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从零开始学音响知识

Killer 发表于(2019-10-083) 本文标签: 浏览量:127 喜欢收藏

                                                          从零开始学音响知识

 

  想看懂频响曲线?想知道音箱功放如何正确搭配?想知道听感和数据有什么关系?这篇文章将会带你入门音响系统知识。

 

  前言:音响系统是及其复杂的,包含了电学、声学、力学、心理学等各个领域的知识相结合,本文的目的是讲解基本知识,但并不全面,如果你有心学习音响知识还是要靠看书学习自己努力。本文结合书本知识和笔者多年音响工程师经验来讲解音响基础知识,由于知识面比较广,想要理清思路是很困难的,我还是尽力把文章流程写得清晰,凌乱之处请多多包含。

 

  貌似在网络上搜索音响入门知识,总是星星点点的,而且很多主观意念的知识,本文的内容主要是想尽量全面的讲解比较客观准确的音响知识,错误在所难免,希望大家指正。

 

  插一句话,很重要!:音响的听感(音色)分为两部分--主观听感和客观听感,本文先讲解了音响客观性能对客观听感的影响,最后讲解了主观听感部分(心理暗示/实验者的期望效应),谢谢。

 

  第一章--音响知识

 

  从源头说起,声学。最基本的声学本段将不会详细讲解,参考文献《音乐声学与心理声学》。声音怎么来的?物体震动产生声波,在空气中传播到耳朵里,让耳膜振动转换为信号传输给大脑,我们才感觉到声音。当声音不够大时,我们用麦克风、功放、音箱把声音放大,这样路径就是:物体震动产生声波通过空气传播给麦克风麦克风振膜震动转换为电信号,功放把电信号放大,推动音箱,音箱的喇叭震动,产生声波,传入耳中。

 

  录音就是把麦克风接受的声音保存下来,以前是模拟方法用磁带,现在是数字格式了,这里不具体讲,然后通过解码、前级、功放、音箱重放出来。

 

  录音机原理就不说了,过时了。说说解码吧,数字录音技术把模拟音频信号转换为数字信号记录下来,简单讲模拟信号就是正弦波,数字信号就是1011011010这样的控制占空比的方波信号,音乐文件例如MP3格式保存在电脑硬盘里,当你用音乐播放器打开这个音乐文件时,声卡就把数字信号转换成模拟信号然后通过信号线传输到功放部分了。

 

  接下来是音箱,喇叭震动发声,我相信这不用再讲了,但是我们有必要知道几个重点,频响曲线和失真曲线,以及指向性等问题,频响曲线让很多人苦恼:一条曲里拐弯的线,到底什么意思啊!通常情况下,我们总是没仔细观察,那就是横坐标是频率纵坐标是声压级,说白了,横坐标就是声音震动的快慢,纵坐标就是声音的大小,频响曲线的专业名称是幅频特性曲线也就是幅度与频率的关系,下面我在一个频响曲线中画2条绿线。

 

  频响曲线

 

  这里就很明显了,频响曲线是由点组成的,每个点是每个频率对应的声压级大小,上图中45hz频率对应75db声压级60hz频率对应85db声压级,如果是一条水平直线的频响曲线就意味着各个频率的声音一样大就是保真的频响,那么像上图波纹状的频响曲线就能看出不同频率声压级不一样,我们还可以看出4khz有一个凹陷这就表示4khz的重放声音会小一些,4khz正是齿音的附近我们就能知道这个音箱齿音会稍微弱一点。偏离直线的频响曲线就是音染,也就是说改变了原始的声音不保真了。从上面的频响曲线还可以看出,大约低于平均频响曲线3db的频率是80hz和35khz,那么这就是这个音箱的频响范围80hz-35khz-3db,频响范围决定了这个音箱有能力重放声音的范围,就是高音能放多高低音能放多低。频响曲线能客观看到音箱的音色,这就是频响曲线的含义。如何通过频响曲线看出音色呢?这个需要经验,建议使用foobar播放器的均衡器调节各个频率声压级,然后感受每个频率的多少对音色的影响,例如3-4khz频响峰,齿音就重。

 

