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擴大機挑功率大的準沒錯?(上)—《音響入門誌》

文/林彥君

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還沒正式踏入研究音響的世界前,筆者曾經買過一對桌上型揚聲器,當年還不懂什麼規格數據,走進店裡隨便挑個看起來順眼價格也尚可接受的揚聲器就帶回家了。那對揚聲器一直以來都是擺在桌上聆聽音樂使用,聽了幾個月倒也都相安無事。某天一群朋友來訪,將那對揚聲器搬到客廳唱歌助興,當大夥玩得興致正高昂之際,其中一顆單體突然啪地一聲,只見一縷青煙緩緩飄出,伴隨著陣陣燒焦味,伴我多時的揚聲器就這樣宣告罷工。

如何找到合適的擴大機

究竟是什麼原因造成揚聲器燒毀呢?這關係到揚聲器的最大承受功率以及擴大機的輸出功率。組合出一套適合自己的音響系統需要做足許多功課,閱讀許多資訊,每一個環節、每一項器材都有學問與細節。而購買綜合擴大機或後級擴大機時,第一個要決定的就是你需要多大的輸出功率。擴大機需要多大的功率,與揚聲器的靈敏度、聆聽空間的大小、以及所需的聆聽音量有關。

如何挑選合適的擴大機

擴大機的瓦數往往與價格成正比,若擴大機的功率不足,便無法發揮揚聲器的真正實力,聲音聽起來會受到限制且缺乏動態。因此,許多人為了省麻煩,乾脆花大錢買個高功率的擴大機一勞永逸,殊不知一般家用音響根本用不到這麼大的瓦數,花太多預算在超過自己需求的擴大機上,不僅會壓縮到其他器材的預算分配,使用不當,還可能把揚聲器燒壞。

在上一期的「看觀念」中,詳細介紹了頻率的概念及頻率響應所代表的意義。本篇將延續上一集的概念,從最基本的「分貝」開始,介紹分貝、聲壓、與分貝聲壓級的差異,了解基本觀念後,再來談談揚聲器的頻率響應、靈敏度、最大承受功率、聆聽距離與擴大機輸出功率的關聯等,告訴您如何計算自己喜歡的揚聲器所適合的擴大機功率,以最經濟的預算,買到最適合您的擴大機。

「分貝」 究竟是什麼?

分貝(dB)這個字眼想必對大家來說都不陌生,但要明確地解釋分貝是什麼,往往說不出個所以然來,在音響的世界裡,許多規格與數據都跟分貝扯上關係,想組合出一套適合自己的音響系統,就從了解分貝開始。

簡單來說,分貝只是日常生活中眾多單位之一而已,只不過,分貝不是「絕對單位」,而是「比較單位」。所謂的絕對單位是指公分、公斤、秒等單位,這些單位有非常明確的定義。例如,若說「那裡有一根 100 公分的香蕉」,馬上就可以讓人意識到那是一根非常巨大的香蕉。但是,若說 A 香蕉的長度是 B 香蕉的「兩倍」長時,只能知道 A 香蕉與 B 香蕉的長度比值為 2,無法知道這兩根香蕉的確切長度。如果 B 香蕉是 10 公分,那麼 A 香蕉就是 20 公分;如果 B 香蕉是 100 公分,那麼 A 香蕉就是 200 公分,這肯定是一根可以角逐金氏世界記錄的巨無霸香蕉。

 

由此可知,「倍數」是一個「比較單位」。而「分貝」也是相同的概念,它是一個「比較」兩個相同單位之數值大小的單位,只是表達方式跟倍數有些許不同罷了。

分貝與倍數之間是可以轉換的,就像公分與公尺間可互相轉換一樣,每個分貝值都可以找到相對應的倍數值。不過,這兩者的轉換並非加減乘除那麼簡單,而是用對數(Log)去換算。Log 一出現,想必會勾起許多人高中數學課的痛苦回憶,還好,只要問 google 就可以輕易查到分貝與倍數的轉換對照表,不需要會計算,對照表格很容易就可以理解 3 dB、10 dB 換算成倍數是多少倍。

擴大機輸出與分貝倍數對照表

(點擊看大圖)

