谈音响中的阻抗

zhou771126 · 发表于 2005-5-3 12:33

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谈音响中的阻抗 
 
　　笔者发现消费者在选购前级、后级扩大器时，常会询问它的输入阻抗、输出阻抗及输出内阻是多少？功率和驱动能力有多强？胆机好还是晶体管机好？桥接又如何？选购扬声器时也想了解它的功率、效率、阻抗等等感觉似是而非的问题。 
　　首先从阻抗谈起。阻抗是音响是最常看到的字眼了，那么它到底是指什么呢？阻抗与电阻的概念不是完全一样的。阻抗就是电阻加电抗，详细地说，就是电阻、电容抗、电感抗在向量上的总和。在相现电压下，阻抗越高电流越小，阻抗越低电流越大。 
　　一般音响器材常提到阻抗的地方有：扬声器的阻抗，前后级放大器的输入阻抗，前级的输出阻抗，（后级经常不称作输出阻抗，而称输出内阻），信号导线的传输阻抗等。若说到器材内部电子线路及零件和各部分阻抗那就复杂了在此只介绍有关音响器材标称的阻抗具有什么实质意义。 
1、扬声器的电阻抗 
　　现在先从扬声器的阻抗谈起。目前，世界各国的扬声器厂家每天都在制造出千万只品种与性能各异的扬声器，以满足日益增长的Hi-Fi市场与AV市场的需要，但扬声器的标称阻抗却都遵循4Ω，8Ω，16Ω，32Ω这样一个国际化的标准系列。这代表了什么呢？这代表了扬声器谐振频率的峰值fo至第2个共振峰fr之间呈现的最低阻抗值，如图1所示，实际上扬声器构成的输出线路是一个带电抗的电阻，只不过它的电阻随播放音乐的频率而变，这个动态的电阻就称为阻抗，它可不是一个常数值，而是随频率的不同而不同，甚至可能会起伏得很厉害，可能在某频率高到十几Ω或二十几Ω，也可能在某频率低到1Ω或以下。当后级输出一固定电压给扬声器时，依照欧姆定律，4Ω的扬声器会比8Ω的扬声器多流过一倍的电流，因此如果你会计算功率的话，你就会明白为何一部8Ω输出100W的晶体后级，在接上4Ω扬声器时会变成200W了。当然除非特殊需要，没有一个扬声器的设计专家会冒天下众多音视器材阻抗匹配要求之大不韪，设计出类似于2.5Ω，5Ω，10Ω，15Ω这样非标称阻抗系列的扬声器供应市场。谁都知道一个二单元的音箱91个高音2个低音0通常都采用1只8Ω的高音单元和2只4Ω的低音单元串联组成，或者用1只8Ω的高音单元和2只16Ω的低音单元并联组成，以达到整个音箱的8Ω输入阻抗与功率放大器8Ω输出阻抗相匹配；但不一定每个人都知道扬声器的标称阻抗是随频率而变化的对数曲线。其阻抗公式由下式表示： 
　　Zr=R+jwL+（BL）2Ym 
　　Zr——扬声器的电阻抗 
　　R，L——扬声器音圈的等效电阻与电感 
　（BL）2Ym——力学系统产生的“动生电阻抗” 
　　其阻抗曲线示意图如图1所示 
 
图1 扬声器阻抗曲线示意图 
　　从图1中可以看出。在频率fz处就是扬声器的标称阻抗，在频率fo处扬声器的阻抗最大；在其它频率时扬声器的阻抗变化跌荡起伏。当频率小于fo时，扬声器的阻抗会趋向偏低，目前市售的扬声器几乎都是如此。一般来说，低频从数十赫兹到数百赫兹这一段，扬声器的阻抗达到最低点，这时要求功率放大器输出足够大的电流才能满足扬声器圆满工作的要求，产生既有低频又有力度的震撼效果来。这在发烧友播放动态激烈的LD盘或低频丰满的VCD，CD盘时均可以十分明显地体会出来。因此不同型号的扬声器对功率放大器的吃电流能力也不同，吃电流能力大的扬声器，即使2×100W以上功率的放大器在低频段重放时，也不能正常工作、往往出现失真。即使不出现失真，扬声器也刚刚达到启动工作状态，没有足够的电流能量使其进入最佳工作状态，它的低频必然会苍白无力，没有厚度；同时由于电流能量不够，也使扬声器振膜的振动速度跟不上频率变化的速度。这在当前，不少发烧友把原来只适用于Hi-FI发烧的扬声器去充当家庭影院专用扬声器时，上述这些情况就是有发生了。 
