功率放大器与扬声器

八、功率放大器与扬声器

在很大程度上，扬声器的特性受驱动它的放大器的影响。例如，送到扬声器的输入信号，如果在没有达到扬声器的容许输入值以前就被放大器限幅，则将产生大的失真声音。另外，当扬声器的输入阻抗不是纯阻而是含有电抗部分时，则输入阻抗将随频率有大的变化，使某些放大器工作不稳定，也可能在低声频段或高声频段产生振荡而使音质变坏。这样，重放声音的综合音质，不只取决于扬声器的特性，还取决于与放大器的输出及负载特性等有关的综合特性。通常，音质不好时，人们立刻就会想到是扬声器的问题，实际上，还应当注意寻找其他原因。

(一)功率放大器与扬声器的关系

1.功率放大器的最大输出功率与扬声器所能承受的输入功率

功率放大器输出功率的表示方法很多，应用最多的是有效(连续)输出功率。它是以失真系数不超过某一数值时(例如0.1%或0.5%等)为条件，所能取得的正弦波连续输出功率。也有以音乐功率等瞬时输出功率表示的方法，但对具有优良调整率电源的高保真放大器来说，这一瞬时输出功率值与有效输出功率值相同。所以高保真放大器的最大输出功率，采用有效输出功率较为适当。但这是放大器有纯电阻负载时的情况，当放大器有电抗负载时，就未必能得到这一有效输出功率。

另一方面，表示扬声器所能承受的输入功率，可以使用额定输入功率或最大输入功率。额定输入功率是指在使用节目信号或使用与节目信号的频谱分布相当的噪声信号的情况下，对连续使用时也不出现异常现象的输入值加以平均后所得的有效值。因此，不像放大器那样是在规定频率(通常为1k Hz)时的数值，而是对应于具有频谱分布、电平变动的某一信号的数值。在这一点上，两者有很大差别。从另外一种角度来说，可以认为放大器是静的输出值，而扬声器是动的输入值。

如果以频谱及电平都变动的节目信号值作为额定输入，并使放大器有效输出与它相等，情况将如何呢?当放大器的输入无论怎样变动，它的峰值也不超出有效输出功率时，可以供给扬声器无失真输出，但节目信号的平均有效值与峰值的电平差(峰值因数)可高达20dB。因此可以看出，对节目信号来说，扬声器发不出与额定输出相当的输出功率，即峰值都被限幅掉了。为了避免发生这种情况，放大器的输出功率必须具有刚好大于节目信号峰值因数的有效输出功率。

扬声器除了可以用额定输入功率表示外，还可以用最大输入功率表示。虽然后者还没有标准的实验方法，但可以考虑用能够承受从节目信号中能观察到的突然产生的瞬间大输入功率的数值来表示。因此，考虑放大器的输出时，应将扬声器的最大输入值与放大器的有效输出值合在一起。

对失真的产生状态来说，考虑放大器的输出与扬声器的输入值有所不同。最近，高保真放大器几乎都使用负反馈电路，从而实现了宽频带、低失真系数的放大。这虽然是对有效输出功率范围来说的，但当加给很小的过输入时，输出波形将被限幅，输出将产生高次谐波失真，并且失真值急剧增加。相反，对扬声器来说，如超过额定输入功率，只要不损坏扬声器，失真也不会急剧增加。另外，由于高次谐波的含有率少，所以音质不会太差。

通常，放大器产生的失真称为硬失真，扬声器产生的失真称为软失真。相对于扬声器的额定输入来说，放大器有效输出的数值需要相当大。但是从平均值来看，扬声器的输入很少达到额定输入值。现在的情况是，100瓦额定输入的扬声器，最多也只听到几瓦。

下面以实际例子，对在家庭中为听到某一大小声音时所必需的放大器有效输出功率进行计算。

首先，设听声条件是接近自由声场的房间，自由声场中的扬声器输出声压P_r与距扬声器的距离r成反比，与电输入功率W_e的平方根成正比。

10lg W_e=20lgP_r+20lgr+C

式中，C为常数。如已知在标准状态下，即输入为1W，在相距1m处的输出声压级为S₀(dB)，将这些条件代入上式，可求得C：

0=S₀+C

所以，上式可整理成

10lg W_e=S_r-S₀+20lgr

式中，W_e为放大器所必需的输出功率[W]；S_r=20lgP_r，为试听声压级[dB]，0dB=2×10^-5 N/m²；S₀为扬声器输出声压级[dB]；r为试听位置与扬声器间的距离[m]。

可以试求与输出声压级90dB的扬声器相距3m处，以平均声压级86dB试听时扬声器所需要的平均输入功率。将条件代入，得

10lg W_e=86-90+20lg3=5.55

对这一关系进行反对数运算，可求得

W_e=3.6W

这一功率放大器的输出功率是发出节目信号的平均声压级所必需的功率，节目信号的峰值与平均值相比高10dB，输出功率也需要10倍，即需要36W。

如果最初已知需要的峰值声压级，也可同样按公式进行计算，设峰值声压级为100dB，其他条件同前，则

10lg W_e=100-90+20lg3=19.55

W_e=90W

即需要有效输出功率90W的放大器，扬声器最大输入功率也要接近90W。这样，放大器的输出功率与扬声器相比要留有余量，才可以获得失真小的优良重放声音。发出限幅输出时，波形近于方波；发出超出有效输出功率的输出时，扬声器将受到损坏。因此，使用时应当充分注意。