一般人對分貝的理解通常僅限於比較聲音的大小,但其實分貝也被廣泛地用來描述電壓、功率、電能強度等之間的大小。上圖列出了功率的倍數與分貝間的轉換關係,第三列是倍數,第四列是分貝。3 dB 到底是多少呢?換算成倍數的話,大約相當於兩倍;10 dB 相當於 10 倍;20 dB 相當於 100 倍;30 dB 則相當於 1000 倍。

對照上圖可知,若擴大機 A 的輸出功率(PA)為 1 W,擴大機 B 的輸出功率(PB)也是 1 W,兩擴大機的輸出功率相等,則稱兩擴大機的輸出功率差異為「0 dB」。若 PB 為 1 W,P為 2 W,PA 為 PB 的 2 倍,則稱擴大機 A 的輸出功率比擴大機 B 多了「3 dB」。

那麼,若 PB 是 500 W,PA 是 1000 W,兩擴大機的輸出功率換算成「dB」會相差多少呢?很抱歉,雖然兩者的輸出功率足足差了 500 W,但只要 PA 為 PB 的兩倍,擴大機 A 的輸出功率一樣也只比擴大機 B 多了「 3 dB」而已。隨著擴大機瓦數的增加,要提升「3 dB」的功率也就越不容易。

由以上可知,正的分貝值代表 PA 大於 PB,0 分貝代表 PA 與 PB 相等,那麼,分貝可以是負的嗎?當然可以。別忘了,分貝是兩個數值比較得來的結果,若是負的分貝值,則代表 PA 小於 PB。舉個例子來說。若 PB 為 1 W,PA 為 0.5 W,PA 只有 PB 的一半,0.5 倍換算成分貝即為「-3 dB」。

了解原理 溝通更方便

分貝的計算為什麼要如此搞怪刁鑽呢?所有單位的出現不外乎是為了實用與描述方便。當描述身高時,公分就已經很夠用了,但如果要描述臺北與高雄的距離,348 公里顯然比 34800000 公分要簡單明瞭得多。而分貝出現後,便能更簡潔地表達功率與聲壓的比值。

附表一

附表一:倍數與分貝轉換對照表

在電能與聲學的世界裡,兩功率或兩聲壓的比值動輒數百萬倍甚至數億倍是常有的事,1,000,000,000,000 倍相較於 120 dB,後者看起來是不是友善多了呢?(還在數有幾個零的朋友,前面那個看起來很恐怖的數字是一兆。)

功率、分貝與聲壓、電壓之間的倍數轉換。

除了功率的分貝與倍數間的轉換之外,分貝與倍數的轉換其實又可細分為兩類,第一類用於功率,第二類則用於聲壓、電壓、以及電流等。附表一列出了完整的分貝與倍數對照表,上表截取了部分的附表一,左側欄位是功率的倍數,右側欄位是聲壓、電壓之倍數。

細心的讀者應可發現,同樣是 3 dB,在功率的世界裡是 2 倍,在電壓的世界裡則是 1.4 倍,兩者的轉換比例有些許不同,這是因為電壓與功率是互相影響的,當輸出電壓變為 1.4 倍時,其輸出功率會變為 2 倍;當電壓變為 2 倍時,功率則會變為 4 倍,若是以分貝為量尺,依上表將倍數換算成分貝後,電壓變動的數值便會與功率變動的數值相同,使用起來會方便許多。若想知道詳細的計算方式,可參考下方的公式說明。

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振幅與分貝聲壓級

使用分貝的優點還不僅於此,再更進一步談分貝之前,先回頭來談談何謂聲音的大小。聲音的出現是因為物體振動擠壓空氣,進而使空氣的壓力產生疏密變化。如下圖所示,物體振動的幅度越大,空氣壓力的疏密變化就越大,空氣壓力變化的程度,反應在人的主觀聽覺即為「聲音的響度」。用壓力變化的強度來衡量一個聲音的大小,這就是聲壓(Sound Pressure,簡稱 SP)的概念。描述「聲壓」的單位是 Pa(帕斯卡),而 1 Pa 的壓力有多大?試試抽取五張衛生紙平放在你的肚子上,你的肚子所感覺到的壓力大概就是 1 Pa 。

