张景川
发表于 2009-12-28 09:00:36
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在之前《音箱灵敏度：到底 1 瓦是什么？》一文中，我们知道了声压级的大小跟驱动音箱的信号频谱有关。所以说，如果能够提前了解驱动信号的类型（比如音乐素材形式）或者提出合理假设，会有助于更好地设计音箱或音响系统，从而确保听众席的带宽和声压级满足要求。对于功放而言，它的输出能力同样决定了音箱直达声声场是否能够满足目标声压级要求。从这个角度来说，功放的影响也可以划归到驱动信号或预期节目素材方面。- \! z" y% L6 { W l
& Z K% Q: V3 y* v! V/ kPat Brown有篇文章说的是对音箱进行某种测试，来获得一个称之为“音箱最大可用连续输出声压级”的参数。虽然音箱还有能力发出更大的连续声压级，但是一旦音箱的连续声压级大于这个参数，音箱的传递函数（频率响应）就已经出现比较明显的改变（大于 3dB）了。这种改变对于绝大多数场合来说是不希望的，因此更大的连续声压级也就没有多大价值了。/ c4 d6 r) y& o) A' F) ~
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这种“烤箱式测试”主要针对的是输入音箱的信号引起的热效应，包括每个单元的音圈、发热导致的阻抗上升、以及对分频电路（如果有的话）的影响。通过烤箱式测试，可以得到一款音箱最大可用连续输出声压级（SPLMUCO）所对应的最大RMS 电压（Vrms）。
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1 r( m" F. l& a b有了这个最大 Vrms，就可以进一步算出同样的测试信号所对应的能达到该 Vrms 值的功放指标（对应功放指标，简称 EAS）。顺便说一下，这个测试中所用到的信号是 IEC 60268 中规定的。它是一个宽带整形噪声信号，其频谱是对大量语言、音乐类节目素材的平均。这个测试信号的峰值因数为 6dB。$ n7 k- r9 Q$ e2 r, T
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先解释下峰值因数的概念。一个信号的峰值因数其实就是该信号的峰值电平和 RMS 电平之差。正弦波的峰值因数是 3dB，也就是说它的 RMS 电平比峰值电平低 3dB。对于更复杂的波形来说，峰值因数各不相同，但一般都比正弦波的峰值因数更大。很多音频编辑软件可以分析出某个 wav 文件整体或部分片段的 RMS电平和峰值电平。在图 1 中，我们可以看到一个 100Hz 方波、一个 100Hz 正弦波以及 IEC60268噪声的 100ms 片段。图中3个信号的峰值电平都被统一到了 0dB。
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同样具有0dB 峰值的方波（蓝色）、正弦波（红色）、以及IEC268 噪声（绿色）$ A+ z7 n9 Z' u/ p3 r3 p3 [
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了解了峰值因数的概念之后，在进行扩声系统设计时，我们就可以利用音箱的烤箱测试结果，来确定功放的指标要求。我们的节目素材跟进行烤箱测试判断最大 Vrms 的信号之间会有一定的差异，有可能导致结果不准确。不过，由于它们之间的频谱差异并非特别明显，所以得到的结果应当是可以接受的。或者，我们也可以采用更符合该音响系统实际用途的节目信号，自己进行一次烤箱测试。
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比如说，根据我们的实际用途，某个音箱需要重放的信号是基本上没有压缩（这里的压缩是指振幅压缩，并非数据压缩）的现场语言或音乐。这就需要一种跟 IEC60268 的噪声类似的宽带信号。只不过我们所用的信号的峰值因数约为 15dB。图 2 是这个信号跟 IEC268 噪声以及一个正弦波三者的对比。这个图里，三个信号的峰值电平也都被统一到 0dB。很明显可以看出，新的语言信号的 RMS 电平远低于 IEC268 噪声。
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- F9 \& G" H4 D4 x& K 同样具有0dB 峰值的正弦波（红色）、IEC268 噪声（绿色）、以及某语言信号（黑色）, j C9 G. o8 L
- z5 m7 _3 d8 y& E* x) R) v0 L我们所选用的音箱，在 50Hz-12kHz 的频带内具有相当平直的频响特性，它的灵敏度是98dB（2.83Vrms，@1 米）。当采用 2.83V 的 IEC268 噪声驱动时，在距离音箱 10 米处所得声压级为 78dB。我们在 10 米远处进行测量，是为了确保处于该音箱的远场。当换用同样为2.83Vrms 的语言信号时，在 10 米处重放的声压级仍旧是78dB。之所以两种信号所得声压级相等，是因为两个输入电平的 RMS 值是相等的。当采用“慢”积分时间的声级计测量时，所得结果跟输入电压的 RMS 值是非常吻合的。这就是为什么调音台上的 RMS 表头一旦做过声压级对照后，就能很好地反映声压级的变化。当然，如果输入电压过高时，音箱的输出就难以保持线性，这时候有可能出现功率压缩的情况。2 a' [: D7 \2 L
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" S/ \( C, E! h' n2 c灵敏度98dB( a% }& |) \: E( Z# ^: M
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如上所述，所有这些输入音箱的信号都具有相同的 RMS 电平，但是它们的峰值电平是不同的。如图 3 所示。图中每个信号的 RMS 电平都是一样大的。这时候我们可以发现，要想让语言信号顺利重放，不出现削波，那么所需要的功放比能顺利通过 IEC268 噪声的功放要大出不少；问题是如何精确求出这个大小呢？. Z+ t2 J6 j: @2 z0 I
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: U- K* z* J2 d* t% c# S 同样具有-15dB RMS 值的正弦波（红色）、IEC268 噪声（绿色）、以及某语言信号（黑色）& L) S" C- W/ F. z/ U* O
7 P1 G% p! A9 `: t: G2 T根据音响系统设计要求，当重放语言节目时，我们的音箱需要在 20 米距离处产生大约88dB 的声压级。那么在距离减半的 10 米处，声压级应为 94dB。我们已经说过这个音箱在2.83Vrms 电压驱动下，能在 10 米处产生 78dB 的声压级。所以我们还需要 16dB，或者说17.9Vrms，来实现 10 米处 94dB 的目标。根据烤箱测试结果，这只音箱的额定最大输入电压为 32Vrms。也就是说，在发热引起的频响变化不超过 3dB 的前提下，对于2.83Vrms 的信号还能有 21dB 的可用增益。这就表明该音箱可以产生满足要求的声压级大小。实际上，它的驱动信号还可以再大出 5dB。到目前为止一切都很顺利，因为我们并没有碰到任何功率压缩的情况。) j# [- o+ c8 D9 E5 @. E4 ]
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/ X/ O; \$ f0 }$ s" O由于在烤箱测试时，要求音箱的频响变化不能超过 3dB，所以可以肯定的是声压级的降低不会超过这个数。但是这 3dB 的变化很可能只是发生在音箱的部分频段内，而并非整个频响范围内。这样一来，整体声压级的降低通常会更小一些。如果我们已知某个音箱在最大 Vrms驱动下的 SPLMUCO，那么我们就可以算出由于热效应导致的声压级减少量。如果音箱的技术规格表以及房间仿真软件的数据库里也能具备这种数据，应该非常实用。
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% Q* k4 f4 L3 }) }0 ^! Q( v音箱的最大 Vrms 和 SPLMUCO 指标明确了该音箱在播放某一类信号时的性能。只要改变峰值因数、距离以及期望声压级大小，就可以把这些指标拓展应用到其它类型信号上。熟悉 dB运算的人可以手工完成转换计算。下面用一个实际例子来说明如何进行这种计算。- h$ z3 \ A) Q7 ?4 w, ]
" [, D, u3 J% V7 \为了让之前那个语言信号能够不削波地通过功放，我们首先来看一下这个信号的峰值因数，也就是 15dB。据此可以计算出对应的峰值电压大小，公式如下：
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这个语言信号峰值因数是 15dB，且所需 RMS 电压为 17.9Vrms，可以算出峰值电压需要达到 101Vpeak。一个峰值因数为 3dB 的正弦波如果要达到这个 101Vpeak 的峰值电压，其RMS电压需要达到 71.4Vrms。一个 8 欧负载下额定功率 638W 的功放可以满足这个要求。这个功率比起 6dB 峰值因数的烤箱测试所得的 256W EAS 功率要大出不少。" ?& G) z. a1 `2 h" }) X3 b$ b
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还有一个求出所需功放功率的比较直接的方法，就是利用下面这个公式： u; s2 P. g; e6 k1 |
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* U2 t' d5 L! M N6 q5 C% `这里，EAS 是指音箱的 CLF 文件中给出的匹配功放功率。CF 是指预期节目素材的峰值因数。GainPossible 是指 CLF 文件中给出的基于最大 Vrms的增益值。GainRequired 是指音箱要达到期望声压级所需要的增益值。公式中指数部分减去 6dB 是因为烤箱测试信号用到了峰值因数 6dB的信号来测得最大 Vrms，以及 EAS 和 GainRequired。
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; W9 f; [% [0 `; f对于本文所举例的系统而言，这些数值分别是：0 c" E# D5 f' i3 g0 ?6 ^5 b
EAS=256W
; p7 ~! O2 p$ OCF=15dB4 j* v& b0 ~# G+ T! J
GainPossible=21dB
4 X# e+ X; e6 mGainRequired=16dB
# A. ?/ L2 g& `2 Y/ J% S因此，! A$ u3 E# ?! {9 Y( T' f
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H% R# B1 ^$ o. w* S化简可得：
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这个数值跟之前所得到的 638W 稍有不同，可能是由于四舍五入造成的。不过这个误差不超过 0.04dB，没什么影响。一台 600-700W 的功放并不是特别大，也不是很难搞到，因此采用这种设计是非常合理的。
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Z3 T( Q1 p% t5 o, Y: V% ]& o那么当我们需要采用同样一只音箱来实现更大的声压级的时候，该怎么办呢？比如说我们需要在 20 米处产生 91dB 的声压级。也就是在 10 米处需要 97dB 声压级。那么这款音箱需要 19dB 的增益来满足这个要求。我们同样考虑到功率压缩带来的损失，再额外增加 2dB。这样一来，所需增益就达到了 21dB。对于这个更高声压级的要求，有：1 J) a1 J; I' i5 \+ b' _4 j
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" C, M, z3 | r% M9 c这时候所需功放功率大了很多！但是只有这样才能不削波地重放峰值因数为15dB的节目信号。
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/ J5 ]9 L, B! p0 W) ], Q- }当这台功放提供出满足所需声压级的 RMS 电压时，该电压的峰值将会达到约 180Vpeak！很多音箱可以承受短期、瞬态高压峰值信号。这种承受能力跟峰值信号的频率成分以峰值的持续时间有关，也跟音箱本身的设计有关。在把这样的系统投入实际应用之前，最好先跟厂家确定一下音箱的峰值承受能力，或者自己进行一下这方面的测试。
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1 h( k6 F2 W9 d! p' h: N' J当采用这种方法选择功放的时候，除了上述几条之外，还有几项需要注意的事情：( y9 h! W+ b! ?! X4 j- q
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1） 节目素材的频谱组成是非常重要的因素。如果实际节目素材跟 IEC268 噪声的频谱并不相似，那么应当自行采用具有 6dB 峰值因数的类似频谱的噪声进行一次烤箱测试。这么做的原因有两方面：
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" M) O& D+ e% l1 T* E9 na）如果有太多接近或低于音箱单元共振频率的电压馈给音箱，喇叭单元的行程可能会超过其安全工作范围。这样有可能会导致喇叭单元出现机械性损坏。从这方面来说，峰值输出能力的测试也同样是非常有必要的。+ R% e6 p' g+ c3 |' a. k
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b）反过来说，如果在喇叭共振频率部分驱动电压不够高的话（相对于整体 RMS 电压而言），那么喇叭的机械运动不足会导致音圈散热不足。有可能会发热烧毁喇叭单元。& ^" N) n2 l" j$ |, K8 ~ O
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2） 当使用大功率功放的时候，绝对不要让它们过载削波。否则会导致送给音箱的 RMS电压增大，超出最大 Vrms 值。7 B8 K8 R0 H @0 S: q
7 @7 r6 H' O! o8 i) D3 \3） 如果由于动态压缩或者改变了节目素材，导致信号峰值因素降低，也会使驱动音箱的 RMS 电压值增大超出最大 Vrms。当较低峰值因数的信号使功放接近但尚未削波时，就会出现这种情况。它会导致音箱响应特性的变化超出 3dB，也可能损坏音箱。在设计音响系统时，要尽可能小心避免这种情况发生。对此，采用 RMS 和峰值限幅器并合理设置时间常数，可以有效解决这个问题。
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本文我们验证了一种方法，可以根据特定距离特定信号的声压级要求，计算出所需功放功率大小，并演示了如何进行实际计算。我们也了解了在采用这种方法用大功率功放驱动音箱时，为什么要小心对待的原因，希望能对扩声和重放声系统设计、安装调试人员有所帮助。 |
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