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音箱靈敏度:到底 1 瓦是什么?
更新時間:2019-4-23 9:34:03 編輯:溫情 文章來源:蘭格電子有限公司 調整文字大小:【

  音箱的靈敏度可能是各種常見指標中最容易被錯誤理解的一個了。一直以來,音箱的幅頻響應經?;岜患蚧贍掣齙ヒ皇?,也就是靈敏度。這就是導致誤解的根源所在。有人會認為這個值表示的是某個音箱重放某個信號時的響度大??;也有人會認為兩個靈敏度相同的音箱在重放同一個信號的時候響度是一樣的。這兩個觀點都有局限性。
  其實,音箱的靈敏度只是針對特定帶寬和頻譜內容信號時,才能反映出音箱聲壓級的大小。也就是說,兩個靈敏度指標相同的音箱,如果其頻率響應不同的話,那么在重放同一個信號的時候,輸出聲壓級可能是不一樣的。這里面一個決定性的因素就是帶寬。
  下面讓我們來看一下帶寬在這其中的影響,并解釋一下為什么靈敏度有時候無需以 1 瓦作為參考值。根據 IEC60268-5 的規定,音箱的靈敏度測量,是采用限定帶寬的粉紅噪聲信號,其 RMS電壓大小等于音箱額定阻抗的平方根,并以 1 米距離為參考,確定聲壓級的大小。粉紅噪聲帶寬的限制是根據待測音箱的有效頻率范圍來決定的,這么做的目的是確保測試信號處于待測設備有效輸出頻率范圍內。
  假設某只音箱無法重放 150Hz 以下的信號,那么就算送給它低于 150Hz 的低頻信號,也沒有什么用處,只會引起音圈發熱。同樣的道理,如果音箱無法重放出高于某個頻率的信號,也沒有必要給它更高頻率的測試信號。當我們以較高的分辨率測出待測音箱的傳遞函數,并把待測音箱的平均幅頻響應以對數頻率坐標系表示時,也就得到了該音箱的靈敏度圖像。

  以圖 1 為例。這是某只音箱正軸向上的響應。圖中的直線代表音箱的靈敏度。這條直線的長度跟測量靈敏度所用粉紅噪聲的上、下限頻率是一致的。
  圖 2 所示的就是該噪聲信號的頻譜組成。如果保持信號的寬帶電平大小不變,但是改變信號的頻譜組成,再驅動音箱時還能得到相同的聲壓級(也就是靈敏度)嗎?要想知道這個問題的答案,我們必須知道信號的頻譜組成、以及音箱的響應。(注意這里的 20Hz-20kHz,以及圖 1 中 110Hz-8.3kHz,并不是指音箱的響應。我們還是需要得到音箱的實際響應曲線才行。)如果不知道這些,我們就無法推斷出這個問題的答案。
  圖1 A音箱的幅頻響應和單一數值靈敏度指標

  圖2 用于測量圖1中A音箱靈敏度的信號頻道
  圖 3 所示的是三種不同信號的頻譜組成。其中一個是用來測量音箱靈敏度的限定帶寬的粉紅噪聲信號。另外兩個一個是語言信號,另一個是仿照語言頻譜組成合成的噪聲信號。這里之所以用仿語言的噪聲信號來取代真實語言信號,是因為仿語言信號的 RMS 電平值更加穩定,因而更加容易測出待測音箱的輸出聲壓級。
  這三種信號的寬帶 RMS 電平基本相等。仿語言信號在200-800Hz 的頻段內的電平高于粉紅噪聲;在其它頻段內,則是粉紅噪聲的電平高于仿語言信號。
  圖3 紅色曲線是用于測量圖1中A音箱靈敏度的信號頻譜,灰色是語言信號頻譜,藍色是跟實際語言信號頻譜組成相似的仿語言噪聲信號頻譜將此圖跟圖 1 的音箱響應相比,我們可以看出音箱在 150Hz 以下的輸出很有限。音箱響應的最高輸出位于 300-3kHz 部分。
  倘若用這個仿語言信號來驅動音箱,那么按理說要比用相同電平的粉紅噪聲驅動音箱所得的聲壓級更大。事實就是如此。這只音箱靈敏度是 97.1dB。但當用仿語言信號驅動時,聲壓級為 98.1dB,高出了 1.0dB。這是因為仿語言信號電平較高的頻段,恰恰也是音箱輸出聲壓級較高的頻段。反過來說,如果采用圖 4 這種低頻為主的噪聲來驅動音箱,可想而知所得聲壓級會比普通粉紅噪聲更低。

