音響師必知的電子學常識

時間：2024-07-02 00:04:04 音響師

音響師必知的電子學常識

　　電子學基本知識在任何擴聲系統的實踐與應用中都必不可少的。這個題目很大，但擴聲系統的主題范圍內是有限的，即只涉及電子系統和負載之間的相互作用。

　　1、歐姆定律電功率

　　2、阻抗

　　3、復合負載

　　4、共振(諧振)

　　5、揚聲器負載的串聯——并聯

　　6、電阻、電感和電容器的串聯——并聯

　　7、分貝

　　兩只音箱一只指標為10～50W、87dB/W/m，另一只為10～50 90dB/W/m，哪一只響?響多少?兩只功放一只標記頻響10Hz～40kHz，另一只標記20Hz～20kHz±0.2dB，哪一只質量高?如果不清楚“分貝(dB)”的確切含義，您就說不到點子上。

　　簡單地說，分貝就是放大器增益的單位。放大器輸出與輸入的比值為放大倍數，單位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。當改用“分貝”做單位時，放大倍數就稱之為增益，這是一個概念的兩種稱呼。

　　電學中分貝與放大倍數的轉換關系為：

　　AV(I)(dB)=20lg[Vo/Vi(Io/Ii)];Ap(dB)=10lg(Po/Pi)

　　分貝定義時電壓(電流)增益和功率增益的公式不同，但我們都知道功率與電壓、電流的關系是P=V2/R=I2R。采用這套公式后，兩者的增益數值就一樣了：

　　10lg[Po/Pi]=10lg(V2o/R)/(V2i/R)=20lg(Vo/Vi)

　　使用分貝做單位主要有3大好處。

　　1、數值變小，讀寫方便

　　電子系統的總放大倍數常常是幾千、幾萬甚至幾十萬，一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬倍左右。用分貝表示先取個對數，數值就小得多。附表為放大倍數與增益的對應關系。

　　放大倍數與增益的對應關系

　　電壓(電流)放大倍數 1/10 1/

　　1/2 1

　　2 10 100 103 104 105

　　增益(dB) -20 -6 -3 0 3 6 20 40 60 80 100

　　功率放大倍數 1/10 1/

　　1/2 1

　　2 10 100 103 104 105

　　功率增益(dB) -10 -3 -1.5 0 1.5 3 10 20 30 40 50

　　2、運算方便

　　放大器級聯時，總的放大倍數是各級相乘。用分貝做單位時，總增益就是相加。若某功放前級是100倍(20dB)，后級是20倍(13dB)，那么總功率放大倍數是100×20=2000倍，總增益為20dB+13dB=33dB。

　　3、符合聽感，估算方便

　　人聽到聲音的響度是與功率的相對增長呈正相關的。例如，當電功率從0.1瓦增長到1.1瓦時，聽到的聲音就響了很多;而從1瓦增強到2瓦時，響度就差不太多;再從10瓦增強到11瓦時，沒有人能聽出響度的差別來。如果用功率的絕對值表示都是1瓦，而用增益表示分別為10.4dB，3dB和0.4dB，這就能比較一致地反映出人耳聽到的響度差別了。您若注意一下就會發現，Hi-Fi功放上的音量旋鈕刻度都是標的分貝，使您改變音量時直觀些。

　　分貝數值中，-3dB和0dB兩個點是必須了解的。-3dB也叫半功率點或截止頻率點。這時功率是正常時的一半，電壓或電流是正常時的1/2。在電聲系統中，±3dB的差別被認為不會影響總特性。所以各種設備指標，如頻率范圍，輸出電平等，不加說明的話都可能有±3dB的出入。例如，前面提到的頻響10Hz～40kHz，就是表示在這段頻率中，輸出幅度不會超過±3dB，也就是說在10Hz和40kHz這二個端點頻率上，輸出電壓幅度只有中間頻率段的0.707(1/ )倍了。0dB表示輸出與輸入或兩個比較信號一樣大。

　　分貝是一個相對大小的量，沒有絕對的量值。可您在電平表或馬路上的噪聲計上也能看到多少dB的測出值，這是因為人們給0dB先定了一個基準。例如聲級計的0dB是2×10-4μb(微巴)，這樣馬路上的噪聲是50dB、60dB就有了絕對的輕響概念。

