基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计与实现（一）
18:22:03&&&来源:21IC &&
1 系统的设计要求应用VHDL硬件描述语言，设计一个乐曲硬件演奏电路，它能将一首预先设置存储好的乐曲自动播放出来，除此之外，也能够通过按键的方式输入音符，使其具备简易电子琴的功能。通过此项研究，能够深切的体会利用EDA工具开发的优越性，在此基础上，对乐曲硬件演奏电路功能进行丰富，具有一定的社会实用性。根据硬件演奏电路的功能进行全局分析，采用自上至下的设计方法，从系统总体要求出发，逐步将设计内容细化，最后完成系统结构的整体设计。将功能分为以下几个部分，1)实现预先设置乐曲的播放功能;2)实现预置乐曲的暂停和继续播放实时控制功能;3)实现预置多首乐曲间的切换功能。预置乐曲，本文选取了《梁祝》的一段作预置，作预置时，需要将乐曲音符转换成相应的代码，通过计算逐一将音符转换成代码，通过EDA开发平台quartusii6.0进行乐曲定制。为了提供乐曲发音所需要的发音频率，编写数控分频器程序，对单一输入高频，进行预置数分频，生成每个音符发音的相应频率。为了给分频提供预置数，需要计算分频预置数。对每部分结构单元逐一进行编译，生成相应的元器件符号，并对独立结构单元功能进行仿真。2 系统的详细设计方案2.1 顶层实体描述按照EDA开发流程，采用VHDL硬件描述语言开发，将乐曲硬件演奏进行模块化分解，层次化设计，分成几个单独的结构体，每个结构体实现部分功能，最后，经顶层文件将各单独结构体进行综合，实现乐曲硬件演奏。有四个输入，三个输出端口。四输入端口分别是：clk8hz端口，作为节拍脉冲信号输入端口;clk12mhzZ端口，作为发音频率初始信号输入端口;P输入端口，作为控制歌曲暂停和继续播放的输入端口。ch输入端口，作为控制歌曲之间切换播放的输入端口。&&三输出端口分别是：code1输出端口，作为音符简码输出显示端口;high1输出端口，作为音符高8度指示端口;spkout输出端口，作为乐曲的声音输出端口。2.2 模块划分本系统主要由三个功能模块组成：notetabsvhd,tonetaba.vhd和speakera.vhd.第一部分notetabs,地址发生器，实现按节拍读乐谱的功能;第二部分tonetaba,查表电路，为speakera提供分频预置数，实现乐曲译码输出CODE[3:0];第三部分speakera,产生发音频率，实现乐曲播放。系统结构图如图2.&&为了实现乐曲的播放，首先需要将曲谱定制到音符数据ROM里面，然后才能按照一定的节拍从ROM中读出曲谱。由于所选曲子中不含低音，转换关系如表1所示。&2.3 模块描述&&sperkera是一个数控分频器，由其clk端输入一个12mhz信号，通过speakera分频后，由spkout,通过一d触发器，pinlv变为原来的二分之一，sperakera对clk的输入信号的分频比由11位tone[100]决定，spkout的输出频率为音符的音调。&&tonebata的功能首先是为speakera提供分频预置数，此数的停留时间即为音符的节拍值，此模块为歌曲简谱码提供对应的分频预置查表电路，音符停留时间由clk的输入频率决定，再次为4hz.&
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调音台基础教程与技巧
一、 调音台的种类 调声台在输入通道数方面、面版功能键的数量方面以及输出指示等方面都存在差异，其实，掌握使用调音台，要总体上去考察它，通过实际操作和连接，自然熟能生巧。调音台分为三大部分：输入部分、母线部分、输出部分。母线部分把输入部分和输
一、 调音台的种类&
调声台在输入通道数方面、面版功能键的数量方面以及输出指示等方面都存在差异，其实，掌握使用调音台，要总体上去考察它，通过实际操作和连接，自然熟能生巧。调音台分为三大部分：输入部分、母线部分、输出部分。母线部分把输入部分和输出部分联系起来，构成了整个调音台。根据使用目的和使用场合的不同，调音台分为以下几种：&
（1） 立体声现场制作调音台（Stereo Field Production Console）&
（2） 录音调音台（Recording Console）&
（3） 音乐调音台（Music Console）&
（4） 数字选通调音台(Digital Routing Mixing Console)&
（5） 带功放的调音台(Powered Mixer)&
（6） 无线广播调音台(On Air Console)&
（7） 剧场调音台(Theatre Console)&
（8） 扩声调音台(P.A. Console)&
（9） 有线广播调音台(Wired Broadcast Mixer)&
（10） 便携式调音台(Compact Mixer)&
二、 调音台的插座、功能键的作用&
（一） 调音台输入部分&
调音台输入部分的插座、功能键如图1-1所示。&
