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耳机HIFI基础之如何看指标 (三)频响

2011-03-23 10:54:22   作者:   评论:0 点击:

任何交流信号都有3个基本特征:幅度、频率、相位。用能量的观点来看,幅度代表能量的高低,频率代表能量变化的周期规律,相位则和频率相对应,代表能量变化的时间顺序(后叙)。

频率响应,简称频响,英文名称是Frequency Response,在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。同失真一样,这也是一个非常重要的参数指标。一个完美的交流放大器,应该在频响指标上具有如下的素质:对于任何频率的信号都能够保持稳定的放大率,并且对于相应的负载具有同等的驱动能力。显然这在目前技术水平下是完全不可能的,那么针对不同的放大器就有了不同的前缀,对于音频信号放大器(功率放大器或者小信号放大器)来说,我们还应该加上如此的前缀:在人耳可闻频率范围内以及可能影响到该范围内的频率的信号。这个范围显然缩小了很多,我们知道,人耳的可闻频率范围大约在2020KHz,也就是说只要放大器对这个频率范围内的信号能够达到标准即可。实际上,根据研究表明,高于这个频段以及部分低于这个频段的一些信号虽然不可闻,但是仍然会对人的听感产生影响,因此,这个范围还要再扩大,在现代音频领域中,这个范围通常是550KHz,某些高要求的放大器甚至会达到0.1~数百KHz
但是,上述要求表面上好像是比完美低了很多,却仍然是不可能完成的任务,目前我们连这样的要求也不可能达到。于是,就有了频响这个指标。(附言:指标本身就代表着不完美,如果一切都完美了,指标也就没有存在的理由了。)

放大器有两种失真:线性失真非线性失真。我们通常把后者叫做失真,而把前者用其它方式表达出来。非线性失真我们已经知道了是一种什么情况了。而线性失真就是指频率和相位方面的误差,即频率失真和相位失真。


频率失真及其产生原因

频率失真是一种线性失真,意思是说,发生这种失真时放大器的输出信号波形和输入波形仍然是相似形,它不会使放大器对要处理的信号产生形变。一个单纯的频率失真可以看成放大器对于不同频率的信号放大倍数不同,例如,1个十倍放大器,对1KHz的信号的放大倍数是10倍,而对于10KHz的交流信号可能放大倍数就变成了9.99倍,于是,我们就可以说这台放大器有频率失真了。在电声学上,我们把这种现象称为频响曲线的不平直,这里面的曲线我们稍后再讲。
对于一台放大器来说,产生频率失真的原因非常多。和多放大器的内在特性都会影响到这个参数,甚至失真也会插进来一脚(这是测量方法所导致的,后谈)。总的来说,有如下一些情况会导致频率失真:
1
元器件的固有频率特性决定,这是最根本的原因,后面的一些原因实际上都源于这里。
2
、采用负反馈技术放大器的开环特性以及负反馈电路本身的频响特性决定。
3
、放大器的非线性失真对于测量方法引入的测量误差
4
、放大器的电路设计导致传输特性的非理想化
5
、安装和制造工艺不完善,引入的外界交流干扰信号导致频响的不平直。

