音响师必知的电子学基础知识

bluemic

　电子学基本知识在任何扩声系统的实践与应用中都必不可少的。这个题目很大，但扩声系统的主题范围内是有限的，即只涉及电子系统和负载之间的相互作用。

; o3 ]3 i% D& K( a* u% E& D　　1、欧姆定律电功率
* ]9 F: I; A# a/ m4 Y
: i: A: o8 B7 p　　2、阻抗

( z. @$ y. |) x# {/ m, d( x* G　　3、复合负载
7 U! w' O2 T9 B- H
　　4、共振(谐振)
- B3 x" h  P4 t7 |3 Q1 _! M
　　5、扬声器负载的串联——并联
8 m  a" H5 [/ B! k* ~6 k* x
　　6、电阻、电感和电容器的串联——并联
. U3 j1 v* r/ N+ S! H, s: S. `" L" q; A% p
　　7、分贝

/ C  e: I5 ^7 K1 z8 c. p0 p# G; q　　两只音箱一只指标为10～50W、87dB/W/m，另一只为10～50 90dB/W/m，哪一只响?响多少?两只功放一只标记频响10Hz～40kHz，另一只标记20Hz～20kHz±0.2dB，哪一只质量高?如果不清楚“分贝(dB)”的确切含义，您就说不到点子上。

, X! N! n) s, l' q1 h$ d  V! X　　简单地说，分贝就是放大器增益的单位。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。

　　电学中分贝与放大倍数的转换关系为：
# \2 W. X  F# v5 Y6 {/ a
  ]) y, g5 s& C0 F# M# f8 ^　　AV(I)(dB)=20lg[Vo/Vi(Io/Ii)];Ap(dB)=10lg(Po/Pi)
# J3 b+ \+ d- e) {
　　分贝定义时电压(电流)增益和功率增益的公式不同，但我们都知道功率与电压、电流的关系是P=V2/R=I2R。采用这套公式后，两者的增益数值就一样了：
  v* l$ _3 q1 h+ y( r
' |) D/ ^9 B& G% O　　10lg[Po/Pi]=10lg(V2o/R)/(V2i/R)=20lg(Vo/Vi)

& O5 R- A  X6 u% U　　使用分贝做单位主要有3大好处。

　　1、数值变小，读写方便

　　电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一架收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。附表为放大倍数与增益的对应关系。

　　放大倍数与增益的对应关系

　　电压(电流)放大倍数 1/10 1/
6 J# k: b  Q$ v4 S( M" Q
　　1/2 1

1 O# \, n$ _+ y$ q  _. Y　　2 10 100 103 104 105

$ `9 b; W3 |# M7 H. f　　增益(dB) -20 -6 -3 0 3 6 20 40 60 80 100

　　功率放大倍数 1/10 1/

( Z; f2 @8 E6 N4 W　　1/2 1
9 n; V  l. f4 q
　　2 10 100 103 104 105
% D; ?; E- I8 j; |' ?, L
　　功率增益(dB) -10 -3 -1.5 0 1.5 3 10 20 30 40 50
7 G: ~0 A+ t" M: g
　　2、运算方便

+ q* I- r+ T9 B　　放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB+13dB=33dB。

　　3、符合听感，估算方便

! U0 K" B4 o% g5 U0 p+ @+ d' f　　人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多;而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多;再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现，Hi-Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝，使您改变音量时直观些。
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　　分贝数值中，-3dB和0dB两个点是必须了解的。-3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的1/2。在电声系统中，±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标，如频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有±3dB的出入。例如，前面提到的频响10Hz～40kHz，就是表示在这段频率中，输出幅度不会超过±3dB，也就是说在10Hz和40kHz这二个端点频率上，输出电压幅度只有中间频率段的0.707(1/ )倍了。0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。
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　　分贝是一个相对大小的量，没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值，这是因为人们给0dB先定了一个基准。例如声级计的0dB是2×10-4μb(微巴)，这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。

　　常用的0dB基准有下面几种：dBFS——以满刻度的量值为0dB，常用于各种特性曲线上;dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dB，常用于交流电平测量仪表上;dBV——以1伏为0dB;dBW——以1瓦为0dB。
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6 J# A! {+ F4 r1 p& T　　一般读出多少dB后，就不用再化为电压、声压等物理量值了，专业人士都能明白。只有在极少数场合才要折合。这时只需代入公式：10A/20(或A/10)×D0计算即可。A为读出的分贝数值，D0为0dB时的基准值，电压、电流或声压用A/20，电功率、声功率或声强则用A/10。
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　　现在您就可以来回答本文开头的问题了。第二只音箱在相同输入时比第一只音箱响一倍，如果保持两只音箱一样响的话，第二只音箱只要输入一半功率即可。第一只功放只是很普通的品种，第二只功放却很Hi-Fi，整个频率范围内输出电压只有±2.3%的差别!
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: A: A) R( _0 q7 R　　在电声系统中采用分贝的几种表达式：
" M& G0 |% A/ {# I
+ j  N5 S9 }; S2 m3 D8 N　　1)、功率增益分贝值=10lg(P1/Po)dB 基准功率Po=1W

