扬声器的效率、阻抗与动态

由十余年来多次的接触,我发现消费者在选购扬声器时,常会询问:它的效率是多少?阻抗是多少?但却鲜有人问:它的最高音压是多少?甚至于在看过一些杂志的器材评论后,有不少人认定低效率喇叭就代表是高音质喇叭。
音响史上确实有几款著名喇叭以低效率名,例如rogers的ls-3/5a及ar-3a。十多年前我还是杂志社小编辑时曾亲眼所见,国内音响名师林宜胜先生,谈到3/5a时,脸上竟泛起一阵神光说:它的效率其低!但当日在板桥陈正修先生(已移民旧金山)家里,有三对小喇叭的试听比较,3/5a上阵还不到两分钟,就被另外一位音响闻人高真民先生一阵开骂给炮轰下来!
更早之前,那时只有lp没有cd,我到上扬唱片公司买唱片。在选唱片时,觉得背景音乐怪怪的,男高音domingo怎么感冒了?鼻音这么重!问清楚后,才知一切都是」闷葫芦」3/5a搞的鬼─当时rogers喇叭是由上扬进口销售。
我对3/5a的恶感就是这样而来,没想到全球闻名的bbc-3/5a,竟然是个「闷」葫芦。等到试作daline后,才知bbc 并未将kef单体性能发挥极致,ls-3/5a的好处只是体型小、售价低,难怪有人会卖了3/5a换用我的daline传输线喇叭。道理很简单,依3/5a低音单体b-110之规格计算,根本不能装在那么小的音箱里!
这点有必要说明,其实英国bbc并非不会设计喇叭,而是为了携带方便,不得不将喇叭设计得很小,这是没办法的妥协。
低效率喇叭确实曾风光过,但cd开始逐渐流行后,就有人对低效率喇叭抱着怀疑态度,名乐评家、莹升公司负责人曹永坤先生,就曾经说过cd的高动态会自然淘汰低效率喇叭。
晶体管机的瓦=真空管机的瓦
经过20年,cd系统已渐趋成熟,但低效率喇叭依然存在于市场,而且低效率=高音质的观念好像并未动摇;直到最近这几年才有了些许改变。
真空管又回头了,老厂新厂纷纷出笼,但管机后级的输出功率普遍比晶体机低。有音质至上,非we300b不用,还且只要单端不要推挽。300b做单端只有7至8w左右输出,7w能推什么喇叭?当然,也有人用不到10w的管机后级推atc喇叭,那是有声音,却无法呈现atc的动态。
古早时代的altec、jbl、ev大型落地式喇叭都是高效率,因为它们的亲蜜伙伴就是管机。所以当管机推altec a7「剧院之声」时,气势就大大的不同,有谁能说管机后级没啥动态?
watt就是watt、瓦就是瓦,所以管机的7w差不多完全等于晶体机的7w─差异性是管机有输出变压器,输出功率较不易随负载阻抗变化而改变。因此若有人说管机的7w比晶体机的7w够力,那是无稽之谈,因为事实的真相是:晶体机的7w,大多时候会比管机的7w够力,绝不骗你。有两个特例,一是 otl无输出变压器管机后级,另一就是著名的ls-3/5a小喇叭。
喇叭的效率是用db值表示,但与阻抗有关联,故效率完全相同,但阻抗不同的两对喇叭,其需求电压也不相同。因为8ω喇叭的1w是输入2.83v电压,而4ω喇叭的1w是2v输入电压。因此效率相同、阻抗不同的两对喇叭,接上同一台晶体后级也必定会有不同的声音表现。
扩大机输出功率 ︳ 8ω ︳ 4ω
──────────────────
1w -------------------2.83v-------2v
2w -------------------4v-----------2.83v
3w -------------------4.9v---------3.47v
4w--------------------5.66v-------4v
10w------------------8.95v-------6.33v
4ω喇叭的需求电压虽然比8ω低,但需求电流却比较高,以4w输出为例,8ω喇叭是0.7a,而4ω喇叭则吃1a电流,因此大家都说低阻抗喇叭比较难推。
db是分贝,它的计算式因功率或电压、电流之倍数会有所不同,喇叭的效率是以功率计算。我们现在以阻抗变化甚大的某喇叭为例,说明大多数情况下,晶体机的7w比真空管机的7w来得有力─重点就是低阻抗时的电流。
阻 抗 | 晶体机功率 | 管机功率
─────────────────
8ω--------------7w---------------7w
4ω--------------14w--------------7w
2ω--------------28w--------------7w
