孫璟璠 冀翔

【摘? ?要】 以最基本的音頻信號流為線索，探討現(xiàn)場演出擴(kuò)聲系統(tǒng)中與阻抗匹配相關(guān)的問題，對擴(kuò)聲系統(tǒng)各級設(shè)備間的阻抗 匹配問題進(jìn)行分析和梳理。

【關(guān)鍵詞】 阻抗匹配;擴(kuò)聲系統(tǒng);現(xiàn)場演出

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.11.004

1? 基本概念

1.1? 現(xiàn)場演出中的信號流

在一套簡單的擴(kuò)聲系統(tǒng)中，音頻信號流會經(jīng)過輸入、處理以及重放三個模塊。筆者將集中討論聲源（傳聲器、拾音器和DI盒）與傳聲器放大器、調(diào)音臺與功率放大器，以及功率放大器與揚(yáng)聲器之間的阻抗（Impedance）匹配問題。

1.2? 阻抗

阻抗，單位為歐姆（?），是“電阻” （Resistance）和“電抗”（Reactance）的和，它被用來表征整個電路對電流的總體阻礙作用。在音頻電路中，信號從前級設(shè)備的輸出端傳遞到后級設(shè)備的輸入端，因此，大家關(guān)注的是前級設(shè)備輸出阻抗（源阻抗）和后級設(shè)備輸入阻抗（負(fù)載阻抗）之間的關(guān)系。

一個電路的輸入阻抗衡量了電流進(jìn)入電源電路之外的負(fù)載電路后電流的反映①。一個電路的輸出阻抗衡量了電流進(jìn)入與電源電路相連接的負(fù)載電路后電流的反映②。一個輸出電路（提供音頻信號的電路）的阻抗是對其送出能量難易程度的衡量，這種阻抗被稱為源阻抗。一個輸入電路（接收音頻信號的電路）的阻抗是對其能夠（從一個給定輸出電壓中）獲得多少能量的衡量，這種阻抗被稱作負(fù)載阻抗，其原因是它決定了（前一級）電路輸出端需要承擔(dān)多少負(fù)擔(dān)③，負(fù)載阻抗值越低，前一級電路輸出端需要承擔(dān)的負(fù)擔(dān)就越重。

根據(jù)歐姆定律可知：在音頻系統(tǒng)的連接中，較低的輸出阻抗更容易向后級設(shè)備輸送能量，較高的輸入阻抗更加容易從前級設(shè)備獲得能量。

1.3? 前置放大器

前置放大器④（Microphone Preamplifier）作為傳聲器信號進(jìn)入調(diào)音臺的第一個有源電路，對傳聲器電平信號進(jìn)行放大。這一環(huán)節(jié)在整個音頻系統(tǒng)中提供最大的放大增益，約在30 dB～70 dB⑤。所謂傳聲器與調(diào)音臺的阻抗匹配，其實(shí)是指傳聲器輸出端與前置放大器輸入端之間的匹配問題。

1.4? DI盒

DI盒（Direct Injection Box）直譯為“直接插入盒”，具有阻抗轉(zhuǎn)換、非平衡轉(zhuǎn)平衡、斷地等功能，通常電聲樂器拾音器輸出需接入DI盒才能以適當(dāng)?shù)淖杩菇尤胝{(diào)音臺。

DI盒分為有源DI（Active DI Box）和無源DI（Passive DI Box）兩種類型。無源DI盒最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期。后來出現(xiàn)的有源DI盒內(nèi)部包含一個放大電路，需要使用電池或外部供電;無源DI盒內(nèi)部通常不含放大電路，不需要單獨(dú)的電源。

1.5? 功率放大器級聯(lián)、功率放大器與揚(yáng)聲器

在大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中，一個調(diào)音臺輸出通道要為多個揚(yáng)聲器提供信號，需要將多臺功率放大器進(jìn)行級聯(lián)。這就涉及到調(diào)音臺輸出端與多臺功率放大器輸入端之間的阻抗匹配問題。在功率放大器和揚(yáng)聲器進(jìn)行連接時，需要關(guān)注二者之間的阻抗關(guān)系。一般功率放大器內(nèi)阻不大于0.2 ?，因此，與其相連接的揚(yáng)聲器網(wǎng)絡(luò)的總體阻抗不能小于2 ?⑧。

