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[技术] 扩大0机挑功率大的准没错?(上)

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发表于 2019-6-12 21:44:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
扩大0机挑功率大的准没错?(上)
3 L) C$ j0 T4 B- {$ g) y( N3 o& D+ r8 U8 i9 b- p# A  b/ _www.audioapp.cn  audio app

还没正式踏入研究音响的世界前,笔者曾经买过一对桌上型扬声器,当年还不懂什么规格数据,走进店里随便挑个看起来顺眼价格也尚可接受的扬声器就带回家了。那对扬声器一直以来都是摆在桌上聆听音乐使用,听了几个月倒也都相安无事。某天一群朋友来访,将那对扬声器搬到客厅唱歌助兴,当大伙玩得兴致正高昂之际,其中一颗单体突然啪地一声,只见一缕青烟缓缓飘出,伴随着阵阵烧焦味,伴我多时的扬声器就这样宣告罢工。( \) M, u1 {7 u% u9 N1 F# cwww.audioapp.cn  audio app

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6 E9 L$ m8 J- n$ m$ I- j8 c如何找到合适的扩大机7 `$ f! ?: A0 q# lwww.audioapp.cn  audio app


# \. c* B1 ]4 `1 A6 Z% r" E  G* \  {究竟是什么原因造成扬声器烧毁呢?这关系到扬声器的最大承受功率以及扩大机的输出功率。组合出一套适合自己的音响系统需要做足许多功课,阅读许多信息,每一个环节、每一项器材都有学问与细节。而购买综合扩大机或后级扩大机时,第一个要决定的就是你需要多大的输出功率。扩大机需要多大的功率,与扬声器的灵敏度、聆听空间的大小、以及所需的聆听音量有关。8 x6 j' A# b* Q) X, [www.audioapp.cn  audio app

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8 u7 C% m/ |7 ^" _: X) m  i. R扩大机的瓦数往往与价格成正比,若扩大机的功率不足,便无法发挥扬声器的真正实力,声音听起来会受到限制且缺乏动态。因此,许多人为了省麻烦,干脆花大钱买个高功率的扩大机一劳永逸,殊不知一般家用音响根本用不到这么大的瓦数,花太多预算在超过自己需求的扩大机上,不仅会压缩到其他器材的预算分配,使用不当,还可能把扬声器烧坏。* ~% P  N" L2 B+ E9 P; |# r( E& Nwww.audioapp.cn  audio app

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在上一期的「看观念」中,详细介绍了频率的概念及频率响应所代表的意义。本篇将延续上一集的概念,从最基本的「分贝」开始,介绍分贝、声压、与分贝声压级的差异,了解基本观念后,再来谈谈扬声器的频率响应、灵敏度、最大承受功率、聆听距离与扩大机输出功率的关联等,告诉您如何计算自己喜欢的扬声器所适合的扩大机功率,以最经济的预算,买到最适合您的扩大机。; |1 ?- b3 ?4 F# pwww.audioapp.cn  audio app

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「分贝」究竟是什么?
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2 ~! r8 x0 y5 p# e分贝(dB)这个字眼想必对大家来说都不陌生,但要明确地解释分贝是什么,往往说不出个所以然来,在音响的世界里,许多规格与数据都跟分贝扯上关系,想组合出一套适合自己的音响系统,就从了解分贝开始。4 ~+ E; c+ Q6 O1 o5 a4 `www.audioapp.cn  audio app

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简单来说,分贝只是日常生活中众多单位之一而已,只不过,分贝不是「绝对单位」,而是「比较单位」。所谓的绝对单位是指公分、公斤、秒等单位,这些单位有非常明确的定义。例如,若说「那里有一根 100 公分的香蕉」,马上就可以让人意识到那是一根非常巨大的香蕉。但是,若说 A 香蕉的长度是 B 香蕉的「两倍」长时,只能知道 A 香蕉与 B 香蕉的长度比值为 2,无法知道这两根香蕉的确切长度。如果 B 香蕉是10 公分,那么 A 香蕉就是 20 公分;如果B 香蕉是 100 公分,那么 A 香蕉就是 200 公分,这肯定是一根可以角逐金氏世界记录的巨无霸香蕉。
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由此可知,「倍数」是一个「比较单位」。而「分贝」也是相同的概念,它是一个「比较」两个相同单位之数值大小的单位,只是表达方式跟倍数有些许不同罢了。% H1 c1 S) k; awww.audioapp.cn  audio app