聲納

用聲壓來描述聲音的大小雖然準確,但卻有個明顯的問題,聲壓的變化範圍非常大!人耳所能感知的最小壓力變化與所能承受的最大壓力變化相差了 100 萬倍。此外,聲壓大小與「聽感響度」有相當大的差距,並非正比關係。這件事情早在 100 年前就被一個叫貝爾的人發現了,就是發明電話的那位貝爾先生,而「分貝」就是以他為名來紀念他的發現。

舉個例子來說,低聲耳語的聲壓大概是 0.0002 Pa,日常的交談聲大約是 0.02 Pa。兩者的聲壓足足差了 100 倍,但很顯然的,兩者的聽感響度絕對沒有差到 100 倍,若以聲壓來描述聽感響度,顯然會與日常感覺有相當大的出入。於是,為了較為精準地反應人耳的聽感響度,科學家將聲壓轉換為聲壓級(Sound Pressure Level,簡稱 SPL),單位為分貝。問題來了,剛剛才說分貝是兩個數值比較出的結果,如果不知道比較的基準點,要怎麼知道 20 分貝到底是多少呢?你的 20 分貝跟我的 20 分貝是一樣的東西嗎?

因此,為了溝通上的方便,國際上將人耳所能聽見的最小聲壓變化量(0.00002 Pa,或記為 20 µPa,亦稱為聽覺閾值),定義為聲壓級的參考基準值,約相當於三公尺外一隻蚊子飛行的聲音,所有聲音的分貝值都是跟 20 µPa 比較得來的。有了固定的比較基準值,分貝就可以作為絕對單位使用了。並且,為了與作為相對單位使用的「分貝」做出區分,還給了他一個新名字叫做分貝聲壓級(dBSPL ),只是日常使用時為了省事通常簡稱為分貝。

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分貝聲壓與日常聽感對照圖。

聲壓在換算時應對照附表 1 之右側欄位。上圖為常見的分貝聲壓級與日常聽感的對照圖。低聲耳語的聲壓約為聽覺閾值的 10 倍,換算成聲壓級為 20 dBSPL,而日常交談的聲壓約為聽覺閾值的 1000 倍,相當於 60 dBSPL,分貝聲壓級遠比聲壓符合人耳的聽感差異。

由上圖可知,0 dBSPL代表該聲波的聲壓等於 20 µPa,並非寂靜無聲的狀態。若是負的 dBSPL,則代表該聲波的聲壓小於 20 µPa。舉個例子,潛水艇的聽音器可以聽到水下 100 公尺外一隻蝦子吃東西的聲音,約為 -80 dBSPL,20 英里外一個人說話的聲音約為 -30 dBSPL。所以,負分貝的聲音是客觀存在的,只是人耳聽不到而已。

分貝做為絕對單位使用的例子還不僅於此。只要在計算分貝時有一個固定的比較基準值,那麼分貝就可以做為絕對單位使用。像是以 1 瓦特(W)作為基準值的 dBW,以 1 豪瓦(mW)作為基準值的 dBmW,以及以 1 伏特(V)作為基準值的 dBV,都是以分貝作為絕對單位使用的例子。

細說頻率響應

揚聲器之頻率響應圖

(點擊看大圖)

頻率響應代表一揚聲器可確實重現之頻率範圍。理想狀況下,只要輸入訊號的功率相同,不論訊號是 20 Hz 還是 20 kHz ,揚聲器都應該要能輸出相同聲壓的聲音,以達到「原音重現」的目標。但現實中當然沒有這麼完美的揚聲器。受限於單體本身的物理特性,以及音箱內部的空氣共振等原因,在相同的輸入功率下,不同頻率的輸出聲壓一定會有所增減。揚聲器的頻率響應是如何測得呢?對揚聲器輸入相同功率、不同頻率的聲波,並記錄各頻率輸出訊號的聲壓級大小,即可得到頻率響應圖。上圖就是一個典型的頻率響應圖,橫軸代表訊號的頻率(Hz),縱軸則代表輸出訊號的聲壓級(dBSPL)。可以看出,頻率響應曲線並非一條直線,而是高高低低變化,並且,超過一定的頻率範圍後,輸出的聲壓會大幅衰減,可知揚聲器的輸出頻率範圍是有極限的。

輸出訊號的聲壓隨著頻率增減變化,豈不會影響聽感嗎?好在,你的耳朵並沒有你想像中那麼靈敏。人耳對於不同頻率的響度差異分辨能力不高,一般來說,在不同頻率下,±3 dB 的聲壓變化,尚在聆聽時可接受的差異範圍內。

