扩声系统的演变史

扩声系统的演变史

时代先锋

从扩声领域看科技发展



我们通常所说的“PA”是一种放大系统，用于增强声源并将其分布到场地或建筑物中。PA 是公共广播（Public Address）的缩写，表示了它最常见的用法——公共场所基于语音的公告，包括火车站、体育场馆、超市、医院和机场等。

虽然自公元前 20 年维特鲁威（ Vitruvius 古罗马作家、建筑师和工程师，著有《建筑十书》）首次探索建筑声学以来，公共广播的理论就已经存在，但我们今天主要讨论的是现代电子 PA 系统及其在现场音乐表演中的应用。

电子 PA的出现，首先需要各种元件，然后再加以组合。所有 PA 系统都逃不过这三个基本组成部分：

1) 一种能够捕捉声音振动并将其转换为电信号的设备

2）一种放大和控制电信号的方法

3) 将电信号还原为声音并传播它们的装置

简单来说，我们需要一个麦克风、一个放大器和一个扬声器。其中第一个被发明的是麦克风；和许多发明一样，对于谁先发明麦克风目前还存在一些争议。

1 早期的碳麦克风

大多数历史学家都认可大卫·爱德华·休斯（David Edward Hughes）是发明麦克风第一人，他大约在 1875 年展示了他原始的碳麦克风，比亚历山大·格雷厄姆·贝尔、埃米尔·柏林纳和托马斯·爱迪生早了几年。他没有为他的发明申请专利，因为他认为这是送给人类的礼物，但他确实创造了“麦克风”这个词。



碳麦克风是一种非常简单的设备，填充在两个金属板之间的碳颗粒，其电阻随着振动成比例地变化，从而产生代表这些振动的电信号。虽然碳麦克风现在已被更高效的设计所取代，但直到 1980 年代它们仍在电话中使用。总体而言，这种简单的设计是现代麦克风的原型。

到了 1870 年代和 80 年代，各种类似扬声器的设备都在迅速发展，无处不在，最著名的是亚历山大·格雷厄姆·贝尔的电话（1876 年）和爱迪生的留声机（1877 年），但真正的动圈扬声器——此后所有扬声器的先驱，是由 Oliver Lodge 在1898 年发明的。

当时他称之为“狮吼电话”，并且它的应用有限（因为尚未发明放大器）。但它包含了与所有扬声器相同的基本设计：由音圈振动隔膜发出声音，然后经由喇叭放大。



Kellogg 和 Rice 出现在 1925 年的《大众广播》杂志上。他们拿着第一个动圈锥体扬声器。

1925 年，通用电气公司的 Chester W. Rice 和 Edward W. Kellogg 的研究论文是建立现代扬声器基本原理的关键，在挡板中用一个小线圈驱动多方控制的隔膜会产生均匀宽广的中频响应。贝尔实验室的 Edward Wente 独立发现了同样的原理，并于同年申请了专利。这些设计原则至今仍在使用着。

2 组装

PA 三大部分的最后一个在 1906 年得以解决，当时 Lee DeForest 发明了 Audion，这是第一个能够放大电信号的设备。

他通过使用一个两电极二极管用于检测电磁波，并添加了第三个电极，该电极可以将小电流施加到其中一个电极上以控制两个电极上较大的电流——也就是可以将信号电流添加到来自电源的电流以使其更大（信号因此得以放大）。



Audion，第一个能够放大电信号的设备，由 DeForest 发明。（图片来源：Gregory F. Maxwell）。

Audion经过改进成为如今的三极管，最终演变成真空管或电子管，帮助开创了无线电、电话、电视和电子计算机的早期时代。

这三项关键发明免费开放，不同的人开始将它们拼凑在一起，并尝试早期的声音再现和放大系统。在这些先驱中值得注意的是 Edwin Jensen 和 Peter Pridham，他们在整个 1910 年代在加利福尼亚州纳帕的实验室中进行了一系列实验。

