野戰專用音響系統電聲設計探討

周東憲，張林，郭清學，魏楊

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野戰專用音響系統電聲設計探討

周東憲1，張林2，郭清學2，魏楊2

(1. 總政治部文化工作和網絡宣傳教育中心，北京100120；2. 四川湖山電器有限責任公司，四川綿陽621000)

針對野戰部隊所用音響設備的特殊性，為滿足系統體積小、重量輕、高聲壓遠距離擴音目的，重點對系統功率放大器、揚聲器單元進行了有針對性的研究和實驗。首先對現有功率放大器的種類和優缺點從原理上進行了對比分析，采用AP2722音頻測試儀進行了參數調測，同時在提高溫度環境下進行了實驗。為了達到高聲壓遠距離音頻信號傳輸要求，通過對多種方案的對比分析，選擇了提高單只揚聲器單元靈敏度方案，通過改善單只揚聲器單元磁路，篩選振膜、音圈、音圈線和骨架等材料，改善單元結構設計等方法，采用美國Linearx System公司的電聲測試系統LMS作為測試工具，通過常溫老化、環境試驗來調試、完善參數，保證揚聲器的靈敏度和可靠性滿足設計要求。最后通過系統現場測試及主觀評價，驗證該系統達到了設計要求。

數字功率放大器；靈敏度；聲壓級

0 引言

野戰音響設備具有小型便攜、適應各種環境、功能配置豐富、操作簡單、耐用可靠的要求。其中電聲轉換是一個非常重要而又關鍵的環節，這涉及起驅動作用的功率放大器及起擴聲作用的揚聲器單元。

野戰音響設備適用的環境是室外，使用場地空曠，和室內擴聲需要涉及混響、反射、建筑環境的形狀等情況是不一樣的。如何根據室外使用的特點，提高聲壓和增大聲音覆蓋范圍，使聲音保持高保真和高清晰傳播就是一個急需解決的問題。聲傳播的一般客觀標準是[1]：

(1) 寬而平直的頻率響應；

(2) 低的諧波失真；

(3) 清晰的聲場寬度，前后聲場深度再現其特性；

(4) 無壓縮的高動態范圍。

下面針對該系統的功率放大器和揚聲器作具體的研究和介紹。

1 功率放大器

功放的分類一般按照末級放大電路不同的工作狀態，大致可分為常見的A(甲)類、AB(甲乙)類、B(乙)類、C(丙)類、D(丁)類。不常見的E類放大器電路形式類似A(甲)類，工作形式類似D類放大器，有通和斷兩種工作狀態，功放的效率高達90%以上[2]；G類(庚類)放大器，似乎與B類(乙類)或AB類(甲乙類)的放大器有些類似。對于小輸出信號，它的供電電流來自低電壓；而對于“大信號”，供電將轉換到較高電壓的電源。這樣功率效率比B類的更高。但是G類放大器所產生的失真，相應比B類的大。H類功放的供電也會隨著信號的強弱自動改變，從而提高功放的效率，并使電路發熱更少，其平均功率效率可達50%~60%，可靠性更高[3]。還有F類功放應用于射頻場合，S類即T類功放能用開關電源供電，適用數字音頻功放，效率很高。但由于分別工作于截止和導通狀態的晶體管的開關速度不夠高，可引起兩個管子同時截止或同時導通而增大功耗甚至損壞晶體管[3]。在音頻功放領域中，前四類經常使用，均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，經放大后推動揚聲器工作。A類功放的保真度好，但效率很低，不到10%；AB類功放的保真度略為遜色，但效率可以達到20%~40%。D類放大器比較特殊，只有兩種狀態，即通和斷，所以D類功放的效率高達80%~90%，使用時只需要很小的散熱器或不需要散熱器，但是它的保真度和A類及AB類功放相比則大大下降，同時，它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要經過模-數變換后再放大，通常把這樣具有“開關”方式的放大裝置，稱為“數字功率放大器”，在音頻信號處理和功率放大的整個過程中，全部采用數字方式，只是在功率放大后為了推動音箱才轉化為模擬信號。

野戰專用音響使用環境一般在室外，而室外聲音反射基本很少，導致系統聲壓級不足。為了提高系統的聲壓，增大聲音覆蓋面積，一般情況下采用較大的功率放大器，但是作為野戰設備，減小體積和重量便于攜帶是一個硬性指標，功率的增大必然會加大供電保障的壓力，因此，采用數字功率放大器就是一個必然的選擇。

根據系統的要求將每個聲道功率放大器的額定輸出功率確定在200 W(8 Ω負載)，輸出電壓有效值的計算公式為：

式中：為額定功率；為數字功率放大器輸出電壓有效值，為所驅動音箱的輸入阻抗。

由式(1)計算出數字功率放大器輸出電壓有效值為40 V。根據這個參數設計了兩款功率放大器，包括一款數字功率放大器和一款模擬功率放大器，對比測試了其體積、重量、功率轉換效率三個參數，數字功率放大器均有明顯優勢。