  因為圖 4 噪聲的主要能量集中在音箱輸出較低的頻率范圍內。實測結果該低頻噪聲的聲壓級為 94.9dB,降低了 2.2dB。
  圖4 紅色曲線是用于測量圖1中A音箱靈敏度的信號,綠色曲線是限制帶寬在低頻的粉紅噪聲
  接下來,讓我們來比較兩只不同的音箱。圖 5 是A 音箱和 B 音箱的對比。這兩只音箱的靈敏度相同,都是 97.1dB。但是 B 音箱的低頻和高頻延伸比 A 音箱要好。
  因此,用來測定 B音箱靈敏度的粉紅噪聲的帶寬要比測 A 音箱的粉噪帶寬更大(如圖 6)。所以,測 B 音箱的噪聲的中頻部分電平,會比測 A 音箱的略小一些。這個觀察起來有點難度,不過仔細觀察還是會發現,黑色曲線在 100-10kHz 部分比紅色曲線平均低 0.5dB 左右。
  這是因為 B 音箱(黑色曲線)所用的信號帶寬更大的緣故。要知道這兩個信號的寬帶電平大小是一樣的。所以,如果用圖 6 中的寬帶粉紅噪聲信號(20Hz-20kHz)同時驅動這兩只音箱,情況會如何?由于這里的兩只示例音箱在中頻部分的響應都很不平直,因此聲壓級可能會存在一定差異。不過讀者們暫時可以不必顧慮這些問題。
  在其它方面都一致的情況下,有效頻率范圍(高低頻延伸)更大的音箱的聲壓級應該更大一些。當采用寬帶粉紅噪聲驅動時,B 音箱的輸出聲壓級應該會略大一些。事實上,測得 B 音箱比 A 音箱大出 0.8dB,它倆一個是 97.0dB,一個是 96.2dB。
  從這些例子中可以看出,音箱產生的聲壓級大小,同時取決于該音箱的傳遞函數以及重放信號的頻譜。一些室內聲場仿真軟件在計算某個聽眾席聲壓級的時候,會把上述情況納入仿真范圍內。它們可以讓用戶選擇采用粉紅噪聲、某種語言頻譜、或是用戶自定義的頻譜。這有助于讓音響系統設計人員在前期設計階段,就能更好地預測音響系統對特定節目素材重放時的聲壓級性能。

  圖5 A音箱(紅色)和B音箱(黑色)的幅頻響應和單一數值靈敏度
  圖6 用于測量A音箱(紅色)和B音箱(黑色)的靈敏度信號頻譜,以及寬帶粉噪頻譜(綠色)
  還有一點就是,我在本文開篇時提到過靈敏度測量時沒有必要以 1 瓦作為待測音箱的參考值。我之所以覺得現在的音響系統不該采用這種方式,有如下幾個原因。
  首先,對于某個待測音箱到底需要多大的電壓才能使驅動功率恰好為 1 瓦特,這個判斷起來比較麻煩。我們可以采用雙通道 FFT 測量系統,以及電流監視設備或探針來測定這個值。問題是這對于設計、標定某個音箱或音響系統來說,能提供多少實用信息呢?
  我們可以簡化這種測量方式,不再糾結于待測音箱的實際 1 瓦功耗。比如我們可以用跟待測設備額定阻抗相等的純電阻產生 1 瓦功耗所需電壓來作為測量標準。這么做當然簡單得多,但是仔細想想,這么做對于設計、標定某個音箱或音響系統來說,能提供多少實用信息呢?
  或許也能提供一些。不過我認為,不管音箱的阻抗是否相同,都要采用相等的電壓進行測試,這樣才能提供最有使用價值的信息。當代音響系統中所用到的功放絕大部分都是輸出電壓恒定的類型。也就是說,它們的輸出電壓是固定的,不會隨著負載大小而變化。
  當然,這個固定的前提是負載阻抗必須處于功放限定的范圍內。很顯然,在其它條件都一致的情況下,相同電壓驅動一個低阻音箱發出的聲壓級肯定比一個高阻音箱更大。難道這一點不應該直接反映到音箱靈敏度指標里嗎?
  我們為什么非得要用 2Vrms 的信號驅動 4 歐音箱、用 2.83Vrms 的信號驅動 8 歐的音箱,分別去測量它們各自的靈敏度呢?讓我們想象一下:假設我們把兩個別的參數都相同的音箱,連接到同一臺功放的 A/B 切換器。兩個音箱的唯一區別是其中一個(4 歐姆的)的阻抗是另外一個(8 歐姆的)的一半。當我們在兩個音箱之間來回切換的時候,功放的輸出電壓并沒有變化,但是功放的輸出電流卻是變化的。這使得低阻抗的音箱發出更高的聲壓級。采用相同的電壓來測量和標定音箱靈敏度,不去管待測音箱的實際阻抗是多少,這樣才能真正反映出實際聲壓級的區別。
  我希望這篇關于靈敏度的短文能闡明這個指標的一些方面,并有助于讀者了解音箱的實際特性。通過所舉的例子,希望能說明音箱的聲壓級不僅由靈敏度決定,而且也跟音箱頻響以及輸入信號有關。要了解音箱的響應特性,只有單獨一個靈敏度數值不夠全面,最好能結合圖像觀察。靈敏度的單一數值可以從圖像曲線中歸納得到。

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