影廳揚聲器的功率選擇

蘇冠華

(北京新亞天影電影科技股份有限公司,北京 100085)

在影廳還音系統(tǒng)的配置中,揚聲器的功率選擇是其中的關(guān)鍵一環(huán),對放映還音效果影響很大。目前有不少影院設(shè)計者在還音系統(tǒng)的配置過程中還存在一些誤區(qū),如配置揚聲器功率時,以影廳的座位數(shù)、銀幕寬度等來定義影廳大小,以至配置還音系統(tǒng)造成一些影廳揚聲器功率配置不足,影響電影放映還音效果或過度配置而造成浪費。比如影廳結(jié)構(gòu)為長方形,廳長與廳寬的比值較大,銀幕受到廳寬的限制,只能做得較小,如果作為小廳配置還音系統(tǒng),則放映還音時往往達不到規(guī)定的聲壓要求；再如有的影廳接近正方形,銀幕可以做得很大,由于廳長局限,聽音距離沒有多遠,按大廳配置還音,很可能造成配置過度而造成不必要的浪費。筆者從事電影放映器材、還音設(shè)備等集成工作多年,實踐中積累了較多有關(guān)影廳還音系統(tǒng)揚聲器配置的經(jīng)驗和體會,現(xiàn)與同行們進行如下分享。

揚聲器功率配置,需要重點把握住兩個環(huán)節(jié):一是根據(jù)影廳空間大小,估算出各類揚聲器的聽音距離；二是保證測試點(最佳聽音點)有足夠的聲壓。前者是揚聲器聲中心到測試點的距離,后者即為揚聲器工作時測試點處能達到的最大聲壓。

揚聲器聲中心是一個點,這個點對于同軸或單個揚聲器來說,正面發(fā)聲的中心點就是其聲中心；對于兩分頻揚聲器組合,高音揚聲器 (號角)的中點為聲中心；對于三分頻揚聲器組合,其中置聲道與高音揚聲器的交界處為聲中心。

測試點指的是在影廳長度2/3處起坡平面高出1.15m 的銀幕中軸線偏左或偏右一個座位處,如圖1中的P點,這個點就是影廳的測試點。還音系統(tǒng)配置時選擇揚聲器,也是以在該點能否達到規(guī)范要求的最大聲壓為依據(jù)。

圖1 影廳平面及立面圖

揚聲器聲中心到測試點的距離則為聽音距離。

1 主揚聲器系統(tǒng)的選擇

主揚聲器系統(tǒng)的選配,是影廳揚聲器配置的關(guān)鍵一環(huán),其直接影響到放映還音的質(zhì)量,如銀幕人物旁白的清晰度、效果音樂的豐滿度等。根據(jù)GY/T 311-2017 《電影院視聽環(huán)境技術(shù)要求和測量方法》,主聲道峰值聲壓應(yīng)該為大于或等于103dB。這就是說,主揚聲器的峰值功率應(yīng)滿足:主聲道最大聲壓減主揚聲器到影廳聽音測試點距離所衰減的聲壓,結(jié)果應(yīng)大于或等于103dB。那么要保證達到以上要求,就要根據(jù)配置影廳的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),不限于影廳的長、寬、高、幕大小、寬高比、銀幕底邊到影廳地面的高度、影廳的座位排列、起坡等,準確計算出揚聲器聲中心到影廳還音測試點的距離,以及此距離的聲學(xué)衰減值。配置的具體步驟如下:

首先進行揚聲器聲中心到測試點間的距離估算。影廳結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中標注有L、C、R 三路主音箱,P為測試點。圖1a、圖1b中各有一個直角三角形,一個是△y x l,一個是△y z l′,標注中:y為測試點到銀幕中心的距離；z為主揚聲器系統(tǒng)聲中心(一般設(shè)置在銀幕畫面高度的2/3處)到測試點對應(yīng)的高度(圖中為影廳2/3處起坡臺階平面高加上1.15m)；x為銀幕中心點到左 (右)揚聲器的距離(一般取銀幕畫面寬度的1/2 減去0.3m),l為主揚聲器到測試點的距離。根據(jù)圖1 所示,可方便得出聽音距離l的計算公式為:

式(1)中:x為銀幕中心點到左 (右)揚聲器的距離,y為測試點到銀幕中心的距離,z為主揚聲器系統(tǒng)聲中心到測試點對應(yīng)的高度。按照勾股定理公式:直角三角形的兩條直角邊的平方和等于斜邊的平方。同時根據(jù)影廳平面和立面圖中的概念,可以看出x、y、z分別為兩個直角三角形的直角邊,通過兩次“勾股”即得出式 (1)。為了讓讀者更清晰了解計算過程,請看下面示例。

示例一:有一個影廳,廳長 (銀幕起到影廳后墻距離)24m,畫面尺寸18.6×10.1m,畫面下視點0.8m,影廳2/3處起坡臺階高度為2.5m,該廳主揚聲器到測試點的聽音距離為多少?

