高级音箱的内涵（一）：功率分频

1. 功率分频

1.1. 功率分频定义

音箱分频分两类：一类电子分频，一类功率分频。前者为功放前置，也称主动分频；后者为功放后置，也称被动分频。

在应用上，电子分频（包括数字分频）几路就必须有几路功放匹配（两分频需两路功放，三分频频需三路功放），而且所应用的音箱不能再换功放。相对而言，音箱匹配成本高、不方便功放选择；功率分频无论几路分频都只用一路功放，相对应用成本更低，换功放更方便。

一般情况下用户不会换功放，但是特殊用户有可能多次换功放。

电子分频技术由于DSP数字技术的介入，使得其设计难度与调试难度愈益降低；相反，由于扬声器类种的多样化反而使功率分频设计与调音难度愈益加大。

从理论上看，Linkwitz-Riley分频模型强调功率衔接的平直，Butterworth分频模型强调电压衔接的平直。无论采用哪一种模型，一旦与各种响应不同的单元相处，理论值与实际值相差就很大。所以，通常按照瑞利或巴特沃特理论值进行分频都得不到一个好结果。

因为上述理论值对应不了扬声器的电磁结构与阻抗曲线。如不少音箱用带式高音单元与动圈式中/低音单元组合。由于带式高音单元没有音圈，也就没有电感，没有电感就意味着没有一条阻抗变化的曲线；甚至有的带式高音单元没有阻值，为了平衡功放阻尼，尚需配置一个变压器来平衡电阻；即便是动圈式高音单元，都有音圈，或有磁液方式、短路环方式等造成阻抗曲线也是千差万别。

瑞利（Linkwitz-Riley）或巴特沃特（Butterworth）的理论模型是在无条件下的一种理想值判断。具有理论上的指导意义，绝无应用上的实际意义。因为实际工程中，背景条件太多太复杂，不可能给定一个统一标准的电学标准，未给其理论上的理想值留下存在的依据。

由于电容的波形电流超前电压90度，电感的波形电压超前电流90度；容抗（电容的电抗）随频率增大而减小，感抗（电感的电抗）则随频率增大而增大。分频 络中，电容与电感各自朝着不同的电性方向冲突。

被动分频中，动圈式单元的音圈本就是一个电感，低通时再串上一个电感，两个电感串联为一个电感，在相位不变下，扬声器响应的阻抗曲线随着电感值的变化而发生了变化；如果一个带式高音单元高通串上电容，而电容在没有电感条件下，相位发生90度的变化。这时，180度的相位差，导致分频点凸翘，只有在低通上并接一个电容来修正相位并消减低通分频点的功率，以此来平衡两组电路的功率。这就成了业界所称的2:1分频（一路二阶+一路一阶）。某些工程师对此不明就里，按照教科书教条、机械地规划、设计分频 络，难以得到好结果。

实际工程中，高、低（带通也是高、低）分频中，常常不是在瑞利（Linkwitz-Riley）或巴特沃特（Butterworth）理论值上某个设定的分频点上交叉，因为阻抗曲线不同。

无论是应用电感还是电容进行滤波，其结果都是功率的分组。高通阻挡了低频，也就等于消减或阻碍了低频带的功率；低通阻挡了高频，也就等于消减或阻碍了高频的功率。

所以，望文生义：功率分频就是分频的同时也分配了功率。

几乎所有电声工程师都一个经验：功放连接高音单元测试时，一定要串接一个电容器，否则高音单元很容易烧坏。这里的电容器作为高通让较高频率通过，阻挡较低频率通过，扬声器得到的所承载功率是电容器通过频率滤掉低频功率的所有功率，被电容器阻挡的频率所有的功率就不会负载在扬声器单元上。如果分频点为3KHz，3KHz以下的频率及其功率就不会负载在扬声器上。

这样，扬声器的功率承载，就变成了分频功率的承载。

1.2. 扬声器可承载功率

扬声器功率（W），是指其可承载功放输出的电流×电压的能量值。

关于此，GB/T 7313-1987（国家标准）解释为：“在自由场条件下，用100~8000Hz固定频率范围的粉红噪声信号馈给扬声器系统，在其参考轴上距离参考点1m处产生94dB声压级所对应的功率”。该“标准”并未将此功率定义为“额定功率”。该标准只有“额定电阻”、“长期最大功率”、“短期最大功率”等提法，没有“额定功率”提法。业界常用的“额定功率”，只能作为“标称功率”解读，没有太多的实际意义。

