音频功率放大器的输出功率是衡量音响设备的一个重要指标,在条件许可的情况下,应该要求放大器具有较高的输出功率。这到并不是说在实际使用中一定要把音量开得很大,声音放得很响,而是因为输出功率较大的放大器具有较高的功率储备,当重放实际音乐信号时,不容易产生失真。我们知道,音乐信号与正弦信号的特性不同,如图中波形a所示。在音乐信号中经常会出现持续时间较短但幅度很高的峰尖。如果所使用的音响设备输出功率较小,在重放音乐信号时,其输出就容易产生削波失真,使重放音质受到损害,尤其对晶体管功放音质的损害更加严重。在音响设备的说明书上,都标有音频功放的输出功率,但输出功率有着几种不同的表示方法,不同的输出功率表示值含义不同,测量方法也不同。弄清楚输出功率常用表示方法的含义和区别,对我们选购一台称心如意的音响设备会有很大帮助。

1.RMS输出功率。RMS(root mean square,又称均方根值)功率,即有效值输出功率。这是一种表示输出功率最实在的表示值。它是给功率放大器输入一个连续的正弦波信号,在放大器的输出电压达到所规定的失真率时,所能输出的有效值功率。其表达式是功放输出电压的有效值U\(_{RMS}\)的平方除以负载电阻R,即P=(URMS)\(^{2}\)/R。需要说明的是,在电工学中并没有有效值功率这个概念,根据P=(U\(_{RMS}\))2/R计算得出的功率值应称为平均功率或平均值功率。RMS功率这个名称是由音响制造商叫开的。这其中到也有他们的理由,一是在功率的计算中使用的是有效值电压;二是容易表示且易与其它输出功率表示方法相区分。RMS功率还有另外几种叫法,由于在测量RMS功率时,使用的输入信号是连续正弦波,因此有时也将RMS功率称为连续输出功率(continuous power output),连续平均值功率(continuous average Power),连续正弦波功率(continuous sine wave power)。因为RMS功率是在所规定的失真率下测得,所以也称为不失真输出功率(undistorted power output),简写为UPO。注意,规定不同的失真率,将得到不同的RMS输出功率。例如,在失真率为10%时的RMS功率比失真率在5%时测得的RMS功率值要大。RMS输出功率的单位有时也写做W/RMS,意为以有效值功率表示的输出瓦数。在具有环绕声功能的多声道功率放大器中,输出功率的单位常写作WPC,意为每声道输出瓦数,它的英文全写是watts—per-channel。
2.蜂值功率。将RMS功率计算式中的有效值电压换为峰值电压得出的功率值即为蜂值功率。因为峰值电压与有效值电压的关系为U\(_{P}\)=\(\sqrt{2}\)(UP)\(^{2}\)/RU\(_{RMS}\),所以峰值功率PP=2(U\(_{P}\))2/R=(\(\sqrt{2}\)URMS)\(^{2}\)/R=2P\(_{R}\),即峰值功率等于2倍的RMS功率。注意不要将峰值功率与下面将要介绍的峰值音乐功率相混淆。
3.峰值音乐功率PMPO,英文全称为Peak Music Power Output。峰值音乐功率是为了反映功率放大器对实际音乐信号处理能力提出的一个指标。我们常会在音响设备的说明书上看到功率放大器的峰值音乐功率高达数百瓦甚至上千瓦,而RMS功率仅为几十瓦或一百瓦左右。峰值音乐功率与RMS功率之间的量值关系远远超过RMS功率与峰值功率之间的2倍关系。造成这一差值的主要原因有两个:第一是测量时使用了具有不同特性的输入信号。测量RMS功率时使用的是连续正弦波信号,这一信号可以说是属于静态的,而实际音乐信号是动态的。前面已经提到,在音乐信号中经常出现持续时间较短幅度较高的峰尖,我们常用峰平比(即信号的峰值与整流平均值之比)来描述信号的这一特性。峰平比具体表示的是信号峰值与平均值之间的关系。对于正弦信号,它的峰平比等于π/2=0.637。不同种类的音乐信号具有不同的峰平比,一般在3~6之间。