关于扭曲的可见性。音频的艺术

关于失真的可见性

音频的艺术

声音再现的整个历史都是从使幻觉更接近原始的尝试演变而来的。尽管已经走过了这条路，但距离完全接近现场声音仍然非常非常远。可以测量许多参数的差异，但有相当多的参数仍然是硬件开发人员看不见的。任何背景的消费者都始终关注的主要特征之一是非线性失真（THD）系数。

这个系数的值是多少才能比较客观地表明设备的质量呢？不耐烦的人可以在最后立即找到这个问题的答案。剩下的，我们继续。

该系数又称为总谐波失真系数，是设备（放大器、录音机等）输出端谐波分量的有效幅值与基频信号有效幅值的百分比。当该频率的正弦信号施加到设备的输入时。因此，它允许人们量化传输特性的非线性，其表现在输出信号中出现输入信号中不存在的频谱分量（谐波）。换句话说，音乐信号的频谱发生了质的变化。

除了可听声音信号中存在的客观谐波失真之外，还存在真实声音中不存在的失真问题，但由于耳蜗中在高声压值下出现的主观谐波而感觉到失真。人类助听器是一个非线性系统。听力的非线性表现在，当频率为f的正弦声音暴露于耳膜时，助听器中会产生该声音的频率为2f、3f等的谐波。由于这些泛音不存在于主感音中，因此被称为主观泛音。

当然，这使得音频路径中谐波的最大允许水平的概念进一步复杂化。随着主音强度的增加，主观泛音的幅度急剧增加，甚至可能超过基音的强度。这种情况为以下假设提供了依据：频率低于 100 Hz 的声音不是由其本身感受到的，而是由于它们产生的主观谐波而落入 100 Hz 以上的频率范围，即由于非线性听力。不同设备中产生的硬件失真的物理原因具有不同的性质，并且每种原因对整个路径的整体失真的贡献也不相同。

现代 CD 播放器的失真值非常低，在其他设备的失真背景下几乎难以察觉。对于声学系统，最重要的是由低音头引起的低频失真，该标准仅规定了频率范围高达 250 Hz 的二次和三次谐波的要求。对于一个音质非常好的扬声器系统，它们可以在 1% 以内，甚至更多一点。在模拟磁带录音机中，与磁带上记录的物理基础相关的主要问题是三次谐波，其值通常在信息说明中给出。但例如，对于 3 Hz 的频率，噪声级测量的最大值始终为 333%。录音机电子部分的失真要低得多。

无论是在声学方面还是对于模拟磁带录音机来说，由于失真主要是低频，因此它们的主观可视性会由于掩蔽效应而显着下降（即从两个同时听到较高频率的声音效果更好）声波信号）。因此，路径中失真的主要来源将是功率放大器，而其中的主要来源是有源元件（晶体管和真空管）传输特性的非线性，而在变压器放大器中，非线性还增加了与磁化曲线的非线性相关的变压器的线性失真。显然，一方面，失真取决于传输特性的非线性形状，而且还取决于输入信号的性质。

例如，在大幅度时具有软削波的放大器的传输响应不会对削波电平以下的正弦信号造成任何失真，并且当信号增加到该电平之上时，失真就会出现并且会增加。这种限制主要是电子管放大器所固有的，这在某种程度上可能是听众偏爱此类放大器的原因之一。 NAD 在自 80 年代初开始生产的一系列轰动一时的“软限幅”放大器中就使用了这一功能：通过模拟管削波打开模式的能力造就了一大批 NAD 晶体管放大器的粉丝。

相反，晶体管模型中常见的放大器的中心剪切（陷波）特性会使音乐信号和小正弦波信号失真，并且会随着信号电平的增加而减小。因此，失真不仅取决于传输特性的形状，还取决于输入信号电平的统计分布，对于音乐节目而言，该统计分布接近于噪声信号。因此，除了使用正弦信号测量SOI之外，还可以使用三个正弦信号或噪声信号之和来测量放大器件的非线性失真，根据前述内容，这给出了更客观的失真图像。

不幸的是，后者尚未得到国际认可和广泛传播。所谓的“晶体管悖论”令人信服地证明了 SOI 测量技术的发展不充分。确实，根据大量主观检验的结果，比晶体管大数百甚至数千倍的SOI电子管放大器受到明显的青睐，这又该如何解释呢？对电子管放大器和晶体管放大器失真的频谱组成的分析显示了它们的显着差异：在电子管放大器中，失真的主要贡献是由低次谐波造成的，并且它们的强度随着谐波数量的增加成比例地减小，在晶体管中光谱要宽得多，并且成分的强度不适合任何规律性。

显然，考虑到掩蔽效应，低阶畸变对谐波分量主观感知的影响被削弱，从而强调了高次谐波的作用。因此，为了更准确地评估失真，在求和谐波时确定失真的有效幅度时有必要引入权重系数，并且高次谐波的影响应该增加。然而，这种测量没有普遍接受的方法。对于“阶跃”型非线性的典型形式，耳朵对正弦信号的失真可感知水平是0,1%，对音乐信号来说是1%。

THD 的测量频率范围为 40 Hz 至 16 kHz，电平范围为标称输出电平至负 23 dB。现代放大器的THD通常在0,001至296范围内。对于Hi-Fi级放大器，国际标准（IEC 581-6等）设定的失真标准为0,7%。要检查家庭系统中失真的可见性，您可以使用具有严格规定的失真级别的特殊录音。例如，测试CD“MY DISC”（Sheffild Lab）有十几个独立的正弦和音乐录音轨道，失真程度为0,03%、0,1%等，失真程度逐渐增加至10%。

我相信听这样的录音的结果对许多人来说将会是惊人的。

作者：阿列克谢·格鲁迪宁

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