1.6? 橋接

“橋接”（Bridging）在不同的語境下具有不同的含義。一種“橋接”是指后級輸入阻抗大于前級輸出阻抗10倍左右，也稱高阻跨接⑨。另一種“橋接”指在功率放大器和揚(yáng)聲器連接時，“功率放大器的兩個通道被饋送同一信號（通常是來自左輸入端的信號），但另一通道（通常是右通道）的信號極性是相反的。立體聲功率放大器的兩個部分處理同樣的信號，負(fù)載同時從兩個通道獲得能量”⑩。

1.7? 過載

過載（Overload）是指后級設(shè)備輸入阻抗過低，對前級設(shè)備造成了過度的負(fù)擔(dān)，出現(xiàn)“……在電路當(dāng)中存在超過預(yù)期的電流，導(dǎo)致產(chǎn)生過度的熱量，且存在損壞設(shè)備的風(fēng)險”?。比較常見的就是揚(yáng)聲器（負(fù)載網(wǎng)絡(luò)）阻抗小于2 ?，電流過大導(dǎo)致功率放大器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

2? 阻抗匹配與高阻跨接

2.1? 阻抗匹配與回波損耗

阻抗匹配出現(xiàn)在早期電報和電話的傳輸應(yīng)用中。傳輸線路一般幾英里長，特征阻抗為600 Ω，同時期出現(xiàn)的濾波器等其他硬件設(shè)備的阻抗也被設(shè)計為600 Ω，并應(yīng)用于早期的擴(kuò)聲、廣播和錄音系統(tǒng)。在當(dāng)代擴(kuò)聲系統(tǒng)中，仍然有部分設(shè)備在連接過程中遵循輸入輸出阻抗相同的阻抗匹配原則，如無線射頻饋線和數(shù)字音頻線纜，在傳遞高頻信號時需要在負(fù)載端進(jìn)行“截止”（Terminated），即1：1的阻抗匹配。對于信號本身來說，雖然已經(jīng)傳遞到接收端，但傳輸路徑上的阻抗特性并沒有發(fā)生變化，因此仍會“繼續(xù)向前傳輸（實(shí)際大多數(shù)能量轉(zhuǎn)化成為熱能）”，不會發(fā)生反射。這種機(jī)制可以最大程度地降低傳輸線路中的回波損耗。

回波損耗（Mismatch），指由于阻抗匹配不當(dāng)而無法解決線材當(dāng)中的信號反射，進(jìn)而帶來傳輸能量的損失。電信號在信號線內(nèi)部傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)線材末端時會有一部分信號被反射，與后續(xù)的信號發(fā)生干涉，進(jìn)而影響信號質(zhì)量。

電信號以光速在線材中傳輸，低頻信號（如20 Hz～20 kHz）擁有巨大的波長，其數(shù)量級遠(yuǎn)大于信號線本身的長度，因此，信號回波與后續(xù)信號幾乎“同相”，或者可以認(rèn)為相位差忽略不計，因此，無需進(jìn)行1：1的阻抗匹配;而對于射頻信號或數(shù)字音頻信號來說，其波長較小，與線材尺寸相近，因此，回波反射與后續(xù)信號的干涉就變成了影響信號傳輸質(zhì)量的主要問題。

2.2? 高阻跨接

如上文所述，在模擬音頻信號短距離傳輸?shù)那闆r下，回波損耗幾乎可以忽略不計。因此，多數(shù)現(xiàn)代音頻設(shè)備的連接不再需要嚴(yán)格遵循1：1的阻抗匹配原則，而是更加注重信號電壓的傳遞效率。源阻抗與負(fù)載阻抗遵循1：10甚至更高比值的高阻跨接成為阻抗匹配的重要原則。同時，高阻跨接也有效避免了“過載”的出現(xiàn)。

將音頻設(shè)備視為純阻性的電子元器件，將前級設(shè)備視為后級設(shè)備的信號源，后級設(shè)備視為前級設(shè)備的負(fù)載。在不計信號線阻抗的情況下。

