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擴大機挑功率大的準沒錯?(下)—《音響入門誌》

PanSci_96
・2016/09/24 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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編按:身為音響愛好者的你,在選擴大機時,你知道該注意什麼資訊嗎?在上篇中介紹了最基礎的聲音原理,這篇則要告訴你如何用三個問題決定你的擴大機需要的功率大小。

文/林彥君

你的揚聲器嗓門有多大?

擴大機需要多大的功率,與揚聲器的靈敏度(Sensitivity)有很大的關聯。藉由單體的前後振動,揚聲器可將擴大機送來的電能訊號轉換為聲波,靈敏度代表的意義即為揚聲器將「電能」轉換為「聲能」的效率。同樣給予 1 W 的功率,不同揚聲器所發出的音量一定會有大有小,可發出較大聲壓的,靈敏度較高,反之則靈敏度較低。

靈敏度

靈敏度的單位為 dBSPL / 1 W  /1 m,若一揚聲器的靈敏度為 80 dBSPL / 1 W / 1 m,則代表給予揚聲器 1 W 的功率,在距離揚聲器軸線 1 公尺處可測得 80 dBSPL 的音量。85 以下算是低靈敏度、86~90 為中靈敏度,91 以上就算高靈敏度了。靈敏度愈高,表示揚聲器可以用愈小的功率發出愈大的聲音,對擴大機的功率需求較小。

理論上,若擴大機的輸出功率增加 3 dB(2倍),揚聲器的輸出聲壓也應該要增加 3 dB;輸出功率增加 10 dB(10倍),揚聲器的輸出聲壓也應該要增加 10 dB。附表二列出了揚聲器的靈敏度、輸出聲壓與擴大機的輸出功率之間的關係。以靈敏度為 80 dBSPL / 1 W / 1 m 的揚聲器為例,在1公尺處輸入 1W 的功率可獲得 80 dBSPL 的音量,若輸入功率變為 2 倍(2 W),可獲得 83 dBSPL 的音量;若為 10 倍(10 W),則可獲得 90 dBSPL 的音量。想多獲得 3 dB 的音量,擴大機的輸出功率需呈倍數增長。

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附表二
附表二:揚聲器的靈敏度、輸出聲壓與擴大機的輸出功率。

高靈敏度的揚聲器在所需音量較小的情況下還看不太出來他的好處,但若是於演唱會等所需音量較大的場合聆聽時,優點就顯現出來了。在 1 公尺處若想獲得 110 dBSPL 的音量,靈敏度為 92 dBSPL/1W/1m 的揚聲器僅需 64 W 的功率就足夠,但靈敏度為 80 的揚聲器,則需動用到 1024 W 巨獸等級的擴大機,兩者所需的功率足足相差了 16 倍,近 1000 W!

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距離越遠,聲壓越小。

需特別注意的是,附表二所列的輸出聲壓只是理論值,實際上,揚聲器所能承受的最大功率是有極限的,並非給予越大的功率,揚聲器就能無限制地發出越大的音量。因此,揚聲器的最大輸出聲壓還需考慮其所能承受的最大功率,若一靈敏度為 80 dBSPL/1 W/1 m 的揚聲器,所能承受的最大功率為 32 W,則 95 dBSPL 的音量就已經是極限了。

揚聲器的承受功率標示也分為最大瞬間承受功率以及平均承受功率,後者才是有意義的數值,在選購時要多加留意。若是供給的功率超過揚聲器的承受範圍,則多出來的功率會變成熱能逸散掉而非轉換為聲音,超過太多,揚聲器就有可能因為產生過多的熱能而燒毀單體中的線圈。高音單體與超高音單體由於線圈線徑較小,可承受的功率也較小,使用不當,往往會成為第一個遭殃的犧牲者,在使用時要特別注意。