只要驱动电流够,晶体机的输出功率会随着喇叭阻抗的降低而提升,故不只是7w而已。但管机有输出变压器交连,功率不随喇叭阻抗变。所以此时是不是晶体机的7w比真空管的7w够力?这就是很简单的奥姆定律。
3/5a即是低效率又兼高阻抗 具恒阻特性的喇叭并不多,因此当喇叭阻抗猛往下降时,管机就可能使不上力,所以管机后级推dynaudio喇叭就不易发出好声,因此时喇叭欲吃电流,但真空管却是电压组件,无法提供电流;可是换成ls-3/5a就不一样了。
3/5a阻抗 | 晶体机功率 | 管机功率
───────────────────
15ω--------------3.7w---------------7w
11ω--------------5w-----------------7w
8ω---------------7w------------------7w
7w的晶体机接上第一代3/5a就只剩3.7w,接第二代3/5a也不过是5w;可是管机就一直维持7w输出。故遇到3/5a这对高阻抗喇叭时,管机的7w就比晶体机的7w来得够力。因此就晶体机言,高阻抗喇叭较不好推。但为何3/5a的阻抗会高至11~15ω?它采用的kef t-27a高音单体及b-110a低音单体都是8ω。这就是诡谲之处,依kef单体规格设计分音器及音箱,不必讶异,你会发现ls-3/5a根本是错误的设计!
若是高阻抗再加上低效率,那这对喇叭铁定难伺候,偏偏3/5a就有这种特性。因此有人用大power推它,但3/5a又吃不下大power,功率太高就容易将它的低音推到触底─它的kef低音单体没啥动态。
现在我们来看看喇叭效率与扩大机功率的关系,比对的喇叭是ls-3/5a及klipsch的klipschorn,从下表就可看出低效率喇叭较难伺候。
klipschorn │ ls-3/5a
────────────────────
104db /1w---------------------------81db /1w
107db /2w---------------------------84db /2w
110db /4w---------------------------87db /4w
113db /8w---------------------------90db /8w
116db /16w--------------------------93db /16w
119db /32w--------------------------96db /32w
122db /64w--------------------------99db /64w--?
125db /128w--?--------------------102db /128w--?
第一行104db与81db是两款喇叭的标称效率,3/5a的99db打个?号,代表3/5a根本无法承受64w连续输入,因低音会触底,50w连续输入就已是最大值。而klipschorn喇叭在1w输入时,就得到104db的音压,这是ls-3/5a打破头也无法做到的事。至于125w加个问号,那是原厂公布klipschorn最高连续承受功100w,故当128w连续输入时,klipschorn也会不了。由于klipschorn的效率高达104db,若扩大机的讯号杂音比不够高,那不用转音量旋钮,喇叭就会发出恼人的嘶声和哼声。对于扩大机的残留杂音及哼声,高效率喇叭倒是具有明察秋毫的效用。
3/5a的效率到底是多少?本文假设它是81db,记忆中好像也是。但1995年10月号audio年鉴上,kef 3/5a的效率注明是85db,阻抗则仍维持11ω。最令我大吃一惊的是:这对小喇叭竟然飙涨到us$1450一对!老天,kef 3/5a有这种身价吗?如果它有1450美金的音质,那我也毫不脸红,传输线设计的daline一对卖2400美金!可惜卖到现在,daline喇叭已全数售罄。
不论有什么改进,3/5a的最高音压却仍不及klipschorn的基本标称效率。再计算「标称效率」至「最高音压」的范围,3/5a大约是18db,而klipschorn大约是21db。
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这里透露着两点,一是以300b单端每声道7w管机推klipschorn喇叭,它的表现绝对会比40w×2的晶体后级推3/5a喇叭来得轻松自在、有魄力。第二点则有赖大家共同研究,是不是高效率也同时代表高动态?