廳長為24m,乘以2/3即為圖1中的y,y=24×(2/3)=16；銀幕寬度為18.6m,取其1/2再減去0.3m 即為圖1中的x,x=18.6× (1/2)-0.3=9；由銀幕尺寸得知銀幕高度為10.1m,取銀幕高度的2/3,加上銀幕下邊沿到地面的高度0.8m,減去聽音點處觀眾坐姿時的耳朵高度 (2.5+1.15),得出的就是圖1中的z,z=10.1× (2/3)+0.8-(2.5+1.15)≈3.93。將y、x、z同時代入式 (1),可得出該廳的聽音距離:

因此,該廳主揚聲器聽音距離約為18.77m。

有了聽音距離,可算出該距離對聲壓的衰減值來。計算公式為:

式(2)表示:距離對聲壓的衰減值是距離除以1取對數(shù)后的20倍,單位:距離為m,聲壓為d B。如果我們設(shè):距離為2m,這時對聲壓的衰減為:20lg2=20×0.3010≈6dB。

這里要說一下為什么用2m 距離來舉例,是因為:揚聲器有一個關(guān)鍵指標叫靈敏度,該指標是指在揚聲器輸入端加上額定功率為1W 的電信號、距離揚聲器軸方向1m 處所產(chǎn)生的聲壓級。根據(jù)這個概念,如果距離為1m,該處是沒有聲衰減的(lg1=0),設(shè)為2m 還有一個用意就是2m 是1m 的2倍,還可以推算出距離增加1倍時的聲壓的衰減情況:即聽音距離每增加1倍,聲壓在原來基礎(chǔ)上衰減6個分貝。為了驗證此概念,我們分別算出距離揚聲器發(fā)聲點4m、8m 和16m 處的聲壓衰減值來,分別為:

因為2/1=4/2=8/4=16/8=2,同時又有12-6=18-12=24-18=6,所以計算結(jié)果驗證了距離增加1倍聲壓衰減6個分貝的說法。

下面回到示例一,該廳聽音距離為18.77m,那么該距離的聲壓衰減為:

20lg18.77=20×1.273≈25.5dB

在聽音距離計算出聲壓衰減的基礎(chǔ)上,根據(jù)揚聲器的靈敏度(1m 處的聲壓),就可以計算出揚聲器必須具備的最大聲壓了。

計算公式為:

式(3)中:SPLmax為揚聲器最大聲壓 (額定功率時揚聲器正前方1m 處的聲壓),單位:d B；Lp為制式系統(tǒng)主聲道最大聲壓 (5.1/7.1 通道為103dB,全景聲為105d B)；l為聽音距離,單位:m。

示例二:某影廳配置5.1聲道系統(tǒng),聽音距離為15m,主揚聲器的最大聲壓至少要達到多少分貝?

根據(jù)5.1聲道數(shù)字立體聲規(guī)范要求,主聲道最大聲壓(在聽音點處)應(yīng)達到103dB,又已知該廳的聽音距離為15 米,對應(yīng)式 (3),即為:Lp=103,l=15。

將Lp、I代入式(3)得:

SPLmax=103+20lg15≈103+23.5=126.5d B

因此,該廳主揚聲器最大聲壓應(yīng)達到或大于126.5dB。

揚聲器的最大聲壓,在廠家給出的參數(shù)中可以查到。這時,只要選擇最大聲壓等于或大于估算聲壓的揚聲器即可。有的品牌揚聲器參數(shù)中只標明了阻抗、功率、靈敏度,沒有最大聲壓,可以根據(jù)額定功率和靈敏度 (IW@IM)來換算出最大聲壓。其換算公式為:

式(4)中:Ls為揚聲器的靈敏度(IW@IM),單位:d B；P為揚聲器額定功率,單位:W。

示例三:如某揚聲器額定功率600W,靈敏度98dB,計算其最大聲壓為:

SPLmax=98+10lg600≈98+27.8=125.8d B

如果將本揚聲器用于示例二中的影廳,因125.8d B＜126.5dB,顯然功率達不到要求。若選用功率900W,靈敏度為99dB,最大聲壓為128.5dB的音箱,符合該廳主揚聲器的聲壓要求。

2 環(huán)繞聲揚聲器系統(tǒng)的選擇

環(huán)繞聲揚聲器系統(tǒng)的選擇與主聲道不同之處是:主聲道是單組獨立工作,環(huán)繞聲是多只揚聲器組合在一起工作。配置前需要了解多只揚聲器組合一起工作時,總的聲壓和單只揚聲器獨立工作時的聲壓變化情況,這里介紹多只相同功率(包括其它參數(shù))揚聲器同時工作時的聲壓計算方法。在已知每只揚聲器的靈敏度的情況下,使用公式:總聲壓 (d B)=Ls+10lg N 可以計算得出結(jié)果。式中:Ls為揚聲器靈敏度,N 為揚聲器的數(shù)量(只)。

如某環(huán)繞聲揚聲器靈敏度為95dB,如果分別將2只、4只和8 只組合一起工作,則總聲壓級分別為:

從上述計算結(jié)果可以看出,相同揚聲器的數(shù)量每增加1倍,總聲壓在原來聲壓級基礎(chǔ)上提高3個分貝。

那么影廳環(huán)繞聲揚聲器的數(shù)量是怎么確定的呢,選用環(huán)繞聲揚聲器的水平覆蓋角一般由相鄰揚聲器距離大約在2～3m 來確定,同時以離銀幕最近的一只不超過第一排觀眾為宜。如某影廳,第一排觀眾座席到影廳后墻距離為20米,則:20/2=10,20/3≈7,所以該廳的左 (右)環(huán)繞聲揚聲器可配置為7～10只。具體數(shù)量要根據(jù)影廳情況,如墻壁梁柱、燈帶等設(shè)施布置,還要結(jié)合多只揚聲器的串并聯(lián)后阻抗的計算以及與功率放大器阻抗的匹配,最終確定環(huán)繞聲揚聲器的數(shù)量。環(huán)繞聲揚聲器數(shù)量確定后,就可進入聽音距離的計算程序了。

在估算聽音距離時,首先要確定環(huán)繞聲揚聲器聲中心的高度。

圖2 是影廳左右環(huán)繞聲點位圖。圖中Lss 和Rss為左右環(huán)繞聲揚聲器,P 為影廳中軸線上的、某環(huán)繞聲揚聲器所對應(yīng)的觀眾聽音點,左右環(huán)繞聲揚聲器聲中心的高度 (H)應(yīng)該通過計算獲得,公式為:

圖2 左右環(huán)繞聲位置圖

式(5)中:H 為環(huán)繞聲揚聲器的高,單位:m；W 為影廳的寬,單位:m。

需要說明的是,高度H 的起點是從該揚聲器對應(yīng)的觀眾起坡平面開始的,即H 為揚聲器聲中心垂直向下到觀眾座椅起坡平面的距離。

示例四:某影廳的寬度 (左右墻到墻)為18m,該廳左右環(huán)繞聲揚聲器聲中心高度應(yīng)該為:影廳寬度 (W)為18m,只需將W=18 代入式(5),即可求出該影廳環(huán)繞聲揚聲器的高度:

有了聲中心的高度(H),就可以用勾股定理計算出聽音距離(L):

式(6)中出現(xiàn)的0.3m 為揚聲器聲中心到墻面的距離,1.15m 為觀眾坐姿時耳朵到地面的高度。

得出聽音距離后,用配置主聲道揚聲器的相同方法,求出聽音點處達到規(guī)定聲壓時揚聲器的最大聲壓值,要求選擇的揚聲器的最大聲壓值不得小于計算值。

由于環(huán)繞聲揚聲器是矩陣式工作方式,即每組都有多個同規(guī)格揚聲器同時工作,計算出來的最大聲壓是多個揚聲器共同承擔的,那還要計算出每只揚聲器需承擔的功率部分值。

