扩声系统中的声反馈的产生及抑制

    在接入了传声器的扩声系统中，如果将扩声系统的调音台和功率放大器音量进行较大的提升，则扬声器发出的声音就会通过直接或间接（声反射）的方式进入传声器，使整个扩声系统形成正反馈而引起啸叫，这种现象称为声反馈。

    声反馈啸叫是一种扩声系统中经常出现的现象，不仅破坏音质，而且限制传声器声音的扩声音量，深度的声反馈还容易造成扩音设备的损坏，如功放因过载而烧毁，音箱因系统信号过强而烧坏（通常是烧毁音箱的高音单元）。可以说，声反馈的存在对于声音再现有百害而无一利。

    1、声反馈的产生

    在具有传声器的音响系统中，由于扬声器系统的声音通过不同途径又进入传声器，与传声器的输入声信号叠加，当相位相同时即产生更强的输入信号进入系统，同样产生更强的输出声信号，反馈到传声器。如此多次反复，引起扩声系统的自激振荡，出现了扩声系统的声反馈“啸叫”，图1为声反馈原理图。

    1  声反馈原理

    声反馈的形式不仅与扩声环境及其建筑声学特性有关，还与扬声器、传声器的摆放位置有关。如扩声系统中扬声器布局不当，演唱者使用的传声器直接对准音箱声辐射的方向等；还与电声设备选择不当有关，如所选扬声器、传声器的指向性以及频率特性等；还与扩声系统调试不当有关。如有的设备处于临界工作状态，稍有干扰即自激，从而产生声反馈。

    通常用“传声增益”来表示声反馈的程度。“传声增益”就是指扩声系统达到最高可用增益时（临界增益减去6 dB增益裕量），在指定的各听众位置上测得的平均声压级与话筒处声压级的dB数差值。这一差值越大，表明扩音机的音量可以开得越大，“传声增益”也越高。最简单抑制“啸叫”的办法是减少声增益，但是也降低了扩声系统的效率。

    2、产生声反馈的条件及过程

    声反馈（啸叫）是扩声系统由于存在正反馈而产生的振荡。根据振荡形成的原理，一个系统只有在满足下述两个条件时才能形成振荡，即振幅平衡条件和相位平衡条件。对一个系统来说，所谓振幅平衡就是只有某频率的反馈信号幅度大于此频率原先输入信号的幅度时才能引起振荡，或者说当振幅条件Kp≥1(K为系统放大倍数，卢为反馈系数)时才能引起振荡。所谓相位平衡是只有某频率的反馈信号与此频率输入信号同相位才能引起振荡，也就是相位条件西=2Nπ，即相位为0°或360°的整数倍，满足正反馈。这两个条件必须同时满足，缺一不可。因此解决声反馈啸叫问题就必须从这两方面着手，即破坏啸叫条件，亦即改变相位或减小增益K和反馈系数β。

    对于任何一个已经建立的扩声系统，也即扩声系统的场地以及实际所使用的扬声器系统、传声器的数量、布局都已确定，并且放置到位，那么这个系统中必然存在这样的频率声波：满足与原先输入传声器该频率声波同相位的同时，从扬声器系统辐射出来后又从不同的途径返回到传声器。这样的频率声波不在少数，满足产生声反馈产生的两个条件之一的相位条件。如果这些声波同时又满足产生声反馈的两个条件之一的振幅条件，即Kβ≥1，则声反馈形成。

    随着调音台话放模块推子逐步往上推（线路输出模块推子已预先推至适当位置），扩声系统的增益逐步增大，声反馈振幅条件由Kβ＜逐步因系统放大倍数K的增大而趋近于l，继续把推子往上推，当某个频率最先达到Kβ≥1时，则整个系统在这个频率点形成声反馈振荡。

