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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】

參考資料

  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 ・ 847 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

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。