擴聲系統(tǒng)中的聲反饋的產(chǎn)生及抑制

    在接入了傳聲器的擴聲系統(tǒng)中，如果將擴聲系統(tǒng)的調(diào)音臺和功率放大器音量進(jìn)行較大的提升，則揚聲器發(fā)出的聲音就會通過直接或間接（聲反射）的方式進(jìn)入傳聲器，使整個擴聲系統(tǒng)形成正反饋而引起嘯叫，這種現(xiàn)象稱為聲反饋。

    聲反饋嘯叫是一種擴聲系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，不僅破壞音質(zhì)，而且限制傳聲器聲音的擴聲音量，深度的聲反饋還容易造成擴音設(shè)備的損壞，如功放因過載而燒毀，音箱因系統(tǒng)信號過強而燒壞（通常是燒毀音箱的高音單元）�？梢哉f，聲反饋的存在對于聲音再現(xiàn)有百害而無一利。

    1、聲反饋的產(chǎn)生

    在具有傳聲器的音響系統(tǒng)中，由于揚聲器系統(tǒng)的聲音通過不同途徑又進(jìn)入傳聲器，與傳聲器的輸入聲信號疊加，當(dāng)相位相同時即產(chǎn)生更強的輸入信號進(jìn)入系統(tǒng)，同樣產(chǎn)生更強的輸出聲信號，反饋到傳聲器。如此多次反復(fù)，引起擴聲系統(tǒng)的自激振蕩，出現(xiàn)了擴聲系統(tǒng)的聲反饋“嘯叫”，圖1為聲反饋原理圖。

    1  聲反饋原理

    聲反饋的形式不僅與擴聲環(huán)境及其建筑聲學(xué)特性有關(guān)，還與揚聲器、傳聲器的擺放位置有關(guān)。如擴聲系統(tǒng)中揚聲器布局不當(dāng)，演唱者使用的傳聲器直接對準(zhǔn)音箱聲輻射的方向等；還與電聲設(shè)備選擇不當(dāng)有關(guān)，如所選揚聲器、傳聲器的指向性以及頻率特性等；還與擴聲系統(tǒng)調(diào)試不當(dāng)有關(guān)。如有的設(shè)備處于臨界工作狀態(tài)，稍有干擾即自激，從而產(chǎn)生聲反饋。

    通常用“傳聲增益”來表示聲反饋的程度�！皞髀曉鲆妗本褪侵笖U聲系統(tǒng)達(dá)到最高可用增益時（臨界增益減去6 dB增益裕量），在指定的各聽眾位置上測得的平均聲壓級與話筒處聲壓級的dB數(shù)差值。這一差值越大，表明擴音機的音量可以開得越大，“傳聲增益”也越高。最簡單抑制“嘯叫”的辦法是減少聲增益，但是也降低了擴聲系統(tǒng)的效率。

    2、產(chǎn)生聲反饋的條件及過程

    聲反饋（嘯叫）是擴聲系統(tǒng)由于存在正反饋而產(chǎn)生的振蕩。根據(jù)振蕩形成的原理，一個系統(tǒng)只有在滿足下述兩個條件時才能形成振蕩，即振幅平衡條件和相位平衡條件。對一個系統(tǒng)來說，所謂振幅平衡就是只有某頻率的反饋信號幅度大于此頻率原先輸入信號的幅度時才能引起振蕩，或者說當(dāng)振幅條件Kp≥1(K為系統(tǒng)放大倍數(shù)，盧為反饋系數(shù))時才能引起振蕩。所謂相位平衡是只有某頻率的反饋信號與此頻率輸入信號同相位才能引起振蕩，也就是相位條件西=2Nπ，即相位為0°或360°的整數(shù)倍，滿足正反饋。這兩個條件必須同時滿足，缺一不可。因此解決聲反饋嘯叫問題就必須從這兩方面著手，即破壞嘯叫條件，亦即改變相位或減小增益K和反饋系數(shù)β。