& J; f/ G  f; y) @分贝与倍数之间是可以转换的,就像公分与公尺间可互相转换一样,每个分贝值都可以找到相对应的倍数值。不过,这两者的转换并非加减乘除那么简单,而是用对数(Log)去换算。Log 一出现,想必会勾起许多人高中数学课的痛苦回忆,还好,只要问 google 就可以轻易查到分贝与倍数的转换对照表,不需要会计算,对照表格很容易就可以理解 3 dB、10 dB 换算成倍数是多少倍。   ?: G- E5 R0 d& J3 fwww.audioapp.cn  audio app

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$ w2 j. m9 z4 L0 u; l. _扩大机输出与分贝倍数对照表& t$ m/ z% {* M% ~+ x2 }www.audioapp.cn  audio app

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一般人对分贝的理解通常仅限于比较声音的大小,但其实分贝也被广泛地用来描述电压、功率、电能强度等之间的大小。上图列出了功率的倍数与分贝间的转换关系,第三列是倍数,第四列是分贝。3 dB 到底是多少呢?换算成倍数的话,大约相当于两倍;10 dB 相当于 10 倍;20 dB 相当于 100 倍;30 dB 则相当于 1000 倍。
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对照上图可知,若扩大机 A 的输出功率(PA)为 1 W,扩大机 B 的输出功率(PB)也是 1 W,两扩大机的输出功率相等,则称两扩大机的输出功率差异为「0 dB」。若 PB 为 1 W,PA 为 2 W,PA 为 PB 的 2 倍,则称扩大机 A 的输出功率比扩大机 B 多了「3 dB」。
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0 ~0 S$ M; U! c: X  E那么,若 PB 是 500 W,PA 是 1000 W,两扩大机的输出功率换算成「dB」会相差多少呢?很抱歉,虽然两者的输出功率足足差了 500 W,但只要 PA 为 PB 的两倍,扩大机 A 的输出功率一样也只比扩大机 B 多了「 3 dB」而已。随着扩大机瓦数的增加,要提升「3 dB」的功率也就越不容易。
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) o' Z1 `  `' K4 ~- s1 F由以上可知,正的分贝值代表 PA 大于 PB,0 分贝代表 PA 与 PB 相等,那么,分贝可以是负的吗?当然可以。别忘了,分贝是两个数值比较得来的结果,若是负的分贝值,则代表 PA 小于 PB。举个例子来说。若 PB 为 1 W,PA 为 0.5 W,PA 只有 PB 的一半,0.5 倍换算成分贝即为「-3 dB」。
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了解原理沟通更方便: L" B' }5 A& b; Ewww.audioapp.cn  audio app

分贝的计算为什么要如此搞怪刁钻呢?所有单位的出现不外乎是为了实用与描述方便。当描述身高时,公分就已经很够用了,但如果要描述台北与高雄的距离,348 公里显然比 34800000 公分要简单明了得多。而分贝出现后,便能更简洁地表达功率与声压的比值。9 ?& t& q) {( b' v7 `4 iwww.audioapp.cn  audio app

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附表一:倍数与分贝转换对照表" e5 _7 J# h2 v% s6 h: A+ b! bwww.audioapp.cn  audio app


  Z% T, h$ S# V% Q  M3 o在电能与声学的世界里,两功率或两声压的比值动辄数百万倍甚至数亿倍是常有的事,1,000,000,000,000 倍相较于 120 dB,后者看起来是不是友善多了呢?(还在数有几个零的朋友,前面那个看起来很恐怖的数字是一兆。)' F" u8 X; {& t0 `www.audioapp.cn  audio app

