了解阻抗：万用表测喇叭，测的是什么？

前言

我们开启一个新的系列——“交流理论”，主讲滤波器和振荡器，但前提先讲讲“阻抗”。

当给一个电气系统施加“电压”时，系统会对“电流”产生一定程度的阻力。称之为“阻抗”（Impedance），以“欧姆”为单位（符号 Ω）。

那么，“电阻”（Resistance）的单位也是“欧姆”，它与“阻抗”是一回事吗？

我们来澄清一下：

我们买的喇叭（扬声器）上，常见有“8欧姆”、”4欧姆”的标识：

众所周知，喇叭使用交流信号来驱动。因此这些标识的单位是“阻抗”。

那么问题来了：阻抗的值不应该随频率而变化吗？怎么成为了“8欧姆”、”4欧姆”等，这样的单一固定值？

实际上，喇叭上写的是“标称阻抗”（Nominal impedance），这个术语表示在某种典型情况下的单一值，或者一个范围的平均值，但并不代表在所有范围上都是这个值。

如果我们打开某个喇叭的spec，可以看到阻抗-频率曲线，阻抗确实随着频率变化：

其中：

上述实线代表的“阻抗的幅度”看不太清，我找了一个更适合的图，放大看一下：

可以看到：曲线整体变化幅度很大。随着频率增大，首先是个峰值，然后回归到8欧姆，维持一段平坦的范围，然后持续上升。

阻抗的幅度最小的值是6欧姆，最大可以有40欧姆，那么，你猜这是一颗标称阻抗为几欧姆的喇叭？

这是一颗标称阻抗是8欧姆的喇叭，图中的标称阻抗是以400Hz的交流信号测定的，也有以1000Hz的交流信号测定的。可能因为这些频率都属于常见的中音区域：

回到图3，最左侧的频率是0Hz，对应阻抗是6 欧姆。0Hz代表的是直流，这就是如果我们拿万用表测喇叭，它得到的数值。这个读数与标称阻抗不同，这是因为万用表给的是直流信号，并不是400Hz的交流信号，激励信号不同，所以测量结果不同。

通常万用表测出的电阻读数，比标称阻抗要低一些。比如，本图中8 欧姆喇叭，万用表的读数为 6.8 欧姆。

当然，从某种意义上，电阻也属于阻抗的一部分，因为电阻就是 0 Hz 频率时的阻抗。

再看图3的左侧有一个峰值，对应的频率称为“谐振频率”（Resonant frequency）。在这个频率上，喇叭的电容属性（容抗）、电感属性（感抗）发生转变，相位也发生改变，表现在阻抗上是一个非常大的值。

图3的右侧，随着频率的增加，阻抗也会增加。喇叭的结构中有一个线圈（下图中的Moving voice coil），线圈的电感属性（感抗）与信号频率成正比，这解释了阻抗上升的原因。

阻抗除了有幅度，还有相位。这意味着电流会领先或滞后电压一段时间，这种差异称为相位角（Phase angle），以“度”（°）为单位：

具体哪个属性更强，除了电路元器件本身的参数，还与激励信号有关。比如，喇叭虽然里面有个大线圈，看着是电感属性，但电路里面还存在寄生电容，随着激励信号不同，体现出的电容/电感属性就不同。在一定频率下，会发生转变。这就是图2中虚线，相位代表的变化。

那么，了解电压与电流的相位角有什么意义呢？我听说相位角对喇叭或扬声器的音质差别不大（据说如此）。

但对驱动电路影响较大，因为负载上电压和电流存在相位角，有一部能量会反供驱动电路，造成驱动电路热量上升。这就是功率系数的概念，我们在此不过多展开，但从下图可以了解一下，相位不同，对应功率系数不同，对应（如放大器）和负载（如喇叭/扬声器）上的功率也不同。

比如，在相位角为45° 的情况下，放大器所承受的功率（热量）是其传输到喇叭上功率的 4 倍，即，如果扬声器的功率 0.5W ，放大器的功率是 2W。

参考资料，主要来自：

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