　　当如上所述，扬声器的阻抗值不断下降时，后级输出一个固定电压，它的电流就会愈来愈大，你确定你的后级能输出这么大的电流吗？你知道扬声器阻抗不断下降的结果到后来就相当于是把扬声器线直接短路，所有的晶体管后级放大器，其输出电流的能力均有其设计上的限制，超出此范围，机器就要烧掉辽也就是为什么一般人常说的：后级的功率不用大，但输出电流要大的道理。当然这种讲法也不太规范。因为现今的高保真晶体管功率放大器基本属定压型放大器，以输出功率=负载的电流平方×负载阻抗来计算，大功率时电流大，小功率时电流小亦属于正常。真正有机会在既定的负载上有“大电流输出”的，还是大功率放大器。 
　　早期日本放大器给人的印象就是功率标示很高，但输出电流能力则令人质疑，其实输出功率和驱动能力之间的关系十分微妙。讲到“输出功率”的高低与“驱动能力”的强弱，两者虽然没有绝对的关系，但却有相对的联系。输出功率很容易从数字显示，50W，100W，200W甚至更多，但是驱动能力的辨识就得依靠慧眼，甚至得真正试过才知道。功率放大器的驱动对象是扬声器，驱动能力越强，也就表示越能压得住扬声器。当然您会问，什么样的扬声器难推？笔者认为：低效率的（86dB以下的），低阻抗的（4Ω或以下的），静电式和铝带式等等，都是很考究功放搭配的。而功放的驱动能力则完全体现在电流的供给上，电压×电流，就是真正的“功率”。如果有一部功放，其功率标称是100W×2（8Ω），200W×2（4Ω），400W×2（2Ω），通常称他是“大电流”设计，这种功放的驱动能力就会比较强。小小一套日本产的床头音响组合动不动就是300W，可是KRELL的300W后级你想一个人扛是扛不动的。这种高电压低电流的日本放大器如遇上现在满街都是的低阻抗扬声器，一下子就软了脚。4Ω的需求电压比8Ω低，但需求电流却比较大，就以4W为例，8Ω扬声器是0.7A，而4Ω扬声器则吃1A电流，故为何大家都说低阻抗扬声器比较难推动。正由于低阻抗扬声器吃电流，故晶体后级逐渐形成大电流设计。只要负载电流够，晶体机的输出功率会随着扬声器阻抗的降低而提升。但胆机因有输出变压器隔离，功率不随扬声器阻抗变化，因此当扬声器阻抗猛往下降时，胆机就可能使不上力，此时扬声器欲吃电流，但胆机却是电压组件，无法提供电流，此时是不是晶体机比胆机够力？ 
　　有些放大器的设计是可以把两个声道结合起来成为一个单声道来运作。通常其功率比原来两个声道功率之和不要大。这种技术称为桥接或同极耦合。放大器是否可以桥接是取决于原来的设计的。大部分的放大器都不能桥接，如果说明书没有说明，则不要作此尝试，否则可能会损坏机器，其实这样做亦非是好事，因为它会使放大器忍受低阻抗的能力降低。 
　　如果有一对扬声器的阻抗很高，像早期的Rogers LS3/5A，那放大器的输出功率岂不是减小？这是对晶体管机而言的，对于胆机却是好事；因为胆机有输出变压器，故无论负载阻抗变大或变小，胆机可维持稳定的功率输出，遇到3/5a等高阻抗扬声器时，胆机比晶体机来得够力。晶体现驱动高阻抗扬声器会降低功率，但也有例外，因为有个别晶体管机亦使用输出放大器，其输出功率不会随负载阻抗变动而变动。 
