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音响系统的功率增加一倍,换来的声压级增加是3dB。
e
○4声压级分贝值=20lgP/P
○5声强级分贝值=10lgI/I
(dB)(Pe为基准声压)
(dB)(Ie为基准声强)
由这些物理量引申出的多个量也用dB为单位,主要有:
电平(dB)、信噪比(dB)、灵敏度(dB)、隔离度(dB)、滤波器衰减率(dB/oct)、动态范围(dB)
分类说明:
由于分贝概念非常重要,使用场所也很多,为了计算方便,下面直接将电压、电流比、声级比、功率比的分贝值列表如下:
电压、电流、功率比的分贝值
阻抗
阻抗是一个比较复杂的概念,在直流电路中,由于信号和电路特性都是线性的,所以只有电阻的概念;
但是在交流电路中,由于存在信号频率的原因,电感和电容对信号就起了一定的作用,一般就把感抗、容抗、电阻的综合作用参数叫阻抗。
通常可以将阻抗表达为:
放大电路中,感抗、容抗、电阻信号的综合作用下表现出的一种电阻特性。
一般用电阻的单位欧姆Ω表示。
阻抗和意义很重要,在几乎所有的设备中,很多重要的参数和配置都与阻抗有关。
比如:
功放的输出功率、输入输出形式等。
如果相连的两个设备阻抗不匹配,就有可能产生电气指标下降、音质变劣甚至设备受损的故障。
在电气设备中,阻抗表现形式有很多种。
对于象话筒、耳机、音箱等电声类设备,由于它们都是单纯的能量转换设备,所以通常它们涉及的阻抗只有一种,即通常所指的交流阻抗。
不过,话筒、耳机、音箱的类型不同,其阻抗的成分也不同。
对于纯电阻特性的设备,比如:
早期的碳粒式话筒,它的直流电阻就是它的阻抗。
而现代的电声器材都存在感抗和容抗特性,这种特性在交变电流中呈现的电阻是完全不同的,所以只有用交流电阻才能正确表达它们的阻抗(通常,这类设备的额定阻抗是用频率为1KHZ的信号测得的标准值)的特性。
1、像电磁式、动圈式话筒和音箱这类感抗性设备,它们的交流阻抗可表达为:
Z=R2+
式中R为直流电阻(Ω)L为线圈电感(H)ω为圆频率=2πƒ(为频率HZ)从式中可以知道,音箱和动圈话筒和阻抗特性曲线是随着频率变化的。
2、像电容式话筒这类容抗性设备,其交流阻抗可表达为:
Z=
式中C为电容(F)π为圆频率=2πƒ(ƒ为频率HZ)
但是由于一般电容式器件的电容量很小,相应它们的交流阻抗就很高,这在电声设备虽很适用的。
为了更方便地和其它设备达到阻抗匹配,一般都在电容话筒里设置阻抗变换器,将其阻抗变换到适当的数值。
3、对于像调音台、周边设备、功放等电——电设备,它们的阻抗主要涉及其输出、输入阻抗。
根据多级放大器的等效电路分析方法(许多电声设备内部都是由各种类型的放大电路组成的)。
其输入电阻可以表达为:
Ri=hie+(1+hfe)RL
式中RL为发射极电阻与负载电阻并联后的等效电阻
hfe为放大器的短路放大系数
hie为放大器的短路输入电阻输出电阻可以表达为:
式中hie为放大器的短路输入电阻hfe为放大器的短路放大系数RS为信号源内阻
由此可见,电声设备的阻抗是一个比较复杂的参数,它在具体的应用中很重要。
通常,阻抗参数由厂家直接给出,它是一定条件下测得的具体值。
分类介绍:
在音响设备中,除电——声转换设备外,一般都存在输入和输出阻抗,它们和设备内部放大器的特性有关。
由放大器电路分析可知:
为了尽量充分利用输入信号,设备和输入电阻都很高;
而为了提高设备的驱动能力,其输出阻抗都比较低。
对于话筒,一般我们都把它看成一个电压源,所以为了保证话筒信号能长距离、高质量、高效率地传输,通常话筒都是低阻抗型的,一般其阻抗在200Ω左右。
相应地,要求与其相连设备的输入阻抗至少应该在1KΩ以上。
对于音箱,它的阻抗可以看成是在其工作频带内对放大器呈现出的最低欧姆数。
所以一般所指的8Ω、4Ω、2Ω仅仅是它的特性曲线上平坦部分的某一个数值(在谐振峰之后)。
对于功放和其它周边设备,经常涉及它们的输出阻抗。
通常要求其输入阻抗要高,以便充分、高效地利用上级设备提供的信号。