  对于频响曲线和电声数据的争议很多,很多人认为电声数据没用,那就大错特错了,我要从两个方面说:第一点,频响曲线是判断保真度的重要指标之一(注意“之一”二字,频响曲线并不完全代表音箱的性能,还有失真等各个数据,请某些人不要断章取义),通过频响曲线是否平直,可以直观看到音染大小,这是判断监听音箱的指标之一。第二点,频响曲线和实际听感的关系到底是怎样的,首先我表示当不考虑其他电声参数时判断频响曲线和实际听感的关系时,频响曲线完全客观反映了音箱的实际音色,但是由于人类的大脑不能完全将看到的频响曲线模拟成实际听感,所以频响曲线只能做个参考,然后当我们考虑所有数据时,频响曲线只是反应音箱性能的指标之一,还要加上失真度等数据。这里我的结论是:频响曲线是准确的,是人脑无法准确模拟出来(包括其他数据),频响曲线只是数据之一,要综合所有参数才能判断音响实际性能。最终,主观音质评价(耳朵去听)和客观测量是要结合在一起的,所以只拿数据或者听感来评判音响是不够全面的。

 

  下面说一下房间的声学特性,也就是房间的频响曲线,更详细的房间声学知识,参考文献《音乐声学与心理声学》。有时候大家在音响店试听一套音响觉得声音不错,买回家声音就变了,这是因为房间各个墙面的反射造成了音染,下面我来实测一下我房间不同位置的频响,测试器材我diy的索威4寸同轴,测试工具clio电声测试系统。注:本次简单测量在临时的房间里,近场测量并没有排除音箱障板边缘衍射效应的影响,这种影响的解释属于音箱设计研发的范围,本文不详述。

 

  首先测一下近场。

 

  然后测一下听音位置的频响。

 

  结果,红线是近场测量结果绿线是听音位置的频响,可以看到低频驻波导致了频响波动,这就说明了房间的声学特性会改变音箱原有的音色,要想听到音箱的本身音色就要对房间做吸音等声学处理,这里是音响知识教程我就不多说了。结论:一套音响系统,音箱和房间各占一部分音色,要重视房间声学特性。那么这个房间的本身的频响曲线是如何呢?用clio后处理一下,得到下图结果。

 

  对于声压级的概念很多人都模糊极了,不知道到底是个啥概念,就像想体会10cm多长就买个尺子一样,你需要一个声压计(噪声计)也就100元左右,但是这能帮助你切实体会声压级的概念,而且可以让你知道自己的环境噪声以及听音声压级。另外一个体验声压级的方法是用foobar播放器的音量控制条,它是以db标注的。你可以增减音量体会db于实际听感上声音大小的联系。

 

  另外,声压级增大3db功率要乘以2,并不是功率乘以2声音大小也乘以2。

 

  下面讲失真。简单讲,失真就是播放的声波和原始信号不一样,产生了多余的分量,例如我们听到的音箱的破音噼啪声就是失真了,失真一般指谐波失真(还有互调失真等等,谐波失真最严重),谐波失真THD用%表示,一般认为小于10%的谐波失真是音响系统的容忍度,那么人耳到底能分辨多大失真呢?由于多余变量和不可控因素(包括听觉特性:掩蔽效应等等),暂时没有证据证明人耳可闻失真的确切数字,我们一般追求更低的失真让音箱的失真小于1%,但是事实是厂家不会轻易把实测失真曲线拿出来这会暴露产品的缺陷影响销售,下面随便找个失真曲线看看。

 

  失真曲线

 

  失真度曲线很容易看懂,右边纵坐标写着百分之几只要看各个频率的失真有多少就好了,这个音箱的失真度在50hz-20khz看起来不错失真小于1%,不过不要庆幸,这只是厂家在小音量下测得的,在最大声压输出时失真会增大很多很多,因此我到目前为止没有看到敢把最大声压级输出的失真曲线拿出来的厂家。

 

  下面我要拿出万元低音炮的实测失真曲线,不要惊呆哦。

 

  紫色失真曲线是90db声压级的实测,而黄色失真曲线是106db声压级的实测,可以看出低频部分失真度直彪100%。

 

