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耳机HIFI基础之如何看指标 (一)信噪比与噪声

2011-03-23 10:54:22   作者:   评论:0 点击:

在坛子上泡的时间长了,歪理也好真理也好林林总总说了不少,可是这些发言总是随机零散的,没有什么条理,于是答应了坛子上几位朋友写一篇条理清楚一点的、内容比较连贯的东西。本以为12千字就可以说明白,谁知一到提笔,却发现这是一个非常庞大的工程,HIFI牵涉的东西太多,如浩瀚之海洋,短短12千字也就是海中的一点沙砾而已。如果只写高阶的东西,对于初入此道的朋友如读天书,文章也就失去了其原本的意义。所以经过再三考虑,我决定从比较基础的东西写起,逐渐提高,希望论坛上的朋友能通过我的文章有所提高。

我文中的内容或来自读书的记忆,或来自10多年的经验体会,其中难免会有一些错误或不全,欢迎大家指正。

信噪比是音响界公认的衡量音响器材质量水准的一个重要指标,几乎所有的电声器材都会标注这个指标,没有这个指标的器材,要么是一些特制的专用器材设备,要么就是不正规的产品。信噪比、失真率、频率响应这三个指标是音响器材的基础指标基本特性,我们在评价一件音响器材或者一个系统水准之前,必须先要考核这三项指标,这三项指标中的任何一项不合格,都说明该器材或者系统存在着比较重大的缺陷。信噪比作为设备、系统的基础指标之一,必须得到应有的高度重视。

信噪比,英文名称叫做SNRS/NSIGNAL-NOICE RATE),是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号,噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息),并且该种信号并不随原信号的变化而变化。同样是原信号不存在还有一种东西叫失真,失真和噪声实际上有一定关系,二者的不同是失真是有规律的,而肷蚴俏薰媛傻模飧鲆院笤俳病?br>   信噪比的计量单位是dB,其计算方法是10LOG(Pn/Ps),其中PsPn分别代表信号和噪声的有效功率,也可以换算成电压幅值的比率关系:20LOG(Vn/Vs)VsVn分别代表信号和噪声电压的有效值。在音频放大器中,我们希望的是该放大器除了放大信号外,不应该添加任何其它额外的东西。因此,信噪比应该越高越好。


信噪比的测量及计算:

通过计算公式我们发现,信噪比不是一个固定的数值,它应该随着输入信号的变化而变化,如果噪声固定的话,显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然,这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的,要想让它成为一种衡量标准,就必须使它成为一个定值。于是,作为器材设备的一个参数,信噪比被定义为了在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率,这样,所有设备的信噪比指标的测量方式就被统一起来,大家可以在同一种测量条件下进行比较了。信噪比通常不是直接进行测量的,而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的,通常的方法是:给放大器一个标准信号,通常是0.775Vrms2Vp-p@1kHz,调整放大器的放大倍数使其达到最大不失真输出功率或幅度(失真的范围由厂家决定,通常是10%,也有1%),记下此时放大器的输出幅Vs,然后撤除输入信号,测量此时出现在输出端的噪声电压,记为Vn,再根据10LOG(Vn/Vs)就可以计算出信噪比了。
这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是,实践中发现,这种测量方式很多时候会出现误差,某些信噪比测量指标高的放大器,实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现,这不是测量方法本身的错误,而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的,同样多的噪声,如果都是集中在几百到几千Hz,和集中在20KHz以上是完全不同的效果,后者我们可能根本就察觉不到。因此就引入了一个的概念。这是一个统计学上的概念,它的核心思想是,在进行统计的时候,应该将有效的、有用的数据进行保留,而无效和无用的数据应该尽量排除,使得统计结果接近最准确,每个统计数据都由一个越高越有用,越低就越无用,毫无用处的数据的0。于是,经过一系列测试和研究,科学家们找到了一条通用等响度曲线,这个曲线代表的是人耳对于不同频率的声音的灵敏度的差异,将这个曲线引入信噪比计算方法后,先兆比指标就和人耳感受的结果更为接近了。噪声中对人耳影响最大的频段最高,而人耳根本听不到的频段的0。这种计算方式被称为“A计权,已经称为音响行业中普遍采用的计算方式。

噪声的种类、来源及电磁兼容:
 
在一个音响系统中,由于信号是串联的,因此一件设备的噪声会进入下面的设备中被放大,所以系统最后的噪声是系统中所有设备噪声的累加。但是,当我们了解了系统中每一件器材的信噪比指标后,是否就可以确定整个系统的信噪比指标了呢?不,远远不能。这就要从噪声的来源和种类说起了。

我们把噪声的来源分为内部和外部两种,由于实验室的测试条件通常都十分优越,所以在这种条件下测试的信噪比指标实际是设备内部噪声的反应,内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素,由设备自身产生的,而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境(自然环境)所造成的,外部噪声是不可能反映在信噪比指标中的。这一点通常会被很多人所忽略,经常听到有人说:这唱机的信噪比指标不是挺高的吗?怎么听起来噪音这么大,骗人的吧……。这就是没有搞清楚信噪比指标含义所造成的误解。