现代音响设备的输入阻抗都在几KΩ—几十KΩ之间;
而输出阻抗要尽量低,以便尽量地将信号更好地提供给下级设备使用,现代音响设备的输出阻抗都在几十Ω以下。
由于功放驱动的下级设备——音箱的阻抗很低,所以功放的输出阻抗就更低了,一般在百分之几欧以下,否则它很难驱动8Ω甚至2Ω的音箱。
灵敏度
在音响设备中,器材的电——声或声——电转换能力的大小称为器材的灵敏度。
在实际使用中,设备的灵敏度是在一定的声场中,该设备产生的开路输出电压或对一定负载的输出功率,或者在一定的输入电平(功率)下,该设备在一定位置上所产生的声压级。
音响设备的灵敏度是一个非常有用的指标,音响师和工程技术人员经常需要它来计算录音或扩声增益、电平、选择话筒、确定系统的功率配置和扩声声压级以及系统的连接方式、端口设置等等。
如果灵敏度的概念在音响技术中被忽视,可能出现设备失真、动态不足、声压级不能满足要求、设备负荷过重以及其它声音指标受到影响。
在音响设备中,狭义的灵敏度概念主要涉及的电声设备有话筒、音箱;
涉及的电气设备有功放、调音台及周边设备。
○1根据采用的单位和连接负载的不同情况,常见的话筒灵敏度有开路灵敏度和有载灵敏度。
a、开路灵敏度规定:
在单位声压作用下,话筒的开路输出电压:
E=V/P
其中E为开路灵敏度,单位可以是mv/upa或mv/p,也可以是v/pa
V是开路电压,单位是v或mv
P是话筒振膜上的声压,单位是ubar或pa
如果以dB的形式表示,开路灵敏度可以表示为:
E=20lgV/P–20lgV0/P
其中V0和P0为基准值,即V0/P0=1v/ubar或1v/pa
基准值的单位不同,所得到的开路灵敏度的计算结果也不同,我国一般采用mv/pa或v/pa为
单位。
可见用dB表示的灵敏度必须注明基准值(即0dB值是以v/ubar还是以v/pa为单位),否则灵敏度标注将没有参照价值。
B、有载灵敏度是灵敏度的功率表示法。
它是指在单位声压下话筒输出端在额定负载上的输出功率,单位是mw/ubar,一般取额定负载为600Ω。
通常还可以采用dBm来表示电功率灵敏度,这时候的基准值是1mv/ubar。
同时话筒的灵敏度还和测取的频率点有关系(一般取1KHZ),这种灵敏度称为某频率灵敏度;
如
果在一定频率范围内取平均值,就称为平均灵敏度。
话筒灵敏度概念还涉及声压的问题,如果是利用声场中某点的声压值计算的,就称为声场灵敏
度;
如果是直接利用话筒振膜上的声压计算的灵敏度,就称为声压灵敏度。
通常我们使用的声场灵敏度,这时话筒灵敏度标注为:
―×
×
dB或×
mv/ubar(空载、自由场、1KHZ)。
○2音箱的灵敏度类似于话筒,最早的定义中,它被定义为:
单位电压作用下音箱产生的声压值。
即E=P/V
但是这个定义没有将输入电压结合扬声器的阻抗来考虑,也就使得灵敏度失去了参照价值;
同
时,音箱的灵敏度需要反映出它对具体功率的信号转换能力,而不是电压信号的转换能力,所以为了更好地表征音箱的机电转换能力,一般规定在音箱上施加一定功率的信号后,在一定距离上测得的声压级,称为音箱的灵敏度,即dB/m/W。
通常将音箱在1W输入功率下在其轴向正前方1m处产生的声压级,称为其灵敏度。
同样,音箱的灵敏度与信号频率有直接关系,而且还与信号的类型有关系。
是1KHZ还是500HZ
的灵敏度,是粉红色信号还是正弦波信号,音箱的灵敏度值都有不同的标注。
输入输出电平
音响设备的输入输出接口一般都有电平值标记或选择键,比如:
0dBm、0.775v、+4dB、0dBu等等。
其中,设备输入接口处的电平值一般就是该设备的输入灵敏度,所以某些时候输入输出电平标注可以归为灵敏度范畴。
但并非所有接口电平都具有灵敏度的含义。
设备的输入电平值表示该设备允许输入的信号电平值(多数时候有额定值和最大值)。
一般情况下,在额定电平值(0dB)输入信号时,该设备具有额定的输出值(可能是功率,也可能是电平)。
一般情况下,规定:
输入电平基准为0.775v=0dB有时又标注为0dBu和0dBm(见后)。
通常,设备的输入电平一般都与其输入灵敏度有密切的联系。
