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关于如何测量和指定功率

环宇声光网 | 时间 : 2019-08-27 09:40:39 379人已浏览

导语:什么比“额定功率”更令人困惑吗?“多少瓦特”的问题可以有很多答案,这取决于我们是在谈论放大器还是扬声器。 关于如何测量和指定功率,还有许多变量。众多变量使得“面值”额定功率几乎无用。

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为什么“权力”如此难以量化?一个原因是因为它依赖于时间并且不断变化 - 就像股票市场的“价值”一样。我们可以看一下“高点”,“低点”或“平均值”,所有这些都是对不同事物有用的不同数字。

另一个问题是我们将功率放大器连接到扬声器。鉴于每个人所做的事情的性质(以及它如何做),用于评价一个人的方法对另一个人来说是不合适的。100瓦放大器不能为扬声器产生100瓦的功率,除非它播放非常烦人的测试波形。去搞清楚。

即便如此,音响系统设计师必须在他们的项目中为扬声器选择合适的放大器。放大器制造商提供的额定功率必须经过解释和调整,以满足设计要求。

我们中的一些人已经足够老了,可以记住20世纪70年代的“权力评级战”。任何用于销售产品的评级都是可疑的,特别是当有很多方法可以测试它时,还有更多方法来展示结果。

但是,放大器额定功率不一定是神秘或混乱的。有一些指导原则,假设和经验法则可以在不牺牲精度的情况下简化放大器选择过程。

参考波形

确定放大器的功率可以简单或非常复杂。它取决于音频波形的特性和它驱动的负载阻抗。最简单的交流波形是正弦波。

当应用于扬声器时,正弦波使其像活塞一样进出泵 - 很容易可视化。有几种常用的幂方程。当用于在测试台上驱动电阻负载的正弦波时,两者都非常简单。通常根据音频波形的有效或均方根(RMS)值来计算功率。

不要紧张 - 这只是一种平均波形随时间变化的方法,可以得出一个等于直流电常数值产生的功率(或热量)的值。因此,波形的RMS值有时被称为“等效DC值”或“发热值”。

这是非常重要的一点。发电和耗散与热量有关并且取决于时间。我们稍后会重新审视。

一个例子将澄清这一点。图1显示了可以连接到放大器的虚拟负载。这允许放大器在不发出声音的情况下产生电力,这对于进行测试的人来说是有益的。负载是浸没在油中的热水器元件。所有的力量都转化为热量。可以使用内置温度计监控负载的温度。

具有最高热值的AC波形是方波,并且等于DC。它应作为我们的参考。我将10伏RMS施加到负载并使温度稳定。

接下来,我将粉红噪声替换为方波。与正弦波或方波(如音乐和语音)相比,粉红噪声是纯粹的混乱。如何赋予它一个价值?

为了产生与方波相同的负载温度,我必须将放大器提高12 dB。这被称为波形的“波峰因数”。从方波电压电平中减去它以找到粉红噪声的“有效”或“发热值”。10伏特的粉红噪声RMS产生的负载电阻与10 VRMS方波相同。

图2是音频工作中常见的波峰因数图表。

EIA标准(现已解散)使用稳定的1 kHz正弦波(3 dB波峰因数)测量放大器的功率。

虽然对于真实世界的音频应用来说并不是很现实(除非你正在驾驶警笛),但它提供了一个有用的参考瓦数,可以降低音频和语音等复杂音频波形的等级。EIA标准继续作为CEA-426-B R-2005。


在现实世界

理想放大器是恒压源。

这意味着输出电压(当然是音频波形)不受负载阻抗的影响。

让我们将输出电压固定为30 VRMS(连续约100瓦连续到8欧姆)并考虑负载阻抗变化时会发生什么。请参见下面的图3。

我们的理想放大器是无限的电流源。想想“Hoak Dam with Speakons”,你就有了正确的想法。随着负载阻抗下降,电流增加。随着负载阻抗的增加,电流减小。

