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​公共广播系统的组成与工作原理

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公共广播系统的组成与工作原理

公共广播系统主要提供以下服务。

1)信息传播。以传播直达声为主,使用时要求的声压级较高。

2)背景音乐(Back Ground Music,BGM)。主要作用是掩饰周边环境噪声,营造一种轻松和谐的气氛。

3)突发事件报警联动广播。当发生紧急事故(如火灾)时,可根据程序指令自动强行切换到紧急广播工作状态。

4)可分区(或分层)播放不同的音响内容。

在公共广播系统的实际应用中,上述的功能必须采用同一套系统设备和线路,这样既可以播放背景音乐,又可以发布日常信息和紧急广播。此系统主要由音源设备(调谐器主要有CD、MP3播放器、送话器)、前置放大器、功率放大器、分区广播、传输线路和扬声器组成。小区公共广播系统组成框图如图7-1所示。

图7-1小区公共广播系统组成框图

图7-1小区公共广播系统组成框图

公共广播系统包含日常广播和紧急广播两个系统功能。在正常状态下,日常广播和紧急广播这两个系统在功能上互相独立,在设备上有机结合。根据消防规范要求,紧急广播系统具有最高优先控制权。

7.1.1音源

所谓的音源是指提供公共广播所用的节目源。公共广播主要音源设备如下。

1.循环录音卡座

循环录音卡座可以对语言类节目和音乐节目进行反复循环播放。

2.CD唱机

CD唱机可用于长时间、高质量播放背景音乐。它曾经风靡一时,但是节目更新换代很难跟上现实需求,随着科技的进步,其他形式的音源设备纷至沓来,CD唱机也呈逐渐被淘汰之势。

3.调谐器(收音模块)收音模块通常具备接收调频和中波调幅两个波段,短波由于传播的原因,信号衰落比较严重,所以公共广播系统并不采用。

4.CD、MP3 播放器

CD、MP3播放器把两种音源结合为一体,如图7-2所示。

image.png图7-2CD、MP3播放器

图7-2CD、MP3播放器

5.传声器

传声器又称为送话器(Microphone),它是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。

根据声-电转换方式可将传声器分为动圈式、电容式、驻极体式(属于电容传声器的一种,只是供电稍有区别,主要用于手机、摄像机)和最近新兴的硅微传声器。此外,还有液体传声器和激光传声器。目前常用的为动圈式和电容式两种。

动圈式传声器主要由音圈(与音膜连体)、磁钢、外壳组成。当声波入射到传声器的音膜时,音膜带动音圈进行相应振动,音圈在磁钢中切割磁力线,两端产生电动势,实现声电信号转换。动圈传声器结构简单,牢固可靠,性能稳定,价格相对低廉,但体积较大,一般用于公共广播、卡拉OK厅等要求不高的场合。

电容式传声器主要由振膜、后极板、极化电源、前置放大器组成。电容传声器的极头实际上是一只平板电容器,具有一个固定电极和一个可动电板,可动电板就是极薄的振膜。声波作用在振膜上引起振动,从而改变两极板间电容量,引起极板上电荷量的改变,经处理放大输出。由于输出阻抗很高不能直接输出,故在传声器内装有一个前置放大器进行阻抗变换,将高阻变为低阻输出。电容式传声器需要二组电源,一组为前置放大器电源,另一组是电容极头的极化电源(约48~52V)。为了节省电源线缆,电容式传声器一般都采用幻象电源,也就是利用传声器电缆内两根音频芯线作为直流电路的一根芯线,屏蔽层作为直流电路的另一根芯线,由调音台(或前置放大器)向电容传声器馈电,这样既不影响声音的正常传输,又节约了芯线,这种供电方式称为幻像电源。这里要注意的是,当换用动圈传声器时,调音台(或前置放大器)的幻像电源开关一定要关闭,否则传声器容易损坏。反之使用电容式传声器时,调音台的幻像电源开关一定要打开,否则传声器就无法工作。电容式传声器具有灵敏度高、动态范围大、频响好以及失真度低等特点,通常用于要求比较高的广播、音乐录音和舞台等场合。其缺点是防潮性差,机械强度低,价格较高,使用麻烦。根据功能和外形又可将传声器分为手持式有线传声器、无线传声器、主席传声器(具有强制切断列席送话器发言的优先功能)以及鹅颈式传声器(又称为座式传声器),如图7-3所示。

