音响系统

2  失   真

失真包括各种互调、谐波、相位、瞬态的失真以及噪声、抖动等，对音质的影响很大。
无论是音乐或是语言，自然界所产生的各种音响强度，其动态范围是很大的。所谓动态范围是指最大与最小声音信号的差距。人耳实际可闻的动态范围如图1所示。图中，人耳能听到的最低平均声压为0．0002微巴(0db)，称作可闻阈。声压为200微巴(120db)时，耳朵开始疼痛，称作痛阈。两者相差一百万倍。然而在广播、电视、电影、唱片以及收、录音机中的动态范围却要小得多。一般，音乐的动态范围约70db，语言约40db，目前较高级的磁性录音和优质唱片可记录音频信号的动态范围约50—55db，CD唱片与数字声源为85-95DB，电影光学拷贝一般只有三十几个db。
由于语言和音乐是属于瞬态信号，特别是有些声源的峰值因素很高，为使声音在整个传输，系统中能够真实地还原，就要求从传声器能够承受的声压；调音台输入端的线性；录音机记录在磁带上的最高磁平；功率放大器的输出余量直到扬声器能够承受的最大峰值功率，都能在线性范围之内。在声频设备全晶体管化之后，对各级线性的要求更严格了，这首先还是从音质考虑的，因为晶体管声频设备过载失真的情况与电子管过载、磁带饱和的情况不一样，它在听觉上的影响很大，晶体管设备稍有过载，其波形即刻开始削顶，在听觉上就会产生一种附加的高次谐波，轻者使音色偏硬带毛，重者使声音发炸发破。为了克服这种现象，需将声频设备的线性尽可能做长，以适应较大动态的需要。例如高质量电容传声器一般都具有能衰减灵敏度，提高接受声压的功能，使之能够承受的声压级达130db以上，以便近距离拾取强声级的声源。又如，新型多功能调音台的输入端均设有能适应各种类型不同灵敏度传声器输出的电平调节器，它调节的范围一般可在- 70—0db，而且在每一档额定输入电平以上还保留有30db的线性。调音台输出线性视机型而定，携带式的一般只有5—6db，较好的约14db左右，固定型的在额定输出电平以上达20—25db。高保真放大器和组合扬声器箱也应保证有一定的功率储备，一般至少要大于额定输出功率的4倍(即6db)。只有严格控制各级的线性，才能确保较大动态范围的音频信号在整个声频系统中不致产生严重的过载失真。
许多电声器件的设计和应用，都与主客观的诸因素相关联。有些高保真音频设备的谐波失真和互调失真虽然都很小，但它们的音质并不一定是令人满意的，因为这里还存在着瞬态失真及相移失真的两个问题，它是一种动态响应的指标。传统的稳态测试方法，已不能全面地反映出它们的质量状况，因为语言和音乐中有许多突发声音的瞬时脉冲是相当厉害的。譬如，语言中的“通”、“潘”、“怕”、“破”等喷口音和音乐中铜管乐、打击乐等，这类信号的突发性很强，建立时间极快，峰值因素甚高，这就要求在整个声频系统中，不但要有足够的线性范围，而且对瞬态信号要能够迅速跟踪，并且在跟踪的过程中不应产生明显的瞬时过冲、衰减的振荡波形，以获得较好的瞬态响应。
失真中最讨厌的是附加音，特别反映在中高频，它往往是由相移失真、欠阻尼所造成的。瞬态失真大，方波有阻尼振荡，在听觉上会感到音色毛糙、不干净，音色不纯，影响清晰度。
优质的放大器，一般不宜大量使用电感元件。凡是采用LC谐振网络的，都容易造成相位差，使瞬态响应不好，相移失真大，方波特性差。谐振频率在音频范围之内的，对音质影响大，有时谐振频率虽然在音频范围之外，但其与音频信号的差频如果仍落在音频范围之内，则对音质也还是有影响的。互调失真对音质的影响也是十分有害的。互调失真会产生在整个音频范围内，它是由二个或二个以上的输入频率，通过录放音等声频设备以后，输出端不仅包含了原声的二个频率，还包括了它们的和频及差频。
互调失真会产生与输入频率不协和的新频率，这种不协和的附加音在听觉上是令人讨厌的。它往往在低领段会造成模糊的感觉，影响清晰度和层次，在高频段会，出现尖刺、毛糙的音色，使声音不透、沙哑、失真大。
在电声系统中无论是偶次谐波还是奇次谐波也都应力求做小，因为不同的乐声都有其丰富的谐波成份。音色依靠谐波含量以及它的分布和幅度有关，一般地说，高频率是基频的谐音或称基频的泛音，高传真系统正是基于将这些谐音能够在传输、记录和重放的过程中，不附加任何其它的谐波成份，如实地反映出来，这样的音质是纯真的。如果信号的高频在传输过程中失真了、损耗了，那就必然在重放时影响音质的传真度，使声音缺乏亮度和层次。一般说来，声源中偶次谐波在听觉上是协和的，它能够增加声音的色彩，并认为好听；奇次谐波在听觉上是不协和的，并容易感到刺耳不好听。
  互调失真对音质的影响也是十分有害的。互调失真会产生在整个音频范围内，它是由二个或二个以上的输入频率，通过录放音等声频设备以后，输出端不仅包含了原声的二个频率，还包活了它们的和频及差频。