若果真如此,曹永坤先生就有先见之明。准此原则,吾人当选用高效率喇叭,这样后级输出功率不必动辄数百瓦。当然,上百db的高效率喇叭通常体型庞大,若是紧贴墙摆,又完全听不出音场、深度。但以一般家庭聆听音乐或观赏av用,效率似乎也应在90db以上。然而,低效率喇叭就代表低动态?很不幸,3/5a及本人的daline却是明证。当然atc可能会不同意,atc的scm20为8ω/83db─效率比daline略高,但它的连续承受功率竟然是200wrms,因此计算其最高音压竟然高达106db,绝非ls-3/5a或daline之辈能比。
晶体机驱动高阻抗喇叭会降低功率,但也有例外,mcintosh虽是晶体机,却因为有输出变压器,故其输出功率不会随负载阻抗变动而变动。好在音响圈中特例不多,没有输出变压器的真空管机不多见,有输出output的晶体机也唯有mcintosh。而标称阻抗高过 8ω的喇叭,这些年来也很少见。故现代管机的输出变压器,理应只须要有4ω及8ω两个绕组输出。
应选用高效率、高动态喇叭
接驳低效率低动态喇叭时,后级的输出功率不能太低,以免推不动;但输出功率又不能太高,以免喇叭受不了,故常两难。「低效率低动态」六个字若不能理解,改成「低效率低最高音压」八个字就比较明显。
世上喇叭何其多,但在规格表上明确注明最高音压者,却不及百分之一。若有最高承受功率─是连续不是瞬间,就可从效率计算过来。例如效率86db的某款喇叭,其连续承受功率160w,我们就可轻易计算出它的最高音压是:108db。利用工程型电算机按几个键,160 log×10=22,86+22=108(db);而22db大致就是此喇叭的动态。
动态范围dynamic range之值以db表示,数值愈高愈好。音响器材性能表中有动态范围者,大概只有cd唱盘及影碟机;扬声器厂商几乎都不会注明此规格,以避免自曝其短。动态范围可说是由最低到最高的变化、由最小到最大的变化,也由最弱到最强、由最暗到最亮的变化。音响器材动态愈大,就愈能表现由最弱音到最强音的变化。cd唱盘的动态甚少低于90db,但扬声器却甚少高25db。
这种直接比较合理吗?当然不正确,因cd唱盘的动态范围是电压倍数的变化,而喇叭的动态范围是功率的计算。我们常说前级的十倍放大具有20db的增益,但10w功率却换算成10dbw,而不是20dbw,请看底下的说明。
都是db值,功率的计算是:数值log×10,电压、电流计算是:倍数log×20,因此100倍的电压放大就是40db。若某前级具14db增益,它的放大倍数是多少?利用工程型电算机按几个键:14(db)÷20÷invlog=5(倍)。若是某效率86db喇叭的最高输出音压是105db,换算成最高承受功率就是:(105-86)÷10÷invlog=79.5w。而105-86=19(db),就大约是它的动态。
分清楚电压增益的db与喇叭功率的db,你就会明白为何hi-end厂都反对将后级扩大机的输出功率标示成dbw。因50w是16.9dbw,而500w虽是超大power,但也仅是26.9dbw。看起来似乎50w与500w之输出功率差不多,故厂商可能以「消费者不容易懂」做理由,一直反对标示dbw。
若喇叭的最高音压-效率即是它的动态范围,那一般家用喇叭的动态有多少?不论是avalon asent、thiel cs5i、b&w 801,都绝不超过25db!往专业领域找,rey audio的rm-8v效率是100db,最高音压是130db,有30db动态,30db正好是1000w,亦即rm-8v可承受1000w。