  下面讲瞬态响应,瞬态响应就是音响能不能重放好一个突发的声音,例如一声枪响。如果枪响是非常利索的就啪的一声,那说明音响的瞬态很好,如果你听到了啪~~~~!这样很长时间的枪响,也就是拖尾,那就说明音响瞬态差,不能快速反应突发信号。瞬态差就像山谷里的回声,你在山谷里说话停止时,回声还在响。反应瞬态响应的电声数据有阶跃响应和累积频谱衰减图,先讲累积频谱衰减吧,下面再贴个图。

 

  累积频谱衰减图

 

  有人说了,频响曲线好不容易才看懂,这个曲线这么复杂,怎么学啊?我想说不要担心,只要你看懂了频响曲线这个就是多了一个东西--时间。首先我们看横坐标hz和纵坐标db,那么这就是频响曲线的坐标,我们看到的千层饼一样的频响曲线,实际上是反应了不同时间的频响曲线。说白了就是音响刚发声的时候测一条频响曲线对应0.00秒那条,等0.59毫秒再测一条频响曲线再等几毫秒再测一条对应0.59毫秒那条,这就反应出音箱什么时候才停止发声,这就是前面说的瞬态响应。那么看看上图中右边的z坐标,就是往里面看的,最里面是0.00秒就是刚开始对应的频响曲线,面向自己出来的频响曲线是0.59毫秒对应的频响曲线,到了1.91毫秒基本停止发声了。那么怎么通过累积频谱衰减判断瞬态好坏呢?很简单,除了最里面0.00毫秒那条频响曲线,多余的都是拖尾,简单吧?也就是说,拖尾越少,音箱的瞬态就越好。同样,累积频谱衰减也只有屈指可数的厂家敢拿出来。

 

  瞬态响应的第二个电声数据是阶跃响应,这个数据我从来没看到哪个厂家主动拿出来看下图这是国外烧友自己测的。

 

  阶跃响应

 

  阶跃响应怎么来判断瞬态呢?很简单第一个波后面的波形越快衰减消失就说明瞬态响应越快,拖尾小。看第一个图片波形衰减快瞬态不错,第二个图片波形20ms时间还没衰减消失,更长的拖尾,阶跃响应很容易判断低频瞬态,这里可以估计第一个是密闭箱体,第二个是倒相箱体。阶跃响应可以简单判断倒相和密闭箱体,说到这里,就过度到了音箱原理,下面就讲解密闭和倒相吧,这里为了省事,我把我监听低音音箱的介绍搬过来了。

 

  在介绍密闭倒相原理之前,先说说为什么要箱体。因为低频的波长很长,所以会发生绕射,那么低音喇叭前面的声波就会和后面的声波抵消,所以用一个密闭的箱子把喇叭背部的声波阻隔,就剩下前面的声波了。先说密闭音箱,密闭音箱阻隔了扬声器背部辐射声波防止低频绕射到前方声短路抵消低频,在动态时气压差会将振膜快速复位能快速重放连续变化的低频,有着极快的瞬态响应。但是密闭效率极低,而且扬声器低频振幅大,非线性失真和谐波失真也大,这就造成了密闭音箱声音做不大,下潜做不低,低音浑浊,就连瞬态响应快的优点也无济于事。这里特指低音音箱工作的频率极低,振幅极大,书架密闭箱并不严重。

 

  倒相音箱利用了扬声器背部声波,效率提高,体积减小,而且分担扬声器振幅、失真明显下降,但是为什么实际听音低频还是浑浊?这就是倒相的原理了:倒相管和箱体通过谐振把扬声器背部辐射声波延迟半个波然后辐射出去,加上谐振不会马上停止一般功放停止驱动音箱后,倒相管的辐射声波要等n毫秒才停止发声,这个拖尾不但掩盖低频细节而且会在复杂的快速变化的低频中与下一个低频混合,造成浑浊,这样造成瞬态差不能反映快速变化的低频声波。当然这个解释只是片面的,设计良好的倒相音箱可以做到很好的瞬态,但是市面上设计不良的倒相音箱非常多,所以强化了倒相音箱和密闭音箱之间的差距更多知识,参考文献《扬声器系统设计手册》。

 

  说到这里,有必要说说市面上的音箱类型,因为倒相的高效率,目前的监听音箱和hifi音箱几乎被倒相音箱占据,密闭箱很少,所以追求澎湃低频的烧友可以选择倒相,追求准确瞬态好的烧友可以选择密闭。

 

