潘志祥

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野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)音質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

潘志祥

(四川湖山電器股份有限公司，綿陽(yáng) 621000)

野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)主要用于在各種復(fù)雜條件下的戶外使用。該產(chǎn)品主要運(yùn)用了D類功率放大技術(shù)、智能控制技術(shù)、觸摸操控技術(shù)等。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在使用D類功率放大和經(jīng)數(shù)字化處理后的聲音在聽感上存在生硬的感覺(jué)，為改善系統(tǒng)的聽感，從產(chǎn)品研制的實(shí)際出發(fā)，對(duì)音頻驅(qū)動(dòng)器IRS2092增加了音色補(bǔ)償電路，結(jié)合揚(yáng)聲器選用、滾塑音箱號(hào)角曲線設(shè)計(jì)與聲相位的調(diào)試來(lái)綜合提升野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)的音質(zhì)，使其能與傳統(tǒng)場(chǎng)館系統(tǒng)的音質(zhì)媲美。

音色補(bǔ)償電路；滾塑音箱號(hào)角曲線設(shè)計(jì)；聲相位

0 引言

經(jīng)過(guò)近10年的研制，野戰(zhàn)專用音響系統(tǒng)[1]已進(jìn)入第六代，在功能上充分運(yùn)用D類功率放大技術(shù)、智能控制技術(shù)、高清解碼播放技術(shù)、觸摸操控技術(shù)、高清圖像顯示技術(shù)、滾塑包裝工藝技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)、便攜式折疊思路，功能上全面實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、一體化、集中化控制，其顯示直觀、操作簡(jiǎn)捷，質(zhì)量穩(wěn)定可靠、堅(jiān)固耐用等性能也得以提升。該戶外音響系統(tǒng)非常適合部隊(duì)在各種復(fù)雜條件下使用。

專業(yè)的音響系統(tǒng)，本質(zhì)上是對(duì)聲音的真實(shí)再現(xiàn)。但使用D類功率放大技術(shù)，經(jīng)數(shù)字化處理后的聲音，存在一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題，就是在聽感上沒(méi)有模擬的聲音自然、好聽，總有一種生硬的感覺(jué)，這就是通常業(yè)內(nèi)所說(shuō)的“數(shù)碼聲”[2]。如何克服數(shù)碼聲，進(jìn)一步優(yōu)化野戰(zhàn)數(shù)字影音系統(tǒng)的音質(zhì)，并增強(qiáng)聲音的指向性，是下一代產(chǎn)品研制中的重點(diǎn)。

在本系統(tǒng)中，提升音質(zhì)最重要的技術(shù)包括：

(1) 功放芯片的選用與外圍電路的改善；

(2) 滾塑音箱[3]高音號(hào)角與音腔設(shè)計(jì)。

下面分別從D類數(shù)字功率放大器與音箱系統(tǒng)在研制過(guò)程的具體解決方案作介紹。

1 D類功率放大器

1.1 數(shù)字音頻與數(shù)碼聲產(chǎn)生的原因

眾所周知，信息信號(hào)的數(shù)字化處理是現(xiàn)代科技的一個(gè)重大里程碑。對(duì)音頻信號(hào)的數(shù)字化處理，取代了傳統(tǒng)的模擬處理方式。這是因?yàn)閿?shù)字化具有前所未有的諸多優(yōu)勢(shì)，如：輸出級(jí)功率效率高、功耗低、體積小、成本低、過(guò)載能力高、可靠性高、一致性好、生產(chǎn)調(diào)試簡(jiǎn)單等，但音頻信號(hào)的數(shù)字化會(huì)存在前述所說(shuō)的數(shù)碼聲。這是由于對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理必須進(jìn)行壓縮，根據(jù)奈奎斯特采樣定律來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)的幅度進(jìn)行線性或適應(yīng)性的量化、編碼調(diào)制(如脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation, PCM)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADPCM)、Δ-Σ、連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(Continuous Variable Slope Delta Modulation, CVSD)等)處理，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化——模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital converter, AD)過(guò)程。只要經(jīng)過(guò)一套適當(dāng)?shù)姆醋儞Q——數(shù)模轉(zhuǎn)換(Digital to Analog converter, DA)，就可恢復(fù)出原信號(hào)。但是，音樂(lè)信號(hào)有很豐富的諧波，數(shù)字化過(guò)程中因?yàn)閴嚎s信息的數(shù)據(jù)量，采樣頻率、量化精度受限，在高頻就會(huì)丟失許多信息(例如小提琴、鋼琴的泛音)；丟失信息越多，聲音的數(shù)碼聲就必然越嚴(yán)重。

1.2 目前解決D類功率放大器數(shù)碼聲的相關(guān)技術(shù)

