两项标准中有关扬声器功率试验的异同
2014-09-03华子兴
华子兴
【摘 要】 本文介绍扬声器音圈的温升，剖析了WH/T 39-2009 《专业音频和扩声用扬声器组件实用规范》和
GB/T 12060.5-2011《声系统设备 第5部分：扬声器主要性能测试方法》两项扬声器标准中关于功率试验的规 定及其差异。
【关键词】 扬声器；温升；功率试验；应用
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.03.009
Similarities and Differences about Speaker Power Test in the Two Standards
HUA Zi-xing
（Beijing 797 Audio Co.，LTD， Beijing 100015， China）
【Abstract】The voice coil temperature rise of speaker was introduced， and some rules and differences about power test were analyzed in the two standards of WH/T9-2009<
【Key Words】speaker； temperature rise； power test； application
1 扬声器音圈的温升
扬声器将电能转换成声能的效率很低，特别是低频扬声器，绝大部分电能都转成热能，从而使音圈、磁路升温。实践证明，过量的稳定电功率或过量的峰值电功率都会使扬声器出现故障。前者引起音圈过量发热，最终导致音圈被烧毁；后者造成扬声器振动系统瞬间产生超大的振幅而引起扬声器的机械故障，音圈可能与扬声器的纸盆（或驱动器的振膜）脱开或扬声器的纸盆（或振膜）被撕裂或振破。
同一音圈在不同电功率作用下发热、温升情况和相同电功率作用下不同直径的音圈发热、温升情况如图1所示。当音圈直径为32 mm时：输入电功率255 W，作用时间15 s时温升达135 ℃、作用时间为60 s时温升达210 ℃（已趋向平稳）；输入电功率132 W，作用时间为15 s时温升达52 ℃、作用时间60 s时温升达75 ℃（已趋向平稳）。当输入功率为60 W时：音圈直径为45 mm，作用时间10 s时温升达25 ℃、作用时间60 s时温升达60 ℃（已趋向平稳）；音圈直径为19 mm，作用时间10 s时温升达175 ℃ 、作用时间60 s时温升达195 ℃（已趋向平稳）。
由此可得到以下结论：
（1）无论音圈直径的不同还是输入电功率大小的差异，作用时间达到60 s时，音圈的温度已经趋于平稳。
（2）当音圈直径一定时，输入电功率越大，温升越快，其平稳点的温度也越高；而当输入功率一定时，音圈直径越大，温升越慢，其平稳点的温度也越低。
2 扬声器的功率试验
承受功率是扬声器的主要电声性能指标之一，目前扬声器的发展趋向是体积小、承受功率大。
扬声器的功率是由相应的试验来确定，该试验与两个主要因素有关：（1）试验信号的类型，如模拟节目信号、粉红噪声信号、正弦信号等；（2）试验时间。不同标准标注功率的差异主要由上述两方面决定。
判断试验是否合格主要以不损坏扬声器为原则，即纯音检听合格。也有的规定以其性能变化不超过10%为鉴别依据。
2.1 试验一：WH/T 39-2009 《专业音频和扩声用扬声器组件实用规范》
文化部颁布的文化行业标准WH/T 39-2009《专业音频和扩声用扬声器组件实用规范》修改采用美国声频工程学会AES 2-1984《专业音频和扩声用扬声器组件的AES推荐实用规范（英文版）》，给出了专业音频和扩声系统的扬声器组件的通用技术规范。该标准中规定“承受功率”试验如下：
驱动器应安装在一个面积固定或逐渐扩大，且初始面积不小于驱动器喉部面积的合适声负载上。制造商须规定负载的安装方法，低频扬声器单元应安装在自由空间中，使振膜的运动方向为水平方向，并且周围设置不会造成不可忽略的空气负载。如图2所示，驱动器或低频扬声器单元应用制造商所规定的低频下限至少到此下限10倍带宽范围内的粉红噪声驱动。噪声信号应经过12 dB/oct斜率的具有巴特沃兹滤波器响应特性的带通滤波器，且供给高频驱动器或低频扬声器单元的噪声信号的峰值电压与有效值电压比应为2：1（6 dB）。制造商应标明噪声信号的截止频率上下限（-3 dB）。
