现场演出扩声系统中的阻抗匹配

http://www.audio.hc360.com2018年12月03日09:52 来源:演艺科技传媒T|T

  1 基本概念

  1.1现场演出中的信号流

  在一套简单的扩声系统中,音频信号流会经过输入、处理以及重放三个模块,如图1。笔者将集中讨论声源(传声器、拾音器和DI盒)与传声器放大器调音台与功率放大器,以及功率放大器与扬声器之间的阻抗(Impedance)匹配问题。

  

1.2阻抗

  阻抗,单位为欧姆(Ω),是“电阻” (Resistance)和“电抗”(Reactance)的和,它被用来表征整个电路对电流的总体阻碍作用。在音频电路中,信号从前级设备的输出端传递到后级设备的输入端,因此,大家关注的是前级设备输出阻抗(源阻抗)和后级设备输入阻抗(负载阻抗)之间的关系。

  一个电路的输入阻抗衡量了电流进入电源电路之外的负载电路后电流的反映①。一个电路的输出阻抗衡量了电流进入与电源电路相连接的负载电路后电流的反映②。一个输出电路(提供音频信号的电路)的阻抗是对其送出能量难易程度的衡量,这种阻抗被称为源阻抗。一个输入电路(接收音频信号的电路)的阻抗是对其能够(从一个给定输出电压中)获得多少能量的衡量,这种阻抗被称作负载阻抗,其原因是它决定了(前一级)电路输出端需要承担多少负担③,负载阻抗值越低,前一级电路输出端需要承担的负担就越重。

  根据欧姆定律可知:在音频系统的连接中,较低的输出阻抗更容易向后级设备输送能量,较高的输入阻抗更加容易从前级设备获得能量。

  1.3前置放大器

  前置放大器④(Microphone Preamplifier)作为传声器信号进入调音台的第一个有源电路,对传声器电平信号进行放大。这一环节在整个音频系统中提供最大的放大增益,约在30 dB~70 dB⑤。所谓传声器与调音台的阻抗匹配,其实是指传声器输出端与前置放大器输入端之间的匹配问题。

  1.4DI盒

  DI盒(Direct Injection Box)直译为“直接插入盒”,具有阻抗转换、非平衡转平衡、断地等功能,通常电声乐器拾音器输出需接入DI盒才能以适当的阻抗接入调音台。

  DI盒分为有源DI(Active DI Box)和无源DI(Passive DI Box)两种类型。无源DI盒最早出现在20世纪60年代中期。后来出现的有源DI盒内部包含一个放大电路(如图2(a)中的FET InputAmplifer),需要使用电池或外部供电;无源DI盒内部通常不含放大电路(如图2(b)),不需要单独的电源。

  

1.5功率放大器级联、功率放大器与扬声器

  在大型扩声系统中,一个调音台输出通道要为多个扬声器提供信号,需要将多台功率放大器进行级联。这就涉及到调音台输出端与多台功率放大器输入端之间的阻抗匹配问题。在功率放大器和扬声器进行连接时,需要关注二者之间的阻抗关系。一般功率放大器内阻不大于0.2 Ω,因此,与其相连接的扬声器网络的总体阻抗不能小于2 Ω⑧。

  1.6桥接

  “桥接”(Bridging)在不同的语境下具有不同的含义。一种“桥接”是指后级输入阻抗大于前级输出阻抗10倍左右,也称高阻跨接⑨。另一种“桥接”指在功率放大器和扬声器连接时,“功率放大器的两个通道被馈送同一信号(通常是来自左输入端的信号),但另一通道(通常是右通道)的信号极性是相反的。立体声功率放大器的两个部分处理同样的信号,负载同时从两个通道获得能量”⑩。

  1.7过载

  过载(Overload)是指后级设备输入阻抗过低,对前级设备造成了过度的负担,出现“……在电路当中存在超过预期的电流,导致产生过度的热量,且存在损坏设备的风险”⑪。比较常见的就是扬声器(负载网络)阻抗小于2 Ω,电流过大导致功率放大器进入保护状态。

  2 阻抗匹配与高阻跨接

  2.1阻抗匹配与回波损耗

  阻抗匹配出现在早期电报和电话的传输应用中。传输线路一般几英里长,特征阻抗为600 Ω,同时期出现的滤波器等其他硬件设备的阻抗也被设计为600 Ω,并应用于早期的扩声、广播和录音系统。在当代扩声系统中,仍然有部分设备在连接过程中遵循输入输出阻抗相同的阻抗匹配原则,如无线射频馈线和数字音频线缆,在传递高频信号时需要在负载端进行“截止”(Terminated),即1:1的阻抗匹配。对于信号本身来说,虽然已经传递到接收端,但传输路径上的阻抗特性并没有发生变化,因此仍会“继续向前传输(实际大多数能量转化成为热能)”,不会发生反射。这种机制可以最大程度地降低传输线路中的回波损耗。

  回波损耗(Mismatch),指由于阻抗匹配不当而无法解决线材当中的信号反射,进而带来传输能量的损失。电信号在信号线内部传播,当到达线材末端时会有一部分信号被反射,与后续的信号发生干涉,进而影响信号质量。