①卡侬插座MIC:此即话筒插座，其上有三个插孔，分别标有1，2，3。标号1为接地（GND），与机器机壳相连，把机壳作为0伏电平。标号2为热端（Hot）或称高端（Hi），它是传送信号的其中一端。标号3为冷端（Cold）或称低端（Low），它作为传输信号的另一端。由于2和3相对1的阻抗相同，并且从输入端看去，阻抗低，所以，称为低阻抗平衡输入插孔。它的抗干扰性强，噪声低，一般用于有线话筒的连接。&
②线路输入端（Line）:它是一种1/4&大三芯插座，采用1/4&大三芯插头（TRS），尖端（Tip）、环（Ring）、套筒（Sleeve），作为平衡信号的输入。也可以采用1/4&大二芯插头（TS）作为平衡信号的输入。其输入阻抗高，一般用于除话筒外的其他声源泉的输入插孔。&
③插入插座（INS）：它是一种特殊使用的插座，平时其内部处于接通状态，当需要使用时，插入1/4& 大三芯插头，将线路输入或话筒输入的声信号从尖端（Tip）引出去，经外部设备处理后，再由环（Ring）把声信号返回调音台，所以，这种插座又称为又出又进插座，有的调音台标成&Send/Return&或&in/out&插座。
④定值衰减（PAD）：按下此键，输入的声信号（通常是对Line端输入的声信号）将衰减20dB（即10倍），有的调音台，其衰减值为30dB。它适用于大的声信号输入。&
⑤增益调节（Gain）:它是用来调节输入声信号的放大量，它与PAD结合可使输入的声信号进入调音台时处于信噪比高、失真小的最佳状态，也就是可调节该路峰值指示灯处于欲亮不亮的最佳状态。&
⑥低切按键（100Hz）：按下此键，可将输入声信号的频率成分中100Hz以下的成分切除。此按键用于扩声环境欠佳，常有低频嗡嗡声的场合和低频声不易吸收的扩声环境。&
⑦均衡调节（EQ）：它分为三个频段：高频段（H.F.）、中频段（M.F.）、低频段（L.F.），主要用于音质补偿。&
高频段（H.F.）(见图1-2（a）)：倾斜点频率为10kHz，提衰量为?15dB,这个频段主要是补偿声音的清晰度。
中频段（M.F.）（见图1-2（b））:中心频率可调，范围为250Hz?8kHz；峰谷点的提衰量为?15dB；这个频段的范围很宽，补偿是围绕某个中心频率进行。若中心频率落在中高频段，提衰旋钮补偿声音的明亮度。若中心频率落在中低频段，提衰旋钮补偿声音的力度。&
低频段（L.F.）(见图1-2(c)):倾斜点频率为150Hz,提衰量为?15dB，这个频段主要用于补偿声音的丰满度。&
⑧辅助旋钮（AUX1/AUX2/AUX3/AUX4）：调节这些辅助旋钮，等于调节该路声音送往相应辅助母线的大小。其中AUX1和AUX2的声信号是从推子（Fader）之前引出的，不受推子影响。AUX3和AUX4的声信号是从该路推子（Fader）之后引出的，受推子大调节的影响。前者标有Pre,后者标有Post。&
⑨声像调节（PAN）：它用于调节该路声源在空间的分布图像。当往左调节时，相当于把该路声源放在听音的左边。当往右调节时，相当于把该路声源放在听音的右边。若把它置于中间位置时，相当于把该路声源放在听音的正中。实际上，这个旋钮是用来调节声源左右分布的旋钮，它对调音台创作立体声输出极为重要。&
⑩衰减器（推子Fader）：该功能键的调节起两方面作用：一方面用来调节该路声音在混合混合中的比例，往上推比例大，往下拉比例小；另一方面，用来调节该路声源的远近分布，往上推声音大，相当于将该路声源放在较近的位置发声，往下拉，声音小，相当于将该路声源放在较远的位置发声。它与PAN结合可创作出各个声源的空间面分布。调音台创作立体声输出，用的是Fader和PAN功能键。&
11监听按键PFL（Pre-Fade Listen的缩定）：衰减前的监听，按下它，用耳机插在调音台的耳机插孔上，便能听见该路推子前的声音信号。&
12接通按键On：按下它，该路声音信号接入调音台进行混合。&
13L-R按键：按下它，该路声音信号经推子、PAN之后送往左右声道母线。&
141-2按键：按下它，该路声音信号经推子和PAN之后送往编组母线1和2。&
153-4按键：按下它，该路声音信号经推子和PAN之后送往编组母线3和4。&
调音台种类足很多，但主要的功能键都是相同的。值得一提的是调音台每一路输入只能进一个声源，否则，会相互干扰，阻抗不配，声音造成失真。
调音台教程（二）之功率放大器&
功率放大器简单功放，在扩声系统中功放起着重要作用。它将音频的电压信号转换成音频功率信号，驱动扬声器发声。由于工作在音频区段，所以也叫音频功率放大器。其输入端连接声源泉信息或其他音响设备输出的声音信号，后接扬声器负载，为保证功放长期稳定可靠地工作，放声音质好，其中间存在着最佳接配的问题。&
一、 功放的组成&
功放一般由三个部分组成：前置放大、驱动放大、末级功率放大。专业用的功放把这三部分一起安装在同一机箱里，而发烧级功放，往往把前置放大与驱动放大组成一体，叫前级，末级功率放大单独成为一级叫后级。&
（一） 前置放大&