新型D類放大技術(shù)，采用閉環(huán)負(fù)反饋架構(gòu)，不僅有助于提高音頻性能，增強(qiáng)音頻子系統(tǒng)對(duì)揚(yáng)聲器的控制能力，也有助于改進(jìn)低音響應(yīng)，更精準(zhǔn)地復(fù)制聲音。此外，還實(shí)現(xiàn)了出色的電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)，降低耦合至音頻段的電源噪聲。

通過(guò)集成高性能采樣率轉(zhuǎn)換器(Sample Rate Convertor, SRC)和Δ-Σ處理技術(shù)，使總諧波失真+噪聲(Total Harmonic Distortion+Noise, THD+N)得到了更大的改善，而且動(dòng)態(tài)范圍也得到了大幅擴(kuò)展。例如，美國(guó)德州儀器公司數(shù)字功放技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 dB以上的信噪比。該技術(shù)集成了諸如動(dòng)態(tài)范圍控制、噪聲消除、響度補(bǔ)償、喇叭頻響補(bǔ)償[4]等數(shù)字技術(shù)。

美國(guó)Crown公司設(shè)計(jì)的Class-I數(shù)字功率放大器，采用平衡電流放大器(Balanced Current Amplifier, BCA)[5]技術(shù)和高采樣頻率250 kHz及精細(xì)量化16 bit編碼調(diào)制技術(shù)，使低通濾波器的工作效率更高、內(nèi)阻更小、阻尼系數(shù)更大，同時(shí)還可減少濾波器的相位偏移，得到更豐滿、更清晰細(xì)膩、更平滑、更悅耳的聲音。

通過(guò)以上技術(shù)，頻譜圖得到了較大的改善，聽感上也會(huì)豐富些，但音色方面仍會(huì)給人“偏硬”(或冷冰冰)的感覺(jué)。

1.3 音色補(bǔ)償電路改善“數(shù)碼聲”

為進(jìn)一步改善這一狀況，決定從產(chǎn)品研制的實(shí)際出發(fā)，結(jié)合所使用的音頻驅(qū)動(dòng)器IRS2092，通過(guò)大量外圍電路實(shí)驗(yàn)后，決定增加一個(gè)音色補(bǔ)償電路來(lái)改善數(shù)碼聲。為說(shuō)明起見，下面的圖1 和圖2，分別給出了先前使用的D類功率放大器和增加的音色補(bǔ)償電路。

該音色補(bǔ)償電路(見圖2)應(yīng)用于產(chǎn)品后，重點(diǎn)從以下三個(gè)方面改善了音質(zhì)：

圖1 D類功率放大器基本框圖

圖2 音色補(bǔ)償電路

(1) 該電路提高了信噪比(THD+N)，輸出的功率信號(hào)更加干凈，從而大大提高了D類功率放大器保真度；

(2) 三極管驅(qū)動(dòng)提高了功放的驅(qū)動(dòng)能力，功放力度更好，避免了D類功放音質(zhì)較軟的缺點(diǎn)，聽覺(jué)更加豐滿；

(3) 兩級(jí)解調(diào)低通濾波電路，濾去部分高次諧波，使系統(tǒng)的發(fā)聲更加圓潤(rùn)、平衡。

以上電路改善了D類功率放大器的音色，也提高了其穩(wěn)定性。

以2×200W數(shù)字功率放大器為樣本，增加音色補(bǔ)償電路前后做了客觀測(cè)試與系統(tǒng)主觀聽音評(píng)測(cè)[6]，測(cè)評(píng)結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 客觀測(cè)試指標(biāo)對(duì)比

注：測(cè)試頻率范圍20 Hz～20 kHz；主要測(cè)試設(shè)備 AP SYS2722

表2 系統(tǒng)的主觀聽音評(píng)測(cè)

注：音源主要為軍歌

2 音箱系統(tǒng)

野戰(zhàn)專用音響系統(tǒng)要求在戶外達(dá)到音頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送，同時(shí)要求音質(zhì)具有很好的清晰度和可懂度。前期也做過(guò)了包括對(duì)揚(yáng)聲器單元系統(tǒng)的組合應(yīng)用，以及改善單只揚(yáng)聲器單元靈敏度等方面的部分研究。

此次對(duì)野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)的優(yōu)化，是在此前基礎(chǔ)上對(duì)揚(yáng)聲器的選用、滾塑音箱號(hào)角曲線設(shè)計(jì)與聲音相位的調(diào)試上做了更深入的研究，取得了很大的突破。在滾塑音箱號(hào)角曲線與系統(tǒng)相位的調(diào)式上，目前沒(méi)有辦法建模并進(jìn)行理論演算，只能通過(guò)調(diào)音師的反復(fù)對(duì)比調(diào)試得出優(yōu)化的結(jié)果。

2.1 揚(yáng)聲器選擇碳纖維交叉編織振膜結(jié)構(gòu)

