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扬声器的功率问题

江苏省电子产品监督检验所张志强

一引言

扬声器的功率问题一直是生产企业和用户比较关心的问题。七十年代的行业标准中，功率是和失真系数密切相关的，所以当时的扬声器功率一般标得比较小，例如，6.5英寸的扬声器功率小的只标0.5w，大的也只标2w，功率标得比较大的扬声器就很难见到了。八十年代初，扬声器的行业标准参照了IEC268-5的标准，出现了正弦功率、噪声功率、长期最大噪声功率、短期最大噪声功率等概念，功率和失真的考核分开了（失真系数要求在一定的声压级条件下进行测量）。功率考核的含义主要是考核扬声器（及其系统，以下统称扬声器）在一定的时间内能否承受特定的负荷信号，是否产生永久性的损伤。按照这样的考核要求，我们曾在1985年对5英寸、6.5英寸的扬声器进行了行业集中测试，试验结果告诉我们，原先标称1w、2w的扬声器，用额定带宽的模拟节目信号进行长期最大噪声功率试验，一般可达20w、30w而不产生永久性热的或机械性的损伤。

扬声器行业经过近二十年的发展壮大，已摆脱了原先的生产模式，扬声器的各部件可以由不同企业独立生产，生产扬声器的过程变成了零部件的组装，电声行业已走上了专业化协作的道路。扬声器的设计有人戏称为“中药师配方”，扬声器的性能指标也不是生产企业一家能说得算数了。同时，也有些专家认为，这样的生产方式，把原来各个生产企业的不同特色抹杀了。

近些年，扬声器的出口量越来越大，中高档产品的定单也越来越多，而国外客户提出的考核指标与国内的行业标准相差也较多。如何在技术上进步，使产品内在质量得到提高，从而消除贸易壁垒，是值得关注的问题。中国成了电声大国，但产品的价格却越趋低廉，竞争越发激烈。这就促使一些生产漆包线的企业、生产音圈的企业、生产引出线的企业、生产胶粘剂的企业，开始研究扬声器的功率问题。

此外，扬声器的一大用户——电视机厂，往往面对那些被选定的、符合整机功率要求的扬声器单元，一筹莫展。例如,一台34英寸的彩电，额定输出功率10w，选用额定功率为10w的彩电扬声器，将那种扬声器单元装到电视机上之后，整机声失真系数往往超过规定要求。事实上，这二种额定功率的含义是完全不同的。

又如，额定功率为30w的扬声器单元，装入音箱后，有些生产企业却在音箱铭牌上标称50w、100w，甚至200w的额定功率。这种性能指标的错标，往往造成消费者盲目地选购功率标得大的音箱，使用上会造成扬声器单元的损伤。

扬声器的功率问题，使生产企业为难、使整机厂无措、使消费者困惑。

二 影响功率的因素

影响扬声器功率承受能力的因素是多方面的，漆包线的材质和绝缘性能、音圈胶粘剂的耐热性能、音圈在磁隙中的定位、音圈与纸盆颈部胶粘剂的粘接能力、扬声器引出线的抗弯折能力、引出线与接线柱的焊接工艺质量、扬声器的散热性能、纸盆折环处的抗弯折能力等等。这些因素对扬声器功率承受能力的影响所起的作用是各不相同的。

瞬时大功率加在扬声器上时，如果音圈的漆包线材质和绝缘性能较差、音圈胶粘剂的耐热性能较差，往往会出现音圈线烧断、散圈等现象；扬声器处在大振幅工作状态时，如果音圈与纸盆颈部胶粘剂的粘接能力较差，就会出现颈部脱开、断线的现象；在长时间的功率负荷中，如果扬声器引出线的抗弯折能力、引出线与接线柱的焊接工艺较差，就会造成引出线折断。如果纸盆折环处的抗弯折能力薄弱，可能会造成纸盆折环的断裂。如果音圈在磁隙中的定位不准确，也会擦断音圈线。如果扬声器的散热性能较差，也往往会引起音圈烧坏、散圈等现象。

影响扬声器功率承受能力的因素还有：声负载的方式、电信号的能量谱分布、馈给扬声器的电信号随时间变化的周期等等。

扬声器单元和扬声器带障板（包括安装在音箱上）方式，声负载是不同的。扬声器单元前后的信号极性相反，会造成声短路，这时的声负载比带障板方式显得小，扬声器的纸盆振幅相对较大，虽然有利于散热，但对颈部中心胶是一个考验。

扬声器的阻抗公式为：Z=r+jωL+ Z （1）

r为音圈直流阻抗；L为音圈电感；Z为扬声器的动生阻抗；

当正弦信号加在扬声器上时，频率不同，扬声器的功率承受能力也是不同的。由阻抗图及（1）式可知，正弦信号在共振频率附近时，扬声器的动生阻抗较大，音圈线阻和感抗相对较小，电信号能量转换成热能部分相对较小，转换成声能部分相对较大，这时的功率承受能力主要决定于颈部中心胶。正弦信号在高频时，扬声器的动生阻抗较小，音圈线阻和感抗相对较大，电信号能量转换成热能部分相对较大，转换成声能部分相对较小，这时的功率承受能力主要决定于音圈质量和扬声器的散热性能。