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' D2 v  a$ z5 k7 ?/ n功率、分贝与声压、电压之间的倍数转换
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除了功率的分贝与倍数间的转换之外,分贝与倍数的转换其实又可细分为两类,第一类用于功率,第二类则用于声压、电压、以及电流等。附表一列出了完整的分贝与倍数对照表,上表截取了部分的附表一,左侧字段是功率的倍数,右侧字段是声压、电压之倍数。7 l; F6 ]8 w/ }, fwww.audioapp.cn  audio app


9 m$ ?  a$ K2 `8 R# j/ i细心的读者应可发现,同样是 3 dB,在功率的世界里是 2 倍,在电压的世界里则是 1.4 倍,两者的转换比例有些许不同,这是因为电压与功率是互相影响的,当输出电压变为 1.4 倍时,其输出功率会变为 2 倍;当电压变为 2 倍时,功率则会变为 4 倍,若是以分贝为量尺,依上表将倍数换算成分贝后,电压变动的数值便会与功率变动的数值相同,使用起来会方便许多。若想知道详细的计算方式,可参考下方的公式说明。 ) [9 y3 }3 S1 x" N# Cwww.audioapp.cn  audio app


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 楼主| 发表于 2019-6-12 21:45:17 | 显示全部楼层

6 i: M4 t# f8 n! I4 a/ f振幅与分贝声压级
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7 y$ I+ D3 K2 x6 {% a; d: i& e使用分贝的优点还不仅于此,再更进一步谈分贝之前,先回头来谈谈何谓声音的大小。声音的出现是因为物体振动挤压空气,进而使空气的压力产生疏密变化。如下图所示,物体振动的幅度越大,空气压力的疏密变化就越大,空气压力变化的程度,反应在人的主观听觉即为「声音的响度」。用压力变化的强度来衡量一个声音的大小,这就是声压(Sound Pressure,简称 SP)的概念。描述「声压」的单位是 Pa(帕斯卡),而 1 Pa 的压力有多大?试试抽取五张卫生纸平放在你的肚子上,你的肚子所感觉到的压力大概就是 1 Pa 。0 J% B' W6 Q, ~* F0 e! ?4 Rwww.audioapp.cn  audio app


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用声压来描述声音的大小虽然准确,但却有个明显的问题,声压的变化范围非常大!人耳所能感知的最小压力变化与所能承受的最大压力变化相差了 100 万倍。此外,声压大小与「听感响度」有相当大的差距,并非正比关系。这件事情早在 100 年前就被一个叫贝尔的人发现了,就是发明电话的那位贝尔先生,而「分贝」就是以他为名来纪念他的发现。0 `* D' h2 v7 ~* W- [9 p) pwww.audioapp.cn  audio app

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举个例子来说,低声耳语的声压大概是 0.0002 Pa,日常的交谈声大约是 0.02 Pa。两者的声压足足差了 100 倍,但很显然的,两者的听感响度绝对没有差到 100 倍,若以声压来描述听感响度,显然会与日常感觉有相当大的出入。于是,为了较为精准地反应人耳的听感响度,科学家将声压转换为声压级(Sound Pressure Level,简称 SPL),单位为分贝。问题来了,刚刚才说分贝是两个数值比较出的结果,如果不知道比较的基准点,要怎么知道 20 分贝到底是多少呢?你的 20 分贝跟我的 20 分贝是一样的东西吗?
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因此,为了沟通上的方便,国际上将人耳所能听见的最小声压变化量(0.00002 Pa,或记为 20 μPa,亦称为听觉阈值),定义为声压级的参考基准值,约相当于三公尺外一只蚊子飞行的声音,所有声音的分贝值都是跟 20 μPa 比较得来的。有了固定的比较基准值,分贝就可以作为绝对单位使用了。并且,为了与作为相对单位使用的「分贝」做出区分,还给了他一个新名字叫做分贝声压级(dBSPL ),只是日常使用时为了省事通常简称为分贝。
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分贝声压与日常听感对照图: U2 t$ e; Z# i, m' F: f. Z6 owww.audioapp.cn  audio app