　　常用的0dB基準有下面幾種：dBFS——以滿刻度的量值為0dB，常用于各種特性曲線上;dBm——在600Ω負載上產生1mW功率(或0.775V電壓)為0dB，常用于交流電平測量儀表上;dBV——以1伏為0dB;dBW——以1瓦為0dB。

　　一般讀出多少dB后，就不用再化為電壓、聲壓等物理量值了，專業人士都能明白。只有在極少數場合才要折合。這時只需代入公式：10A/20(或A/10)×D0計算即可。A為讀出的分貝數值，D0為0dB時的基準值，電壓、電流或聲壓用A/20，電功率、聲功率或聲強則用A/10。

　　現在您就可以來回答本文開頭的問題了。第二只音箱在相同輸入時比第一只音箱響一倍，如果保持兩只音箱一樣響的話，第二只音箱只要輸入一半功率即可。第一只功放只是很普通的品種，第二只功放卻很Hi-Fi，整個頻率范圍內輸出電壓只有±2.3%的差別!

　　在電聲系統中采用分貝的幾種表達式：

　　1)、功率增益分貝值=10lg(P1/Po)dB 基準功率Po=1W

　　2)、電壓增益分貝值=20lg(U1/ Uo)dB 基準電壓Uo=775(dBmV)或Uo=1 (dBV)

　　3)、電流增益分貝值=20lg(I1 / Io)dB 基準電流Io=1(dBmA)或Io=1 (dBA)

　　4)、聲壓級分貝值(SPL)=20 lg(pre1/preo) dB 基準聲壓級preo=20×10-6N/m2是人在1KHZ-3KHZ的聽覺門限值

　　5)、聲壓級在自由空間中衰減=20lg(R1 / Ro)dB 基準距離Ro=1m

　　還有很多中量也用分貝為單位表示，例如：電平、信噪比、靈敏度、濾波器的衰減率、信號動態范圍等。它們的倍乘系數也是20。

　　8、變壓器

　　實際變壓器有一些條件限制：

　　1) 功率處理變壓器不是沒有損耗的裝置，在傳輸功率期間會產生熱量。

　　2) 帶寬

　　3) 插入損耗和失真良好的變壓器在中頻段的插入損耗小于1 dB，通常低頻和高頻段的插入損耗及失真會增大。

　　9、功率傳輸的線路損耗

　　一般說來，良好的工程，要求導線不大于0.5個dB(10%)

　　1)低阻抗傳輸線路功率損耗計算

　　低阻抗傳輸用于低阻抗輸出的功率放大器與低阻抗揚聲器(一般低于16歐)直接連接的功率傳輸線路。這種傳輸線路的特點是信號失真小、頻響特性寬和音質好，但是傳輸線路中信號電流大，必須采用截面積大的導線才能有效地進行傳輸，否則會造成極大的功率損耗。

　　功率損耗(dB)=20 lg(RL/ 2R1+ RL)

　　R1=ΡL/S

　　20度密度銀=0.0159 銅=0.0172 鋁=0.0282

　　2)高阻抗(定電壓)傳輸線路功率損耗的計算

　　在大型擴聲系統中(如大型體育場、廣場或背景音響系統等)，傳輸線路都很長(一般都超過200M，甚至數公里)，此時如果用低阻抗傳輸線路傳輸，必須使用大量很粗的導線，還要增加許多功率損耗。為此，采用另一種高阻抗/定電壓輸出(50V、70V和100V三種標準電壓)的傳輸系統。這樣可以大大減少線路的功率損耗。但這種方式引入了匹配變壓器，明顯地影響了傳輸信號的低頻和高頻。

　　線路損耗為10%時：

　　高阻抗至少需要的截面積S為：

　　S≧(0.37×L×P)/U2

　　低阻抗至少需要的截面積S為：

　　S≧(0.37×L)/Z

　　L導線長度

　　P傳輸功率

　　U傳輸線兩端的電壓

　　Z揚聲器的負載阻抗

　　3)定電壓傳輸系統的功率匹配和阻抗匹配

　　定電壓傳輸系統中各個揚聲器負載的適應狀態

　　狀態