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雷区慎入!——再谈音响系统功率问题

上期文章提到行业同仁们普遍关心却总是充满玄机的音响系统功率计算及用电问题(此处上篇文章链接),小编无意间踏入行业深水区。一石激起千层浪,着实让小编呛了几口水。好在诸多同行前辈们、老师们、朋友们及小编的可爱的同事们及时向我派出了友谊的救援小船,他们对文章的一些内容提出质疑,并指正了其中一些纰漏。本着共产主义事业接班人对于追求真理的信念和执着,小编上岸后毅然决定再次涉险,特作此续篇回应朋友们的一些疑问,作为上篇文章的补充和更正。

 

疑问一:系统功率按照音箱功率计算不科学!因为这不是功放的耗电功率。

由于技术的、行业的、商业的种种原因,有关功放和音箱的功率定义向来是纷繁复杂五花八门。如果您是音响老炮儿,请尝试在内心深处呼唤以下关于功放或音箱功率的词汇定义:

额定功率?

标称功率?

输出功率?

RMS功率?

FTC功率?

AES功率?

EIA功率?

连续功率?

峰值功率?

平均功率?

节目功率?

1/3功率?1/8功率?

电功率?声功率?

 

图一:有关功放与音箱功率的表述和定义存在太多歧义和误解,研究与实验表明这绝对是音响技术一大雷区

 

面对这些名词,小编实在是无处话凄凉,惟有泪千行!以上的各种功率都有明确的统一的定义么?答案恐怕不完全是(如输出功率),甚至某些名词本身都是误解(如所谓RMS功率”)。在我们讨论功率问题之前,首先有必要先讨论一下要讨论的是哪个功率,我们所理解的功率定义是不是一致的。但是受文章篇幅限制,我们先不讨论这一箩筐的功率定义。

我们再回到计算扩声系统功率的问题上,音箱是功放的负载,功放是接入电路的消耗电能的设备,所以按照功放的功率计算似乎才是符合原理的。然而,现实中的扩声系统有更多因素要考虑。

世界各大演出扩声系统生产商在考虑功放与音箱的配套时,往往只设计少数2-3个型号的功放来驱动从小到大的各个型号音箱,这样可以提高功放机柜的兼容性,方便用户快速搭配系统,而不用总是计算音箱功率和功放功率匹配的问题。

ZSOUND的演出系列产品亦有此方面考虑,比如针对流动演出的MA系列开关电源功放,只有MA1300Q4x1300W@8Ω)和MA2400S2x2400W@8Ω)两个型号。其中MA1300Q可以用于驱动除双18寸超低频音箱之外的所有型号音箱,一台MA1300Q功放有时会用于驱动4CM15(单15寸全频音箱),有时会用于驱动LA110x4+LA110Sx1+S118Hx2这样小型的线阵列系统。这两种情况下,其所驱动的音箱的AES功率相差数倍,那么在同样功率转换效率下,功放的耗电功率也一定相差甚远。

此外,如今的系统设计中已经普遍采用数字处理器(也有很多内建DSP功能的功放),厂家会根据不同型号音箱的功率设置处理器中压限器的预设参数来保护后级设备。比如,在ZSOUND M44处理器中,针对不同型号的音箱会分别设置其压限器参数,这会影响功放最大输出能达到多大的功率。这样一来,功放实际使用中会输出多大的功率,很大程度上看其连接了什么音箱。这就是实际负载(音箱)功率对于功放工作状态的影响,当然这必不可免地影响功放的耗电功率,从这一点来考虑,音箱作为功放的实际负载,其功率更能代表系统的功率规模。而采用音箱的AES功率来计算系统用电功率,并不能简单将音箱的AES功率相加,这便是上篇文章不妥之处。这里还涉及功放实际最大耗电功率、功放功率转换效率、各类功率定义、测试或播放信号素材、数字处理器设定等诸多因素,需要码很多字才能说明,为了不把作者本人和读者朋友们绕晕,小编不得不另辟系列专文阐述,欢迎大家持续围观。

 

疑问二:理论计算的功率和电流总是偏大的,我们实际测过电流很小,你们的理论大概可以拿去喂猪吧?!

