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手动收藏 | 一文搞懂阻抗与负载
更新时间:2019-6-11 14:05:26 编辑:温情 文章来源:易科国际 调整文字大小:【

  人们很容易忽略功放额定功率,或仅仅把它当作办公室谈资看待。如果你想驱动4Ω的负载,就要使用矩阵表
  在很久以前,人们就把8Ω认定为扬声器的实用性阻抗了。高于这个阻抗,功放很难让电流流过音圈,使之移动。低于这个阻抗,流经功放的电流会不足,因为负载阻抗是限制电流流动的主因。虽然还可以选择其它许多阻抗,但8Ω是扬声器和功放设计者长久以来所支持的一个数值。消耗120Vrms家庭电路中约15安培大小电流的电阻恰巧也是8Ω,这就意味着,8Ω是120 V 15 A公用电源电路可以驱动的最小负载数值(最大负载)。大多数功放都能驱动8Ω的负载,但是在使用更低阻抗的特殊应用场景里,就需要更仔细地斟酌了。

  一般观念

  在实际应用中,8Ω扬声器的阻抗与频率相关,也就是说,在任何给定频率下,阻抗可能高于或低于8Ω。它可能比8Ω高,涨幅不确定;不过按标准而言,阻抗不会低于8Ω的20%。这意味着,8Ω的扬声器在可用带宽下阻抗最低可至6Ω左右。因此,考虑到安全裕度因素,音频功放设计要能够驱动低于8Ω的负载,普遍的设计目标是4Ω。换言之,需要4Ω的能力才能驱动实际应用中的8Ω负载。在某些频率下,并联两个“8Ω”的扬声器,最终得到的负载可能低至3Ω。
  功放设计师还要重点考虑可用电流,包括电流量和电流持续时间,电流越大价格越高。这一财务现实是设计师限制该数值的主要动机。

  特定的应用场景

  上面描述的是功放和扬声器之间的常见情况,不过具体到应用场景,还需要更进一步推敲细节。这是我的情况:我需要用来自一台功放的同样的信号来驱动4个负载,每个负载的额定阻抗为4Ω。这是个声学测试应用场景,目标是利用一个全指向性音源在一个洞穴状空间产生尽可能大的声音能量。节目材料可以是语音或音乐,但是系统需要围绕一段14秒长的正弦波扫频信号(20 Hz至20 kHz +/- 1 dB)来设计,这个扫频信号用来捕获房间的脉冲响应。我会根据该正弦波进行设计,再根据其它节目材料考虑系统的性能。

  图 1 – 这个洞穴状空间需要大量的声音能量来进行声学测试。声压级(LW)是声学测试扬声器的一项重要规格。图示为位于印第安纳波利斯的Hinkle Fieldhous。我要在这个空间进行测试,就不得不寻求更好的办法来驱动测试扬声器。当时我使用的是“每通道200W”的功放,它并不能在保持正弦波扫频信号完整的同时驱动负载。
  扬声器是一只“类十二面体”扬声器Outline GlobeSourceTM (GS)。官方额定功率容量为持续功率1600W,这是非常常见的额定功率,因为12只换能器分到了4个通道中。一共4个电路,每个电路上有3只扬声器,所以这个额定功率概括数值(1600W)大致等同于每个电路在4Ω负载下的额定功率为400W。把这些数值代入到功率方程,得出每个电路可承受40 Vrms;我的目标是制造尽可能大的声音能量,因此我需要考虑使用接近最大可承受电压的值来实现驱动。
  而且从表面数值上看,4Ω负载下额定400 W/通道的一台4通道功放完全足够驱动GS扬声器。这可以转化为,一个正弦波信号40 VRMS (即节目源为正弦波信号时,可承受的电压为40 VRMS)。在没有深入调查的情况下,用如此大振幅的连续信号来馈送GS,我还是有所顾虑。这台设备非常昂贵,而且替换零件得从意大利进口。
  最重要的是,正弦波信号的电压不会随那段14秒的扫频信号发生变化。如果功放电压在负载下发生下滑,则这种非线性变动会抵消扫频录制信号在后期处理中的有效性,让我们无法利用扫频信号进行房间脉冲响应反卷积的后期处理。我需要进一步深挖GS和潜在适用的功放的规格,才能消除这种顾虑。
  GS成本昂贵,而我又需要将它驱动到极限值,考虑到这点,我亲自对GS的阻抗和功率容量进行了测试。“额定的”数值有它们存在的意义,但是它们往往比较含糊,会模糊物理现实。图1显示了四个电路其中一个的测量阻抗。注意,正如我在开篇所述,最小阻抗确实低于额定的4Ω阻抗。再次强调一下,这不是不合格,这是IEC标准所允许的(最大容差为20%)。但是,它让功放工作变得更困难了,因为低阻抗意味着更高的电流消耗,特别是在节目源为正弦波的情况下。