2、放大器的输入和输出阻抗 
　　在多级放大器中前级放大器对于后级来说是信号源，它的输出阻抗就是信号源的内阻；而后级相对于前级来说就是负载，它的输入阻抗就是信号源（前级放大器）的负载阻抗。放大器的输入阻抗是愈高愈好，而输出阻抗是愈低愈好。假设信号源输出一个固定电压往上一级，如果这一级的输入阻抗高，是不是由信号源所提供的信号电流就可以降低呢？如果输入阻抗非常高，则几乎不会消耗信号电流就可以驱动这一级电路工作，由于输入高阻抗所需的信号电流较少，则连接其上的信号线中的电流必较小，因此对于信号线品质的要求就可以不必那么高，这就少了一个电流干扰的机会。缺点：易感染噪声其实所谓放大器输入阻抗愈高愈好，输出阻抗愈低愈好，其主要原因是与其它器材互相搭配时，其匹配性比较高。 
　　通常低输出阻抗多数是指前级放大器的输出阻抗，后级通常是称作输出内阻的。前级的低输出阻抗有几个好处：（1）一般强调低输出阻抗即表示了它有较大的电流输出能力，容易搭配一些低输入阻抗的器材（后级）。（2）低输出阻抗可以驱动长的信号线及电容量较大的负载。另外感染噪声的问题会降得很低，可以大幅提高信号信噪比，使音乐的纯度提高，音质就比较好。后级的低输出阻抗的好处是：可更有效地控制扬声器的有害的自由振动。 
　　在电场的学中得知，扬声器是音圈流过一定频率的电流使振膜移位而发声的，当这一频率电流结束时，其振膜自身质量所产生的惯性使其继续自由振动，而下一音频电流来时，其振膜还不能完全回复到静止状态位置就被这下一个音频电流再驱动。扬声器的振膜是在偏离静止状态位置的状态下接受驱动的，所以必然会引起其振动不完全随下一个音频电流的变化而变化。换句话来说，当接入音频信号激励后，即使激励信号停止，扬声器的振动也不不会立即停止，而是逐渐衰减，声音有拖尾感，发出原始信号中没有的失真声音，使音响表现的音频清晰度降低。理想的情况是上一个音频电流结束时，扬声器的振膜应回复到静止状态时的位置而不再继续自由振动。另外，由于音圈切割磁力线，使得扬声器本身会产生一个感应电压，这个感压电压与功放输出级的电压叠加后产生信号失真。综上所述，为消除这种余振而带来的信号失真，必须对扬声器的自由振动进行阻尼。 
　　功放的输出相当于一只低值的电阻，它与扬声器相关联，扬声器得到音频电流而移位发声，当频率电流结束时，扬声器振膜还会产生自由振动，这时音圈也在磁体的磁场中切割磁力线而产生感生电压，功放的内阻由于是与其相关联的，故此时对音圈自由振动产生的感生电压通过功放的输了，等效内阻形成电流短接而使音圈受到阻尼，从而加快扬声器振膜的停振。大家都知道，功率放大器的阻尼系数DF=扬声器的额定阻抗/功率放大器额定输出阻抗（也就是内阻+音箱线阻），其值的大小表示功放对其负载扬声器的驾驭能力的强弱，其值愈大表示对扬声器的驾驭能力愈强，反之则愈弱。所以当功放的内阻很小时，能够有效地吸收扬声器共振时产生的感生电动势，这种阻尼能力强，迫使振膜的停振加快（这也是人们为什么选用低阻音箱线的重要原因之一）；当功放的内阻较大时，这种阻尼力弱，振膜自由振动的时间长，位移大。一般来说，阻尼系数DF大一些好，但并不是DF愈大愈好，专业功放阻尼系数DF值通常由几百到1000，而家用功放阻尼系数低一些，一般选取应大于50，低于100为宜。DF值过低，则放大器对扬声器低频段的控制能力减弱，导致低音单元失控，低音无力浑浊不清，拖尾音加重并掩美国了部分的中低音，使播出的音乐失去力度；DF值过高，则出现过阻尼，使声音发干，失去弹性。当然扬声器的口径愈大，要求DF值就愈高。 摘自《电声技术》