这些实验中最早的一项是将麦克风和扬声器连接到 12 伏电池，随即第一次出现了声反馈。很难想象他们如何看待这种令人费解和意想不到的噪音，但从那时起，现场音响工程师就一直在与声反馈作抗争。他们通过将扬声器安装在实验室屋顶上来继续实验，做到了可以在一英里外听到声音。

1915 年 12 月 24 日，旧金山市政厅公开展示了 Jensen 和 Pridhams 的 Magnavox 系统（Magnavox 在拉丁语中意为“伟大的声音”）。

该活动是一场由市长致辞的圣诞颂歌音乐会，有 100,000 人参加。据报道称，尽管基本系统只能产生大约 10 W的音频功率，但使用大型号角扬声器有助于确保人群“以绝对清晰的方式”听到圣诞音乐和演讲。


Magnavox PA 系统使用安装在金属反射器上的碳麦克风（当时称为发射器）来聚焦和放大振动（就像耳朵的耳廓一样）。

在随后的几年里，各种公司涉足公共广播和扬声器设计领域（即Marconi、Tannoy、Western Electric、Bell Labs、Altec Lansing），逐渐与无线电、电话、电影等新兴领域携手发展。在大西洋两岸的大型公共活动中，号角式扬声器屡见不鲜。

第一位使用 PA（Magnavox 系统）的美国总统是伍德罗·威尔逊（Woodrow Wilson），他于 1919 年在圣地亚哥向 75,000 人发表讲话，作为他推动国际联盟成立的巡回演讲的一部分。1925 年，乔治五世国王在温布利举行的大英帝国展览期间使用仅配备六个号角扬声器的 Marconi PA 向 90,000 人发表讲话。

3 克服限制

但在现场音乐表演中使用 PA 系统通常仅限于简单地放大声音，以便可以在乐队传播范围之外听到。这种限制可能部分是由于那个时代相对较小的电子管放大器。

为了正常工作，电子管会消耗大量功率并产生很高的热量，因此如果为了获得更大的放大效果而将它们放在一起，功率需求很快就会变得过高，并且存在放大器过热的风险。因此，这一时期的电子管放大器通常被限制在 20 W左右的输出功率。

在二战后的几年里，开发一种更有效的放大方法的竞争非常激烈。大多数研究是由电话公司进行的，他们希望能解决长途电话线路信号丢失的问题。半导体技术的进步似乎指明了方向，但真正取得进展的是贝尔实验室的三人团队。

约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿 和 威廉·肖克利拿起一条金箔，用剃须刀片将其切成两半，然后用回形针将其固定在一块塑料楔上，然后将其贴在一块锗上。施加在锗上的小电流改变了它的导电特性，更大的电流可以在两片金箔之间通过，从而产生功率增益——晶体管诞生了。



贝尔实验室的晶体管发明者威廉·肖克利（坐着）、约翰·巴丁（左）和沃尔特·布拉顿（右）。



第一个晶体管

后来锗被硅取代，设计继续改进，诺贝尔奖颁发，肖克利继续创建硅谷。从音频的角度来看，晶体管的优点在于它们要小得多，并且不会像三极管那样产生那么多热量，因此可以构建更小、更高效的放大器。

4 “魔鬼”音乐

PA 技术的提高和改进仍在继续，其中电影是主要驱动力。在 1950 年代，随着电吉他的发明和摇滚乐的日益普及增加了对更大扩音器的需求，事情开始变得有趣起来。

乐队被迫将当时有限的 PA 推入失真状态，以匹配演出的能量水平，从而产生了一些沙哑失真的声音。这导致某些领先的制造商宣布如果将系统满负荷运行，将不提供保修服务，一些制造商甚至威胁如果将系统出售给演奏“魔鬼音乐”的乐队，将会马上终止与其合作。

进入 1960 年代，乐队开始携带自己的 PA。尤其是不同乐队的多场次演出，A扬声器组放在B扬声器组前面，然后A乐队表演结束会将自己的系统拆除。结果就是每场演出听起来都大不相同——通常，到大腕压轴演出时，声音会有所改善，因为他们可以买得起更昂贵的 PA。

