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《转萜》:浅谈音响中的“阻抗”

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发表于 2009-2-8 12:36:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
作者  罗势全


         我发现消费者在选购扩大器包括前级和后级时,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?胆机好力还是晶体管机好力?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,我相信看了下文应该有满意的答案了。

     我们首先从阻抗谈起。阻抗是音响中最常看到的字眼了,那么它到底是指什么?阻抗与电阻不是完全一致的东西。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。在相同电压下,阻抗越高电流越小,阻抗越低电流越大。

     一般音响器材常见提到阻抗的地方有:喇叭的阻抗,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的各部分阻抗那就更琳琅满目复杂得多了,在此我们只介绍有关音响器材标称的阻抗具有什么实质意义?

    扬声器的电阻抗

    现在先从喇叭的阻抗谈起。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4 Ω、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FO至第二个共振峰 Fz之间所呈现的最低阻抗值。实际上喇叭构成输出线路中一个带电抗的电阻,只不过它的电阻随潘放的音乐的频率而变,这个动态的电阻就称为阻抗。它可不是一个常数值,而是随着频率的不同而不同,甚至可能会起伏得很可伯,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 I Ω或以下。当后级输出一个固定电压给喇叭时,依照欧姆定律,4Ω的喇叭会比8Ω的喇叭多流过一倍的电流,因此如果你会计算功率的话,你就会明白为何一部8Ω输出的100瓦的晶体后级,在接上4Ω喇叭时会变为200瓦了。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2.5 Ω、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(一个高音一个低音)通常采用1只8Ω的高音单元和1只8Ω的低音单元组成,如果三单元的音箱(一个高音二个低音)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 I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8 Ω输出阻抗相匹配。

     当如上所述,喇叭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?你知道喇叭阻抗不断下降的结果到后来就相当于是把喇叭线直接短路,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,机器就要烧掉了。这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x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 5OW、100W、200W甚至更多,但是驱动能力的辨识就得依靠慧眼,甚至得真正度过才知道。功率放大器的驱动对象是喇叭,驱动能力越强,也就表示越能压得住喇叭。当然你会问,什么样的喇叭难推?我的看法是:低效率的(86db以下的),低阻抗的(4 Ω或以下的),静电式和铝带式等等,都是很考功放搭配的。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(8 Ω ),200W×2(4 Ω ),400W×2(2 Ω),我们通常称他是“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喇叭,一下子就软了脚。4Ω喇叭的需求电压比8Ω低,但需求电流却比较大,就以4W为例,8 Ω喇叭是0.7A,而4 Ω喇叭则吃lA电流,故为何大家都说,低阻抗喇叭比较难推动。正由于低阻抗喇叭“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喇叭阻抗的降低而提开。但胆机固有输出变压器隔离,功率不随喇叭阻抗变化,因此当喇叭阻抗猛往下降时,胆机就可能使不上力,因此时喇叭欲吃电流,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还要大。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。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,其实这样做亦并非是好事,因为它会使放大器忍受低阻抗的能力降低。

     如果有一对喇叭的阻抗很高,像早期的 RogerslS3/5A,那放大器的输出功率岂不是减少?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,所以其输出功率不会随负载阻抗变动而变动,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等高阻抗喇叭时,胆机比晶体机来得够力。晶体机驱动高阻抗喇叭会降低功率,但也有例外,因为有个别晶体管机亦使用输出变压器,其输出功率不会随负载阻抗变动而变动。


     阻抗是音响圈中最常看到的字眼了,但是它到底意所何指呢?许多人在看到喇叭标示的阻抗值是四或八欧姆的时候,会直觉地拿起三用电表往喇叭的二个接线端子一量,看看到底是不是正确,可惜的是绝大部份的人都失望了,因为用三用电表上的电阻档量出来的结果并没有和喇叭上面所标示的一致。原因呢?因为你误会了,你搞错了。

     阻抗与电阻不是完全一致的东西。在国中的物理课本上,我们第一次接触到有关电学方面的理论,其中提到了有关电压、电流、电阻以及电功率之间的原理和数学关系。绝大部份没有继续进修电学方面的课程或从事于电子专业的人士,其毕生的电学常识乃尽粹于斯,这还是当年上课没打瞌睡,经努力、认真、用功学习后才能拥有的辉煌成果,难怪你会把阻抗当成电阻了。

    阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是相同的,而另一个抗字呢?简单地说,阻抗就是电阻加电抗,所以才叫阻抗;周延一点地说,阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体,电阻很大的物质称作非导体,而最近在高科技领域中称的超导体,则是一种电阻值几近于零的东西。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗,意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗,简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是欧姆,而其值的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题,具有向量上的关系式,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

   一般音响器材常见被提到阻抗的地方有喇叭的阻抗,前后级扩大机的输入阻抗,前级的输出阻抗,(后级通常不称输出阻抗,而称输出内阻),信号导线的传输阻抗(或称特性阻抗)等。若说到器材内部电子线路及零件的各部份阻抗那就更琳琅满目复杂多多了,非三言两语可说明清楚。在此我们专只约略介绍有关音响器材标示的阻抗具有什么样的实质意义。

    由于阻抗的单位仍是欧姆,也同样适用欧姆定律,因此一言以蔽之,在相同电压下,阻抗愈高将流过愈少的电流,阻抗愈低会流过愈多的电流。光是这么简单一句话,你可知道多少音响器材的搭配学问尽在其中吗?

    先从喇叭的阻抗谈起。最常见到的喇叭阻抗的标示值是八欧姆,也有很多是四欧姆,这代表了什么呢?这代表了这对喇叭在工厂测试规则时,当输入1KHz的正弦波信号,它呈现的阻抗值是四或八欧姆;或是是在喇叭的工作频率响应范围内,一个平均的阻抗值。它可不是一个固定值,而是随着频率的不同而不同,甚至可能会起伏得很可怕,可能在某频率高到十几廿几欧姆,也可能在某频率低到一欧姆或以下(这种喇叭通常被视为后级的杀手,当年以Apogee最为着名)。好,让我们来脑力激荡一下;当后级输出一个固定电压给喇叭时,依照欧姆定律,四欧姆的喇叭会比八欧姆的喇叭多流过一倍的电流,因此如果你会计算功率的话,你就会明白为何坊间会传言一部八欧姆输出一百瓦的晶体后级,在接上四欧姆喇叭时会自动变为二百瓦的道理。

    可是你先别高兴,以为占到了便宜,天下没有白吃的午餐,当喇叭的阻抗值一路下降时,后级输出一个固定电压,它流过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?你知道喇叭阻抗一路下降的结果到后来就有点像是把喇叭线直接短路的意思,所以阻抗值有时会低至一欧姆的Apogee喇叭被称作后级杀手的原因,你明白了吧!所有的电晶体后级扩大机,其输出电流的能力均有其设计上的限制,超出此范围,机器就要烧掉了。这也就是为什么一般人常说的:后级的功率不用大,但输出电流要大的似是若非的道理(这个问题以后我们会详细讨论)。

    同理,如果有一对喇叭的阻抗很高,像早期15的RogersLS 3/5A,那扩大机的输出功率岂不自动减半?没错!如果这对喇叭的效率又很低的话,你要它发出高音压来,能不动用高功率扩大机吗?江湖有传言:上扬唱片在台北市中山北路的门市有一对15的Rogers LS 3/5A,作为背景音乐之用。推它的扩大机是一部日本早期的Technics综合扩大机而已,但包括刘老总及赖主编在内,均盛赞它好声,你言如何?早期日本扩大机给人的印象就是功率标示很高,但输出电流能力则令人颇有微词,君不见小小一套床头音响组合动不动就是300W吗?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扩大机一遇上现在满街都是的低阻抗喇叭,一下子就软脚了,但是如果碰上了高阻抗喇叭,例如……,会不会就成了名符其实的当哈利遇上莎莉呢?搭配之妙啊!岂可等闲视之。

    放大器的输出入阻抗

    一般我们常耳闻的说法是:扩大机的输入阻抗是愈高愈好,而输出阻抗是愈低愈好。为什么呢?因为输入阻抗高了,从讯号源来的讯号功率强度就可以不必那么大。这么说也许还有读者不甚了解,让我们再回想一下欧姆定律;假设讯源输出不甚了解,让我们再回想一下欧姆定律;假设讯源输出一个固定电压,传送往下一级,如果这一级的输入阻抗高,是不是由讯源所提供的讯号电流就可以降低?如果输入阻抗非常非常的高,则几乎不会消耗讯号电流(当然还是会有)就可以驱动这一级电路工作,换句话说就是几乎只要有讯号电压,电路就可以正常工作;但是对于低输入阻抗的电路呢?就正好相反了,它必须要求讯号能源能提供较为大量的讯号电流,因为在同一个电压下,低输入阻抗会流进较大的讯号电流,如果讯源提供的电流强度不足以满足下一级电路的需求,它就不能完美地驱动下一级电路。而讯源的电压和电流的乘积就是讯源的功率了。

    何谓低输出阻抗呢?