  下面该说功放、前级、线材了,以音响工程师角度客观描述,对于这些设备,对于高保真级别的器材来说(大约千元以上),他们都是比较高保真的,和音箱10%甚至到100%的失真度来说,功放、前级的0.1%甚至0.001%的失真都是微不足道的,正如上面所说,测量的困难,这么大的失真可否忽略我不能断言,但是一般是听不出的(这个请大家自己斟酌)。对于功放和前级的音染到底多大,千元以上的高保真级别功放器材一般都是直线级别的频响曲线,音染可以忽略了,但是也有部分频响不平直的(高音染型),对于功放还有互调失真、阻尼系数,但是目前的功放的性能都很高了,这些一般情况不必在意,也有特例。所以高性价比的购买音响系统,还是多把钱花在音箱上。

 

  功率搭配:说到功率搭配,也是个很多人迷惑的问题,我有一只100w的音箱到底配多大功率的功放呢?可以从2方面分析:1.功率,2.阻抗曲线

 

  下面先说功率,这里我们先讲音箱的功率,音箱的功率分为标称功率、额定噪声功率、最大正弦功率、短期功率、音乐功率,看了这么多功率一定很烦吧?我逐一解释一下。标称功率:规定一个失真度,音箱能输入的最大功率。额定噪声功率:根据IEC标准或国家标准,对音箱输入持续一小时或其他时间长度的粉红噪声信号,音箱不发生永久损坏的最大功率。最大正弦功率:根据标准对音箱输入正弦波信号不损坏的最大功率。短期功率:根据标准对音箱输入1秒之内的突发脉冲信号,音箱不损坏的最大功率。音乐功率:这个说法不一,一般是放音乐节目,听音员感觉没有明显失真的最大功率。那么对于功率搭配我们使用的是额定噪声功率,一般正规的高保真音响都有标注,但是多媒体音箱之类的都是随便乱标。功率搭配要看两个方面--静态和动态:静态很好理解给音箱输入持续的信号,这时输入功率不能大于音箱额定噪声功率,否则音箱损坏,能理解吧?下面说说功放功率过小是如何烧毁音箱的,听起来很不符合逻辑,功放功率小于音箱额定噪声功率,应该不会损坏啊?!事实是,有时候当使用者得不到想要的声压级时,就会提高音量旋钮,当功放已经达到最大输出时,继续提高音量,就会造成削波失真,直流成分和高次谐波烧毁音箱。

 

  动态,我们知道枪声是脉冲信号,是一个突发信号。那么如果一首歌曲里有一个枪声,比音乐大很多,那么这个枪声的信号功率就会比静态音乐功率大很多,如果比静态音乐声压级大3db,那么功率就是静态音乐的2倍,如果大6db就是4倍,那怎么办呢?不要担心,扬声器的峰值功率是可以短期承受额定噪声功率数倍的功率的。这时候,要求功放的功率余量一定要够用,否则就会削波失真产生大量直流成分和高次谐波失真,烧毁高音喇叭,例如100w额定噪声功率的音箱,可以承受400w峰值功率,那么功放可以配500w,静态音乐可以给音箱输入100w功率,当出现一个高于平均水平6db的枪声时,功放可以瞬间提高400w功率给音箱,音箱可以承受,也就可以重放这个枪声。对于一般的音乐,一般没有超过3db的峰值音乐信号,所以以2倍于音箱额定噪声功率的功放功率搭配即可。但是,对于无源功放的这种搭配,会容易输入过大功率。因为音量旋钮可以调节到最大,让功放最大功率输出,这时候留作峰值余量的功率全部加在音箱上音箱烧毁(专业扩声系统中有限幅器等设备),而高品质的有源音箱再内部电路已经设计了配合音箱的保护电路,不会发生这种情况。功率搭配的第二个问题是常被忽略的,那就是过低的阻抗,由于缺少统计,我不能明确表明有多少音箱的阻抗在高频出现了过低的阻值,但是单拿是个好例子,不过今天我拿出一个我仿真的例子来说明。

 

  阻抗曲线

 

  阻抗曲线

 