    對于任何一個已經(jīng)建立的擴聲系統(tǒng)，也即擴聲系統(tǒng)的場地以及實際所使用的揚聲器系統(tǒng)、傳聲器的數(shù)量、布局都已確定，并且放置到位，那么這個系統(tǒng)中必然存在這樣的頻率聲波：滿足與原先輸入傳聲器該頻率聲波同相位的同時，從揚聲器系統(tǒng)輻射出來后又從不同的途徑返回到傳聲器。這樣的頻率聲波不在少數(shù)，滿足產(chǎn)生聲反饋產(chǎn)生的兩個條件之一的相位條件。如果這些聲波同時又滿足產(chǎn)生聲反饋的兩個條件之一的振幅條件，即Kβ≥1，則聲反饋形成。

    隨著調(diào)音臺話放模塊推子逐步往上推（線路輸出模塊推子已預(yù)先推至適當(dāng)位置），擴聲系統(tǒng)的增益逐步增大，聲反饋振幅條件由Kβ＜逐步因系統(tǒng)放大倍數(shù)K的增大而趨近于l，繼續(xù)把推子往上推，當(dāng)某個頻率最先達(dá)到Kβ≥1時，則整個系統(tǒng)在這個頻率點形成聲反饋振蕩。

    另外，在任何擴聲系統(tǒng)工作的環(huán)境中都存在著環(huán)境噪聲，并且這些噪聲的頻譜是非常寬的，而由于受聽覺特性所限，并沒有明顯感知這些噪聲的存在。然而擴聲系統(tǒng)中的傳聲器是能夠接收到這些噪聲，并進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換。這些變成電信號的噪聲中首先滿足振蕩條件的那個頻率的噪聲聲波經(jīng)過調(diào)音臺、功率放大器及周邊設(shè)備的放大，再經(jīng)過揚聲器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成聲信號輻射出去，然后經(jīng)過某個途徑重新回到傳聲器。這時，雖然系統(tǒng)放大倍數(shù)K>1，但是整個擴聲系統(tǒng)中的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kβ＜1，此時尚未形成聲反饋振蕩，從揚聲器輻射出來的聲音尚未達(dá)到人們可以感覺到的響度。繼續(xù)把推子往上推，當(dāng)此頻率信號在整個擴聲系統(tǒng)中的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kβ已滿足大于1的條件時（這時起保持調(diào)音臺推子位置不變），其聲波再次進(jìn)入傳聲器，此已比原先進(jìn)入傳聲器的噪聲信號幅度增大了，那么經(jīng)過一個新的循環(huán)后必然在幅度上比上一次從揚聲器出來后返回傳聲器的信號幅度更大了。

    這時，雖然調(diào)音臺推子位置不變，即系統(tǒng)放大倍數(shù)K不變，然而由于Kβ>1，如果不采取措施的話，整個擴聲系統(tǒng)中的閉環(huán)將繼續(xù)不斷循環(huán)下去。隨著反復(fù)地循環(huán)放大，信號幅度逐步增大；通過若干次循環(huán)后，從揚聲器輻射出來的聲音已達(dá)到可以感覺到的響度，此時就覺察到聲反饋嘯叫的苗頭。繼續(xù)循環(huán)下去，聲音會越來越大，最后達(dá)到不能忍受的程度。

    由于整個擴聲系統(tǒng)中的閉環(huán)循環(huán)中，有一個揚聲器輻射出來的電信號從揚聲器系統(tǒng)經(jīng)過（不同途徑）空間傳播，才到達(dá)傳聲器的過程，而聲波在空間傳播的速度是比較低的。根據(jù)聲波340 m/s的速度計算，如果揚聲器輻射出來的聲波通過某個途徑返回到傳聲器需走34m的路程，那么不考慮電信號在設(shè)備電路中極快的傳輸速度所花費的時間，一個閉環(huán)循環(huán)需要100 ms時間。假設(shè)閉環(huán)增益為l dB，同時假定最初進(jìn)入傳聲器的該頻率噪聲信號聲壓級為20 dB，則升到60 dB這個已經(jīng)能聽出嘯叫苗頭的聲壓級需要循環(huán)40次，也就是需要4s時間。當(dāng)然，如果從揚聲器輻射出來的聲波返回到傳聲器如果需要走17 m的路程，則需2s時間。