互调失真会产生与输入频率不协和的新频率，这种不协和的附加音在听觉上是令人讨厌的。它往往在低领段会造成模糊的感觉，影响清晰度和层次，在高频段会，出现尖刺、毛糙的音色，使声音不透、沙哑、失真大。
声频设备一般都有电平指示表，它是控制失真的最好工具，由于不同类型电平指示表的差别很大，故使用者必须掌握各种音量表的性能，在允许的失真范围内控制好录音电平，以获得较好的信噪比。
音量表一般有两种，即VU表或峰值表。有不少系统目前仍习惯采用VU表，VU表具有300ms的时间常数，其动作取决于它的机械特性，比较缓慢。只有当声源信号是一个长的、持续的音节，它才有足够的时间来指示信号的峰值或最高声级。如果声音信号的时间是短暂的瞬变峰值，那末VU表的指针就不可能有正确的指示，甚至有些短促的脉冲在指针微动之前就已经消失了。如果信号中包含着—系列的峰值和延续的音节(如歌唱和音乐)，这时VU表只能给出一个低于峰值的读数，指示出与音量感相对应的平均值，反映出声音的响度，而对音频信号的峰值是反映不出来的。新型的高级录音机、调音台、功率放大器已多数趋向于使用峰值音量表，表的种类有指针式的、光栅式的、发光二极管和数字式等。峰值表是靠电路来“记忆”的，配合适当能具有快上慢下的动作特性，它能对较短的瞬时峰值作出响应，不管是音乐、语言或音响效果，表的显示总是跟着最高电平的，因此，可以有效地预防峰值过载所引起的失真。其上升时间为10ms往右，下降时间约1.5S。根据使用经验，在一般情况下，音乐和语言的峰值要比VU表的平均读数高8—12db，视声源的脉冲、节奏而异。节奏比较平稳的音乐，音量起伏比较小的就相差得少一些，瞬时脉冲比较高，节奏比较快的，音 量起伏比较大的，则两者的差别就大一些。譬如；咳嗽、拍手、枪炮、鞭子、定音鼓等声音，其峰值就更高。炮、鞭子、定音鼓等声音，其峰值就更高。
用1只上升时间约1ms的数字式峰值音量表与VU表作比较，两种表的指示值大约相差7~15DB。一般的VU表，大多是在电平刻度右边有一段红色区域，左边有表示电平大小的刻度。指针在刻度区域内摆动说明录音的电平是合适的。如果表针的指示老是在红色区域内摆动，则表示所指示的声音是过载失真的，严重时就会使音质产生破炸的感觉。为了降低失真，就要加入动态处理器限幅，压缩动态范围，提高声能密度，防止过调幅失真。
放大器与扬声器的功率匹配也是十分重要的。平均特性灵敏度高的扬声器，较小的电功率就能够推动它，并使之达到一定的声功率，在听觉上就感到音质明亮、有力度，高频段层次丰富、音色透、失真小。平均特性灵敏度低的扬声器就需要较大的电功率馈送给它，才能够达到一定的声功率，并在音质上会感到低音糊、亮度差、高频缺乏层次、失真大，甚至会有沙哑的感觉，这对放大器的功率来说也是很不合算的。考虑到节日的动态范围及对音质的要求，无论是放大器或扬声器都应在额定功率以上具备一定的功率余量。这样才能确保在较大动态范围时的峰值音量不致产生严重的过载失真。
曾经有过这样的例子，用一只最大功率为20W的宽频带晶体管放大器，推一个灵敏度为96db(1M．1VA)的宽频带组合扬声器箱，在一个不到2000㎡的录音棚听磁带放声，总感到音质有些偏硬，特别是音量响的时候声音就有些发毛失真。后来换了一个灵敏度100db(1M·1VA)的扬声器，在相同声功率的情况下，失真显著降低，响的声音也不毛，音质丰满圆润，节目的动态也真实地反映出来了。开始还误认为是扬声器失真，后用示波器监视放大器的输出，才发现当磁带放音接近5w时，它的峰值已达到或超过20w了，失真的原因主要是放大器的功率余量不够。换用了灵敏度高的扬声器，由于降低了放大器的输出功率，故使音量高的信号也都处在放大器的线性范围之内，有效地改善了失真，提高了音质。有时某些扬声器的失真并不大，功率余量亦足够，但在音频范围内却会产生一种双音。例如，在300Hz或1300Hz左右，听觉上感到很不协调。每当信号到达有双音的频率时，就会出现一种附加的声音，破坏了原有的音色。双音往往与推动扬声器的电功率有关，信号电压降低一些， 双音就不容易辨别出来。
   有些扬声器，当输入功率还不到它的标称功率1／2时，双音就已明显地受到了激发；功率越大，双音就越厉害，特别在中高频，使音质不纯而造成失真。
高保真音质，应该是频响宽、失真小、噪声低、动态大。在现代电声技术中如何进一步降低失真度，仍然是声频工作者的首要任务。因为，从某种意义上来说，频响特性是可以通过音调均衡器来加以补偿的；音量大小也可以通过电平调整来进行平衡的；动态范围大可借助压缩、限制来控制；噪声电平高也可以通过降噪系统来加以抑制。唯有失真，每经过一道工序往往只有增加而很难弥补。所以失真是影响音质的重要因素。
任何专业或业余的电声爱好者，如果对自己所用的录音机、放大器、电平指示表、传声器以及声源的动态、磁带的性能比较熟悉，就能够有效地掌握控制失真的方法。