徐雅杰 胡泽
摘要：在日常生活中，扩声系统的应用带来了诸多便利，随着技术的发展，越来越多的硬件设施应用在扩声系统中，推动了扩声系统的进步与发展。在扩声系统工作过程中，音频放大、音量调节、音质清晰是所要实现的基本功能。但如果想要构建一个有效的扩声系统，相关细节不可忽视。本文就日常扩声系统中所使用的扬声器工作原理以及室内外声学特性展开论述，明确其工作特性，并对调音台信号流程进行阐述，同时结合室内外声学特性以及对声学系统中的影响，对未来满足5G系统的扩声系统进行展望。
关键词：扩音系统;室内声学;调音台;5G网络实现
一、引言
扩声系统在日常生活中，常应用于公共广播、厅堂扩声、会议扩声等。公共广播是我们在公共区域内较为多见的形式，适用于各类消息通知、背景音乐播放、信息发布等。而会议扩声则适用于远程会议系统、同声传译系统、法庭、大型会议室、学校会议中心、语音重放、扩声及多媒体展示等。需要明确，在不同地点所需要的扩声系统性能也有所不同，需根据实际情况进行设计，以确保能够发挥出最好的效果。
二、常用扬声器
（一）吸顶式扬声器
吸顶式扬声器是目前使用最为广泛的扬声器，它有自己的声腔体，通常是嵌入到天花板中进行使用，因此又被称为嵌入式扬声器。此类扬声器主要是通过振膜发挥作用，将通电导体作为线圈，输入音频信号形成磁场，带动其振膜振动，从而发声。吸顶式扬声器中都有一块小磁石，磁石磁性越强，扩声效率也就越强。并且由于该类扬声器是放置在天花板中，因此其更容易激励空气，产生较好的低频音响效果，给人以强烈的冲击感。因此公共场合音响、家庭影院音响、会议室音响都可以使用此种扬声器，并且在家庭影院、会议室中更能发挥其优势。同时，在设计此类扬声器过程中，除了考虑工作原理外，还需要明确整体结构，使用功率控制在总功率的1.5倍左右，保障其稳定使用，使最终扩声效果达到最好。
（二）点源式扬声器
点源式扬声器的代表就是日常生活中常见的锥盆式扬声器，其主要是以球面波形式进行声音的辐射，只要声波波长超过声源几何尺寸，即可视为点源式。该类扬声器一般不会出现谐波失真的情况，而且方向性较强，可以覆盖很大一片区域。但其声压衰减速度较快，声压级以平方反比的规律进行衰减。在实际应用中，此类扬声器多是用于室外、会场等较为开阔的区域，例如校园中用于广播的扬声器。因此在设计过程中，若是需要用于广阔区域，则优先考虑此类扬声器，不仅应用价值高，而且能够节约成本。
（三）线阵列式扬声器
线阵列式扬声器简单地说就是按照线性方式排列在一起的扬声器组合，将所有扬声器排列成直线或曲线阵列。线阵列扬声器在应用上往往需要多个联合使用才可以实现较好的覆盖，放大器才可以发挥出更大的效果。该类扬声器多用于对传输距离要求更大范围的应用场所，如室外现场演出、大型室内演出等，其提供较好音质的同时也存在一定的不足之处：当声音过大或是排列不够紧密时，可能会出现声音失真、低音沉闷，或者气流声过大的情况。
三、扬声器指标
（一）输出声压级
在声学领域中，输出声压级是判断扬声器性能重要指标之一，其具体是指扬声器在有效回放频率范围内的声压级输出特性。一般而言，对扬声器性能进行分析中，可以通过绘制输出声压级曲线来完成，曲线越平坦，表示声压级浮动较小，扬声器性能越优异。就上述吸顶式扬声器、线阵列式扬声器而言，其覆盖较为广泛，基本可以维持较好的声压。但点源式会表现出一定不足，大部分当其距离扩大一倍后，输出声压级就会相应衰减6dB。
（二）频率特性
扩声系统通常也可根据频率等级分为高、中、低三大类，低音在20Hz-3kHz，中音在500Hz-5kHz，高音则在2-20kHz。在扩声系统设计过程中，必须关注扩声系统频率的极大值、极小值，还有频率不均度、总谐波失真等情况，这些都属于扩声系统的重要参数，必须符合扩声器的基本需求。上述吸顶式扬声器、线阵列式扬声器在应用上多数应用于室内，频率相对稳定，而点源式扬声器由于本身特性及工作原理，频率相较前两者略显不足。