特別采用AP2722音頻測試儀對數字功率放大器的頻率響應、失真度等進行了測試，均達到了設計要求，見圖1和圖2。從圖中可見，在頻率20 Hz~20 kHz范圍內，輸出功率達到200 W/8 Ω，即34 dB，頻率響應小于±0.2 dB，失真度小于0.14%，保證了功率放大器信號的高保真度。同時按照國家標準《GB/T 9384-2011廣播收音機、廣播電視接收機、磁帶錄音機、聲頻功率放大器(擴音機)的環境試驗要求和實驗方法》做了高溫負荷、高溫儲存、恒定濕熱、低溫負荷、低溫儲存等環境試驗，高溫試驗加溫到45 oC測試，均符合該國家標準要求。

2 揚聲器設計

系統要具有較高的聲壓輸出和聲覆蓋范圍，同樣因為體積、重量等的限制，變得非常困難。根據音箱的關鍵指標靈敏度(dB/1w/1m)(即：標準氣壓和自由聲場的條件下，用粉紅噪聲輸入揚聲器單元1 W的電功率，在揚聲器輻射聲場軸線方向離源點1 m處，測得的聲輻射聲壓級的大小)，在同等條件下，靈敏度越高的揚聲器輻射的聲功率越大。如果兩個揚聲器的靈敏度相差3 dB，要達到同樣的聲壓級，低靈敏度的揚聲器輸入的電功率將要增加1倍，采用這種揚聲器就要求相應的功率放大器的輸出功率也同時增大。

根據目前技術，達到遠距離傳輸，同時要求具有很好的清晰度和可懂度等指標的音質要求。一般采用如下的一些設計方式來實現。

2.1 揚聲器單元系統組合應用

采用增加揚聲器單元的數量來實現聲壓的提高，即采用線陣音箱，它是一組排列成直線、間隔緊密的輻射單元，并具有相同的振幅與相位。近年來，現有的線性陣列揚聲器系統是由若干音箱在垂直面重疊組合，形成一個水平方向角度一定(一般為90°)，垂直方向較窄的波束。這樣可以達到較高的聲壓級輸出和聲場覆蓋范圍。但針對該系統應用，體積太大是一個不容忽視的問題。

2.2 改善單只揚聲器單元靈敏度

根據靈敏度定義[4]，它由輸入端加入額定功率1 W的電信號，在它主軸線上距聲源1 m處產生的聲壓級決定，由測試點聲壓級、揚聲器單元的輸入功率、測試距離，根據式(2)即可算出揚聲器系統的靈敏度。

式中：為揚聲器單元的輸入功率(W)；為聲源距離測試點的距離(m)。

影響揚聲器單元靈敏度的因素很多，包括磁路設計、振膜設計、音圈設計、音圈線和骨架材料選擇、音圈的散熱效果等。為了滿足野戰環境的應用，對揚聲器的材料選擇和結構設計都需做特別的考慮。

2.2.1 高音單元

音膜采用0.01 mm合金音膜，其表面經過納米處理，不僅使高音更為清晰明亮，而且還能夠承受更大的沖擊力。音圈(見圖3)導線采用表面特殊涂覆的鋁扁線，使用耐高溫的絕緣漆，這樣音圈既輕又排列緊密；其骨架采用耐溫達250oC音圈骨架，可使密度小硬度高，降低振動質量，保證頻率響應寬度；磁材采用高性能釹鐵硼材料，可增強磁路的推動力。提高轉換效率的公式如式(3)所示：

其中：密度0=1.2 kg/m3；為機電轉換系數；為單元有效振動面積；為聲音傳播速度；為有效振動質量；為揚聲器單元直流電阻。

采用上述措施及選材后，轉換效率得到了可靠的保證，在轉換效率較高的情況下，根據揚聲器靈敏度的計算公式為

從而提高了高音單元的靈敏度。

圖3 音圈示意圖

Fig.3 Schematic of the voice coil

2.2.2中低音單元

在聲頻范圍內[5]音箱功率主要集中在中低音揚聲器單元，中低音揚聲器單元剖視圖(如圖4所示)，包括磁路、音圈、彈波、紙盆、折環等。中低音揚聲器單元經常要連續承受70% 以上的輸入信號功率，由于揚聲器聲輻射的特點是大部分輸入功率轉換成熱能。由于音圈發熱，導致輸出聲壓降低。為有效保證高聲壓輸出，必須改善音圈的散熱條件。

