MultiTimer：声音设备的实现

声音设备 - 音响

音响（英语：Audio equipment），广义上是指一种利用电子回路设计进行声音与电子信号间之互相转换的音频设备。

通常情况下，音响是指具有较大功率(相对于耳机)、开放播放声音的电气系统。这套系统由音源、解码、数模转换器(DAC)、分频器、功放、喇叭(换能器)构成，通过音响线连接。主要用于监听回放，此外还用于大厅扩音和广播喊话。

音响混音台

音响和音箱的区别在于，音箱是音响的一部分。分频器、功放、喇叭组成有源音箱，无源音箱不包含功放。常用于监听回放的桌面音箱二分频居多，系统通常为 2.0 声道，对低音有需求的会加一个低音炮组成 2.1 声道，5.1 和 7.1 声道现在几乎只用于大厅订制，少部分为专业放音室，像家庭影院的消费领域因需要大面积，结构尽可能接近正方形的房间，四周墙面需要吸音处理才能满足声学环境的高要求而逐步消失。

功放与扬声器的关系

功放在这里不多做赘述，可以查看我的电子类专栏文章运算放大器 - OP AMP。我们在此篇文章中统一将功放称之为 - 音频放大器。

在声音设备中，音频放大器的作用是将信号源（专业音响系统一半来自调音台）的微弱电信号进行放大，以便于驱动扬声器发出高质量的声音。

音频放大器的指标

功率放大器的优良主要从输出功率（power output），电源纹波抑制比（power supply rejection ratio），总谐波失真（total harmonic distortion）、噪声(noise)，关断电流(shutdown current)等特性进行评价。

输出功率（power output）： 输出功率是指在指定电压下，满足一定的失真度（THD+N）时，音频放大器在负载上的输出能力。
电源纹波抑制比（power supply rejection ratio）： 它描述了电路抑制任何电源变化传递到其输出信号的能力，通常以 dB 为单位进行测量，用来描述信号受电源的影响。对于音频放大器来讲，电源抑制比描述了放大器在其直流电源电压变化时保持其输出电压的能力。与此同时，电源抑制比量化了在电源转换应用中阻止来自输入源的纹波电压的能力。通常情况下 PSSR 越大，音频放大器的性能越好。
总谐波失真（total harmonic distortion）： 它是电子信号谐波失真的一项指标，常见的定义方式表达为所有谐波成分功率之和与基本频率信号功率的比值。有时也会用失真因素（Distortion factor）来表示。总谐波失真越大，表示谐波成分的比例越大。较低的总谐波失真会带来较好的音质表现。
噪声（noise）： 一般音频放大器的噪声为电阻热噪声、 $\frac{1}{f}$ 噪声、白噪声等等，很明显噪声越小，音频的质量越好。
关断电流（shutdown current）： 关断电流即音频放大器在休眠状态下所消耗的电流，其值越小，说明在待机条件下的放大器功耗越小。

功放和扬声器如何匹配？

对于这一点，我们分以下几种情况进行匹配。

功放匹配

在高动态的音乐会场合，为了迎合现场的音量、音频的动态变化，通常按照 2:1 的功率比来匹配功放，即功放的功率是扬声器（音箱）的 2 倍，以防止烧坏音箱。
在一般会议场合，音量、音频动态变化的幅度较小，为了节约成本，按照 1:1 的功率比来匹配功放。
大部分场合，采取折中的办法，即按照 1.1~1.5:1 的功率比来匹配功放。

常有人将功率放大器的额定功率与扬声器的额定输入功率等同起来，认为只有这两个功率指标完全相同时，才称为功率匹配。这种看法是片面的，它们是两个完全不同的概念，不可混淆。

功放额定功率是指失真时所限制的功率，超过或接近这个功率时，功放输出将产生削波失真，必须留有相当大的动态余量。
而扬声器的额定输入功率是指扬声器在规定时间内连续工作不损坏的极限功率。

如果功放功率远大于音箱功率，则可能会导致声音出现失真或破音的现象，此时音箱承受不了功放输出的大功率，容易损坏音箱的发声单元，降低音箱的使用寿命；反之，如果功放功率远小于音箱功率，则可能会导致音质过于柔和、音量过小，甚至因为功放长期工作在满荷状态下导致烧毁功放模块，或者导致直流过载烧毁音圈。

阻抗匹配

简单地说，功放的额定输出阻抗应与音箱的额定阻抗相一致。此时，功放处于最佳设计负载线状态，因此可以给出最大不失真功率。

如果音箱的额定阻抗大于功放的额定输出阻抗，例如 4Ω 的功放接 8Ω 的音箱根据公式 $P=\frac{U^2}{R}$ ，可算出功放的实际输出功率仅为额定功率的一半，则此时音箱的音量较小，但不会损坏设备，可以采用但并不推荐，达不到理想的音质效果。
如果音箱的额定阻抗小于功放的额定输出阻抗，例如 8Ω 的功放接 4Ω 的音箱根据公式 $P=\frac{U^2}{R}$ 以及 $P=I^{2}R$ ，可以得出此时的工作电流为原来的 1.4 倍左右，音响系统能工作，但功放有过载的危险，要求功放有完善的过流保护措施来解决，对电子管功放来讲阻抗匹配要求更严格。

频带匹配

我们知道，音箱是有一定的工作频率的，而运放也有一定的带宽。通常我们选择功放时，其带宽应尽量包含在音箱的工作频率范围。扬声器的工作频率一般为 20Hz~20000Hz 范围内，因为人耳能听到的声音即为 20Hz~20000Hz（但有些高保真的音箱应当包含 20Hz 以下或 20000Hz 以上的声音，以完美地播放各种乐器和语言信号）。而功放的频率响应包含此频带范围。