就是说若一个正弦信号和一音乐信号具有相同幅度的峰值,那么正弦信号的平均值要比音乐信号的平均值大很多。造成峰值音乐功率与RMS功率差的第二个原因是音频功率放大器使用的直流电源为非稳压源。大家知道,一台功率放大器当其电路程式和所接负载确定以后,其能够输出的功率与放大器电源电压成正比。在现今几乎所有的音频功率放大器中,为了节省成本,电源电路都不用稳压电源,而使用简单的整流滤波型电源对功放供电。由于简单整流滤波型电源电路不具备恒压特性,当电源输出电流增大,负载加重时,电源的输出电压就会随之降低,功率放大器能够输出的功率也降低。当给功率放大器分别输入具有相同峰值的正弦信号和音乐信号时,由于正弦信号与音乐信号具有不同的峰平比(即整流平均值不同),功放电源电压的降落亦不同。请参考示意图。图中U是功率放大器在没有输入信号时的电源电压值,U\(_{1}\)是输入正弦信号时电源实际输出电压,U2是功放输入音乐信号时电源实际输出电压,U\(_{2}\)>U1,因此功率放大器在输入音乐信号时能够输出的不失真峰值功率(即峰值音乐功率)要比输入正弦信号时能够输出的峰值功率大。
到现在为止,我们还没有给出峰值音乐功率的定义。关于峰值音乐,流行着几种不同的解释和测量方法,根据不同测量方法得出的峰值音乐功率值亦不相同。比较有代表性的解释有两种:美国出版的《图解电子学辞典》对峰值音乐功率的解释是,音频功率放大器在处理音乐信号时,在一个短持续期间内能够输出的峰值功率。根据这种定义测量峰值音乐功率时,要给放大器输入一个人为规定的模拟音乐信号,放大器在规定的失真下所能输出的峰值功率即为峰值音乐功率。由于不同种类的音乐信号具有不同的峰平比,因此在测量时使用的模拟音乐信号必须具有统一规定并有代表性的峰平比。否则,使用不同峰平比的测试信号将得到不同的峰值音乐功率,使峰值音乐功率表示值失去可比性。
峰值音乐功率的实际意义就在于当单频功率放大器处理音乐信号中常出现持续时间较短幅度很高的峰尖时,由于功放电源滤波电容的储能作用,在短时间内功放电源电压还没有来得及跌落,功率放大器可以不失真地放大和输出音乐信号中出现的高峰尖。因此,若要使音频功率放大器的峰值音乐功率大,就要在功放电源上做些文章。尽量减小电源内阻,使用大容量的电源变压器、大容量滤波电容器和高速整流二极管。
对峰值音乐功率的另一种解释是:使被测放大器在满信号(正弦信号)输入时的直流电源电压仍保持在零信号输入时的数值,此时测出的峰值功率称为峰值音乐功率。由于放大器在满信号输入时电源负载加重,电源电压要有所跌落。因此在测量时需人为地将原功放电源电压提高,使之恢复到零信号时的电源电压值,或使用一个外接稳压源,将其输出电压调整到零信号时原功放电源电压值,然后进行输出功率测试。
比较上述两种对峰值音乐功率的解释和测量方法,第一种较为合理,但测量方法较为复杂,且需要专门的测试信号。方法二虽然测试简单,但存在不足。它在测试时没有考虑到对峰值音乐功率有很大影响的功放电源电路,利用此法测出的峰值音乐功率值偏高。
4.音乐功率,英文名称为Music Power Output, 简写为MPO,音乐功率的意义与峰值音乐功率相同,但表示方法稍有区别。音乐功率是在给功率放大器输入音乐信号时以准峰值功率表示的输出功率值。在数值上,音乐功率是峰值音乐功率的二分之一。
5.小结。下面我们就有关音频功率放大器输出功率的主要问题做一归纳:在音响设备中最常用的是RMS功率和峰值音乐功率。RMS功率是衡量放大器输出功率最实在的指标,应该将其做为考核输出功率时的主要参考值。读此指标时,应注意RMS功率是在多大失真率情况下所测。峰值音乐功率是为反映放大器处理实际音乐信号能力而提出的,它虽有一定实际意义,但由于定义和测量方法不同,有时在其表示值上还存在着某些夸大和商业宣传问题,可将其做为考核放大器输出功率时的辅助参考值。
RMS功率与峰值音乐功率之间的量值关系随测试方法和测试时使用的模拟音乐信号峰平比有关。现在市面上出售的音响设备所标注的峰值音乐功率表示值大约是RMS功率的10倍左右。(刘午平)