音箱灵敏度：到底 1 瓦是什么？

我是JOKE · 发表于 2019-4-21 13:01:56

音箱的灵敏度可能是各种常见指标中最容易被错误理解的一个了。一直以来，音箱的幅频响应经常会被简化成某个单一数值，也就是灵敏度。这就是导致误解的根源所在。有人会认为这个值表示的是某个音箱重放某个信号时的响度大小；也有人会认为两个灵敏度相同的音箱在重放同一个信号的时候响度是一样的。这两个观点都有局限性。其实，音箱的灵敏度只是针对特定带宽和频谱内容信号时，才能反映出音箱声压级的大小。也就是说，两个灵敏度指标相同的音箱，如果其频率响应不同的话，那么在重放同一个信号的时候，输出声压级可能是不一样的。这里面一个决定性的因素就是带宽。下面让我们来看一下带宽在这其中的影响，并解释一下为什么灵敏度有时候无需以 1 瓦作为参考值。根据 IEC60268-5 的规定，音箱的灵敏度测量，是采用限定带宽的粉红噪声信号，其 RMS电压大小等于音箱额定阻抗的平方根，并以 1 米距离为参考，确定声压级的大小。粉红噪声带宽的限制是根据待测音箱的有效频率范围来决定的，这么做的目的是确保测试信号处于待测设备有效输出频率范围内。假设某只音箱无法重放 150Hz 以下的信号，那么就算送给它低于 150Hz 的低频信号，也没有什么用处，只会引起音圈发热。同样的道理，如果音箱无法重放出高于某个频率的信号，也没有必要给它更高频率的测试信号。当我们以较高的分辨率测出待测音箱的传递函数，并把待测音箱的平均幅频响应以对数频率坐标系表示时，也就得到了该音箱的灵敏度图像。
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以图 1 为例。这是某只音箱正轴向上的响应。图中的直线代表音箱的灵敏度。这条直线的长度跟测量灵敏度所用粉红噪声的上、下限频率是一致的。图 2 所示的就是该噪声信号的频谱组成。如果保持信号的宽带电平大小不变，但是改变信号的频谱组成，再驱动音箱时还能得到相同的声压级（也就是灵敏度）吗？要想知道这个问题的答案，我们必须知道信号的频谱组成、以及音箱的响应。（注意这里的 20Hz-20kHz，以及图 1 中 110Hz-8.3kHz，并不是指音箱的响应。我们还是需要得到音箱的实际响应曲线才行。）如果不知道这些，我们就无法推断出这个问题的答案。
图1 A音箱的幅频响应和单一数值灵敏度指标

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图2 用于测量图1中A音箱灵敏度的信号频道
图 3 所示的是三种不同信号的频谱组成。其中一个是用来测量音箱灵敏度的限定带宽的粉红噪声信号。另外两个一个是语言信号，另一个是仿照语言频谱组成合成的噪声信号。这里之所以用仿语言的噪声信号来取代真实语言信号，是因为仿语言信号的 RMS 电平值更加稳定，因而更加容易测出待测音箱的输出声压级。这三种信号的宽带 RMS 电平基本相等。仿语言信号在200-800Hz 的频段内的电平高于粉红噪声；在其它频段内，则是粉红噪声的电平高于仿语言信号。
图3 红色曲线是用于测量图1中A音箱灵敏度的信号频谱，灰色是语言信号频谱，蓝色是跟实际语言信号频谱组成相似的仿语言噪声信号频谱将此图跟图 1 的音箱响应相比，我们可以看出音箱在 150Hz 以下的输出很有限。音箱响应的最高输出位于 300-3kHz 部分。倘若用这个仿语言信号来驱动音箱，那么按理说要比用相同电平的粉红噪声驱动音箱所得的声压级更大。事实就是如此。这只音箱灵敏度是 97.1dB。但当用仿语言信号驱动时，声压级为 98.1dB，高出了 1.0dB。这是因为仿语言信号电平较高的频段，恰恰也是音箱输出声压级较高的频段。反过来说，如果采用图 4 这种低频为主的噪声来驱动音箱，可想而知所得声压级会比普通粉红噪声更低。
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因为图 4 噪声的主要能量集中在音箱输出较低的频率范围内。实测结果该低频噪声的声压级为 94.9dB，降低了 2.2dB。
图4 红色曲线是用于测量图1中A音箱灵敏度的信号，绿色曲线是限制带宽在低频的粉红噪声
接下来，让我们来比较两只不同的音箱。图 5 是A 音箱和 B 音箱的对比。这两只音箱的灵敏度相同，都是 97.1dB。但是 B 音箱的低频和高频延伸比 A 音箱要好。因此，用来测定 B音箱灵敏度的粉红噪声的带宽要比测 A 音箱的粉噪带宽更大（如图 6）。所以，测 B 音箱的噪声的中频部分电平，会比测 A 音箱的略小一些。这个观察起来有点难度，不过仔细观察还是会发现，黑色曲线在 100-10kHz 部分比红色曲线平均低 0.5dB 左右。这是因为 B 音箱（黑色曲线）所用的信号带宽更大的缘故。要知道这两个信号的宽带电平大小是一样的。所以，如果用图 6 中的宽带粉红噪声信号（20Hz-20kHz）同时驱动这两只音箱，情况会如何？由于这里的两只示例音箱在中频部分的响应都很不平直，因此声压级可能会存在一定差异。不过读者们暂时可以不必顾虑这些问题。在其它方面都一致的情况下，有效频率范围（高低频延伸）更大的音箱的声压级应该更大一些。当采用宽带粉红噪声驱动时，B 音箱的输出声压级应该会略大一些。事实上，测得 B 音箱比 A 音箱大出 0.8dB，它俩一个是 97.0dB，一个是 96.2dB。从这些例子中可以看出，音箱产生的声压级大小，同时取决于该音箱的传递函数以及重放信号的频谱。一些室内声场仿真软件在计算某个听众席声压级的时候，会把上述情况纳入仿真范围内。它们可以让用户选择采用粉红噪声、某种语言频谱、或是用户自定义的频谱。这有助于让音响系统设计人员在前期设计阶段，就能更好地预测音响系统对特定节目素材重放时的声压级性能。
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图5 A音箱（红色）和B音箱（黑色）的幅频响应和单一数值灵敏度
图6 用于测量A音箱（红色）和B音箱（黑色）的灵敏度信号频谱，以及宽带粉噪频谱（绿色）