  图 1 – 每个GS电路的负载阻抗振幅。它们为什么有差异?这个问题需要另行调研。
  我采用了“Toaster Test”测试方法来找出功率压缩的开端,“Toaster Test”是一种功率测试方法(详细介绍可参考https://www.prosoundtraining.com/2013/11/22/the-loudspeaker-toaster-test-revisited/)。经过测试发现,一个电路可承受的最大持续电压(EMAX)为22 VRMS。毋庸置疑,若节目源为短促脉冲波形,它可以承受更大持续电压,但我要使用的是正弦波,必须据此进行设计。相比额定功率所说的40 VRMS,它低了将近6 dB。深入研究让我避免烧毁GS。
  通过这些测试,我发现我需要四个功放通道, 4Ω负载下同时产生22 VRMS电压,至少持续14秒,并且在此期间振幅保持稳定。我可用的空间(那是个便携系统)为2个机架单元(RU)。功率方程得出在4Ω负载下最小功放额定功率达到121 W就可以了。


  图 2 – 房间测试扬声器包含了12个换能器,分布在4个电路中。每个都有4Ω额定阻抗。用22 VRMS 驱动它需要5.5 ARMS 的功放电流。即121 W持续功率,因为W = EI。
  功放的额定功率
  功放设计者必须处理的三大变量有:
  ● 输出电压
  ● 输出电流
  ● 输出电流持续时间
  这和电池的额定系统没什么差别。注意,如果没有第3条——输出电流持续时间,不同大小的“1.5V”电池看起来都是一样的,因为它们的区别仅在于电流产出量/持续时间(图3)!
  由于功率是“做功的速率”,时间也是要素,在实际操作中,额定功率会受这三个变量的影响。可惜,终端用户常常忽略第3条的重要性,而完全为“额定功率”所蒙蔽,这只是第1条和第2条变量在短时间内的表现结果。“额定功率”让实际差别很大的功放看起来很相似。

  图 3 – 这些电池都可以产生1.5 VDC。它们的区别在于“负载多少?”和“持续多长时间?”这也是为什么它们的额定单位是mAH (毫安时)。不知道什么原因,功放省略了这个细节。
  现代很多功放在使用正弦波驱动4Ω负载时,都没办法长期保持输出电压。要做到这点,功放在4Ω正弦波信号下的额定功率,得是8Ω额定功率的两倍——很罕见,而且坦白说,并不总是必要的。实际上,使用常见的额定功率,根本不可能为我的特殊应用选择功放,因为该数值将电压、电流、时间和负载阻抗等因素融为一个数字,模糊了一些重要的功放性能规格。