    它有什么好处呢?通常低输出阻抗被提到地方大半是指前级扩大机的输出阻抗,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:一.一般会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)。二.低输出阻抗可以驱动长的讯号线及电容量较大的负载,以音响用前级为例;前级的输出阻抗在与讯号线结合后,输出阻抗加上讯号线本身固有的电阻与电容会形成一个RC滤波的网路,当输出阻抗愈高时,则经过讯号线后的讯号,其高频端的滚降点就会越低,反之则愈高。你应该不会希望高频滚降点移进耳朵听得到的音频范围吧?所以遇上电容量大的讯号线,你还是选一部输出阻抗低一点的前级较为保险。这也是为什么每一种讯号线会有不同声音部份原因。

     有了以上大略的说明,你应该可以明白;所谓扩大机输入阻抗愈高愈好,输出阻抗愈低愈好,其主要理由即在此一在与其它器材互相搭配时,其匹配性比较高。

    那么照此说来,我们就把每一部扩大机不论是前级或是后级的输入阻抗都设计得很高,输出阻抗都设计得很低,不是就完美无缺了吗?让我们再从输入阻抗看起,由于高输入阻抗所需的讯号电流较少,可知连接其上的讯号线中流动的电流必较小,因此对于讯号线品质的要求就可以不必那么高,因为少了一个电流的干扰因素在内,这也是高输入阻抗带来的另一个优点。但是高输入阻抗的优点既然这么多,为什么市面上找得到的高输入阻抗前级或后级竟寥寥可数呢?让我偷偷问你,你有没有用过收音机?你知道收音机的讯号是从哪儿来的吗?从空中来,你答对了。从空中来,你可知道空中存在有多少的电磁波?多到集合你全家老小的手指头加脚指头都数不完,这些可都不是你想要的音乐讯号哦!当空中的这些电磁波被作用有点像天线的讯号线拾取后,虽然只是一点点的杂讯电压,但是一个高输入阻抗电路却能轻易地将其放大(正是其优点),于是乎,当有人抓了一把沙子放进你热腾腾的大卤面时,你还以为是黑胡椒粉呢!

    易感染杂讯,就是音响器材在设计输入阻抗时,明知高输入阻抗的诸多优点,但也不能任意设计得很高的主要原因,胆敢设计成高输入阻抗者,必有其对抗杂讯干扰的过人之处,Cello有一款前级名为Encore IM,其标称输入阻抗即高达IM,为HI-END音响界最有名的高输入阻抗前级。但这个纪绿最近被日本SONY公司所出品的一款输入阻抗高达2M 的前级给突破了。

    虽然Cello的1M前级在音响界已是不得了的事情,但就电路的输入阻抗而言,还不算太高啦。随便一个FET做为输入级的IC它的输入阻抗都可以高达百万M,就像前阵子有点红的BUF-03这颗适合作为缓冲器的IC它的输入阻抗就有这么高呢!常见的前级的输入阻抗,在早期真空管的时代,由于真空管本身的输入阻抗就比较高,因此大都设计成500K或250K,晶体前级则大多数是100K或50K。近来则输入阻抗有愈设计愈低的趋势,20K、10K也已经很常见了。

    后级的输入阻抗则大部份是47K,高一个的有100K,20K,10K的也所在多有。最近德国着名的HI-END音响厂家MBL,所推出的旗舰后级MBL9010输入阻抗是多少呢?5K!没有少写一个零,就是5K。好像说了半天,高输入阻抗有多少多少的好处,就是有人不来这一套,至于好不好声呢?就请自行参阅相关的评论报导吧!

     低阻抗输入有什么优点?

    首先当然感染杂讯的问题会降得很低,可以大幅提高信号杂音比,使得音乐的纯度提高,音质就比较好。另外低的,输入阻抗有较好的相位特性,这一点是比较少有人提出来讨论的,一般常见被提出来的是频宽特性,总谐波失真特性等,而相信失真则很少被提及(至少在所有公开的性能规格中),MBL的看法是高输入阻抗与讯号线的电容量所引起的相位失真较大,而这对声音的影响将很深。因此MBL 9010采用低的输入阻抗,以较低的相位失真来求得在音质上的完美,当然在这个时候,你必须采用一部拥有更低阻抗输出的前级来搭配了。

    前面提及了也有知名厂家采用低阻抗的输入,这是肇因于现今大多数市售前级的输出阻抗均已相当的低,因此在后级的输入阻抗部份就可以酌情降低。假如你前级的输出阻抗高于后级的输入阻抗,这是不能匹配的,切记!切记!