前置放大处于功放最前端，与前面来的信号源起匹配作用，通常由共集电极电路或射出输出器构成，其输入阻抗高（大于10k&O以上），可以将前面来的声音信号大部分引进来；其输出阻抗低（10&O以下），可以将信号大部分传送到下一级驱动放大器中，传输系数大。同时，它又是一种电流放大器，可以将声音电压信号作初步电流放大。&
（二） 驱动放大&
驱动放大处于功放的中间，起桥梁作用，将前置放大器送来的信号，作进一步电流放大，放大成中等功率的信号，以便驱动末级功率放大器正常工作。&
（三） 末级功率放大&
末级功率放大是功放的关键部件，它的技术指标代表着整个功放的技术指标。例如：下述这些技术指标，实际上是末级功率放大器的技术指标。&
① 功放的额定功率（Rate Power）：也称连续正弦波功率。通常以&
1kHz正弦波输入，在额定负载下（2&O；4&O或8&O），总谐波失真小于1%的条件下所能输出的功率，每路相同。&
② 总谐波失真THD（Total Harmonic&
Distortion）:指输出信号中，除原来的基波成分外，还存在其他杂波成分，这些杂波成分占原量的百分比。显然，这种比值愈小愈好。&
③ 转换率（Slew&
Rate）：它反映了末级功率管对爆破声信号的反应跟随能力，单位是V/&ｓ。在单位时间里上升幅值愈大，跟随能力愈强。&
④ 阻尼因子（Damping&
Factor）：通常以1kHz输入信号情况下，输出负载8&O与功率管内阻（包括接线线阻）之比作为阻尼因子，这一比值愈大，说明功率管工作状态愈稳定，扬声器振动阻尼快，声音清晰不失真。注意：音箱线太长，会影响阻尼因子。&
⑤ 频响曲线（Frequency&
Response）:即增益随频率的变化曲线，频率范围愈宽，增益变化起伏愈小，其频响曲线愈好，例如：15Hz～100kHz，增益变化&0.3dB。说明各种频率成分的声信号，经功放后，基本上不失真。&
⑥ 输出阻抗（Output&
Impedance）:在额定输出功率的情况下，输出端呈现的阻抗有8&O；4&O；2&O等，输出阻抗愈小，其负载能力愈强。&
以上这些技术指标，对衡量功放极为重要。&
二、 放大器中的反馈&
反馈是放大器中常见的一种现象。所谓反馈，是指放大器的输出信号的一部分又返回到其输入端的现象，若这种反馈的信号与放大器的输入信号在相位上相同，则称之为正反馈。正反馈常用于振荡电路，产生各种振荡信号，满足各种电路的需要。但是，正反馈现象在扩声系统中应尽量避免，因为它表现出啸叫声，破坏扩声效果，容易烧毁功放或音箱系统。如果反馈的信号与放大器的输入信号在相位上相反，则这种反馈称之为负反馈。在放大器中普遍采用负反馈电路，目的在于提高放大器放大量的稳定度，减少声信号的失真。负反馈电路形式常用的有如下4种：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈；如图2-1所示。&
根据电路设计的要求，可采用不同形式的负反馈电路，例如：信号源要求高阻抗，则采用串联型，电压输出放大器采用电压反馈型，电流输出放大器采用电流反馈型等。这些负反馈支路的引入，对未加入负反馈支路的放大器放大量的影响可用下面的公式表示：&
其中A0为放大器负反馈引入前的放大量；A为放大器负反馈引入后的放在量；&为反馈系数。&
由此式可以得到负反馈后的放大器放大量的稳定度（&100%），可见，引入负反馈后，放大器的稳定度提高了1倍。同样，放大器在引入负反馈电路之后，其失真度也有相似关系，提高了1倍。&
三、 功放末级功率放大器的输出形式&
专业功放末级功率放大器常用的输出形式有三种：即OTL（Output Transformer&
Less）、OCL（Output Capacitor Less）、BTL（Balance&
Transformer Less）。这三种输出形式的等效电路如图2-2。&
对于OTL电路，它属于无输出变压器的单端推挽电路，其特点是单组电源供电，在两个异型配对的大功率晶体管的串接端接有一个充电电容C，当正半周信号输入时，上边管子导通，电容C充电。当负半周信号输入时，充电电压维持下边管子导通。于是全信号电流都通过负载扬声器，扬声器负载阻抗RL直接接在两大功率晶体管的串接端上，串接端的直流电压相对于地必须为零。全信号电流流经扬声器，扬声器负载RL成为两个晶体管的射极直接负载，在阻抗上匹配。对于BTL电路，它发球无平衡变压器输出的桥式推挽电路，图中所示的是两个OTL构成的桥式推挽，同样，也可以由两个OCL构成桥式推挽。其特点是单组电源（对两价目OTL构成而）而或两组电源（对两价目OCL构成而言）供电。输入端A和B必须同时提供两个等幅度反极性的信号，扬声器串接在两候车室异型功率管串接端上，形成桥式，两个对角线上的功率管同时导通。由于扬声器负载RL串接在桥上，成为导通功率管射极负载，在阻抗上匹配。&
目前，市场上销售的专业功放一般均为OTL或OCL形式，有时同一厂家的不同系列产品，有采用OTL的，也有采用OCL的。每台专业功放由两个独立的功率放大组成，分别提供左、右声道功率放大，或声道1、声道2的功率放大。同时，在功放的后盖板上加上装有工作模式（mode）切换开关，通过这一开关，将两路的末级功率放大构成一种桥式推挽输出。实际的连接方式如图2-3所示。&
