扬声器压限器的正确设置

yinpin789

1、   引言
与音响技术打交道的人们都知道，压限器是用来保护系统后级设备免受信号过载的损坏而诞生的一把利器。之所以我们叫他压限器是因为其可以在压缩和限幅器之间切换选择，根据需要灵活设定。因此，压限器即是压缩与限幅器的统称。
如何正确地设置扬声器压限器，尤其是其启动阀值应该如何参考，相信很多人还是一头雾水。或用长时间的经验尝试；亦或是观察信号灯，耳听辨析等办法进行设定。然而往往更换到陌生的系统设备搭配，这样的方法便不再那么有效了。
笔者在多年的客户技术支持工作中，遇到过最多的客户提问也是在于压限器的设置问题上，甚至于有的客户在工程应用中常遇到扬声器单元烧毁等现象，这其中80%都是因为没有正确地进行压限设置而导致的。
2、   相关信息原理分析
2.1、扬声器于压限设定的重要参数
几乎在所有的专业扬声器参数上，我们都可以轻松地找到扬声器功率及阻抗信息。于是我们常遇到有用户在看到某一新款扬声器时，首先并唯一关注的是“它的功率是多少瓦？”（从而希望得到其最大声压级的相关信息）。笔者希望借此纠正一下还在犯着类似错误的人们：声压级的大小是不能够单取决于扬声器的功率的。影响声压级大小的组成重要因素还有扬声器的功率转换效能。在音箱参数中，以灵敏度来表现。转换效能越高，灵敏度越高，随功率递增得到的声压级才越大。相信随着科技的发展进步，在不远的将来，扬声器1m@W达到130dB也不是没有可能的。
那么扬声器参数中，功率参数的意义何在呢？它便在于本文对压限器阀值设定的探讨意义。我们在看一款扬声器（功率项）参数时，常看到有：额定功率RMS、节目功率Program、峰值功率PEAK。其中，额定功率（持续/连续功率）是指扬声器在长期单一正弦波（1KHZ）稳态电平信号输出时的安全范围。即功放可以一整天持续输出给该扬声器所标注的额定功率信号而不损坏扬声器的最大值。扬声器若长期超出这个额定的功率值工作，则会出现音圈过热损坏的现象。节目功率（音乐功率）是用一段音乐来替代一个持续的单音，由于音乐的电平动态是多变的，所以这个值一般比额定功率值偏高。这与Hi-Fi领域里所用的“Music power”很相似，因其测量信号的电平多变性，该项参数更多时候只能为我们提供一定程度上的参考价值。
峰值功率则完全可以理解为该扬声器可承受的最大瞬态功率。脉冲信号一旦突破这个值，便会造成单元器械的机械损坏。
上图为一段音频信号的波形文件，图中红线可理解为该扬声器的峰值功率而黄线则可理解为该扬声器的长期功率。当信号长期超过黄线区域时，扬声器音圈则会开始发热，时间越长，发热量越大。当过热达到充足条件时，扬声器音圈则被烧毁，这就是热损坏现象。
当信号瞬态或长时间超过红线区域时，信号便高于扬声器纸盆/振膜的最大承载范围，使其纸盆/振膜过冲引起撕裂或打底、擦圈等现象，这便是扬声器的机械损坏。


还有一种损坏笔者称之为：人为性过热损坏。笔者曾经也遇到过不少客户因为害怕烧音箱，而将限幅器门阀值设置得很低。结果导致音箱烧毁情况更为严重。其原理其实无异于将上图中红线内区域压得很窄，只留下很小的动态空间，而输入信号长期过载，从而造成扬声器前端长期输送削波的直流信号给扬声器，导致其一定时间内振膜只向一个方向保持静止状态，音圈便会急剧发热而烧毁。然而这也是我们大多数人所经常或正在犯的一个致命性错误。
下图则形象地描述了使用这种方法是如何亲手扼杀掉自己的扬声器系统的。


   在了解了通常情况下扬声器受损的原理后，就可以指导我们如何正确地使用压限器对音箱进行保护了。
2.2、压限器的工作原理
压限器—是压缩器与限幅器的统称，在本文引言部分已经提出。于是我们需要更详细地分别了解压缩器与限幅器不同的工作原理。
2.2.1、压缩器

  图示为某品牌音频处理器的压缩器模块。我们可以直观地看出，电平信号从-∞开始按照1:1的比例方式递增，在线条拐点前的信号电平都是不做任何增益或衰减处理的。然而达到了拐点位置时，电平的递增则需要参考斜率的陡缓而进行了。也就是说，我们把高于拐点的电平进行了压缩，让它呈2:1、4:1、8:1……的方式进行递增，有效地控制过载信号对扬声器的长期影响。例如一个需要过人的通道，而通道限高。个子矮的人们很轻松地就过去了，而超过限高地人则需要低头或者弯腰才能通过。
2.2.2、限幅器