      至于说前级的输入阻抗呢?以目前大部份市售品前级的设计而,言输入阻抗就由音量控制器给决定了。绝大多数的设计都是输入的讯号经过讯源选择后就经由音量控制的可变电阻作分压,再进入主放大线路,所以这个音量控制的可变电阻值就成了输入阻抗了。另外一些前级的设计是输入讯号先进入一个缓冲级,输入阻抗就由这个缓冲级的输入阻抗来决定,由于缓冲级电路的输入阻抗极高,因此,输入阻抗值极高的前级,其接受讯号的前端部份,可能就有输入缓冲级的设计。但是,输入缓冲级的阻抗也可以不必一定得设计得很高,例如MBL 6010前级的输入部份就设有输入缓冲级,而其设定的输入阻抗值则是47K。

     一如前面所述,前级的输出阻抗如果能够低的话,则后级的输入阻抗就可以不必设计得那么高,那么同理,如们我们所使用的讯源的输出阻抗也够低的话,那么前级的输入阻抗有必要那么高吗?今天有很多音响迷的系统之中,只有数位讯源一种而已,而如今的数位音源由于本身内部已经具有类比放大的电路,而且有愈来愈多厂家将类比讯号的输出阻抗做得极低。最有名的例子就是Theta,其在类比讯号输出的地方加了一个高回转率、高输出电流、低输阻抗的输出缓冲级BUF-03,这颗IC的输出阻抗低至只有2,由此看来,其搭配的前级的输入阻抗有必要很高吗?







     一般音响器材常见被提到阻抗的地方有喇叭的阻抗,前后级扩大机的输入阻抗,前级的输出阻抗,(后级通常不称输出阻抗,而称输出内阻),信号道线的传输阻碍抗(或称特性阻抗)......等等。由于阻抗的单位仍是欧姆,也同样适用欧姆定律,因此一言以蔽之,在相同电压下,阻抗愈高将流过愈少的电流,阻抗愈低会流过愈多的电流。

  最常见到的喇叭阻抗的标示值是八欧姆,这代表了这对喇叭在工厂测试规格时,当输入1KHz的正弦波信号,它呈现的阻抗值是八欧姆;或者是在喇叭的工作频率响应范围内,一个平均的阻抗值。它可不是一个固定值,而是随着频率的不同而不同。当后级输出一个固定电压给喇叭时,依照欧姆定律,四欧姆的喇叭会比八欧姆的喇叭多流过一倍的电流,理论上一部八欧姆输出一百瓦的晶体后级,在接上四欧姆喇叭时会自动变为二百瓦。

  当喇叭的阻抗值一路下降时,后级输出一个固定电压,它流过的电流就会愈来愈大,到最后就有点像是把喇叭线直接短路,所以阻抗值有时会低至一欧姆的限制,超出此范围,机器就要烧掉了。这也就是一般人常说的:后级的功率不用大,但输出电流要大的似是若非的道理。


    功率放大器与扬声器之间的配接主要要注意阻抗匹配和功率匹配两个方面。阻抗匹配有输入输出变压器的功率放大器,配接的扬声器阻抗应与其额定输出阻抗相一致。而采用OCL或OTL电路的扩音机,就不必那么严格,扬声器的阻抗可以在一定范围内变动。如果配接4欧姆扬声器,输出功率增大一倍,只要功放级性能好,失真不会增大很多。如果功率管温升不过高,扩音机仍能安全工作。

  功率匹配正确的配接方法是,功率放大器的输出功率应比扬声器的标称功率大1~3倍。如果扬声器的标称功率选得过大而扩音机的推动功率不足,此时扬声器虽然能响,但往往是扩音机音量开得很大,已引起严重的削顶失真,而声音仍然显得不足。若扬声器的标称功率比功率放大器的额定输出功率小,则推动功率足,声音好听。这时功率放大器工作在有较大功率余量的状态下,失真比较小。
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发表于 2009-2-8 16:56:28 | 显示全部楼层
学习了!
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发表于 2009-2-9 14:33:54 | 显示全部楼层
功放还有一个指标就是阻尼系数,关系到功放的内阻。。。
喜欢DIY。。。
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