只要电压保持恒定,负载阻抗的每一半减半就会使输出电流加倍,从而使放大器的输出功率增加一倍。

因此,扬声器越平行,瓦特越多。

真实的放大器在典型的扩声扬声器中表现为理想的电压源。您可以使用一个或两个8欧姆扬声器加载它们,输出电压不受影响。与理想放大器一样,功率加倍,因为负载阻抗减半。

在某些时候,即使输出功率增加(图3中的黄色区域),当您将更多扬声器菊花链连接到放大器时,这种关系也不再成立并且电压会下降。低于约3欧姆,该放大器不再是恒压源。

请注意,由于电流与阻抗有关,如果其阻抗很高,则可以处理大RMS电压的盒子可能不会消耗太多功率。如果我需要将行数组框并行到单个上,这可能是一个有用的属性,这是一种非常常见的做法。我测量的单位高达60欧姆。

一种“动力”的心态说“因为你获得更多的功率而将其降低。”但请注意,即使输出功率在“黄色区域”增加,输出电压也会下降。如果您的扬声器覆盖了不同的观众区域,增加超过4欧姆的额外负载可能会导致已经播放的扬声器水平下降(图4)。

如果断开其他框,则从Box A获得最多的SPL。简而言之,放大器的最佳性能是在没有过载的情况下实现的。在大多数带宽上,真实世界的扬声器的阻抗高于其“额定”阻抗。

虽然有些放大器可以处理“2欧姆负载”,但实际上除了使用一组测试电阻器之外,很少会遇到真正的2欧姆负载。

除了电压降之外,还有其他原因导致极低阻抗负载(即2欧姆)存在问题。负载阻抗越低,所需的线规越重。重型扬声器线最大限度地减少了线路损耗,并保留了放大器的阻尼系数(对于超低音扬声器非常重要)。2欧姆负载的电缆必须保持短路,否则可能会变得非常沉重。

我们不会梦想将重量放在汽车后备箱中以使其产生更多动力。加载放大器以获得更多瓦特同样愚蠢。



额定功率

音频之外有许多额定功率的例子。

一些例子包括交流发电机,电动机,灯泡和马 - 以及许多其他的。在每种情况下,给出的评级都是连续的,这意味着可持续的保证价值。

当你购买一台5000瓦的发电机时,你可以获得5千瓦的连续发电,而不是5千瓦的短期峰值。

一匹好马可以产生一个马力连续(746瓦)一段时间,足以完成一项任务。这为使用蒸汽机取代它提供了指导。

20世纪70年代,当一些制造商开始将其评级基于“峰值”或“瞬时”值而非“连续”输出时,音频放大器额定功率变得疯狂。这给了他们在市场上的优势,因为“越多越好。”对吧?

联邦贸易委员会介入并建立了一个标准,以平衡竞争环境。它对来自放大器的音频信号的带宽和失真水平提出了要求。(现已解散)电子工业联盟或EIA评级方法(现为CEA-426-B R-2005)也是如此。

简而言之,有许多方法可以测试放大器和扬声器以获得额定功率。用于放大器测试的最古老和最保守的方法是使用连续的正弦波,放大器连接到电阻负载并在指定的时间段内工作(“连续”意味着“无限期”)。

由于几个原因,我是这种方法的忠实粉丝。
1)这是一个简单的测试。没有办法捏造它,欺骗它,伪造它或歪曲它。
2)通过简单的仪器,可以在现场轻松验证额定值。
3)通过将节目素材的波峰因数代入正弦波的波峰因数,我可以很容易地确定其他波形(音乐或语音)的输出功率。这总是导致更少的功率流。
4)正弦波的失真比更复杂波形的失真更容易测量,因此很容易确定放大器何时处于最大电平。
5)大功率放大器可以在不使用升压变压器的情况下驱动分布式扬声器系统。

这些系统的评级基于正弦波。如果我需要“70伏特”或更高的电压来驱动这样的线路,那么我需要放大器的正弦波额定值才能知道它是否可以到达那里。

作为系统设计师,我想要一个简单的,没有废话的保守评级放大器可以做什么。我可以增加波峰因数(降低放大器速率)以了解音乐或语音产生的音量。

现在,在给编辑的信件开始涌入之前,我很聪明地知道,除非我打算使用,否则放大器不可能在一段时间内将满量程正弦波传递到负载中它可以驱动振动台或作为测试台上的稳压电源插座(严重的是 - 有一个60赫兹的振荡器?)。

我也足够聪明地知道,这种简单评级方法的大多数“装饰”都是为了获得更高的额定功率和市场优势。(20世纪70年代重新审视过。我们真的要经历那个吗?)