分水岭出现在1965 年 8 月，披头士乐队在纽约的 Shea 体育场演出。来自利物浦的这个乐队组合流行度暴涨，这让他们可以在像棒球场一样大的场地进行表演。

然而，当时的音响系统根本无法胜任这项任务。大量的放大器和喇叭组成庞大的系统，尽管舞台在场地中间，观众分布在看台上，但人群的尖叫声太大了，他们听不到乐队的声音——乐队自己也听不见。

仅仅一年后，乐队宣布完全退出现场表演，并随后发行了“Sgt Pepper's Lonely Hearts Club Band”，这是一张基于虚构乐队的概念专辑，让虚构乐队代表他们进行巡回演出 （尽管是以录制的形式）。而Shea  体育场演出被广泛认为是一个急于求成的经典例子，在行业刚萌芽还不会走的时候就想跑起来。

你可能没有发觉，现代巡演和音响产业就是在那场音乐会之后不久诞生的。随着乐队需要更大更好的系统，一切步伐开始加快，我们开始被潮流裹挟着进入 PA 的黄金时代。

5 “大型”PA

披头士乐队在皇后区 Shea 体育场的那场演出反映了当时的音响系统根本无法胜任这类任务。值得庆幸的是，大西洋两岸都有开拓者愿意加大赌注迎来大型 PA 时代。著名的先驱者包括伦敦 WEM（Watkins Electric Music）的 Charlie Watkins 和宾夕法尼亚州 的 Clair Brothers。

Gene 和 Roy Clair 于 1954 年从杂货店父亲那里收到了他们的第一个扩声系统作为圣诞礼物，在接下来的几年里，他们将其用于当地的各种舞会和活动。1963 年，他们接手了一家扬声器改造业务，这使他们获得了最新的发展信息，并有机会为宾夕法尼亚州 4,000 人规模的富兰克林和马歇尔学院的明星定期演出提供音响系统。



罗伊和吉恩克莱尔。

1966 年，Clair兄弟俩给弗兰基瓦利留下了深刻的印象，他聘请他们去巡演，从而形成了第一批巡演 PA 租赁公司之一。让 Clair 在竞争中脱颖而出的原因在于他们擅长将合适的设备拼凑在一起，以提供最响亮、最清晰的输出。这导致该公司与 Iron Butterfly、Jefferson Airplane 和 Cream 等明星合作——1968 年，他们在费城的 Spectrum 为 18,000 名观众举办了一场享有盛誉的演出。

与此同时，在英国，沃特金斯于 1967 年在温莎的一个音乐节上推出了他的“从属”PA 系统，之所以这么称呼是因为他将一个放大器馈入另一个放大器以增加第二个的输出。也就是说用 10 个放大器为 20 个扬声器产生 1,000 W的功率，该系统能够产生惊人的音量水平，让它的创造者因为“违反和平”而上了法庭——值得庆幸的是此案被驳回。



WEM Audiomaster 5 通道混音器

1968 年，WEM 推出了 Audiomaster 混音器，它立即成为经典，尽管它只提供 5 个通道（每个通道都有音量、低音、中音、高音和弹簧混响控制）。

更重要的是，混音器的发展开启了从被动混音的转变，并为一代巡演人提升到现场音响工程师的位置铺平了道路。

6 一个启示

然而，由于使用了高阻抗麦克风，信号损失是一个突出的问题，因此电缆走线的距离被大大限制，这意味着混音器通常只能位于舞台旁，靠近系统其余部分的位置。幸运的是，纽约的 Fillmore East，Bill Hanley 开发了第一款多芯“snake”，可以将混音位置从音响系统中独立开来。

我们现在对FOH位置位于听音区已习以为常，但在当时却是一个启示，正如 Dinky Dawson（Fleetwood Mac 的工程师）所说：“直到那一刻，我从未见过任何团队在舞台旁以外的任何地方混音。这是革命性的！”

Hanley 和技术工程师 John Chester 提出了这样一个想法，即在电缆线路的末端放置变压器将有助于将高阻抗麦克风信号沿平衡线路发送到更远的距离，而不会产生任何干扰或丢失电平。

