搖滾樂團需要用大輸出的擴音系統(即俗稱的PA系統),使他們在音樂廳能獲得足夠的輸出電平,在任何的音響系統中最困難的一環就是喇叭。而在高輸出的現場放大系統中這些喇叭的缺陷顯得更清楚,如果要獲得良好的音質,這些現場的放大系統比家用的系統更需要謹慎的處理。
雖然在現場演奏會中興奮及熱鬧的氣氛彌補了音質不良的缺點,但是由於聽眾已逐漸習於自己家中所使用的高傳真音響系統,所以聽眾對音質的要求也越來越嚴格,至少也要達到相當的水準。一般錯誤的觀念都認為「聽眾能忍受較差的音質」,這種想法需要小心的接受。音響系統在尖峰時偶爾發生的超載還可以忍受,但是糢糊不清的人聲則是難以忍受的。引起現場廣播系統失真的因素比家用音響的主要失真─諧波失真,要多的多了。音樂廳中飄忽不定的迴響,多音路排列中喇叭的相位干擾,及不斷出現的尖峰電壓都會對現場演奏中的音質產生嚴重的干擾。
聲壓
在Disco舞廳中的聲壓約在105到115分貝之間,女高音獨唱可高達104分貝,交響樂團的紀錄達到115分貝,爵士樂隊更有高達125分貝的聲壓,搖滾樂中鼓的獨奏在一米外仍可測得130分貝的聲壓。這些因素使得典型的搖滾演奏會達到110至125分貝之間的聲壓在觀眾的心裡留下了深刻的印象,尤其在許多樂器的聲壓都超過了痛苦的極限(125分貝)時,更令人難以忘懷。
號角型喇叭
大多數的公共廣播系統都必須經常的搬運及運輸,所以它們除了需要特別的堅固外,大小和重量也必須儘量的減少。在PA系統中最大的就是喇叭,所以喇叭最好是越少越好,因此我們必須有一種高效率的喇叭。大家都曉得直接輻射(即無限障板)的喇叭效率最高也只能達到百分之二左右。
如果音質要好,那麼只有降低喇叭的效率以換取較好的效果;例如家庭式的高傳真喇叭,它們的效率大約都低於百分之0.5。低音反射式的效率較高,但也限於低頻時才能獲得百分之二至八的效率。
在前衛搖滾及大型戶外音樂會產生之前,沒有人想到需要去放大整個樂團的聲音,所以大部分都只使用柱型喇叭來播放人聲就夠了。直到10年前前衛搖滾的主要樂團之一─鐵蝴蝶(Iron Butterfly)在亞伯廳(Albert Hall)使用了一個RCA公司為舞台而設計已有30年歷史的喇叭,從此功率革命開始了。
鐵蝴蝶發現了RCA為電影院設計的W-Bin型號角喇叭。號角型喇叭具有最高的效率,一般都在百分之二十五至百分之五十之間,更好的是一個製作良好的號角在所有的喇叭系統中有最好的傳真性。毫無疑問的在高功率的要求下對於相同的大小、重量、音質、聲音擴散的控制條件來說,號角型喇叭具有最好的 SPL。自然的號角型喇叭就成為現場表演中所不可或缺的器材,也因此我們必須對號角型喇叭的特性有所了解,才能設計出勝任的高功率喇叭系統。
號角
號角是一個聲音的轉換器,如圖一。利用空氣壓力的逐漸改變來匹配空氣的彈性(低阻尼)及喇叭振膜的剛性(高阻尼),轉換器的工作方法就是號角會具有高效率的主要原因。如果號角需要發出一個相當長的波長,可是在音喉(Throat)的部份並不能產生足夠的空氣壓力,那麼號角就又回歸成直接幅射的型式,而且輸出極劇的下降,因此這些號角就變成高通濾波器(Highpass Filter),在這個臨界點(即截止頻率)以下號角就不能良好的工作。
音喉及音嘴的面積,號筒的弧度及截止頻率,還有號筒的長度都有著相互的關連,由於這五個變數使得號角有特定的大小,不像其他喇叭的大小可任意改變。