谈到这里,我们会发现,这里有很多原因似乎和测量方法有关,所以有必要提一下频响是如何测量和定标的。


频率失真(频响)的测试方法与标注

任何可以倍写上说明书的指标都是必须借助仪器来测量的,这些指标必须有一个共同的特点,就是可重复性,也就是说,只要你用同样的设备,就可以重复得到相同货相近的测量结果。我们把这一类指标称为客观指标,频响当然是属于此类。
频响的测量方法很简单,在放大器的输入端接入一个标准信号发生器,这个信号发生器可以产生标准的正弦波信号,并且可以通过调节使得这个发生器的输出信号的频率发生变化,而幅度不变。在放大器的输出端接一个标准的纯阻性负载,并且接一个交流电平表,通过读取电平表的数据,就可以测量该放大器的频响特性了。测量时,为了保证测试结果的可靠和准确,要尽量多地在测试频率范围内选取不同的频率,通常采用的是对数采样法,即从一个标准频率(例如1KHz)开始,按照2倍关系向上和向下取点,例如2K4K8K……,50025012562.5……,如果嫌这个间隔太大,可以缩小倍数,例如√2√2/2等等。将这些对应的频率的输出电平(单位是dB)记录下来,并经过统计计算就可以了。
这里,我们可能会忽视一个问题,就是这个放大器的放大倍数是否可以调整?放大器的输出功率应该使多少呢?不是我要卖关子,而是这里的玄机非常大。由于放大器的特性的不完美,所以会导致放大器在不同的工作状态下的频响特性发生变化。这叫测试条件。我们时常发现,两个质量完全不同的放大器在频响指标上好像没什么差别,是那个质量差的放大器在说谎吗?非也,是测试条件根本不同。
放大器在不同的输出功率下,其频响是不同的,通常输出功率越大,其频响指标就越差。而一个比较负责任的指标标注,应该指在该放大器的最大不失真功率下测量的指标,而一些厂家为了回避大功率输出下放大器特性的劣化,使得该指标看起来好看,往往采用的是标准测试方式,也就是说,在给定放大器放大倍数(增益)的条件下进行测试,而这个放大倍数通常是1。显然,多数放大器是用来放大的,所以这个测试方法实际上并不全面,但是出于商业目的和测试标准的允许,这个测试仍然倍认为是正确的。这样,我们就应该注意了,看指标的时候不能只关心那些数值,而应该和测试条件联系起来看。没有测试条件的指标是毫无意义的。
标准的频响标注方法是XHz~YHz±ZdB,这里的X是指低端频率,Y指高端频率,也就是测试频率的范围,Z表示的是在这个频率范围内,放大器放大倍数的差异。
很遗憾的是,单单看资额嘎指标还是不能完全了解这个放大器的频响特性,于是厂家又给出了另一种表示形式-频响曲线。


频响曲线的两个重要特征

频响曲线是在上述的测试电路中,使信号发生器的输出信号频率发生连续变化(即通常说的扫频)并保持幅度不变,在输出端通过示波器或者其它一些记录仪将放大器对于这种连续变化相应的输出电平记录下来,就可以在一个座标上描绘出一个电平对应频率的曲线。这个座标的纵坐标是电平,横坐标是频率。纵坐标的单位是dB,横座标的单位是Hz(或KHz)。为了记录方便,横坐标的标尺为对数型的,纵坐标则是线性的。
我们可以看看各个厂家提供的不同器材的频响曲线,我们会发现,即使两个看起来频响指标完全相同的器材,其频响曲线也是非常不同的。这里我们暂且不讨论频响曲线不同对音质产生的影响,只看频响曲线有那些重要特征需要注意。这里要着重注意两个特征:平和直。平是指放大器在工作频率范围内频响的最大差距。这里我们需要注意的是工作频率,对于音频设备来说,我们应该关心的是2020KHz这一段的情况,如果要求很高,可以将范围扩大到540KHz,这已经是足够了。我们可以看看下图:



图中有5条曲线,其中第一条是理想的放大器的频响曲线,这是完全不可能的,只能作为一个理论上的东西,同样,23也是不可能的,没有一个放大器的频响特性会是一条完美的直线,不管是平的还是斜的都不可能。因此我们需要放宽一下要求,对于平直的概念需要做一些退让。
我们看到的绝大多数音响器材的频响曲线都应该和45图相似。在这些曲线中,我们会看到一些,也就是放大器在这些峰谷所对应的频率下其放大能力的差异变化。看频响曲线的时候,不要被曲线的平滑或者崎岖所迷惑,首先要看看座标的标尺,改变标尺的单位会使曲线看起来差别很大。比如图4,如果把标尺加大10倍,你大概看到的差不多是一条完美的直线了。
是频响曲线另一个非常重要的特征,它指的就是频响曲线的起伏特征。某种意义上说,我们对于应该比平要多重视一些,这并不是说直真的比平对音质的影响大,而是因为频响曲线的不直往往暗示了这个器材的其它某些特性有问题,例如高频频响起伏过多,往往说明放大器的开环特性不良,并且负反馈深度不适当,通常伴随着比较严重的瞬态失真。
通常我们认为,放大器的频响特性越平越直就越好,这样放大器对于信号的影响就越少。通过观察曲线,我们会认为45要好。

