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    高保真音響的失真指標評價分析

    時間:2012-12-04 12:04:29  來源:中樂影音科技有限公司  作者:中樂影音

    高保真音響的技術指標——失真


    要評價一套音響系統是否達到高保真標準,他各項技術指標首先要滿足一定的要求。音響器材的技術指標主要有失真度、頻率響應、信噪比、動態范圍、瞬態特性和立體聲分離度。以下將對這些指標的具體含義以及對聽感的影響逐一作出說明。
    音響設備的檔次不同,其技術指標的等級標準也是不一樣的。例如。較為高檔的高保真立體聲功率放大器通常應達到下述要求:額定功率>50W,額定功率的總諧波失真<0.03%,頻率響應范圍20Hz-20kHz+(-)0.3dB,轉換速率>20V/μs,阻尼系數>60,立體聲分離度>50dB等。
    1,失真
    在聲音信號的傳遞、處理和放大過程中,信號的波形發生了不應有的變化,統稱為失真。在高保真的各個技術指標中,失真對音質的影響最為顯著。粗略地分,失真可分為線性失真和非線性失真兩大類。非線性失真是指音響設備產生了原聲源沒有的新的頻率分量,如諧波失真、互調失真和瞬態互調失真等;線性失真則是不產生新的頻率,只改變頻率間信號值的相對大小,如頻響曲線不平坦、出現峰谷等。
    1.1諧波失真和互調失真
    (1)諧波失真與互調失真的產生。
    從物理學可知,如果音頻信號通過線性放大或變換環節,那么輸出信號與輸入信號之間應具有一一對應的關系,不應增加新的頻率成分,但如果通過的是非線性放大或變換環節,那么就產生原信號中不存在的新的頻率成分。這又可分兩種情況,一種情況是具有單一頻率f的信號通過非線性環節,會產生2f、3f……等高次諧波,稱為諧波失真(HD)。另一種情況是,具有符合頻率f(1)、和f(2)的信號通過非線性環節,除了產生2f(1)、2f(2)……等高次諧波之外,f(1)和f(2)還會互相調制,產生了f(1)-f(2)、f(1)+f(2)、f(1)+2f(2)、2f(1)+f(2)等高次互調波,稱為互調失真(IMD)。
    例如,如果放大器的輸入端饋入一個單一頻率f=1500Hz的正弦信號,理想情況下放大器的輸出端應該是一個輸入信號波形經放大后的精確的復制品。但實際上,輸出波形并不完全與輸入波形一樣,而是發生了畸變。這個失真的波形中包括了原來的基波信號的頻率及基波信號的二次諧波3000Hz、三次諧波4500Hz等等。所有諧波成分電壓的總和占總輸出電壓的百分比叫做放大器的諧波失真度。
    又如,如果兩個頻率分別為800Hz和1300Hz的正弦信號同時通過放大器,則在放大器的輸出信號中,除包括兩個基波頻率之外,還要加上800Hz的各次諧波和1300Hz的各次諧波,以及輸入信號頻率的和頻2100Hz和差頻500Hz以及它們的高次互調波。由于互調波失真產生的新頻率的幅度占總輸出電壓的百分比叫做互調失真度。
    (2)放大器的諧波失真和互調失真
    諧波失真和互調失真存在音響系統的各個環節之中,包括音源、放大器和揚聲器。在放大器中,造成諧波失真的主要元器件是晶體管,因為晶體管的輸入-輸出特性的某些區域呈現非線性。音頻變壓器也會引起諧波失真,因為小功率變壓器在強信號下容易產生磁飽和現象。因此在設計高保真放大電路時,應讓晶體管盡量工作在線性區,并保證有足夠的動態范圍,同時盡量避免使用變壓器。
    電源內阻過大會引入互調失真。電源的直流內阻使得供電電流流過自身時產生壓降,隨著輸入信號的變化,供電電流隨之變化,內祖上的壓降也會發生相應的變化。由于放大器的線性原理是建立在理想恒壓源的基礎上的,而電源內阻壓降信號與放大器信號之間會形成相互調制作用,并由此產生互調失真。
    放大器的諧波失真和互調失真與其輸出功率有關。一般來說,給定的一臺放大器,當她的輸出功率超過一定值時,這種失真也將會增大。因此,標志放大器的輸出功率應與其失真度聯系起來。平時我們看到額定輸出功率就是將放大器的失真限制在一定范圍內的最大功率,又稱最大不失真功率。圖1示出了每聲道最大輸出功率為100W的某放大器的諧波失真與輸放大器諧波失真與輸出功率的關系出功率的關系曲線圖?梢,當放大器接近于最大輸出功率時,諧波失真將急劇增大,因此放聲時,因讓實際放聲功率遠小于最大輸出功率。
