1 基本概念

1.1現(xiàn)場(chǎng)演出中的信號(hào)流

在一套簡(jiǎn)單的擴(kuò)聲系統(tǒng)中，音頻信號(hào)流會(huì)經(jīng)過輸入,、處理以及重放三個(gè)模塊,，如圖1。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(tái)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（Ω），是“電阻” （Resistance）和“電抗”（Reactance）的和,，它被用來表征整個(gè)電路對(duì)電流的總體阻礙作用,。在音頻電路中，信號(hào)從前級(jí)設(shè)備的輸出端傳遞到后級(jí)設(shè)備的輸入端,，因此,，大家關(guān)注的是前級(jí)設(shè)備輸出阻抗（源阻抗）和后級(jí)設(shè)備輸入阻抗（負(fù)載阻抗）之間的關(guān)系。

一個(gè)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(gè)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(gè)輸出電路（提供音頻信號(hào)的電路）的阻抗是對(duì)其送出能量難易程度的衡量，這種阻抗被稱為源阻抗,。一個(gè)輸入電路（接收音頻信號(hào)的電路)的阻抗是對(duì)其能夠（從一個(gè)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(jí)）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(jí)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(jí)設(shè)備輸送能量,，較高的輸入阻抗更加容易從前級(jí)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(hào)進(jìn)入調(diào)音臺(tái)的第一個(gè)有源電路，對(duì)傳聲器電平信號(hào)進(jìn)行放大,。這一環(huán)節(jié)在整個(gè)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(tái)的阻抗匹配,，其實(shí)是指?jìng)髀暺鬏敵龆伺c前置放大器輸入端之間的匹配問題,。

1.4DI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(tái),。

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(gè)放大電路（如圖2（a）中的FET InputAmplifer）,，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（如圖2（b））,，不需要單獨(dú)的電源,。

1.5功率放大器級(jí)聯(lián)、功率放大器與揚(yáng)聲器

在大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中,，一個(gè)調(diào)音臺(tái)輸出通道要為多個(gè)揚(yáng)聲器提供信號(hào),，需要將多臺(tái)功率放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。這就涉及到調(diào)音臺(tái)輸出端與多臺(tái)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(shí),，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 Ω,，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 Ω⑧。

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(jí)輸入阻抗大于前級(jí)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(shí),，“功率放大器的兩個(gè)通道被饋送同一信號(hào)（通常是來自左輸入端的信號(hào)）,，但另一通道（通常是右通道）的信號(hào)極性是相反的。立體聲功率放大器的兩個(gè)部分處理同樣的信號(hào),，負(fù)載同時(shí)從兩個(gè)通道獲得能量”⑩,。

1.7過載

過載（Overload）是指后級(jí)設(shè)備輸入阻抗過低,，對(duì)前級(jí)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(xiǎn)”⑪。比較常見的就是揚(yáng)聲器（負(fù)載網(wǎng)絡(luò)）阻抗小于2 Ω,，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(bào)和電話的傳輸應(yīng)用中。傳輸線路一般幾英里長(zhǎng),，特征阻抗為600 Ω,，同時(shí)期出現(xiàn)的濾波器等其他硬件設(shè)備的阻抗也被設(shè)計(jì)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(hào)時(shí)需要在負(fù)載端進(jìn)行“截止”（Terminated），即1:1的阻抗匹配,。對(duì)于信號(hào)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(huì)“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(huì)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(hào)反射，進(jìn)而帶來傳輸能量的損失,。電信號(hào)在信號(hào)線內(nèi)部傳播,，當(dāng)?shù)竭_(dá)線材末端時(shí)會(huì)有一部分信號(hào)被反射，與后續(xù)的信號(hào)發(fā)生干涉,，進(jìn)而影響信號(hào)質(zhì)量,。

電信號(hào)以光速在線材中傳輸，低頻信號(hào)（如20 Hz～20 kHz）擁有巨大的波長(zhǎng),，其數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于信號(hào)線本身的長(zhǎng)度,，因此，信號(hào)回波與后續(xù)信號(hào)幾乎“同相”,，或者可以認(rèn)為相位差忽略不計(jì),，因此，無需進(jìn)行1:1的阻抗匹配,；而對(duì)于射頻信號(hào)或數(shù)字音頻信號(hào)來說,，其波長(zhǎng)較小,，與線材尺寸相近，因此,，回波反射與后續(xù)信號(hào)的干涉就變成了影響信號(hào)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(hào)短距離傳輸?shù)那闆r下,，回波損耗幾乎可以忽略不計(jì),。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(hào)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(shí),，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(jí)設(shè)備視為后級(jí)設(shè)備的信號(hào)源,，后級(jí)設(shè)備視為前級(jí)設(shè)備的負(fù)載,。在不計(jì)信號(hào)線阻抗的情況下，簡(jiǎn)化如圖3,。

