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擴聲系統的演變史
更新時間:2022-4-19 9:19:22 編輯:溫情 睿銘聲光 調整文字大小:【

時代先鋒

從擴聲領域看科技發展

我們通常所說的“PA”是一種放大系統,用于增強聲源并將其分布到場地或建筑物中。PA 是公共廣播(Public Address)的縮寫,表示了它最常見的用法——公共場所基于語音的公告,包括火車站、體育場館、超市、醫院和機場等。

雖然自公元前 20 年維特魯威( Vitruvius 古羅馬作家、建筑師和工程師,著有《建筑十書》)首次探索建筑聲學以來,公共廣播的理論就已經存在,但我們今天主要討論的是現代電子 PA 系統及其在現場音樂表演中的應用。

電子 PA的出現,首先需要各種元件,然后再加以組合。所有 PA 系統都逃不過這三個基本組成部分:

1) 一種能夠捕捉聲音振動并將其轉換為電信號的設備

2)一種放大和控制電信號的方法

3) 將電信號還原為聲音并傳播它們的裝置

簡單來說,我們需要一個麥克風、一個放大器和一個揚聲器。其中第一個被發明的是麥克風;和許多發明一樣,對于誰先發明麥克風目前還存在一些爭議。

1 早期的碳麥克風

大多數歷史學家都認可大衛·愛德華·休斯(David Edward Hughes)是發明麥克風第一人,他大約在 1875 年展示了他原始的碳麥克風,比亞歷山大·格雷厄姆·貝爾、埃米爾·柏林納和托馬斯·愛迪生早了幾年。他沒有為他的發明申請專利,因為他認為這是送給人類的禮物,但他確實創造了“麥克風”這個詞。

碳麥克風是一種非常簡單的設備,填充在兩個金屬板之間的碳顆粒,其電阻隨著振動成比例地變化,從而產生代表這些振動的電信號。雖然碳麥克風現在已被更高效的設計所取代,但直到 1980 年代它們仍在電話中使用?傮w而言,這種簡單的設計是現代麥克風的原型。

到了 1870 年代和 80 年代,各種類似揚聲器的設備都在迅速發展,無處不在,最著名的是亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的電話(1876 年)和愛迪生的留聲機(1877 年),但真正的動圈揚聲器——此后所有揚聲器的先驅,是由 Oliver Lodge 在1898 年發明的。

當時他稱之為“獅吼電話”,并且它的應用有限(因為尚未發明放大器)。但它包含了與所有揚聲器相同的基本設計:由音圈振動隔膜發出聲音,然后經由喇叭放大。

Kellogg 和 Rice 出現在 1925 年的《大眾廣播》雜志上。他們拿著第一個動圈錐體揚聲器。

1925 年,通用電氣公司的 Chester W. Rice 和 Edward W. Kellogg 的研究論文是建立現代揚聲器基本原理的關鍵,在擋板中用一個小線圈驅動多方控制的隔膜會產生均勻寬廣的中頻響應。貝爾實驗室的 Edward Wente 獨立發現了同樣的原理,并于同年申請了專利。這些設計原則至今仍在使用著。

2 組裝

PA 三大部分的最后一個在 1906 年得以解決,當時 Lee DeForest 發明了 Audion,這是第一個能夠放大電信號的設備。

他通過使用一個兩電極二極管用于檢測電磁波,并添加了第三個電極,該電極可以將小電流施加到其中一個電極上以控制兩個電極上較大的電流——也就是可以將信號電流添加到來自電源的電流以使其更大(信號因此得以放大)。

Audion,第一個能夠放大電信號的設備,由 DeForest 發明。(圖片來源:Gregory F. Maxwell)。

Audion經過改進成為如今的三極管,最終演變成真空管或電子管,幫助開創了無線電、電話、電視和電子計算機的早期時代。

這三項關鍵發明免費開放,不同的人開始將它們拼湊在一起,并嘗試早期的聲音再現和放大系統。在這些先驅中值得注意的是 Edwin Jensen 和 Peter Pridham,他們在整個 1910 年代在加利福尼亞州納帕的實驗室中進行了一系列實驗。