假設(shè)RL= 10Rs，根據(jù)歐姆定律，PS：PL=1：10，? US：UL=1：10。

此種情況符合前文所定義的“高阻跨接”。后級輸入阻抗遠(yuǎn)大于前級輸出阻抗，理論上后級獲得的能量將是前級輸出能量的10倍，電壓也是如此。

3? 擴(kuò)聲系統(tǒng)中阻抗匹配的問題

3.1? 音源設(shè)備與調(diào)音臺輸入端的阻抗匹配

3.1.1? 音源輸出阻抗的異同

傳聲器采用較低的輸出阻抗，從50 ?到600 ?不等，部分傳聲器輸出阻抗見表1。

除傳聲器之外，輸入音源還可以來自于專業(yè)聲卡、民用板載聲卡、DJ設(shè)備和拾音器等，這些設(shè)備的輸出阻抗存在一定的差異。專業(yè)設(shè)備通常輸出阻抗較低，如Apogee Duet 聲卡線路輸出阻抗為90 Ω;Focusrite 2i2 聲卡線路輸出阻抗為94 Ω;DJ設(shè)備通常會配備民用接口，如RolandDJ-808 的非平衡的主輸出阻抗為2.1 kΩ。

電聲樂器的輸出端（如鍵盤）或拾音器（吉他、貝斯）具有非常高的輸出阻抗，需要經(jīng)由DI盒進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后再輸入調(diào)音臺。有源DI盒輸入可高達(dá)MΩ級，無源DI輸入阻抗要小一些，部分品牌DI盒輸入阻抗見表2。

拾音器將樂器的機(jī)械振動通過電磁感應(yīng)原理或壓電晶體效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號，輸出至樂器揚(yáng)聲器進(jìn)行重放，多用于電/聲學(xué)吉他、電/木貝斯等樂器。拾音器也分為主動式和被動式兩種。拾音器的源阻抗從100 Ω到12 kΩ不等，有源拾音器需要供電，通常配合無源DI使用，無源拾音器無需供電，通常配合有源DI使用。例如，部分無源DI的線圈比為12：1，則當(dāng)一個源阻抗12 kΩ的拾音器接入時，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為約1 kΩ的輸出阻抗，與模擬調(diào)音臺線路輸入（參見3.1.3部分）阻抗比例大致保證在1：10以上。

3.1.2? 模擬、數(shù)字調(diào)音臺的輸入阻抗

在模擬調(diào)音臺中，傳聲器輸入接收傳聲器信號，線路輸入接收線路信號。傳聲器放大器的輸入阻抗大多在kΩ以上，線路輸入阻抗會略高于傳聲器放大器的輸入阻抗?？偟膩碚f，兩者均高于相應(yīng)音源輸出阻抗10倍以上。表3例舉了部分模擬調(diào)音臺傳聲器輸入阻抗的情況。

當(dāng)前，大多數(shù)字調(diào)音臺針對一個輸入通道僅設(shè)置一個輸入口，具有很高的輸入阻抗，能夠兼容傳聲器信號和線路信號。部分?jǐn)?shù)字調(diào)音臺輸入阻抗情況請見表4。

結(jié)合前文對于音源輸出阻抗的歸納整理，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)音臺輸入阻抗均高于音源輸出阻抗10倍以上，滿足高阻跨接的條件，音源和調(diào)音臺輸入端之間能夠進(jìn)行有效的電壓傳遞。

3.2? 調(diào)音臺與功率放大器的阻抗匹配

3.2.1? 調(diào)音臺輸出阻抗和功率放大器輸入阻抗之間的匹配

調(diào)音臺基本采用低阻輸出，如表5所示，僅有少部分調(diào)音臺輸出阻抗能夠達(dá)到600 ?。

為遵循高阻跨接的原則，功率放大器多采用高阻輸入，基本為10 kΩ～20 kΩ，大多正好是10 kΩ或20 kΩ，如表6所示，只有少數(shù)非平衡輸入使用小于10 kΩ的阻值。

當(dāng)擴(kuò)聲系統(tǒng)需要揚(yáng)聲器數(shù)量較多時，調(diào)音臺的一個輸出往往需要將信號送往多臺功率放大器的輸入，這種級連通常通過功率放大器的“Link”接口實(shí)現(xiàn)?！癓ink”的連接方式實(shí)際上將功率放大器輸入端并聯(lián)，多臺功率放大器輸入端并聯(lián)會導(dǎo)致其整體輸入降低，在超過臨界值時出現(xiàn)“過載”現(xiàn)象。與調(diào)音臺單一輸出端相連的功率放大器最多可以串接的數(shù)量也應(yīng)遵循1：10的高阻跨接原則。