只要喇叭的振模移動,就會產生失真,特別是互調失真。這種失真聽起來使聲音感覺很混濁,尤其在高電平時更為明顯。一個直接輻射的振模必須要移動很大的距離才能獲得足夠的聲壓,尤其在低頻時更明顯,振膜的大幅度移動就會引起大量的互調失真。在相同的音量輸出下號角振膜的移動比直接輻射式振膜的移動小了10到500倍,所以在較大的音量下,號角也不致陷於大量的互調失真。
雖然號角的互調失真減少了,但相對的卻產生了低階諧波失真,這是因為在音喉處的高空氣壓力引起空氣過載失真而產生的。空氣過載失真的大小主要由號筒的弧度、輸入功率及工作頻寬來決定。在高功率的音響系統中號筒的弧度經常是指數型或tractrix (Involute cantenary),這些曲線是在功率最大及空氣過載失真最小的條件下最適當的曲線。
限制任何喇叭的工作頻寬能減少互調失真,但是對號角型喇叭而言,限制頻寬更能降低空氣過載失真,這些限制頻寬的交越網路我們會在下面討論。
空氣過載失真的影響主要是我們尚可忍受的二階諧波失真,因此號角型喇叭有提高效率、減少互調失真、體積較小及產生無害的低階諧波失真等優點。
實際上的號角
號角的大小與發出聲音的波長有密切的關係,所以低音號角箱(Bass Bin)一定很大。為了要獲得平滑的頻率響應,號嘴的圓周要比所發出聲音的最長波長大四倍,那麼截止頻率20Hz的號角就必須有40000平方英呎的號嘴,所以在實際的情況裡我們必須採用較折衷的方法。在上面的例子裡號角是以四周的空間為負載,每次輻射的立體角(Solid angle)減少一半,號角的面積就減少一半。因此只要截止頻率稍為高一點,對平坦的頻率響應的要求稍寬一點,號嘴就能減少許多。例如典型的牆負載(Wall loaded)PA號角(在地板上背對一座牆,及立體角為180∘)在截止頻率60Hz的條件下號嘴的大小減至3呎x1/2呎。因為號角長度及號嘴大小有著密切的關係,一個截止頻率設定在60Hz的號角要有較小的號嘴,或者對任何一個定面積的號嘴要有更低的截止頻率,我們都能利用預裁(Forshortening)號角的方法,亦即在號嘴還沒有延展到很大的面積時就將其截斷。
預裁過的低音號角箱再首先的兩個八度音程會引起極不規則的頻率響應,這會使得低頻產生渲染及失真。因此犧牲低頻以獲得平坦的頻率響應,比獲得低於正常能力的低頻要好得多了。表一中列了牆負載低音號角的最小號嘴面積,這個表還可以用來確定在平坦的頻率響應下低音號角的最小頻率,而不要去相信廠商的規格。
實際上由於搬運的理由,只有少數的低音號角箱才有足夠的大小去發出低於60Hz的聲音。角負載(Conor loaded)能延伸頻率響應如表一中所列的值,但是將低音號角放在角落並非經常可行。
通常我們都使用開孔的箱子來發出首先的兩個八度音程,許多低音號角箱都具有由振膜的背面輻射所驅動的反射部份。這方法不錯,但是如果使用分離的開口箱子來包圍號角驅動器的後面部份就更好了。這樣子組成的壓縮室始號角的響應更平坦。
因為這些優點,低音號角箱成為現場音樂會所必須的,同時它的缺點也成為音樂會中永遠存在的問題。為了獲得平坦的頻率響應,三個較好的方法是：
(1)使用大的號角能直接使頻率響應平坦的延伸到20Hz或更低。
(2)使用一般手提式低音號角,頻率響應可達50Hz至60Hz並使用數個開孔的箱子(效率較低)來負責20至60Hz的範圍。
(3)使用角負載的方法使頻率響應延伸至35~42Hz然後放棄較低的頻率(實際上在40Hz處急速衰減的響應對現場音響系統來說也足夠了)。
中高頻號角因為本身並不大,所以不會有低音號角的問題。但是它們在截止頻率以上的第一個八音程也會有不平衡的頻率響應,這種影響使聲音聽起來像是雁鳴聲(Honk)。這個結果使號角獲得惡評,但是這也只是應用上的錯誤,最簡單的解決方法是使有雁鳴聲的號角工作在較高的頻率。