图7-3传声器

图7-3传声器

传声器的主要技术指标如下。

(1)输出阻抗

传声器输出阻抗指其交流内阻,以Q为单位,其值是在频率为1000Hz信号、声压约为1Pa(压力单位,帕)时测得的。传声器的阻抗分为低阻抗型和高阻抗型,通常1kQ以下为低阻,1k2以上为高阻。常用的传声器阻抗在200~600Ω之间为低阻型传声器;高阻型传声器可用于较长距离的传输。由于线路较长,传输中途易受外界的干扰而出现交流声还存在分布电容,频响也受到影响,所以目前已很少使用。

传声器的输出阻抗即为负载(如调音台、前置放大器或合并式功率放大器)的输入阻抗。为了保证传输的效果,要求负载的输入阻抗应大于或等于传声器的输出阻抗的5~

10倍。

(2)指向性

传声器的指向特性又称为传声器的方向性。它指的是在一定频率下,传声器对于来自不同方向的声波拾取的灵敏度,这是传声器一个很重要的技术指标。

传声器指向性一般的类型有:单方向性,呈心形;双方向性呈8字形;无方向性呈圆心形;单指向性呈超心型。

全方向性送话器对各个方向的声波拾取效果基本一致,需来回走动发言时采用此类送话器较为合适,但在四周噪声大的条件下不宜采用。

心形指送话器的灵敏度在水平方向呈心脏形,正面灵敏度最大两个侧面稍小,背面最小。心形传声器可在多种广播系统中使用。

单指向性指传声器对正面入射的声波要比其他方向入射的声波灵敏度高得多。利用其单指向的特点,可以较好地避免声音的反馈,适合会议和舞台演唱使用。

(3)频率响应

对频率响应描述的是,传声器的输出电平与它所拾取信号频率之间的关系,通常以上限与下线频率来表示。频带范围愈宽,表示传声器的频响特性愈好,也就是传声器有较高的明亮度和清晰度。例如,频响较好的电容式传声器,其频率响应在50~17000Hz之间;常用的动圈式传声器其频率响应在75~1400Hz之间。

(4)灵敏度

灵敏度用于表示传声器的声-电的转换能力,通常是取1ubar(单位为微巴。1bar=

10Pa相当于正常对话时,在距离1m前方处测得的声压)的声音信号施加到传声器情况下,传声器开路的输出电压(mV)值即为传声器的灵敏度,以分贝表示,并规定10V/Pa为0dB。因传声器输出一般为毫伏级,所以其灵敏度的分贝数始终为负值。

(5)信噪比(S/N)信噪比指的是声波作用于传声器后所输出的信号电压与传声器固有的噪声之比,用dB表示。如电容式传声器的信噪比可达55~57dB。

7.1.2前置放大器与调音台

1.前置放大器

前置放大器是功率放大器的前级处理电路,功能主要有3个:其一是对来自不同声源(如消防报警、送话器(传声器)、录音机、调谐器、CD唱机和线路输入)的音频信号进行放大;其二是对音源信号进行混合或按需要分配播放优先权;其三是对各路输入的音量、音色进行调控。

前置放大器通常具有多路信号输入插口,在混合之前,各路的信号是独立的,互不干扰。信号来源不同,信号的幅度也不尽相同,为了更好的混合,各信号通道都有自己的音量控制电路。

前置放大器不能单独带动音箱,必须与功率放大器结合才能发挥功效,因此它只是将输人的各种信号进行混合后输出,供功率放大器的输入端使用。前置放大器如图7-4所示。

图7-4前置放大器 a)正面b)背面

图7-4前置放大器

a)正面b)背面

2.调音台

调音台实际上是一台音频信号控制器,它具有多路音源输入插口。用它拾取来自传声器、CD唱机、录音卡座的音频信号,同时对它们进行放大或衰减,按需要进行音质加工和混合处理,因此,调音台是现代电台广播、舞台扩音、音响节目制作、播送和录制节目的重要设备。与前置放大器相比,其功能要强大得多。

