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声场总功率的估算

发布日期:2019-03-15 浏览量:810次

在音响工程中,完全采用计算的方法定量的分析音箱的特性,摆放位置,驱动音箱的电功率以及高中低频的分配比例与所产生的室内声场的关系是存在一定困难的,通常情况下,系统的设计者无法得到精确计算所必需的全部数据,音箱生产厂商对组合音响系统往往不给出完整的指向性特性参数,室内建声特性的有关参数一般也不易准确求得,因此实际工程设计往往是根据经验和一般原则,首先选择音箱布局,然后进行估算,确定所需音箱的大致参数和规格指标等,并确定具体摆位和方向,最后通过对场内各点声压的测试和实际试听,对音箱的布置进行调整,必要时还需增补一些辅助音箱。

如前所述,由于一些重要的参数难以精确获得,但实际音响工程中很难精确定量计算室内声场,在参数不确切的情况下采用一整套复杂的计算过程,得到一些并不准确的结论并没有太多的实际价值,因此在工程设计中往往采用估算的方法,以此作为设计与系统调试的参考性依据。

1.估算条件

室内声场的估算方法基于混响声场完全均匀,声源指向性已知且为理想的前提,这两项基本条件满足的越好,估算结果也就越接近实际,反之误差便会较大。

室内声场估算的基本思路是,室内任一点的声压级由两部分构成,一部分是直达声场在该点的声压级,另一部分是混声场在该点的声压级,两者叠加便得到了该点的实际声压级,直达声场符合平方反比律,可以方便的算出是那个点的直达声声压级,根据临界距离Dc的定义可知,在临界距离处直达声声压级与混响声声压级相等,因此再算出临界距离处的直达声声压级便知道了该点的混响声声压级,假设室内混响声场理想情况下是均匀分布的,因此在室内各处的混响声声压级都等于临界距离处的混响声声压级,有了室内直达声与混响声在各个位置的声压级数据,室内声场各个位置上的声压级可算出,需要注意的问题是,在具体计算中应将其换算为音箱的距离及音箱的输入电功率,便可算出直达声场声压级。

通常,声场总电功率可由室内声场稳态声压级进行估算。

2.声场总电功率的估算公式

在实际工程应用中,估算升功率是可以将混响声声压忽略。将其视为功率裕量的一部分,这样只要确定了声场中某方向距离D处的声压级Lp,就可以由Lp来估算声功率值。

声功率与一般音箱或音响系统所标志的电功率不同,其间相差音箱的转换效率n,音箱的效率与音箱所用扬声器单元的结构、形状关系极大,例如纸盆扬声器音箱的效率约为1%,号筒式扬声器的音箱的效率可达15%,目前音箱的产品说明书多数不给n值,只给灵敏度值S,为了能够通过音箱的灵敏度来估算出音箱系统的电功率,可作如下假设。

(1)忽略混响声声压,将其作为声压裕量的一部分,此时扩散声场可以近似作为自由声场处理。

(2)接收点距音箱为D(m),且在音箱的声辐射轴线上。

这样可得自由声场中计算升下级公式:

           Lp=S-20lgD+101gP

式中,Lp为声场的声压级,P为什么馈给音箱的电功率,S为音箱的轴向灵敏度。

例如,给灵敏度为92db的音箱加3W的电功率,可求得距音箱8m处的声压级为:

      Lp=92-20g8+101g3=78.8(dB)

假定在一个供声区内有多组(N组)灵敏度相同的音相供声,那么上式中还要增加101gN,即

      Lp=S-201gD+101gP+101gN

求电功率P

      P=10(Lp-S-101gN+201gD)/10

(3)假定接收点偏离音箱辐射轴线∅度,那么偏离轴线供声区域声场的直达声声压级可按下式计算:

      Lp(∅)=S-201gD∅+101gP∅+201gD(∅)+101gN

电功率P∅可由下式求出:

     P(∅)=10(Lp(∅)-S-101gN+201gD∅-201D(∅))/10

式中,Lp(∅)为偏离轴线∅角接收点的声压级,D∅为偏离轴线∅角供声点轴射的距离,D(∅)为音箱的指向性函数,201gD(∅)值应由音箱生产厂家提供。

3.计算要点

1)计算音箱的驱动功率    根据各类场所需要的平均声压级,选定音箱灵敏度和听音距离,按照上述公式便可算出系统所需的声场电功率,也就是音箱所需的驱动功率。

(1)确定声压级:对于一般厅堂的语言扩声而言,要求达到约75db的平均声压级,对音乐节目的扩声则要求达到约85db的平均声压级,考虑到音频信号的动态范围,被语言扩声应考虑留有6db的裕量,音乐扩声则应考虑10-12db的裕量,要求较高时应更大一些,一般可考虑18db的裕量。

对于歌舞厅扩声,一般以原广播电影电视部部颁标准GYJ25-86表中的最大声压级值为依据。

声压级Lp的确定需要充分考虑扩声系统的动态裕量。

(2)确定音箱灵敏度:计算之前,首先要确定音箱灵敏度,需要指出的是音箱灵敏度往往和音箱的型号有关,灵敏度一旦确定,音箱型号也基本确定了,不易随意改动音箱灵敏度,对系统所需电功率的影响很大,灵敏度相差3db,电功率的相差一倍,因此专业音箱的灵敏度不宜太低,一般应在95-100db为宜。

(3)确定听音距离:音箱的最远供声距离D,不应超过3Dc,即最远距离D应小于3倍临界距离Dc。

(4)声场总电功率:许多厅堂需分区共声,那么系统的总电功率应为所有音源所需电功率之和。

例如,某多功能厅(一级),其混响时间T60=1.2s,房间常数R=1860,采用两只灵敏度为100db的组合音箱供声,所有音箱的指向性因素Q=12.8,其最远传输距离为30米,那么在最远传输距离内,可否保证语言可懂度,音箱的驱动功率为多大?假定扬声器偏离水平角度30度的指向性函数201gD(∅)=-3dB,那么在偏离轴线30度后,同样距离接收点要获得相同声压级,需多大的音箱的驱动功率?

2)确定放大器的功率和数量    音箱所需电功率计算完成后,根据音箱的数量和功率便可确定放大器的功率和数量,总的原则是放大器功率与音箱功率匹配,在实际工程中也常常采用以下方法确定。

(1)一般厅堂可取放大器功率与音箱功率相等。

(2)对报告厅、音乐厅等语言扩声为主的厅堂,放大器的功率和小于音箱功率的1/3,这样可使音箱失真最小,保证度最好。

(3)对电影院、舞厅等音响效果以扩声为主的厅堂,放大器的功率可大于音箱功率的1/3,这样可使音箱的音量充沛,节奏强劲,功率得到充分发挥。

放大器的功率确定后,即可根据所定型号的单台放大器功率确定放大器的台数。例如上题两只音箱的功率为567w,单只音箱功率为284w。

如用于舞会扩声,放大器的功率为567×1.33=754w,单只音箱的驱动功率为377w。

如果音箱阻抗为八欧,可选美国皇冠GSL-800功放一台,功率为400w×2。

如果音箱阻抗为四欧,可选美国皇冠GSL-460功放两台,接为BTL形式,单台功率为430w。

3)速算法    在一项工程现场,常常采用速算法进行估算。

对于采用灵敏度为95-100dB音箱系统的厅堂,其功率可按0.5w/m³来速算,要求较高的厅堂及功率可按1w/m³来速算,速算法也可以作为公式法的参考。

例如某多功能厅堂内面积为400㎡。高5m,平时作为一般厅堂使用,选择灵敏度为98db的音箱,按0.5w/m³速算需要功率1000w,此时可选250w×2或275w×2的功率放大器两台,按阻抗匹配的原则,选择四只额定功率250w,灵敏度98db的音箱即可满足需要。

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