外部噪声通常被称为干扰,这种干扰可能是电磁干扰,也可能是机械振动干扰,也可能来自温度变化的干扰……总之,都不是器材自身产生的。于是此时另一个不太起眼的指标凸现出了它的意义-电池兼容性。
电磁兼容性有两个层次的含义,一是设备在运行时不会对其它设备产生干扰,二是耐受干扰的能力强,在一定的外界干扰下仍能正常工作。第一层意思容易理解,而第二层意思对于音响设备来说,还有更进一步的含义,那就是如何定义正常工作状态。这个正常工作不应该仅仅是出声就好,还应该是保证一定的性能指标,这其中就包括有信噪比。也就是所,一个电磁兼容性能优良的设备器材,在一定的外界干扰条件下,其信噪比指标不应该有明显的劣化。

实际上,很多音响产品在电路设计中都有电磁兼容的影子,比如在电源输入端设计滤波器、压敏电阻,外壳采用金属材料,内部信号线采用屏蔽线等等,实践证明,这些措施对于抑制干扰有很大的作用。

噪声的来源很复杂,我们可以把它们大致归结为三种:

第一种是元器件产生的固有噪声,电路中几乎所有的元器件在工作时都会产生一定的噪声,晶体管、电阻、电容,这种噪声是连续的,基本上是固定不变的,并且频谱分布很广泛,这种噪声除了改进元器件的材料和生产工艺外,几乎没有任何办法消除,也就是说,这种噪声几乎可以不用实验,在图纸上进行计算就可以推算出来。好在现在很多优质元器件的固有噪声都很小,在设计电路时选择优质元器件就可以把这种噪声压制到非常小的水平,小到我们根本不会听见。

第二种噪声来源于电路本身的设计失误或者安装工艺上的缺陷,电路设计失误往往会导致电路的轻微自激(一种自由振荡状态),这种自激一般在我们可以听到的声音范围之外,但是在某些特定条件下它们会对声音的中高频产生断续的影响,从而产生噪声。安装工艺失误就稍微复杂一些,比如接插件接触不良,接触表面形成二极管效应或者接触电阻随温度、振动等影响发生变化而导致信号传输特性变化,产生噪声。还有元器件排布上的失误,将高热的元器件排布在对温度敏感的元器件旁边,或者将一些有轻微振动的元器件放在对振动敏感的元器件旁边,或者没有足够的避震措施……等等这些,都会产生一定的噪声。这些噪声可以说都是人为造成的,对于经验丰富的电子设计师来说,这些噪声都是可以避免或者大大减轻的。

第三种噪声则是非常广泛的,也是经常被提起的干扰噪声。这种噪声来源很复杂,主要包括几个方面:
空间辐射干扰噪声:任何导体通过交变电流的时候都会引起周围电场强度的变化,这种变化就是电场辐射,同样,像变压器这样的磁体也会引起周围磁场强度的交替变化。我们知道,交变电场和磁场中的闭合导体会产生和电场磁场变化频率相同的交变电流,也叫感应电流。音响设备中所有的元器件、导线、电路板上的铜箔都是电导体,因此不可避免地会产生感应电流。这种感应电流叠加在信号中就会产生噪声。
线路串扰噪声:某些电气设备会产生干扰信号,这些干扰信号通过电源、信号线等线路直接窜入音响设备中。

传输噪声:这种噪声是信号在传输过程中由于传输介质的问题产生的,比如接插件的接触不良、信号线材质不佳、地电流串扰等等。其中,地电流串扰是经常容易被忽视的问题。由于民用音响器材大多采用非平衡传输方式,信号线的外屏蔽层实际上也参与的信号的传输,通常屏蔽层与音响器材的连接,大多数音响器材的地是和设备的外壳相连的,并且和住宅供电线路提供的大地相连接。在正常情况下,住宅供电的大地是非常理想的,它使得所有连接线路的都是平等的。但是,一旦这个接地出现故障,甚至某些不负责任的电力公司将这个地与市电的零线连接,就会出现问题了。此时消耗功率大的器材的电压比别的器材要高一点,比且这个高低 的差别还会随着消耗功率的大小发生变化,我们知道,一般的音频信号线中传输的信号是很微弱的,这变化则足以使得信号线中传输的信号产生很大的变化。这变化除了产生失真外,也包含了一定的噪声。并且,由于接地不良,空间辐射对于信号传输的影响也会加剧。