日本rey audio还有音压更高的rm-1800,其型号有两个意义,一是采用两只18吋低音单体,一是喇叭高度为1800mm。有一年「恰客与飞鸟」在大阪开演唱会,就用了4对rm-1800。
再思考一个问睿喝魞蓪鹊淖杩古c效率皆相同,用同一台扩大机驱动,是否会得到相同的音压?─数字通常是不会骗人的。
不会一样,经多年实际操作经验显示,差异性极大。在无响室内所测出的效率,不一定能含盖低、中、高频,因此同样都是95db/8ω的两对喇叭,其最低驱动功率(扩大机输出功率),可能一是20w,一是50w。
但高效率喇叭也确实有其优点,以102db来说,那是指1w输入;若是0.5w输入,它也有99db!就算是0.25w输入,也高达97db。以一般家听音乐,很难有机会发出97db的音压,故7w输出绝对够用啦。
通常高效率喇叭的体型都比较大,其共同特点就是低频不足,或是说:它们无法发出真正的低音。想测试它很简单,用电影配乐cd一试便知。主要原因是单体的fs不够低,当年它们须要的是:高效率、干净的中低频,又没有电子合成器,故极低频可以牺牲。若是早期的大型高效率喇叭,低频散涣不说,喇叭贴着墙摆,左右相距又仅一米,应该有的音场及深度,都会被遮蔽掉;基本上常是糊成一团,毫无透明感。
聆听环境的背景噪音要低
理想扬声器是高效率、高音压,因为这样才可以将音乐最低音到最高音的变化表现出来。不过要谈动态范围,那可千万不能遗漏环境噪音这个重要因素。
听音环境愈安静愈佳,但除非是专业录音室,一般经过略为装修的音响室,其背景噪音也都在35db以上─这是指夜深人静时的量测,大白天的情形更糟。而背景噪音之高低也与动态范围有直接关联,噪音愈大,就愈需要喇叭发出高音压以呈现乐曲的最弱音符。故聆听环境的背景噪音及器材的残留噪音绝对是愈低愈佳,就算是欣赏5.1声道的av,要求也是一样。
由于背景噪音高,因此「声音」要更大,才能听到音乐的全部细节。但就算器材表现没问睿?咭魤阂矔砝?_,一是邻居会向你抗议,二是对耳朵有可能造成伤害。在热门迪士可舞厅,为了营造气氛,也为了压抑消费者的声浪,它们的pa音响常开足马力,音压都超过120db,长时间处于那种环境下,极有可能会对人耳造成伤害。
当然居家不同舞厅,而家用音响因管机又回头流行,不仅名管we-300b重新生产,jbl、altec老喇叭也逐渐重回市场。不过这些号角喇叭虽效率颇高,但体型也都甚为硕大,一般家庭极不适合摆放。此外还有一个疑虑:这些喇叭的音质与其效率成正比吗?最近有好几位读者对我提到某中型进口美国高效率喇叭,音质甚为粗糙,虽然很好推,但不忍卒听,只能用于av。
小功率匹配高效率
为了避免浪费能源,及得到正确的搭配,我个人有两点伟大的建议,但需要全球音响界认同:一、效率低于90db的喇叭,不准制造、销售、进/出口,而且阻抗应尽量维持8ω;二、高过90w输出─8ω/ch─的后级/综合扩大机,不论晶体管、真空管,也是不准制造、销售、进出口(当然,专业器材不受以上的限制)。
果真如此,则dynaudio、vifa、eton…等著名喇叭厂,就会开发出不是号角型,而且体型又不很大的高效率喇叭。又因扩大机输出功率降低,电源变压器、滤波电容…都可减小,故材料成本、重量、体型及售价都可降低,这绝对是消费者、爱乐者之福。您说对吗?

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