当时这种方法因为设备太大而无法应用于巡回演出，但却启发了具有内置平衡变压器的低阻抗麦克风，例如 Shure Unidyne III (1965)、SM57 (1965) 和 SM58 (1966)， 让系统变得便携。

此后不久，Dawson 成为首批在观众中心位置混音（FOH）的巡回工程师之一。

下一个关键步骤是开发更大的放大器。尽管距离晶体管的发明已有 20 年，但 1960 年代后期最可靠的大型放大器仍然是真空管设计，其中每通道提供 50 W的单元即被认为是“巨大的”，而每通道能够提供 100 W的单元则被认为是“工业级的”。

然后在 1967 年，Crown 发布了固态（晶体管）DC300 放大器，之所以如此命名，是因为它采用了能够提供 300 W功率的直接耦合 (DC) 设计。DC300 在功率、清晰度和低失真方面取得成功的关键在于它的尺寸为 7 英寸高，重量为 45 磅，不到同等功率电子管放大器的尺寸和重量的四分之一。



Crown DC300

7 开辟道路

在当时，大多数音乐会扬声器系统都非常简单，由同一型号的多个扬声器（通常排列成一列）或锥形扬声器和号角的组合（分别处理低频和高频）组成。由于任何给定的扬声器都难以提供超过三到四个八度音程的清晰度和低失真，因此这些系统无法称之为高保真度。

我们需要一种将信号分成多个频带的方法，这些频带可以由单个放大器更有效地处理，然后以令人愉悦的方式重新组合。新兴的 PA 公司正在努力实现这一目标。

1969 年，沃特金斯推出了 Festival 音响系统，这是最早的 4 通道音响系统之一，将信号分成低音、中低频、中高频和高频部分。不久之后（1970 年初），鲍勃·海尔（Bob Heil）受命在圣路易斯的福克斯剧院为 Grateful Dead 建造一个巨大的 4 分频系统。他估计该系统的总音频功率约为 20,000 W（尽管由家用高保真放大器供电！）。



大约 1973 年的 Heil Sound 巡演系统

1971 年，McCune Sound Service (旧金山) 的员工 John Meyer 和 Bob Cavin 创造了一种扬声器，称为 JM- 3（以 John Meyer命名）。这是一个 3 分频系统，还将放大器和所有集成电子设备封装在外部设备机架中。

因此，在 1970 年代初，我们进入了地面堆叠 PA 系统的黄金时代——之所以这么称呼，是因为当时低频扬声器放置在地面或舞台上，中音和高音扬声器堆叠在它们上面。

许多早期的大型 PA 都是基于老一代的扬声器型号，例如 Altec“剧院之声”系列（从小型 A8 到流行的 A4 和大型 A1），这些型号更多地用于电影院和剧院。

Clair 和 Heil Sound 等 PA 公司逐渐转向使用 JBL Professional 开发的换能器（锥体和压缩驱动器），JBL Professional 公司的悠久传统可以追溯到 1945 年。值得注意的发展包括 D130 15 英寸锥体（1947 年推出），这是 4 英寸音圈的第一个商业用途（其变体在接下来的 55 年内仍在生产中），以及 375 型（1954 年推出），第一个带4英寸振膜的商用压缩驱动器。

8 混音和监听

我们今天所知道的现场混音控制台在音频录制方面提供了很大的帮助。Bob Heil 于 1970 年为他刚起步的大型 PA 改装了一台 Langevin 工作室调音台，他还是英国 IES 的 Mavis 调音台的早期用户，并与 Sunn 工程部门密切合作，开发了首个 8 通道体育馆混音器（手工制作）。

几年后，Ron Borthwick 和 Bruce Jackson 与 Clair Brothers 合作开发了一款不同寻常的调音台 CBA 32，该调音台后来让该公司成为了1980 年代的中流砥柱。它是第一款提供等离子条形图仪表的调音台，可同时显示平均和峰值声级，并且仪表位于推子旁边很方便。此外，它还是第一个包含参数均衡器的现场控制台。