将图2中的设备仪器具体化，就可得到图3所示的设备连接图。
测试的高频驱动器或低频扬声器单元应能承受连续的高功率，并在每一增量皆可达到热平衡（大约2 h）。功率应由所用电压有效值的平方除以 Zmin来决定。高频驱动器或低频扬声器单元额定功率定义为：连续工作2 h后，其声、力、电三方面的特性产生的永久性变化不超过10%的功率。
2.2 GB/T 12060.5-2011《声系统设备 第5部分：扬声器主要性能测试方法》
国标GB/T 12060.5-2011《声系统设备 第5部分：扬声器主要性能测试方法》等同采用IEC 60268-5：2007《声系统设备 第5部分：扬声器（英文版）》，适用于声系统中的扬声器，完全作为无源器件来处理，不包括带内置放大器的扬声器系统。该标准中规定的功率试验如下：
（1）“额定噪声功率”试验
扬声器在不产生热损坏或机械损坏的情况下所能够承受的模拟节目噪声电压U0，由公式U02/R计算得到，其中R为额定阻抗值。
如图4所示的测量装置应包括下列仪器：粉红噪声发生器；合适的计权网络，以得到符合SJ/Z 9140.1规定的噪声信号；带限幅电路的功率放大器；除非制造商规定，扬声器单元应在不加障板的条件下进行测量。
待测扬声器输入端的限幅噪声频率分布应符合SJ/Z 9140.1的规定，其峰值因数在1.8～2.2之间。
全频扬声器及扬声器系统和带有分频器的高频扬声器可分为如图5所示的两种仪器设备连接图。其中粉红噪声经过模拟节目信号滤波器可得到如图6所示的频率谱。
扬声器须在规定气候条件下，在其须承受的额定电压下连续试验100 h。试验后应将扬声器立即贮存在普通房间的正常气候条件下24 h。贮存结束后，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能上明显的改变。
（2）“长期最大功率”试验
扬声器能够承受与“额定噪声功率”试验相同的模拟节目噪声信号，持续时间为1 min，间隔为2 min，重复10次，而不产生永久性损坏的最大噪声信号电压Ult由公式Ult2/R计算得到的电功率，其中R为额定阻抗值。
3 两个标准功率试验的差异
3.1 试验信号
由上述的设备连接图可以看出，试验信号是不同的。WH/T 39-2009规定的是粉红噪声；而GB/T 12060.5-2011规定的是粉红噪声经模拟节目滤波器后的“模拟节目信号”。如图6所示，“模拟节目信号”与粉红噪声相比，在低频端和高频端都有一定程度的衰减：25 Hz（-10 dB）、
50 Hz（-1 dB）、1 000 Hz（0 dB）、2 000 Hz（-1 dB）、
16 000 Hz（-18 dB）。对频段越宽的全频扬声器和高频扬声器，两个标准的试验信号的差异会更明显。
3.2 功率的标注
对于低频扬声器、全频带扬声器和扬声器系统，由上述设备连接图可看出，WH/T 39-2009和GB/T 12060.5-2011规定的“能承受功率”都是扬声器实际得到的电功率。
对于高频扬声器，由上述设备连接图可看出：
（1）WH/T 39-2009采用的是使用带通滤波器来限定扬声器的频率范围的试验信号，规定高频扬声器的“能承受功率”为本身实际得到的电功率（JBL公司称此功率为连续粉噪功率，而他们的连续节目功率则比连续粉噪功率大3 dB）。
（2）GB/T 12060.5-2011采用的是分频器的高通输出端提供的试验信号电压，规定高频扬声器的额定噪声功率为分频器输入端的电功率。
3.3 试验时间
WH/T 39-2009规定的是达到热平衡2 h；而GB/T 12060.5-2011规定的是考核热耗散能力的连续试验100 h和考核机械与热承受能力（特别是音圈）的持续试验1 min、间隔2 min、重复10次。
3.4 试验结果的判断
WH/T 39-2009规定试验后声、力和电方面的特性产生的永久性变化不超过10%；而GB/T 12060.5-2011规定试验后可恢复24 h，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能有明显的改变。