  两张图片的阻抗曲线同样是一只音箱,只不过不同的分频器电路设计,标称阻抗6欧姆,第一张图片的阻抗算是正常,但是第二张图的阻抗曲线在高频出现了大概2.5欧姆的阻值。假设音箱标称4欧姆阻抗,最低阻抗2欧姆,额定噪声功率100w,搭配4欧姆100w功放,功放输出电压为最大20v,电流5A,计算2欧姆会出现什么情况,20*20/2=200w功率,20/2=10A电流,也就是说功放无法提供电流,可能烧毁(或者动态不足)。如果你的音箱有过低的阻抗,请将其考虑到静态和动态功率的计算中。

 

  对于线材,分为信号线、音箱线、电源线。在科学角度首先可以明确一点:电源线和音色无关,电源线是50hz差模信号频率不变,供电电压自然不变,那么就不会对频响造成波动,所以一般电源线随便一条满足负载功率的就可以,然而特殊情况是干扰问题,需要屏蔽层的电源线。

 

  信号线和音箱线由于不同频率的阻抗不同,会造成频响的波动。但是下面看看我用意大利clio电声测试系统的实测,测试对象是给坛友做的一条rca线。

 

  没有仪器能检测出的频响波动,可以认为是零音染,那么信号线重要的一点是屏蔽能力,也就是抗干扰能力,例如打电话发出的干扰,会让音箱吱吱叫。另外的情况是高输入阻抗的电子管功率放大器可能对线材阻抗、电感电容等参数敏感,不多解释。

 

  对于音箱线,频响的波动一般无法检测到,重要的是要满足一点:那就是国家标准对高保真音响系统的要求,阻尼系数大于20,阻尼系数决定了功放对音箱的控制力,阻尼系数是音箱的额定阻抗除以(功放内阻+音箱线阻抗),它反映了功放对音箱的控制力,现在的功放都能做到0.1欧以下的输出内阻了,所以举个例子,功放内阻0.1欧、音箱阻抗8欧、音箱线阻抗0.1欧、阻尼系数等于8/(0.1+0.1)=40.如果要计算音箱线的容忍阻抗,那么就用音箱阻抗除以阻尼系数20再减去功放内阻,例如8/20-0.1=0.3欧。也就是对于这个例子,线材阻抗不能大于0.3欧,否则控制力不良。这里顺便说下功放搭配音箱,对音箱的控制力取决于阻尼系数而不是功率。对于听出线材音色来说,这里就加入了主观因素,心理学方面,在心理学,心理暗示会让人感受到不存在的感受(实验者期望效应),所以难以判断音色的真实性。注:因为本文是讲解音响系统知识,所以要本着客观角度来讲解,以免误导,对于烧友可以听出线材等问题不多做解释。

 

  第二章--唯真派和唯美派

 

  首先强调一下我不强迫别人一定要喜欢什么。

 

  我们在上文已经会看频响曲线了,那么我们可以用频响曲线简单判断音箱是否保真或者说保真度如何了(片面分析),那么世面上流行两大派音响种类--hifi音箱和监听音箱,hifi音箱表面上的意思是高保真音箱,但是hifi音箱属于平民化民用产品,用于音乐欣赏。所以有意加入音染,美化声音,从频响曲线大家可以看出,看下图,惠威m200hifi音箱。

 

  惠威m200hifi音箱

 

  波动的频响曲线可以看出音染吧,这就是唯美派喜欢的音箱,不同人喜欢不同的音染,也就是不同的频响曲线的音箱。

 

  下面看看惠威x6监听音箱的频响。

 

  惠威x6监听音箱的频响

 

  可以看出它的频响非常平直,也就是保真度很高。这是唯真派喜欢的。

 