    放大器的諧波失真和互調失真還與信號頻率有關。圖2示出了某雙聲道放大器的諧波失真與信號頻率的關系曲線圖?梢娫1000Hz附近的諧波失真最小,高于1000Hz時諧波失真隨頻率的提高而急劇增大。所放大器諧波失真與信號頻率的關系以,要準確表達放大器的諧波失真指標時,必須標出頻率范圍。另外,聲音信號的頻率范圍越窄,人們對失真度的敏感性越差。因此,對語言信號的失真度要求就比對音樂信號的失真度要求低,而且音響設備的頻率越窄,則對其失真度的要求也就越低。
    (3)揚聲器的諧波失真與互調失真
    揚聲器也會產生諧波失真和互調失真。揚聲器把輸入的電信號經電磁轉換為機械振動,形成聲波輻射出去。在能量的轉換過程中,揚聲器錐盆環及其定位片支撐具有一定重量的音圈振動系統。在強輸出下,錐盆和定位片的行程過大,音圈可能會進入磁場的非線性區,使得輸入與輸出不成線性關系,導致非線性互調失真。輸入的信號越大,這種失真度也就越大。一般而言,要消除揚聲器的非線性失真,難度要比放大器要大得多。
    (4)諧波失真與互調失真對聽感的影響
    諧波失真與互調失真所產生的多余諧波分量與聲音原有的頻譜分量是不和諧關系,因此會導致音質劣化。諧波失真主要引起聲音發硬或發炸,當諧波失真達到3%以上時,聲音的變硬格外明顯;フ{失真則使聲音變得毛躁、刺耳和混濁,在重放合唱節目時顯得尤為突出。一般而言,諧波的次數越高,其幅度越小,因而對音質的影響也越弱。
    諧波失真是最常見的失真現象,而且比互調失真更容易測量,因此幾乎所有的音響產品均以諧波失真作為失真度參數的測量依據。放大器和音箱說明書中所給出的失真度皆為諧波失真度。然而,諧波失真對音質的影響遠沒有互調失真對音質的影響來的劇烈。不管是自然界的聲音人聲還是各種各樣的樂器,在發聲時都會產生以基波為主的各種倍頻諧波成分,聲音因諧波成分的不同而形成不同的音色。音響設備所產生的諧波失真并不增加諧波成分,而只是使原聲音的諧波成分發生改變,從而改變音色或使聲音走調。由于這種失真并沒有增加與原信號格格不入的成分,因此人耳對其并不敏感,特別是較小的諧波失真(<0.1%)是人耳所難以感覺到的。
    諧波失真對音質影響并非全是不利因素實踐證明,奇次諧波和偶次諧波均會引入諧波失真,但是人耳對奇次諧波更為敏感,對偶次諧波卻要遲鈍得多;而且,奇次諧波帶來的是嚴重的不適感,而偶次諧波卻能夠在一定程度上美化音色,因為樂器的諧波絕大多數為偶次諧波。研究表明,在奇次諧波,三次諧波使聲音變尖,五次諧波使聲音產生金屬感,七次諧波及以上的奇次諧波會產生及其尖銳刺耳的聲音;偶次諧波則不同,如二次諧波即使比基頻高八度,聽起來也沒有不和諧感,卻使聲音更顯豐富。晶體管功放中兩種諧波分量均存在,因此要達到高保真要求,要求其失真度極低(<0.05%一下);電子管功放雖然總諧波失真較高,但是它的奇次諧波失真較低,因此聲音聽上去比較柔和、耐聽。
    與諧波失真相反,互調失真所增加的互調波信號與自然音樂沒有相似之處,在比較低的失真度時就可以被聽出來,而且令人生厭。在現實生活中兩個不同聲源同時發聲時,也會有這種調制現象發生,但所增加的和拍與差拍信號與原信號相比幅值很小,而音響設備重放所產生的這種和拍與差拍現象則比較明顯?梢哉f,有時較小的互調失真要比較大的諧波失真對音質影響更為顯著。不過,由于互調失真的精確測量問題沒有完全解決,所以目前音響設備的失真度主要還是用諧波失真度來表征的。這就造成了某些設備客觀測試指標與主觀聽音評價不一致的原因之一。
    (5)音響系統諸環節諧波失真與互調失真大小的比較
    目前,就諧波失真和互調失真而言,前幾放大器可做到0.01%,功率放大器可做到0.1%,CD機與影碟機已可做到0.003%以下,但錄音機、電唱機和調頻收音機的失真度均超過0.5%。在音箱系統的各個環節中,作為電聲轉換環節的音箱的失真度最大,即使世界上最優秀的音箱,失真度也超過0.1%。從這點來看,音箱是音響系統中最薄弱的環節。