4 实际应用中的问题
笔者曾将JBL公司的压缩驱动器2451J（500 Hz以上连续节目功率为100 W）采用上述两个标准规定的方法进行功率负荷试验，试验结果确实有差异。
按GB/T 12060.5-2011的前一版本GB/T 9396-1996《扬声器主要性能测试方法》中的“带有分频器的高频扬声器功率试验方法”，对2451J+JBL号筒2334进行测试的结果为：两阶分频器的分频点为500 Hz、高通斜率为-12 dB/oct；分频器的低通输出端接假负载；分频器输入端为100 W电功率，不到2 h的负荷驱动器被烧毁。
按JBL公司的要求依WH/T 39-2009的规定的功率试验方法，对2451J+JBL号筒2334进行测试。带通滤波器设置为500 Hz至20 000 Hz（滤波器实测500 Hz处高通斜率为-28 dB/oct）；驱动器实际承受50 W电功率，2 h的负荷没有出现问题。
这里应指出，模拟节目信号在500 Hz分频时，高通得到的能量才是分频器输入端电功率的近50%，但两种方法的试验信号实际有差异：
（1）试验信号低于500 Hz部分：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法在分频点前切得更干净，GB/T 12060.5-2011的试验方法中驱动器实际承受的低于500 Hz的低频信号分量会更多一点；
（2）试验信号高频分量：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法因为前者没有经过节目信号滤波器，高频分量明显增加。综合起来：为保持驱动器实际承受的电功率一样，只有在WH/T 39-2009试验方法的试验信号在低于2 000 Hz的分量相对少和GB/T 12060.5-2011试验方法的试验信号低于2 000 Hz的分量相对多时才有可能。而过多的低、中频信号对高频扬声器的损伤会更大，所以出现了本人采用GB/T 12060.5-2011规定的试验方法进行功率试验时驱动器更容易被损坏的试验结果。
（1）“额定噪声功率”试验
扬声器在不产生热损坏或机械损坏的情况下所能够承受的模拟节目噪声电压U0，由公式U02/R计算得到，其中R为额定阻抗值。
如图4所示的测量装置应包括下列仪器：粉红噪声发生器；合适的计权网络，以得到符合SJ/Z 9140.1规定的噪声信号；带限幅电路的功率放大器；除非制造商规定，扬声器单元应在不加障板的条件下进行测量。
待测扬声器输入端的限幅噪声频率分布应符合SJ/Z 9140.1的规定，其峰值因数在1.8～2.2之间。
全频扬声器及扬声器系统和带有分频器的高频扬声器可分为如图5所示的两种仪器设备连接图。其中粉红噪声经过模拟节目信号滤波器可得到如图6所示的频率谱。
扬声器须在规定气候条件下，在其须承受的额定电压下连续试验100 h。试验后应将扬声器立即贮存在普通房间的正常气候条件下24 h。贮存结束后，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能上明显的改变。
（2）“长期最大功率”试验
扬声器能够承受与“额定噪声功率”试验相同的模拟节目噪声信号，持续时间为1 min，间隔为2 min，重复10次，而不产生永久性损坏的最大噪声信号电压Ult由公式Ult2/R计算得到的电功率，其中R为额定阻抗值。
3 两个标准功率试验的差异
3.1 试验信号
由上述的设备连接图可以看出，试验信号是不同的。WH/T 39-2009规定的是粉红噪声；而GB/T 12060.5-2011规定的是粉红噪声经模拟节目滤波器后的“模拟节目信号”。如图6所示，“模拟节目信号”与粉红噪声相比，在低频端和高频端都有一定程度的衰减：25 Hz（-10 dB）、
50 Hz（-1 dB）、1 000 Hz（0 dB）、2 000 Hz（-1 dB）、
16 000 Hz（-18 dB）。对频段越宽的全频扬声器和高频扬声器，两个标准的试验信号的差异会更明显。
3.2 功率的标注
对于低频扬声器、全频带扬声器和扬声器系统，由上述设备连接图可看出，WH/T 39-2009和GB/T 12060.5-2011规定的“能承受功率”都是扬声器实际得到的电功率。