交越網路及頻寬限制
一個小的直接輻射器,就能發出整個音頻,但是限制頻寬後更能大量的降低互調失真,因此號角的工作範圍很少超過3個八度音程。當號角在低於截止頻率下工作時,振膜不再受空氣壓力負載而變成直接輻射,這表示長衝程在振膜上所產生的振幅會使得振膜發生危險。這個效果對高頻號角來說特別嚴重,因為高頻號角在設計的當初一般都使用為號角負載所設計的壓縮驅動器,所以因直接輻射所引起的振膜的大幅度移動會使得高頻號角遭到破壞。所以自然的,如果要避免驅動器受損,我們必須使用較尖銳的交越網路。
最簡單的交越網路是被動式的如圖二。如果要做成高功率、低損耗那麼就要付出昂貴的代價。圖二所示的LC濾波網路的工作範圍依所連接的喇叭而有所不同,並且此網路會對功率放大器形成一個不穩定的負載,這種結果非常不好。因為這種原因,家用音響的LC或RLC網路都設計得非常複雜,這樣子做的效果當然好多了,但是效率卻降低了許多;因此被動的交越網路在高功率的放大系統中沒有很大的價值,而且在喇叭上接上任何形式的網路都會使聲音聽起來沉悶,尤其對聲音特別清澈的號角影響更大。現在大多數專業性的高功率放大器都使用主動式的交越網路,主動的意思是指交越網路中使用電晶體或IC等主動元件,這種網路大約都位於功率放大器之前。那麼對每一個不同的頻率範圍我們就需要一部放大器,結果一個三音路的主動交越網路就需要三部放大器,故稱為「三路放大系統」(Tri-amplifier),除了增添額外放大器的花費之外,這種方法的好處是：
(1)主動濾波器能產生較尖銳的斜率,而不像在被動濾波器中會有大量損耗,尖銳的斜率能使號角承受較大的功率,並且在靠近截止點時較不易受損。主動濾波器的斜率比被動濾波器大約要大2~4倍。
(2)具有可改變的分頻點及分頻斜率。藉此可以補償低音號角箱在不同位置時不同的截止頻率。
(3)主動濾波器的負載不變。這使得濾波器的工作穩定。
(4)放大器直接連接到所負責的喇叭,這使得在低頻時有良好的阻尼。
(5)搖滾樂約百分之五十的能量都低於350Hz,因此放大器的切割大都發生於低頻放大器,因此而產生的高階諧波都直接輸入低頻號角,而低頻號角的驅動器無法有效的發出這些高頻,因此這些失真也就合法的掩飾了。
(6)放大器及喇叭的互調失真都降到最小。
(7)放大器及喇叭在相同的功率及阻抗下比起被動濾波器有最好的效率。
從1、5、6、7四點可知使用主動濾波器的系統在聲音變得混濁不清的相同條件下能承受較大的功率,因此一個1000瓦的「三路放大系統」比使用被動濾波器的1000瓦的放大系統要清晰得多了。在能接受的空氣負載的失真電平之下號角的工作通常限制在3個八度音程,所以最少需要三個號角才能涵蓋整個聲頻。從40Hz開始,典型的分頻點都在320Hz或2.5KHz,如果我們使用更多的號角使頻寬更窄,音質應該更好。但是這樣做在分頻點的變化,尤其在介入中頻的臨界頻率時,也是個很困擾的問題,而且增多的放大器及號角,除了更花錢外還增加了不少的體積和重量。
最適當的組合是五路、四路或三路放大系統,圖四是典型的三路、四路、五路放大系統。對五路放大系統而言,如果要使得每一個濾波器的頻寬相同,想要避開中頻的臨界範圍(750~3000Hz)是很困難的,同時低頻濾波器具有傍路的特性,以防止低音號角受到低於截止頻率的高電平訊號的損害。
功率放大器
所有的喇叭在承受長時間的功率超載下都會受損,如果音響系統不是由技術人員操作的話,喇叭最好使用在功率放大器的百分之十到一百之間。在高功率系統中,常使喇叭在功率放大器之前超載,因為喇叭超載的聲音比擴大器超載的切割聲要更容易忍受。這樣做音響工程師必須要很熟悉過載號角的聲音,並且除非絕對必要,不要延長過載的時間。現場音樂,尤其是搖滾樂的基本要素之ㄧ,就是漸強音(Crescendo),由於這具有極大的動態範圍,也因此而使得音響系統不能經常以真實的電平發出漸強音。一種方法是使用限幅器(limiter)來降低動態範圍,但這樣會使得演出大為失色。比較折衷的方法是使低音喇叭偶爾的超載,例如一個好的100瓦15英吋驅動器能承受500瓦的功率數秒而不至損壞。這種方法只有在尖峰時才能偶爾使用,否則喇叭將不長壽。
在「三路放大系統」中,每一個號角都有其自身的放大器。高頻號角的壓縮驅動器在全功率輸出下有發出140分貝SPL的能力,所以高頻號角很少需要超載。壓縮驅動器在額外的輸入下很容易受損,所以將音樂功率100瓦的號角接在連續功率超過100瓦的擴大機是很不明智的方法。如果號角能承受連續功率100瓦,那麼只要(1)整個系統絕對不使用在純正弦波上,(2)只是偶爾的讓喇叭承受超額的功率,則號角喇叭就能連接在輸出功率較大的放大器。要記得的是切割大都首先發生在低頻,所以低頻放大器要比中高頻放大器的功率大2到5倍。
市場上大多數的專業功率放大器都非常的不錯,但是在最大輸出下的失真,尤其在音頻的極限範圍處,失真就很明顯。同時一個好的放大器在全功率輸出下也應能良好的驅動低於標示阻抗下的實際阻抗。
對公共廣播的器材而言,可靠性是很重要的。放大器具有巨大的散熱器,額外的輸出級、溫度補償(Thermal cutout)、錯誤及狀態指示器、密合的金屬箱、健全的面板控制鈕,及備用的保險絲或電路斷路器(Circuit breaker)都對器材的使用有很大的幫助。
號角的擴散性
公共廣播所使用的喇叭擴散性既不能是雷射式,也不能是全方向性(omnidirection)。當聲音從一個比所發聲音波長小很多的發音器發出時,這個發音器稱為點音源。這種傳播是全方向式,頻率200Hz的波長約5呎,在這個頻率下15英吋的直接輻射器就類似點音源。一個低音號角箱的大小約為5英尺,因此低音號角在這種情況下就具有相當的方向性。
具有較大音嘴的號角能使較低頻率的聲音的擴散方向保持向前,因此大的號角適合用在戶外音樂會,以避免聲音不能傳達到聽眾的方向而損失。
與直接輻射器不同的是高頻號角的擴散性早已設計得不錯了。直接輻射器在高頻時有很大的方向性,但是高頻號角卻能是當的折射聲波。並提供寬廣的水平及垂直擴散。中頻折射號角(圖五)的展開部能產生極寬的垂直擴散。一般都錯誤的認為如果將折射號角斜向的裝設能獲的最佳擴散,實際上如果號角的裝設如圖五,我們就能在水平面獲得150∘的擴散,這個擴散是由於聲音對號角尖銳的垂直邊緣(未展開部份)的折射所產生的。如果將許多接近點音源的號角組成一個一般的驅動器,我們也能得到極寬的擴散,而且由於號角的總音嘴(等於每一個小音嘴的總和)很大,截止頻率可以很低,而且每一個小音源指向略微不同的方向,因此產生更大的角擴散,所以擴散的特性由各個小號角的排列所決定,也因此使得這種號角的擴散性有很大的彈性。圖六是一個多孔型號角(Muticellular),它的擴散角是水平150∘、垂直60∘。有許多看似多孔型的號角實際上只是分裂式號角的變形。