小区公共广播系统一般不采用调音台,因为其造价要比前置放大器来得高,操作相对也繁杂得多。对要求档次高一点的场合,也可选用普通的小型调音台作为前置放大器。

7.1.3功率放大器

功率放大器简称功放或扩音机,其任务是将前级送来的信号进行管理、放大,满足系统负载——扬声器的需要。

1.功率放大器的分类

(1)按用途有家用、专业和公共广播之分类1)家庭用功率放大器。通常对频响要求比较高,有Hi-Fi(高保真)和AV(家庭影院)两大系列,前者侧重于音乐效果的播放,后者着力于营造一种电影音响效果。

2)专业功率放大器。多用于传输距离不长的场合,一般用于会议,厅、堂、场、馆、舞台演出和卡拉OK歌厅使用。

图7-5合并式功率放大器 a)正面b)背面

图7-5合并式功率放大器

a)正面b)背面

3)公共广播功率放大器。主要面对公众,侧重于语言广播,在正常状态下则用于背景音乐广播,还可进行紧急(如消防)广播。由于其广播面对的范围大、距离长,所以在输出的方式上和家庭音响有很大不同,选用时必须加以区别。

(2)按组合方式分类

1)合并式功率放大器。

它是把原先由前置放大器承担的功能与功率放大器融合一体,既承担前置放大器的功能,同时又进行功率放大,如图7-5所示。从合并式功率放大器的正面可以看出,面板上布置了许多功能旋钮,主要有各路音源的音量控制旋钮、音频混合旋钮、音色的调整旋钮及功率放大器音量总开关。合并式功率放大器的背部也相对复杂,通常设有音源设备的输入插口,扬声器输出端子供各路音源输入。有时单台功率放大器的放大倍数不够,需增加一台功率放大器,故在功率放大器的背部通常会设有一个用来并机的信号输出端子,通过这个输出端,达到两台的音源共享、提高功率的目的。

2)纯后级功率放大器。

顾名思义,就是单纯的功率放大。通常它只有音量控制单元,没有音色、音源混合等处理电路,面板上通常只有电源开关和音量调整旋钮。大型的公共广播往往采用纯后级功率放大器,如图7-6所示。

图7-6纯后级功率放大器

图7-6纯后级功率放大器

a)正面b)背面

(3)按是否带分区分类

可划分为自带分区功率放大器和不带分区的功率放大器。分区功率放大器主要是在公共广播时,有意把一个广播覆盖的区域根据需要(如住户对象、时间段不同)为几个区域(或按楼层划分)。通常情况下,一套广播系统覆盖的是所有区域,而有时同样一套广播系统只需要服务于一个特定时间或群体,这时并不需要覆盖整个区域,为了不影响其他区域人员的正常生活,采用分区广播是最好的选择。

自带分区功率放大器正面设有防区广播选择开关,其背部设有分区广播的输出端子,用于连接各分区的扬声器。带分区合并式功率放大器如图7-7所示。

图7-7带分区合并式功率放大器

图7-7带分区合并式功率放大器

(4)按输出形式分类

1)定阻式。

定阻式功率放大器的特点是,末级没有设置深度负反馈电路,因此它的输出电压随负载的变化而变化,但其输出的电阻不变且保持一定的数值。定阻式功率放大器必须配接与其相适应的额定功率和额定电阻的负载,即必须保证在功率和阻抗匹配的情况下才能正常工作。

定阻式按照阻抗可分为低阻式和高阻式。低阻式用于短距离传输,如家庭音响、小型会议室和卡拉OK厅;高阻式则用于长距离传输,如小区、学校的公共广播。

2)定压式。

由于功率放大器末级采用了深度负反馈,定压式传送时其输出电压不会随负载阻抗变化而变化,输出电压基本稳定在一定的数值,在额定功率范围内负载变化对功率放大器的输出电压影响很小,所以名为定压式。定压式传送的一个特点是,高电压,小电流,避免了大电流传输时的功率传输损耗。为降低长距离功率传输中传输线的功率损耗,需要使用输出变压器,输出电压主要有70V、90V、120V等几种。

