基于IP網絡廣播與新型網絡功放技術的音箱整合研究

馬 煜，李海霞，關士民，趙 梅

基于IP網絡廣播與新型網絡功放技術的音箱整合研究

馬 煜1，李海霞1，關士民1，趙 梅2

（1. 清華大學 信息化技術中心，北京 100084；2. 首都師范大學 教育技術系，北京 100048）

高校多媒體教室內音箱多、功能不同且隸屬不同部門管理，教室內墻上顯得非常凌亂。該項目組利用數字網絡廣播技術與新型數字多媒體功放相結合的技術方案，對清華大學五教多媒體教室音箱整合問題進行工程研發并實現相關應用，取得較好效果。

多媒體教室；音箱整合；IP網絡廣播；新型網絡功放

多媒體教室是學校順利開展教學和學習活動的基礎條件和基本保障，音響系統是多媒體教室的重要組成部分[1]。在多媒體教室建設初期，往往忽視聲響系統的整體設計，出現音箱布局不合理、聲音不均勻等問題。研究者從多媒體教室規模、聲場設計、音箱分布、設備選型等多方面提出改善多媒體教室聲音效果的配置方案和建議[2-3]。也正是由于初期建設的設計不合理，在音響系統安裝后容易出現嘯叫、回聲、共振等聲缺陷，同時音響設備在后期使用過程中也會出現沒有聲音、有噪音等故障問題。有人據此總結出多媒體教室音響系統的常見故障及處理方法，并提出聲缺陷的調校方法[4]。隨著需求的增加，多媒體教室內安裝的音響設備也隨之增加，東拼西湊的音箱掛在墻上顯得十分凌亂，也為使用和管理增加了復雜度。為此，本項目組成員進行了深入調研，并提出了相應的解決方案。

1 音箱整合的系統設計

該項目主要是基于清華大學進行設計。目前清華大學校管各類多媒體教室共302間，每年都要承擔近14萬節大課的授課任務，以及英語四六級考試、研究生入學考試、暑期文化月、相關會議、學生社團等各類考試和活動，音箱的使用頻率很高。由于分步建設和業務分工等歷史原因，目前大部分教學樓的多媒體教室內安裝了3套音箱，即打鈴專用音箱、四六級考試廣播音箱和師生上課用的多媒體立體聲音箱（見圖1），分別由學校物業中心、廣播站和信息技術中心教學服務室管理運行和維護。

圖1 清華六教階梯教室的3種音箱在教室內的分布

在各教學樓教室內采用的3種音箱中，打鈴音箱由各教學樓物業值班室內的自動鈴音播放系統控制，主要負責播放每天的上下課鈴聲、廣播物業值班人員的臨時通知等；考試音箱由校廣播站內的播放系統統一控制，主要承擔著英語四六級考試、新生入學考試、學校職稱英語考試等播放英語考試聽力的任務，學校每年要承接大概有十一二次的各種聽力考試。這兩類音箱均采用定壓功放驅動。多媒體音箱為定阻音箱，由每間教室多媒體機柜內的定阻功放驅動，主要用于無線領夾或手持麥克的擴聲以及計算機多媒體課件、教學音視頻聲音的播放。圖2和圖3是鈴聲播放系統和考試播放系統機柜的照片。

圖2 鈴聲系統機柜

圖3 考試廣播系統機柜

在經過深入的技術研討和市場調研之后，認為可以采用基于IP的數字網絡廣播技術加定制的大功率IP網絡功放一體機[5-6]，實現教室內打鈴專用音箱、聽力考試廣播音箱和多媒體立體聲音箱這3套音箱的整合。

1.1 方案原理

用于播放鈴聲和考試聽力的兩套音箱系統均采用定壓功放，其基本原理是以電壓來推動揚聲器，特點是輸出電壓大、電流小，可以長距離傳輸聲音信號，屬于廣播設備；多媒體音箱采用的定阻功放，是以電流來推動揚聲器，特點是電流大、電壓小，傳輸距離受限[7]。

考慮到這二者的技術特點，簡單整合是無法達到實際效果，這是因為如果以定阻功放接定壓音箱（即多媒體機柜內功放連接打鈴或廣播音箱），音箱可以發出聲音，但聲音會很小；如果定壓功放接定阻音箱（即廣播或打鈴信號直接接入到多媒體音箱），當定壓功放功率小時，音箱不會正常工作，而定壓功放功率大時會燒壞音箱。

