电容传声器结构的微型传声器。它又成为微电子机械系统(MEMS)技术的一部分。它的尺寸已经达到4.72*3.76*1.5mm.国外罗氏公司(KnowlesAcoustics)已经商品化,我们已经得到样品,国内中国科学院声学研究所使用创新基金完成了样品研制,以下考虑产业化计划。该技术有很大的发展前景,使用半导体的工艺制造传声器,在传声器后可以加上A/D转换和DSP等集成电路,可以完成各种算法,实现微型化、智能化……的系统。

    2.2调音台。

    调音台是音频节目信号的调控中心,其输入可以是多个传声器、各种音源设备(如CD唱机),然后,由调音台统一调配,各路信号可以进行增益调节、相位调正、简单频率均衡、然后进行编组、合成输出。调音台有简单到复杂的各种挡次和价位。

    数字调音台和模拟调音台是目前热门的话题,数字式的,当然是先进,其客观指标较高,输入等效噪声电平和输入动态指标较优,对调音状态可以存储下来,对大型演出复杂的调音自然方便多了,但录音师会感到使用的界面和操作不习惯,还有两个问题,一个是死机问题,另一个是操作过程中的菜单翻页,这两个问题应该说已经有许多补救措施,应该说不会出现系统故障,当然还有价格问题。我认为模拟数字会共存很长一段时间,现在还很难预测,数字调音台会还是不会替代模拟式调音台。

    5.1声道环绕声调音台。传统的调音台有两路母线(总线),即终端是两路立体声输出,5.1声道环绕声调音台,有至少6路母线,多路输入信号各自的声象需要定位在XY平面上,定位是通过信号的增益调节分配到6条母线上,操作上可以是屏幕显示,摇柄操作。5.1声道环绕声调音台也有数字模拟的,模拟的声象需要至少5个类似立体声中的全景电位器,也称声象摇移控制器。在扩声系统中极少使用5.1声道调音台,而5.1声道的电影还音是很普及的事情(当然电影还音不需要调音台),在小型多功能厅只要解决拾音问题,加上5.1声道调音台就可以实现5.1声道的扩声。当然对大的场馆,从观众席的角度判断也不可能设置环绕声。

    2.3信号处理周边设备和媒体矩阵(MediaMatrix

    在调音台输出到功率放大器输入之间,可以引入一些系统加工设备,压限器(compressors/Limiter)、均衡器(equalizers)和电子分频器(crossovers)、混响、延迟等设备。

    压限器由压缩器和限幅器组成,压缩器对大信号和小信号有不同的放大倍数,大信号有较小的放大倍数,从而使信号的动态范围压缩到预定的较小范围内,以适应随后设备的动态范围要求,限幅器限制信号的最大电平,当信号中出现如炮声这样的高电平信号上进行限幅处理,使之不会随后传输时出现削波失真。

    均衡器,是进行多频段的频谱均衡,调节系统的频率成分,它可以是1/3倍频程间隔的30段均衡器。

    电子分频器是针对扬声器的,也是扬声器管理的一部分,扬声器在频域是分频段工作的,在空间是分区域分配的,所以扬声器的管理有信号的分配和分频,在完成分配和分频后才由各自的功率放大器去完成功率的放大。电子分频是低通、带通和高通滤波器。

    模拟设备由一台又一台独立的设备实现每一种功能,对于分布式的扩声系统,这些设备会装满几个机架,还有大量的电缆线用来连接它们。最初的数字设备也是独立的单一功能,除了上述问题,还有每台设备重复的模数和数模变换,累积了量化失真问题。

    媒体矩阵(MediaMatrix)由一台设备完成上述所有功能,而且可以多路输入和输出并行工作,扩声系统组网时作为路由器,也可以作调音台使用。它的操作是设计师在屏幕上使用鼠标进行菜单编辑,并完成设计的原理方框图的连接。

    媒体矩阵(MediaMatrix)由数字信号处理器(DSP)芯片为核心的硬件系统配以专用版本的软件系统组成,它的网络连接是在以太网(Ethernet)的结构上使用Cabranet协议完成音频信号和控制信号的传送。

    媒体矩阵只是美国百威公司的一组产品,其他公司同类产品还有,如美国Symetrix公司的Symnet音频矩阵(AudioMatrix),英国BSS公司的Soundweb系列产品。2.4功率放大器

    新一代的功率放大器有三个输入接口:模拟输入、数字(AES/EBU)输入和网络接口,这就是数字化和网络化。

    模拟输入就是传统的模拟输入,这同传统功放没有区别。

    数字输入,是输入PCM数字信号,即0,1的二进制数字信号,通过数模转换,转换成模拟信号,经前级放大进入功率放大器,功率放大器还是模拟的。

    网络接口是实现对功放的远程调节、分组、控制、监测和开关,调节主要是调节增益,监控是功放温度测定、功放保护状态、负载状态监控、输入/输出状态控制,电源开启、关闭和休眠等,在控制室用一台PC机和专用软件通过功放的网络接口实现操作。