這些實驗中最早的一項是將麥克風和揚聲器連接到 12 伏電池,隨即第一次出現了聲反饋。很難想象他們如何看待這種令人費解和意想不到的噪音,但從那時起,現場音響工程師就一直在與聲反饋作抗爭。他們通過將揚聲器安裝在實驗室屋頂上來繼續實驗,做到了可以在一英里外聽到聲音。

1915 年 12 月 24 日,舊金山市政廳公開展示了 Jensen 和 Pridhams 的 Magnavox 系統(Magnavox 在拉丁語中意為“偉大的聲音”)。

該活動是一場由市長致辭的圣誕頌歌音樂會,有 100,000 人參加。據報道稱,盡管基本系統只能產生大約 10 W的音頻功率,但使用大型號角揚聲器有助于確保人群“以絕對清晰的方式”聽到圣誕音樂和演講。

Magnavox PA 系統使用安裝在金屬反射器上的碳麥克風(當時稱為發射器)來聚焦和放大振動(就像耳朵的耳廓一樣)。

在隨后的幾年里,各種公司涉足公共廣播和揚聲器設計領域(即Marconi、Tannoy、Western Electric、Bell Labs、Altec Lansing),逐漸與無線電、電話、電影等新興領域攜手發展。在大西洋兩岸的大型公共活動中,號角式揚聲器屢見不鮮。

第一位使用 PA(Magnavox 系統)的美國總統是伍德羅·威爾遜(Woodrow Wilson),他于 1919 年在圣地亞哥向 75,000 人發表講話,作為他推動國際聯盟成立的巡回演講的一部分。1925 年,喬治五世國王在溫布利舉行的大英帝國展覽期間使用僅配備六個號角揚聲器的 Marconi PA 向 90,000 人發表講話。

3 克服限制

但在現場音樂表演中使用 PA 系統通常僅限于簡單地放大聲音,以便可以在樂隊傳播范圍之外聽到。這種限制可能部分是由于那個時代相對較小的電子管放大器。

為了正常工作,電子管會消耗大量功率并產生很高的熱量,因此如果為了獲得更大的放大效果而將它們放在一起,功率需求很快就會變得過高,并且存在放大器過熱的風險。因此,這一時期的電子管放大器通常被限制在 20 W左右的輸出功率。

在二戰后的幾年里,開發一種更有效的放大方法的競爭非常激烈。大多數研究是由電話公司進行的,他們希望能解決長途電話線路信號丟失的問題。半導體技術的進步似乎指明了方向,但真正取得進展的是貝爾實驗室的三人團隊。

約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓 和 威廉·肖克利拿起一條金箔,用剃須刀片將其切成兩半,然后用回形針將其固定在一塊塑料楔上,然后將其貼在一塊鍺上。施加在鍺上的小電流改變了它的導電特性,更大的電流可以在兩片金箔之間通過,從而產生功率增益——晶體管誕生了。

貝爾實驗室的晶體管發明者威廉·肖克利(坐著)、約翰·巴。ㄗ螅┖臀譅柼亍げ祭D(右)。

第一個晶體管

后來鍺被硅取代,設計繼續改進,諾貝爾獎頒發,肖克利繼續創建硅谷。從音頻的角度來看,晶體管的優點在于它們要小得多,并且不會像三極管那樣產生那么多熱量,因此可以構建更小、更高效的放大器。

4 “魔鬼”音樂

PA 技術的提高和改進仍在繼續,其中電影是主要驅動力。在 1950 年代,隨著電吉他的發明和搖滾樂的日益普及增加了對更大擴音器的需求,事情開始變得有趣起來。

樂隊被迫將當時有限的 PA 推入失真狀態,以匹配演出的能量水平,從而產生了一些沙啞失真的聲音。這導致某些領先的制造商宣布如果將系統滿負荷運行,將不提供保修服務,一些制造商甚至威脅如果將系統出售給演奏“魔鬼音樂”的樂隊,將會馬上終止與其合作。

進入 1960 年代,樂隊開始攜帶自己的 PA。尤其是不同樂隊的多場次演出,A揚聲器組放在B揚聲器組前面,然后A樂隊表演結束會將自己的系統拆除。結果就是每場演出聽起來都大不相同——通常,到大腕壓軸演出時,聲音會有所改善,因為他們可以買得起更昂貴的 PA。