既然是电流×电压（UI=W）为扬声器的功率值，那么它的载体就只能是传输电流电压的电导体——线缆。

而导体线缆的直径大小（截面积）决定了扬声器可受功率的大小，决定了载电量（W）。

许多扬声器单元厂家介绍相关参数时，以“额定功率”名义打上参考标签。有的标称很高。

如德国伊顿ETON 29HD2 镁陶瓷28芯高音高音单元，标称额定功率120W。额定功率从来都没有一个标准。更何况扬声器单元的功率承载与功放电压有关。如果把这个120W的额定功率作为分频设计参考，一定会误入歧途。

高音单元要做到灵敏度高且频率上限高，就必须将音圈做到很轻很薄。薄，利于磁隙有功功率发挥，轻利于声转换效率和高频延伸以及瞬态响应。这就限制了高音单元线圈导体的直径。直径越大，密度越大，电功率越大，声转换效率越低，响应时间越长，不利于高频扬声器单元的电声特性响应。所以，一般高音单元的音圈线径多为0.1-0.2mm左右。

就算是上限0.2mm线径，截面积也就0.03mm2左右，如果按照每mm27A为安全电流，也就能承载0.22A。而0.22A只能是扬声器单元电流的理论值，还不是功率值。

如果按照通常24V输出电压功放匹配，那么，其承载功率为0.22A×24V=5.28W；如果按照超高压设计58V输出电压的功放匹配，其承载功率为0.22A×58V=12.7W。这也不是扬声器单元的实际功率值，还只是理论值，因为它是在不进行分频时可承受的扬声器安全功率。

这是按照铜制线材计算的。高音单元音圈线径很少超过0.2mm直径，甚至为了减轻重量，某些在相同线径条件下采用铝线，铝材的承载功率更小（约铜材的66%）。相同线径的铜线5W时，铝线只能承载3.3W。

上面分析的是高音单元在线径承载功率的极限。但伊顿为什么会标称120W？把理论承载功率夸大了10倍以上？再大胆的“商业操作”也不至于夸张那么多。更何况IEC的相关标准要求“在自由场条件下，用100~8000Hz固定频率范围的粉红噪声信号馈给扬声器系统，在其参考轴上距离参考点1m处产生94dB声压级所对应的功率”（标准称“特性功率”），如果1只高音单元灵敏度89dB，1m处94dB需要4W的功率，音圈很快就烧掉了。IEC的标准是不能应用才高音单元上的。它的标准不是分频承载功率。而分频承载功率与普通电学的理论值相差甚远。

电声行业从来都没有规范过单元的功率标称。因为它的实际应用会碰到不同的功放电压，以及自身的交流阻抗值（无穷变化）。而交流阻抗对于动圈式扬声器又是变化的，从中很难找到一个规范的科学依据点。

但也不能说厂家标称功率都完全是瞎编乱造。

1.3. 扬声器分频功率

厂家的功率标称，更多依据是分频功率。因为分频及分功率。分频后，高音单元所承载功率变得非常小。如果总功率是100W，两分频后，高音单元应承载的功率可能就只有3W甚至更小。

业界不少人认为两分频低频占80%的功率，高频占20%的功率。这种认为没有理论依据，难以做出功率匹配的精准度，对扬声器功率资源应用要么浪费、要么过度。

作为分频功率承载的扬声器，分频与不分频的承载功率的确不一样：高音单元在分频后所承载功率要比未分频高很多。

那么，分频与所承载功率有什么关系呢？

首先，必须承认分频及分功率。在分频的同时功率也得到了分配：高通获得高频带功率，低通获得低频带功率。

扬声器的测试，通常用粉噪而不用白噪。这是因为粉噪的频域特征更相似乐音频域特征。而粉噪的特点：功率与频率成反比。即在等比带宽内能量分布相等条件下，频带宽度的噪声强度以每升高一个倍频程下降3dB（见下表）。

图 1傅里叶函数粉噪功率谱示意图

这个是示意图表示：“在等比带宽内能量分布相等条件下，频带宽度的噪声强度以每升高一个倍频程下降3dB。

而“在音频分析领域，经常要分析音频信号的频谱，这时最常用的是倍频程功率谱和1/3倍频程功率谱。所谓倍频程功率谱，是将音频分为一个个的频段，然后分别计算每个频段内的功率谱。相邻频段的宽度为二比一的关系。1/3倍频程是将倍频程再细分为三段”（摘自
https://blog.csdn.net/liyuanbhu/article/details/42675765）。

IEC倍频程划分如下表：

表 1 IEC倍频程划分表

以IEC倍频程划分为基础，可参考如下扬声器频率带功能密度分布表：

表 2扬声器频率带功能密度分布表

根据这个频率功能密度分布表，我们就可以从理论上计算出分频后的高音或低音单元的所承载功率。

分频功率理论计算公式：

图 2分频功率理论计算公式

如高音分频2KHz，采用二分频模型公式代入：总频率为20KHz（密度系数424.43），高通起始频率为2KHz（密度系数415.80），低频带中心频率50Hz（密度系数8.55）。