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(jí)輸入阻抗遠(yuǎn)大于前級(jí)輸出阻抗,，理論上后級(jí)獲得的能量將是前級(jí)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(tái)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 Ω到600 Ω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(huì)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(tái),。有源DI盒輸入可高達(dá)MΩ級(jí),，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(dòng)通過電磁感應(yīng)原理或壓電晶體效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),，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(dòng)式和被動(dòng)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(gè)源阻抗12 kΩ的拾音器接入時(shí),，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為約1 kΩ的輸出阻抗，與模擬調(diào)音臺(tái)線路輸入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(tái)的輸入阻抗

在模擬調(diào)音臺(tái)中，傳聲器輸入接收傳聲器信號(hào),，線路輸入接收線路信號(hào),。傳聲器放大器的輸入阻抗大多在kΩ以上，線路輸入阻抗會(huì)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(tái)傳聲器輸入阻抗的情況,。

當(dāng)前，大多數(shù)字調(diào)音臺(tái)針對(duì)一個(gè)輸入通道僅設(shè)置一個(gè)輸入口,，具有很高的輸入阻抗,，能夠兼容傳聲器信號(hào)和線路信號(hào)。

部分?jǐn)?shù)字調(diào)音臺(tái)輸入阻抗情況請(qǐng)見表4,。結(jié)合前文對(duì)于音源輸出阻抗的歸納整理,，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)音臺(tái)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(tái)輸入端之間能夠進(jìn)行有效的電壓傳遞,。

3.2調(diào)音臺(tái)與功率放大器的阻抗匹配

3.2.1 調(diào)音臺(tái)輸出阻抗和功率放大器輸入阻抗之間的匹配

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

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(shí),，調(diào)音臺(tái)的一個(gè)輸出往往需要將信號(hào)送往多臺(tái)功率放大器的輸入，這種級(jí)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(tái)功率放大器輸入端并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致其整體輸入降低,，在超過臨界值時(shí)出現(xiàn)“過載”現(xiàn)象,。與調(diào)音臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái),，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(duì)輸入信號(hào)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(tái)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(dòng)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(shí)遵循源阻抗與負(fù)載阻抗最小1:10的高阻跨接原則,。總的來說,，并聯(lián)（揚(yáng)聲器串接）會(huì)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(gè)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(huì)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(gè)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(hào)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(dòng)揚(yáng)聲器在不同頻率上做功的功率是不同的,，如圖4所示。

揚(yáng)聲器制造商在定義其額定阻抗時(shí),，通常使用其最小阻抗的1.25倍,，即8 Ω額定阻抗對(duì)應(yīng)6.4 Ω的最小阻抗，16 Ω的額定阻抗對(duì)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(huì)低于通過額定阻抗計(jì)算出來的結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上,，對(duì)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(gè)揚(yáng)聲器使用1個(gè)8 Ω的錐形驅(qū)動(dòng)器（低音）和2個(gè)16 Ω的壓縮驅(qū)動(dòng)器（高音）,，它們所對(duì)應(yīng)的一個(gè)通道的功率放大器內(nèi)阻為0.2 Ω，這要求低頻驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)后的阻抗不得低于2 Ω,，高頻驅(qū)動(dòng)器也是如此,。對(duì)于低頻驅(qū)動(dòng)器來說，8 Ω額定阻抗對(duì)應(yīng)6.4 Ω的最小阻抗,，3只低頻驅(qū)動(dòng)器（3只揚(yáng)聲器）并聯(lián)后的阻值為2.13 Ω,；對(duì)于高頻驅(qū)動(dòng)器來說，16 Ω額定阻抗對(duì)應(yīng)12.8 Ω的最小阻抗,，6只高頻驅(qū)動(dòng)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(tái)雙通道功率放大器最多同時(shí)驅(qū)動(dòng)3只揚(yáng)聲器,。

3.3.3 信號(hào)線材阻抗帶來的影響

信號(hào)線材阻抗所帶來的線損在長(zhǎng)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(gè)因素：電纜的長(zhǎng)度,、導(dǎo)線的直徑和負(fù)載阻抗。隨著電纜長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致?lián)p失加大⑬,。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,，如圖5所示,。

在實(shí)際應(yīng)用中，功率放大器到超低揚(yáng)聲器的長(zhǎng)距離傳輸可能會(huì)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(huì)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(duì)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,。其原理大致如圖6所示,。橋接模式占用雙倍的功率放大器通道驅(qū)動(dòng)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(gè)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(zhǎng)距離的聲音傳輸,。當(dāng)下,，射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(hào)的頻率相對(duì)很低，回波損耗可以忽略不計(jì),，需要滿足高阻跨接以獲得更高的信號(hào)電壓傳遞效率,。目前，在擴(kuò)聲系統(tǒng)音頻信號(hào)鏈路的各個(gè)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(tái)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,。