分水嶺出現在1965 年 8 月,披頭士樂隊在紐約的 Shea 體育場演出。來自利物浦的這個樂隊組合流行度暴漲,這讓他們可以在像棒球場一樣大的場地進行表演。

然而,當時的音響系統根本無法勝任這項任務。大量的放大器和喇叭組成龐大的系統,盡管舞臺在場地中間,觀眾分布在看臺上,但人群的尖叫聲太大了,他們聽不到樂隊的聲音——樂隊自己也聽不見。

僅僅一年后,樂隊宣布完全退出現場表演,并隨后發行了“Sgt Pepper's Lonely Hearts Club Band”,這是一張基于虛構樂隊的概念專輯,讓虛構樂隊代表他們進行巡回演出 (盡管是以錄制的形式)。而Shea  體育場演出被廣泛認為是一個急于求成的經典例子,在行業剛萌芽還不會走的時候就想跑起來。

你可能沒有發覺,現代巡演和音響產業就是在那場音樂會之后不久誕生的。隨著樂隊需要更大更好的系統,一切步伐開始加快,我們開始被潮流裹挾著進入 PA 的黃金時代。

5 “大型”PA

披頭士樂隊在皇后區 Shea 體育場的那場演出反映了當時的音響系統根本無法勝任這類任務。值得慶幸的是,大西洋兩岸都有開拓者愿意加大賭注迎來大型 PA 時代。著名的先驅者包括倫敦 WEM(Watkins Electric Music)的 Charlie Watkins 和賓夕法尼亞州 的 Clair Brothers。

Gene 和 Roy Clair 于 1954 年從雜貨店父親那里收到了他們的第一個擴聲系統作為圣誕禮物,在接下來的幾年里,他們將其用于當地的各種舞會和活動。1963 年,他們接手了一家揚聲器改造業務,這使他們獲得了最新的發展信息,并有機會為賓夕法尼亞州 4,000 人規模的富蘭克林和馬歇爾學院的明星定期演出提供音響系統。

羅伊和吉恩克萊爾。

1966 年,Clair兄弟倆給弗蘭基瓦利留下了深刻的印象,他聘請他們去巡演,從而形成了第一批巡演 PA 租賃公司之一。讓 Clair 在競爭中脫穎而出的原因在于他們擅長將合適的設備拼湊在一起,以提供最響亮、最清晰的輸出。這導致該公司與 Iron Butterfly、Jefferson Airplane 和 Cream 等明星合作——1968 年,他們在費城的 Spectrum 為 18,000 名觀眾舉辦了一場享有盛譽的演出。

與此同時,在英國,沃特金斯于 1967 年在溫莎的一個音樂節上推出了他的“從屬”PA 系統,之所以這么稱呼是因為他將一個放大器饋入另一個放大器以增加第二個的輸出。也就是說用 10 個放大器為 20 個揚聲器產生 1,000 W的功率,該系統能夠產生驚人的音量水平,讓它的創造者因為“違反和平”而上了法庭——值得慶幸的是此案被駁回。

WEM Audiomaster 5 通道混音器

1968 年,WEM 推出了 Audiomaster 混音器,它立即成為經典,盡管它只提供 5 個通道(每個通道都有音量、低音、中音、高音和彈簧混響控制)。

更重要的是,混音器的發展開啟了從被動混音的轉變,并為一代巡演人提升到現場音響工程師的位置鋪平了道路。

6 一個啟示

然而,由于使用了高阻抗麥克風,信號損失是一個突出的問題,因此電纜走線的距離被大大限制,這意味著混音器通常只能位于舞臺旁,靠近系統其余部分的位置。幸運的是,紐約的 Fillmore East,Bill Hanley 開發了第一款多芯“snake”,可以將混音位置從音響系統中獨立開來。

我們現在對FOH位置位于聽音區已習以為常,但在當時卻是一個啟示,正如 Dinky Dawson(Fleetwood Mac 的工程師)所說:“直到那一刻,我從未見過任何團隊在舞臺旁以外的任何地方混音。這是革命性的!”