圖七中的聲鏡(Accoustic Lens)的效果與我們直覺的猜測有很大的差別。它會折射聲音,但不是由傾斜板決定方向。實際上,主要的散射方向還是水平約為140∘x 40∘這種聲鏡在目前很流行,但是它的截止頻率相當高,而且通常需與直接輻射器一起使用,它的效率、代價及擴散的可調性都比多孔型差,而且多孔型號角更具有較低的截止頻率。到目前為止我們所提到的寬擴散號角都只能在集會場的前排位置或俱樂部、小音樂廳等相當的範圍,保持寬廣的擴散。這些都是短程號角(Short throw)。在大的音樂廳裡我們需要使用窄擴散的號角將聲音集中傳送至後排座位,這些是長程(Long throw)號角,通常都是一種可變軸的號角如圖八。但在四路放大系統中較高的低頻(high bass)(200~600Hz)通常使用JBL型中音號角箱,如圖九。兩種長程號角的擴散範圍都是60∘x 30∘垂直。
最恰當的音源數？
當幾個喇叭在一起負責同一頻寬時,這些喇叭會因交互作用而產生類似的相位抵消作用。這種「相位失真」引起渲染,破壞喇叭的擴散性並使得喇叭回饋的現象更惡化。為了減少相位失真,我們必須盡量減少每個頻寬所需的音源。這也就是在高功率音響系統中不使用直接輻射器的最好理由,因為每一個號角能代替10至50個直接輻射器,因此使用號角能使必要的音源減少。事實上在小的公共廣播系統中我們在每一個頻寬的範圍中使用一隻號角就能獲得理想的效果。
堆垛(The Stack)
PA號角需要堆積起來構成堆垛。對只需要寬擴散效果的小音樂廳,假設只需要三路放大系統,那麼三個號角的堆垛是最理想的。這包含了低頻、中頻、高頻號角依序排列。在大音樂廳中,至少還需要長程的中高頻號角,因此最少需要五個號角。
仔細排列堆積的號角能使長程、短程號角間的干擾降至最低。如果需要高的SPL,至少需要3至5個額外的號角,這樣組成的堆垛是一種標準的堆積形式。如果是數個堆垛縱列時,堆垛的排列就必須做整體的考慮而不必再注意單獨的個體。如果號角只是像堆磚頭一樣堆起來,那麼就會發生嚴重的相位不規則。在這種情形下就須將堆垛的各個組合重新排列,當SPL的要求增加時,僅增加效率並不能有效的增大SPL,無可避免的我們要增加號角的數目,因而更需要有高明的技術才能獲得好的效果。
小音樂廳的堆垛
作者本身所使用的堆垛如圖十一,總計使用了在角負載時截止頻率為20Hz的大低音號角箱;中頻折射號角提供了大的擴散角;為了省錢使用了壓電(Piezoelectric)折射號角來負責3KHz以上的頻率。
同時為了克服小音樂聽共有的「盲點」,通常需要用數個高頻號角,圖中特殊的排列是為了減少干擾。這個堆垛放置的位置約與聽眾的位置等高,因此中高頻號角須比聽眾的頭部為高,以防止聲波額外的被吸收。這個堆垛重80公斤,效果約等於2噸的直接輻射喇叭。
表一中顯示角負載的低音號角箱能有較低的截止頻率,但是牆負載較易架設。但是如果單獨的使用一個低音號角箱,我們可以不使用牆負載,在這種情形之下,可以在單獨的低音號角箱加上障板,以加強低頻響應。如果使用分離的開口箱子必須裝在低音號角的上方。使用前述的高頻號角,圖十一a、十一b就是一組能滿足需要寬擴散的小集會場的堆垛。
大音樂廳的堆垛
在大音樂廳,需用長程號角將聲音傳送到最遠的座位,雖然除非絕對必須應盡量不用。低音反射音箱沒有長程的性質,因此需要大量的低音號角箱來投射低頻。當這些號角緊密的堆合在一起時,它們能產生極有效的互導牆負載(Mutual wall loading),這樣能大量的增加他們在低頻端的響應。更幸運的是,因為此種排列所引起的相位不規則經常在低頻交越點上大量抵消。