定压式功率放大器与扬声器之间的配接很简单,只要扬声器(音箱)的输入电压与功率放大器的输出电压相符且扬声器总功率小于(或等于)功率放大器的额定功率,即可以把各扬声器并接在功率放大器的输出端上;而定阻式功率放大器的接法相对就比较复杂,也就是在功率放大器与扬声器之间,必须保证两者功率匹配和阻抗的匹配。如果采用的扬声器功率、阻抗不等,配接就更难了。

(5)按是否带有强制切换型分类

带有强制切换的功率放大器与普通型功率放大器的主要区别是,当有消防报警信号进入时,强插电源可以自动将已关闭的设备打开,同时将音量置于最大状态,对相关区域进行紧急广播。

图7-8所示为带有强制切入插口的紧急强制切换型合并式功率放大器。

image.png图7-8紧急强制切换型合并式功率放大器

图7-8紧急强制切换型合并式功率放大器

此外,市面还流行一种组合型合并式功率放大器(又称为一体化式),这种功率放大器自带有音源,如组合了调谐器、录音机或MP3播放器等,这种机型的特点是无需外配音源设备。

不同厂家组合的音源有所差异。组合式功率放大器通常用于对音乐质量要求不高的场合。

2.功率放大器的主要技术指标

(1)输出功率

输出功率有几种标识方法,通常有额定功率、音乐峰值输出功率和最大不失真功率。

1)额定输出功率。表示放大器最大不失真连续功率,又称做RMS功率。这一表示方法为业界普遍认可。

2)峰值音乐功率(PMPO)。指功率放大器在处理音乐信号时,音乐信号的瞬间最大输出功率。通常只能作为评价功率放大器的辅助参考指标。

3)最大不失真功率。指在不失真条件下、将功率放大器音量调至最大时,功率放大器所能输出的最大音乐功率。功率的计量方法不同,在功率标识差异比较大,如峰值功率大于音乐功率,音乐功率大于额定功率,一般地讲峰值功率是额定功率的58倍。

(2)频率响应

频率响应指在有效的频率范围内,反应功率放大器对不同频率信号的放大能力。频率响应通常用增益下降3dB以内的频率范围来表示。一般公共广播的功率放大器频率响应在50Hz~16kHz之间。

(3)失真度

理想的功率放大器是在输入的信号被放大后,在输出端完完全全的还原出来,但事实上这是不可能的,这种现象称为失真。失真包括频率失真、谐波失真、相位失真、互调失真和瞬态失真。公共广播功率放大器比较关注的是谐波失真。失真度用百分比表示,其值越小越好。

(4)信噪比

信噪比是指功率放大器输出的各种噪声电平与信号电平之比,用dB表示。这个数值越大越好。

(5)输出阻抗

将扬声器所呈现的等效内阻称为输出阻抗。

(6)输出方式

输出电压为70V、100V或输出阻抗为4~16Ω。

(7)频响

频率响应范围为80Hz~16kHz±3dB。

(8)工作电源

AC220V±10%50Hz。

7.1.4电源时序器

由于在公共广播系统中功放系统的功率较大,如果各个分区的功放同时启动的话,对电源将产生较大的影响,因此要按照一定的顺序对系统的各个设备进行上电。电源时序器其实是一个电源的中继器,有一个大容量的电源接入口,有1~16个电源的输出插空,其他的设备由电源时序器统一供电,电源时序器在内部程序的控制下依此对外接得设备进行上电。

7.1.5节目编程播放器

使用节目编程播放器可实现无人值守。

节目编程播放器(如图79所示)将公共广播系统的全部功能集于一身,可定时上电、断电,可外控CD机、卡座、调谐器、电铃等设备电源。只要将所需广播内容编入程序,设置自动运行,系统就可以实施定时开启、定时关闭、自动播放背景音乐、定时播放各种节目等操作。此外,还具有强切功能,即系统无论在开启或关闭状态下,只要有消防信号输入,就能自动强行插入报警广播。

图7-9节目编程播放器

图7-9节目编程播放器

7.1.6扬声器、音箱、音柱

扬声器是一种将电能转换为声能的换能设备,它是音响系统的终端设备,可见扬声器影响着整个公共广播系统的播放质量。

扬声器可以单体的形式工作,也可以把高、中、低不同频响的扬声器有机组合在一个箱体内,这种组合的系统一般称为专业音箱。若将一定数量的同类型扬声器按一定的结构排列在一个柱状箱体内,则称这种组合系统为音柱。音柱有较强的方向性。