  那么唯美派和唯真派的区别何在呢?我们已经知道hifi音箱有较大音染监听音箱音染很小,下面要了解音乐本身,首先音乐本身不是高保真的,歌手在录音棚录音后,录音师或音乐制作人要把母带经过各种效果处理例如回声声像定位,清晰度提高等等处理,目的是做出好听的音乐,那么我们可以认为音乐已经被音染一次了,那么唯美派对成品音乐的音色不够满意就要使用hifi音箱再音染一次,也就是二次音染这样才能满足自己的喜好。对于唯真派来说,当然包括部分录音师,是用音箱来听音乐本身的音色。我们可以概括为唯美派听音箱唯真派听音乐。那么有人注意到我上面说部分录音师这是咋回事?录音师应该以监听音箱作为基准来做出自己想要的音色啊,当然应该是唯真派,但是多数的录音师并不算合格,他们使用好听的监听音箱满足自己,然后做出的音乐就加上了他使用的音箱的音染。例如某录音师使用高频很弱的监听音箱,做出女声很甜美的音乐,那么实际上他的音乐高频已经多了,实际的音乐成品就会高频过多过于明亮刺耳。对于录音师而言,监听音箱是否高保真决定了音乐作品是否达到了录音师的设计目标,可想而知,如果使用不高保真的音箱做出的音乐也是个未知数,这就是很多烧友用频响准确的监听音箱欣赏某些音乐觉得高频多了,不耐听,从而认为监听音箱垃圾,而成为唯美派使用hifi音箱。

 

  第三章--心理暗示

 

  参考文献《2009电声技术新进展》

 

  心理暗示最常见的表现是音响听音对比,随便拿两套音响系统一放,听音者听了之后发表意见:这个音响什么什么音色,那个音响什么什么音色。殊不知99%的几率,我们已经被心理暗示拐走了。(另外,烧友做盲听对比缺少科学的手段,难以控制多余变量,详情参考参考文献)我总结了几点,心理暗示常常是因为:音响的外观、音响的价格、众人的评价。口说无凭,我们来看电声技术中4.1扬声器主观评价中是怎么说的。注:音响系统的评价应该是尽可能全面的,数据或听感都不可作为唯一的衡量标准。

 

  这里是重点,注意表一(4)可视偏见/期望,这里就是传说中的实验者的期待效应。

 

  重点2:对声音的判断会受价格、品牌、外观等听觉因素的影响。

 

  看图1,可视听音是如何导致不准确的听音结果的。

 

  最后,重放链的电学表现,证实了我上面讲的现代的高保真功放已经足够保真。

 

  第四章--声重放的要求

 

  1.从音乐角度

 

  无可否认,高频中频低频是一个整体,缺一不可,无法重放完整准确的低频也就不能听到完整的高保真的音乐。音乐源于创作者的意念和感受,音箱用于还原给听众感受,如果音箱不能完整还原音乐,是不是可以理解为,听众不能完全感受到作者的情感呢?一个比方,高中低音是一个整体,就像味觉和嗅觉,当我们感冒的时候,嗅觉失灵,味觉正常,但是吃饭就感觉味道很轻了,不香了、低音和中高音同样如此,去掉低音,中高音也显得单薄了。生活中,我们也能感受低频的重要性,例如多数非烧友购买音箱更亲睐于多媒体2.1音箱,这是因为小型2.0音箱虽然中高频音质很好,但是几乎都低频缺失,影响了整体效果,多媒体2.1虽然全频带音质都不好,但是重放比较全面,这就好比偏科的学生:学生a语文90分、数学90分、英语20分=总成绩200分,学生b语文80分、数学80分、英语80分=总成绩240分。如上所述,应该重视低频重放来完善声重放完整性,从而提高整体音质。

 

  2.从电声角度

 

  有声学基础的朋友都知道,人类听觉响应范围是20hz-20khz,少数朋友知道-3db频响范围一般是30hz-15khz。那么想要还原可以听到的音乐的声重放就应该达到30hz-20khz-3db(高频上限因为谐波成分的重放而扩展)。音箱的中高频重放已经技术成熟,中高频重放做到比较准确也很容易,但是一般书架箱低频下限50hz顶多了,无法重放到30hz的低频(即使做到也很难高保真,在上文音箱原理已经讲明)。

 

  第五章--人类的听觉

 

  人类的听觉是非线性的。参考文献《音乐声学与心理声学》。当较小声压级时听觉会对高音和低音不敏感,声压级较大时,听觉对高音和低音才敏感一些,也就是我们体会到的:在小音量下听歌,感觉高音很暗淡,低音也没了。

 

  下面看一个简单的听觉等响曲线。

 

  听觉等响曲线

 

  可以发现,在30db声压级时,我们可以听到100hz的最低频率,但是在120db声压级下,我们可以听到20hz最低频率。高频同样如此,但是这个图没有画出来。人类的听觉动态范围是130db左右,而我们听音员的声压级一般在70-90db左右。

 

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