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1 基本概念

  1.1現場演出中的信號流

  在一套簡單的擴聲系統中,音頻信號流會經過輸入、處理以及重放三個模塊,如圖1。筆者將集中討論聲源(傳聲器、拾音器和DI盒)與傳聲器放大器、調音臺與功率放大器,以及功率放大器與揚聲器 之間的阻抗(Impedance)匹配問題。

  

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       1.2阻抗

 

  阻抗,單位為歐姆(Ω),是“電阻” (Resistance)和“電抗”(Reactance)的和,它被用來表征整個電路對電流的總體阻礙作用。在音頻電路中,信號從前級設備的輸出端傳遞到后級設備的輸入端,因此,大家關注的是前級設備輸出阻抗(源阻抗)和后級設備輸入阻抗(負載阻抗)之間的關系。

  一個電路的輸入阻抗衡量了電流進入電源電路之外的負載電路后電流的反映①。一個電路的輸出阻抗衡量了電流進入與電源電路相連接的負載電路后電流的反映②。一個輸出電路(提供音頻信號的電路)的阻抗是對其送出能量難易程度的衡量,這種阻抗被稱為源阻抗。一個輸入電路(接收音頻信號的電路)的阻抗是對其能夠(從一個給定輸出電壓中)獲得多少能量的衡量,這種阻抗被稱作負載阻抗,其原因是它決定了(前一級)電路輸出端需要承擔多少負擔③,負載阻抗值越低,前一級電路輸出端需要承擔的負擔就越重。

  根據歐姆定律可知:在音頻系統的連接中,較低的輸出阻抗更容易向后級設備輸送能量,較高的輸入阻抗更加容易從前級設備獲得能量。

  1.3前置放大器

  前置放大器④(Microphone Preamplifier)作為傳聲器信號進入調音臺的*個有源電路,對傳聲器電平信號進行放大。這一環節在整個音頻系統中提供*的放大增益,約在30 dB~70 dB⑤。所謂傳聲器與調音臺的阻抗匹配,其實是指傳聲器輸出端與前置放大器輸入端之間的匹配問題。

  1.4DI盒

  DI盒(Direct Injection Box)直譯為“直接插入盒”,具有阻抗轉換、非平衡轉平衡、斷地等功能,通常電聲樂器拾音器輸出需接入DI盒才能以適當的阻抗接入調音臺。

  DI盒分為有源DI(Active DI Box)和無源DI(Passive DI Box)兩種類型。無源DI盒*早出現在20世紀60年代中期。后來出現的有源DI盒內部包含一個放大電路(如圖2(a)中的FET InputAmplifer),需要使用電池或外部供電;無源DI盒內部通常不含放大電路(如圖2(b)),不需要單獨的電源。

  

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      1.5功率放大器級聯、功率放大器與揚聲器

 

  在大型擴聲系統中,一個調音臺輸出通道要為多個揚聲器提供信號,需要將多臺功率放大器進行級聯。這就涉及到調音臺輸出端與多臺功率放大器輸入端之間的阻抗匹配問題。在功率放大器和揚聲器進行連接時,需要關注二者之間的阻抗關系。一般功率放大器內阻不大于0.2 Ω,因此,與其相連接的揚聲器網絡的總體阻抗不能小于2 Ω⑧。

  1.6橋接

  “橋接”(Bridging)在不同的語境下具有不同的含義。一種“橋接”是指后級輸入阻抗大于前級輸出阻抗10倍左右,也稱高阻跨接⑨。另一種“橋接”指在功率放大器和揚聲器連接時,“功率放大器的兩個通道被饋送同一信號(通常是來自左輸入端的信號),但另一通道(通常是右通道)的信號極性是相反的。立體聲功率放大器的兩個部分處理同樣的信號,負載同時從兩個通道獲得能量”⑩。

  1.7過載

  過載(Overload)是指后級設備輸入阻抗過低,對前級設備造成了過度的負擔,出現“……在電路當中存在超過預期的電流,導致產生過度的熱量,且存在損壞設備的風險”?。比較常見的就是揚聲器(負載網絡)阻抗小于2 Ω,電流過大導致功率放大器進入保護狀態。