每只環(huán)繞聲揚聲器所承擔的聲壓=SPL-10lg N,SPL為矩陣組合最大聲壓,N 為環(huán)繞揚聲器的數(shù)量。

如示例四中每組環(huán)繞聲揚聲器為6只,矩陣最大聲壓為音箱最大聲壓級+20×lg 距離=100+20lg9.1≈119.18d B。

每只揚聲器所承擔的最大聲壓為:

119.18-10lg6≈119.18-7.78=111.4dB

如果我們在SLS 系列環(huán)繞聲揚聲器中選擇CS1090,其最大聲壓為119dB,大于111.4dB,符合聲壓要求。如果選用CS850,其最大聲壓只有109d B,不符合聲壓要求。

3 次低頻揚聲器系統(tǒng)的選擇

按照GY/T 312-2017 《電影 錄音控制室、室內(nèi)影廳B 環(huán)電聲響應(yīng)規(guī)范和測量》,次低頻揚聲器系統(tǒng)的峰值聲壓要求比主聲道峰值聲壓高出10d B,主聲道為103d B,那次低頻揚聲器的峰值聲壓則要求達到 (或超過)113dB。因為聲壓懸殊過大以及次低頻的窄頻特性,一般在還音測試時不用聲級計直接測量其聲壓級,而是在實時分析儀上看頻譜曲線的高度來確認。為什么說次低頻比主聲道聲壓懸殊大呢,我們就用相同功率來比較,功率是原來的2倍,聲壓增加3d B,功率提高4 倍,聲壓增加6dB,功率提高到8倍,聲壓增加9dB,那功率增加10W,功率則需提高到10倍及以上才能達到要求。所以次低頻揚聲器系統(tǒng)由于聲壓過大,多采用多只揚聲器一同工作,以達到規(guī)定的聲壓要求。

因為次低頻揚聲器的選擇,其聽音距離可參考(或等同)主聲道,無需(可忽略)估算；根據(jù)其在聽音點處的聲壓要比主聲道高出10d B即113dB,以及靈敏度,利用式(4)來直接計算揚聲器的所需功率。

如示例二中的某影廳,主聲道聽音距離為15m,聽音點最大聲壓113dB,則次低頻揚聲器系統(tǒng)必須滿足的最大聲壓為:113+20lg15≈113+23.5=136.5dB。

選擇SLS系列的CS218XL,每只最大聲壓只有133dB,達不到聲壓要求,SLS系列沒有再大功率的次低揚聲器了,那只能增加揚聲器數(shù)量,先選擇2只CS218XL,看是否合適。

由于兩只聲壓相等的揚聲器一起工作,總聲壓級可在一只聲壓基礎(chǔ)上增加3dB。也就是說增加2只CS218XL,總聲壓級可由133dB 提高到139d B,這樣就符合聲壓要求了。另外,多只次低頻揚聲器如果疊加在一起,聲壓級還可提升3d B；如果把次低頻揚聲器放置在地面,還可以提高2dB。

4 結(jié)語

通過以上計算和分析,筆者與大家分享以下觀點:

(1)影廳還音系統(tǒng)揚聲器的功率選擇只與聽音距離和揚聲器最大聲壓有關(guān)。

(2)聽音距離由影廳長度所決定,而與影廳的座位數(shù)、銀幕寬度沒有關(guān)系,根據(jù)影廳座位數(shù)和銀幕寬度來選擇揚聲器功率是不科學(xué)的。

(3)揚聲器最大聲壓由揚聲器有效功率和靈敏度共同決定,配置時不能只考慮功率不考慮靈敏度。

注釋

①正常情況下,銀幕中軸線和影廳中軸線是重合的,但有的影廳因銀幕不在影廳左右中心位置,銀幕和影廳的中軸線是不重合的,這時測試點應(yīng)該設(shè)置在銀幕的中軸線上。

②為保證各路主揚聲器系統(tǒng)都能達到規(guī)定的聲壓,所以取左右路揚聲器到測試點的距離為聽音距離。

③揚聲器額定功率——應(yīng)為IEC噪音,AES持續(xù)時間為2小時來計算。

④兩個聲壓級相等的兩個聲源相同聲壓作用于某一點時,總聲壓不能直接相加,其合成的總聲壓級比一個聲源的聲壓級增加3dB。如兩個聲源LP1=LP2,則總聲壓級:LP (總)=LP1+10lg2≈LP1+3 (dB) 。