各个设备和输入电平或某种模式下的额定输入电平范围可能不同(即灵敏度不同),有的只标注0dB,有的有-10dB和+4dB或+10dB供选择。
通常要根据设备或系统的情况来统一设定,否则如果输入信号电平值低于输入灵敏度,就会造成该设备输出功率或电平不足;
如果输入信号电平值超出该设备输入电平范围,就会造成设备输出失真。
设备的输出电平与输入电平情况类似,但是设备输出电平对连接的负载阻抗要求更具体。
一般情况下,输出电平规定的0.775v=0dB是以一定阻抗的负载为前提的(一般取600Ω)。
如果负载阻抗增加,输出电平值还有可能提高。
同样,设备的输出电平值也有几种,有0dB的,有+4dB的、还有+10dB的,但这和灵敏度没有联系。
至于0dB和0dBu有什么不同,一般情况下规定:
0dBm是在600Ω负载上得到的电平值为0.775v,即在该负载上得到的功率是1mW。
这就是一般所说的灵敏度的功率表示法,这里的m是指毫瓦级的功率电平。
0dBu是在开路情况下,该设备输出口得到的电平值为0.775V。
另外,还有一些输入输出电平是以DBV和DBU的形式表示的,一般规定:
0dBv=1.0V0dBu=1.0uV从上面关于灵敏度和电平的分析、比较可以看出:
各类设备的灵敏度在数值上有所区别,含义
也有不同,同时基准参照值也不相同。
即使是同一类型的设备,它们的灵敏度在数值上可能也有很大差别。
话筒方面:
一般动圈话筒的灵敏度要低些,通常情况下为:
0.2mv/pa~几个mv/pa而电容话筒的灵敏度要高些,通常情况下为:
几个mv/pa~十几mv/pa甚至几十mv/pa但是铝带式电容话筒的灵敏度要低些。
音箱方面:
一般高音扬声器的灵敏度高些,有的可以达到100dB/m/W以上(这就是为什么音箱中要增加高音衰减网络的原因);
通常低音扬声器的灵敏度要低些,低的可能只有80dB/m/W左右。
对于其它设备,一般输入灵敏度都是以0dB为基准的,但少数设备有-10dB和+4dB可以选择。
而最大输入输出电平的情况就差别很大了,在不失真的情况下,有的可能是+10dB,+15dB,也有可能是+24dB,+32dB甚至更高。
增益
在电子技术中,放大器的输出信号比输入信号增高的倍数叫做放大器的放大倍数,通常称为增益。
它是放大器对信号放大能力的主要指标。
通常,由于放大器的放大倍数较高,用线性数字表示不太方便,所以常常用对数值表示增益,这样可以在变化较小的对数值表达出较大范围内的线性值变化;
使用对数值表示增益的原因还在于:
声音信号的放大倍数和人耳的听觉变化感受是符合对数关系的,所以在通信和音响技术中,增益用放大倍数的对数值来表示。
增益的意义在于,它明确地表达了放大器对信号的放大能力,无论该放大器是功率放大器还是电压放大器(前置放大器)。
各种增益的表达式有所区别,具体表示为:
1
功率增益GP=10lgP2/P电压增益GV=20lgU2/U电流增益GI=20lgI2/I
另外,以下概念也类似于增益:
2
声压级L=20lgP1/P0(dB)P0为基准声压0.0002dN/cm
灵敏度=20lgU1/U0(dB)U0为基准电平0.775v
说明:
由增益的概念我们很容易联想到了声压级、灵敏度等概念。
确实,像声压级、灵敏度等涉及到信号变化倍数的概念都可以看成是一种增益,只不过声压级是任意声压相对于基准声压的变化倍数;
而灵敏度是相对于基准是平而言,设备的电——声或声——电转换(放大)能力,所以声压级、灵敏度等许多参数的单位也都是分贝dB(有的设备的灵敏度直接用电平表示)。
对比增益和分贝:
增益是主要表示同一个信号的经过处理、放大后,与原信号形成的一种变化量(级差);
而分贝反映的是任意两物理相比较后形成的一种变化量(级差),所以从这点来看增益和分贝的含义是相似的。
频响
无论任何用途的电声设备,都需要对其工作频段进行限定。
在规定的频率范围内,设备对不同频率信号具有相应的放大(处理)能力,这种范围就叫设备的频率响应,简称频响。
频响的概念规定了设备的有效工作范围,超出这个范围,设备就会失真或损坏。
可见,频响是