7 V% R% l( E. f- n# Q2 F- I" w声压在换算时应对照附表 1 之右侧字段。上图为常见的分贝声压级与日常听感的对照图。低声耳语的声压约为听觉阈值的 10 倍,换算成声压级为 20 dBSPL,而日常交谈的声压约为听觉阈值的1000 倍,相当于 60 dBSPL,分贝声压级远比声压符合人耳的听感差异。
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由上图可知,0 dBSPL代表该声波的声压等于 20 μPa,并非寂静无声的状态。若是负的 dBSPL,则代表该声波的声压小于 20 μPa。举个例子,潜水艇的听音器可以听到水下 100 公尺外一只虾子吃东西的声音,约为 -80 dBSPL,20 英里外一个人说话的声音约为 -30 dBSPL。所以,负分贝的声音是客观存在的,只是人耳听不到而已。
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3 o, ]- m- x2 E0 A$ a, m3 R分贝做为绝对单位使用的例子还不仅于此。只要在计算分贝时有一个固定的比较基准值,那么分贝就可以做为绝对单位使用。像是以 1 瓦特(W)作为基准值的 dBW,以 1 豪瓦(mW)作为基准值的 dBmW,以及以 1 伏特(V)作为基准值的 dBV,都是以分贝作为绝对单位使用的例子。# F3 I" }/ a$ V* h, S' K/ i* h0 W6 ^www.audioapp.cn  audio app

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# ^9 |/ M4 A3 \细说频率响应6 j9 }* |0 K" W& W5 E, p5 }$ Rwww.audioapp.cn  audio app

扬声器之频率响应图6 }! G! B8 L$ o) \0 iwww.audioapp.cn  audio app

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频率响应代表一扬声器可确实重现之频率范围。理想状况下,只要输入讯号的功率相同,不论讯号是 20 Hz 还是 20 kHz ,扬声器都应该要能输出相同声压的声音,以达到「原音重现」的目标。但现实中当然没有这么完美的扬声器。受限于单体本身的物理特性,以及音箱内部的空气共振等原因,在相同的输入功率下,不同频率的输出声压一定会有所增减。扬声器的频率响应是如何测得呢?对扬声器输入相同功率、不同频率的声波,并记录各频率输出讯号的声压级大小,即可得到频率响应图。上图就是一个典型的频率响应图,横轴代表讯号的频率(Hz),纵轴则代表输出讯号的声压级(dBSPL)。可以看出,频率响应曲线并非一条直线,而是高高低低变化,并且,超过一定的频率范围后,输出的声压会大幅衰减,可知扬声器的输出频率范围是有极限的。$ g* N0 t3 J8 J5 u, \$ ?+ kwww.audioapp.cn  audio app


; b' [, r8 j: _& K输出讯号的声压随着频率增减变化,岂不会影响听感吗?好在,你的耳朵并没有你想象中那么灵敏。人耳对于不同频率的响度差异分辨能力不高,一般来说,在不同频率下,±3 dB 的声压变化,尚在聆听时可接受的差异范围内。+ _: z. v5 l% g+ ?3 Q+ hwww.audioapp.cn  audio app


- w, D7 T2 e0 I2 @* y: O以上图为例,该扬声器平均输出的声压级约为 80 dBSPL,因此,输出讯号的声压级在 77 dBSPL ~ 83 dBSPL 之间,都是可被接受的。可别小看±3 dB 的变化,+3 dB 代表该频率的输出功率为平均值的 2 倍,-3 dB 则代表该频率的输出功率只剩下平均值的一半,以功率的角度来看,变动范围是非常大的。
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范例中的扬声器,频率响应已经算是相当平直了,声压变动范围超过6 dB 的扬声器在市面上也是非常普遍的。因此,完整的频率响应标示,应该在频率范围之后,再加上声压变动的范围。范例中的扬声器,频率响应即为 60 Hz ~ 18 kHz±3 dB,代表该扬声器在 60 Hz ~ 18 kHz 之间的声压变动范围约为±3 dB,60 Hz 又称为低频截止点(f3),18 kHz 则为高频截止点。
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8 g/ w9 _6 t! h: v) X4 I/ e7 m输出功率的陷阱+ d8 M0 H5 H! l5 K. T% zwww.audioapp.cn  audio app