这里,我们还要注意的是,我们虽然要重点考察540KHz这个频段,但是对于不同的器材,我们考核的频段实际上并不完全一样。例如对于音箱和耳机,这个频段已经足够了,但是对于一些有源器材(例如CD唱机、放大器),我们可能需要考核更宽的频段。这是因为对于这些器材来说,虽然这些频段的声音我们不可能听到,但是这些频段的表现可以揭示这个器材的一些内在素质。例如,对于一个放大器,如果其频响指标可以高达300KHz,并且负反馈的深度适当,可以说明这台放大器的开环性能极佳,在听感上必然有所体现。从这个意义上说,这些频段的表现好坏我们是可以听到的


频率失真对声音的影响

频率失真对于音质的影响是非常巨大的,很多时候它会完全左右一个人对音质的评价结果。由于频响对于主观音质评价的影响因素太多,在这里不可能一一举尽,我直挑选一些我认为影响最大的方面来说。
1
对于乐器音色表现的影响
从广义的范围来说,音色也是音质的一个组成部分。我们知道,不同的乐器具有不同的声音特点,基音、泛音、共振相互作用组成了一件乐器的音色特点,音色就是这些基音、泛音、共振的频率以及比例关系。如果一套系统在频响上不够平直,那么就可能造成音色中各个组成部分的比例发生变化,有些泛音可能被增强了,而另一些泛音可能被削弱甚至难以被听到,这就改变了乐器的音色特征。由于我们很多时候没有机会对比原来那把乐器的声音,所以这个改变并非极端重要,但是,由于乐器好听与否几乎就是音色的代名词,因此,过度破坏音色特点的结果可能会造成这个乐器的声音变得难听,因此对于高要求的人来说,最好不要改变音色特征。由于频响会对音色产生影响,因此一些器材设计师会巧妙利用这个现象来弥补录音的不足。对于录音师来说,这种调整也是家常便饭,因为他们不可能每张唱片都能到那些名琴
2
对于声场和定位的影响
声场是个非常复杂的电声现象,其中频响特性也会在某种程度上影响到声场表现。由于频响的影响,某些和声场表现有关的声音细节会被弱化或者加强,这就会导致所谓的声场畸变。这是一个非常微妙的影响,实在无法在这有限篇幅文字中完全说明,以后再说。对于定位来说,情况也是非常复杂,尤其是那些频率范围很宽的乐器,影响就更大。这一点比较容易理解,距离感和声音的大小有密切的关系,如果频响不平直,乐器在发出某种频率的声音的时候会感觉比发出其它声音要远些或者近些,这样,我们就会感到这个乐器
被纵向拉长了,形体发生了变化。当频响的不平直度严重的时候,我们会感到乐器在前后晃动。
3
对于整体音色的影响
这个话题可以非常古老了,这里就不再多说了。器材的冷、暖,声音的密度、强度都是主要来源于此(当然还有其它因素的影响,进阶篇会有探讨)。


正确认识器材的频响指标

对于厂家的频响指标,我们应该给予足够的重视。但是我们还要记住,这个指标并非标注的越高越好,由于我们的耳朵具有一些自身的特性,因此我们需要对频响有个清醒的理解。
1
、我们需要的频响指标应该是整个系统的,而不是单一的器材。单个的器材的频响平直并不意味着我们一定会听到平直的声音,还要看系统中其它器材的情况。
2<

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