從磁路散熱系統圖(圖5)可以看出，特別設計了空氣的對流孔，利用揚聲器振動形成空氣對流，進行有效散熱。保證揚聲器輸出聲壓的穩定性。

采用釹鐵硼磁性材料做磁鋼，磁場強度比鐵氧體磁鋼大大增強了，高效磁路提高了揚聲器的靈敏度，改善了動態范圍，還減輕了重量。

2.2.3 分頻器

分頻器必須與揚聲器單元的特性準確配合，才能獲得各頻段平坦的特性。這里將經分頻的頻段濾波器斜率由12 dB/倍頻程提高到18 dB/倍頻程，令單元間的相互干擾降至最低。分頻器在選料和制作上采用了無感金屬散熱電阻、高純度銅線、低電阻電感器和精密的低損耗聚苯乙稀電容器等。

下面是通過LMS軟件在專業消聲室[6]測試的音箱頻率響應曲線圖(見圖6)和阻抗特性曲線圖(見圖7)。從圖6可見，在60 Hz~20 kHz范圍內靈敏度達到了96 dB，達到了設計所需靈敏度；從圖7中可見，在150 Hz~20 kHz頻率范圍內阻抗特性平緩，說明高低音單元之間的相互干擾降到了最低。

Fid.6 Curve of frequency response

根據系統配置要求及實際使用狀態，用上述改進部件組成全新的揚聲器系統，并選擇A、B、C三個測試點，位置及距離參數見圖8。采用包括聲壓測試儀、紅外測距儀等設備進行了客觀的數據測試，信號采用粉紅噪聲，使音箱的額定功率達到100W，即音箱的輸入信號電壓有效值為28.3 V。對100Hz、1 kHz、10 kHz三個頻率點做了現場測試，測試數據如表1所示。從表1中數據分析可知，在A點全頻段范圍內聲壓超過了指標要求94dB，在B、C兩點超過了指標要求87dB，滿足了現場擴聲聲壓級的需求。

表1 系統聲壓級測試(粉紅噪聲)

同時組織專業技術人員進行了非正式主觀評聽，主要測試點也定在A、B、C三點，測試數據見表2。

表2 系統主觀聽音評測

注：高-表示保真度稍稍差一點。

通過上述現場測試和主觀評價，系統不論是測試數據還是聽音評判均較好地滿足了野戰條件下的擴音需求，達到了高保真設計目標。

3 結論

采用數字功率放大器和高靈敏度的揚聲器單元，可以有效降低系統體積和重量，提高電源轉換效率，達到高聲壓遠距離的聲音傳輸，系統聲音輻射區域內低音渾厚有力，中音清晰飽滿，高音明亮，中高音近場衰減較小，達到發音人(或唱歌人)可監辨以及高保真度音質效果。設計的音響設備滿足野戰的使用要求。

今后將繼續探索更加優良的揚聲器材質，通過不斷的優化，進一步提高野戰音頻擴聲系統的性能。

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JANG Guorong, Acoustical design of digital audio laboratory[J]. Technical Acoustics, 2004, 23(4): 250-252.

Study of electro-acoustic design forthe special field audio system

ZHOU Dong-xian1, ZHANG Lin2, GUO Qing-xue2, WEI Yang2

(1. The general political department of cultural work and network propaganda and education center, Beijing 100120, China;2. Sichuan Hushan Electric Co..Ltd,Mianyang 621000, Sichuan, China)

Focusing on the specific characteristics of the audio equipment used by field troop, this paper does the related research and experiments about power amplifier and loudspeaker in order to satisfy the system’s requirements in small volume, light weight and long distance sound transmission with high sound pressure. This paper firstly compares and analyzesthe advantages and disadvantages of the exiting power amplifiers in principle, then measures the parameters with the AP2722 Audio test instrument (AP means Audio Precision), and do the further test under rigorous conditions.After comparative analysis of different schemes, to meet the requirement of long distance audio signal transmission with high sound pressure,the way to improve sensitivity of single loudspeaker is selected,which includes improving the magnetic circuit of the single loudspeaker, appropriately choosing materials of diaphragm, voice coil, voice coil line, frame etc, and improving the design of unit structure. Then the LMS, which is an audio test system from America Linearx System Company, is taken as the test tool and used for normal temperature aging and environmental test to improve the system’s parameters, and finally to get the required sensitivity and reliability for the audio loudspeaker.The subjective and objective test as well as the listening and evaluation test show that the audio system can meet the design requirements.

digitalpower amplifier; sensitivity; sound pressure level (SPL)

TN02

A

1000-3630(2015)-02-0157-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.011

2014-11-15；

2015-01-25

周東憲(1972－), 男, 山東金鄉人, 碩士, 高級工程師, 研究方向為音響擴聲系統的設計、調試與安裝。

魏楊, E-mail: 523918832@qq.com