音箱功率:大小不太重要,效能才是关键

易科国际 2018-12-13 14:33:28

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  作者:Pat Brown(Syn-Aud-Con公司) 译者:易科国际


  音箱功率是专业音响界最令人困惑的概念之一。人们普遍认为,功率越大的音箱,品质越好,也更值得期待和拥有。并且,功率往往也是促成客户购买的决定性指标。

  但若仔细研究的话,你就会发现,功率对于音箱整体性能的重要性远不及其他性能指标。

  “音箱功率”这个术语需要进一步解释,以消除误解。将音箱功率与传感器的输出声压级,甚或放大器的大小联系在一起考虑是很多人的做法。但通常音箱功率与这些并没多少关系。

  首先,我们先展开讨论这个术语,让其更有意义。是否可以使用 “最大输入功率耗散”? “输入功率”这个概念是恰当的,因为音箱是功放的一个负载。

  假设线路阻抗很小可以忽略不计(若使用正确的标准线材,该假设成立),放大器的输出功率就成为音箱的输入功率。因为人们普遍认为放大器的功率越大越好(如,一辆运动型多用途车 VS 一辆经济型轿车),所以就顺理成章地认为功率越大的音箱,产品性能越好。

  与音箱直接相连的放大器被称之为功率放大器,因为它们输出的电压较其输入电压高。(图 1)功率放大器的功率根据其功率生成能力度量。通常数值越大越好,是因为这意味着放大器有更大潜力,可以做更多工作。


  音箱的功率根据其功率耗散能力进行度量。其功率值是指在不损害音箱的前提下,音箱能够以热能形式进行消耗的连续功率量。虽然初看上去,似乎功率耗散越大越好,但前提是,实现更大功率耗散量的方法不会对音箱效能进行损害的前提下,这一说法才成立。

  现代功率放大器扮演着音箱恒定电压源的角色。这意味着,放大器的输出电压与相连音箱提供的负载从本质上讲是互相独立的。如果你用一个放大器推动信号,并在输出端没有连接任何负载的情况下测定放大器的输出电压。之后为输出端连接一个音箱,再次测定放大器的输出电压,电压计上的读数不会发生显著变化。

  加负载和不加负载两种情况下的区别为:加负载时,电流会从放大器端出来,流经音箱。负载阻抗越小(并联音箱越多),负载从放大器处吸收电流越多,电压源与负载之间总的功率输送量就越多(图 2)。


  这就是为什么在驱动更多音箱时,放大器的总输出功率通常都会增加。注意,放大器的输出功率是增加了,但是这个增加的总功率会被分配给连接的所有音箱。

  所以,如果两个音箱并联连接,放大器的总功率输出增加,但分配给每个音箱的功率不一定增加。事实上,分配给单只音箱的功率会有一点减少。因此,最好将功放负载保持在4欧姆以上,将线材影响最小化,避免放大器需求过大的电流。


  此消彼长

  音箱从放大器处吸收的功率为电压与电流的乘积。根据能量守恒定律,来自放大器的所有功率必须都有归处。总功率的部分功率产生了音箱的机械振动,剩下的其他功率转化成了热能。锥盆的机械振动让音箱发声。

  热能是一种无用的副产品,所以和任何无用的废弃物一样,热能必须被处理掉。不幸的是,电功率到声功率的转化是一个低效过程(通常不到10% ),所以大多数放大器功率被转化成无用的热能,而该热能肯定是被消散掉。

  音箱的功率描述了音箱处理热能的能力,该热能由于能量转化过程的低效造成。所以又回到了我们先前谈到的扩展定义“最大输入功率耗散”。

  因此,将音箱功率与其声音表现相联系的做法是错误的。耗散功率值高,仅意味着该音箱的散热能力更强。但是功率本身并不能说明音箱产生声功率的效能大小,而音箱生成声功率的效能大小才是音箱性能的最重要因素。

  通过降低音箱效能可以增加音箱耗散功率,这只需在音箱内部增加一些电阻元件即可。然而结果却是得到很大的音箱功率值但声音很小,这并不是我们想要的。

  音箱产生的声压级(SPL)大小与外加电压的关联要比和外加功率的关联紧密。图3可以很清楚地表明这一点。


  传感器负载的功率随着频率而变化。尽管SPL值经常用输入功率值做参考,但实际上,用输入电压做参考会更为准确。音箱其实更希望得到平直的电压响应,因为在这种情况下,每个频率下均等的驱动电压会在轴向上产生平坦的幅度响应。

  理想的音箱能够使用最小功率产生需求的声压级。高效能音箱也应该产生更少的热能。所以,音箱可以承受大功率驱动的能力并不值得惊叹。因为从本质上讲,这种能力不能产生任何益处。

  可用较少输入功率产生大量声功率的能力才值得钦佩。想想汽车的公里耗油率,你就会更加明白效能这个问题。音箱性能讲的是一个效能概念,而不是消耗量的概念。号筒负载和界面放置都是用来增加音箱效能的方法。这两种方法都是为了在每瓦电功率下产生更多声能。


  合理的视角

  人们对音箱功率的误解延伸到了日常行为,例如选择灯泡。大家普遍认为灯泡的瓦数与光输出紧密相关,以为瓦数越高亮度就越大。

  灯泡还有一个叫光度的参数,用来描述灯泡的光输出,但很少有顾客会参考这个参数。所以,如果需要亮度更高的灯泡,人们就倾向于买一个更大的灯泡(更高的瓦数)。将这一假设延伸到音箱是一种很自然的想法。下一次,在给定功率输入的前提下,购买最高流明输出的灯泡,你可以获得最大价值。

  音箱的功率大,并不意味着音箱产生的声音大。比起说,“哇,这只音箱可以处理5000 瓦的功率!”其实这是没有任何意义的,如果你问自己以下的问题会更有意义:“为什么我要使用5000 瓦的音箱为观众带来最大100 dB的声压级,却不使用另外一只同样可以为观众提供最大100 dB声压级的100瓦音箱?”