聆聽空間大小與聆聽音量

了解靈敏度與功率的關聯還不足以判斷所需擴大機的功率大小。聲音的大小與聆聽距離息息相關,透過日常生活的經驗,可知距離越遠,聲音越小,因此,聆聽環境不同,對擴大機的功率需求自然也不同。是要擺在書桌上近距離聆聽?還是擺在客廳?在室內還是在戶外?距離與聲壓成反比關係,距離增加一倍,聲壓就減為一半,相當於聲壓級減少 6dB。附表三列出了距離與聲壓的關係。舉例來說,靈敏度為 80 dBSPL / 1W / 1m 的揚聲器,輸入 1W 的功率,在 1 公尺處音量為 80 dBSPL,在 2 公尺處,音量會降至 74 dBSPL,在 4 公尺處,只剩下 68 dBSPL。若想在 4 公尺處一樣獲得 80 dBSPL 的音量,則增加 12 dB 的音量,功率亦需增加 12 dB,對照附表一可知,12 dB 相當於 16 倍(16 W)的功率。

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附表三
附表三:距離與聲壓對照表。

需要多大的功率與個人喜好聆聽的音量大小也有關係,80 dBSPL 的音量長期暴露即會造成聽覺的損傷。因此,一般建議長期聆聽音量控制在 80 dBSPL 以下較佳。筆者喜好的音量約為 70~75 dBSPL。唯試聽音響時,音量會增加至 85 dBSPL,以求聆聽到更多的細節。

一首歌曲並非總是維持在一定的音量,音樂的高潮或磅礡處,可能會比平均音量多上 3~6 dB 甚至更多。因此,衡量出所需的最大聆聽音量後,建議要再加上 6 dB 的餘裕,才能確保在聆聽時能獲得較佳的聆聽感受。

音響小撇步:

聽力一旦毀損就無法回復,在 90 dBSPL 的環境下,最多只能待 8 小時。你知道自己平常聆聽的音量有多大聲嗎?以下這個 APP 可以測量周圍環境的分貝值,享受音樂之餘,也別忘了聽力的健康與保養喔!

上網搜尋:「噪音捕手」

三個問題,決定所需的功率大小

綜合上述,擴大機需要多大的功率,主要取決於三個因素,需要多大的音量、揚聲器的靈敏度、以及聆聽距離的遠近。以下列舉了一些情境實例:

決定好以上三點後,只需要簡單的三個步驟,就可以計算出所需的功率大小了,步驟如下:

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1. 查閱附表三,找出在欲聆聽的距離下,輸入 1 W 的功率可獲得多大音量  V1W

2. 將最大音量 VMAX 減去 V1W,得到音量差距 VD

3. 查閱附表一左側欄位,得到 V對應的倍數,乘上 1 W,即為所需的功率。

附表一
附表一:倍數與分貝轉換對照表

以情境一為例,目標是要在 1 公尺處發出 86 dBSPL(VMAX)的音量。靈敏度 83 dBSPL / 1 W / 1 m的揚聲器,輸入 1 W 的功率,在 1 公尺處可發出 83 dBSPL(V1W)的音量,與最大聆聽音量差距為 3dB(VD)。欲增加 3 dB 的音量,則功率也需增加 3 dB。查閱附表一的左側欄位,可知 3 dB 相當於 2 倍,輸出功率為 1 W 的 2 倍(2 W),即可在 1 公尺處發出 86 dBSPL 的音量。

再以情境二為例。查閱附表三可知,在 4 公尺處聲壓會比在 1 公尺處少 12dB。輸入 1W 的功率,靈敏度為 83 dBSPL / 1W / 1m 的揚聲器在 4 公尺處音量為 71 dBSPL(V1W),與最大音量 83 dBSPL(VMAX)差距 12dB(VD)。查閱附表一,可知 12dB 相當於 16 倍,因此,距離 4 公尺的客廳,僅需 16W 左右的擴大機便足夠。

理論與實際的差距

由以上可知,一般家用音響對功率的需求其實不大。然而,理論歸理論,實際購買時,一般會建議瓦數為理論值的 2~4 倍。揚聲器與擴大機的數據都是廠商提供的,你無從得知這些數據是如何測得、也無法驗證這些數據的真實性,甚至,有些數據的標準是各家廠商自行決定的。