从图2-3中可以看出，一台功放中有两个独立的功放部分，分别由前置放大，驱动放大以及末级功率放大组成，当工作模式开关接立体声（stereo）模式，左右声道信号分别送入两路功放，各自接放相应的扬声器，单独放声。这种放声方式适用于卡拉OK厅、多功能厅、音乐厅。当模式开关接桥式单声（Bridge&
MoNo）模式，右声道信号不能进入末级功率放大级，而左声道信号经前置放大后分成两路，一路进原来的驱动放大级的正极性输入端，从A端输出，作为桥式的输入信号。另一路进右声道上的驱动放大级的负极性输入端，从B端输出，作为桥式另一输入信号。这样，A、B两端的信号来自同一信号源，经相同放大量、不同极性输入端的两个驱动放大器分别送出信号，所以，构成了等幅度反极性信号，使左右两边的末级功率放大器进行桥式工作，两个扬声器串联后，连到桥路上。显然，两个扬声器放出声音是单声。这种放声方式适用于Disco厅、交谊舞厅或背景音乐放音。 若用一只扬声器接在桥路上，这时桥式推挽输出功率设为W，由于A、B端加入等幅反极性的信号，两个对角线功率管同时导通，忽略功率管的内阻，那么，在桥路上有2倍于单端推挽输出的电流，扬声器负载两端的信号电压便是2U，因此，也就是说用一只扬声器接成桥式推挽，扬声器上获得的功率是单端推挽获得的功率的4倍。这种连接很容易将扬声器烧毁。如果将两只扬声器串联，然后接成桥路，桥路上的阻抗为RL+&
RL，桥式推挽输出的功率，即两只扬声器串接后，接入桥路，形成桥式推挽，所获得的功率是单端推挽输出功率的2倍，分配给每只扬声器的功率为W0，仍然是单端推挽的功率，这时，扬声器工作不存在问题。&
四、 功放的匹配&
功放的最佳工作状态是前后的匹配，也就是输入端应与信号源相匹配，输出端与扬声器负载RL相匹配。在此情况下，功放的功率效率能得到充分的发挥，功放能长期可靠地运行，传送功率高，声信号不失真，一般输入端的匹配比较简单，通常信号源的输出阻抗在600&O左右，而专业功放的输入阻抗大都在10k&O以上，显然，信号源的输出信号大部分都能输入到功放的前置放大级上。功放的输出是声音的功率信号，这些功率信号能有效地不失真地传送到扬声器上，转换成声音，这里涉及到以下几方面的匹配问题。&
1. 阻抗的匹配&
如图2-4所示，把功放看做一个等效电路，其输出阻抗为R0和扬声器负载RL形成电流回路，回路上的作用电压U，负载RL上的电压即输出电压为U。&
负载上获得的功率在什么情况下负载两端能取得最大的功率？很明显，把W当做函数，把RL当做变量，求W极值，便会得到R0= RL时，W最大，也就是说，扬声器要获得功放的输出的最大功率，条件是：扬声器负载阻抗应等于功放的输出阻抗。若扬声器负载阻抗大于功放的输出阻抗，功放的功率不能得到很好的传送，导致内热增加，影响功率管工作稳定性，甚至会因过热而损坏。若扬声器负载阻抗小于功放的输出阻抗，输出的功率信号失真，功率管内部耗损功率急剧上升，会过度发热而烧毁。所以，只有满足上述阻抗匹配条件，功放才能正常运行。&
2. 功率的匹配&
在满足功放阻抗匹配的条件下，若功放输出的功率大于扬声器长期可靠运行的额定功率，扬声器虽能得到最大功率，但必然使扬声器音圈发热，机械性能被破坏。若功放的输出功率小于扬声器的额定功率，扬声器发声功率不能充分发挥，还可能引起发声频段变窄，辐射声音不平衡。因此，必须使功放工作时的输出功率等于扬声器的额定功率。即功放的工作功率等于扬声器的额定功率，这是功放功率匹配条件。
调音台教程（三）之分频器、扬声器和音箱&
一、 分频与分频器&
分频是指将音频信号分成高频段、中频段和低频段。&
电动式扬声器在提高其放声功率过程中，由于其结构上的特点，导致其频率覆盖范围变窄，为了达到全频段大功率放声，必须分频段制作扬声器，再组合在一起放声。要充分发挥各个频段扬声器放声效率，就涉及到了分频问题。在扩声中常用的分频方式有两种：即电子分频和功率分频，前者适用于放声质量要求较高的场合，例如歌厅、音乐厅、Disco厅，后者适用于普通卡拉OK厅，交谊舞厅以及多功能厅。&
1. 电子分频&
电子分频也称有源网络分频，它的分频系统需要加入电源，其分频方式见图3-1所示。&
由图可见，声信号进入功放之前，先进行分频。其优点是：发声效率高，每台功放送出的功率信号全部给了相应频段的扬声器发声。同时，各台功放后面，除扬声器外，没有加入任何非线性元件，所以，非线性失真小，声音动听。但是，所用的功放数量多，主扩声系统分左右声道，需要三台功放，若还配置辅助扩声系统，还需要三台功放。这样，在造价上是很高的。图3-2为Mu-CO31电子分频器的面板与后盖板的功能键示意图。模式开关放在1位置，作3分频立体声放声；模式开关放在2位置，作2分频立体声放声；模式开关放在3位置，作3分频单声放声。倒相键一般情况下不用，只有在两路相应频段扬声器反相时，可按下其中一路，得到同相位放声。 电子分频器接入扩声系统后，其交叉点频率必须调节，否则会出现有的扬声器无声现象，交叉点频率的确定可按两种情况进行，确定中低频段的交叉点频率（即低端交叉点频率），采用中，低频段扬声器放声，旋转低端交叉点频率调节钮，从左往右，再从右往左，当调到某点，两个扬声器发声均较大，则此调节点频率即为低端交叉点频率，用同样方法，由中高频的扬声器放声，旋转高端交叉点频率调节钮，从右往左，再从左往右，当调到某点，两个扬声器发声均较大时，则此调节点频率即为高端交叉点频率。&