  竞品对比

  我的库存里有3台功放,就额定功率而言(至少是字面上),它们都能“符合标准”。我把它们称为功放1,功放2和功放3。下面是对每台功放的简要描述。
  功放1是一台4通道1RU的对流冷却单元。所有通道都工作时,8Ω阻抗下,每通道额定功率为80W;4Ω阻抗下,每通道额定功率150W。从表面数值看,这似乎超出了驱动GS所需要的121 W。
  功放2是一台2通道1RU的对流冷却单元,同时驱动两个通道的情况下,每个通道的额定功率为200W。我的应用需要2台单元,但它还是符合2 RU体积的限制条件。16Ω、8Ω和4Ω的额定功率都是一样的。这意味着,输出电压受负载的影响——“只有功率才重要”设计理念的结果。考虑到GS阻抗曲线,这种行为可能成为影响14秒正弦波扫频信号驱动成败的决定性因素。
  功放3是一款“多模式”功放,带8个可独立使用或进行多种组合配置的通道。由2个通道组成一台带更高电流输出的功放,这种模式看起来最适合我的应用场景。组合配置后,我得到4路驱动通道,它们在4Ω负载下都拥有稳定的性能,体积为2RU。但是,我得弄清楚,通过一个15安倍公用电路接电,负载为4Ω的情况下,且正弦波达到22VRMS,是否可以同时驱动4个通道。如果同时使用所有通道,多通道功放可能无法获得足够电流,尤其通过的是低波峰因素波形,比如正弦波、方波,以及经过压缩的节目材料。

  差异比较分析

  为了对比这些功放,我为每台功放制作了一张通用功放格式(CAF)规格表。CAF内含一个矩阵表,能显示各个功放在3种不同信号输入各自的额定负载电阻时得到的输出电压。分别为脉冲测试信号,持续正弦波测试信号,以及持续噪音测试信号。最重要的是,它能够清晰显示功放的输出电压(单位:分贝)如何在不同负载下发生变化(我称之为“负载效应”)。我的应用场景需要近似于无的负载效应,也就是说,功放的运行基本类似于理想的电压源:负载阻抗随频率发生变化,电流跟踪负载阻抗的同时,电压保持不变。它显示了在不同类型的波形下电压如何保持。CAF矩阵有效地揭示了上述3种功放特征的信息,不过是通过输出电压vs.电阻的角度呈现的。由于外加电压是调节电流到固定负载的唯一途径,所以它的表现间接反映了功放的电流能力。
  我们来评估每个功放的矩阵表吧。
  功放1
  图4为功放1的矩阵表。我已标注出正弦波的数据。注意,在4Ω负载下,它可以产生24 VRMS,持续15秒。这款功放符合设计标准,因为它仅占1RU空间,采用对流冷却。很好。它绝对是有力的选择。

  图 4 – 功放1的 I/O矩阵表。以1.3 VRMS驱动时,它可以在4Ω条件下保持24 VRMS 15秒。
  功放2
  图5为功放2的矩阵表。注意,它的额定功率(200W)高于功放1,所以从表面数值看来,它应该适用。该矩阵表明,脉冲正弦波的最大VRMS值为29 VRMS,但是在持续正弦波中降到18 VRMS。这远低于GS达到最高声音输出所需的22 VRMS。负载效应一栏显示,功放电压在负载下波动很大。这可能导致频率响应不稳定,因为负载阻抗会随着频率发生变化。这是个标称200W的功放,却不能驱动121W的应用场景。发现问题了吗?

  图 5 – 功放2的I/O矩阵。以0.8VRMS驱动时,它可以在4Ω条件下保持18VRMS 15秒。
  功放3
  图6为功放3的矩阵表。对于持续正弦波,4Ω负载下可产生36 VRMS。它可能会在22 VRMS左右浮动。请注意,即使它标称的是2Ω负载下可工作,VRMS 数值还是大幅度下跌了,因为公用电源有15安倍的限制。这是意料之中的结果,物理定律使然。大尺寸的多通道功放通常要考虑公用电路的电流,但是人们通常会被标准额定功率搞得晕头转向,额定功率通常仅基于脉冲测试信号得出(矩阵表中的绿色阴影部分)。请注意,正弦波脉冲信号最大输出为50 VRMS,比功放1高约+6 dB。我不太敢用这个电平的正弦波驱动GS,但是它可以给音乐和语音信号提供更多的峰值空间。这对我的应用场景很重要。
  输入噪音测试信号,该功放能最快速到达典型的语音和音乐节目源时的性能表现。4Ω负载下,所有通道驱动时,它可提供19 VRMS 和12dB的峰值空间,所有驱动通道的电流消耗大约为6安倍。这将把GS推到发热极限,且让房间获得大量声音,这些只需要一个公用电源电路。
  这是体积占2个机架空间的风扇冷却式功放。风扇冷却是个缺点,因为有时候我会在非常安静的房间里使用这台设备进行隔声测试。但至少风扇会根据需要调整使用,如果我要进行高声压级的扩声,风扇产生的噪音可能不成问题。目前为止,功放3是这3台功放中最大最重的一台了。

