人們很容易忽略功放額定功率，或僅僅把它當(dāng)作辦公室談資看待。如果你想驅(qū)動(dòng)4Ω的負(fù)載，就要使用矩陣表。
在很久以前，人們就把8Ω認(rèn)定為揚(yáng)聲器的實(shí)用性阻抗了。高于這個(gè)阻抗，功放很難讓電流流過音圈，使之移動(dòng)。低于這個(gè)阻抗，流經(jīng)功放的電流會(huì)不足，因?yàn)樨?fù)載阻抗是限制電流流動(dòng)的主因。雖然還可以選擇其它許多阻抗，但8Ω是揚(yáng)聲器和功放設(shè)計(jì)者長(zhǎng)久以來(lái)所支持的一個(gè)數(shù)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(qū)動(dòng)的最小負(fù)載數(shù)值（最大負(fù)載）。大多數(shù)功放都能驅(qū)動(dòng)8Ω的負(fù)載，但是在使用更低阻抗的特殊應(yīng)用場(chǎng)景里，就需要更仔細(xì)地斟酌了。
一般觀念
在實(shí)際應(yīng)用中，8Ω揚(yáng)聲器的阻抗與頻率相關(guān)，也就是說(shuō)，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(biāo)準(zhǔn)而言，阻抗不會(huì)低于8Ω的20%。這意味著，8Ω的揚(yáng)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(shè)計(jì)要能夠驅(qū)動(dòng)低于8Ω的負(fù)載，普遍的設(shè)計(jì)目標(biāo)是4Ω。換言之，需要4Ω的能力才能驅(qū)動(dòng)實(shí)際應(yīng)用中的8Ω負(fù)載。在某些頻率下，并聯(lián)兩個(gè)“8Ω”的揚(yáng)聲器，最終得到的負(fù)載可能低至3Ω。特定的應(yīng)用場(chǎng)景
上面描述的是功放和揚(yáng)聲器之間的常見情況，不過具體到應(yīng)用場(chǎng)景，還需要更進(jìn)一步推敲細(xì)節(jié)。這是我的情況：我需要用來(lái)自一臺(tái)功放的同樣的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)負(fù)載，每個(gè)負(fù)載的額定阻抗為4Ω。這是個(gè)聲學(xué)測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景，目標(biāo)是利用一個(gè)全指向性音源在一個(gè)洞穴狀空間產(chǎn)生盡可能大的聲音能量。節(jié)目材料可以是語(yǔ)音或音樂，但是系統(tǒng)需要圍繞一段14秒長(zhǎng)的正弦波掃頻信號(hào)（20 Hz至20 kHz +/- 1 dB）來(lái)設(shè)計(jì)，這個(gè)掃頻信號(hào)用來(lái)捕獲房間的脈沖響應(yīng)。我會(huì)根據(jù)該正弦波進(jìn)行設(shè)計(jì)，再根據(jù)其它節(jié)目材料考慮系統(tǒng)的性能。
圖 1 – 這個(gè)洞穴狀空間需要大量的聲音能量來(lái)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試。聲壓級(jí)(LW)是聲學(xué)測(cè)試揚(yáng)聲器的一項(xiàng)重要規(guī)格。圖示為位于印第安納波利斯的Hinkle Fieldhous。我要在這個(gè)空間進(jìn)行測(cè)試，就不得不尋求更好的辦法來(lái)驅(qū)動(dòng)測(cè)試揚(yáng)聲器。當(dāng)時(shí)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(hào)完整的同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
揚(yáng)聲器是一只“類十二面體”揚(yáng)聲器Outline GlobeSourceTM (GS)。官方額定功率容量為持續(xù)功率1600W，這是非常常見的額定功率，因?yàn)?2只換能器分到了4個(gè)通道中。一共4個(gè)電路，每個(gè)電路上有3只揚(yáng)聲器，所以這個(gè)額定功率概括數(shù)值（1600W）大致等同于每個(gè)電路在4Ω負(fù)載下的額定功率為400W。把這些數(shù)值代入到功率方程，得出每個(gè)電路可承受40 Vrms；我的目標(biāo)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(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。
而且從表面數(shù)值上看，4Ω負(fù)載下額定400 W/通道的一臺(tái)4通道功放完全足夠驅(qū)動(dòng)GS揚(yáng)聲器。這可以轉(zhuǎn)化為，一個(gè)正弦波信號(hào)40 VRMS (即節(jié)目源為正弦波信號(hào)時(shí)，可承受的電壓為40 VRMS)。在沒有深入調(diào)查的情況下，用如此大振幅的連續(xù)信號(hào)來(lái)饋送GS，我還是有所顧慮。這臺(tái)設(shè)備非常昂貴，而且替換零件得從意大利進(jìn)口。