1.扬声器的分类

公共广播扬声器(音箱、音柱)根据使用场合大致可划分如下。

1)按使用场合来分可分为公共广播音箱、专业音箱。

公共广播扬声器分室外型和室内型。室外型扬声器具有防水防潮功能,图7-10所示中的仿真音箱、号角式扬声器和音柱就属这类产品。由于使用地点多半在公共场合,所以对音乐质量要求不高,但外形追求与环境和谐,造型趋于艺术化,如平板式扬声器宛如一幅风景画,如图7-10c所示。

专业音箱一般用于歌舞厅、卡拉OK厅、影剧院、会堂和体育场馆等专业文娱场所。一般专业音箱的灵敏度较高,放音声压高,力度好,承受功率大。

2)按外形分有天花(吸顶)式、壁挂式、平板式、仿真式、吊顶(悬挂)式、号角式和柱式音箱,如图7-10所示。

图7-10各种类型的扬声器

图7-10各种类型的扬声器

2.扬声器的主要技术指标扬声器的主要技术指标如下。

(1)额定功率

扬声器的功率大小是选择使用扬声器的重要指标之一,其定义可参考功率放大器的相关内容。一般扬声器所标称的功率为额定功率,如天花扬声器功率在3~10W;音柱功率在20~40W;仿真音箱功率在20~30W。

(2)额定阻抗

额定阻抗指的是扬声器在某一特定工作频率(中频)时在输入端测得的阻抗值。通常会在产品商标铭牌上标明,由生产厂给出。额定阻抗一般有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。

(3)定压输出

定压输出指的是功率放大器输出端至扬声器的激励电压。常见的有70V、100V(进口标准)和120V、240V(国内标准)。扬声器系统由匹配变压器和扬声器组成,如图7-10a所(4)频率响应

频率响应指的是扬声器发出的声压级在最低有效回放频率与最高有效回放频率之间的范围。公共广播扬声器的频率响应不尽相同,如号角式频响范围在400Hz~8kHz;仿真式在80Hz~18kHz;天花扬声器在150Hz~15kHz。

(5)灵敏度

灵敏度的定义是,在扬声器的输入端加入1W粉红噪声(粉红噪声的频率分量功率主要分布在中低频段,它是自然界最常见的噪声)信号时,在辐射方向上1m处所测得的声压值,用dB表示,公共广播使用的扬声器通常在90dB左右。

3.扬声器(音箱)的选用

对扬声器的选用,应视环境选用不同的品种规格。例如,在有顶棚吊顶的室内,宜用嵌人式无后罩的天花(吸顶式)扬声器,如图7-10a所示,这类扬声器结构简单,价格低廉,施工方便。主要缺点是没有后罩防护,易受昆虫、鼠类损坏。

在室外,宜选号角式扬声器或音柱,如图7-10f和图7-10g所示。

在园林、草地景观场所,宜选用和环境协调的草地音箱,其外壳通常用玻璃纤维制成,表面喷塑处理,如图7-10d所示。这类音箱形态优美,形象逼真,且音量和音质都比较讲究。由于音箱通常置于室外,因此还具有防雨和防水的功能。

在装修讲究的厅堂、过道,宜选用造型优雅、色调和谐的平板式扬声器,如图7-10c所示。

图7-11专业音箱

图7-11专业音箱

在无吊顶的室内(如地下停车场),则宜选用壁挂式扬声器如图7-10b所示。

礼堂、剧场、歌舞厅对音色、音质要求高,扬声器一般选用大功率的专业音箱,如图7-11所示。

7传输方式

由于功率放大器的输出方式不同,所以使用的导线及相关器材也有不同。如会议室、礼堂和卡拉OK等场所,功率放大器与扬声器的距离不远,一般采用低阻输出,大电流直接馈送,传输线要求用专用扬声器线;而对公共广播系统,服务区域大,距离长,为了减少传输

线路引起的损耗,往往采用高压传输方式,由于传输电流小,故对传输线要求不高。此外,由于高压输出,不能和扬声器直接连接,所以传输线进入扬声器之前,还需配置一个变压器将高电压低电流转换为低电压大电流,才能满足扬声器的需要。

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