对于高频扬声器，由上述设备连接图可看出：
（1）WH/T 39-2009采用的是使用带通滤波器来限定扬声器的频率范围的试验信号，规定高频扬声器的“能承受功率”为本身实际得到的电功率（JBL公司称此功率为连续粉噪功率，而他们的连续节目功率则比连续粉噪功率大3 dB）。
（2）GB/T 12060.5-2011采用的是分频器的高通输出端提供的试验信号电压，规定高频扬声器的额定噪声功率为分频器输入端的电功率。
3.3 试验时间
WH/T 39-2009规定的是达到热平衡2 h；而GB/T 12060.5-2011规定的是考核热耗散能力的连续试验100 h和考核机械与热承受能力（特别是音圈）的持续试验1 min、间隔2 min、重复10次。
3.4 试验结果的判断
WH/T 39-2009规定试验后声、力和电方面的特性产生的永久性变化不超过10%；而GB/T 12060.5-2011规定试验后可恢复24 h，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能有明显的改变。
4 实际应用中的问题
笔者曾将JBL公司的压缩驱动器2451J（500 Hz以上连续节目功率为100 W）采用上述两个标准规定的方法进行功率负荷试验，试验结果确实有差异。
按GB/T 12060.5-2011的前一版本GB/T 9396-1996《扬声器主要性能测试方法》中的“带有分频器的高频扬声器功率试验方法”，对2451J+JBL号筒2334进行测试的结果为：两阶分频器的分频点为500 Hz、高通斜率为-12 dB/oct；分频器的低通输出端接假负载；分频器输入端为100 W电功率，不到2 h的负荷驱动器被烧毁。
按JBL公司的要求依WH/T 39-2009的规定的功率试验方法，对2451J+JBL号筒2334进行测试。带通滤波器设置为500 Hz至20 000 Hz（滤波器实测500 Hz处高通斜率为-28 dB/oct）；驱动器实际承受50 W电功率，2 h的负荷没有出现问题。
这里应指出，模拟节目信号在500 Hz分频时，高通得到的能量才是分频器输入端电功率的近50%，但两种方法的试验信号实际有差异：
（1）试验信号低于500 Hz部分：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法在分频点前切得更干净，GB/T 12060.5-2011的试验方法中驱动器实际承受的低于500 Hz的低频信号分量会更多一点；
（2）试验信号高频分量：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法因为前者没有经过节目信号滤波器，高频分量明显增加。综合起来：为保持驱动器实际承受的电功率一样，只有在WH/T 39-2009试验方法的试验信号在低于2 000 Hz的分量相对少和GB/T 12060.5-2011试验方法的试验信号低于2 000 Hz的分量相对多时才有可能。而过多的低、中频信号对高频扬声器的损伤会更大，所以出现了本人采用GB/T 12060.5-2011规定的试验方法进行功率试验时驱动器更容易被损坏的试验结果。
（1）“额定噪声功率”试验
扬声器在不产生热损坏或机械损坏的情况下所能够承受的模拟节目噪声电压U0，由公式U02/R计算得到，其中R为额定阻抗值。
如图4所示的测量装置应包括下列仪器：粉红噪声发生器；合适的计权网络，以得到符合SJ/Z 9140.1规定的噪声信号；带限幅电路的功率放大器；除非制造商规定，扬声器单元应在不加障板的条件下进行测量。
待测扬声器输入端的限幅噪声频率分布应符合SJ/Z 9140.1的规定，其峰值因数在1.8～2.2之间。
全频扬声器及扬声器系统和带有分频器的高频扬声器可分为如图5所示的两种仪器设备连接图。其中粉红噪声经过模拟节目信号滤波器可得到如图6所示的频率谱。
扬声器须在规定气候条件下，在其须承受的额定电压下连续试验100 h。试验后应将扬声器立即贮存在普通房间的正常气候条件下24 h。贮存结束后，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能上明显的改变。