  在音箱效能指标中,更有参考意义的参数是最大输出声压级。该参数是由音箱的灵敏度与最大输入功率计算而来的。较低功率、较高灵敏度的音箱会比较高功率、较低灵敏度的音箱优势更大。

  很不幸,人们对功率的误解造成了音箱厂家竞相生产大功率音箱的现象。大的功率值可以帮助销售,但是较高效能才是提高音箱性能的真实因素。


  功率测试

  有很多方法可以用来测定音箱的最大输入功率。这些方法都有各自的优点,也拥有一些共同的属性。有意义的功率测试必须包括:

  ——对被测设备输入具有频宽限制的宽频带噪声

  ——放大器与被测设备之间功率输送量的测定方法

  ——用来描述音箱耗散功率承受时间的度量指标

  ——测量音箱的SPL值(理想情况下)

  图 4为测试结果的绘图示例:


  噪声输入通常使用粉红噪声(每1/n倍频程同等能量)。有些测量方法使用平坦的粉红噪声,还有些方法使用通过加权来模拟音乐频谱内容的信号。后一种方法可以产生更高的额定功率,因为更多的电能被转移到了较低频段。在低频段,由于传感器构造更厚重,所以通常会消耗更多热能。

  为了决定功率传送量,加到被测设备的电压和电流必须得到监控。要计算功率传输,只有RMS(均方根)电压与负载标称阻抗是不够的。在被测设备热能逐渐增加时,负载阻抗也会逐渐增加,从而减少负载吸收的功率(功率压缩)。

  当音箱在接近功率耗散值的极值附近运行时,调高功放功率输出以增加负载功率输入的寻常做法,并不会额外增大声压级,反而可能减少功率传送量。

  用分贝(即对比例进行度量)来度量功率的大小是最好的。用瓦数会误导人们相信其与设备性能有关。

  我们以事实情况举例,一个500瓦持续额定功率的音箱声音电平只比250瓦持续额定功率的音箱高出一点(+3 dB),假定两个音箱的效能一样。这就意味着两只音箱的实质性差别很小,尽管它们在功率上的差别很大。

  大多数功率测试都会对使用的粉红噪声进行一定更改,以得到较小的峰值系数——节目声源中的峰值通过一个削波电路得到减少。对波形进行削波的实际理由是,放大器可对其负载设备输送更多功率。

  未削波粉红噪声的最大输出功率,大概为放大器正弦波额定功率的十分之一。削波后的粉红噪声大概为放大器正弦波额定功率的二分之一,这允许功率测试使用大小合理的放大器。产生人工削波不会使音箱的发热有太大的改变,但是它所提供的较低峰值系数可以将更多的功率(更高的RMS电压)传送到放大器的负载设备。

  持续功率测试会在规定时间段内(如2个小时)为音箱供给6 dB 峰值系数的粉红噪声。这对音箱来说是一个很苛刻的测试,因为这个声源没有停歇,无法散热冷却。

  通过减少波形的占空比(duty cycle),节目额定功率尝试模拟音乐或者语音。如果声音信号属于脉冲类型,在脉冲之间可以得到一些冷却,在避免设备损坏之前,更多的短期功率可应用在被测量设备上。很多厂家会将持续功率值的双倍值估测为节目功率(+3 dB或者2 倍是一个合理的假设)。实际推荐的放大器功率值要比这两个值都大。

  合理的估算是为持续功率增加 +6 dB (4倍)。例如,从这些定义出发,对一只音箱完整和有意义的功率描述应为:

  最大输入功率–200W/400W/800W(持续,节目,推荐放大器大小)


  同类比较

  大家现在可以看到比较不同音箱功率时存在的问题了。要保证同类参数之间的正确比较需要做大量的调研,而很多参数表并没有给我们足够的信息让我们这样去进行对比。

  为音箱输送低于其额定功率的功率不会有任何危险。事实上,输入比额定功率值更小的功率,音箱使用寿命更久。在稳定可靠的操作中,我推荐将输入功率限制到持续功率的二分之一以下(-3 dB) 。在之前的例子中,这意味着使用一个800瓦的放大器,为其输送典型的节目声源(10 dB到14 dB 峰值系数),可在最大值时驱动到削波边缘。

  在这种情况下,放大器会为音箱输送80瓦或者更小的功率,这是一个低于持续功率的安全值。因为放大器潜在的输出很大,所以在使用低峰值系数的节目声源时,必须非常小心,不要将音量开到太大而导致音箱受损。

  最后,在提高音响系统的音量时,知道何时达到系统临界点也很重要。音箱外加电压每增加40% ,输入功率增加一倍,声音电平增加少许(+3 dB )。

  请记住,在音频中比例几率是很重要的。系统音量以3 dB 步进增加,最终达到散热极点。继续增加3 dB,就成为压垮骆驼的最后一根稻草。音箱以额定功率的一半工作时,其声音大小可能非常接近最大值。因此没有必要再增加功率,给音箱带来造成永久性损害的风险。


  大功率容易销售,但高效能是更好的目标

  汽车技术的发展减少能量损耗,能够生产出更高效能和更低使用成本的车辆。音频行业应拥有相似的目标,争取用较少的放大器功率达到需要的声压级。

  随着效率提高,音箱应当逐渐减少需要以热能形式耗散掉的大量能量。同样,我们对较高额定功率的迷恋也应该消失。


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