假設(shè)調(diào)音臺輸出阻抗RS為100 Ω，那么功率放大器輸入端總體的輸入阻抗不得小于1 kΩ。如果一臺功率放大器輸入阻抗RL為10 kΩ，根據(jù)歐姆定律，。將R=10RS帶入式中，可得功率放大器數(shù)量為10臺，這已經(jīng)是很極端的情況了。

3.3? 功率放大器與揚(yáng)聲器的阻抗匹配

3.3.1? 總原則

總的來說，功率放大器是按照放大倍數(shù)（Voltage Gain）對輸入信號進(jìn)行電壓放大的設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，為了獲得更大的電流以增強(qiáng)揚(yáng)聲器的電磁感應(yīng)，提高換能效率，作為負(fù)載的揚(yáng)聲器使用了很低的輸入阻抗（相比傳聲器、調(diào)音臺等設(shè)備而言），功率放大器的內(nèi)阻更是非常之低（僅為0.2 Ω）——功率放大器的輸出阻抗與揚(yáng)聲器的輸入阻抗依然需要遵循高阻跨接的原則——通過高電壓與高電流的整合，能夠獲得所謂的“功率放大”。

用于低頻回放的紙盆揚(yáng)聲器，其額定阻抗通常為8 Ω或4 Ω;用于高頻回放的壓縮驅(qū)動器，其額定阻抗通常為16 Ω或8 Ω。不同的揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器系統(tǒng)將這兩種換能器進(jìn)行組合，在滿足實(shí)際應(yīng)用需求的同時遵循源阻抗與負(fù)載阻抗最小1：10的高阻跨接原則?？偟膩碚f，并聯(lián)（揚(yáng)聲器串接）會導(dǎo)致?lián)P聲器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)阻抗的降低，因而數(shù)量受到限制。一些特殊的揚(yáng)聲器（如12面體和音柱）需要將多個換能器連接在一起，因而使用混聯(lián)的方式來保證其總體阻抗不會過低。

3.3.2? 揚(yáng)聲器的最小阻抗與額定阻抗

揚(yáng)聲器的阻抗不是一個固定值，而是一條隨頻率變化的曲線。由于功率放大器是電壓放大設(shè)備，施加在揚(yáng)聲器上的電壓始終與功率放大器輸入端的信號保持一致的頻率響應(yīng)，但由于不同頻率的阻抗不同，功率放大器驅(qū)動揚(yáng)聲器在不同頻率上做功的功率是不同的。

揚(yáng)聲器制造商在定義其額定阻抗時，通常使用其最小阻抗的1.25倍，即8 Ω額定阻抗對應(yīng)6.4 Ω的最小阻抗，16 Ω的額定阻抗對應(yīng)12.8 Ω的最小阻抗。也就是說，若干揚(yáng)聲器并聯(lián)后的最小阻抗會低于通過額定阻抗計算出來的結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，對常見的兩分頻線陣列揚(yáng)聲器與功率放大器的匹配進(jìn)行分析：假設(shè)一個揚(yáng)聲器使用1個8 Ω的錐形驅(qū)動器（低音）和2個16 Ω的壓縮驅(qū)動器（高音），它們所對應(yīng)的一個通道的功率放大器內(nèi)阻為0.2 Ω，這要求低頻驅(qū)動器并聯(lián)后的阻抗不得低于2 Ω，高頻驅(qū)動器也是如此。對于低頻驅(qū)動器來說，8 Ω額定阻抗對應(yīng)6.4 Ω的最小阻抗，3只低頻驅(qū)動器（3只揚(yáng)聲器）并聯(lián)后的阻值為2.13 Ω;對于高頻驅(qū)動器來說，16 Ω額定阻抗對應(yīng)12.8 Ω的最小阻抗，6只高頻驅(qū)動器（3只揚(yáng)聲器）并聯(lián)后的阻值為2.13 Ω。因此，在這種情況下，一臺雙通道功率放大器最多同時驅(qū)動3只揚(yáng)聲器。

3.3.3? 信號線材阻抗帶來的影響

信號線材阻抗所帶來的線損在長距離和大功率傳輸?shù)臓顩r下值得注意，常見于功率放大器到揚(yáng)聲器的傳輸過程中。線損主要取決于三個因素：電纜的長度、導(dǎo)線的直徑和負(fù)載阻抗。隨著電纜長度的增加和線徑的減小，線材阻抗增大，線損也相應(yīng)加大;同樣，負(fù)載阻抗的減小也會導(dǎo)致?lián)p失加大?。線阻所導(dǎo)致的線損可以通過歐姆定律進(jìn)行解釋，線阻與負(fù)載分壓，降低了負(fù)載獲得的電壓大小。

