1.2 电声基础问答

1.2.1 电压如何测量？

电压（voltage）指的是电源内部推动电荷在电路中流动的势能。电压的国际单位制为伏特（V，简称伏），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。

在测量电压时我们需要区分直流和交流，如果选择错误 ，极有可能烧毁万用表或引起其他事故。使用指针式万用表测量电压时，必须要先估算其电压大致范围，如果不确定就要先采用较大的量程来进行测量。例如，不确定主电源线过来的交流电压是380V还是220V时，可首先采用万用表上的1000V量程试测，以免烧坏万用表。若确认电压为220V，为了准确读数，可采用250V量程再次测量（切勿带电换挡）。

小型演出一般采用220V交流供电，而大型的演出现场通常采用三火一零一接地的供电方式，火线之间电压为380V，它们对零线的电压分别为220V。

电源的接线安全关乎整个系统的安全，笔者目睹过多次因为电源导致设备损害，触目惊心，尤其是演出中零线脱落，简直成为“设备的爆破现场”。

用于现场演出的配电柜供电必须要防水、稳定且便携。在空气开关接线时，应当采用符合国标的线材，并要规范地固定。在大型演出中，为了保证电源安全，建议派专人守在电源主线接线处，以免发生意外。

图1-11为演出中使用的流动配电箱。

1.2.2 什么是电流？

单位时间内在导体中通过的电量称作电流强度，简称电流。电流符号为I，电流的单位为安培，用A表示。

电流又分为直流和交流。

直流用“DC”表示，表示电荷单向流动且电压大小保持不变的一种供电方式，例如电池所输出的电流就为直流电。

交流用“AC”表示，指电流随着时间有规律地改变流动方向的供电方式，我国采用50Hz交流电作为供电标准。

1.2.3 如何估算音响系统的总功率（W)？

功率是指物体在单位时间内所做的功的多少。功率的单位是瓦特（W）。

1W（瓦特）=1V（伏特）×1A（安培）

毫瓦（mW）也是我们常用的单位，1W=1000mW。

在演出现场，主办方通常需要询问我们的音响系统总功率是多少，严格来说这牵涉复杂的运算过程，下面给出一个快速估算方法，可用于粗略估计，若需要精确的功率数据这个方法是不可取的。

音响系统中耗电最大的设备通常是功放或者有源音箱，所有音箱的峰值功率相加除以功放效率即为满功率状态下功放设备的最大耗电功率。

例如，某系统超低音音箱每只峰值功率2000W，共2只，合计4000W；

主音箱每只峰值功率1000W，共2只，合计2000W；

返听音箱每只峰值功率800W，共4只，合计3200W。

以上系统最大扬声器功率（峰值）为4000+2000+3200=9200（W），用这个数字除以功放的效率（通常AB类功放的效率约为70%～85%,D类可达90%，即为功放音箱设备潜在的最大耗电功率），但实际音乐信号并不是恒定的电压信号，而是不断变化的声音功率信号，故实际使用中功率要比计算得出的结果少。一般计算会减去6dB的峰值余量，也就是说估值就是总功率除以4得到的数值。9200÷80%÷4=2875（W），加上调音台、话筒与其他周边设备的耗电功率， 3800W的电源就可以基本满足这场演出。

1.2.4 欧姆定律是什么？

部分电路的欧姆定律如下：

电压（U）=电流（I）×电阻（R），即U=IR。

当我们把调音台的推子推上3dB时，信号功率会增加一倍，功放端的输出功率亦会增加一倍，当我们推上6dB时，功率会增加为原来的4倍。实际上当推子推上6dB时，功率放大器的输出端电压会增加一倍，电流亦增加一倍。假如功放输出电压为16V，阻抗为8Ω，此时电路中的电流约为16÷8=2A（忽略频率因素），如果调音台上推6dB，此时加在扬声器两端的电压为32V，电流为4A。

功率P（W）、电阻R（Ω）、电压U（V）、电流的I（A）之间的关系如下：

在音响系统中，音箱线材对系统的输出功率影响很大，因为扬声器系统的阻抗一般是8Ω或者4Ω的，非常小。

假设扬声器连接线有2Ω的电阻，接上4Ω的扬声器，我们来计算下影响。

加载在扬声器的功率为200W，扬声器阻抗为4Ω，此时电路中电流为7.07A，电路中电压为28.3V左右。这时候如果连接上一根2Ω的导线，此时电路中电流为5.77A，扬声器上的功率为133.17W。一根2Ω的导线让扬声器功率从200W变为133.17W，线阻损耗了67W左右的功率，因此扬声器的导线非常重要。在同样材质的情况下，越粗的导线阻抗越小，因此扬声器要使用尽量粗、尽量短的导线以提高传输效率。一般情况下导线的阻抗可以忽略不计，但在大型演出现场如果导线过长，还是需要计算在内的。

所有的功率放大器的输出负载阻抗都有额定值和最低值，一般功放的额定阻抗都是8Ω的，最小驱动的阻抗值大多数都是4Ω，一些高端的功放可以稳定驱动2Ω的扬声器。千万不能将小于负载阻抗的扬声器接入功放，如果把几个扬声器并联为阻抗2Ω的扬声器，连接在只能够负载4Ω的功放上，势必会引起电流过大，可能会引起功放过热甚至引起火灾。