在綜合考慮各種情況之后，本著“先進、穩定、安全”的原則進行設計，將來源不同的音頻信號統一接入到IP網絡功放中推動音箱播放，具體的原理技術布局見圖4。該系統主要由系統軟件包、服務器、IP網絡主控機、大功率IP網絡立體聲功放組成。其他周邊設備根據具體工程需要配置[8-9]。

1.2 實現功能

鈴聲系統、聽力考試播放系統、多媒體教室擴聲系統3套音箱的整合可以從根本上解決目前教室內音箱眾多的雜亂的問題，實現在一個運維平臺上進行管理。同時，利用基于IP數字網絡廣播技術平臺進行接口開發，可以為不同的管理部門設置相應管理權限，并實現教室與值班室一鍵呼叫及錄音功能，提高教室運維的工作效率和服務水平[10-11]。具體功能包括：

（1）靈活設置鈴聲：用戶可以個性化設置豐富多彩的音樂作為上下課鈴聲，不再只是單調枯燥的電鈴；

（2）分區控制播放：可以實現單獨對一間教室播放廣播，也可以對任意幾間或全部教室一起播放；

（3）多媒體立體聲播放：利用教室機柜內添加的IP網絡功放，原有的多媒體音箱得以保留，免去了重新布線的麻煩、減輕了工程施工的難度、方便了日后的維修；

（4）雙主控系統管理：組成雙主控系統的計算機服務器和嵌入式IP網絡主控機，可以同時協調管理，也可以獨立運行，這樣有效提升了系統的可靠性。

2 軟件的實時管理與控制

IP網絡公共廣播/內部通信服務器是廣播系統的核心部分，是系統運行和功能操作的綜合管理平臺，能夠實現對定時任務、運行狀態以及采播管理、文件廣播、消防報警等功能模塊的統一管理和操作，從而解決了以往聲音品質不佳、管理維護復雜等問題，實現了廣播系統的數字化、網絡化、個性化。服務器軟件部分界面截圖見圖5和圖6。

IP網絡公共廣播/內部通信服務器的主要功能如下：

（1）管理人員可以查看系統中各個分區的終端及工作站的工作狀態，如網絡通斷、音箱音量大小等；

（2）具有定時打鈴、定時節目播放、定時采播功能，管理人員可以根據廣播內容的需要，事先按終端、節目、時間的排序建立一個或者多個定時廣播任務，系統將會定時定點定區域定曲目播放，無需專人值守和人工操作；

圖4 多媒體教室播放音響整體解決方案原理圖

圖5 IP網絡公共廣播/內部通信服務器軟件運行狀態界面截圖

圖6 IP網絡公共廣播/內部通信服務器軟件定時打鈴界面截圖

（3）具有實時采播、文件采播功能，可以對廣播區域進行遠程講話，也可以將其他音源的節目采播到指定的接收終端，例如領導發布通知、播放英語聽力等，系統還支持點播服務器節目庫中的文件或者本地的音頻文件；

（4）軟件具有消防報警功能，能夠接收并處理消防中心的信號，當接收到緊急廣播信號時，系統會自動強行切換至緊急廣播狀態，播放報警語音；

（5）具有節目管理功能。管理人員可以根據需要遠程添加、編輯、刪除自己私有或公有的節目。

3 使用效果

根據技術方案和清華大學的現實情況，聯系廠家對系統涉及的軟件平臺及IP網絡功放進行了定制開發和設計生產，并選取了教室數量適中、又相對獨立的第五教學樓對整體系統的穩定性進行了測試[12]。

清華大學多媒體教室內音箱整合項目能夠順利實施的關鍵是選用了一款新型的大功率網絡立體聲功放，替代教室內原先的普通功放。在保留了教室原有的一對或兩對定阻立體聲音箱的情況下，該新型功放不僅可以實現原普通功放具備的本地立體聲擴聲的功能，還可以實現傳統IP數字網絡廣播技術中的網絡終端具備的全部功能（網絡廣播，打鈴等）。

2018年11月清華大學外語系在五教舉行的2018—2019年清華大學秋季本科生英語水平考試，要求在5102和5101兩間考試指定教室播放聽力考試音頻信號及單獨設定考試鈴聲計劃，五教教室沒有實施三箱合一改造前，由于技術及管理等諸多因素原因，實現起來相當麻煩和困難，幾乎不可能實現。