  图 6 –功放3的I/O矩阵表。以0.9VRMS驱动时,它可以在4Ω条件下保持36VRMS 15秒。比需要的高4.2 dB,所以如果把输入电平调低会得出负载下22 VRMS 的结果。

  选定功放

  矩阵表表明,功放1能够满足房间声学测试所需的14秒对数正弦波扫频信号扩声需求。功放3也可以满足要求,且能为噪音、音乐或语音波形信号播放提供额外的峰值空间。功放2不适合我的应用场景,不过是更常见应用场景的理想选择,比如用于高波峰因素的语音和音乐信号中。功放额定功率提供的信息有限,并不能作为用户决策的有力参考,所以这也是制作CAF通用功放格式表格的动因之一。
  我决定采用功放3,因为它支持更高的噪音信号、音乐和语音播放电平,比功放1允许的要高。有了功放3,我能把GS驱动到最大的声音输出。该功放有个优点,它具有GUI(图形用户界面),可以监控每条通道的输出电压。这样,我就可以在不损坏GS的条件下,缓缓地把对数扫频信号的电压推到最大允许值。当然,这需要现场配备个人电脑。即使没有GUI,还是可以从矩阵表中轻松找出产生22 VRMS的驱动信号,方法是以dBV显示电压,输入到功放的信号减去4dB即可。这就从-1.2 dBV变为-5 dBV左右了。我用来制造对数扫频信号的设备NTI MRPro会显示信号电平,所以,只要低于-5 dBV,就不用担心GS会过度发热。
  选定功放之后,我开始把它和一只有源次低频扬声器打包到便携架上。

  照片2 – GlobeSource,次低频扬声器,发电机和功放设备。这个组合很好,推动方便,而且可以产生巨量扩声。
  总结
  我们需要考虑很多数值和原理。回顾一下:
  ● 目标是获得特定扬声器的最大声压级。
  ● 不明晰的额定功率和额定阻抗促使我自己进行测量。
  ● 测量揭示了目标功放用以驱动负载的特性。
  ● 功放的额定功率经常无法提供足够的信息以供我们明确功放在正弦波输入,承受巨大负载下的性能表现。
  ● CAF报告可以提供这样的信息,我制作了一张CAF,由此获得了恰好想要的信息。
  ● 我现在有充分的理由相信,我的测试设备可让扬声器达到最大声压级,且保证在运行中不损坏扬声器。结果是可以在巨大的空间内为声学测试获取最优的信噪比。
  结论
  人们很容易忽略功放额定功率,或仅仅把它当作办公室谈资看待。把功放额定功率拆解成信号类型、电压和电阻加以分析,可以得出巨量信息,从而帮助我们更准确地选择功放,在不同品牌和型号之间进行有意义的比较。我们不一定要购买功放后才去看它是否足以应对特定的应用场景。这要花费时间和金钱成本。
  我们行业对额定功率的执着要求无疑起源于公用事业公司(对8Ω负载也是如此)。公用电源和音频电源配送方法确实有许多相似之处。但是,像美国杜克能源这样的公司使用的是固定电压和频率,这让额定功率更全面地概括了电路负载情况。音频功放电压会随时间发生巨大的变化,而且具有宽带频谱容量。保留波形形状很重要,所以我们不能单纯看额定功率。我们还需要处理以dB为单位的电平,而不是电压。CAFViewer允许用户选择电压、dBV或dBu——无论对系统设计者来说最有意义的单元系统是什么。为满足大家进一步了解CAFViewer和本文所描述功放的希望,我已经创建了一个可下载的特殊CAF文件。
  下载附件:Amplifier Comparison CAF File
  链接:https://www.prosoundtraining.com/wp-content/uploads/2019/01/Amplifier_Comparison.caf1_.zip
  如果您需要切实了解功放的能力如何,就要使用这个矩阵表。pb

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