1.2.5 扬声器的并联和串联指的是什么？

扬声器的并联是指将所有的扬声器正极端口连接一起、负极端口连接一起，这种接法会导致整体回路的阻抗降低：两只8Ω的扬声器并联后阻抗为4Ω。

其次，在并联电路中所有扬声器两端的电压相等，阻抗小的扬声器流过的电流大于阻抗大的扬声器，若两只扬声器阻抗相等，则流过的电流相同。换句话说，若阻抗相等的扬声器并联，则两只扬声器将做功一致，而若阻抗不等，则阻抗值小的扬声器做功大于阻抗大的扬声器。因此在系统中一般情况下我们只允许同型号的扬声器并联（同功率、同阻抗、同灵敏度），如图1-12所示。

扬声器的串联是指扬声器的正负端口依次相连接，即第一个扬声器的正极端口连接到第二个扬声器的负极端口，这种电路会导致整体回路阻抗增加，其阻抗值为两只扬声器或多只扬声器的阻抗值的和。这种电路中流过所有扬声器的电流是一致的，若串联中阻抗不一致，那么阻抗高的扬声器两端的电压高于低阻抗扬声器两端的电压，因此阻抗越高做功越多。不过， 除非特殊需要，这种电路一般不会出现。

1.2.6 阻抗匹配的基本原理

电阻与阻抗

导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。电阻和阻抗常常被混淆，实质上它们不尽相同。电阻阻值一般被认为是固定的（不考虑温度等因素），而阻抗存在于交流电路中，随着交流频率的不同，其阻抗值也会发生变化，因此扬声器一般都有自己的阻抗曲线，指出它在不同频率下的阻值。

基础原理

在音响系统中，前级的输出设备与后级的输入设备相连接时，前级设备输出端的内部阻抗称为输出阻抗，后级的内部输入端的阻抗称为输入阻抗。

设备接通后其工作原理等同于一个串联电路。因为在串联电路中，流过各个电阻的电流是一致的，而阻值高的电阻两端将获得更高的电压，因此阻值高的电阻将做功更多。为了让后级能够获得更大的功率，我们必须将后级设备的内阻做得比较大，从而获得更高的信号增益。

图1-13简要说明了阻抗匹配的基本原理：R1是输出设备的阻抗值，R2是输入设备的阻抗值。由图可见，R1与R2形成了一个串联电路。在串联电路中，各电阻流过的电流值一样，电阻的阻值越大，电阻两端的电压就越高。为了让后级设备在输入端获得更高的电压，就需要R2的阻抗值要更大。

一般认为，阻抗匹配的最低限度是输出阻抗与输入阻抗值之比为1 : 5，常见值为1 : 10到1 : 20或更低。

阻抗匹配

一些调音台的输入阻抗为3～10kΩ，对一般的话筒来说完全没问题，例如舒尔的SM58输出阻抗为600Ω，连接至输入阻抗6kΩ的调音台时，调音台阻抗是话筒阻抗的10倍，调音台可以获得正常的输入电压。但是如果连接一件高阻抗乐器，例如电贝斯，电贝斯的输出阻抗值通常高于调音台的输入阻抗，因此在调音台的输入端口无法获得正常的输入电压，从而降低了信噪比，所以要将高阻抗转换为低阻抗才可以将信号顺利传输。

针对不同的需求，商家设计了不同的种类的DI BOX，专门为高阻抗乐器设计的DI BOX可以让电贝斯信号获得最佳的传输效果。

事实上，DI BOX不仅仅是一个阻抗转换设备，许多DI BOX还具有隔离、放大、衰减、对地开关等功能。

关于DI BOX的内容，可参考第9章“现场拾音”。

设备并联

调音台的输出接口可以并联多少台功放？下面以调音台输出端与功放连接为例，来说明设备并联所需要的一些基础知识。

例如某功放的输入阻抗为2kΩ，某调音台的输出阻抗为75Ω（见图1-14），该调音台可以驱动10台并联的功放吗？

可以计算出10台功放并联后阻抗为200Ω,200÷75=2.7（倍），此时功放输入阻抗是调音台输出阻抗的2.7倍，因此不符合阻抗匹配的基本条件（一般最低不低于5倍），连接的功放越多，每台功放所获的信号电压就越低，系统信噪比也就越低。

1.2.7 什么叫单点接地？

在全部的电路回路中只有一个接地点的叫作单点接地。这种接地方式不存在对地环路，可以避免一些因为地环路导致的噪声，单点接地是音响系统中必要的接地模式。

多点接地时，音响系统中容易不定期、无规律地出现交流声，主要是接地点之间其他因素所带来的地环路电压造成的（见图1-15），而单点接地就可以避免设备间由于地环路电压带来的隐患（见图1-16）。

