【精品】数字立体声电影还音设备的功率计算

数字立体声电影还音设备的功率计算

邱正选

数字立体声电影技术，对影院电声指标特性提出了更高规定要求。在国家广电总局2002年8月颁布的《数字立体声电影院的技术标准》（GB/T183-2002）中，对数字立体声电影还音的主声道、环绕声道、次低频声道的峰值功率声压级分别规定为：103dB、100dB、113dB，并要求留有不小于3dB的功率余量。
在进行数字立体声系统设计时，如何根据“标准”中所规定的各声道峰值声压级，比照不同容积的电影厅去确定各声道扬声器系统（下简称扬声器）的驱动功率，进而选择合适的功率放大器和扬声器，显得十分重要。
满足峰值是声压级所要求的因素，不仅与扬声器的功率、灵敏度、指向性因数等技术指标有关，而且还与电影厅内容积、混响时间、房间常数等项声学指标有关。因此在新建或改造电影厅之前，应进行慎密的计算。一.声学分析的几个概念
1、功率（W）
在谈到功率这个概念时，必须认清功率放大器的额定功率与扬声器的额定输入功率的不同定义。功率放大器的额定功率是指失真所限制的功率，超过这个输出功率电平，功率放大器输出产生削波失真，使用时必须留有足够的余量。扬声器的额定输入功率是指在规定时间内连续工作不损坏的极限功率。根据试验方法不同，扬声器的额定功率又分为额定噪声功率与长期最大功率两种，通常长期最大功率为额定噪声功率的2~4倍，在进行峰值声压级计算时，可比照扬声器的长期最大功率。
2、灵敏度（Ls）
灵敏度即为扬声器的特性灵敏度级，指在额定阻抗上，馈给扬声器1W的电功率，在其轴向1m处所产生的声压级，用dB表示。
3、指向性因数（Q）
指向性因数是指扬声器在空间某一点所幅射有效声压的平方与同位置同功率全向声源在该点产生有效声压平方的比值。在实际计算中，可用扬声器的水平幅射角（v）与垂直幅射角（h）来表述。

以南京音霸公司所生产的EP CPS4211主扬声器为例，其高音号筒为90度×40度（v×h）的恒指向性号筒，由式①可推算出：Q=12.86

4、房间常数（R）
对于任何一个电影厅，厅内存在壁面，总会产生反射，形成混响。电影厅内除了有扬声器的直达声场外，还存在混响声场，二者的迭加构成电影厅内稳态声场。决定电影厅内混响声能的是壁面吸声面积（S）及其平均吸声系数（α），为此，我们将房间常数定义为：

式②中Sα可定义为电影厅内的吸声量。从式②中可以看出，房间常数R与平均吸声系数α有关，α愈大，R就愈大。
二.声压级的验算
实用声压级的计算，可近似表述为：

其中:
Lp：电影厅内距离r处声场声压级
Ls：扬声器的灵敏度
W：扬声器的驱动功率
r ：测试距离，对于主声道与次低频声道r可取放映距离的2/3，对于环绕声道，r可取电影厅的宽度
R：房间常数
N：放声扬声器的数量
式③是在各声道距离r处轴向测试的声压级，倘偏离轴向θ角度，则应为：

