北京第七九七音响股份有限公司  宋 鸣 华子兴 于开蒙 梁连兵

在整个天安门扩声系统工程中，一共有四款不同结构的特大型声柱担任着不同区域的扩声任务。其中甲Ｉ型声柱是安装在天安门广场，以负责整个广场区域的扩声任务。该声柱从顶部到椎体总长度为3455mm，宽700mm，箱体深590mm，总重量大约310kg。声柱低音部分由6个12吋的YD300-18BT全纸盆低音组成，低音安装板与垂直面成3°内倾斜角；高音部分由2个4吋纯铝线音圈的钛膜压缩驱动器D1005BT配备JBL2334号筒组成。甲I型声柱分为两组辐射区，最上端的高音号筒轴线平行水平面，与低音组的上面三个低音一起为一组，负责远场的声场辐射；下端的高音号筒与垂直面成一定的角度，和低音组的下方三个低音一起，负责近场的声场辐射。两组信号由四根颜色不同的四芯线控制，红色和黑色线为一组（红为正），控制近场声信号；蓝色和绿色线为一组（蓝为正），控制远场声信号。

甲Ｉ型声柱是分二排纵向排列安装在天安门广场的灯杆上，如果采用普通全向性声柱，在广场上的人们往往就会在一定范围内听到来自前后二条声柱辐射的声信号，为了克服这一问题，我们必须将甲Ｉ型声柱设计成具有“单方向”的特性。

声柱的方向性其中高频是由号筒的方向性来控制，我们主要来解决低频声辐射的方向性。声柱的单方向性设计，就是设计一个与声源本身具有反相相位辐射的低频声源，对不需要的频率段进行干涉抵消，以达到单方向性的目的。为了达到这个目的，一般的做法是设计一个LC电路，利用电容、电感本身的时序特性来做一个与辐射声源同频率成比例变化的相位移频器，在其输入阻抗与负载阻抗相等的条件下，使信号在需要的频段范围内同振幅反相相移，以达到抵消，从而以实现单方向性。这是采用纯电路的方式来实现声柱的单方向性。天安门特大型声柱，是将上面所述的电路原理转化为声路结构，完完全全通过声柱内部声腔的设计，以耦合腔之间的相互作用，借助空纸盆的二次辐射，巧妙的运用二次反相被动辐射声源，通过调整频率以及阻尼特性，对声柱的消减频段进行抵消，简单而有效的实现了声柱的单方向性。

如上图所示，为甲Ｉ型声柱内部结构示意图。由阻尼板将整个腔体分为V1和V2两个空间。利用相移原理，将声柱低音扬声器安装部份做成独立的密闭空间（V1），在箱体的后板上开四个孔：2个直径为135mm和2个165mm。并在135mm孔上安装135mm的空纸盆；在165mm孔上安装165mm的空纸盆。在声柱扬声器箱的后腔增加一块阻尼垫。控制135mm和165mm空纸盆的谐频，使二种空纸盆在我们所设定的频率上进行二次辐射声信号达到最强，通过改变阻尼垫的声阻尼特性使空纸盆的二次辐射声信号的强度达到我们予定的数值。利用相位差的关系，使由扬声器前方辐射的声信号绕到声柱的后方使其与空纸盆二次辐射的声信号迭加抵消，大大削弱声柱后侧的声辐射，达到“单方向性”的目的。

经过调整两种空纸盆的谐频和阻尼垫的声阻尼值，使声柱在180°与0°两个方向上测试：250Hz时衰减12dB；500Hz时衰减15dB。甲Ｉ型声柱的这一特点使它以纵向排列的方式安装在广场的两列灯杆上，在一定范围内克服了人们听到来自声柱前后的声音，使得整个广场的声场清晰均匀而不混乱。其声学类比线路图如下所示：

采用这种方式对声柱进行的单方向性设计，只会对反向的声场进行干涉影响，而正向的低频信号不会受到太大的影响！

对于使用在天安门广场这种特殊场合的特大型声柱，其整个声柱系统的改造设计理念要非常的明晰：本着可靠性第一的原则，以保证广场有着足够的声压级，尽量使扩声音质有所提高。所以，可靠性第一在首次的分频器设计中占据了主体位置。因此采用尽量少的元器件、最大程度的使用原有扬声器单元本身的声学特性来对分频器进行设计。同时应该注意声辐射状态和在大功率工作情况下高、低频扬声器所能承受的实际功率来确定其分频器参数，再考虑元件状况，特别是高频部分的衰减电阻以及低频中所使用的电感。第一次甲I型声柱设计所使用的分频线路就是简单的LC分频电路。