如果总功率为120W，那么在高音单元分配的功率就是2.4W，总功率占比2%。在这种理论指导下，德国伊顿ETON 29HD2 镁陶瓷28芯高音单元所标称的额定功率120W才是靠谱的。在它标称中，特别有一个“2K~20KHz”的推荐值。也就说用户不能进行低于2K分频。因为低于2K分频，它的应承载功率就会增大，超过它的所承载功率。

这种标称，把总功率120W条件下进行2K高通分频后，所承载功率仅仅为总功率的2%，也就是2.4W的功率，似似而非地替换了应承载功率概念。如果没有2K高通分频前提，馈给其120W，那不是分分钟烧掉啊！120W的标称并非无条件地功率承载能力，而是有“功率分频”这个前提条件的所承载功率。

音箱界是一个“江湖味”很重的业界，很多似似而非的理论、标称、术语，不仅让用户迷糊，连许多专业工程师面对这个“江湖”也是傻眼的、迷糊的。

所以，可推导凡是对含有“分频推荐”值的单元标称，都是一种分频功率的估值标称。按照8Ω2KHz分频后，它的实际载入功率（所承载功率）也就是2W~3W，较为符合高音线圈截面积承载功率。不能把它当着应承载功率解读。如果当着应承载功率120W来解读和使用，分分钟烧掉。只能当着总功率中所承载的分频功率来解读。但要清楚：这只是它在分频高通的应用承载功率，不是它实际的理论承载功率。

从上例分析中可以看到：扬声器所承载功率是与其分频方式密切相关的。当然也与功放的匹配相关。分频越低所承载功率比越大，反之越小。

1.4. 功率分频的意义

为了获得频率响应特性的平坦，功率分频在工程实施中非常麻烦，尤其是在人工运算年代，所花费的精力远大于设计和调试音箱箱体。

不进行分频行不行呢？如果采用“全频”单元就不用分频了。

然而名义上为“全频”的单元，实际上不可能是全频的，顶多就是个“带通”。它不能对20~20KHz做出完全的频率响应。要么低频带缺一块，或者高频带缺一块。即便是它真正做到了全频，音质也不好听。

因为它的振膜做不到厚度40μ或50μ，高频响应瞬态始终不好。

你可以做一个中间部位薄外延部位厚的酮体，就事论事解决方案。可问题是音圈怎么办？它为较低频带振膜部分提供驱动还是为较高频带振膜部分提供驱动？如果用低频带动高频，响应慢了；如果用高频带动低频，响应轻了。这都不实际。

全频单元厂家为了促销，编出“定位精准”、“发声自然”等一堆“神话故事”。实际上效果“高不成低不就”，声音高上去了音质也不通透，声音低下来了音质也不浑厚。

要做好、做高级音箱就不能选择全频单元。

而一旦选择不同频响意义的单元组合，就难以避开电子分频或功率分频。

电子分频与功率分频的应用优劣文前已经提到不赘述。也有一些人片面认为监听音箱用电子分频，玩家音箱用功率分频。其实发烧友与录音师都是“玩家”。一个制作节目，一个欣赏节目。两者并不矛盾，都是“一家人”。以“监听”名义把音箱分个“三六九等”的人一定是心怀叵测的人。“监听”与“其它听”的物理意义有何不同？不都一样吗？

很遗憾的是一些录音师偏要配置“监听”名义的音箱，而不是追求物理意义上性能高级的音箱。这种录音师往往缺乏听觉上的修养和电声学常识，对自己的知识与感性能力缺乏信心，把作品的优劣寄托于“华而不实”的“名义”上。如果真是一个有思想、有判断的录音师，不会满足昨天的感觉，也会根据自己的实力和追求为了更好“监听”效果更换系统。

以此为例，被动分频音箱就比主动分频音箱有优势。

所以说，功率分频的第一个意义就是便于应用升级。

第二个意义在于制造升级。

功率分频器一般都装置于音箱内部，很少用在外部（我曾经做的两分频器，重达4.8kg，体积大只好装置于一个电脑机箱内，放在音箱外部）。但是很多高价位音箱分频器元件用得并不高级（如电感线圈为绞股铜线，电容使用噪音较大的油浸电容），甚至电感的磁感应位置都不兼顾。如此，更换元器件立刻会使音箱音质全面升级。而这种“换芯”工程非常简单：要么重新设计分频器换掉旧的，要么用更高级的原件替换。可立竿见影地达到制造升级的效果。

第三个意义在于扬声器的功率保护。

因为分频后降低了每路单元的承载功率，对扬声器单元有保护作用。

篇幅有限，更多关于高级音箱设计的功率分频问题之后再作发布。