  电信号以光速在线材中传输,低频信号(如20 Hz~20 kHz)拥有巨大的波长,其数量级远大于信号线本身的长度,因此,信号回波与后续信号几乎“同相”,或者可以认为相位差忽略不计,因此,无需进行1:1的阻抗匹配;而对于射频信号或数字音频信号来说,其波长较小,与线材尺寸相近,因此,回波反射与后续信号的干涉就变成了影响信号传输质量的主要问题。

  2.2高阻跨接

  如上文所述,在模拟音频信号短距离传输的情况下,回波损耗几乎可以忽略不计。因此,多数现代音频设备的连接不再需要严格遵循1:1的阻抗匹配原则,而是更加注重信号电压的传递效率。源阻抗与负载阻抗遵循1:10甚至更高比值的高阻跨接成为阻抗匹配的重要原则。同时,高阻跨接也有效避免了“过载”的出现。

  将音频设备视为纯阻性的电子元器件,将前级设备视为后级设备的信号源,后级设备视为前级设备的负载。在不计信号线阻抗的情况下,简化如图3。

  

假设RL= 10Rs,根据欧姆定律,PS:PL=1:10,US:UL=1:10。

  此种情况符合前文所定义的“高阻跨接”。后级输入阻抗远大于前级输出阻抗,理论上后级获得的能量将是前级输出能量的10倍,电压也是如此。

  3 扩声系统中阻抗匹配的问题

  3.1音源设备与调音台输入端的阻抗匹配

  3.1.1 音源输出阻抗的异同

  传声器采用较低的输出阻抗,从50 Ω到600 Ω不等,部分传声器输出阻抗见表1。

  

除传声器之外,输入音源还可以来自于专业声卡、民用板载声卡、DJ设备和拾音器等,这些设备的输出阻抗存在一定的差异。专业设备通常输出阻抗较低,如Apogee Duet 声卡线路输出阻抗为90 Ω;Focusrite 2i2 声卡线路输出阻抗为94 Ω;DJ设备通常会配备民用接口,如RolandDJ-808 的非平衡的主输出阻抗为2.1 kΩ。

  电声乐器的输出端(如键盘)或拾音器(吉他、贝斯)具有非常高的输出阻抗,需要经由DI盒进行阻抗转换后再输入调音台。有源DI盒输入可高达MΩ级,无源DI输入阻抗要小一些,部分品牌DI盒输入阻抗见表2。

  

拾音器将乐器的机械振动通过电磁感应原理或压电晶体效应转化为电信号,输出至乐器扬声器进行重放,多用于电/声学吉他、电/木贝斯等乐器。拾音器也分为主动式和被动式两种。拾音器的源阻抗从100 Ω到12 kΩ不等,有源拾音器需要供电,通常配合无源DI使用,无源拾音器无需供电,通常配合有源DI使用。例如,部分无源DI的线圈比为12:1,则当一个源阻抗12 kΩ的拾音器接入时,能够将其转换为约1 kΩ的输出阻抗,与模拟调音台线路输入阻抗比例大致保证在1:10以上。

  3.1.2 模拟、数字调音台的输入阻抗

  在模拟调音台中,传声器输入接收传声器信号,线路输入接收线路信号。传声器放大器的输入阻抗大多在kΩ以上,线路输入阻抗会略高于传声器放大器的输入阻抗。总的来说,两者均高于相应音源输出阻抗10倍以上。表3例举了部分模拟调音台传声器输入阻抗的情况。

  

当前,大多数字调音台针对一个输入通道仅设置一个输入口,具有很高的输入阻抗,能够兼容传声器信号和线路信号。

  部分数字调音台输入阻抗情况请见表4。结合前文对于音源输出阻抗的归纳整理,可以发现调音台输入阻抗均高于音源输出阻抗10倍以上,满足高阻跨接的条件,音源和调音台输入端之间能够进行有效的电压传递。

  

3.2调音台与功率放大器的阻抗匹配

  3.2.1 调音台输出阻抗和功率放大器输入阻抗之间的匹配

  调音台基本采用低阻输出,如表5所示,仅有少部分调音台输出阻抗能够达到600 Ω。

  

为遵循高阻跨接的原则,功率放大器多采用高阻输入,基本为10 kΩ~20 kΩ,大多正好是10 kΩ或20 kΩ,如表6所示,只有少数非平衡输入使用小于10 kΩ的阻值。

  当扩声系统需要扬声器数量较多时,调音台的一个输出往往需要将信号送往多台功率放大器的输入,这种级连通常通过功率放大器的“Link”接口实现。“Link”的连接方式实际上将功率放大器输入端并联,多台功率放大器输入端并联会导致其整体输入降低,在超过临界值时出现“过载”现象。与调音台单一输出端相连的功率放大器最多可以串接的数量也应遵循1:10的高阻跨接原则。

  假设调音台输出阻抗RS为100 Ω,那么功率放大器输入端总体的输入阻抗不得小于1 kΩ。如果一台功率放大器输入阻抗RL为10 kΩ,根据欧姆定律,

  