在實(shí)際應(yīng)用中，功率放大器到超低揚(yáng)聲器的長距離傳輸可能會導(dǎo)致線損變得十分嚴(yán)重。極端情況下線阻可能到達(dá)3 Ω，與超低揚(yáng)聲器阻抗（額定4 Ω，最小阻抗3.2 Ω）幾乎相同。這會嚴(yán)重影響功率放大器輸送到揚(yáng)聲器的電壓，導(dǎo)致過多的能量損耗在線材上。因此，在大型演出系統(tǒng)中，建議將功率放大器放置在距離揚(yáng)聲器較近的位置上。

3.3.4? 功率放大器的橋接模式對阻抗的影響

橋接模式的目的是加倍功率放大器輸出功率以匹配更大功率的揚(yáng)聲器。橋接模式占用雙倍的功率放大器通道驅(qū)動一只揚(yáng)聲器工作，提供兩倍的電壓和同樣的電流，輸出功率也是原來的 3.2～3.5倍。由于將兩個功率放大器通道進(jìn)行串聯(lián)，相當(dāng)于功率放大器內(nèi)阻加倍，因此，橋接模式需要更高的負(fù)載阻抗。

4? 結(jié)論

阻抗匹配問題源于長距離的聲音傳輸。當(dāng)下，射頻信號和數(shù)字信號由于工作在非常高的頻率，為降低回波損耗，仍需進(jìn)行1：1阻抗匹配;而模擬音頻信號的頻率相對很低，回波損耗可以忽略不計，需要滿足高阻跨接以獲得更高的信號電壓傳遞效率。目前，在擴(kuò)聲系統(tǒng)音頻信號鏈路的各個環(huán)節(jié)遵循至少1：10（通常為更高比例）的輸出輸入阻抗比，這一規(guī)則充分映射在設(shè)備輸入輸出端的阻抗指標(biāo)上。

高阻跨接可以有效避免“過載”的出現(xiàn)。無論是傳聲器與傳聲器放大器連接、拾音器經(jīng)過DI盒與傳聲器放大器連接、調(diào)音臺輸出端與處理器/功率放大器的連接，或是功率放大器與揚(yáng)聲器的連接，高阻跨接都具有重要的指導(dǎo)意義。

注釋：

①譯自https：//en.wikipedia.org/wiki/Input_impedance。

②譯自https：//en.wikipedia.org/wiki/Input_impedance。

③譯自Gary Davis & Ralph Jones，Yamaha - Sound Reinforcement Handbook（U.S.A. ：Hal Leonard

Publishing Corporation， 1990），PP.200。

④相比于“前置放大器”，“傳聲器放大器”的稱謂更為人所熟悉，本文視語境需要酌情對兩個術(shù)語進(jìn)行混用。

⑤筆者注：前置放大器是用來提升額定輸出電平在-70 dBu～-50 dBu之間的微弱的傳聲器信號（傳聲器前置放大器）或留聲機(jī)信號（留聲機(jī)前置放大器），使其到達(dá)-20dBu～+4dBu的水平。

⑥圖源：http：//www.leonaudio.com.au/active.htm。

⑦圖源：http：//www.leonaudio.com.au/passive.htm。

⑧具體情況應(yīng)視功率放大器的設(shè)計指標(biāo)而定。此外，揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗通常大于最小阻抗，因此對于揚(yáng)聲器并聯(lián)后最小阻抗的要求常常高于2 Ω。

⑨劉曉飛：《錄音電子技術(shù)基礎(chǔ)》，46頁，北京，中國傳媒大學(xué)出版社，2015。

⑩譯自Gary Davis & Ralph Jones，Yamaha - Sound Reinforcement Handbook（U.S.A. ：Hal Leonard Publishing Corporation， 1990），pp.200。

?譯自https：//en.wikipedia.org/wiki/Overcurrent。

?引自Pat Brown：《Why All the Fuss about Power》。

?朱偉，林志琦：音響系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化，41頁，北京，人民郵電出版社，2009。

?https：//www.qsc.com/resourcefiles/applicationguides/professional/q_ag_sys_amp_pld_series_production.pdf。