    这就是功放的数字化和网络化,如果使用以太网(Ethernet)和Cabranet协议则可以在网上实现音频信号传送和控制信号的监控。

    另外,功率放大器还发展了各种保护电路,保护自己不损坏,保护负载扬声器不损坏,而且不会过载停机,以及超高频和射频干扰保护等。

    所谓数字功率放大器

    D类放大器也称开关式工作的功率放大器,即所谓的数字功放,它是将模拟信号转换成脉宽调制(PWM)的信号,通过一个低通滤波器输出,PWM信号不是我们原先定义的PCM数字信号,后来美国德州仪器(TI)等公司推出由PCM码流转化为PWM的芯片,他们称为纯数字音频放大器(TrueDigitalAudioAmplifier,这样就叫出来了,其实应该叫功率型数模转换器,不是原来意义上的数字信号的放大PWM信号大小就是它的输出功率。这类功放的特点是效率高,电源变压器可以小些,音质不是它的特点。目前还没有看到把它用在扩声系统中。它用在电视机和DVD功放一体机较合适。

    T类放大器Tripath公司)使用自适应开关技术,将D放大器中的开关频率由输入分析和预测的处理算法结合起来确定(CombinantDigitalT—Class,以补偿传统D类设计不完善,称为T类放大器。

    目前各种芯片很多,还有为了测量脉宽调制(PWM)的信号设计的低通滤波器和标准。

    2.5扬声器

    扬声器的种类、品牌很多,每个品牌都有自己的系列产品,对扩声系统来说,扬声器的分配布置是设计的关键,用EASE软件进行声场仿真时,在场馆体型确定后,扬声器的指向性和它的布置是主要参数,扬声器布置分集中式和分布式,选用的扬声器也不同,扬声器指向性是窄还是宽同远距离投射还是近距离投射有关。这里我只想谈两个问题,也是这次北京国家大剧院的法国设计方案中最有争议的两个问题:不使用有源扬声器系统选用线阵列扬声器系统。

    有源扬声器系统指的是功率放大器组合在扬声器箱体内,它采用电子分频,每个频段有独立的功放,它整合后,由自己内部解决匹配、频率均衡等信号处理问题,使整体性能更加优化(它完全不同于多媒体有源音箱),国外知名品牌的扩声用扬声器系统如美国MeyerSound公司,德国d&b公司都使用这种技术。对于国家大剧院法国设计方案中不使用有源扬声器系统的建议,实际上是放弃了这种优良的技术,提出不使用的原因可能是考虑防火安全,或者是每个扬声器位置需要配置交流电源。

    线阵列(lineArray)扬声器系统,线阵列扬声器的原理在上世纪60~70年代也曾被广泛应用,后各种号筒扬声器的出现,它逐步退出视线,重新提出是在上世纪90年代后,并在本世纪初达到了高潮,各大知名公司都推出他们的系列产品。它的基本原理是,排列成线列的一列同间距的相同的声源,同相辐射时,它呈现线声源的特性即柱面波传播,它不同于球面波发散,其声压随距离增加一倍减3dB(不是球面发散的6dB),这样可以有更远的传播距离。线阵列扬声器有几个条件参数:

    满足柱面波的近场距离,超过这个距离则按球面波发散。这个距离同波长有关,低频的近场距离短,高频的远,计算该距离时还要考虑一个约束条件,即满足柱面波的允差。

    声源单体的间距d>λ/2,指向性会出现旁瓣。

    当声源不满足同相幅射时,而成为相干的有限个脉动球源组成的线列源仍然按球面发散。

    当前的线阵列加进了数字信号处理(DSP,调节波阵面,调节相位等来控制指向特性,加之承受功率大,辐射距离远,覆盖的声场均匀,它被广泛地用于大型的扩声场所,在北京国家大剧院提出这个问题,法国的设计是选用线阵列而排斥其他方案,不同的意见是,线阵列是适用大型的扩声场所,大的空间,而象北京国家大剧院的音乐厅是不适用的,另外,传统的古典音乐,喜欢音箱隐藏的,只有流行音乐、摇滚才有把音箱外露的布置,所以不主张使用线阵列。

    2.6其他

    专业音频设备还有:公共广播系统(机场、车站、楼宇),录音监听系统,会议音频系统,同声传译系统,科技馆展览厅的解说播音系统,园林景点展示的解说播音系统(每个点解说词不同,互相又不能干扰),都有专用的技术。也值得我们去关注。