2 阻抗匹配與高阻跨接

  2.1阻抗匹配與回波損耗

  阻抗匹配出現在早期電報和電話的傳輸應用中。傳輸線路一般幾英里長,特征阻抗為600 Ω,同時期出現的濾波器等其他硬件設備的阻抗也被設計為600 Ω,并應用于早期的擴聲、廣播和錄音系統。在當代擴聲系統中,仍然有部分設備在連接過程中遵循輸入輸出阻抗相同的阻抗匹配原則,如無線射頻饋線和數字音頻線纜,在傳遞高頻信號時需要在負載端進行“截止”(Terminated),即1:1的阻抗匹配。對于信號本身來說,雖然已經傳遞到接收端,但傳輸路徑上的阻抗特性并沒有發生變化,因此仍會“繼續向前傳輸(實際大多數能量轉化成為熱能)”,不會發生反射。這種機制可以*程度地降低傳輸線路中的回波損耗。

  回波損耗(Mismatch),指由于阻抗匹配不當而無法解決線材當中的信號反射,進而帶來傳輸能量的損失。電信號在信號線內部傳播,當到達線材末端時會有一部分信號被反射,與后續的信號發生干涉,進而影響信號質量。

  電信號以光速在線材中傳輸,低頻信號(如20 Hz~20 kHz)擁有巨大的波長,其數量級遠大于信號線本身的長度,因此,信號回波與后續信號幾乎“同相”,或者可以認為相位差忽略不計,因此,無需進行1:1的阻抗匹配;而對于射頻信號或數字音頻信號來說,其波長較小,與線材尺寸相近,因此,回波反射與后續信號的干涉就變成了影響信號傳輸質量的主要問題。

  2.2高阻跨接

  如上文所述,在模擬音頻信號短距離傳輸的情況下,回波損耗幾乎可以忽略不計。因此,多數現代音頻設備的連接不再需要嚴格遵循1:1的阻抗匹配原則,而是更加注重信號電壓的傳遞效率。源阻抗與負載阻抗遵循1:10甚至更高比值的高阻跨接成為阻抗匹配的重要原則。同時,高阻跨接也有效避免了“過載”的出現。

  將音頻設備視為純阻性的電子元器件,將前級設備視為后級設備的信號源,后級設備視為前級設備的負載。在不計信號線阻抗的情況下,簡化如圖3。

  

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假設RL= 10Rs,根據歐姆定律,PS:PL=1:10,US:UL=1:10。

 

  此種情況符合前文所定義的“高阻跨接”。后級輸入阻抗遠大于前級輸出阻抗,理論上后級獲得的能量將是前級輸出能量的10倍,電壓也是如此。

3 擴聲系統中阻抗匹配的問題

  3.1音源設備與調音臺輸入端的阻抗匹配

  3.1.1 音源輸出阻抗的異同

  傳聲器采用較低的輸出阻抗,從50 Ω到600 Ω不等,部分傳聲器輸出阻抗見表1。

  

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除傳聲器之外,輸入音源還可以來自于專業聲卡、民用板載聲卡、DJ設備和拾音器等,這些設備的輸出阻抗存在一定的差異。專業設備通常輸出阻抗較低,如Apogee Duet 聲卡線路輸出阻抗為90 Ω;Focusrite 2i2 聲卡線路輸出阻抗為94 Ω;DJ設備通常會配備民用接口,如RolandDJ-808 的非平衡的主輸出阻抗為2.1 kΩ。

 

  電聲樂器的輸出端(如鍵盤)或拾音器(吉他、貝斯)具有非常高的輸出阻抗,需要經由DI盒進行阻抗轉換后再輸入調音臺。有源DI盒輸入可高達MΩ級,無源DI輸入阻抗要小一些,部分品牌DI盒輸入阻抗見表2。

  