2.功率放大器的输出阻抗与扬声器的特性

为了在定压驱动下能得到好的特性，通常功率放大器设计成定压输出式。当功率放大器的输出阻抗数值非常小时，这一输出阻抗值的系数通常用阻尼因数(D.F)来表示。

D.F=最佳负载电阻值/输出阻抗(放大器内阻)

由上式可知，当放大器输出阻抗越小时，D.F值就越大。高级高保真放大器的D.F值大多在20以上。

但计算D.F值时，放大器输出阻抗中必须包括扬声器的全部接线阻抗。即D.F可按下式计算：

D.F=音圈的直流电阻/(放大器内阻+接线电阻)

所以，即使放大器内阻很低，但由于扬声器接线直流电阻较大，所以低声频特性也会不好。为了防止这种情况的出现，扬声器的接线要尽可能短，如果接线必须很长时，要用粗线。

由上述结果可以看出，扬声器接线的直流电阻越低越好。但实际上，接线并不只有直流电阻，同时还有感抗和容抗。扬声器的低声频特性只受直流电阻的影响，但高声频特性要受电抗成分的影响。扬声器阻抗通常约为8欧的较低值，所以接线的电感会对高声频特性产生影响。因此，扬声器接线的直流电阻值必须低，并且接线的电感值也必须与扬声器相适合。

3.功率放大器与扬声器产生的特殊现象

通常，功率放大器的性能用纯电阻负载状态下测得的数值表示。另一方面，扬声器的性能也是在定压输入情况下测量后表示出来。这样，无论是放大器，还是扬声器，通常表示的都是特定条件下的性能。前面所述的实际使用状态与这一测量条件不同，因而会产生特殊现象。特别是在超声频段和次声频段产生的特殊现象，会影响可听频段。例如，加给信号后，在次声频段的某一特定频率(大多为几Hz)会产生长时间持续而不衰减的振动，或用手按压低频段扬声器纸盆时，也会产生相同的振动现象等。这是一种次声频振荡现象，它随扬声器的阻抗特性而变化，也就是当负反馈电路变为正反馈电路后，就会出现这种次声频的不稳定现象。当连接的扬声器具有低f₀和电抗成分的阻抗时，就可以经常察觉到这种现象。因此，要与扬声器一起使用时，才能知道放大器性能的真实情况。高级的放大器也会产生这种振荡现象，需要加以注意。另外，在超声频也会产生相同的振荡现象。与低频振荡不同，它不能从振膜看出，并且因为是听不见的超声频，所以很容易被忽略，但是可以从示波器观察到。它会增加重放声音的失真，使人感觉不正常。如果不加以注意，就会使高频扬声器断线。

(二)扬声器的连接方法

1.几个扬声器的连接方法

当同时使用几个扬声器时，必须使总阻抗不低于放大器的最佳负载阻抗，否则将有大电流流通，使晶体管损坏，或使安全装置动作，扬声器不能被正常驱动。因此，使用几个扬声器时，应如图3-47所示进行连接。当使用两个扬声器时，多将它们串联，当使用三四个扬声器时，多将它们串并联。当放大器的最佳阻抗为4Ω，而只有两个8Ω的扬声器时，可以将它们并联，这时放大器的输出功率可以最大。这样，将扬声器阻抗加上连接线后的总阻抗，如高于放大器最佳负载值，则应尽可能使它接近最佳负载值，才能有效地利用放大器的功能。但是，必须考虑连接的各扬声器的功率分配问题。将相同阻抗的扬声器进行串联或并联时，每个扬声器获得的功率都相同；将阻抗不同的扬声器进行串并联时，必须考虑总阻抗以及各扬声器输入功率的分配问题。以上是将一个低阻抗的高保真扬声器进行连接的情况。当将几个扩声用扬声器分别安放在几个房间中时，因为扬声器上附有匹配变压器，输入阻抗较高，所以通常是将所有的扬声器并联使用(如图3-48所示)。这种方法可以调整匹配变压器的输入阻抗进行输入的分配，并且当一个扬声器断路后，对其他扬声器没有影响。这时，所用的放大器为100V或70V定压输出放大器。

图3-47　n个扬声器的连接方法(连接条件：Z₀放大器的最佳输出阻抗<=Zi扬声器的输出阻抗)

图3-48　附有匹配变压器的几个扬声器的连接方法

在几个扬声器连接时，应当注意极性问题，所有扬声器应当极性一致进行连接。如果连接后的扬声器分别安装在相同的房间中时，极性不同，则声音输出将互相干涉，这时低音将不足，成为明显的不调和音。