服務熱線:400-6787-160
音響網(Audio160.com) > 行業資訊 > (專業音響) > 手動收藏 | 一文搞懂阻抗與負載
手動收藏 | 一文搞懂阻抗與負載
更新時間:2019-6-11 14:05:26 編輯:溫情 文章來源:易科國際 調整文字大小:【

  人們很容易忽略功放額定功率,或僅僅把它當作辦公室談資看待。如果你想驅動4Ω的負載,就要使用矩陣表
  在很久以前,人們就把8Ω認定為揚聲器的實用性阻抗了。高于這個阻抗,功放很難讓電流流過音圈,使之移動。低于這個阻抗,流經功放的電流會不足,因為負載阻抗是限制電流流動的主因。雖然還可以選擇其它許多阻抗,但8Ω是揚聲器和功放設計者長久以來所支持的一個數值。消耗120Vrms家庭電路中約15安培大小電流的電阻恰巧也是8Ω,這就意味著,8Ω是120 V 15 A公用電源電路可以驅動的最小負載數值(最大負載)。大多數功放都能驅動8Ω的負載,但是在使用更低阻抗的特殊應用場景里,就需要更仔細地斟酌了。

  一般觀念

  在實際應用中,8Ω揚聲器的阻抗與頻率相關,也就是說,在任何給定頻率下,阻抗可能高于或低于8Ω。它可能比8Ω高,漲幅不確定;不過按標準而言,阻抗不會低于8Ω的20%。這意味著,8Ω的揚聲器在可用帶寬下阻抗最低可至6Ω左右。因此,考慮到安全裕度因素,音頻功放設計要能夠驅動低于8Ω的負載,普遍的設計目標是4Ω。換言之,需要4Ω的能力才能驅動實際應用中的8Ω負載。在某些頻率下,并聯兩個“8Ω”的揚聲器,最終得到的負載可能低至3Ω。
  功放設計師還要重點考慮可用電流,包括電流量和電流持續時間,電流越大價格越高。這一財務現實是設計師限制該數值的主要動機。

  特定的應用場景

  上面描述的是功放和揚聲器之間的常見情況,不過具體到應用場景,還需要更進一步推敲細節。這是我的情況:我需要用來自一臺功放的同樣的信號來驅動4個負載,每個負載的額定阻抗為4Ω。這是個聲學測試應用場景,目標是利用一個全指向性音源在一個洞穴狀空間產生盡可能大的聲音能量。節目材料可以是語音或音樂,但是系統需要圍繞一段14秒長的正弦波掃頻信號(20 Hz至20 kHz +/- 1 dB)來設計,這個掃頻信號用來捕獲房間的脈沖響應。我會根據該正弦波進行設計,再根據其它節目材料考慮系統的性能。

  圖 1 – 這個洞穴狀空間需要大量的聲音能量來進行聲學測試。聲壓級(LW)是聲學測試揚聲器的一項重要規格。圖示為位于印第安納波利斯的Hinkle Fieldhous。我要在這個空間進行測試,就不得不尋求更好的辦法來驅動測試揚聲器。當時我使用的是“每通道200W”的功放,它并不能在保持正弦波掃頻信號完整的同時驅動負載。
  揚聲器是一只“類十二面體”揚聲器Outline GlobeSourceTM (GS)。官方額定功率容量為持續功率1600W,這是非常常見的額定功率,因為12只換能器分到了4個通道中。一共4個電路,每個電路上有3只揚聲器,所以這個額定功率概括數值(1600W)大致等同于每個電路在4Ω負載下的額定功率為400W。把這些數值代入到功率方程,得出每個電路可承受40 Vrms;我的目標是制造盡可能大的聲音能量,因此我需要考慮使用接近最大可承受電壓的值來實現驅動。
  而且從表面數值上看,4Ω負載下額定400 W/通道的一臺4通道功放完全足夠驅動GS揚聲器。這可以轉化為,一個正弦波信號40 VRMS (即節目源為正弦波信號時,可承受的電壓為40 VRMS)。在沒有深入調查的情況下,用如此大振幅的連續信號來饋送GS,我還是有所顧慮。這臺設備非常昂貴,而且替換零件得從意大利進口。
  最重要的是,正弦波信號的電壓不會隨那段14秒的掃頻信號發生變化。如果功放電壓在負載下發生下滑,則這種非線性變動會抵消掃頻錄制信號在后期處理中的有效性,讓我們無法利用掃頻信號進行房間脈沖響應反卷積的后期處理。我需要進一步深挖GS和潛在適用的功放的規格,才能消除這種顧慮。
  GS成本昂貴,而我又需要將它驅動到極限值,考慮到這點,我親自對GS的阻抗和功率容量進行了測試。“額定的”數值有它們存在的意義,但是它們往往比較含糊,會模糊物理現實。圖1顯示了四個電路其中一個的測量阻抗。注意,正如我在開篇所述,最小阻抗確實低于額定的4Ω阻抗。再次強調一下,這不是不合格,這是IEC標準所允許的(最大容差為20%)。但是,它讓功放工作變得更困難了,因為低阻抗意味著更高的電流消耗,特別是在節目源為正弦波的情況下。

  圖 1 – 每個GS電路的負載阻抗振幅。它們為什么有差異?這個問題需要另行調研。
  我采用了“Toaster Test”測試方法來找出功率壓縮的開端,“Toaster Test”是一種功率測試方法(詳細介紹可參考https://www.prosoundtraining.com/2013/11/22/the-loudspeaker-toaster-test-revisited/)。經過測試發現,一個電路可承受的最大持續電壓(EMAX)為22 VRMS。毋庸置疑,若節目源為短促脈沖波形,它可以承受更大持續電壓,但我要使用的是正弦波,必須據此進行設計。相比額定功率所說的40 VRMS,它低了將近6 dB。深入研究讓我避免燒毀GS。
  通過這些測試,我發現我需要四個功放通道, 4Ω負載下同時產生22 VRMS電壓,至少持續14秒,并且在此期間振幅保持穩定。我可用的空間(那是個便攜系統)為2個機架單元(RU)。功率方程得出在4Ω負載下最小功放額定功率達到121 W就可以了。


  圖 2 – 房間測試揚聲器包含了12個換能器,分布在4個電路中。每個都有4Ω額定阻抗。用22 VRMS 驅動它需要5.5 ARMS 的功放電流。即121 W持續功率,因為W = EI。
  功放的額定功率
  功放設計者必須處理的三大變量有:
  ● 輸出電壓
  ● 輸出電流
  ● 輸出電流持續時間
  這和電池的額定系統沒什么差別。注意,如果沒有第3條——輸出電流持續時間,不同大小的“1.5V”電池看起來都是一樣的,因為它們的區別僅在于電流產出量/持續時間(圖3)!
  由于功率是“做功的速率”,時間也是要素,在實際操作中,額定功率會受這三個變量的影響。可惜,終端用戶常常忽略第3條的重要性,而完全為“額定功率”所蒙蔽,這只是第1條和第2條變量在短時間內的表現結果。“額定功率”讓實際差別很大的功放看起來很相似。

  圖 3 – 這些電池都可以產生1.5 VDC。它們的區別在于“負載多少?”和“持續多長時間?”這也是為什么它們的額定單位是mAH (毫安時)。不知道什么原因,功放省略了這個細節。
  現代很多功放在使用正弦波驅動4Ω負載時,都沒辦法長期保持輸出電壓。要做到這點,功放在4Ω正弦波信號下的額定功率,得是8Ω額定功率的兩倍——很罕見,而且坦白說,并不總是必要的。實際上,使用常見的額定功率,根本不可能為我的特殊應用選擇功放,因為該數值將電壓、電流、時間和負載阻抗等因素融為一個數字,模糊了一些重要的功放性能規格。

  競品對比

  我的庫存里有3臺功放,就額定功率而言(至少是字面上),它們都能“符合標準”。我把它們稱為功放1,功放2和功放3。下面是對每臺功放的簡要描述。
  功放1是一臺4通道1RU的對流冷卻單元。所有通道都工作時,8Ω阻抗下,每通道額定功率為80W;4Ω阻抗下,每通道額定功率150W。從表面數值看,這似乎超出了驅動GS所需要的121 W。
  功放2是一臺2通道1RU的對流冷卻單元,同時驅動兩個通道的情況下,每個通道的額定功率為200W。我的應用需要2臺單元,但它還是符合2 RU體積的限制條件。16Ω、8Ω和4Ω的額定功率都是一樣的。這意味著,輸出電壓受負載的影響——“只有功率才重要”設計理念的結果。考慮到GS阻抗曲線,這種行為可能成為影響14秒正弦波掃頻信號驅動成敗的決定性因素。
  功放3是一款“多模式”功放,帶8個可獨立使用或進行多種組合配置的通道。由2個通道組成一臺帶更高電流輸出的功放,這種模式看起來最適合我的應用場景。組合配置后,我得到4路驅動通道,它們在4Ω負載下都擁有穩定的性能,體積為2RU。但是,我得弄清楚,通過一個15安倍公用電路接電,負載為4Ω的情況下,且正弦波達到22VRMS,是否可以同時驅動4個通道。如果同時使用所有通道,多通道功放可能無法獲得足夠電流,尤其通過的是低波峰因素波形,比如正弦波、方波,以及經過壓縮的節目材料。

  差異比較分析

  為了對比這些功放,我為每臺功放制作了一張通用功放格式(CAF)規格表。CAF內含一個矩陣表,能顯示各個功放在3種不同信號輸入各自的額定負載電阻時得到的輸出電壓。分別為脈沖測試信號,持續正弦波測試信號,以及持續噪音測試信號。最重要的是,它能夠清晰顯示功放的輸出電壓(單位:分貝)如何在不同負載下發生變化(我稱之為“負載效應”)。我的應用場景需要近似于無的負載效應,也就是說,功放的運行基本類似于理想的電壓源:負載阻抗隨頻率發生變化,電流跟蹤負載阻抗的同時,電壓保持不變。它顯示了在不同類型的波形下電壓如何保持。CAF矩陣有效地揭示了上述3種功放特征的信息,不過是通過輸出電壓vs.電阻的角度呈現的。由于外加電壓是調節電流到固定負載的唯一途徑,所以它的表現間接反映了功放的電流能力。
  我們來評估每個功放的矩陣表吧。
  功放1
  圖4為功放1的矩陣表。我已標注出正弦波的數據。注意,在4Ω負載下,它可以產生24 VRMS,持續15秒。這款功放符合設計標準,因為它僅占1RU空間,采用對流冷卻。很好。它絕對是有力的選擇。

  圖 4 – 功放1的 I/O矩陣表。以1.3 VRMS驅動時,它可以在4Ω條件下保持24 VRMS 15秒。
  功放2
  圖5為功放2的矩陣表。注意,它的額定功率(200W)高于功放1,所以從表面數值看來,它應該適用。該矩陣表明,脈沖正弦波的最大VRMS值為29 VRMS,但是在持續正弦波中降到18 VRMS。這遠低于GS達到最高聲音輸出所需的22 VRMS。負載效應一欄顯示,功放電壓在負載下波動很大。這可能導致頻率響應不穩定,因為負載阻抗會隨著頻率發生變化。這是個標稱200W的功放,卻不能驅動121W的應用場景。發現問題了嗎?

  圖 5 – 功放2的I/O矩陣。以0.8VRMS驅動時,它可以在4Ω條件下保持18VRMS 15秒。
  功放3
  圖6為功放3的矩陣表。對于持續正弦波,4Ω負載下可產生36 VRMS。它可能會在22 VRMS左右浮動。請注意,即使它標稱的是2Ω負載下可工作,VRMS 數值還是大幅度下跌了,因為公用電源有15安倍的限制。這是意料之中的結果,物理定律使然。大尺寸的多通道功放通常要考慮公用電路的電流,但是人們通常會被標準額定功率搞得暈頭轉向,額定功率通常僅基于脈沖測試信號得出(矩陣表中的綠色陰影部分)。請注意,正弦波脈沖信號最大輸出為50 VRMS,比功放1高約+6 dB。我不太敢用這個電平的正弦波驅動GS,但是它可以給音樂和語音信號提供更多的峰值空間。這對我的應用場景很重要。
  輸入噪音測試信號,該功放能最快速到達典型的語音和音樂節目源時的性能表現。4Ω負載下,所有通道驅動時,它可提供19 VRMS 和12dB的峰值空間,所有驅動通道的電流消耗大約為6安倍。這將把GS推到發熱極限,且讓房間獲得大量聲音,這些只需要一個公用電源電路。
  這是體積占2個機架空間的風扇冷卻式功放。風扇冷卻是個缺點,因為有時候我會在非常安靜的房間里使用這臺設備進行隔聲測試。但至少風扇會根據需要調整使用,如果我要進行高聲壓級的擴聲,風扇產生的噪音可能不成問題。目前為止,功放3是這3臺功放中最大最重的一臺了。

  圖 6 –功放3的I/O矩陣表。以0.9VRMS驅動時,它可以在4Ω條件下保持36VRMS 15秒。比需要的高4.2 dB,所以如果把輸入電平調低會得出負載下22 VRMS 的結果。