    這時，聲反饋振蕩已經(jīng)形成，如果降低此頻率的系統(tǒng)放大倍數(shù)K，即使整個擴聲系統(tǒng)中的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Kβ<1，則此頻率的嘯叫將被抑制。

    如果繼續(xù)將調(diào)音臺上控制推子逐步往上推，那么第二個已滿足相位平衡頻率的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)又可能大于l，在這個新的頻率上又會重復(fù)與第一個頻率一樣的形成嘯叫的過程。如果繼續(xù)將調(diào)音臺上輸出音量控制推子逐步往上推，還會出現(xiàn)第三個、第四個……嘯叫頻率。事實上在一個室內(nèi)的擴聲系統(tǒng)工作中可能產(chǎn)生嘯叫的頻率點遠(yuǎn)多于一兩個。

    3、防止聲反饋引起嘯叫的措施

    對于任何一個擴聲系統(tǒng)必然存在不少的頻率聲波，滿足形成聲反饋的兩個條件之一的相位條件。事實上，對于一套擴聲系統(tǒng)來說，要絕對避免產(chǎn)生嘯叫是不可能的，也是不必要的，只要在達(dá)到最高使用要求聲壓級的情況下不產(chǎn)生嘯叫，那么此擴聲系統(tǒng)的聲反饋嘯叫問題可以說得到解決了。

    聲反饋的抑制，一般來說就是如何控制產(chǎn)生聲反饋的兩個條件之一的振幅條件，即使Kβ<1。以下結(jié)合K、β兩個方面來談如何進(jìn)行采取措施抑制聲反饋嘯叫的產(chǎn)生。

    1) 減小β（反饋系數(shù)）

    (1) 從建筑聲學(xué)特性上考慮，擴聲場合的混響時間不宜過長，混響時間越長則混響聲能越大，引起的聲反饋機會越多。傳聲器附近是否存在強反射的反射面，需要的話在傳聲器附近增加吸聲處理，以減少反射到傳聲器的反射聲。

    (2) 要盡可能使傳聲器不處于揚聲器的直達(dá)聲場內(nèi)，利用傳聲器與音箱的指向特性，調(diào)整它們之間的空間位置，盡力消除聲反饋通道。

    (3) 選用頻率特性比較平直的傳聲器和揚聲器，以免由于有峰值而引起自激。

    (4) 采用移頻器抑制聲反饋。它能將聲音信號的頻率增加5 Hz左右，從而切斷聲音正反饋鏈路，進(jìn)行聲反饋的抑制。但是，該設(shè)備在語言擴聲時使用起來效果很好，對聲音的破壞很小，但是在演唱會和器樂中使用就會有明顯的聲音變調(diào)感覺。當(dāng)然，有的移頻器設(shè)計成串接在傳聲器和調(diào)音臺之間使用，專門針對語言信號進(jìn)行移頻（適合會議等基本以語言為主的擴聲系統(tǒng)），然而對于非語言為主的擴聲系統(tǒng)來說，會給擴聲系統(tǒng)的組成帶來復(fù)雜性，進(jìn)而給擴聲系統(tǒng)的操控增加難度。

    2) 減小K（系統(tǒng)放大倍數(shù)）

    (1) 采用均衡器抑制聲反饋。這種設(shè)備可有效地衰減反饋頻率點的增益（拉饋點），擴聲系統(tǒng)之所以產(chǎn)生聲反饋，是因為系統(tǒng)中某些頻率信號過強，如果衰減這些過強的頻率就能抑制聲反饋。而由于均衡器的濾波器是固定不變的，無法將其精確定位到回饋點，均衡器的濾波器帶寬較寬（1/3倍頻程）。使用過程中對擴聲系統(tǒng)的音質(zhì)有一定影響。

