了解并测量音频组件的灵敏度

2018年1月16日 作者:Bruce Rose

了解并测量音频组件的灵敏度

灵敏度是传声器扬声器蜂鸣器普遍适用的一项规格。该参数将电信号与声压相关联。了解该参数的定义和重要性具有重要意义,因为它能够帮助工程师合理选择合适的音频组件,匹配自己的设计。务必要了解如何对在不同测量条件下表征的灵敏度规格进行比较。

什么是传声器灵敏度?

该传声器参数量化了传声器将声音转化为电信号的效率。更灵敏的传声器在受到特定输入声压驱动之后,将产生更大的输出电压。可以利用电子放大器增强效率偏低的传声器发出的输出信号,但是放大器也会增强伴随预期信号的多余噪声。将测试的传声器产生的输出电压与参考电压进行比较,得出的比例以dB为单位表示出来。描述传声器灵敏度的等式表示为:

S = 20 log10(V/Vref)

用作比较的标准参考值为传声器承受1帕斯卡声压后发出的1伏特输出信号。简言之,按照这种以dB表征的测量参数计算,在1帕斯卡声压下产生1伏特输出信号的传声器,其灵敏度为0 dB(等于参考值)。在同等声压下产生两倍输出电压的传声器则具有高出6 dB的灵敏度,而产生1/10输出电压的传声器则具有低了20 dB的灵敏度。几乎所有的传声器都具有低于0 dB(负数)的灵敏度规格,因为参考电压为1伏特,而接受测试的传声器产生的电压通常低于1伏特。

表征传声器灵敏度的声压级不是1帕斯卡时,可使用如下方程式将该灵敏度值调整为1帕斯卡的当量:

Sadj = 20 log10(1/Pchar)

其中:
Sadj表示待表征灵敏度的调整值 Pchar表示达到该表征值时的声压级 示例:
0.1 Pa时的-70 dB就是1 Pa时的-50 dB (-70 + 20 log10(1/0.1) = -50 dB) 0.5 Pa时的-60 dB就是1 Pa时的-54 dB (-60 + 20 log10(1/0.5) = -54 dB)

标准传声器灵敏度测试设置图纸
标准传声器灵敏度测试设置

什么是扬声器灵敏度?

扬声器灵敏度是一种测量指标,能够测量扬声器将其承受的电功率转化为声压或受众听到的音量的能力。和传声器一样,扬声器的灵敏度也可以按效率考量;在收到给定电气输入信号后,越高效的扬声器产生的声音越大。可以通过提高输入功率等级驱动效率较低的扬声器,但因此使用的放大器就会增加设计成本,而扬声器还必需能够承受较高的输入功率。表征扬声器的标准配置是将待测试的扬声器置于消音室内,在扬声器前方1米处放置一个传声器,然后用2.83伏特信号(8欧姆输入1瓦特)驱动扬声器。

扬声器灵敏度的等式表示如下:

S = 20 log10(P/Pref)

P和Pref的量分别表示待测试的扬声器产生的声压和参考声压级。通常采用人类能够听见的最低声压级(20 µPa)作为参考声压。也可以在不是标准的1瓦特、1米和20 µPa条件下执行扬声器灵敏度表征,所得灵敏度可通过等式重新转化为标准条件。

标准传声器灵敏度测试设置图纸
标准扬声器灵敏度测试设置

驱动电平

以下等式表述了非标准驱动电平的修正方法:

Sadj = 20 log10(Vstd/V) Sadj = 10 log10(Pwrstd/Pwr)

如果驱动信号采用伏特为单位表示,则应当采用第一个等式,而如果驱动信号采用瓦特为单位表示,则应当采用第二个等式(功率与伏特的平方成比例)。

示例:
1 V驱动信号下的70 dB就是2.83 V驱动信号下的79 dB (70 + 20 log10(2.83/1) = 79 dB) 0.1 W驱动信号下的80 dB就是1 W驱动信号下的90 dB (80 + 10 log10 (1/0.1) = 90 dB)

测量距离

以下等式表述了非标准测量距离的修正方法:

Sadj = 20 log10(D/Dstd)

示例:
测量距离为0.1米时的65 dB就是测量距离为1米时的45 dB (65 + 20 log10(0.1/1) = 45 dB) 测量距离为30厘米时的95 dB就是测量距离为1米时的85 dB (95 + 20 log10(0.3/1) = 85 dB)

参考声压

以下等式表述了非标准参考声压的修正方法:

Sadj = 20 log10(P/Pstd)

示例:
1 Pa参考声压时的10 dB就是20 µPa参考声压时的104 dB (10 + 20 log10(1/20*10-6) = 104 dB)

可在网页获取换算工具,计算非标准测试条件的修正值。我们的扬声器SPL(声压级)计算器就是这种应用程序。

什么是蜂鸣器灵敏度?

和扬声器类似,蜂鸣器灵敏度是通过输入电压产生的输出声压表征的。蜂鸣器的受控测量条件也是输入驱动电压、测量距离和参考声压。蜂鸣器的输入驱动电压通常为电源电压。同样,扬声器用于修正非标准测试条件的等式也可用于蜂鸣器。

标准传声器灵敏度测试设置图纸
标准蜂鸣器灵敏度测试设置

结论

在为项目指定或选择传声器、扬声器和蜂鸣器时,务必要了解它们的灵敏度,因为灵敏度规格表述了这些组件中声压和电压之间的关系。在比较各家供应商提供的音频组件时,也务必要确保统一测量条件。如果测量条件不同,需利用简单的等式转换非标准测量条件,从而确保进行正确比较。

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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