    2.瞬態失真
    諧波失真與互調失真是音響系統對于穩態信號產生的失真,而音樂信號屬于動態信號。如果音響系統對于瞬態突然變化信號不能做出完全線性的響應,就會產生所謂的瞬態失真。瞬態失真與音響設備的瞬態響應密切相關,如果音響設備的瞬態響應跟不上音樂信號的快速變化,就會引起瞬態失真。
    (1)放大器的瞬間互調失真
    目前,大多數的晶體管放大電路的開環增益往往設計得很大,但其它開環指標卻不如電子管放大電路,尤其是失真度和溫度特征較差。為了降低失真和提高溫度穩定性,晶體管放大器多采用深度負反饋電路。在這種情況下,經過放大器放大了的信號中有一部分要通過反饋網絡反饋到輸入端。由于反饋網絡多為阻容元件所構成,反饋過程需要一定的時間,那么在信號反饋到輸入端之前,放大器等于沒有加負反饋,則此瞬間輸出的信號將出現十分強烈的失真,通常稱之為瞬態互調失真(TIM)。
    瞬態互調失真對音質的影響與信號的變化速率及強度有關。如果信號變化緩慢,其變化的時間常數遠大于放大器中反饋網絡的弛豫時間,則產生的瞬態互調失真不明顯。如果信號變化速率快而且強度很大,則很容易因反饋網絡的瞬時失控,使輸入級瞬時嚴重過載,產生嚴重的削波失真。因此,音量大、頻率高或動態范圍寬的節目信號最容易產生瞬態是互調失真。
    (2)揚聲器的瞬態失真
    由于揚聲器的運動不見具有一定的質量慣性,故其錐盆的振動有可能跟不上瞬間變化的電信號,使重放聲產生波形畸變,從而產生瞬態失真。
    揚聲器瞬態失真的大小取決于其瞬態響應的好壞。揚聲器的瞬態響應是指其對突發性聲信號的跟隨以及停頓能力。比如,當快速擊鼓時,揚聲器能迅速地跟上鼓點,清晰地而不是模糊地響應出來,并能及時地停頓。揚聲器的瞬態特性又有前沿和后沿之分。比如,給揚聲器輸入一個矩形波,如果它的輸出波形仍為方整的矩形波,即前沿陡直,后沿也陡直,則稱之為瞬態響應好、瞬態失真小。由于揚聲器的結構、振膜材料特性不良等不利因素,前沿和后沿不可能都非常陡直,就會產生瞬態失真。用金屬振膜制作的硬球頂揚聲器,其前沿瞬態特性好,即爆發快,但其后沿特性欠佳;而軟球頂揚聲器則恰好相反,F代揚聲器的改進方向之一就是尋求一種合適的材料和制造工藝,既能使前沿特性好,又能使后沿特性好,這在目前來說尚有一定難度。
    (3)瞬態失真對聽感的影響
    瞬態互調失真出現的時間雖然很短,但其表現出來的聲音確實非常刺耳的,聆聽音樂時顯得不圓滑,帶有毛刺。中低檔晶體管放大器大音量聆聽時常出現高音尖硬的難聽聲,就是由于這種失真引起的。發燒友常常提起的所謂晶體管聲和金屬聲,在很大程度上也是來自瞬態互調失真。瞬態失真還可導致音樂聲的音色改變,其中,對于連續打擊樂影響最大,會使他們中音變得不圓滑,高音的層次感差;對于鋼琴,可造成聲音不純等現象。
    3.交越失真
    如果你的音響設備在小音量放音時不能保持和諧悅耳,出現聲音嘶啞或間歇感的話,這可能是功放的交越失真較為嚴重。交越失真是乙類功率放大器特有的失真現象。在乙類推挽輸出功率放大器電路中,由于上下兩個推挽管交替工作,如果起始偏流太小,那么信號零值附近的部分正好位于兩個推挽管交替范圍內,就會使信號發生斷裂,尤其在小信號的情況下,問題就會更為突出。與交越失真同時出現的還有開關失真,也稱為轉換失真。他是因為晶體管具有一定的開關時間,所以在晶體管交替導通與截止的瞬間,輸出信號連接處產生脈沖而不能平滑地銜接。交越失真的波形圖3所示。為避免交越失真和開關失真,輸出管起始偏流不要調的太低,并保證晶體管本身的穩定性,以免長期工作后工作點改變。當然,最好是采用甲類、超甲類和甲乙類放大器。
    如果您的音響設備大音量播放或播放大動態音樂時,沒有圓弧悅耳的感覺,聲音模糊而且抖動,這可能是出現削波失真。在小功率放大器放音時經常出現這種情況。削波失真主要是由于放大器的動態范圍不夠,在瞬態大信號時導致攻防飽和或過載,輸出信號不再隨輸入信號的增大而增大,輸出波形被削平,導致信號失真。削波常常使信號中產生許多不應有的超聲波,聽久了會使人感到頭疼。削波失真的波形圖3所示。為了減少削波失真,應盡量使放大器有足夠的功率儲備及大的動態范圍。