Hanley 和技術工程師 John Chester 提出了這樣一個想法,即在電纜線路的末端放置變壓器將有助于將高阻抗麥克風信號沿平衡線路發送到更遠的距離,而不會產生任何干擾或丟失電平。

當時這種方法因為設備太大而無法應用于巡回演出,但卻啟發了具有內置平衡變壓器的低阻抗麥克風,例如 Shure Unidyne III (1965)、SM57 (1965) 和 SM58 (1966), 讓系統變得便攜。

此后不久,Dawson 成為首批在觀眾中心位置混音(FOH)的巡回工程師之一。

下一個關鍵步驟是開發更大的放大器。盡管距離晶體管的發明已有 20 年,但 1960 年代后期最可靠的大型放大器仍然是真空管設計,其中每通道提供 50 W的單元即被認為是“巨大的”,而每通道能夠提供 100 W的單元則被認為是“工業級的”。

然后在 1967 年,Crown 發布了固態(晶體管)DC300 放大器,之所以如此命名,是因為它采用了能夠提供 300 W功率的直接耦合 (DC) 設計。DC300 在功率、清晰度和低失真方面取得成功的關鍵在于它的尺寸為 7 英寸高,重量為 45 磅,不到同等功率電子管放大器的尺寸和重量的四分之一。

Crown DC300

7 開辟道路

在當時,大多數音樂會揚聲器系統都非常簡單,由同一型號的多個揚聲器(通常排列成一列)或錐形揚聲器和號角的組合(分別處理低頻和高頻)組成。由于任何給定的揚聲器都難以提供超過三到四個八度音程的清晰度和低失真,因此這些系統無法稱之為高保真度。

我們需要一種將信號分成多個頻帶的方法,這些頻帶可以由單個放大器更有效地處理,然后以令人愉悅的方式重新組合。新興的 PA 公司正在努力實現這一目標。

1969 年,沃特金斯推出了 Festival 音響系統,這是最早的 4 通道音響系統之一,將信號分成低音、中低頻、中高頻和高頻部分。不久之后(1970 年初),鮑勃·海爾(Bob Heil)受命在圣路易斯的?怂箘≡簽 Grateful Dead 建造一個巨大的 4 分頻系統。他估計該系統的總音頻功率約為 20,000 W(盡管由家用高保真放大器供電。。

大約 1973 年的 Heil Sound 巡演系統

1971 年,McCune Sound Service (舊金山) 的員工 John Meyer 和 Bob Cavin 創造了一種揚聲器,稱為 JM- 3(以 John Meyer命名)。這是一個 3 分頻系統,還將放大器和所有集成電子設備封裝在外部設備機架中。

因此,在 1970 年代初,我們進入了地面堆疊 PA 系統的黃金時代——之所以這么稱呼,是因為當時低頻揚聲器放置在地面或舞臺上,中音和高音揚聲器堆疊在它們上面。

許多早期的大型 PA 都是基于老一代的揚聲器型號,例如 Altec“劇院之聲”系列(從小型 A8 到流行的 A4 和大型 A1),這些型號更多地用于電影院和劇院。

Clair 和 Heil Sound 等 PA 公司逐漸轉向使用 JBL Professional 開發的換能器(錐體和壓縮驅動器),JBL Professional 公司的悠久傳統可以追溯到 1945 年。值得注意的發展包括 D130 15 英寸錐體(1947 年推出),這是 4 英寸音圈的第一個商業用途(其變體在接下來的 55 年內仍在生產中),以及 375 型(1954 年推出),第一個帶4英寸振膜的商用壓縮驅動器。

8 混音和監聽

我們今天所知道的現場混音控制臺在音頻錄制方面提供了很大的幫助。Bob Heil 于 1970 年為他剛起步的大型 PA 改裝了一臺 Langevin 工作室調音臺,他還是英國 IES 的 Mavis 調音臺的早期用戶,并與 Sunn 工程部門密切合作,開發了首個 8 通道體育館混音器(手工制作)。

幾年后,Ron Borthwick 和 Bruce Jackson 與 Clair Brothers 合作開發了一款不同尋常的調音臺 CBA 32,該調音臺后來讓該公司成為了1980 年代的中流砥柱。它是第一款提供等離子條形圖儀表的調音臺,可同時顯示平均和峰值聲級,并且儀表位于推子旁邊很方便。此外,它還是第一個包含參數均衡器的現場控制臺。