    电原理图为下所示：

其中R2，R3为负载电阻。R1为高音部分的衰减电阻。

仿真之后如下所示

如图所示，图中红色是高音部分增加了并联衰减电阻后的仿真曲线，黄色为没有并联衰减电阻后的测试结果。但是根据单元的灵敏度搭配来看，高音部分获得的能量过多，听感方面也表现的非常强烈，听起来高频过于突出。为了保护单元同时使整个音域听起来均匀，高频部分决定做衰减，并联了一个电阻R1。

并联后测试出的曲线，高低音部分的能量匹配比较均匀，但是，增加了衰减电阻，那么功率矛盾的突出重点就转移到了分频器的元器件上，衰减电阻所承担的能量与高音均分，特别是作为大功率的负载电阻，对其功率承受能力要求更为严格。对分频器进行大功率测试发现：该并联电阻发热极为厉害，热量使得无法用手靠近。总而言之，高音的衰减以增加负载电阻来承担损耗能量的形式，潜在的危险性非常大。这是其中要进行改进的原因之一！其次，低频部分，上面介绍到低音障板与垂直面成一定的角度斜放在箱体内，低音面板与侧面板形成一个前腔；特别是越到椎体部分，前腔效应越明显。前腔效应对中频的影响是非常大的。从测试的结果来看，低频部分到400Hz开始陡然下降，到500~600Hz到达深谷的最低点，然后800Hz陡然上升到最高点，电平与低频持平；中间段大约有23dB的深谷。所以在分频器处理的时候，低频线路对整个曲线的调控基本上不起太大的作用，其箱体结构本身的滤波效果非常明显；因此，具有此种特性的声柱系统，低频基本上可以考虑到直通。不过后期还是采用了简单的LC电路进行滤波处理，以保证音感的干净。

如何弥补此处的中频谷，同时兼顾到高音的承受能力又能保证良好的音质？分频器元器件所能承受能力的隐患、高音压缩驱动器承受的能力过大的隐患，这两大问题始终是困扰我们的两大难题，既要保证整体系统的大功率安全可靠性，又要实现完美的音质表现！

    根据具体问题进行分析，要减少元器件中衰减电阻的热损承受能力，最好是在分频器电路设计中消去衰减电阻（发热电阻），同时又要使高音驱动器尽量减少受低频信号的侵害，因此，在后期的分频线路考虑中，高通部分最后决定采用三阶分频网络。改进后的线路原理图如下所示：

如图R2，R3为负载电阻，线路仿真曲线如下所示：

从仿真曲线上可以看出，高频的衰减斜率更陡，这样极大的减少了低频信号的侵害，不但绕过了衰减电阻的瓶颈，而且在音质上使得语言的扩声更加干净，在听感上更加厚实并具有穿透力。同时由于取消了衰减电阻的存在，使得整个系统的可靠性得到了有效的保证。同时低通电感采用了Φ1.6mm的漆包线以尽量减小直流电阻，使低通回路中电感的功率衰减降到最小。

   天安门特大型声柱使用的另一个关键部分就是设计使用了自主研发生产的高效率、大功率变压器。本次使用的是北京第七九七音响股份有限公司纯手工绕制的环形变压器，总共有三种规格，200W，250W，300W。变压器的性能指标直接影响到整个声柱系统的各项电声指标，因此，对于天安门特大型声柱所使用的变压器要求功率大，效率高，频响好，失真小，性能可靠性好，经过三防处理以保证长期使用。这次生产的变压器经测试，从50Hz~16KHz，不均匀度小于0.5dB，谐波失真低于5‰，其效率在90%以上，可以说是一款效率非常高的优质变压器；做好的变压器经过全密封灌注，使用在各天安门特大型声柱上 

 

 

改造后的甲I型声柱的性能指标如下：

额定噪声功率：500W

频率响应：80Hz～15kHz，

特性灵敏度级级：（折算到1m1W）108.5dB；

指向性特点：单方向性

 250Hz时相差不小于12dB，

500Hz时相差不小于15dB

内部连线图与50周年一致，如下如所示

改造后的声柱，高、低音扬声器单元都是由北京第七九七音响股份有限公司自行研发设计生产，其功率、最大声压级以及可靠性较之五十周年的都有了较大的提高。分频器的优化设计更加充分合理的利用了单元本身的特性，在保证语言清晰度的同时使得整体的音质有了更加优秀的表现，出色的完成了60周年国庆阅兵以及晚会现场的扩声任务！

    

 

甲I型声柱高可靠性的设计、良好的频率响应、极高的特性灵敏度级、能建立极高的声压级等特性均属国内领先，声柱的单方向性的特性属国内首创。由于天安门特大型声柱为防止雨淋到低音扬声器的纸盆上，所以在结构设计时低音扬声器的安装板往后移，以至于在扬声器前形成了一个腔体，该腔体实际形成一个声滤波器，影响中低频特性，这一问题值得今后很好研究改进。