扬声器额定功率

在专业音频行业中有很多容易混淆的问题,其中之一便是扬声器的额定功率。一方面,制造厂商使用例如峰值、RMS、平均或者节目功率等多种多样的术语。另一方面,测量扬声器系统或组件的额定功率存在多种方法,从而会出现不同的测量结果。以下我们将尝试来阐明这个主题。

  1. 功率

功率是能量与时间的比值。它的单位是瓦特。由功放传递到负载(扬声器)的功率通常被认为是电压(V)的平方与电阻(Z)的商:

 

Power =

—–

Z

功率测量的结果取决于我们使用的电压。如果使用的是峰值电压,那么结果就是峰值功率。如果使用的是RMS电压,那么获得的便是平均功率(经常被错误的称为“RMS”)。RMS(均方根)仅仅是一个用于提取交流信号平均值的数学方法(负值也看作为正值)。

 

2. 功率测试

为了确定扬声器的额定功率,我们则需要对其进行功率测试。这包括给扬声器输入一个测试信号,通常是某种特定动态的噪声信号,运行一段特定的时间,通常是2到100小时。

测试信号通常是某种形式的粉红噪声。粉红噪声是一个在所有频段具有相同能量的随机信号。该信号在时间上并不恒定,但是拥有某种程度的动态。粉红噪声可以使我们完成扬声器在温度和机械上的强度测试。

信号的动态通常以峰值系数来表达。这是由峰值(波峰)和信号平均电平的比值决定的。下图显示的是一个有6dB峰值系数的信号,也就是说它的峰值电平比平均电平高6dB。这相当于峰值电压与RMS电压的比值是2:1,由于功率计算基于电压的平方,所以对应的峰值功率与平均(”RMS”)功率的比值为4:1。这6dB的峰值系数通常被指定为国际标准。

2.a. AES2-1984 标准

这是由音频工程学会针对扬声器组件指定的一份标准。它很常用,尽管用于组件,它也经常被用于个人(乐队)有源系统。它指定一个6dB峰值系数的粉红噪声,使用跨度为十倍数的频带宽度。例如,低音扬声器可以使用50-500Hz的频带,而高频扬声器可以使用1000-10000Hz的频带。下面的插图显示了这两个例子的频谱。测试持续的时间为2小时,在此之后该组件不应出现明显的损坏。

不同功率测试信号在恒定比率频宽(RTA型)分析仪上的频谱对比
(粉红噪声显示为一条平整线)

2.b. IEC268-5 (1978) 标准

这个标准是国际电工委员会于1978年制定的,并在八十年代再次修订。它指定一个6dB峰值系数的粉红噪声信号,并在此之上加载IEC程序化滤波。这一程序化频谱试图接近真实音乐的频谱,因此在低频和高频做了衰减。插图中将此频谱与AES的频谱做了对比。这一标准中也提出了“额定噪声功率”和“功率处理能力”这两个专业术语。

测试持续的时间为100小时,在此之后扬声器不应出现明显的损坏。

注:容易混淆的是,有另一份1972年制定268-5标准,它指定了完全不同的信号频谱和时间,但这一标准很少使用。

2.c. EIA RS-426-A (1980) 标准

这一标准是由美国电子工业协会制定的。测试持续的时间为8小时,在此之后扬声器不应出现明显的损坏。使用的测试信号同样是6dB峰值系数的粉红噪声,但是使用的程序化滤波与IEC标准的不同,在之前的插图上也可以看到。

2.c. EIA RS-426-B (1998) 标准

426-B意味着与426-A有很大的偏差。测试的结果不再是“额定功率”而是“最佳放大功率”,即测试产品在承受范围内可接受的最大输入功率,整个测试由三个项目组成:循环播放40-10kHz快速变化的正弦波扫频信号测试功率压缩,失真度测试和在一半的额定最佳放大功率上使用6dB峰值系数粉红噪声信号进行8小时“加速老化测试”,上面的插图也显示了此频谱。以上所有的测试都不应使产品有明显损坏或变化。这一标准的测试步骤有时相当的复杂、乏味和主观;目前它并未被扩声工业广泛接受,我也很怀疑它将来会不会被接受,可能除了加速老化测试及更宽的频谱,它与426-A并没有太大的区别。

3. 扬声器功率指标类型

3.a. 平均功率. 由于它来自RMS电压读数,所以经常被错误地称为”RMS”功率。RMS(均方根)仅在有负值和正值的变量才有意义。因为功率只是正向的(从功率放大器至扬声器,而不是反过来),所以在RMS进程中不需要“开根号”和“平方”(只需要从数字中提取信号),只需要计算“平均值”。使用RMS电压计算得出的功率,平均功率才是正确的专业称谓。

3.b. 节目功率. 这是一个古老的专业术语,源自过去使用正弦波扫频信号测试功率。如今,它并没有实际的意义。大多数厂商只是简单地对平均功率加倍,然另一些厂商可能会使用不同的比率,而不是2:1。它可以作为选择放大器功率的参考。例如,一个扬声器的平均功率为300W,节目功率为600W(2x300W),可以选择600W输出的功率放大器。这适用于控制较为小心的情况;对于平常的一些容易产生误操作的应用来说,那台功放就太大了。

3.c. 峰值功率. 相当基于峰值电压计算得出的功率。对于6dB峰值系数的信号来说,峰值功率即为平均功率的四倍。

从所有以上几点,我们可以得出一个结论,对于使用6dB峰值系数的功率测试信号,这三种类型功率之间的比率如下:

 

功率

比率

举例

平均

1

300W

节目

2

600W

峰值

4

(不一定!)

1200W

 

3.d.连续功率. 仅说明始终加载功率信号,而有一些标准指定使用间歇信号。

4. 引起扬声器故障的原因

引起扬声器故障的原因可能是过热或者机械故障。

引起过热故障的原因:

  • 过多的输入功率
  • 信号在扬声器频带范围之外(无线电频率、次音速频率、超低频)。能量没有转化为声音而变为热量
  • 功率放大器削波,最常见的引起过热故障的原因
  • 功率放大器输出直流电,尽管对于当今的功率放大器来说非常罕见
  • 过多的均衡,主要是高频,因为这些频率使换能器效率变低并产生大量热能

为了防止过热而产生故障,应避免功率放大器削波,并保证扬声器只接收在其频率范围之内的频率,使用高通和低通滤波器来限制输送到扬声器的频率范围。

引起机械故障的原因总是与过多的振膜(纸盆)位移有关。当频率下降时,扬声器表现出更大的偏移(向后与向前的位移)。因此当一个信号有足够低的频率并有足够大的电平,可能会造成音圈脱落,导致线圈碰擦,并可能产生短路或路。最糟糕的情况是当线圈管触及底部的磁极片(降到最低点)并发生变形。为了防止机械故障,应避免使用低于扬声器频率范围的信号,并使用有适当的功率输出的放大器。

 

5. 选择放大器功率

一般来说,放大器的功率需要大于扬声器的额定功率。这是因为功率放大器只通过正弦波信号传递它的额定输出功率,而传递具有动态的真实信号则更少。对于一般的设计方针来说,建议放大器的输出功率比扬声器的平均(“RMS”)功率要大50%。例如,对于平均功率为450W的扬声器,可使用输出功率为700W的放大器。如果使用较小的功率放大器,将达不到足够的电平,也得不到好的听感,如此,信号将趋向于削波来补偿,因而会危及到扬声器的完好性。

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