在音响系统工程中，若采用了金属机柜安放功放等设备，要确认机柜与地面分离绝缘，否则机柜有可能成为一个接地点，在某些时候为音响系统带来电流干扰。

当无法避免多点接地时，需要在设备之间使用隔离变压器将设备隔离，以避免交流噪声。例如，某公司为多个厂房安装了独立的音响设备，甲方需要将这些设备连接在一起，由于不同厂房中的电源一般都有自己的接地，故设备与设备之间信号传输时需使用隔离变压器。

1.2.8 常用的隔离变压器是怎样的？在哪些场景需要使用它？

在音响系统中，我们常常需要用隔离变压器隔离两套设备对地的电压，其中600Ω 1∶1隔离变压器最为常见。下面列举几个需要使用隔离变压器的场景。

*当音响系统与投影或者LED大屏幕系统连接时，播放视频的计算机如果需要同时播放音频，与调音台连接时需要使用隔离变压器；

*当音响系统需要与录像系统连接时（例如需要将音频信号送给摄像机时），需要用隔离变压器将摄像机和调音台隔离；

*当音响系统存在于多个房间，每个房间有独立的电源接地，且各房间需要音频信号共享时，需要将各个房间之间连接的音频信号线使用600Ω 1∶1隔离变压器进行隔离。

劣质的隔离变压器会导致音频信号动态变小、失真、频响劣化等诸多问题，所以需要在系统中采用优质的隔离变压器。

1.2.9 dBu、dBm是怎么来的？

电声学者们为便于定义基准值，设置了一个最基础的电路，这个电路是将一个0.775V（伏）的电源和600Ω（欧姆）的电阻连接，这时所流过的电流为1.291mA（毫安），电路损耗总功率为1mW（毫瓦），如图1-17所示。

他们将0.775V、1.291mA、1mW全部定义为一些指标的参考值：

1mW称为零电平电压功率，标记为0dBm；

0.775V 称为零电平电压，描述为0dBu（或0dBv）；

1.291mA称为零电平电流，但我们国家不采用电流电平的基准。

已知1mW功率为0dBm，如果功率为40W，折算为dBm等于多少？

计算如下：40W折算为mW:40000mW，除以参考值1mW，然后折算为对数即可。

10lg（40W/1mw）=10lg（40000）=46dBm

dBu可以简单地这样理解： 海拔的高度是基于海平面的，可以简称为“海平”；而信号的高低我们不再以电压描述，而是描述为“电平”，高于0.775V的电压为正数dBu，也可称为“高电平”，低于0.775V的电压为负数dBu，可称为“低电平”。

已知0.775V=0dBu，如果电压为1.228V，折算后为多少dBu？

计算过程如下：

20lg(1.228/0.775)=20lg1.585=20×0.2=+4dBu

1.2.10 dBV是什么？

因为dBu是以电压0.775V为参考计算的，而随着时代的发展这种规范对某些设备的计算不够方便了，于是人们另外定义了一个参考值，这个参考值就是1V，定义1V为0dBV，那么2V为20lg(2/1)=6dBV。

1.2.11 dBFS 是什么？

dBFS的全称是“Decibels Full Scale”（分贝满刻度）是一种为数字设备设计的指示单位，最大的记录编码电平量就是0dBFS，也就是说0dBFS是数字设备能够到达的最高电平，除此以外所有的值都是负数。

我国广电规定 0dBFS=+24dBu（GY/T192-2003），然而我们实际使用的很多设备并不一定采用这个标准，这些设备一般有3种对应方法。

-18dBFS对应+4dBu，满刻度为0dBFS，实际最大显示电平为+22dBu。

-18dBFS对应0dBu，满刻度为0dBFS，实际最大显示电平为+18dBu（EBU R68）。

-18dBFS对应+6dBu，满刻度为0dBFS，实际最大显示电平为+24dBu（SMPTE RP155）。

1.2.12 梳状滤波器效应是什么？

当两个有固定时间（相位）差且频率相同的波混合时，会发生干涉现象，同相位信号频率点叠加，反相位抵消，相位差120°的不叠加也不抵消，信号干涉的结果是其呈现的频率响应在频谱上就像一把梳子，故这种效应称作梳状滤波器效应。它既可能发生在声学领域，也可以发生在电子电路中。

周期的影响。除非信号的持续时间已经超出，否则0°与360°（下一个周期的0°）的叠加效果是一样的，例如敲击一下三角铁，它的声音会持续直至完全停止，只要在这个持续的时间内负责扩声的两只音箱的声波在某点重叠了，只要它们存在固定时间差，哪怕相隔4个周期，仍然会发生声干涉现象，也就是说即使不在同一周期内，两相干声源仍然会发生干涉。

图1-18所示是将两个相干且相同的信号叠加，叠加时将其中一个信号延时所导致的梳状滤波器效应。

当两个完全不相干信号叠加时，不会产生任何的干涉现象，合成信号的有效值可通过将两信号的有效值相加计算得出。如将两个独立的噪声信号发生器的输出组合，输出有效值都为1V，测得的有效电压值为1.414 V，折算为dBu则为增加3dBu。这就是日常所说的两个大小相等的声音相加时，声压级增加3分贝的说法，实质上它的前提条件是声音不相干。