2. 功率分频&
功率分频也称为无源泉网络分频，它不要求电源，其分频方式见图3-3所示。&
由图可见，声信号先进行功率放大，放大的功率信号，经高通、带通、低通后分别送到相应的扬声器。这种分频方式简单，接线容易，功放用量少，造价低，但由于分频是在功放之后分频，分频网络总会消耗一些功率，使扬声器发声效率偏低。另外，分频网络采用的电容和电感属于非线性元件，存在非线性失真，音质不如电子分频好，这是功率分频的缺点。常用的功率分频3分频有单元件型和双元件型两种，如图3-4所示。 功率分频双元件型比单元件型号以频段的分割上清楚，分频效果较好。有的功率分频采用单双元件结合，有的采用二分频方式，即低音扬声器兼顾中低音发声，高音扬声器兼顾中高音发声。例如：JBL826型便于工作是单双元件结合的二分频系统。高音部分采用双元件，低音部分采用单元件，高音部分扬声器兼中高音放声，低音部分扬声器兼中低音放声。&
二、 扬声器&
扬声器是一种电声转换部件，它将声音电信号转换成声音。从发展的历史看，曾出现过各种各样的扬声器，例如：电动式扬声器、电磁式扬声器（即舌簧扬声器），晶体扬声器、静电扬声器等。&
电动式扬声器发声原理是通过交变电流信号的线圈在磁场中运动，使与音圈相连的振膜振动，从而牵扯连纸盆振动，再通过空气介质，将声波传送出去。&
电磁式扬声器发声是靠通过以交变电流信号的线圈产生交变磁场，吸引排斥磁片，引起振膜、纸盆振动，再通过空气介质传播声音。&
晶体扬声器发声是靠晶体片电伸缩效应，引起膜片振动，再通过空气介质传播声音。&
静电扬声器发声是靠静电积累的相吸相斥效应，使振膜振动，再通过空气介质传播声音。&
在这些扬声器中，除电动式扬声器外，其他的扬声器都是因为辐射声音的频率范围窄，辐射声功率小而被淘汰。剩下的电动式扬声器，由于其辐射频率范围可达整个音频范围，而且声功率可以做到很大（可通过分频段制作大功率扬声器，运用组合发声方法，形成全频段放声），因而得到了广泛的使用。&
三、 音箱&
音箱本身是一种助声部件，它能帮助扬声器发出更加丰满浑厚，圆润细腻，宽广有力的声音。音箱种类很多，外形尺寸各异从总体上说，音箱可分为两大类：分体式音箱和组合工音箱。高音音箱外型五花八门，厂家设计各具特色，主要考虑高音扬声器辐射角展宽问题。中音音箱主要考虑美观。低音音箱有着严格的理论上的要求，延伸频率辐射，抑制扬声器谐振频率，展平辐射阻抗特性曲线，避免低频绕射引起反相叠加。组合式音箱是将高、中、低音扬声器组合在同一箱体内，分隔各扬声器在子箱内，避免共振干扰。&
下面主要介绍常用的专业低音音箱的结构原理。首先介绍一下电动式扬声器发声机理。如图3-5所示。它由四大部件组成：磁体、音圈、振膜和纸盆。电动式扬声器在发声过程中，前传播的声波与后传播声波在相位上是相反的，因为它的振膜是前后振动的，振膜前推前面的声压大，后面声压小，振膜后拉；前面的声压小，后面的声压大，导致前后声波反相。根据波动理论，频率愈低的波，其绕射（衍射）作用愈强。所以，扬声器后传播的低频声绕射作用很强，它会绕过纸盆又往前传播，结果与前传播的低频声波作反相叠加，使低频声消失。&
常用的专业低音音箱有两种：封闭式音箱和倒相式音箱。&
1. 封闭式音箱&
这种音箱的结构示意图如图3-6（a）所示。其结构原理是将扬声器装入箱体，喇叭口朝外，箱体内装入大量吸声材料，如矿棉、纤维、毛毯、泡沫海绵等，将扬声器后传播的声波全部吸收，使后传播的低频声绕射作用消失，前传播的低频声反相叠加问题不存在，于是前传播的低频声音便显示出来。&
由图3-6（b）的辐射阻抗特性曲线图可见，扬声器装入箱体后，扬声器谐振频率提高，谐振峰下降，辐射特性阻抗曲线较平坦。这种音箱的放声效率较低，可用于舞台作监听音箱。&
2. 倒相式音箱&
这种音箱的结构示意图见图3-7（a）所示。其结构原理是：将扬声器装入箱体，喇叭口朝外，利用箱体的后盖板的反射作用，把后传播声波反射，并倒相180&，通过倒相孔将这部分声能辐射出来，与前传播的声波作用相叠加，使低频声比封闭式音箱增大了一倍。由图3-7（b）的辐射阻抗特性图可见，扬声器装入箱体后，扬声器的谐波频率f0得到很好的吸收，由于箱体的顺性与倒相孔空气柱质量形成的并联谐振频率等于扬声器的串联谐振频率f0，使扬声器谐振频率f0д得到很好的抵制。在谐振频率左右形成两个小的驼峰，延伸了低频的辐射，使整个辐射阻抗特性曲线变得平坦。由于这种音箱充分利用了扬声器后传播的声音，并且辐射阻抗性在整个音频区比较平坦，发声均匀，因此得到了广泛的应用。&
调音台教程（四）之信号处理设备之均衡器和激励器&
均衡器和激励器都是用来补偿声音音质的设备，它们使声音更加真实、丰满、浑厚、圆润、明亮、清晰、动听悦耳、富有色彩感。但两者在补偿的内容和工作原理上有所不同，补偿效果也各具特色。&