（三）指向性
指向性是指传声器的灵敏度随声波入射角度而变化的特性，其主要描述扬声器将声波辐射到空间各个方向去的能力。通常，由于利用指向性可以减弱扬声器对传声器的反馈作用，从而消除啸叫现象，因此扬声器的指向性十分重要。上述点源式扩声器具有极高指向性，这种指向性主要针对商场、交通、教育等，可以对某个方向内的人发出声音，且方向较远。在设计扩声系统时，需要充分考虑应用目的。若是应用在商场、学校等地方，必须重视指向性能的提高;若是在家庭中应用，则主要考虑指向性的宽度，使之能够在工作中极大发挥作用。上述吸顶式扬声器、线阵列式扬声器应用上需要多个音响组合使用，覆盖性较广，可以在室内环境中使用。而点源式扩声器则指向性较强，且涉及较为简单，可以在室外环境使用。
四、室内外声学特性对扩声系统设计的影响
扩声系统的实现以及最终呈现出的效果，室内、室外的声学特性是我们必须要重点关注的方面之一。由于在扩声系统发挥作用时，环境会对其造成较多影响，因此必须整合环境整体信息，构建合理的扩声系统。
（一）室内声学
室内声学主要是研究声音在室内的传播和听闻效果，其中房间大小、形状、布局以及房屋材料等都会对声音传导造成一定的影响。在对室内声学进行研究时，我们通常采取几何作图法，来分析直达声和反射声的具体情况。需要注意，在实际测试过程中，声学测试必须持续较长时间，若是短时间就完成测量，不具有针对性且声场不能完全稳定，参考价值不高，因此测试时间一定要严格掌控。一般而言，室内环境，尤其是在会议室中，可以考虑使用吸顶式扬声器，该种扬声器是镶嵌在天花板中使用，在室内可以实现全方位覆盖，而且不会出现音量冲击的情况，较点源式、线阵列式更为理想。
（二）室外声学
室外声学与室内声学是有较大差异的，最突出的就是空间问题，人们最为明显的感知就是室内声音传导到耳朵内，音量要高于室外声音。这是因为室外通常较为空旷，对扩声系统会造成较多干扰，比如在听感上声音会比较散乱，难以充分集中，而室内则可以依靠墙壁的回声规避这一问题。因此，在设计过程中，为减少室外声学产生的影响，必须考虑室外声波的传导，同时需要结合扩声系统应用场地的特点，设计适合的方案。一般而言，应用在室外，应该使用指向性比较强的扬声器，点源式、线阵列式都是可供选择的方式，但是在过程中，必须充分考虑失真和干扰的问题。
五、扩声中的系统信号流程
（一）数字音频信号处理流程
在扩声系统应用时，需设置调音台来对音频信号进行处理，其主要起到修饰音频、美化音色的作用，用于改变传输质量，弥补音频中存在的不足。早先使用的模拟调音台由于信号需要经过一级级音频处理设备的传输与处理调音师才能获得，而在这个过程中失真便会随之增大，因此对音质有着较大的影响。
目前随着扩声系统飞速发展，数字音频扩声系统逐渐走进了大众的视野中。所谓数字音频即是以数字化的形式对模拟信号进行处理，把模拟电信号转化为数字电信号，而这个过程即是模/数转换（A/D）。A/D转换的过程通常包含三个阶段：取样保持、量化和编码，其通常是用PCM脉冲编码调制技术来实现。同时，采用纠错技术对偶然事件也是非常有必要的，因为音频数据以非常高的密度存储在介质上，制造过程中很小的一点失误都会抹掉成百上千个比特，所以音频数字在传输和储存时，利用特定的编码方法和冗余技术还可以对数据进行错误检测，使得传输出的音频达到理想效果。因此，数字音频扩声设备通常由四部分组成：传声器及音源部分、输入输出混合处理部分、数字功率放大部分、电声能转换部分。其中，调音台混合处理部分主要包括均衡器、压缩器、电子分频器、延时器和混响器、听觉激励器等。当声音传输到扩声系统中，均衡器调整不同频率的信号;压缩器对信号进行动态压缩或是扩展;电子分频器对音频频率进行分段;延时器和混响器用于制造特殊音效;听觉激励器则使得声音变得细腻，多种处理一一结合，实现声音理想化。在数字化高速发展的今天，该种扩声系统不仅大大减少了周边处理设备及信号线缆，同时也能使声音达到理想的效果，模拟信号扩声系统传输问题通过数字音频系统已经得到了有效的解决。