長程號角最好裝在主堆垛上,標準的方法是在前舞台的拱門(proscenium arch)或觀眾席(Scafioldig)上。由圖十二,從側面來看這個堆垛的長程號角是向下指向,指向觀眾,否則聲音很可能撞及後壁然後反射回來！這種反擊的回聲,在低天花板的俱樂部是一個無可避免的問題,並且只要可能就應該把堆垛架得高一點。只要堆垛的高度越高就越容易將長程號角的角度調整在後壁及後排座位之間。如果長程號角不能裝在前舞台,至少也要裝在主堆垛上,一個楔形面能提供10到15∘的向下傾斜;另一個令人留下深刻印象的堆垛如圖十三。現在流行使用聲鏡及直接輻射器代替短程中高頻的多孔型號角,但是這些低效率的喇叭,使得喇叭的數目再度的增加。當使用這些堆垛時,或如圖十二中數個號角聚合在一起時,最好是盡量的將高頻號角依不同的方向排列,以盡量減少干擾。旦角度過大時,會使大量的聲音碰及側面的牆壁而使效果變差。
立體
到目前為止我們一直都假設音響系統的模式為立體的,並將喇叭配置在舞台兩側。這種配置實際上並不理想,因為只有少數的聽眾能坐在適當的位置並聽到相當程度的立體效果,有時從打擊樂器發出的暫態聲響會聽成音樂中兩個不同時間的訊號。許多音響工程師甚至限制只有鼓聲及特殊效果具有立體的響應,所已堆垛發出的大部分音樂都是單聲道的。如果我們完全捨棄立體,那麼兩個堆垛間的相位異常更可完全消除。另外一組位於前舞台拱門中央的號角也是個好的方法。
理論上中高頻號角組的垂直位移不能聽出來,但是聽眾卻能分辨出這種差異,而使聽眾覺得很困擾,尤其是當這些號角比演奏家更顯眼的時候。
與三路放大同源的想法是,將不同的樂器如鼓、鍵盤樂器、人聲等由不同的放大器及喇叭分別的負責。它的好處與三路放大相同,聲音感覺起來比較響亮、更清晰,音像也更清楚,能產生更接近現場的感受而非華麗的假音加上舞台渲染的結果,也就更類似一個小樂團不使用公共廣播系統時的情形。
舉例說,在一個4種樂器的爵士樂團,很可能將樂器放大器的功率,比鼓聲需要放大之前增加300瓦左右,這時通常將整個樂隊混音然後共同使用一個放大系統。如果混音而使得音質及影像變差的話,可以改用另一種方式,也就是鼓聲另外使用一個「鼓聲放大器」(Drums amplifier)。因此每一種樂器保有它單獨的「音響系統」,因此互調的情形很少而使得音樂的影像保持真實性。動一點腦筋,使用一些些電線,我們就能由舞台外的人來控制聲音的平衡。對小樂團而言,要盡量避免使用共同的音響系統,並且不要飢不擇食的去選購器材。在需要的時候去租一個好的PA系統比擁有廉價而差勁的器材要好的多了。另外將放大器與喇叭盡量接近以減少喇叭線的長度,雖然使用6mm²或類似的粗電纜能輕易的降低能量損失,但是這種高電容及電感的導線會影響音質,更別提價錢了。在5公尺的長度以下1mm²雙蕊的PVC電纜就夠好了,如果是丁基橡膠(butyl rubber)電纜當然是更堅固、耐用了。
對新進的音響工程師們,要留意在大的PA系統中常有危險但令人發噱的事情發生。1972年一個著名的英國製造商提供林肯搖滾慶祝會(Lincoln rock festival)一套1000瓦的系統,當電子琴手搥打琴絃時,竟有人被聲波震下舞台！(譯自Practical Electronics March 1980,原作者為Mr. B. J. Duncan)
轉載音響技術第60期DEC 1980 公共傳播的喇叭系統˙王超群(譯自Practical Electronics March 1980,原作者為Mr. B. J. Duncan)/
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