（一） 均衡器和激励器的作用与补偿声音的特点&
音质评价是主观评价，是人耳对声音感受的评估。影响声音音质有四个要素：音量、音调、音色和音品。&
?音量：音量的变化有强有弱，节奏分明，与声波振幅相关。&
?音调：音调的高低，与主频结构相关，频率高音调高，频率低音调低。&
?音色：音色与频率成分相关，频率成分愈多，音色也愈丰富。反之，频率成分愈少，音色愈贫乏。&
?音品：即声音的品位。它反映了声音的清晰度、明亮度、力度和丰满度。其实质是与瞬态的各频率成分的比例包络线有关，这种瞬态频率成分比例包络线也牵涉到各成分的相位特性。&
1. 均衡器的作用与补偿声音的特点&
均衡器通过全频段各刻度频点的提升与衰减，对音频载体或音响设备（包括话筒在内）的频响曲线的不足进行相对应的补偿，使音频的频响曲线平直，声音信号不失真。同时，为了创作上的需要对原有的声信号进行特殊加工处理，突出其艺术感染国。在各频率点提衰过程中，各频率点的相对音量发生变化，从而导致瞬态频率成分比例包络线变化，即音品发生变化。若在提衰过程中，引起了主要频率成分结构比例（主频结构）变化，即包线峰变化，则音调便发生了变化。所以，均衡器主要补偿音量、音调和音品。&
2. 激励器的作用与补偿声音的特点&
激励器通过边链电路提取原声频率中的高频成分，与谐波发生器同步，补偿原声中因为设备频响不佳而丢失的频率成分，它起着补充高频和泛音成分的作用。此补偿会使声音更真实，更富有表现力，更清晰，更透亮。补偿实质上是补充了原声中的频率成分，也就是音色，使音色更加丰富。在补充音色过程中，也有可能引起声音主频结构的变动，导致音调和音品上的变化。不过，因为其补充量很少，影响不太大。&
（二） 均衡器和激励器的工作原理比较&
1. 均衡器&
均衡器按其用途区分，可分为图表均衡器、房间均衡器、参量均衡器。按其处理信号的方式区分，可分为模拟式和数字式两种。不过，其工作原理基本相同，如图4-1所示。&
在图4-1中W为推拉式电位器，可改变提衰量。R0可改变串联谐振回路的品质因素Q0&
L和C构成串联谐振回路谐振频率。两个C0 作为负反馈电容。当推拉式电位器W的推拉键往上推时，输出信号中的f0 成分被LC短接，经R0 到地。f0 成分负反馈到输入端的反馈量减少，经运算放大器后，f0 成分得到提升。当推拉键往下拉时，输入信号中的f0 成分被LC短接，经R0 到地。相对于f0 的输入阻抗减少，显然，经运算放大器后，f0 成分得到衰减。&
不同的L和C，不同的R0 ,可使调节频段、中心频率、品质因素Q（调带宽）、提衰量等均衡参数不同，起到调节的作用。
调音台教程（四）之信号处理设备之扩展器与噪声门&
1． 扩展器的基本概念与原理&
扩展器是一种特殊放大器，它有一个扩展阈，对小于这个阈的输入信号，按一定的扩展比进行扩展，对大于这个阈的输入信号，则不扩展，按1：1输出。&
（1） 扩展比：扩展器输入信号动态变化的dB数/扩展器输出售动态变化的dB数，例如：1：2，1：3，1：4，&&当扩展比为1：&时，扩展器便成为噪声门。&
（2） 扩展器的启动时间（Attack&
time）：小于扩展阈的输入信号进入扩展状态到规定的扩展比所经历的时间。&
（3） 扩展器的恢复时间（Release&
time）：输入信号从扩展状态返回到原来的非扩展态所需的时间。&
扩展器的工作原理与压缩器相反，它有一个检测器，称门阈检测器，对输入的声信号进行检测，若检测的输入信号比阈电平高，压控放大器对输入的信号不进行处理而进行1：1通过。若检测的输入信号比阈电平低，压控放大器的增益受控，其受控方式取决于门阈检测器，依照调定的比值变换串联阻抗，衰减输入信号，同时，扩展了信号的动态变化。所以，检测器实际是对于门阈值以下的信号起衰减作用，衰减的快慢取决于扩展比的调节。有些机器把扩展比刻成2：1，3：1，4：1，&&这是输出信号的动态变化dB数/输入信号的动态变化dB数。此种表示，易于看出输出信号动态变化比例。无论何种表示方法，并不影响机器的操作使用和功能。&
2． 扩展器的工作特性 扩展器依据扩展阈（门阈）的调节值、扩展比以及相关的启动时间、恢复时间进行工作。门阈值调节范围通常从&60dB～+20dB，扩展比为1：2，1：3，&&，1：&。扩展器的工作特性曲线如图4-12所示。&
从扩展器的工作特性曲线可以看出，扩展器工作在两段曲线上，即扩展段和单位增益段，随着扩展比的增大，拐点愈加明显，处理声音信号突变性愈明显，为了使声音比较自然，有些扩展器采用了渐近法，清除明显拐点。此外，启动时间（ms为单位）和恢复时间越短，声音信号处理的突变性也愈明显，因此，一般环境下，启动时间和恢复时间应适当调长些。声音信号变化过程通常是由小到大，声音信号会变得短促。如果将扩展比调在1：&处，扩展器变成为噪声门，对门阈以下的噪声急剧衰减，可达90dB以下。&
3． 扩展器和噪声门的应用&
（1） 利用扩展器的边链电路，可以创作带颤音的音乐，其方法是：将4Hz～6Hz甚低频信号放大后送进边链电路的输入端（Side&
Chain In），控制扩展器的扩展时间，音乐信号从扩展器的输入端（input）进去，在扩展器输出端（Output）便出现带颤音音乐。&