（2）“长期最大功率”试验
扬声器能够承受与“额定噪声功率”试验相同的模拟节目噪声信号，持续时间为1 min，间隔为2 min，重复10次，而不产生永久性损坏的最大噪声信号电压Ult由公式Ult2/R计算得到的电功率，其中R为额定阻抗值。
3 两个标准功率试验的差异
3.1 试验信号
由上述的设备连接图可以看出，试验信号是不同的。WH/T 39-2009规定的是粉红噪声；而GB/T 12060.5-2011规定的是粉红噪声经模拟节目滤波器后的“模拟节目信号”。如图6所示，“模拟节目信号”与粉红噪声相比，在低频端和高频端都有一定程度的衰减：25 Hz（-10 dB）、
50 Hz（-1 dB）、1 000 Hz（0 dB）、2 000 Hz（-1 dB）、
16 000 Hz（-18 dB）。对频段越宽的全频扬声器和高频扬声器，两个标准的试验信号的差异会更明显。
3.2 功率的标注
对于低频扬声器、全频带扬声器和扬声器系统，由上述设备连接图可看出，WH/T 39-2009和GB/T 12060.5-2011规定的“能承受功率”都是扬声器实际得到的电功率。
对于高频扬声器，由上述设备连接图可看出：
（1）WH/T 39-2009采用的是使用带通滤波器来限定扬声器的频率范围的试验信号，规定高频扬声器的“能承受功率”为本身实际得到的电功率（JBL公司称此功率为连续粉噪功率，而他们的连续节目功率则比连续粉噪功率大3 dB）。
（2）GB/T 12060.5-2011采用的是分频器的高通输出端提供的试验信号电压，规定高频扬声器的额定噪声功率为分频器输入端的电功率。
3.3 试验时间
WH/T 39-2009规定的是达到热平衡2 h；而GB/T 12060.5-2011规定的是考核热耗散能力的连续试验100 h和考核机械与热承受能力（特别是音圈）的持续试验1 min、间隔2 min、重复10次。
3.4 试验结果的判断
WH/T 39-2009规定试验后声、力和电方面的特性产生的永久性变化不超过10%；而GB/T 12060.5-2011规定试验后可恢复24 h，除共振频率变化之外，不存在电性能、机械性能和声性能有明显的改变。
4 实际应用中的问题
笔者曾将JBL公司的压缩驱动器2451J（500 Hz以上连续节目功率为100 W）采用上述两个标准规定的方法进行功率负荷试验，试验结果确实有差异。
按GB/T 12060.5-2011的前一版本GB/T 9396-1996《扬声器主要性能测试方法》中的“带有分频器的高频扬声器功率试验方法”，对2451J+JBL号筒2334进行测试的结果为：两阶分频器的分频点为500 Hz、高通斜率为-12 dB/oct；分频器的低通输出端接假负载；分频器输入端为100 W电功率，不到2 h的负荷驱动器被烧毁。
按JBL公司的要求依WH/T 39-2009的规定的功率试验方法，对2451J+JBL号筒2334进行测试。带通滤波器设置为500 Hz至20 000 Hz（滤波器实测500 Hz处高通斜率为-28 dB/oct）；驱动器实际承受50 W电功率，2 h的负荷没有出现问题。
这里应指出，模拟节目信号在500 Hz分频时，高通得到的能量才是分频器输入端电功率的近50%，但两种方法的试验信号实际有差异：
（1）试验信号低于500 Hz部分：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法在分频点前切得更干净，GB/T 12060.5-2011的试验方法中驱动器实际承受的低于500 Hz的低频信号分量会更多一点；
（2）试验信号高频分量：WH/T 39-2009的试验方法比GB/T 12060.5-2011的试验方法因为前者没有经过节目信号滤波器，高频分量明显增加。综合起来：为保持驱动器实际承受的电功率一样，只有在WH/T 39-2009试验方法的试验信号在低于2 000 Hz的分量相对少和GB/T 12060.5-2011试验方法的试验信号低于2 000 Hz的分量相对多时才有可能。而过多的低、中频信号对高频扬声器的损伤会更大，所以出现了本人采用GB/T 12060.5-2011规定的试验方法进行功率试验时驱动器更容易被损坏的试验结果。