最重要的是，正弦波信號(hào)的電壓不會(huì)隨那段14秒的掃頻信號(hào)發(fā)生變化。如果功放電壓在負(fù)載下發(fā)生下滑，則這種非線性變動(dòng)會(huì)抵消掃頻錄制信號(hào)在后期處理中的有效性，讓我們無(wú)法利用掃頻信號(hào)進(jìn)行房間脈沖響應(yīng)反卷積的后期處理。我需要進(jìn)一步深挖GS和潛在適用的功放的規(guī)格，才能消除這種顧慮。
GS成本昂貴，而我又需要將它驅(qū)動(dòng)到極限值，考慮到這點(diǎn)，我親自對(duì)GS的阻抗和功率容量進(jìn)行了測(cè)試�！邦~定的”數(shù)值有它們存在的意義，但是它們往往比較含糊，會(huì)模糊物理現(xiàn)實(shí)。圖1顯示了四個(gè)電路其中一個(gè)的測(cè)量阻抗。注意，正如我在開篇所述，最小阻抗確實(shí)低于額定的4Ω阻抗。再次強(qiáng)調(diào)一下，這不是不合格，這是IEC標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)榈妥杩挂馕吨叩碾娏飨�，特別是在節(jié)目源為正弦波的情況下。
圖 1 – 每個(gè)GS電路的負(fù)載阻抗振幅。它們?yōu)槭裁从胁町悾窟@個(gè)問題需要另行調(diào)研。
我采用了“Toaster Test”測(cè)試方法來(lái)找出功率壓縮的開端，“Toaster Test”是一種功率測(cè)試方法（詳細(xì)介紹可參考https://www.prosoundtraining.com/2013/11/22/the-loudspeaker-toaster-test-revisited/）。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一個(gè)電路可承受的最大持續(xù)電壓（EMAX）為22 VRMS。毋庸置疑，若節(jié)目源為短促脈沖波形，它可以承受更大持續(xù)電壓，但我要使用的是正弦波，必須據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。相比額定功率所說(shuō)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(cè)試，我發(fā)現(xiàn)我需要四個(gè)功放通道， 4Ω負(fù)載下同時(shí)產(chǎn)生22 VRMS電壓，至少持續(xù)14秒，并且在此期間振幅保持穩(wěn)定。我可用的空間（那是個(gè)便攜系統(tǒng)）為2個(gè)機(jī)架單元（RU）。功率方程得出在4Ω負(fù)載下最小功放額定功率達(dá)到121 W就可以了。
圖 2 – 房間測(cè)試揚(yáng)聲器包含了12個(gè)換能器，分布在4個(gè)電路中。每個(gè)都有4Ω額定阻抗。用22 VRMS 驅(qū)動(dòng)它需要5.5 ARMS 的功放電流。即121 W持續(xù)功率，因?yàn)閃 = EI。
功放的額定功率
功放設(shè)計(jì)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(xù)時(shí)間
這和電池的額定系統(tǒng)沒什么差別。注意，如果沒有第3條——輸出電流持續(xù)時(shí)間，不同大小的“1.5V”電池看起來(lái)都是一樣的，因?yàn)樗鼈兊膮^(qū)別僅在于電流產(chǎn)出量/持續(xù)時(shí)間（圖3）！
由于功率是“做功的速率”，時(shí)間也是要素，在實(shí)際操作中，額定功率會(huì)受這三個(gè)變量的影響�？上ВK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(shí)間內(nèi)的表現(xiàn)結(jié)果。“額定功率”讓實(shí)際差別很大的功放看起來(lái)很相似。
圖 3 – 這些電池都可以產(chǎn)生1.5 VDC。它們的區(qū)別在于“負(fù)載多少？”和“持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？”這也是為什么它們的額定單位是mAH (毫安時(shí))。不知道什么原因，功放省略了這個(gè)細(xì)節(jié)。
現(xiàn)代很多功放在使用正弦波驅(qū)動(dòng)4Ω負(fù)載時(shí)，都沒辦法長(zhǎng)期保持輸出電壓。要做到這點(diǎn)，功放在4Ω正弦波信號(hào)下的額定功率，得是8Ω額定功率的兩倍——很罕見，而且坦白說(shuō)，并不總是必要的。實(shí)際上，使用常見的額定功率，根本不可能為我的特殊應(yīng)用選擇功放，因?yàn)樵摂?shù)值將電壓、電流、時(shí)間和負(fù)載阻抗等因素融為一個(gè)數(shù)字，模糊了一些重要的功放性能規(guī)格。
競(jìng)品對(duì)比
我的庫(kù)存里有3臺(tái)功放，就額定功率而言（至少是字面上），它們都能“符合標(biāo)準(zhǔn)”。我把它們稱為功放1，功放2和功放3。下面是對(duì)每臺(tái)功放的簡(jiǎn)要描述。差異比較分析