我也明白,如果我测试信号脉冲,一些放大器可以产生超过连续正弦波等级的放大器。精细。我要买它。它只有几分贝。实际上,分贝是理解和比较额定功率的关键。


分贝和音频级别

快!距离扬声器4米处的近似预期SPL是多少,平均灵敏度为100 dB-SPL(1 W / 1m),由200瓦功率放大器驱动粉红噪声驱动?有你,不是吗?

如果你不得不长时间考虑这个问题,甚至掏出一个计算器,那么你就是一个用于功率放大器的非常差的评级系统的受害者。该单位以瓦特先生的名字命名,但我怀疑他是否会认可它用于音频计算。

经过一些基础工作后,我们将通过简单的加法和减法在精神上解决问题。您将能够在脑海中进行复杂的放大器计算,让您在派对上的朋友惊叹,甚至可能改善您的爱情生活。我是一个乐观主义者。

由于人类听觉系统按比例感知功率变化,因此诸如瓦特和伏特的线性单位并不十分有用。音频教父通过创建分贝系统来解决上个世纪早期的这种困境。

分贝描述了两个“类似功率”量之间的比例变化。图5给出了一些常见瓦数及其分贝等效值。分贝的工作原理与人类听觉系统一样,通过比例变化评估响度变化到参考值。

为了比较不同的额定功率,我假装我有一个16,000瓦的iPod。太好了!它连接到虚拟负载电阻,并产生1 kHz正弦波。音量控制的每次点击都是3 dB(在现实生活中为真),因此图表的“点击次数”为7次。

每次点击产生两倍的功率,并且SPL略高于前一次。这个不太可能的例子提醒人们,即使可能需要大量瓦特,功率倍增也只是微弱的水平增加。图表上的数值可能代表制造商的一系列放大器。

对于你的数学类型,这里是公式:

dBW = 10 log(W2 / W1)

其中W2是放大器的正弦波额定值,单位为瓦特,W1是1瓦的参考功率(提示:由于我们除以1,因此您无需执行除法)。

该等式简化为dBW = 10 log W.每个功率电平是放大器在电平上与1瓦参考电压进行比较的方式。

如果你只是记住图表,你甚至不需要计算器。功率放大器计算的一个好处是你只需要靠近。

这些通常是正弦波等级,但是可以通过简单地减去10来缩放到“粉红噪声”等级(其更像是音乐),以解释与正弦波相比粉红噪声的更高波峰因数。(正弦波的波峰因数为3 dB,粉红噪声约为12 dB,或比正弦波“高9 dB”.10 dB足够接近且易于使用)。

可以将所得的dBW水平添加到扬声器的平均灵敏度,以确定1米处的SPL。1米SPL可以外推到更远的距离,只需每隔一倍距离将其减半,这是水平变化的平方反比定律。一个例子怎么样?

扬声器:KillSound 5000 
灵敏度:100 dB-SPL平均值(1 W / 1 m)
放大器:Kilo-Blaster 1000 
额定功率:1000 W连续1 kHz至8欧姆
1. dBW = 10 log 1000 = 30 dBW 
2.粉红噪声功率= 30 dBW - 10 dB = 20 dBW 
3.扬声器SPL:100 dBSPL + 20 dB = 1 dB时120 dB-SPL 
4. 4 m时的电平:120 dB-SPL - 6 - 6 = 108 dB-SPL

因此,练习从您的起始值减去10并减去6(重复),您可以从任何扬声器快速估算任何距离的任何放大器的SPL。

有意义的表示

分贝完全按照设计目的完成 - 使音频更简单,更直观,最重要的是,提供有意义的表示,通过改变功率来改变电平。由于这些原因,放大器的额定值应为dBW,而不是瓦特。

现在,我并不天真地认为放大器制造商实际上会发布dBW而不是瓦特。他们的很大一部分客户不会理解他们的规格,他们的技术支持电话会通过屋顶(也许他们的销售通过楼层!)。

您必须自己使用图表进行转换。您将立即记住典型的放大器尺寸。鉴于这些事实,放大器的功率额定值是否高于其供电的插座,正如一些现代放大器所声称的那样?这些合法的评级还是重新审视了20世纪70年代?

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