上期文章发布之后,很多演出朋友们纷纷发声,表示“我们演出时曾经测量过电流,系统开到最大声也就十几安的电流,根本没有计算的那么多”,或者是“我们用‘LA110 8+4’的小线阵系统,拉一个公牛拖板就可以带两个机柜,都没跳过闸!”。

这里可能会有诸多原因,但其中最重要的原因在于,测试功放功率所用的测试信号和演出的音乐信号之间的根本差别。比如最常用于测试功放输出功率的正弦信号,其峰值因数(Crest Factor)仅为3dB;又如扬声器AES功率的测试信号要求采用峰值因数为6dB的粉红噪声;而实际音乐信号的峰值因数通常在10dB-20dB或更高,不同类型的音乐会有所差异。这就意味着同样是功放开到“最大声”(通常是指功放削波前最大输出),即信号峰值达到功放临近削波时,正弦信号或粉噪这一类的测试噪声信号到产生的平均功率要远远大于音乐信号产生的平均功率。

这就是为什么在实际演出中大家测得的电流要远远小于根据“输出功率”计算的电流。为此,不少厂商给出标称输出功率的“1/8”功率所测得的电流消耗参数,用于模拟接近重放音乐信号的可能达到的最大功率时的电流,以便于用户参考。即便是“1/8”功率下的电流值也可能会比用户的实测电流要大,因为其测试使用的粉红噪音在频率分布上比音乐更宽广,峰值因数也小于典型的音乐信号(峰值电平一样时,峰值因数小的信号,会使功放达到更大的平均功率)。

作为厂家,在标称电流参数时通常会选择作为安全的“保守派”,以保证用户在最恶劣的使用条件下(比如重放严重压缩或者严重削波的音乐信号)也不会超过标称的参数。因而在正常使用条件下,用户所测得的电流不论与标称“输出功率”的计算电流还是厂商提供的“1/8功率”时电流消耗相比,其数值偏小实属正常。

小编与团队小伙伴们正在筹划以科学实验的态度和方法,来实际考察不同测试信号或节目信号对功放输出功率、耗电功率和电流的测量结果的影响。

 

 

图二:一些提供1/8功率状态下功放消耗电流(Current Draw)的产品技术参数表

 

疑问三:音箱的AES功率是声功率,你拿来计算电功率,小编你脑子是不是被驴踢了?

首先我们明确一下,AES并非是音箱声功率,证明小编并没有被驴踢过。AES功率,是指扬声器根据AESAudio Engineering Society,国际音频工程协会)功率测量标准所测得的功率。该标准制定时是用于规范扬声器单元功率的,而非整个音箱功率。AES标准要求采用峰值因数6dB的带宽限制的粉红噪声进行长时间(至少为2小时)持续的测试,这是用于定义扬声器单元的长时间功率承受能力的参数。显然“功率承受能力”指的是扬声器所能承受的电功率,而非扬声器的输出声功率。

 

疑问四:欧姆有说过P=UI了么?

坦白来说,这是小编的大意疏忽而导致的错误。我保证,这和我的物理老师和体育老师均没有关系,半毛钱都没有。现更正如下:

欧姆定律(Ohm's law)表明,通过导电体的电流导电体两端的电压成正比,比例常数为导电体电阻。其表达式为:

 

其中I是以安培(A)为单位的电流,V是以伏特(V)为单位的电压,R是以欧姆(Ω)为单位的电阻。

在纯电阻电路中,可由焦耳定律和欧姆定律共同得到电功率的推导式:

 

而在交流电路中,贮能元件如电感和电容,会在半周期的时间里把电源的能量变成磁场(或电场)的能量贮存起来,在另外半周期的时间里又把贮存的磁场(或电场)能量释放掉,并没有真正消耗能量做功在这种情况下,电路的有功功率的计算要计入功率因数,其表达式为:

          P=VrmsIrmscosθ

式中:Vrms是以伏特(V)为单位的有效值电压,Irms是以安培(A)为单位的有效值电流,θ是电流与电压的之间的相位差角。

特此更正!

 

功放与音箱的功率问题可能是扩声技术中最具迷惑性的危险雷区,由于上篇文章的仓促成文而造成的错漏,引发了同行们的质疑、批评和讨论,作者因此而得以进一步地思考、求证和实验,这对于作者恰是另一种收获。小编不禁回想到论坛时代,各大论坛中英雄云集、百家争鸣热闹场景,可惜不能一键Recall。在匆匆忙忙的微信时代,小编的一篇拙文获得了同行们的关注和讨论,颇有抛砖引玉的效果,即便是遭受质疑,小编也略感欣慰。在此,诚挚感谢给予指正意见的前辈们、朋友们、同事们,对技术问题共同的热爱和关注,是音响从业者们技术进步的动力支撑。在未来的技术文章写作道路上,笔者定当慎之,审之。

 

文末加个彩蛋!!!ZSOUND技术团队的小伙伴们正在集结一大批研发级测量仪器和测试系统,秉承实验精神继续探寻音响系统功率问题的答案。我们密谋以视频直播方式,活生生地呈现各类功率测量和功率实验的第一案发现场。请大家保持好奇,和我们一同追寻~同追寻~追寻~寻!

 

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