   在理解了压缩器的工作原理后，我们来认识限幅器就非常简单了。它与压缩器唯一的不同之处则在于：当信号电平高于拐点电平时，超出部分电平被直接强行限制。就好比前例中，一个过人的通道同样限高，但高过限高的人们并不是低头弯腰就能过的了，他们需要削平了脑袋才能过去。

  上图我们可以看到，当压缩器的压缩比达到无穷大:1时，它便近似于一个限幅器。
2.3功率放大器于压限设定的重要参数
无论是模拟的压限器还是数字设备的压限器，他们都是在功率放大之前对输入信号进行预保护的。因此，我们绝不能忽视掉功放的功率放大因素环节。大多数有经验的音响系统设计人员都知道，功放的功率需按照音箱额定功率的1.5—2倍来配置最为安全有效。因为功放需要给音箱留出足够的动态空间，以承受瞬时峰值信号，使音箱的动态表现更为明显；而超过2倍的功率匹配往往就会使系统变得比较危险了。但是现在我们并不用太过担心这个问题，因为我们有了更为科学的办法进行计算。

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2.3.1功放电压增益（放大倍数）
在计算压限器的阀值时，我们还需要了解到功放的功率放大倍数（电压增益）。某些功放的参数上会有标识，但并非所有功放参数都能够找到。介于多数功放存在功率虚标成分，笔者强烈建议：采用实测法。即在功放不连接音箱情况下，为其输入一个电平相对稳定的粉噪（pinknoise）信号/亦或是稳定的单一正弦波信号，输入电平大小不超过功放输入灵敏度均可。此时，分别测量放大器输入、输出端的长期稳态电压值，将输出电压÷输入电压，便可得到该放大器的功率放大倍数（后文用X表示）。
2.3.1如何得到功放更准确的放大倍数信息
为了论证上述“功率放大倍数随其转换效能相对稳定”的理念，笔者亲自对某品牌两款功率放大器进行了空载实测。发现以单一正弦波（2KHZ以下频率）作为参考频率进行测试时，其稳定性最高，数据最可靠。

此时我们发现不同功放、不同输入灵敏度、在不同的输入电压值面前实测，所得到的实际功率放大倍数都并不是一定准确固定的。我们从实测图表中分析、寻找规律时，则发现：功放输入电压越高，所得到的放大倍数越稳定。
测试过程中，我们同时测试了功放的输入灵敏度，我们会发现，当输入电压达到灵敏度电平时，功放削波灯并非一定闪烁，而是需要再增大输入电平（例如达到1.26V/0.96V时）才会触发功放削波。于是我们考虑到了阻抗负载，为保证数据的准确性，我们给该功放输出端加入8欧姆负载再进行测量，发现输入接近削波的电平仍然会大于设备输入灵敏度。也就说明部分功放的实际输入灵敏度会针对用户标高（值低），或许为达到引导用户安全使用设备的目的。当然，高于实测削波上限的输入电平计算出来的放大倍数将是毫无意义的，因为输入电平不断递增，输出电压不会再进行任何改变。因此我们得出结论：距离功放实际灵敏度越接近并小于其值的输入参考电压所计算出的放大倍数是更准确、更具有参考价值的数据。
3、   压限器的正确设定
3.1、知识分析
  在了解音箱与波形信号的关系后，我们就会产生一个疑问，则是一个压限器，如何去同时兼顾对扬声器的额定功率与峰值功率的信号保护。答案很简单：没办法。那么我们在一条系统链路中，单纯的使用一个压限器就是不规范的做法。
笔者认为，压缩器与限幅器应该是分别并同时出现在一条系统链路当中的。其中，压缩是针对长期音乐信号过载而进行对音箱额定功率的热保护；而限幅则是对音乐的瞬态峰值信号进行保护设定。