  選定功放

  矩陣表表明,功放1能夠滿足房間聲學測試所需的14秒對數正弦波掃頻信號擴聲需求。功放3也可以滿足要求,且能為噪音、音樂或語音波形信號播放提供額外的峰值空間。功放2不適合我的應用場景,不過是更常見應用場景的理想選擇,比如用于高波峰因素的語音和音樂信號中。功放額定功率提供的信息有限,并不能作為用戶決策的有力參考,所以這也是制作CAF通用功放格式表格的動因之一。
  我決定采用功放3,因為它支持更高的噪音信號、音樂和語音播放電平,比功放1允許的要高。有了功放3,我能把GS驅動到最大的聲音輸出。該功放有個優點,它具有GUI(圖形用戶界面),可以監控每條通道的輸出電壓。這樣,我就可以在不損壞GS的條件下,緩緩地把對數掃頻信號的電壓推到最大允許值。當然,這需要現場配備個人電腦。即使沒有GUI,還是可以從矩陣表中輕松找出產生22 VRMS的驅動信號,方法是以dBV顯示電壓,輸入到功放的信號減去4dB即可。這就從-1.2 dBV變為-5 dBV左右了。我用來制造對數掃頻信號的設備NTI MRPro會顯示信號電平,所以,只要低于-5 dBV,就不用擔心GS會過度發熱。
  選定功放之后,我開始把它和一只有源次低頻揚聲器打包到便攜架上。

  照片2 – GlobeSource,次低頻揚聲器,發電機和功放設備。這個組合很好,推動方便,而且可以產生巨量擴聲。
  總結
  我們需要考慮很多數值和原理。回顧一下:
  ● 目標是獲得特定揚聲器的最大聲壓級。
  ● 不明晰的額定功率和額定阻抗促使我自己進行測量。
  ● 測量揭示了目標功放用以驅動負載的特性。
  ● 功放的額定功率經常無法提供足夠的信息以供我們明確功放在正弦波輸入,承受巨大負載下的性能表現。
  ● CAF報告可以提供這樣的信息,我制作了一張CAF,由此獲得了恰好想要的信息。
  ● 我現在有充分的理由相信,我的測試設備可讓揚聲器達到最大聲壓級,且保證在運行中不損壞揚聲器。結果是可以在巨大的空間內為聲學測試獲取最優的信噪比。
  結論
  人們很容易忽略功放額定功率,或僅僅把它當作辦公室談資看待。把功放額定功率拆解成信號類型、電壓和電阻加以分析,可以得出巨量信息,從而幫助我們更準確地選擇功放,在不同品牌和型號之間進行有意義的比較。我們不一定要購買功放后才去看它是否足以應對特定的應用場景。這要花費時間和金錢成本。
  我們行業對額定功率的執著要求無疑起源于公用事業公司(對8Ω負載也是如此)。公用電源和音頻電源配送方法確實有許多相似之處。但是,像美國杜克能源這樣的公司使用的是固定電壓和頻率,這讓額定功率更全面地概括了電路負載情況。音頻功放電壓會隨時間發生巨大的變化,而且具有寬帶頻譜容量。保留波形形狀很重要,所以我們不能單純看額定功率。我們還需要處理以dB為單位的電平,而不是電壓。CAFViewer允許用戶選擇電壓、dBV或dBu——無論對系統設計者來說最有意義的單元系統是什么。為滿足大家進一步了解CAFViewer和本文所描述功放的希望,我已經創建了一個可下載的特殊CAF文件。
  下載附件:Amplifier Comparison CAF File
  鏈接:https://www.prosoundtraining.com/wp-content/uploads/2019/01/Amplifier_Comparison.caf1_.zip
  如果您需要切實了解功放的能力如何,就要使用這個矩陣表。pb

更多相關: 易科國際
 網友評論
 編輯推薦
  • 2019視聽行業萬里行之走進企業武漢
  • 2019視聽行業萬里行之武漢
  • 北京InfoComm China 2019展會
  • 獨家策劃:北京IFC2019不落幕展精彩搶先看
  • dBTechnologies品牌故事:核心競爭力來自原創和性能
  • 精益求精,締造完美品質—George Krampera,一生追求完美聲音
  • Crest Audio(高峰)-站在創新的高度 俯瞰市場之所需
  • KV2 Audio:音頻行業的先行者
設為首頁 | 商務信息 | 音響資訊 | 本站動態 | 付款方式 | 關于音響網 | 網站地圖 | 網站RSS | 友情鏈接
本站網絡實名:音響網 國際域名:www.emnoyr.tw 版權所有.1999-2019 深圳市中投傳媒有限公司 .
郵箱:[email protected]  電話:0755-26751199(十二線) 傳真:0755-86024577
在線客服:點擊這里給我發消息 點擊這里給我發消息  點擊這里給我發消息  點擊這里給我發消息   視聽學院-商家論壇群: 視聽學院-商家論壇
莱切斯特城历史记录