（2） 利用话筒拾取鼓声节奏，创作带鼓声的节奏音乐。将话筒拾取的鼓声信号给予放大，一方面控制扩展器，一方面输出信号与扩展器输出信号进行混合。当鼓声出现时，鼓声信号控制扩展器工作，鼓声停止，边链电路无输入，音乐信号不受扩展器控制，输出原来音乐。&
（3） 将扩展器扩展比调在1:&
&成为噪声门，凡小于这个阈电平的噪声均被迅速衰减，扩展系统处于静音状态，大于这个阈的音乐信号均按1：1方式送出，起到了切除系统噪声的目的。阈值调节实际上决定了切除噪声的电平值。&
（4） 利用扩展器可以排除两个相邻话筒的干扰，低于阈值的话筒声给予切除。&
（5） 利用噪声门切除音乐外的机械噪声，例如：拨动弦的噪声，脚鼓的踏板噪声等。&
调音台教程（四）之信号处理设备之压限器&
压限器是压缩器和限制器的组合设备，由于它具有多种特性，在扩声系统、录音系统和广播系统中有诸多应用。例如：给鼓声增加坚实浑厚感；为吉他、弦乐增添弦外之音；使演唱声更加圆润；提升混合低电平信号；减少手持话筒拾音起伏；降低音乐大起大落变化；保护扩声系统不过载；数/模转换；进行压缩处理等。同时，这种设备多数增设了扩展门，用于音乐宁静或间歇间的噪声切除，使其应用范围更广，更灵活。另外，还附设了边链输入、输出插孔，进行外控，使其应用更加多样化。要充分发挥压限器的作用，必须全面了解它的原理特性和相应的功能调节。&
（一） 压限器的工作原理&
以美国Furman Sound公司生产的LC-6为例说明，它与日本YAMAHA&
GC2020II型、美国dbx266XL、美国DOD866II相类似。LC-6的原理方块图如图4-4所示。它由六个部分组成：输入、压控放大（VCA）、输出、检测/控制、扩展门和电源。&
输入的声信号经平衡输入放大器，进入输入增益放大器（增益调节范围从&20dB～+20dB），做适当的增益调节，直接送出或反相后做平衡输出。另一路信号到输出电平检测器（有的机器采用压控放大器的输入端信号，称输入电平检测器），输出电平检测器对此信号的电平大小用压缩门限（压缩阈）去鉴别，压缩阈可调（-40dB～+20dB），对于低于这个阈的信号，输出电平检测器不控制压控放大器，压控放大器做正常的放大输出，对于高于这个阈的信号，输出电平检测器以一定的动态压缩比、启动时间、恢复时间去控制压控放大器增益变化（靠阻抗变换）。同时，在压控放大器输出端与输出电平检测器输入端之间安排了边链插孔，它与调音台上的插入插孔（INS）类似，在边链插孔输出口（Side&
Chain Output）可将压控放大哭喊&
的输出信号直接引出，并切断进入输出电平检测器的通路。边链输入插孔（Side Chain&
Input）可将超过压缩阈的外控信号引入，通过输出电平检测器去控制压控和放大器的输出（有的边链插孔安装在压控放大器输入端品上，其作用完全一样）。此外，在输入增益放大器前（有的在其后）引出信号到扩展门检测器，衽门控阈调节。引来的信号若低于门控阈，将做35dB的衰减，若高于门控阈的信号，扩展门检测器输出信号去控制压控放大器工作，其作用与输出电平检测器相反，并且独立工作。&
（二） 压限器的工作特性曲线&
压限器的工作状态完全取决于电平检测器的调节。为简单起见，将压限器的输入增益和输出增益都放在0dB电平上。输入信号和输出信号用相对量dB数表示，设压缩阈在&40dB处，压缩比2:1,横坐标表示送到输出电平检测器的输入信号（dB），纵坐标表示整机输出信号(dB)，以压缩阈为基准，输入信号变化20dB，输出信号动态变化10dB，压缩比等于输入信号动态变化与输出信号动态变化之比，即2：1，如图4-5所示。同样，若输入信号动态变化40dB，按2：1压缩，输出信号动态变化为20dB。从图4-5（b）中可以看出压缩比不是绝对量的比，即不是输入信号dB值与输出信号dB值之比。该图中也表示出启动时间和恢复时间的含义。压缩比&:1，压缩阈变成了限制阈。图4-5(b)表示压缩阈从&40dB移至+20dB处的情况，值得注意的是，图中横坐标表示送到输出电平检测器的输入信号，输出增益调节改变了压缩曲线的纵向基点位置。&
（三） 有关功能键&
（1） 输入增益（Input&
Gain）：调节相对于压缩阈的信号电平大小，0dB表示对输入平衡放大器的信号不提升，也不衰减。正dB表示提升，意味着更多的输出信号被压缩。&
（2） 门阈（Gate&
Threshold）:调节门控限，低于此限的信号，包括噪声，使其增益衰减35dB。顺时针方向调，表示门控限提高，更多的信号处于门控限下被衰减。反时针调满，门阈关闭。此门阈不受输入增益控制的影响。&
（3） 启动时间（Attack&
Time）:表示将从输出电平检测器检测到压缩阈以上的信号压缩至规定的压缩比值所需要的时间，顺时针方向调，减慢这个过程，反时针方向调，加速这个过程。它是检测部分和压控部分对信号电平增长的快慢反应。&
（4） 恢复时间（Release&
Time）:表示压缩部分（输出电平检测器和压近代放大器部分）对信号电平下降的反应快慢。从压缩状态返回到压缩阈值以下正常状态所需的时间。&