舉例來說,稍早有提到揚聲器的頻率響應圖是像水波般高低起伏,也就是說,給予揚聲器 1 W 的功率,不同頻率的聲壓必不盡相同。然而,靈敏度只有定義是在 1 瓦、1 公尺處測量,並沒有明確定義是在什麼頻率下測得的,究竟這個數據是取 1 kHz 處、取平均值、甚至是取最高點,消費者根本無從得知。取的頻率點不同,聲壓可能會差到 3 dB 甚至  6 dB、相當於 2~4 倍的功率差異!

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同理,擴大機的最大輸出功率也是廠商說了算。要精確地測量音響設備的規格,所需的測量工具與檢測環境皆造價不菲,並不是每家音響廠商都負擔得起高昂的測試費用。筆者要再次強調,所有數據都只是參考用途,千萬別當成聖經膜拜,把數據好壞當成選擇的唯一依據。

因此,綜合來說,若是將揚聲器擺在書桌上,聆聽距離 1 公尺左右,就算是低靈敏度的揚聲器,4 W~8 W 的擴大機也已經綽綽有餘了。若是在一般大小的客廳或書房,則擴大機的功率 30 W~60 W 左右也已經非常足夠。

那麼,是否擴大機的功率越大,音質就越好呢?答案是不一定。靈敏度與音質並沒有正相關,擴大機的功率與推得好不好、聲音的細節表現等其實也沒有絕對的關係。讀者可依自身的聆聽習慣和環境,購買符合自身需求的擴大機,而非一味追求大功率。其餘的挑選觀念,在往後的「看觀念」中,會再陸續為各位說明,希望各位讀者都能挑選到最適合自己的音響器材!


Vol 2

本文轉載自《音響入門誌》vol.2:擴大機篇。

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PanSci_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

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此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

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不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
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linjunJR_96
33 篇文章 ・ 913 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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音樂進入我們的耳朵時發生了什麼事?--《知識大圖解》
知識大圖解_96
・2017/07/01 ・2331字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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我們如何製作音樂?音樂進入我們的耳朵時又會發生什麼事?

音樂是我們文化中古老的一環,對我們的心智具有強大的影響力。歌曲可以讓人哭、讓人笑、讓人聞之起舞,或是厭惡地掩耳拒聽;每個人也都有各自喜愛的歌曲。

聲音由振動產生。

當樂器的弦振動時,便會推擠前方的空氣(壓縮),並使後方的空氣擴張(稀薄化);此過程會產生在空氣中行進的聲波

當聲波到達耳朵時,就會推動耳道中的空氣、讓耳膜產生振動。這種振動會觸動三塊聽小骨,將振動傳往耳蝸(充滿液體的螺旋形結構);耳蝸中液體的運動則能產生會被送到腦部的電訊號。然而,這只是人耳能聽見音樂的一小部分過程。

這些簡單的振動能引發強烈的情緒反應,而音調本身以及我們腦部的感知方式亦十分複雜。

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抵達你耳朵的聲波帶有大量資訊,音樂的音調基本上包含音量音高音質(或稱音色)。振動越大,聲音越響;振動頻率越高,音高越高;音質則取決於聲波的平滑程度。

在物理教科書中出現的標準波形都十分平滑,但人或樂器所產生的聲音並不會真的如此平順;正是這些小小的不完美彼此加乘,才能形成最終音調的音色。此外,還須考量回聲、混響(reverberation)、共鳴及層層疊加的樂器、嗓音和歌詞。

我們的腦部須處理這些輸入耳內的聲音,而不只是將音調轉譯成電訊號。處理音樂訊息的過程與我們腦中控制愉悅、恐懼、動作、記憶和情緒的部位有關,且歌曲還能啟動意想不到的迴路。接下來,我們將深入介紹,當你聽到喜愛的歌曲時,腦中究竟會發生什麼事。