（二）扩声系统的三方面原则
1.系统稳定性。在一个扩声系统中，系统设备安全稳定性应该放在第一位。从最基础的系统改造、系统架构、设备造型等方面，都需要充分考虑整体安全稳定运行，做到系统运行万无一失。
2.设计合理性。一个扩声系统中，系统的设计合理性也占据重要部分。要根据现场舞台的舞美灯光等，将系统的设计做到最高效且最简化，将声音完美传递到观众耳中。
3.设备先进性。一场大型活动中，需要在活动前罗列出系统中所需要的设备。认真了解每一个设备的优缺点，想到可能的突发问题，结合设备切实改进拾音和扩声的效果。同时，设备的先进性也是决定扩声效果的重要因素。
（三）音频技术网络化发展
对于现在各行各业网络化的发展，音频行业也积极结合网络，实现网络化技术。网络化音频主要涉及音频信号编码、信号传输、数字处理、音频信号解码等流程，因此设计网络化扩声系统时，需通过音频输入编码器、音频处理器、音频输出解码器、处理器等流程。目前，通过网络的整个扩声系统大致包括音源设备、扬声器和控制设备，其中控制设备可以分为网络音频处理器、网络交换机和网络管理主机三个部分。所以，对于这里的网络音频处理器来说，是整个系统中不可或缺的部件。整个网络音频处理器可以主要分为两大模块，即数字音频处理模块和网络处理模块。数字模块是主要完成电平控制、动态范围控制、均衡等功能后，提供模拟或数字的输入输出接口，与网络模块相连接。网络传输模块即实现音频数据与网络的传递功能，保证网络数据的实时传播。虽然在目前的形势下，网络模块可以实现网络同步化，有即时、不卡顿等优点，但同步问题和实时音频传输问题仍不可忽略，有待进一步的发展，争取实现延时时间极短的理想化音频技术。
六、未来展望
根据当前情况来看，信息技术在很多领域都有广泛应用。目前，在扩声系统设计中，也积极投入信息化技术，其中最基本的设计包括远程调控、远程维护以及自我检查等功能。就现有情况来说，手机软件控制设备已经有了较为广泛普及，家中的空调、照明等都可以使用手机软件进行控制，因此在扩声系统设计中，也正逐渐尝试应用网络软件的模式，在手机上进行调音操作等，逐步实现扩声系统的网络化。同时，外形的改进也是需要重视的一方面，毕竟多数扩声系统应用在室内，需要与整个环境相契合。
相对于传统音频，网络化音频传输更为稳定，失真的可能性更低，因此在接下来的设计发展中，可以尝试将5G和无线系统技术投入到扩声领域中，重视信号传输流程，解决上述延时等技术问题，将网络化音频技术更好的应用于剧场、会堂等环境中，实现扩声系统的网络化。但由于5G技术成本消耗较大，目前还没有彻底为大众所接受。大众都知道，5G即意味着速度更快，且可以减少延时，因此，如果将5G与扩声系统相结合，便可以完成音频的快速传导，从而进一步实现音频的实时共享，减少音频的失真，提高音频质量。同时， 5G、音频、视频的相结合也是十分重要的一方面。一般而言，音频都是伴随视频，因此需要重视三者的结合，使得声、画得以进一步的同步，提高使用者的视听享受。
七、结束语
设计一个高质量的扩声系统，需要关注诸多细节。一场扩声实践中，为了在后续调音中便于操作且保证较好效果，前期设置调音台具体参数的过程中，不仅需要了解扩声系统工作原理、工作特性，还需了解室内外声学特点。工作原理和工作特性的明确，是便于设计工作的有序进行，室内外声学研究是为减少环境对扩声系统造成的干扰。明确相关设计细节之后，才可以制定出较为完善的设计计划，确保扩声系统能够投入实际使用，在实践中发挥出最好效果。目前，扩声系统广泛应用于各个领域，其应用价值是巨大的，相信未来加强相关内容的研究、结合5G新型技术，扩声系统会有更广阔的发展空间。
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