在五教三箱合一項目工程實施完畢后，在打鈴服務器上單獨設定這兩間教室的考試打鈴計劃，并在五教電教值班室利用IP網絡調音臺發送筆記本播出的聽力考試語音信號（見圖7），由于聽力考試聲音播放采用教室多媒體音箱，播放聲音效果遠遠好于原有的8~10 W定壓考試音箱，聽力考試語音播放和單獨打鈴計劃非常成功，外語系教師非常滿意。同時也驗證了三箱合一項目中規劃要求的同一樓內考試教室一種打鈴模式、其他教室正常打鈴模式的分區打鈴功能是可行性的。

圖7 在五教值班室利用IP網絡調音臺發送聽力考試語音信號

通過新型大功率網絡立體聲功放及相關平臺管理軟件一年多的實際運行使用表明，這套系統軟硬件性能穩定，能滿足項目組提出的所有功能需求。該項目完成后，多媒體教室內各類擴聲、廣播系統和打鈴系統的真正融合提升了運維服務水平和質量。

4 結語

結合IP數字網絡廣播技術與新型網絡功放技術，將打鈴廣播系統、考試聽力廣播系統和多媒體立體聲廣播系統整合在一個運維平臺，這是一次新的成功嘗試。該項目實現了多媒體教學環境中音頻系統交互性、復合性、集成性的高度統一，對提高教學服務水平、提升多媒體教室建設水平有很大幫助。在多媒體教室中，視頻監控也存在著遠程監控、考試監控、安全監控等多個攝像頭共存的類似問題，基于IP廣播技術的音箱合并得以成功實施也可以為攝像頭融合提供一定的經驗和借鑒，也為其他高校的多媒體教室信息化建設提供參考。

[1] 周遠龍.淺析高校多媒體教室的音響系統配置[J].電子世界，2014(8): 88–89.

[2] 馬曉陽.多媒體教室音響的配置方案[J].吉林工程技術師范學院學報，2006(7): 52–54.

[3] 薛勝蘭.多媒體教室音響系統的設計與調整[J].電聲技術，2010, 34(12): 19–22.

[4] 劉少榮.淺談多媒體教室音響系統的安裝常識及缺陷的調校[J].內江科技，2016, 37(5): 97, 90.

[5] 柴立新，姜畔，詹泊誠.數字廣播技術及其應用分析[J].通訊世界，2017(8): 113.

[6] 程慧泉.校園IP網絡廣播系統分析[J].教育教學論壇，2013(17), 252–254.

[7] 吳越屏.適合多媒體教室使用的功率放大器[J].電子世界，2003(9)：53–54.

[8] 吳煜林.智能樓宇中基于IP網絡的音頻廣播系統數字化終端的研究[D].廣州：廣東工業大學，2007.

[9] 范繞.校園IP網絡數字廣播系統設計[J].數字技術與應用，2015(8): 170.

[10] 楊建良.基于網絡的數字IP校園廣播系統的規劃與設計[J].中國教育信息化，2010(3): 44–47.

[11] 曾和蘭，劉登桃.基于IP網絡的校園數字廣播、實時教學系統設計[J].電聲技術，2010(12): 78–80.

[12] 馬艷，張智軍，劉春江.應急廣播大喇叭系統測試內容與方法研究[J].電視技術，2017(3): 61–65.

Research on voice box integration based on IP network broadcasting and new network power amplifier technology

MA Yu1, LI Haixia1, GUAN Shimin1, ZHAO Mei2

(1. Information Technology Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Department of Educational Technology, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

There are many voice boxes in university multimedia classrooms which have different functions and are managed by different departments. The project team has used the technical scheme of combining digital network broadcasting technology with new digital multimedia power amplifier to carry out engineering research and development on the integration of voice boxes in university multimedia classrooms in China and realize the related applications. Good results are achieved.

multimedia classrooms; integration of voice boxes; IP broadcasting; new network amplifier

G484；T912.2

B

1002-4956(2019)07-0093-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.023

2018-12-04

馬煜（1967—），男，北京，學士，工程師，主要研究方向為多媒體教學環境建設. E-mail: mayu126@tsinghua.edu.cn