為了對(duì)比這些功放，我為每臺(tái)功放制作了一張通用功放格式（CAF）規(guī)格表。CAF內(nèi)含一個(gè)矩陣表，能顯示各個(gè)功放在3種不同信號(hào)輸入各自的額定負(fù)載電阻時(shí)得到的輸出電壓。分別為脈沖測(cè)試信號(hào)，持續(xù)正弦波測(cè)試信號(hào)，以及持續(xù)噪音測(cè)試信號(hào)。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(fù)載下發(fā)生變化（我稱之為“負(fù)載效應(yīng)”）。我的應(yīng)用場(chǎng)景需要近似于無(wú)的負(fù)載效應(yīng)，也就是說(shuō)，功放的運(yùn)行基本類似于理想的電壓源：負(fù)載阻抗隨頻率發(fā)生變化，電流跟蹤負(fù)載阻抗的同時(shí)，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(xiàn)的。由于外加電壓是調(diào)節(jié)電流到固定負(fù)載的唯一途徑，所以它的表現(xiàn)間接反映了功放的電流能力。
我們來(lái)評(píng)估每個(gè)功放的矩陣表吧。
功放1
圖4為功放1的矩陣表。我已標(biāo)注出正弦波的數(shù)據(jù)。注意，在4Ω負(fù)載下，它可以產(chǎn)生24 VRMS，持續(xù)15秒。這款功放符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼉H占1RU空間，采用對(duì)流冷卻。很好。它絕對(duì)是有力的選擇。
圖 4 – 功放1的 I/O矩陣表。以1.3 VRMS驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(shù)值看來(lái)，它應(yīng)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(xù)正弦波中降到18 VRMS。這遠(yuǎn)低于GS達(dá)到最高聲音輸出所需的22 VRMS。負(fù)載效應(yīng)一欄顯示，功放電壓在負(fù)載下波動(dòng)很大。這可能導(dǎo)致頻率響應(yīng)不穩(wěn)定，因?yàn)樨?fù)載阻抗會(huì)隨著頻率發(fā)生變化。這是個(gè)標(biāo)稱200W的功放，卻不能驅(qū)動(dòng)121W的應(yīng)用場(chǎng)景。發(fā)現(xiàn)問題了嗎？
圖 5 – 功放2的I/O矩陣。以0.8VRMS驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(duì)于持續(xù)正弦波，4Ω負(fù)載下可產(chǎn)生36 VRMS。它可能會(huì)在22 VRMS左右浮動(dòng)。請(qǐng)注意，即使它標(biāo)稱的是2Ω負(fù)載下可工作，VRMS 數(shù)值還是大幅度下跌了，因?yàn)楣秒娫从?5安倍的限制。這是意料之中的結(jié)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(huì)被標(biāo)準(zhǔn)額定功率搞得暈頭轉(zhuǎn)向，額定功率通常僅基于脈沖測(cè)試信號(hào)得出（矩陣表中的綠色陰影部分）。請(qǐng)注意，正弦波脈沖信號(hào)最大輸出為50 VRMS，比功放1高約+6 dB。我不太敢用這個(gè)電平的正弦波驅(qū)動(dòng)GS，但是它可以給音樂和語(yǔ)音信號(hào)提供更多的峰值空間。這對(duì)我的應(yīng)用場(chǎng)景很重要。
輸入噪音測(cè)試信號(hào)，該功放能最快速到達(dá)典型的語(yǔ)音和音樂節(jié)目源時(shí)的性能表現(xiàn)。4Ω負(fù)載下，所有通道驅(qū)動(dòng)時(shí)，它可提供19 VRMS 和12dB的峰值空間，所有驅(qū)動(dòng)通道的電流消耗大約為6安倍。這將把GS推到發(fā)熱極限，且讓房間獲得大量聲音，這些只需要一個(gè)公用電源電路。
這是體積占2個(gè)機(jī)架空間的風(fēng)扇冷卻式功放。風(fēng)扇冷卻是個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)橛袝r(shí)候我會(huì)在非常安靜的房間里使用這臺(tái)設(shè)備進(jìn)行隔聲測(cè)試。但至少風(fēng)扇會(huì)根據(jù)需要調(diào)整使用，如果我要進(jìn)行高聲壓級(jí)的擴(kuò)聲，風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音可能不成問題。目前為止，功放3是這3臺(tái)功放中最大最重的一臺(tái)了。
圖 6 –功放3的I/O矩陣表。以0.9VRMS驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(diào)低會(huì)得出負(fù)載下22 VRMS 的結(jié)果。