點擊放大圖。圖/《知識大圖解》提供

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聲學共鳴

撥動套在人造奶油罐上的橡皮筋時,所發出的聲音與撥弄吉他鋼弦並不相同。撥動橡皮筋或琴弦時,產生的振動會傳遞至樂器本身;樂器的形狀和材質對最終的音調影響頗大。不同的物體會傾向以特定的頻率振動,某些頻率也會特別容易被放大,這就是所謂的共鳴。

除非樂器改變形狀,否則共鳴頻率都會固定,而這也是人聲會如此特別的原因。喉嚨、嘴巴和鼻子就如同樂器的管子,能放大聲帶產生的振動;改變嘴形能發出不同的字音,打開喉嚨或用鼻音唱歌則可唱出截然不同的音調,這是因為我們改變了發聲系統的共鳴特性。歌劇演唱家是共鳴專家,他們能善用共鳴,在不使用麥克風的情況下讓歌聲傳遍整個音樂廳。

點擊放大圖。圖/《知識大圖解》提供

音樂廳的聲學

演奏出正確的音調只是完美演出的一部分

音樂廳擔負著重責大任,它必須讓聽眾沉浸在管弦樂團的最大樂聲中,卻又不能造成回音;另外,還得放大獨奏樂手奏出的精緻樂音,讓後排聽眾能聽得一清二楚。想確保聽眾能夠盡興,音樂廳的設計得考量三項因素:音量等化混響

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完美的演出還要加上完美的音樂廳,它必須讓聽眾沉浸在管弦樂團的最大樂聲中,卻又不能造成回音;另外,還得放大獨奏樂手奏出的精緻樂音,讓後排聽眾能聽得一清二楚。圖/By Hanserblich, CC BY 3.0, wikimedia commons

音量主要由管弦樂團直接發出的聲響來控制,但也會受牆壁和天花板的反射所影響。音樂廳絕對不能有過多的回音,因為聽眾的耳朵會預期音樂來自於管弦樂團,而非身後的牆壁。

等化可確保聽眾聽到所有的頻率。有的空間會放大某些特定的頻率,而等化的目標就是使聲音達到平衡,並稍微消減最高的音調,以免出現任何來自弦樂器的尖銳聲音。

混響則是樂音在音樂廳內部四處反彈的結果。各個物體表面所反射的聲音並不一致,因此若不加以矯正,樂音就會有些失真。

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音樂廳能夠平衡上述所有的因素,它利用了各種不同的形狀和材質來維持聲音的平衡,再將之導向聽眾。平坦而堅硬的表面能反彈聲音;柔軟的表面可吸收聲音;粗糙的表面則會將入射的聲波散射。在牆壁和天花板上裝設經特別設計的嵌板,就能使樂音在抵達你的耳朵之前,先被調整並優化。

改善音響效果

倫敦皇家阿爾伯特音樂廳的天花板掛滿了一顆顆蘑菇,但這並不是溼氣太重所致,這種奇異的構造可是為了改善音響效果。這些蘑菇在 1960 年代經過測試,隨後便安裝上去,並於 2001 年再次改良;目前共掛著 85 朵玻璃纖維製的真菌。皇家阿爾伯特音樂廳很大,天花板具有拱頂,若少了這些蘑菇,管弦樂團奏出的每個音符都會出現冗長的延遲回音。然而,即便有了這些蘑菇,仍需大型管弦樂團來讓這座巨型音樂廳充滿著樂音。

倫敦皇家阿爾伯特音樂廳的天花板掛滿了一顆顆蘑菇,但這並不是溼氣太重所致,這種奇異的構造可是為了改善音響效果。圖/By Colin, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

點擊放大圖。圖/《知識大圖解》提供

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本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 33 期(2017 年 06 月號)

更多精彩內容請上知識大圖解

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知識大圖解_96
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擴大機挑功率大的準沒錯?(上)—《音響入門誌》
PanSci_96
・2016/09/24 ・5609字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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文/林彥君

擷取

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。

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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。

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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」。

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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

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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。

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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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