对设备有效工作条件的限定。
表达:
在频响的概念里,频率是中心,而放大处理能力是限定(增益),所以在电声设备中,频响一般表示为:
HZ~×
HZ(±
dB)这里的±
dB是控制频响范围的关键标注
由此可以看出频响是受增益范围的限制而有所变化的,增益限制越宽,频响也越宽;
增益限制
越小,频响也越窄。
如图所示:
2dB4dB
80100
15k20k
频率(Hz)
由图示可以看出:
原来100~15kHz(-2dB)的频响标注,很容易标注为80~20kHz(-4dB),
所以说频响的标注如果没有增益的限定是不科学的,也是没有意义的。
对于电——电设备,一般优质的功放、调音台和周边处理设备的频响都可以达到:
20~20kHz(0.5dB±
或±
1.0dB)对于电——声设备,一般话筒和音箱的频响可以达到:
几十Hz~几、十几或几十kHz(±
1.5dB或±
3dB)显然,某些设备上标注的频响范围太宽,以至于完美无比时,这时它的±
dB数都不标,或者有
的标注成±
~10dB等,这样的参数显然是没有意义的。
失真
在电气设备中,信号的传输过程使得信号的输出特性与输入特性相比发生变化和差异,这种变
化和差异总称为失真。
在电声领域里,失真的概念具有重要的意义,失真参数能在很大程度上反映设备性能的优劣;
也在很大程度上规定了设备的使用环境和条件,甚至可以这样说:
超出了规定的环境和条件,设备的失真会迅速增大,这种增大值远远超出技术参数规定的范畴,带来的设备性能恶化也是无法预料的。
通常设输入电压频率为f1,输入信号电压为Ui,输出电压中f1的分量UO1,高次谐波失真分量为UO2,UO3……Uon,则
n次谐波失真系数Dn=Uon/U01×
100%而总谐波非线性失真为由于采用优良的负反馈电路,在现代电声设备中,除了话筒的谐波失真可能在百分之几的数量
级以外,其它设备的谐波失真都可以做到千分之几,甚至万分之几的水平。
在一般的电声设备中,比较有价值的失真指标是谐波失真(非线性夫真),频率失真(线性失真)。
频率失真是指:
由于放大器对不同频率信号的增益不同而引起的失真,它与输入信号的幅度无
关,主要表现在随输入信号的频率变化而呈现出的不均匀性。
频率失真较重的设备明显表现出在某些频率段的信号走样。
一般情况下,音箱具有几个dB的失真,人耳是听不出来的;
而其它现代电声设备在普通听音频率范围内的频率失真已经非常小了。
通常所指的线性失真就是频率失真。
非线性失真是指:
放大器的输出信号中产生了输入信号中所没有的谐波成分。
也就是说失真产生时,放大器的输出特性不是线性的,它的斜率不是固定不变的,而是变化的(增益不是常数),这种失真就是非线性失真,一般用D来表示。
通常,在输出信号中,除了具有输入信号频率的分量信号外,失真还产生高次谐波分量,这就是谐波非线性失真。
非线性失真包括振幅非线性失真,相位非线性失真以及同步信号非线性失真(视频电路)。
功率
在电声调和中,几乎每件设备都会涉及功率的概念,但是除了功放和音箱以外,其它设备主要是电压放大类或信号分配类设备,功率指标在它们的电声指标里不是很重要,这里指的功率主要是与功放和音箱有关的功率功率概念。
功放和音箱和各种功率概念对于正确选择、使用设备十分重要,清楚各种功率概念后才能正确根据设计要求(声压级、灵敏度、阻抗等指标),来决定功放和音箱的搭配;
也只有清楚各种功率概
念后才能正确操作,使设备在正常的状态下稳定工作;
功率的配置合理性还对系统音质有一定影响。
一般情况下,功放和音箱和功率都可以简单表达为:
P=U
/R或P=IR
其中,U为有效输入或输出电压,I为负载上的有效电流,R为负载的阻抗
由此可见,功率与电压(电流)和阻抗是密不可分的。
在功放中,功放的增益决定了信号的放大倍数,也就影响了其输出的电压值,从而决定了该增益下功放的额定输出功率。
这里所指的额定,指的是在一定阻抗、一定失真限制下,功放的输出值;
而音箱是一个电——声转换设备,是被动地接收信号,功率概念是与它的阻抗和流地音圈上面的电流有关的,所以音箱的功率应该称其为功率承受力,即在一定阻抗下,音箱(音箱)对流过其内部的电流的承受能力。