压缩比（Ratio）:调节压缩作用的强弱。3：1表示压缩阈以上的信号每增加3dB,在输出端只增加1db；1：1表示压限器不起压缩作用；超过5:1，有明显的压缩作用；超过10:1，有明显的限制作用；&：1表示压限器起限制器作用，压控放大器输出不再增长。压缩阈成为限制阈。&
（6） 压缩阈（Compress&
Threshole）:调节受压缩的信号电平基准。反时针方向调，受压缩的信号多，顺时针方向调满，在+20dB上，大部分信号都不受压缩。&
（7） 输出增益（Output Gain）:用于恢复信号压缩处理过程中的总体增益，它仅影响整机输出。&
（8） 正常/连接立体声开关（Normal/Linked&
Switch）:双声道用于立体声时按下它，增益衰减由声道1主控，保留声音的原来平衡状况和声像，声道1的启动时间、恢复时间、压缩比、压缩阈控制着两个声道。但声道2的输入增益和输出增益控制仍起作用为平衡起见，一般调节与声道1相同。但此键弹出时，两个声道独立工作。&
（9） 增益衰减表（Gain Reduction&
Meter）：表示增益衰减大小。以5dB为一级，第一个灯亮表示只作1dB增益衰减。&
（10） 接地开关（Ground&
Switch）：它是机器后盖上的一个开关。机器各线路板公共端接往电源地线与机架金属栏杆形成地环路，可能引起哼哼声，此开关往上接，隔开机架与所有信号地线，切断地环路。但电源地线与机架仍然接通，以保证安全和屏蔽射频干扰。&
（11） 边链输入和输出（Side Chain input and&
调音技巧：
不少音响师、调音师面对琳琅满目的音响设备时，往往感到难于操作。现向读者介绍一些调音操作技巧。 人耳对音色的感觉是比较灵敏的，它能直接判别声音是否逼真。如果对音色处理不好，不但会使声音单调，枯燥乏味，而且还人会使乐器或者演唱产生严重的失真，因此不可忽视音色处理的重要性。对于男声来说，大多数人的声音比较低沉，缺少高音，为提高演唱的清晰度，一般可对3kHz的频率万分进行补偿；对于女声来说，高音又显得过多，声音发&尖&，为使声音宏亮，不至于太刺耳，一般可对400Hz频率成分进行补偿。&
如何调节好混响时间&
　　混响通常决定了余音的长短，对声音的色彩和清晰度有直接的影响。一般情况下，男低音演唱时，可将混响时间调得短一些，以提高声音的清晰度；如果是女高音演唱时，可适当延长混响时间，以增加声音的色彩。对于演唱场所来说，如果房间四周墙壁是由木板材料构成的，这时混响时间应调小一些，以免声音模糊不清；反之，如果房间四周墙壁是由木板材料构成的，这时混响时间应调小一些，以名免声音模糊不清；反之，如果房间挂有绒布窗帘等吸声材料，这样的房间应将混响时间调大一些，以免声音干涩。另外，现场观众与听众的多寡也有很大的影响，因为观众的服装也有很大的吸声作用。因此，音响师、调音师可在1~2秒间选择一个感觉适宜的混响时间。&
如何调节好直达声和混响声分量的比例&
　　完全直达声而无混响声输出，就不能起到改善和美化声音的作用，因而通常只用于开会发言或朗诵的场合。适当地加大混响声成分的比例，有利于模拟自然混响声，使声音丰满动听，可增加观众、只众的现场立体感。完全混响声而无直达声分量输出，则会使声音产生&染色& 现象，造成严重失真，也就是说，像在浴室，澡堂里听到的声音那样含混不清，行内的人称其为&浴室效应&。因此，在无特殊要求的情况下，可将该旋钮调在中间位置，即直达声分量与混响声分量比例为1：1，这样，声音不但不会产生失真，又会有一定的混响效果。&
如何调节好话筒音量与伴奏音乐之间的比例&
　　一首好听的歌曲，应该是伴奏音乐占40%，演唱声音占60%，如果演唱者音色不错，可适当减小一些伴奏音乐的分量，以突出演唱者的歌声；如果演唱者对这首歌由的旋律不很熟悉，容易唱走调，合不上拍，为了掩饰这些缺点，这时可适当加大一些伴奏音乐的分量。但在具体操作时，应注意不要把话筒音量过分调大，更不能演唱音量大大高于伴奏音乐。结果显得伴奏音太弱，大部分时间里只听到演唱者的声音，好似一个人在那里清唱，失去了卡拉OK的气氛；但也不能让伴奏音太强，伴音太强，又会&淹没&演唱者的歌声，听上去好像只是一支乐队在演奏乐曲，体会不出演唱者的情趣。&
如何调节好伴奏音乐的音调&
　　伴奏音乐是根据原唱者的声调而调演奏的，它不可适应每一个演唱者的噪音条件，比如有的原唱者的音域比较高，有的原唱者演唱的音区比较低，为了能让伴奏音乐照顾到每一个演唱者的噪音特性，音响师、调音师应对演唱者的声音特性有灵敏的听觉反应。演唱时，先把音调控制放在中间位置，既然不提升，也不下降。一曲开始，如果演唱者合得上调，那就不必去调节；反之，演唱者如感到低音区唱不下去，或者是高音区跟不上来，可根据实际情况将传送音调调节到演唱者适应的音区。&
调音是一门艺术性很强的操作过程，它需要调音者有很好的乐感与悟性，需要平时有较高的音乐修养，对现场要有灵敏的听觉反应，这样调出来的声音才能被听众所接受。
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