噪声的表现

前面我们对噪声有了一些了解,那么我们如何来分辨这么多种类的噪声呢?当然是靠听了。我这里总结一下我们经常听到的噪声以及它们的来源:
稳定的咝咝声或沙沙声:这是放大器电路元器件产生的固有噪声,一般非常轻微而且稳定,不会随着音量调节而变化。除了改变放大器的电路设计,这种噪声无法消除。
嗡声:这是通常所说的交流声,来源非常复杂,器材工艺设计的不合理、连接线缆的屏蔽能力等都会产生这样的声音。有时,供电电压过低导致内部电路工作不正常也会产生交流声。
噼啪声:所谓的放电声,器材内部积累灰尘过多是产生这种声音的主要原因。有时元器件超过使用寿命而失效也会产生这种声音。遇上这种情况应该立即修理检查,否则有可能产生更大的问题。
流水声:这是一种高频自激的现象,是电路设计不良造成的,属于质量问题。
啸叫声、汽船声:典型的高频、低频自激,应该马上关闭你的系统电源,检查器材之间的连接是否有误。
偶尔的滋滋声:交流供电线路的串扰。当交流电的供电质量非常糟糕的时候,也会产生这种现象。
噗噗声:内部元器件出现故障的现象。
广播声:电路设计不良,放大器的开环频响很差,非线性失真严重,并且没有进行适当的处理就会产生这种现象。这种现象往往是设计者片面追逐过宽的闭环频响,而放大器电路本身开环性能不良产生矛盾造成的。这种情况很多时候会引发高频自激,严重时会导致喇叭或者耳机烧毁。


噪声对音质的影响

噪声对于音质的影响,尤其是对于主观音质评价的影响是非常大的,有时会起到决定性的作用。音响行业从模拟音频向数字音频进化的一个主要目的就是提高信噪比,减少噪声。盒式磁带录音机的信噪比指标约为-2040dB,采用杜比降噪技术后最大可达到-67dBLP唱片约为-3050dB,开盘式磁带录音机约为-5060dB,一般的CD唱机则可以达到-90110dB,而最新的DVD-ASACD可以达到-120dB以上,从这个进步上看,音响行业对于信噪比指标式十分看重的。

噪声对于音质的表现主要有几个方面:
一是过大的噪声会严重干扰听音者对音乐本身的关注,这是对于那些幅度很大的噪声信号而言的,这情形就像听音乐会时你了邻座不断大声聊天、手机乱响、磕瓜子劈劈啪啪,在这种环境下听音乐,听者不会有好心情的。
二是噪声会影响音乐细节的再现。我们知道,人耳的听觉具有遮蔽效应,在遮蔽效应中,除了强音对于弱音具有屏蔽作用外,还包括另一个现象,就是当两个声音的响度相差不大的时候,往往我们会把这两种声音混淆在一起,或者会感到出现时间比较长的那个声音的存在,出现时间短的声音就会弱化。正常情况下,噪声电平通常都不高,而音乐中的某些细节和噪声电平相当,这样,这些细节就会被淹没在噪声的海洋中,使得我们无法感受到它们。而这些细节(也称为弱信号)在声音重播环节中往往起到非常微妙的作用,我们所谓的临场感”“空气感”“堂音”“泛音等等主观音质中的元素就靠它们来实现,没有了它们高保真的效果就会大打折扣。
三是某些类型的噪声时系统故障的先兆或者诱因,如果不及时解决和避免,可能对系统的安全造成隐患,这一点前面前面已经有所说明了,这里不再赘述。
此外,很多时候,噪声并不是孤立的,信噪比指标的不好有可能暗示着器材设计上的失误,这一点对于设计者来说很重要。


噪声的消除措施:
 
对于一般的消费者来说,是不可能消除器材本身的固有噪声的,遇上这种情况除了更换器材没有其它方法。但是,对于外部干扰,我们是可以用一些办法解决的:

电磁屏蔽:对于空间辐射干扰,我们可以选择金属质地的机柜来承载我们的系统,并且将金属机柜有效接地,就可以低档很多空间辐射。此外,对信号线、电源线也采取特殊的屏蔽处理,可以有效消除电子辐射干扰。对于那些漏磁比较严重的器材,我们可以将其放到距离其它器材较远的地方,或者加一个铁制机柜包起来,也可以大大消除磁场辐射。

净化电源:对于从供电线路中窜入的干扰信号,采用交流净化电源是个非常有效的方法,这种电源分为有源和无源两种形式,前者兼具交流稳压作用,除了可以滤除干扰外,还可以稳定供电电压,保证器材的正常工作状态。后者仅仅起到滤除干扰的作用,通常是以电源插座的形式出现,如果家中供电电压比较稳定,这样的电源净化器也有不错的效果。某些交流净化电源除了稳压滤波作用外,还有功率因数补偿、波形校正的功能,这种净化电源是最理想的电源净化设备,可惜价格不菲,一般人难以接受。

牢靠连接:采用高质量的接插件,保证信号线接头部位接触良好。

保养维护:爱惜你的器材,不要让它们长期工作在恶劣的环境下。总之,你去看看使用说明书,厂家的提示一般都说得非常清楚了。

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