特别需要注意的是:
功率指标是一个标定值,是测试后得到的结果,显然,测试条件、测试信号的类型也决定功率的标注。
对功放和音箱来讲,它们的输出功率和功率承受力是它们的电声指标中的重要参数。
但是由于规定的条件不同、测试标准不同,这些功率的称呼也有所不同,甚至数值上有很大差异。
○1功放功放的输出功率标定值一方面受额定值影响,一方面受失真的影响,另一方面还受测试信号的
峰值系数影响。
在额定值下,如果不考虑失真和测试信号的类型,功放在最大增益处的输出功率就是轼放的标
称功率。
一般标注为8Ω200W、4Ω400W或桥接8Ω350W的功放,就是指在某阻抗下,该功放一个声道的最大额定功率。
增益衰减后,在同样阻抗下,功放的输出功率也会降低,这就是为什么标称8Ω200W的功放推8Ω100W的音箱,原则上不存在什么问题的原因。
在失真率因影响下的输出功率可能发生很大的变化,所以一般对功放输出功率的标注都要强调失真。
标称为8Ω不失真功率为200W的功放(其实是在规定的失真范围内),如果失真率上升,超过规定值后,功放的输出功率可以达到一个较高值(尤其是高频谐波功率会迅速增大)。
这就是为什么功放和音箱搭配不当,容易产生失真,导致设备损坏的原因。
在测试信号因素作用下,功放的输出功率将直接受信号的峰值系数影响。
标称为8Ω200
W的功放(正弦波信号),如果用峰值系数很高的粉红色信号来测试,在不产生信号失真的前提下,它的有效输出电平将降低,显然它的输出功率值也将降低。
这里的峰值系数是指:
信号的峰值电平
与有效电平值的差或比值,如图所示:
电平
峰值
有效值
频率
正弦波信号的峰值与有效值关系
粉红色噪声的峰值与有效值关系
显然粉红色噪声信号的峰值系数要远远高与正弦波信号。
这就是为什么相对于无源分频来讲,使用同样的高低音音箱,要达到同样声压级的要求,电子分频系统对功放的输出功率要求要低于普通的无源分频扩声系统,也就是说,电子分频方式相当于降低了功放的输入信号的峰值系数,使得功放没有必要具有很高的不失真电压输出能力。
同样是高、低音分别需要100W的功率信号,无源分频和有源分频对功放的功率要求就有所区别,如下图所示:
无源分频方式
+56V
+28V
-28V
-56V
400W
功放音箱分频
8欧
100W
功放输出P=562/8=400W
在无源分频时,输入功放的信号是低音和高音的混合调制信号,具有较大的峰值系数,因此功
放就必须能容纳这种峰值系数较高的信号(增益足够,且输出信号不削波),当然它应该具有较高的电压输出能力(56V),也就是说功放的功率必须选大一些的。
有源分频方式
有源分频
低音信号
100W功放
高音信号
在有源电子分频时,由于前级分频器已经将输入功放的信号分成单独的高、低音信号,它们各
自的峰值系数比高低音复合信号都要低,这样高、低功放就不需要具有较高的电压输出能力(只需分别具有28V输出),当然功率也可以选择小一些的了。
○2音箱音箱的功率承受能力(或功率消耗)一方面受阻抗影响,一方面受音圈的载流能力的影响,另
一方面受测试信号类型的影响。
同时由于音圈运动位置、机械动作(行程)的限制,音箱的功率力还受信号带宽的影响。
在阻抗因素中,音箱的功率消耗大小将直接由阻抗大小来体现。
一个标称8Ω下额定输出为200W的功放配接阻抗为8Ω的音箱,那么在音箱上得到(消耗)的功率应该在200W左右,但如果将音箱换成16Ω的,那么音箱上得到(消耗)的功率将成倍下降了,显然音箱(负载)的阻抗限制了功放的输出功率,从而间接决定了音箱自身的功率消耗。
在音圈载流能力因素中,音圈本身在正常条件工作状况下的电流通过能力直接关系到音箱的功率承受能力。
同样是8Ω的两只音箱,如果其它条件完全相同,而一只音圈线圈粗,一只音圈线圈细些,这两只音箱的电流承受能力就会不同,当然音圈线圈粗的音箱电流承受能力强,那么这只音箱的功率承受能力就大些,这就是一般说的这只音箱的功率大些,那
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