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拾音器將樂器的機械振動通過電磁感應原理或壓電晶體效應轉化為電信號,輸出至樂器揚聲器進行重放,多用于電/聲學吉他、電/木貝斯等樂器。拾音器也分為主動式和被動式兩種。拾音器的源阻抗從100 Ω到12 kΩ不等,有源拾音器需要供電,通常配合無源DI使用,無源拾音器無需供電,通常配合有源DI使用。例如,部分無源DI的線圈比為12:1,則當一個源阻抗12 kΩ的拾音器接入時,能夠將其轉換為約1 kΩ的輸出阻抗,與模擬調音臺線路輸入阻抗比例大致保證在1:10以上。

 

  3.1.2 模擬、數字調音臺的輸入阻抗

  在模擬調音臺中,傳聲器輸入接收傳聲器信號,線路輸入接收線路信號。傳聲器放大器的輸入阻抗大多在kΩ以上,線路輸入阻抗會略高于傳聲器放大器的輸入阻抗。總的來說,兩者均高于相應音源輸出阻抗10倍以上。表3例舉了部分模擬調音臺傳聲器輸入阻抗的情況。

  

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當前,大多數字調音臺針對一個輸入通道僅設置一個輸入口,具有很高的輸入阻抗,能夠兼容傳聲器信號和線路信號。

 

  部分數字調音臺輸入阻抗情況請見表4。結合前文對于音源輸出阻抗的歸納整理,可以發現調音臺輸入阻抗均高于音源輸出阻抗10倍以上,滿足高阻跨接的條件,音源和調音臺輸入端之間能夠進行有效的電壓傳遞。

  

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      3.2調音臺與功率放大器的阻抗匹配

 

  3.2.1 調音臺輸出阻抗和功率放大器輸入阻抗之間的匹配

  調音臺基本采用低阻輸出,如表5所示,僅有少部分調音臺輸出阻抗能夠達到600 Ω。

  

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為遵循高阻跨接的原則,功率放大器多采用高阻輸入,基本為10 kΩ~20 kΩ,大多正好是10 kΩ或20 kΩ,如表6所示,只有少數非平衡輸入使用小于10 kΩ的阻值。

 

  當擴聲系統需要揚聲器數量較多時,調音臺的一個輸出往往需要將信號送往多臺功率放大器的輸入,這種級連通常通過功率放大器的“Link”接口實現。“Link”的連接方式實際上將功率放大器輸入端并聯,多臺功率放大器輸入端并聯會導致其整體輸入降低,在超過臨界值時出現“過載”現象。與調音臺單一輸出端相連的功率放大器*多可以串接的數量也應遵循1:10的高阻跨接原則。

  假設調音臺輸出阻抗RS為100 Ω,那么功率放大器輸入端總體的輸入阻抗不得小于1 kΩ。如果一臺功率放大器輸入阻抗RL為10 kΩ,根據歐姆定律,

  

。將R=10RS帶入式中,可得功率放大器數量為10臺,這已經是很極端的情況了。

 

  3.3功率放大器與揚聲器的阻抗匹配

  3.3.1 總原則

  總的來說,功率放大器是按照放大倍數(Voltage Gain)對輸入信號進行電壓放大的設備。在此基礎上,為了獲得更大的電流以增強揚聲器的電磁感應,提高換能效率,作為負載的揚聲器使用了很低的輸入阻抗(相比傳聲器、調音臺等設備而言),功率放大器的內阻更是非常之低(僅為0.2 Ω)——功率放大器的輸出阻抗與揚聲器的輸入阻抗依然需要遵循高阻跨接的原則——通過高電壓與高電流的整合,能夠獲得所謂的“功率放大”。

  用于低頻回放的紙盆揚聲器,其額定阻抗通常為8 Ω或4 Ω;用于高頻回放的壓縮驅動器,其額定阻抗通常為16 Ω或8 Ω。不同的揚聲器或揚聲器系統將這兩種換能器進行組合,在滿足實際應用需求的同時遵循源阻抗與負載阻抗*小1:10的高阻跨接原則。總的來說,并聯(揚聲器串接)會導致揚聲器負載網絡阻抗的降低,因而數量受到限制。一些特殊的揚聲器(如12面體和音柱)需要將多個換能器連接在一起,因而使用混聯的方式來保證其總體阻抗不會過低。