選定功放
矩陣表表明，功放1能夠滿足房間聲學(xué)測(cè)試所需的14秒對(duì)數(shù)正弦波掃頻信號(hào)擴(kuò)聲需求。功放3也可以滿足要求，且能為噪音、音樂或語(yǔ)音波形信號(hào)播放提供額外的峰值空間。功放2不適合我的應(yīng)用場(chǎng)景，不過是更常見應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇，比如用于高波峰因素的語(yǔ)音和音樂信號(hào)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(dòng)因之一。
我決定采用功放3，因?yàn)樗С指叩脑胍粜盘?hào)、音樂和語(yǔ)音播放電平，比功放1允許的要高。有了功放3，我能把GS驅(qū)動(dòng)到最大的聲音輸出。該功放有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它具有GUI（圖形用戶界面），可以監(jiān)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(duì)數(shù)掃頻信號(hào)的電壓推到最大允許值。當(dāng)然，這需要現(xiàn)場(chǎng)配備個(gè)人電腦。即使沒有GUI，還是可以從矩陣表中輕松找出產(chǎn)生22 VRMS的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，方法是以dBV顯示電壓，輸入到功放的信號(hào)減去4dB即可。這就從-1.2 dBV變?yōu)?5 dBV左右了。我用來(lái)制造對(duì)數(shù)掃頻信號(hào)的設(shè)備NTI MRPro會(huì)顯示信號(hào)電平，所以，只要低于-5 dBV，就不用擔(dān)心GS會(huì)過度發(fā)熱。
選定功放之后，我開始把它和一只有源次低頻揚(yáng)聲器打包到便攜架上。
照片2 – GlobeSource，次低頻揚(yáng)聲器，發(fā)電機(jī)和功放設(shè)備。這個(gè)組合很好，推動(dòng)方便，而且可以產(chǎn)生巨量擴(kuò)聲。
總結(jié)
我們需要考慮很多數(shù)值和原理�；仡櫼幌拢�
● 目標(biāo)是獲得特定揚(yáng)聲器的最大聲壓級(jí)。
● 不明晰的額定功率和額定阻抗促使我自己進(jìn)行測(cè)量。
● 測(cè)量揭示了目標(biāo)功放用以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性。
● 功放的額定功率經(jīng)常無(wú)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(fù)載下的性能表現(xiàn)。
● CAF報(bào)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(xiàn)在有充分的理由相信，我的測(cè)試設(shè)備可讓揚(yáng)聲器達(dá)到最大聲壓級(jí)，且保證在運(yùn)行中不損壞揚(yáng)聲器。結(jié)果是可以在巨大的空間內(nèi)為聲學(xué)測(cè)試獲取最優(yōu)的信噪比。
結(jié)論
人們很容易忽略功放額定功率，或僅僅把它當(dāng)作辦公室談資看待。把功放額定功率拆解成信號(hào)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(zhǔn)確地選擇功放，在不同品牌和型號(hào)之間進(jìn)行有意義的比較。我們不一定要購(gòu)買功放后才去看它是否足以應(yīng)對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景。這要花費(fèi)時(shí)間和金錢成本。
我們行業(yè)對(duì)額定功率的執(zhí)著要求無(wú)疑起源于公用事業(yè)公司（對(duì)8Ω負(fù)載也是如此）。公用電源和音頻電源配送方法確實(shí)有許多相似之處。但是，像美國(guó)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(fù)載情況。音頻功放電壓會(huì)隨時(shí)間發(fā)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(wú)論對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)最有意義的單元系統(tǒng)是什么。為滿足大家進(jìn)一步了解CAFViewer和本文所描述功放的希望，我已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)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(shí)了解功放的能力如何，就要使用這個(gè)矩陣表。pb
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