    (2) 采用反饋抑制器抑制聲反饋

    反饋抑制器是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展并針對聲反饋嘯叫形成過程的特點而設(shè)計、生產(chǎn)的一種自動拉饋點的專業(yè)設(shè)備。

    反饋抑制器能夠針對聲反饋嘯叫形成過程的特點，快速掃描、自動尋找出系統(tǒng)中反饋信號頻率，并能自動生成與其頻率相同的窄帶濾波器，切除“嘯叫”的頻率信號，從而抑制反饋。

    輸入聲反饋抑制器的信號先被放大，然后再將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此時檢測器不斷掃描，可將50 Hz～15 kHz中的所有反饋頻率識別，當(dāng)聲反饋信號找到后，由中央處理器立即告知數(shù)字信號處理器去設(shè)定頻率，并且自動生成窄帶濾波器降低以此頻率為中心的窄頻帶增益，從而破壞幅度平衡條件，達(dá)到使整個擴聲系統(tǒng)閉環(huán)放大倍數(shù)小于l的目的，使振蕩不能形成。如果再增大傳聲增益，可能又有新的反饋頻率出現(xiàn)，這時第二路反饋控制聲道將開始工作，以抑制反饋的產(chǎn)生。反饋抑制器的濾波帶寬通常為1/5倍頻程或者1/10倍頻程可選；有的甚至為1/60倍頻程；尋找和消除反饋需要的時間為0.4 s，如果使用得當(dāng)，一般可使擴聲系統(tǒng)的傳聲增益提高6~12 dB，既達(dá)到最大程度減少聲學(xué)反饋的目的，又保持原始聲源的音頻特性。

    在擴聲系統(tǒng)中運用反饋抑制器可以有效地抑制聲反饋，使用中應(yīng)注意以下三個要點：

    ① 通道A和通道B（左右聲道）必須單獨、分開設(shè)定。設(shè)置第二通道時，一定要關(guān)閉第一通道音量，用“BYPASS”按鈕跳通第一通道，重復(fù)系統(tǒng)初始化過程。

    ② 固定濾波器和動態(tài)濾波器數(shù)量的確定。應(yīng)根據(jù)擴聲過程中傳聲器位置是否發(fā)生變化而定。在傳聲器移動的情況下，系統(tǒng)設(shè)置時設(shè)置成能對單個的音箱進(jìn)行音量控制，在傳聲器向某個音箱靠近時，應(yīng)當(dāng)拉低此音箱的音量，也是減少嘯叫的一種有效手段。擴聲系統(tǒng)中使用返聽音箱的，則必須設(shè)置成對其進(jìn)行單獨的音量控制。

    ③ 由于反饋頻率點與擴聲環(huán)境等密切相關(guān)，當(dāng)聲場條件變化后，反饋抑制器中設(shè)置的參數(shù)必須重新調(diào)整。也就是說一旦擴聲環(huán)境、音箱布局、傳聲器數(shù)量及位置等發(fā)生了變化，反饋抑制器中設(shè)置的參數(shù)必須重新調(diào)整。

    一般來說，如果擴聲環(huán)境的建聲特性不是特別的差，擴聲系統(tǒng)中傳聲器和揚聲器的使用、布局等比較合理，那么在擴聲系統(tǒng)中使用反饋抑制器來抑制反饋，對于擴聲場地經(jīng)常變換的擴聲系統(tǒng)特別有利，基本能在極短的時間內(nèi)完成調(diào)試并進(jìn)行正常的擴聲工作，達(dá)到最大程度減少聲反饋的目的，其在提高傳聲器增益的同時，又能保持原始聲源的音頻特性，進(jìn)而獲得較理想的擴聲效果。