　　2)、电压增益分贝值=20lg(U1/ Uo)dB 基准电压Uo=775(dBmV)或Uo=1 (dBV)

7 q1 g+ r% g% q1 z5 R　　3)、电流增益分贝值=20lg(I1 / Io)dB 基准电流Io=1(dBmA)或Io=1 (dBA)

9 j* D% v: b) s　　4)、声压级分贝值(SPL)=20 lg(pre1/preo) dB 基准声压级preo=20×10-6N/m2是人在1KHZ-3KHZ的听觉门限值
% H, e  T: B* y  X
3 r4 c  B/ k5 a4 ?8 l% {0 C　　5)、声压级在自由空间中衰减=20lg(R1 / Ro)dB 基准距离Ro=1m
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) L3 J* O0 o% i. h8 x, J　　还有很多中量也用分贝为单位表示，例如：电平、信噪比、灵敏度、滤波器的衰减率、信号动态范围等。它们的倍乘系数也是20。

　　8、变压器
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　　实际变压器有一些条件限制：
+ p" K9 v6 U8 V& y
" V$ a- X" B, K& n# [9 g: r* e　　1) 功率处理 变压器不是没有损耗的装置，在传输功率期间会产生热量。
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) r! m* w- B0 P% d! |　　2) 带宽

　　3) 插入损耗和失真 良好的变压器在中频段的插入损耗小于1 dB，通常低频和高频段的插入损耗及失真会增大。
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/ O5 \! U4 z3 S! `8 `) [　　9、功率传输的线路损耗

0 B( d" \8 u/ x+ F) w  ^　　一般说来，良好的工程，要求导线不大于0.5个dB(10%)
2 {3 v* p; f; N$ t
　　1)低阻抗传输线路功率损耗计算

: w2 v+ Y+ c6 ^( x+ f　　低阻抗传输用于低阻抗输出的功率放大器与低阻抗扬声器(一般低于16欧)直接连接的功率传输线路。这种传输线路的特点是信号失真小、频响特性宽和音质好，但是传输线路中信号电流大，必须采用截面积大的导线才能有效地进行传输，否则会造成极大的功率损耗。

/ y. G  Y( g& q6 v$ p　　功率损耗(dB)=20 lg(RL/ 2R1+ RL)

　　R1=ΡL/S
- `- K3 i% c" j4 s6 a
　　20度密度 银=0.0159 铜=0.0172 铝=0.0282

/ o3 P4 a1 j% O8 ]* z　　2)高阻抗(定电压)传输线路功率损耗的计算

　　在大型扩声系统中(如大型体育场、广场或背景音响系统等)，传输线路都很长(一般都超过200M，甚至数公里)，此时如果用低阻抗传输线路传输，必须使用大量很粗的导线，还要增加许多功率损耗。为此，采用另一种高阻抗/定电压输出(50V、70V和100V三种标准电压)的传输系统。这样可以大大减少线路的功率损耗。但这种方式引入了匹配变压器，明显地影响了传输信号的低频和高频。

  u$ H# U" Q$ }9 S$ m, E　　线路损耗为10%时：
( F5 H  I. p* f2 ^
9 @* Q9 c7 E1 W% m7 l　　高阻抗至少需要的截面积S为：
& q( u" [, ^" W
/ h( f: ?5 T! Q5 v　　S≧(0.37×L×P)/U2
5 F) ~+ S4 F! H
　　低阻抗至少需要的截面积S为：
/ X: `! ^4 I7 V
　　S≧(0.37×L)/Z

924177110

　　L导线长度

$ c* `5 d' X: b9 K4 r8 N) f' M　　P传输功率
* B$ |# m  A$ \$ o
- y. ~! h; g' y/ p* r) L$ i　　U传输线两端的电压
2 p) g' X; j0 H- c3 y* C0 p
　　Z扬声器的负载阻抗
: k+ |8 b( i9 ?' ~. ~! U* G4 _! g
0 U) }2 b2 r9 l) S　　3)定电压传输系统的功率匹配和阻抗匹配

　　定电压传输系统中各个扬声器负载的适应状态

# a$ o% B/ K' i　　状态
; ^& `0 h% A( ^* k/ o# i/ A$ ^- A
　　阻抗功率效果备注
0 c  L" L% L) o( T) c# A- |% E
- p: j/ [% T0 x2 u　　Z(SP)=Z(AMP)P(SP)=P(AMP)从功放到扬声器达到最大功率传输最佳
6 [3 ]' E3 U) Z/ t
　　Z(SP)>Z(AMP)P(SP)=P(AMP)供给扬声器的功率低于扬声器额定功率不产生安全问题
% }% }) l' u5 `$ X( Y+ Z8 I
　　Z(SP)

7 T' H( L( {# p　　Z(SP)=Z(AMP)P(SP)>P(AMP)供给扬声器的功率低于扬声器额定功率安全运行

　　Z(SP)=Z(AMP)P(SP)