另一個關鍵步驟是開發更復雜的舞臺監聽系統。在此之前,音樂家要么仔細平衡他們的電平,以便可以聽到他們需要的一切,要么將揚聲器堆疊放置在舞臺側面,“力壓”主混音(因為那些早期的混音器沒有輔助輸出功能來提供監聽信號)。

但是 PA 系統尺寸的增加意味著監聽變得越來越重要;表演者要能聽到和感受表演。很快,楔形揚聲器(舞臺監聽揚聲器)開始出現在舞臺上。

9 基本模板

揚聲器的能力在整個 1970 年代不斷發展壯大,其中 3 通道和 4 通道地面堆疊系統占主導地位,然后在接下來的 25 年左右逐漸普及。在開發吊掛系統時,基本模板仍保持不變。

英國 Malcolm Hill Associates 的“36kW 吊掛系統”

這些系統通常被稱為“點聲源”,這意味著它們在所有方向上均勻地傳播聲音,但這可能會產生誤導。實際上,它們僅在較低頻率下表現得像點聲源,并且隨著頻率的升高逐漸變得更具方向性。

因此,它們傾向于向各個方向“投射”大量低頻和中低頻能量——對著天花板、地板和側墻——造成延遲反射,從而使聲音變得混濁難以管理。

點聲源也非常符合平方反比定律,這意味著與聲源的距離每增加一倍,聲壓級就會下降四分之一,這是因為點聲源的聲能以球形擴展,分布在越來越大的區域上。這是很容易觀察到的特性,因為我們都知道聲音通常在靠近揚聲器的地方更響亮,而在后面更安靜。

在此期間,眾多制造商進入演出市場,展示了日益復雜的揚聲器系統。JBL Professional、Martin Audio、EAW 和 d&b等只是其中的一部分,越來越多的本地和區域音響公司現在有機會購買大廠的“現成”套件,而不是設計和制造自己的揚聲器。

但也有獨立研發新型換能器的廠家在新賽道默默發力,例如Adamson Systems 摒棄了傳統紙盆,轉而采用Kevlar材料。它不僅具有長期的耐用性,而且能長期保持運動的精確性。而Meyer Sound 在開發有源現場系統方面處于領先地位,其放大器和電子設備與特定的揚聲器參數相匹配,并安裝在同一個箱體中。

10 線性排列

1993 年,Christian Heil 和他在一家名為 L-Acoustics 的法國公司的團隊推出了 V-DOSC 系統,開啟了“現代”線陣列時代。說現代是因為線陣列背后的原理已經發展了很長一段時間(在理論意義上)。

Harry Olson 于 1957 年首次發表了他關于該主題的研究成果,并且將音柱揚聲器的優勢(單個箱體中垂直對齊的驅動器以寬水平角度和窄垂直角度產生中頻輸出)應用在 Shure Vocal Master PA 。

線陣列利用緊密對齊的揚聲器引起的相長干擾來進一步將聲能提高,并優化為更均勻的頻率響應。將輸出更多地集中在水平面,在垂直面浪費更少的能量,從而使聲音在整個空間中分布更均勻。

如今大型線陣列已成為戶外音樂節的首選,其中出色的系統如L-Acoustics 的 K系列,Adamson E系列,S系列,d&b的SL系列,Martin Audio的WP系列等,以及采用JBL換能器等眾多廠商在線性耦合、波導、軟件處理、吊掛系統等方面不斷改進,聲音的還原效果已取得長足的進步。

線陣列在很大程度上是計算機時代的產物,精確建模和精確部署是獲得所需結果的關鍵。然而,重要的是要注意線陣列不是終極音響系統。在某些情況下,傳統的吊掛或地面堆疊方法或許更適合。

在這段引人入勝的旅程中,每一位先驅者背后的驅動力一直是為觀眾提供愉悅體驗。隨著技術的進步,我們作為音頻從業者更能夠將聲音精確地投射在需要的位置,以還原只有現場表演才能提供的深刻體驗。

但重要的是要記住,PA 僅僅是表演的媒介。如果您能夠直接比較某個明星在 1961年和 2021 年的音樂會體驗,那么盡管存在明顯的保真度區別,但觀眾很可能會對他們所目睹的事情表達同樣程度的喜悅和興奮。因為歸根結底,一切都與音樂有關。

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