野戰(zhàn)數(shù)字音響的功率一般為100～200 W，驅(qū)動(dòng)一般紙盆揚(yáng)聲器時(shí)聲音相對(duì)混沌無(wú)力，故選擇碳纖維交叉振膜揚(yáng)聲器(見圖3)。因?yàn)槠渚哂谐p的質(zhì)量，易于驅(qū)動(dòng)、瞬態(tài)響應(yīng)極佳，且不會(huì)出現(xiàn)低音一出聲就混濁的現(xiàn)象，而是可以聽到被傳聲音非常豐富的低頻細(xì)節(jié)。采用超強(qiáng)剛性結(jié)構(gòu)就使得低音在超大功率驅(qū)動(dòng)下，不會(huì)出現(xiàn)因音盆硬度不夠而導(dǎo)致的低音發(fā)軟無(wú)力的現(xiàn)象，有效改善了野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)在戶外擴(kuò)聲環(huán)境下低頻力度不夠的現(xiàn)象。

圖3 碳纖維交叉編織振膜揚(yáng)聲器

2.2 滾塑音箱號(hào)角曲線設(shè)計(jì)

眾所周知，不同箱體材料對(duì)音質(zhì)的影響不同，塑料材料箱體容易使聲音混沌不清。為此運(yùn)用聲學(xué)上的相位栓塞[7]和壓縮擴(kuò)展技術(shù)，經(jīng)過(guò)多次曲線調(diào)整，最終采用了以下形狀的高、中音號(hào)角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，使得聲音的指向性強(qiáng)、高音明亮、中音結(jié)實(shí)有力，傳輸距離也更遠(yuǎn)。

2.3 系統(tǒng)的聲相位調(diào)試

由于音箱體積的限制，兼顧高、中、低音之間的物理間距較小，各頻段之間的聲干涉會(huì)比大體積音箱嚴(yán)重，造成聲音的清晰度下降。為解決這一問(wèn)題，利用全消聲室、KLIPPEL電聲測(cè)試設(shè)備、專業(yè)視聽室等科研設(shè)備，結(jié)合調(diào)音師的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用KLIPPEL測(cè)試系統(tǒng)對(duì)揚(yáng)聲器的近場(chǎng)頻響進(jìn)行測(cè)試分析[8]，經(jīng)過(guò)大量的對(duì)比調(diào)試，將每個(gè)揚(yáng)聲器單元的聲相位盡量調(diào)整到一致，從而達(dá)到指向性強(qiáng)、聲壓級(jí)高，高、中、低音音質(zhì)平衡，聲音清晰度、可懂度大為提高的最終目的。野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最大聲壓級(jí)對(duì)比如圖5和圖6所示。

圖4 滾塑音箱號(hào)角曲線實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)音質(zhì)優(yōu)化前的最大聲壓級(jí)

圖6 系統(tǒng)優(yōu)化后的最大聲壓級(jí)

3 結(jié)論

采用音色補(bǔ)償電路，碳纖維交叉編織振膜揚(yáng)聲器，滾塑音箱號(hào)角曲線設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)各頻段的聲相位進(jìn)行一致性調(diào)試等技術(shù)處理，有效地提高了野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)的音質(zhì)，使得該音響系統(tǒng)的音質(zhì)可與傳統(tǒng)場(chǎng)館擴(kuò)聲系統(tǒng)的音質(zhì)媲美；也保證了該系統(tǒng)野戰(zhàn)使用的可靠性和穩(wěn)定性。

下一步的工作將賦予野戰(zhàn)數(shù)字音響系統(tǒng)更多的智能化功能，并不斷提高其音質(zhì)特性，以期達(dá)到更高級(jí)別的保真度效果。

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Sound quality optimization of field digital audio system

PAN Zhi-xiang

(Sichuan Hushan Electric Co..Ltd,Mianyang 621000, Sichuan,China)

The field digital audio system is mainly used in various complicated conditions. This product integrates some advanced techniques such as D-class power amplifier, intelligent control and touch control. Experiments found that the sound has a stiff sense of hearing via D-class amplifier and digital processing. Starting from the actual situation of product development, a timbre compensation circuit is added in audio driver ISR2092, and by combining it with loudspeaker selection, horn curve design of rotational molding sound box and acoustic phase debugging, the sound quality of the field digital audio system is overall improved, so that the proposed digital audio system can match the sound-reinforcement system of traditional stadiums in sound quality.

timbre compensation circuit; horn curve design of rotational molding loudspeaker; acoustic phase

TN02

A

1000-3630(2018)-05-0453-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.009

2017-12-21;

2018-03-02

潘志祥(1969－), 男, 四川綿陽(yáng)人, 研究方向?yàn)橐繇憯U(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試與安裝。

王麗華, E-mail: wlh470@126.com