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有了足够的知识背景后,就可以正式进入主题了。在决定需要多大的功率之前,首先要学会如何判断输出功率的量测标准,并不是数字大的就一定比较好。同样的一篇作文,标准较严苛的老师可能只给 70 分,标准宽松的老师也许会给到 98 分。音响系统的数据也是一样的道理,在比较数据前,先睁大眼睛看看,这是依照哪个老师的评分标准打的分数。, R+ e" S! ~+ Fwww.audioapp.cn  audio app


' q# g( F& O5 ~. J: _$ M% A8 R+ X扩大机一般都会标示单一声道的输出功率,标示分为两种,一种是平均输出功率(Root Mean Square, RMS),另一种是最大瞬间输出功率(Peak Music Power Output, PMPO)。PMPO 仅代表扩大机于短暂的瞬间里可输出的最大功率,其数值往往高达数百瓦甚至数千瓦。RMS 则代表扩大机长时间连续性输出时可达到的最大功率,这个数值才是扩大机的真正实力。/ V: j$ b; u: ?5 Q8 uwww.audioapp.cn  audio app


5 d' j$ l: Z6 b有些厂商或店家会以 PMPO 来吹嘘自家扩大机有多强劲多厉害,然而,扩大机讲求的是长久播放时可输出的功率大小,且各家厂商的测试标准不一,所谓的「短暂瞬间」根本没有定义,有的是 1 秒,有的是 0.5 秒,因此这个数值看看就好,基本上没太大的参考价值。3 D4 [1 X1 M: @3 @- K5 owww.audioapp.cn  audio app

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在测量输出功率时,输入的讯号是单一频率还是全频段(20 Hz ~ 20 kHz)也很重要。输送 1 kHz 50 W 比输送全频段 50 W 要容易得多。此外,单声道输出时量测到的功率也会比双声道同时输出时大,多数的扩大机标示的都是单一频率、单声道输出时的最大功率,实际聆听时不可能只播放单一频率、单一声道,因此,实际使用时的瓦数要再打个折扣。
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5 V: \. ]6 c! K/ L) O; `7 d随着输出功率的增加,扩大机的总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)也会跟着提高,进而影响听感的纯净度。总谐波失真的条件订在 0.1% 或 1%,量测出来的数据可能会差到数十瓦,前者对声音质量的要求远较后者来得高。+ V  _% V9 b" lwww.audioapp.cn  audio app


/ H  V+ q  j$ A2 c- A& f! u因此,在比较扩大机的输出功率时,不能只看单一的数字,还要留意是以何种标准量测。是 RMS 还是 PMPO?测试讯号是单一频率还是全频段?是双声道同时输出还是只输出单一声道?总谐波失真的条件是 0.1% 还是 1%?把所有条件考虑进去后,才能较客观地比较扩大机的输出功率。完整的输出功率标示还需包含后端负载的阻抗值,最大输出功率会依扬声器的阻抗不同而有所变动,阻抗要讲得清楚又是另一个故事了,有机会再慢慢说明。
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音响小撇步:
$ ?% i: _1 ]" k  Y  b在相同频率下,一般人应可分辨±1 dB 的声压变化;敏锐一点的人甚至可以分辨±0.5 dB 以下的声压变化。好奇你的耳朵有多灵敏吗?以下这个稳站可以测试你的耳朵对声压变化的灵敏度,也可听听看±3 dB 的响度差异听起来是什么感觉喔!
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