另一个关键步骤是开发更复杂的舞台监听系统。在此之前，音乐家要么仔细平衡他们的电平，以便可以听到他们需要的一切，要么将扬声器堆叠放置在舞台侧面，“力压”主混音（因为那些早期的混音器没有辅助输出功能来提供监听信号）。

但是 PA 系统尺寸的增加意味着监听变得越来越重要；表演者要能听到和感受表演。很快，楔形扬声器（舞台监听扬声器）开始出现在舞台上。

9 基本模板

扬声器的能力在整个 1970 年代不断发展壮大，其中 3 通道和 4 通道地面堆叠系统占主导地位，然后在接下来的 25 年左右逐渐普及。在开发吊挂系统时，基本模板仍保持不变。



英国 Malcolm Hill Associates 的“36kW 吊挂系统”

这些系统通常被称为“点声源”，这意味着它们在所有方向上均匀地传播声音，但这可能会产生误导。实际上，它们仅在较低频率下表现得像点声源，并且随着频率的升高逐渐变得更具方向性。

因此，它们倾向于向各个方向“投射”大量低频和中低频能量——对着天花板、地板和侧墙——造成延迟反射，从而使声音变得混浊难以管理。

点声源也非常符合平方反比定律，这意味着与声源的距离每增加一倍，声压级就会下降四分之一，这是因为点声源的声能以球形扩展，分布在越来越大的区域上。这是很容易观察到的特性，因为我们都知道声音通常在靠近扬声器的地方更响亮，而在后面更安静。

在此期间，众多制造商进入演出市场，展示了日益复杂的扬声器系统。JBL Professional、Martin Audio、EAW 和 d&b等只是其中的一部分，越来越多的本地和区域音响公司现在有机会购买大厂的“现成”套件，而不是设计和制造自己的扬声器。

但也有独立研发新型换能器的厂家在新赛道默默发力，例如Adamson Systems 摒弃了传统纸盆，转而采用Kevlar材料。它不仅具有长期的耐用性，而且能长期保持运动的精确性。而Meyer Sound 在开发有源现场系统方面处于领先地位，其放大器和电子设备与特定的扬声器参数相匹配，并安装在同一个箱体中。

10 线性排列

1993 年，Christian Heil 和他在一家名为 L-Acoustics 的法国公司的团队推出了 V-DOSC 系统，开启了“现代”线阵列时代。说现代是因为线阵列背后的原理已经发展了很长一段时间（在理论意义上）。

Harry Olson 于 1957 年首次发表了他关于该主题的研究成果，并且将音柱扬声器的优势（单个箱体中垂直对齐的驱动器以宽水平角度和窄垂直角度产生中频输出）应用在 Shure Vocal Master PA 。



线阵列利用紧密对齐的扬声器引起的相长干扰来进一步将声能提高，并优化为更均匀的频率响应。将输出更多地集中在水平面，在垂直面浪费更少的能量，从而使声音在整个空间中分布更均匀。

如今大型线阵列已成为户外音乐节的首选，其中出色的系统如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换能器等众多厂商在线性耦合、波导、软件处理、吊挂系统等方面不断改进，声音的还原效果已取得长足的进步。

线阵列在很大程度上是计算机时代的产物，精确建模和精确部署是获得所需结果的关键。然而，重要的是要注意线阵列不是终极音响系统。在某些情况下，传统的吊挂或地面堆叠方法或许更适合。

在这段引人入胜的旅程中，每一位先驱者背后的驱动力一直是为观众提供愉悦体验。随着技术的进步，我们作为音频从业者更能够将声音精确地投射在需要的位置，以还原只有现场表演才能提供的深刻体验。

但重要的是要记住，PA 仅仅是表演的媒介。如果您能够直接比较某个明星在 1961年和 2021 年的音乐会体验，那么尽管存在明显的保真度区别，但观众很可能会对他们所目睹的事情表达同样程度的喜悦和兴奋。因为归根结底，一切都与音乐有关。

　睿铭声光