我是JOKE · 发表于 2019-4-21 13:03:42

还有一点就是，我在本文开篇时提到过灵敏度测量时没有必要以 1 瓦作为待测音箱的参考值。我之所以觉得现在的音响系统不该采用这种方式，有如下几个原因。首先，对于某个待测音箱到底需要多大的电压才能使驱动功率恰好为 1 瓦特，这个判断起来比较麻烦。我们可以采用双通道 FFT 测量系统，以及电流监视设备或探针来测定这个值。问题是这对于设计、标定某个音箱或音响系统来说，能提供多少实用信息呢？我们可以简化这种测量方式，不再纠结于待测音箱的实际 1 瓦功耗。比如我们可以用跟待测设备额定阻抗相等的纯电阻产生 1 瓦功耗所需电压来作为测量标准。这么做当然简单得多，但是仔细想想，这么做对于设计、标定某个音箱或音响系统来说，能提供多少实用信息呢？或许也能提供一些。不过我认为，不管音箱的阻抗是否相同，都要采用相等的电压进行测试，这样才能提供最有使用价值的信息。当代音响系统中所用到的功放绝大部分都是输出电压恒定的类型。也就是说，它们的输出电压是固定的，不会随着负载大小而变化。当然，这个固定的前提是负载阻抗必须处于功放限定的范围内。很显然，在其它条件都一致的情况下，相同电压驱动一个低阻音箱发出的声压级肯定比一个高阻音箱更大。难道这一点不应该直接反映到音箱灵敏度指标里吗？我们为什么非得要用 2Vrms 的信号驱动 4 欧音箱、用 2.83Vrms 的信号驱动 8 欧的音箱，分别去测量它们各自的灵敏度呢？让我们想象一下：假设我们把两个别的参数都相同的音箱，连接到同一台功放的 A/B 切换器。两个音箱的唯一区别是其中一个（4 欧姆的）的阻抗是另外一个（8 欧姆的）的一半。当我们在两个音箱之间来回切换的时候，功放的输出电压并没有变化，但是功放的输出电流却是变化的。这使得低阻抗的音箱发出更高的声压级。采用相同的电压来测量和标定音箱灵敏度，不去管待测音箱的实际阻抗是多少，这样才能真正反映出实际声压级的区别。
我希望这篇关于灵敏度的短文能阐明这个指标的一些方面，并有助于读者了解音箱的实际特性。通过所举的例子，希望能说明音箱的声压级不仅由灵敏度决定，而且也跟音箱频响以及输入信号有关。要了解音箱的响应特性，只有单独一个灵敏度数值不够全面，最好能结合图像观察。灵敏度的单一数值可以从图像曲线中归纳得到。

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