。将R=10RS带入式中,可得功率放大器数量为10台,这已经是很极端的情况了。

  3.3功率放大器与扬声器的阻抗匹配

  3.3.1 总原则

  总的来说,功率放大器是按照放大倍数(Voltage Gain)对输入信号进行电压放大的设备。在此基础上,为了获得更大的电流以增强扬声器的电磁感应,提高换能效率,作为负载的扬声器使用了很低的输入阻抗(相比传声器、调音台等设备而言),功率放大器的内阻更是非常之低(仅为0.2 Ω)——功率放大器的输出阻抗与扬声器的输入阻抗依然需要遵循高阻跨接的原则——通过高电压与高电流的整合,能够获得所谓的“功率放大”。

  用于低频回放的纸盆扬声器,其额定阻抗通常为8 Ω或4 Ω;用于高频回放的压缩驱动器,其额定阻抗通常为16 Ω或8 Ω。不同的扬声器或扬声器系统将这两种换能器进行组合,在满足实际应用需求的同时遵循源阻抗与负载阻抗最小1:10的高阻跨接原则。总的来说,并联(扬声器串接)会导致扬声器负载网络阻抗的降低,因而数量受到限制。一些特殊的扬声器(如12面体和音柱)需要将多个换能器连接在一起,因而使用混联的方式来保证其总体阻抗不会过低。

  3.3.2 扬声器的最小阻抗与额定阻抗

  扬声器的阻抗不是一个固定值,而是一条随频率变化的曲线。由于功率放大器是电压放大设备,施加在扬声器上的电压始终与功率放大器输入端的信号保持一致的频率响应,但由于不同频率的阻抗不同,功率放大器驱动扬声器在不同频率上做功的功率是不同的,如图4所示。

  

扬声器制造商在定义其额定阻抗时,通常使用其最小阻抗的1.25倍,即8 Ω额定阻抗对应6.4 Ω的最小阻抗,16 Ω的额定阻抗对应12.8 Ω的最小阻抗。也就是说,若干扬声器并联后的最小阻抗会低于通过额定阻抗计算出来的结果。

  在此基础上,对常见的两分频线阵列扬声器与功率放大器的匹配进行分析:假设一个扬声器使用1个8 Ω的锥形驱动器(低音)和2个16 Ω的压缩驱动器(高音),它们所对应的一个通道的功率放大器内阻为0.2 Ω,这要求低频驱动器并联后的阻抗不得低于2 Ω,高频驱动器也是如此。对于低频驱动器来说,8 Ω额定阻抗对应6.4 Ω的最小阻抗,3只低频驱动器(3只扬声器)并联后的阻值为2.13 Ω;对于高频驱动器来说,16 Ω额定阻抗对应12.8 Ω的最小阻抗,6只高频驱动器(3只扬声器)并联后的阻值为2.13 Ω。因此,在这种情况下,一台双通道功率放大器最多同时驱动3只扬声器。

  3.3.3 信号线材阻抗带来的影响

  信号线材阻抗所带来的线损在长距离和大功率传输的状况下值得注意,常见于功率放大器到扬声器的传输过程中。线损主要取决于三个因素:电缆的长度、导线的直径和负载阻抗。随着电缆长度的增加和线径的减小,线材阻抗增大,线损也相应加大;同样,负载阻抗的减小也会导致损失加大⑬。线阻所导致的线损可以通过欧姆定律进行解释,线阻与负载分压,降低了负载获得的电压大小,如图5所示。

  

在实际应用中,功率放大器到超低扬声器的长距离传输可能会导致线损变得十分严重。极端情况下线阻可能到达3 Ω,与超低扬声器阻抗(额定4 Ω,最小阻抗3.2 Ω)几乎相同。这会严重影响功率放大器输送到扬声器的电压,导致过多的能量损耗在线材上。因此,在大型演出系统中,建议将功率放大器放置在距离扬声器较近的位置上。

  3.3.4 功率放大器的桥接模式对阻抗的影响

  桥接模式的目的是加倍功率放大器输出功率以匹配更大功率的扬声器。其原理大致如图6所示。桥接模式占用双倍的功率放大器通道驱动一只扬声器工作,提供两倍的电压和同样的电流,输出功率也是原来的 3.2~3.5倍。由于将两个功率放大器通道进行串联,相当于功率放大器内阻加倍,因此,桥接模式需要更高的负载阻抗。

  

4 结论

  阻抗匹配问题源于长距离的声音传输。当下,射频信号和数字信号由于工作在非常高的频率,为降低回波损耗,仍需进行1:1阻抗匹配;而模拟音频信号的频率相对很低,回波损耗可以忽略不计,需要满足高阻跨接以获得更高的信号电压传递效率。目前,在扩声系统音频信号链路的各个环节遵循至少1:10(通常为更高比例)的输出输入阻抗比,这一规则充分映射在设备输入输出端的阻抗指标上。

  高阻跨接可以有效避免“过载”的出现。无论是传声器与传声器放大器连接、拾音器经过DI盒与传声器放大器连接、调音台输出端与处理器/功率放大器的连接,或是功率放大器与扬声器的连接,高阻跨接都具有重要的指导意义。

责任编辑:古晓清

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