  3.3.2 揚聲器的*小阻抗與額定阻抗

  揚聲器的阻抗不是一個固定值,而是一條隨頻率變化的曲線。由于功率放大器是電壓放大設備,施加在揚聲器上的電壓始終與功率放大器輸入端的信號保持一致的頻率響應,但由于不同頻率的阻抗不同,功率放大器驅動揚聲器在不同頻率上做功的功率是不同的,如圖4所示。

  

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揚聲器制造商在定義其額定阻抗時,通常使用其*小阻抗的1.25倍,即8 Ω額定阻抗對應6.4 Ω的*小阻抗,16 Ω的額定阻抗對應12.8 Ω的*小阻抗。也就是說,若干揚聲器并聯后的*小阻抗會低于通過額定阻抗計算出來的結果。

 

  在此基礎上,對常見的兩分頻線陣列揚聲器與功率放大器的匹配進行分析:假設一個揚聲器使用1個8 Ω的錐形驅動器(低音)和2個16 Ω的壓縮驅動器(高音),它們所對應的一個通道的功率放大器內阻為0.2 Ω,這要求低頻驅動器并聯后的阻抗不得低于2 Ω,高頻驅動器也是如此。對于低頻驅動器來說,8 Ω額定阻抗對應6.4 Ω的*小阻抗,3只低頻驅動器(3只揚聲器)并聯后的阻值為2.13 Ω;對于高頻驅動器來說,16 Ω額定阻抗對應12.8 Ω的*小阻抗,6只高頻驅動器(3只揚聲器)并聯后的阻值為2.13 Ω。因此,在這種情況下,一臺雙通道功率放大器*多同時驅動3只揚聲器。

  3.3.3 信號線材阻抗帶來的影響

  信號線材阻抗所帶來的線損在長距離和大功率傳輸的狀況下值得注意,常見于功率放大器到揚聲器的傳輸過程中。線損主要取決于三個因素:電纜的長度、導線的直徑和負載阻抗。隨著電纜長度的增加和線徑的減小,線材阻抗增大,線損也相應加大;同樣,負載阻抗的減小也會導致損失加大?。線阻所導致的線損可以通過歐姆定律進行解釋,線阻與負載分壓,降低了負載獲得的電壓大小,如圖5所示。

  

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在實際應用中,功率放大器到超低揚聲器的長距離傳輸可能會導致線損變得十分嚴重。極端情況下線阻可能到達3 Ω,與超低揚聲器阻抗(額定4 Ω,*小阻抗3.2 Ω)幾乎相同。這會嚴重影響功率放大器輸送到揚聲器的電壓,導致過多的能量損耗在線材上。因此,在大型演出系統中,建議將功率放大器放置在距離揚聲器較近的位置上。

 

  3.3.4 功率放大器的橋接模式對阻抗的影響

  橋接模式的目的是加倍功率放大器輸出功率以匹配更大功率的揚聲器。其原理大致如圖6所示。橋接模式占用雙倍的功率放大器通道驅動一只揚聲器工作,提供兩倍的電壓和同樣的電流,輸出功率也是原來的 3.2~3.5倍。由于將兩個功率放大器通道進行串聯,相當于功率放大器內阻加倍,因此,橋接模式需要更高的負載阻抗。

  

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4 結論

       阻抗匹配問題源于長距離的聲音傳輸。當下,射頻信號和數字信號由于工作在非常高的頻率,為降低回波損耗,仍需進行1:1阻抗匹配;而模擬音頻信號的頻率相對很低,回波損耗可以忽略不計,需要滿足高阻跨接以獲得更高的信號電壓傳遞效率。目前,在擴聲系統音頻信號鏈路的各個環節遵循至少1:10(通常為更高比例)的輸出輸入阻抗比,這一規則充分映射在設備輸入輸出端的阻抗指標上。

  高阻跨接可以有效避免“過載”的出現。無論是傳聲器與傳聲器放大器連接、拾音器經過DI盒與傳聲器放大器連接、調音臺輸出端與處理器/功率放大器的連接,或是功率放大器與揚聲器的連接,高阻跨接都具有重要的指導意義。

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