图例以一段音乐波形为参考，红线部分表示扬声器的峰值功率，黄线表示其额定功率。那么我们就可以知道，当限幅器门阀值设置在无限接近红线位置时，扬声器是应该免受过冲信号导致机械损坏的；而当压缩器门阀值设置在黄线位置时，扬声器是应该免受长期过热过载而损坏的。这就好比我们给扬声器设置了一道防线和一道底线。你会想，信号超过防线已经开始压缩了，那么底线如何去触碰呢？是的，如果一个峰值信号直接被压缩器进行了压缩，那么限幅器意义就并不是那么大了，同时，扬声器对音乐的动态表现也就无从谈起了。
笔者认为，在我们的压限器上，有一个非常重要的调节选项，那便是启动/释放时间。众所周知，音乐的脉冲峰值信号是瞬态的，我们需要立即对这种过冲行为进行强行制止，那么将限幅器的启动时间设置得快一些，例如5ms，甚至更短，并在瞬态脉冲过后，立刻恢复释放。即可达到快进快出的保护效果，既保留了信号冲击力也保护了扬声器。而由于音乐的长期信号是连续的，当信号长期超过扬声器额定范围时，我们需要将压缩器启动时间设置得相对慢一点，例如20ms以上。让足够的瞬态峰值信号放行通过，使过热信号进行压缩，并且缓慢释放，如上图。
3.2、压/限器的门阀值设置。
门阀，即启动电平（或称阀值）THRESHOLD。即当电平信号高于所设定的安全阀值以后，该压/限器开始工作。相信这也是大家最为关注的一个话题。笔者从不同渠道查阅了众多文献资料，发现多数文献对于阀值计算几乎一带而过，或者对于自己提出的计算公式含糊其辞无从理解。而计算公式、方法也是五花八门。我们相信，只要能得到正确的结论，方法并不是唯一的。笔者在这里，就为大家分享一个最易理解而准确的计算方式。
3.2.1、压缩器的阀值设置
(1)、音箱的持续功率（或者说额定功率）单位是W，
(2)、音箱阻抗，单位是Ω，
(3)、功放电压增益值（或者说放大倍数）需实测后，得到的输出电压除以输入电压，单位是X（倍）。
然后了解一下计算所用到的公式：
（1）、欧姆定律公式U=√(P*R)。
（2）、电压与分贝的换算dBu=20log(U/0.775) 注：0.775V=0dBu
这里我们不妨举个例子：
一只扬声器额定功率为500W @8Ω，使用一台功率放大倍数为40X的功放来驱动。我们可以得到该扬声器在额定工作状态下，长期最大安全工作电压：√(500*8)≈63V，那么就说明了扬声器只要长期保持在63V的电压以内工作就是安全的。超过了63V就等同于超过了500W的额定电压，长期保持也就会导致过热烧损。
而音箱的电压是功放给的，通过功放的功率放大倍数（电压增益）N倍数=U输出/U输入，我们就可以算出功放输入电压。音箱电压/功放电压增益=功放输入电压，63/40=1.575V，那么只要我们控制功放输入电压在1.575V以下就可以保证音箱输入电压在63V以下了。
此时，我们将1.575V换算成为分贝，即dBu=20log(1.575/0.775)
=6dBu。于是我们便知道了在这条信号链路上，压缩器应该为扬声器提供保护的阀值电平应该设置在6dB处，是安全的。
3.2.2、限幅器的阀值设置
当我们掌握了压缩器的阀值计算以后，限幅器阀值计算便是举一反三了，我们只需将上述计算过程中，扬声器的额定功率代换为峰值功率（略减），便能够轻松得到想要的数据了。
4、   补充说明：
4.1、阀值设定受压/限（处理）器输入电平的影响
如果前文所讲方法您已经完全理解并掌握了，笔者还想在这里最后为您插入一个小环节，使您的调试更加万无一失。那便是阀值设定时，我们参考的处理器标准输入电平为0dBu（专业音频系统信号电平标准）。若当您遇到一台压/限器，或者带压/限功能的数字处理器，其输入电平并未按照此标准设计时，其超出或低于的部分我们则需要加于阀值电平。
再例如一台数字音频处理器，若经过工程师调试以后，其通道输入电平-7dB。那么我们所调节的压限器处于降低电平后，若以标准0dBu计算所得到的阀值（例如6dB）则需要加上处理器的输入电平增益，即6+（-7）=6-7=-1dB。因此，我们应该将启动电平设置在-1dB的位置。
4.2、音源信号对扬声器的作用
前文中，我们所指信号均为专业音响扩声中常用音频信号，其音源一定是没有失真的完整波形文件。通过多数专业录音软件均可导入进行检测。若波形文件为削顶的直流波，那么即便扩声系统对其以再小的电平进行回放，同样也是会引起扬声器过热损坏的。道理与前文中所指将限幅器阀值设置过低所引起的损坏一样。因此对音源质量的把控亦是我们所需要注意的一个关键点。我们在连接扬声器进行信号正常回放时，信号的直流方波一定是要杜绝的。
4.3、设计不合理带来的影响
笔者深有体会的一次调试经历，源于一次不合理的配置调试。该项目由于用户不顾科学设计方案，未经任何计算，凭着估量，便随意乱砍掉配置方案，为了节省成本。笔者在去到现场的时候，用户再三嘱托，务必做好压限器保护。笔者也曾认为科学合理地压限保护就能够保护好音箱，实际是一个伪命题。前文我们所说压限器的设定均以科学合理的配置方案为前提来讲的。设想，一个需要覆盖50米的场地，配置了一个只能覆盖10米的音箱，就算设定好压限又如何呢？参考前文压限器工作原理，相信您可以找到答案！
4.4、阀值设定受市场化人为因素的影响
面对目前市面上的音响系统设备多数存在虚标现象，笔者也是深感不解，仅是功率虚标就可以证明声压级大么？不仅不能，反倒是影响了我们对扬声器保护设定的准确参考。因此，如果您在使用以上科学地方法进行计算（尤其是不被信任的某些国产设备）时，建议将带入扬声器的功率*0.9甚至0.8。设置好了扬声器压/限保护，确定输入信号前期未削波失真，若扬声器还是因过热或过冲而烧毁，在以上4点补充说明里去找原因吧。

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maya88

学习yinpin789老师好词，加油:victory::handshake

suntongxing

好文章，不错啊，点赞了，可以收藏学习了啊！~

luyinliu

顶,学习

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