在恒压V条件下，扬声器承受的电功率为P== （2）

扬声器承受的电功率与频率的关系由导纳图及（2）式可知，共振频率f附近及高频部分承受的电功率相对较小。

白噪声信号中等带宽能量是相等的，所以，能量主要分布在高频，在对数坐标系中，其能谱密度每倍频程增加3dB，这时的功率承受能力主要决定于音圈质量和扬声器的散热性能。

相对于白噪声信号，粉红噪声信号的能量主要分布在低频，在对数坐标系中，其能谱密度每倍频程是相等的，这时的功率承受能力主要决定于颈部中心胶以及扬声器引出线的抗弯折能力、引出线与接线柱的焊接工艺质量。

用正弦线性扫频信号时，高频区域相对于低频区域承受较多的能量，而用正弦对数扫频信号时，低频区域相对于高频区域承受较多的能量，因此二种扫频方式对扬声器功率承受能力的影响也是不同的。

方波信号的频谱主要是基波及各次谐波，各次谐波的能量随e指数递减，基波能量占总能量的52%左右，因此，方波扫频信号的能量与正弦扫频信号相比，增加了中高频的能量，扬声器容易受到热损伤。

间断性负荷与长时间负荷是不同的。间断性负荷的热能可以得到一定程度的散发，而长时间负荷的热能是在不断积累的。因此间断性负荷的功率承受能力可以比长时间负荷的功率承受能力大很多。

三 确定功率承受能力的前提

扬声器的工作频率范围不同使得它承受功率的能力也不相同，这就要求扬声器必须工作在额定的频率范围内。低频扬声器如果承受较多的高频信号容易引起损坏，同样，高频扬声器如果承受较多的低频信号也容易引起损坏，前者的高频能量没有有效转换成声能量，而变成热能。后者的低频能量也没有有效转换成声能量，而变成热能，这些都是使用扬声器不当造成损坏的原因之一。因此，功率承受能力是和额定频率范围密切相关的。

扬声器的使用方式不同使得它承受功率的能力也不相同，警报扬声器能够在几分钟内用100w的功率来激励而能正常工作，持续时间过长往往就会造成损坏。由此可见，功率承受能力是和工作时间的长短密切相关的。

一个扬声器的额定噪声功率为50w时，它所承受的峰值功率不应超过200w（试验用的节目信号峰值因子为1.8~2.2），否则就容易损坏。节目信号中大动态的激励，常常是损坏扬声器的重要原因。因此，功率承受能力是和播放节目的内容密切相关的。

扬声器的灵敏度比较低时，用户往往通过加大电信号的馈给来保证一定的声响度，这时功率余量就变得小了，如果出现大的动态，扬声器往往会损坏。标称灵敏度为87dB±3dB的扬声器，若实际灵敏度为90dB或84dB都是符合企业明示承诺的。如果扬声器工作在正常状态、90dB的扬声器额定功率标称为50w，当它承受50W电功率时，扬声器的声压级应为107dB。而实际灵敏度为84dB的扬声器要达到声压级107dB时，电功率要增加23dB，如果要获得和灵敏度为90dB的扬声器一致的功率承受能力时，其额定功率必须为200w，如果达不到这样的功率，就会损坏扬声器，这当中反映了扬声器的电声转换效率对扬声器功率承受能力的影响。

四 声信号谐波失真与功率的关系

扬声器的声信号谐波失真与输入电功率的大小是有一定关系的。以纯音信号馈给扬声器，开始时，随着功率增加，谐波失真系数增加得较快，这是因为纸盆和弹簧板的弹性元件实际上不是线性的，可以看成是，随着音圈轴向位移的增加，顺性相应增加。小信号时弹性元件的非线性，是造成谐波失真系数增加得较快的主要原因。

当输入电功率达到一定时，弹性元件近似线性，音圈也近似工作在均匀磁场，这时，随着电功率的增加，谐波失真系数相应变化很小。

当输入电功率进一步增加时，音圈轴向位移也增大了，这时音圈可能已工作在非均匀磁场中，随着电功率增加，谐波失真系数变得很大。当谐波失真变得较大时，就会损伤音质，即使扬声器的标称功率比较大，不容易损坏，但由于扬声器音质变差，失去了实用价值。所以，仅仅追求额定功率标称值大的做法，是片面的。

扬声器的额定功率与功率放大器的额定功率之间的关系也是令人感兴趣的话题，有些人根据自己的经验提出了不同的匹配比值。事实上，扬声器的额定功率是用模拟节目信号来考核的功率承受能力，功率放大器的额定功率则是用正弦信号来考核的谐波失真小于规定值的功率，二者概念是不同的。

五 扬声器功率承受能力的确定

扬声器的功率承受能力是因不同的使用条件（使用空间、环境温度、工作时长）和不同的使用要求（节目动态、频率范围、声级大小）而不同的，因此，不同用途的扬声器应该用不同的试验方法来考核其功率承受能力。

同时，在考核中，由于试验时间较长，必须寻找有效的试验方法来缩短试验时间长度。扬声器标准GB/T9396-1996中，额定噪声功率试验可用1.2倍额定功率、48小时负荷代替额定功率、100小时的试验，或者用1.5倍额定功率、24小时负荷代替额定功率、100小时试验，这种加速试验的方法在不同的功率承受能力考核中，仍须进一步验证。

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