其中，D（θ）为扬声器的指向性函数，20 lgD(θ)为偏离轴向θ角度后的声压级衰减量，实际应用中，电影厅内各声道的指向性覆盖必须保证均匀到位，因此只要在具有恒定指向性扬声器的覆盖范围内，其衰减量也必定在6dB之内。
根据式③验算各声道峰值声压级的具体步骤为：
1、根据电影厅的容积，按“标准”要求进行该电影厅的建声设计，求出电影厅的平均吸声系数α。吸声量Sα，同时计算出房间常数R。
2、由电影厅的放映距离，选择合适的主扬声器，次低频扬声器、环境声扬声器及相应数量，并查出对应扬声器的灵敏度，功率及指向性因数等项技术参数，同时选择与之相匹配的功率放大器。
3、对于采用多数量扬声器的声场，应将其数量n统计上，若采用多台功率放大器驱动，则其驱动功率也应乘以n倍。
4、对于偏高轴向的声场，应将其指向性函数值（即偏离轴向倾斜角的衰减dB值）一并计入。
5、由公式③或④可以计算出各声道扬声器的峰值声压级，然后对照“标准”验证，只要有3dB的余量就足够了。
6、计算时须注意，主扬声器的左、中、右三路均分别覆盖整个电影厅声场，应单独进行计算，环绕声扬声器由多台构成左、右（或左后、右后）声道，可按各声道分别计算，次低频扬声器可由多台构成，并由多台功率放大器分别驱动，计算时应考虑互耦效应。
三.实例
低频功率放大器有一含420座的电影厅，长24m，宽18m，根据已做好的建声设计，其500Hz的混响时间为0.61秒，平均吸声系数α=0.43，总吸声量为 610.89A。选择合适的扬声器与功率放大器，并进行验算，使之成为合格的数字立体声电影厅。
根据该电影厅的容积及功能要求，选择3台EP CPS4211为主扬声器，选择18台EP CPS4284为环绕声扬声器。其中左环、右环分别为6台，左后、右后环分别为3台，选择4台EP CPS4242为次低频扬声器，这4台扬声器分别用4路功率放大器驱动。
１.由式②计算出房间常数，R=1171.74m2
２.确定主扬声器与次低频扬声器的放声距离r1=16m，左、右环绕扬声器的放声距离r2=18m，左后、右后环绕声扬声器的放声距离r3=16m.
由表1可以查出各扬声器的灵敏度Ls，长期最大功率W，指向性因数Q的具体数值。
由式③可以计算出各声道的峰值声压级的数值，其中，
主声道：Lp1=109.48dB
次低频声道：Lp2=116.87dB
左、右环绕声道：Lp3=105.22dB
左后、右后环绕声道：Lp4=100.54dB
５.将计算数据比照“标准”中规定值，均有一定余量，因此所选用的设备是合适的。由扬声器的驱动功率可推断出所选用的功率放大器功率必须要大于1200W/4Ω（用于主扬声器与次低频扬声器）与300W/8Ω（用于环绕声扬声器）。选择EP CPA3601功率放大器（2×1300W/4Ω）去驱动主扬声器与次低频扬声器，选择EP CPA2401功率放大器（2×600W/ 8Ω）去驱动各路环绕声扬声器。
四.几点说明
１、当一个电影厅的几何尺寸与混响时间基本确定后，7、可采用定性分析，8、定量估算的方式，9、由“标10、准”中所规定的各声道峰值声压级，11、进而12、选择对应功率值的扬声器与功率放大器。为估算方便，13、可对式③进行如下简化，14、
１）略去4/R，视混响声场为直达声场，将略去部分作为功率余量的一部分。
２）测试点在各声道的轴线上，5）与声源相距r，6）将Q/4π的比值近似为1。
由上述简化原则，式③可变为：

为求出所需功率数值，式⑤可变为

由式⑥，可将上例中各声道按“标准”规定的峰值声压级，估算出所需驱动功率值：
主声道：W1=510W
次低频声道：W2=2023.85/4=505.96W
左、右环绕声道：W3=214.98W
左后、右后环绕声道：W4=339.72W
２、对于已估算出各声道峰道值声压级所需的功率值，如何去选择扬声器与功率放大器，笔者以为以可遵循以下原则：
1）对于主声道，所选择的扬声器长期最大功率可与估算值相当，或略大于估算值，而功率放大器的额定功率值可为估算值的二倍。
２）对于次低频声道，由于略去的Q/4π要远小1，实际驱动功率必定大于估算值，因此所选择扬声器的长期最大功率与功率放大器的额定功率，必须要大于估算值的二倍以上，如果估算值较大，所选用的扬声器无法达到估算值的二倍，可按其倍数（例如：二台、四台、六台、八台一）增加扬声器与功率放大器数量，用式⑥重新估算最终确定所选用扬声器与功率的功率与数量。
３）环绕声道往往是由多台扬声器构成，由一路功率放大器驱动，因此，所选用扬声器的长期最大功率可与估算值相当，或略小于估算值，（视扬声器的构成数量而定），而功率放大器的额定功率必须要大于估算值的二倍。
五、结束语
笔者在多年的设计与讲学过程中，经常会遇到诸如扬声器与功率放大器的功率在声场中如何计算，以及二者之间的相互关联的问题，大家都明白，为了避免失真，功率放大器的功率应大于扬声器的功率。然而，这并不表明，在任何使用场合，功率放大器的额定功率一定要大于扬声器的额定功率，但必须要大于它的实际驱动功率，这就带来了声场功率的计算问题。笔者以数字立体声影院还音设备计算为例，是因为在影院的主声道、环绕声道、次低频声道的功率计算过程中，既有单组扬声器的功率计算，又有多组扬声器的功率计算，还有多组扬声器采用多路功率放大器驱动的计算问题，具有一定的代表性，同样可适用于厅堂场馆的扩声系统功率计算。由于笔者水平有限，错误之处在所难免，请予以批评指正。

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