    另外，在任何扩声系统工作的环境中都存在着环境噪声，并且这些噪声的频谱是非常宽的，而由于受听觉特性所限，并没有明显感知这些噪声的存在。然而扩声系统中的传声器是能够接收到这些噪声，并进行声电转换。这些变成电信号的噪声中首先满足振荡条件的那个频率的噪声声波经过调音台、功率放大器及周边设备的放大，再经过扬声器系统转换成声信号辐射出去，然后经过某个途径重新回到传声器。这时，虽然系统放大倍数K>1，但是整个扩声系统中的闭环电压放大倍数Kβ＜1，此时尚未形成声反馈振荡，从扬声器辐射出来的声音尚未达到人们可以感觉到的响度。继续把推子往上推，当此频率信号在整个扩声系统中的闭环电压放大倍数Kβ已满足大于1的条件时（这时起保持调音台推子位置不变），其声波再次进入传声器，此已比原先进入传声器的噪声信号幅度增大了，那么经过一个新的循环后必然在幅度上比上一次从扬声器出来后返回传声器的信号幅度更大了。

    这时，虽然调音台推子位置不变，即系统放大倍数K不变，然而由于Kβ>1，如果不采取措施的话，整个扩声系统中的闭环将继续不断循环下去。随着反复地循环放大，信号幅度逐步增大；通过若干次循环后，从扬声器辐射出来的声音已达到可以感觉到的响度，此时就觉察到声反馈啸叫的苗头。继续循环下去，声音会越来越大，最后达到不能忍受的程度。

    由于整个扩声系统中的闭环循环中，有一个扬声器辐射出来的电信号从扬声器系统经过（不同途径）空间传播，才到达传声器的过程，而声波在空间传播的速度是比较低的。根据声波340 m/s的速度计算，如果扬声器辐射出来的声波通过某个途径返回到传声器需走34m的路程，那么不考虑电信号在设备电路中极快的传输速度所花费的时间，一个闭环循环需要100 ms时间。假设闭环增益为l dB，同时假定最初进入传声器的该频率噪声信号声压级为20 dB，则升到60 dB这个已经能听出啸叫苗头的声压级需要循环40次，也就是需要4s时间。当然，如果从扬声器辐射出来的声波返回到传声器如果需要走17 m的路程，则需2s时间。

    这时，声反馈振荡已经形成，如果降低此频率的系统放大倍数K，即使整个扩声系统中的闭环电压放大倍数Kβ<1，则此频率的啸叫将被抑制。

    如果继续将调音台上控制推子逐步往上推，那么第二个已满足相位平衡频率的闭环电压放大倍数又可能大于l，在这个新的频率上又会重复与第一个频率一样的形成啸叫的过程。如果继续将调音台上输出音量控制推子逐步往上推，还会出现第三个、第四个……啸叫频率。事实上在一个室内的扩声系统工作中可能产生啸叫的频率点远多于一两个。

    3、防止声反馈引起啸叫的措施

    对于任何一个扩声系统必然存在不少的频率声波，满足形成声反馈的两个条件之一的相位条件。事实上，对于一套扩声系统来说，要绝对避免产生啸叫是不可能的，也是不必要的，只要在达到最高使用要求声压级的情况下不产生啸叫，那么此扩声系统的声反馈啸叫问题可以说得到解决了。

    声反馈的抑制，一般来说就是如何控制产生声反馈的两个条件之一的振幅条件，即使Kβ<1。以下结合K、β两个方面来谈如何进行采取措施抑制声反馈啸叫的产生。

    1) 减小β（反馈系数）

    (1) 从建筑声学特性上考虑，扩声场合的混响时间不宜过长，混响时间越长则混响声能越大，引起的声反馈机会越多。传声器附近是否存在强反射的反射面，需要的话在传声器附近增加吸声处理，以减少反射到传声器的反射声。

    (2) 要尽可能使传声器不处于扬声器的直达声场内，利用传声器与音箱的指向特性，调整它们之间的空间位置，尽力消除声反馈通道。

    (3) 选用频率特性比较平直的传声器和扬声器，以免由于有峰值而引起自激。

    (4) 采用移频器抑制声反馈。它能将声音信号的频率增加5 Hz左右，从而切断声音正反馈链路，进行声反馈的抑制。但是，该设备在语言扩声时使用起来效果很好，对声音的破坏很小，但是在演唱会和器乐中使用就会有明显的声音变调感觉。当然，有的移频器设计成串接在传声器和调音台之间使用，专门针对语言信号进行移频（适合会议等基本以语言为主的扩声系统），然而对于非语言为主的扩声系统来说，会给扩声系统的组成带来复杂性，进而给扩声系统的操控增加难度。

    2) 减小K（系统放大倍数）

    (1) 采用均衡器抑制声反馈。这种设备可有效地衰减反馈频率点的增益（拉馈点），扩声系统之所以产生声反馈，是因为系统中某些频率信号过强，如果衰减这些过强的频率就能抑制声反馈。而由于均衡器的滤波器是固定不变的，无法将其精确定位到回馈点，均衡器的滤波器带宽较宽（1/3倍频程）。使用过程中对扩声系统的音质有一定影响。

    (2) 采用反馈抑制器抑制声反馈

    反馈抑制器是随着数字技术的发展并针对声反馈啸叫形成过程的特点而设计、生产的一种自动拉馈点的专业设备。

    反馈抑制器能够针对声反馈啸叫形成过程的特点，快速扫描、自动寻找出系统中反馈信号频率，并能自动生成与其频率相同的窄带滤波器，切除“啸叫”的频率信号，从而抑制反馈。

    输入声反馈抑制器的信号先被放大，然后再将放大后的模拟信号转换成数字信号。此时检测器不断扫描，可将50 Hz～15 kHz中的所有反馈频率识别，当声反馈信号找到后，由中央处理器立即告知数字信号处理器去设定频率，并且自动生成窄带滤波器降低以此频率为中心的窄频带增益，从而破坏幅度平衡条件，达到使整个扩声系统闭环放大倍数小于l的目的，使振荡不能形成。如果再增大传声增益，可能又有新的反馈频率出现，这时第二路反馈控制声道将开始工作，以抑制反馈的产生。反馈抑制器的滤波带宽通常为1/5倍频程或者1/10倍频程可选；有的甚至为1/60倍频程；寻找和消除反馈需要的时间为0.4 s，如果使用得当，一般可使扩声系统的传声增益提高6~12 dB，既达到最大程度减少声学反馈的目的，又保持原始声源的音频特性。

    在扩声系统中运用反馈抑制器可以有效地抑制声反馈，使用中应注意以下三个要点：

    ① 通道A和通道B（左右声道）必须单独、分开设定。设置第二通道时，一定要关闭第一通道音量，用“BYPASS”按钮跳通第一通道，重复系统初始化过程。

    ② 固定滤波器和动态滤波器数量的确定。应根据扩声过程中传声器位置是否发生变化而定。在传声器移动的情况下，系统设置时设置成能对单个的音箱进行音量控制，在传声器向某个音箱靠近时，应当拉低此音箱的音量，也是减少啸叫的一种有效手段。扩声系统中使用返听音箱的，则必须设置成对其进行单独的音量控制。

    ③ 由于反馈频率点与扩声环境等密切相关，当声场条件变化后，反馈抑制器中设置的参数必须重新调整。也就是说一旦扩声环境、音箱布局、传声器数量及位置等发生了变化，反馈抑制器中设置的参数必须重新调整。

    一般来说，如果扩声环境的建声特性不是特别的差，扩声系统中传声器和扬声器的使用、布局等比较合理，那么在扩声系统中使用反馈抑制器来抑制反馈，对于扩声场地经常变换的扩声系统特别有利，基本能在极短的时间内完成调试并进行正常的扩声工作，达到最大程度减少声反馈的目的，其在提高传声器增益的同时，又能保持原始声源的音频特性，进而获得较理想的扩声效果。