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    4.相位失真
    相位失真也稱為相位畸變,它指不同的頻率的信號通過放音設備之后產生的相移不同所產生的失真。由于音響設備中不可避免的存在著電感、電容等相移元件,而且在電路中往往設有負反饋電路,所以輸入信號通過放大電路時,將引起原信號的相位變化。電源的交流內阻是產生相位失真的另一個原因,因為電源的交流內阻是因變壓器繞組間等效電容與濾波電容的等效電感而產生的,對于不同頻率的信號將會產生不想等的電抗,從而引起相位變化。
    相位失真對1000Hz以下的中低頻影響較大,它可使低頻段聲音變得模糊不清,中頻段聲音層次變差,分辨能力降低,同時還會導致聲象的定位不準或漂移。放大器相位失真的大小與其瞬態互調失真的高低以及瞬態響應的優劣有關。這種失真對音質和聽感影響往往介于諧波失真和互調失真之間。
    5.抖晃失真
    音響系統中的音源設備諸如電唱機、錄音座和CD機等大多具有旋轉傳動機構,如果旋轉時的角速度和線速度不能保持恒定,就會引起聲音的音調變化,由此產生的失真叫抖晃失真。抖晃失真的大小通常用抖晃率表示,它定義為引起音調變化的均方根值。目前,電唱盤的抖晃率為0.01%,錄音座為0.1%左右,CD機和影碟機則低至0.001%以下,已達到儀器難以測量的水準。

     

     


     

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