以上圖為例,該揚聲器平均輸出的聲壓級約為 80 dBSPL,因此,輸出訊號的聲壓級在 77 dBSPL ~ 83 dBSPL 之間,都是可被接受的。可別小看 ±3 dB 的變化,+3 dB 代表該頻率的輸出功率為平均值的 2 倍,-3 dB 則代表該頻率的輸出功率只剩下平均值的一半,以功率的角度來看,變動範圍是非常大的。

範例中的揚聲器,頻率響應已經算是相當平直了,聲壓變動範圍超過 6 dB 的揚聲器在市面上也是非常普遍的。因此,完整的頻率響應標示,應該在頻率範圍之後,再加上聲壓變動的範圍。範例中的揚聲器,頻率響應即為 60 Hz ~ 18 kHz±3 dB,代表該揚聲器在 60 Hz ~ 18 kHz 之間的聲壓變動範圍約為 ±3 dB,60 Hz 又稱為低頻截止點(f3),18 kHz 則為高頻截止點。

輸出功率的陷阱

有了足夠的知識背景後,就可以正式進入主題了。在決定需要多大的功率之前,首先要學會如何判斷輸出功率的量測標準,並不是數字大的就一定比較好。同樣的一篇作文,標準較嚴苛的老師可能只給 70 分,標準寬鬆的老師也許會給到 98 分。音響系統的數據也是一樣的道理,在比較數據前,先睜大眼睛看看,這是依照哪個老師的評分標準打的分數。

擴大機一般都會標示單一聲道的輸出功率,標示分為兩種,一種是平均輸出功率(Root Mean Square, RMS),另一種是最大瞬間輸出功率(Peak Music Power Output, PMPO)。PMPO 僅代表擴大機於短暫的瞬間裡可輸出的最大功率,其數值往往高達數百瓦甚至數千瓦。RMS 則代表擴大機長時間連續性輸出時可達到的最大功率,這個數值才是擴大機的真正實力。

有些廠商或店家會以 PMPO 來吹噓自家擴大機有多強勁多厲害,然而,擴大機講求的是長久播放時可輸出的功率大小,且各家廠商的測試標準不一,所謂的「短暫瞬間」根本沒有定義,有的是 1 秒,有的是 0.5 秒,因此這個數值看看就好,基本上沒太大的參考價值。

在測量輸出功率時,輸入的訊號是單一頻率還是全頻段 (20 Hz ~ 20 kHz)也很重要。輸送 1 kHz 50 W 比輸送全頻段 50 W 要容易得多。此外,單聲道輸出時量測到的功率也會比雙聲道同時輸出時大,多數的擴大機標示的都是單一頻率、單聲道輸出時的最大功率,實際聆聽時不可能只播放單一頻率、單一聲道,因此,實際使用時的瓦數要再打個折扣。

隨著輸出功率的增加,擴大機的總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)也會跟著提高,進而影響聽感的純淨度。總諧波失真的條件訂在 0.1% 或 1%,量測出來的數據可能會差到數十瓦,前者對聲音品質的要求遠較後者來得高。

因此,在比較擴大機的輸出功率時,不能只看單一的數字,還要留意是以何種標準量測。是 RMS 還是 PMPO?測試訊號是單一頻率還是全頻段?是雙聲道同時輸出還是只輸出單一聲道?總諧波失真的條件是 0.1% 還是 1%?把所有條件考量進去後,才能較客觀地比較擴大機的輸出功率。完整的輸出功率標示還需包含後端負載的阻抗值,最大輸出功率會依揚聲器的阻抗不同而有所變動,阻抗要講得清楚又是另一個故事了,有機會再慢慢說明。

音響小撇步:

在相同頻率下,一般人應可分辨 ±1 dB 的聲壓變化;敏銳一點的人甚至可以分辨 ±0.5 dB 以下的聲壓變化。好奇你的耳朵有多靈敏嗎?以下這個穩站可以測試你的耳朵對聲壓變化的靈敏度,也可聽聽看 ±3 dB 的響度差異聽起來是什麼感覺喔!上網搜尋:3dB Level Difference


Vol 2

 

本文轉載自《音響入門誌》vol.2:擴大機篇。

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia