音響知識[常識]

音響知識完全手冊

1、音箱

音箱是將電信號還原成聲音信號的一種裝置,還原真實性將作為評價音箱性能的重要標準。
主動式有源音箱就是帶有功率放大器的音箱系統,把功率放大器和揚聲器發聲系統做成一體,可直接與一般的音源(如隨身聽、CD機等)搭配,構成一套完整的音響組合,有了有源音箱,就無需另購功率放大器,不再為合理選配功放、音箱而發愁,操作簡便,其極高的性能價格比,為工薪階層所普遍接受。

按照發聲原理及內部結構不同,音箱可分為倒相式、密閉式、平板式、號角式、迷宮式等幾種類型,其中最主要的形式是密閉式和倒相式。

密閉式音箱就是在封閉的箱體上裝上揚聲器,效率比較低;
倒相式音箱與它的不同之處是在前或後面板上裝有圓形的倒相孔,它是按照赫姆霍茲共振器的原理工作的,優點是靈敏度高、能承受的功率較大和動態範圍廣,因為揚聲器後背的聲波還要從導相孔放出,所以其效率也高於密閉箱,而且同一只揚聲器裝在合適的倒相箱中會比裝在同體積的密閉箱中所得到的低頻聲壓要高出3dB,也就是有益於低頻部分的表現,所以這也是倒相箱得以廣泛流行的重要原因。

2、功率

音箱音質的好壞和功率沒有直接的關係,功率決定的是音箱所能發出的最大聲強,感覺上就是音箱發出的聲音能有多大的震撼力。

根據國際標準,功率有兩種標注方法:額定功率(RMS:正弦波均方根)與瞬間峰值功率(PMPO功率)。前者是指在額定範圍內驅動一個8Ω揚聲器規定了波形持續模擬信號,在有一定間隔並重複一定次數後,揚聲器不發生任何損壞的最大電功率;後者是指揚聲器短時間所能承受的最大功率。

美國聯邦貿易委員會於1974年規定了功率的定標標準:以兩個聲道驅動一個8Ω揚聲器負載,在20~20000Hz範圍內諧波失真小於1%時測得的有效瓦數,即為放大器的輸出功率,其標示功率就是額定輸出功率,通常商家為了迎合消費者心理,標出的是瞬間(峰值)功率,一般是額定功率的8倍左右,試想同是採用PHILIPS的TDA1521功放芯片(最大的額定功率30W,THD=10%時),而某些產品上標稱360W,甚至480WP.M.P.O.,這可能嗎?有意義嗎?所以在選購多媒體音箱時要以額定功率為准。

音箱的功率由功率放大器芯片的功率和電源變壓器的功率兩者主要決定,考慮到其他一些因素,可以算出如果變壓器的額定功率是100W的話,它實際能順利帶動的功放芯片的功率要在45W以下,所以通過算音箱變壓器與功放的功率關係也可以驗證音箱的實際額定功率是否能達到標稱值,音箱的功率不是越大越好,適用就是最好的,對於普通家庭用戶的20平米左右的房間來說,真正意義上的60W功率(指音箱的有效輸出功率30W x 2)是足夠的了,但功放的儲備功率越大越好,最好為實際輸出功率的2倍以上。比如音箱輸出為30W,則功放的能力最好大於60W,對於HiFi系統,驅動音箱的功放功率都很大。

3、頻率範圍與頻率響應

前者是指音響系統能夠重放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的範圍;後者是指將一個以恒電壓輸出的音頻信號與系統相連接時,音箱產生的聲壓隨頻率的變化而發生增大或衰減、相位隨頻率而發生變化的現象,這種聲壓和相位與頻率的相關聯的變化關係(變化量)稱為頻率響應,單位分貝(dB)。

音響系統的頻率特性常用分貝刻度的縱坐標表示功率和用對數刻度的橫坐標表示頻率的頻率響應曲線來描述。

頻率響應截止點:當聲音功率比正常功率低3dB時,這個功率點稱為頻率響應的高頻截止點和低頻截止點。
高頻截止點與低頻截止點之間的頻率,即為該設備的頻率響應;聲壓與相位滯後隨頻率變化的曲線分別叫作“幅頻特性”和“相頻特性”,合稱“頻率特性”。

這是考察音箱性能優劣的一個重要指標,它與音箱的性能和價位有著直接的關係,其分貝值越小說明音箱的頻響曲線越平坦、失真越小、性能越高。如:一音箱頻響為60Hz~18kHz +/- 3dB。這兩個概念有時並不區分,就叫作頻響。

從理論上講,20~20000Hz的頻率響應足夠了。低於20Hz的聲音,雖聽不到但人的其它感覺器官卻能覺察,也就是能感覺到所謂的低音力度,因此為了完美地播放各種樂器和語言信號,放大器要實現高保真目標,才能將音調的各次諧波均重放出來。

所以應將放大器的頻帶擴展,下限延伸到20Hz以下,上限應提高到20000Hz以上。

對於信號源(收音頭、錄音座和激光唱機等)頻率響應的表示方法有所不同。

例如歐洲廣播聯盟規定的調頻立體聲廣播的頻率響應為40~15000Hz時十/—2dB,國際電工委員會對錄音座規定的頻率響應最低指標:40~12500Hz時十/—2.5十/—4.5dB(普通帶),實際能達到的指標都明顯高於此數值。

CD機的頻率響應上限為20000Hz,低頻端可做到很低,只有幾個赫茲,這是CD機放音質量好的原因之一。

但是,構成聲音的諧波成分是非常複雜的,並非頻率範圍越寬聲音就好聽,不過這對於中低檔的多媒體音箱來講還是基本正確的。

在標注頻率響應中我們通常都會看到有“系統頻響”和“放大器頻響”這兩個名詞,要知道“系統頻響”總是要比“放大器頻響”的範圍小,所以只標注“放大器頻響”則沒有任何意義,這只是用來矇騙一些不知情的消費者的。現在的音箱廠家對系統頻響普遍標注的範圍過大,高頻部分差的還不是很多,但在低音端標注的極為不真實,國外的名牌HiFi(高保真)音箱也不過標注4、50Hz左右,而國內兩三百的木質普通音箱居然也敢標注這個數據,真是讓人笑掉大牙了!

所以敬告大家低頻段聲音一定要耳聽為真,不要輕易相信宣傳單上的數值。
多媒體音箱中的音樂是以播放MP3或CD的音樂、歌曲、遊戲的音效、背景音樂以及影片中的人聲與環境音效為主的,這些聲音是以中高音為多,所以在挑選多媒體音箱時應該更看中它在中高頻段聲音的表現能力,而不是低頻段。
若真的追求影院效果,那麼一隻夠勁的低音炮絕對能夠滿足你的需求。

4、響度

聲音的強弱稱為強度,它由氣壓迅速變化的振幅(聲壓)大小決定。
但人耳對強度的主觀感覺與客觀的實際強度並不一致,人們把對於強弱的主觀感覺稱為響度,其計量單位也為分貝(Db),它是根據1000Hz的聲音在不同強度下的聲壓比值,取其常用對數值的 l/10而定的。
取對數值的原因是由於強度與響度的增加不是成正比關係,而是真數與對數的關係!例如聲音強度大到10倍時,聽起來才響了一級(10dB),強度大到100倍時聽起來才響了兩級(20dB)。對於1000Hz的聲音信號,人耳能感覺到的最低聲壓為2 x 10E-5Pa,把這一聲壓級定為0dB,當聲壓超過130dB時人耳將無法忍受,故人耳聽覺的動態範圍為0~130dB。

人對強度相等、頻率不同聲音感覺是不同的;聲壓級越高,人的聽覺頻率特性越平直;聲壓級越低,人的聽覺頻率範圍越小;頻率 f<16~20Hz以及 f>18~20KHz的聲音,不論聲級多高,人耳都是聽不到的。
故人耳的聽覺頻率為20Hz~20KHz,這個頻帶叫音頻或聲頻;
不論聲壓高低,人耳對3KHz~5KHz頻率的聲音最為敏感。

大多數人對信號聲級突變3dB以下時是感覺不出來的,因此對音響系統常以3dB作為允許的頻率響應曲線變化範圍。

5、失真度

有諧波失真、互調失真和瞬態失真之分。諧波失真是指聲音回放中增加了原信號沒有的高次諧波成分而導致的失真;互調失真影響到的主要是聲音的音調方面;瞬態失真是因為揚聲器具有一定的慣性質量存在,盆體的震動無法跟上瞬間變化的電信號的震動而導致的原信號與回放音色之間存在的差異。它在音箱與揚聲器系統中則是更為重要的,直接影響到音質音色的還原程度的,所以這項指標與音箱的品質密切相關。這項常以百分數表示,數值越小表示失真度越小。普通多媒體音箱的失真度以小於0.5%為宜,而通常低音炮的失真度普遍較大,小於5%就可以接受了。

6、音箱的靈敏度(單位dB)
音箱的靈敏度每差3dB,輸出的聲壓就相差一倍,一般以87 dB為中靈敏度,84 dB以下為低靈敏度,90 dB以上為高靈敏度。靈敏度的提高是以增加失真度為代價的,所以作為高保真音箱來講,要保證音色的還原程度與再現能力就必須降低一些對靈敏度的要求。但不能反過來說,靈敏度高的音箱音質一定不好而低靈敏度的音箱一定就好。靈敏度低的音箱功放難以推動(要求功放的貯備功率較大)。所以靈敏度雖然是音箱的一個指標,但是它與音箱的音質音色無關。

7、阻抗

它是指揚聲器輸入信號的電壓與電流的比值。音箱的輸入阻抗一般分為高阻抗和低阻抗兩類,高於16Ω的是高阻抗,低於8Ω的是低阻抗,音箱的標準阻抗是8Ω。在功放與輸出功率相同的情況下,低阻抗的音箱可以獲得較大的輸出功率,但是阻抗太低了又會造成欠阻尼和低音劣化等現象。所以這項指標雖然與音箱的性能無關,但最好還是不要購買低阻抗的音箱,推薦值是標準的8Ω。耳機的阻抗一般是高阻抗的——32Ω很常見。功放的阻抗一般可標為等值阻抗,比如4Ω下130W的輸出,大概相當於等值的80W的輸出。有一個容易與之混淆的名詞叫做“阻尼係數”,這是指揚聲器阻抗除以放大器源的內阻,範圍大約是25~1000。揚聲器紙盆在電信號已經消失後還要振盪多次才能完全停止擺動,而線圈發出的電壓產生電流和磁場可以阻止這種寄生運動,這就是阻尼。電流的幅度也就是阻尼的效果取決於此電流流經放大器輸出級的內阻,這一電阻要遠低於揚聲器的額定阻抗,典型值為0.1Ω,但由於揚聲器音圈的串聯電阻和分頻網絡的串聯電阻的存在,阻尼係數難以做到50。

8、信噪比 (S/N)

是指音箱回放的正常聲音信號與無信號時噪聲信號(功率)的比值。也用 Db表示。例如,某磁帶錄音座的信噪比為50dB,即輸出信號功率比噪音功率大50dB。信噪比數值越高,噪音越小。國際電工委員會對信噪比的最低要求是前置放大器大於等於63dB,後級放大器大於等於86dB,合併式放大器大於等於63dB。合併式放大器信噪比的最佳值應大於90dB;收音頭:調頻立體聲之50dB,實際上以達到70dB以上為佳;磁帶錄音座之56dB(普通帶),但經杜比降噪後信噪比有很大提高。如經杜比 B降噪後的信噪比可達65dB,經杜比 C降噪後其信噪比可達72dB(以上均指普通帶);CD機的信噪比可達90dB以上,高檔的更可達l10dB以上。信噪比低時,小信號輸入時噪音嚴重,整個音域的聲音明顯感覺是混濁不清,所以信噪比低於80dB的音箱不建議購買!而低音炮70 Db的低音炮同樣原因不建議購買。

9、揚聲器材質

低檔塑料音箱因其箱體單薄、無法克服諧振,無音質可言(笨笨熊注:也不儘然,設計好的塑料音箱要遠遠好於劣質的木質音箱);木制音箱降低了箱體諧振所造成的音染,音質普遍好於塑料音箱。通常多媒體音箱都是雙單元二分頻設計,一個較小的揚聲器負責中高音的輸出,而另一個較大的揚聲器負責中低音的輸出。挑選音箱應考慮這兩個喇叭的材質:多媒體有源音箱的高音單元現以軟球頂為主(此外還有用於模擬音源的鈦膜球頂等),它與數字音源相配合能減少高頻信號的生硬感,給人以溫柔、光滑、細膩的感覺。多媒體音箱現以質量較好的絲膜和成本較低的PV膜等軟球頂的居多。低音單元它決定了音箱的聲音的特點,選擇起來相對重要一些,最常見的有以下幾種:紙盆,又有敷膠紙盆、紙基羊毛盆、緊壓制盆等幾種,紙盆音色自然、廉價、較好的剛性、材質較輕靈敏度高,缺點是防潮性差、製造時一致性難以控制,但頂級HiFi系統中用紙盆製造的比比皆是,因為聲音輸出非常平均,還原性好;防彈布,有較寬的頻響與較低的失真,是酷愛強勁低音者之首選,缺點是成本高、製作工藝複雜、靈敏度不高輕音樂效果不甚佳;羊毛編織盆,質地較軟,它對柔和音樂與輕音樂的表現十分優異,但是低音效果不佳,缺乏力度與震撼力;PP(聚丙烯)盆,它廣泛流行於高檔音箱中,一致性好失真低,各方面表現都可圈可點。此外還有像纖維類振膜和複合材料振膜等由於價格高昂極少應用於普及型音箱中,就不談了。揚聲器尺寸自然是越大越好,大口徑的低音揚聲器能在低頻部分有更好的表現,這是在選購之中可以挑選的。用高性能的揚聲器製造的音箱意味著有更低的瞬態失真和更好的音質。普通多媒體音箱低音揚聲器的喇叭多為3~5英寸之間。用高性能的揚聲器製造的音箱也意味著有更低的瞬態失真和更好的音質。

10、音箱的結構與特點

音箱從結構形式上分,可以分為書架式和落地式,前者體積小巧、層次清晰、定位準確,但功率有限,低頻段的延伸與量感不足,適於欣賞以高保真音樂為主的音樂愛好者,也是我們多媒體發燒友的首選;後者體積較大、承受功率也較大,低頻的量感與彈性較強,善於表現滂沱的氣勢與強大的震撼力,但做得不好層次感與定位方面會略有欠缺。對於不同音樂的愛好者來講,這也是在選購以前應該瞭解的重要內容。由於PC用家很少有具備放置大型落地箱的條件,所以小巧的桌面書架式音箱應該是多媒體有源音箱的首選。總的來說:只要功放模塊設計合理,箱體越大,喇叭越大,聲音越中聽。

11、可擴展性

這是指音箱是否支持多聲道同時輸入,是否有接無源環繞音箱的輸出接口,是否有USB輸入功能等。低音炮能外接環繞音箱的個數也是衡量擴展性能的標準之一。普通多媒體音箱的接口主要有模擬接口和USB接口兩種,其它如光纖接口還有創新專用的數字接口等不是非常多見,因此不多作介紹。

12、音效技術

硬件3D音效技術現在較為常見的有SRS、APX、 Spatializer 3D、 Q-SOUND、 Virtaul Dolby和 Ymersion等幾種,它們雖各自實現的方法不同,但都能使人感覺到明顯的三維聲場效果,其中又以前三種更為常見。它們所應用的都是擴展立體聲(Extended Stereo)理論,這是通過電路對聲音信號進行附加處理,使聽者感到聲像方位擴展到了兩音箱的外側,以此進行聲像擴展,使人有空間感和立體感,產生更為寬闊的立體聲效果。此外還有兩種音效增強技術:有源機電伺服技術(本質上利用了赫姆霍茲共振原理)、BBE高清晰高原音重放系統技術和“相位傳真”技術,對改善音質也有一定效果。對於多媒體音箱來說,SRS和BBE兩種技術比較容易實現效果很好,能有效提高音箱的表現能力。

13、音調

指具有一特定且通常是穩定音高的信號,通俗的講是聲音聽來調子高低的程度。它主要取決於頻率,還與聲音強度有關。頻率高的聲音人耳的反應是音調高而頻率低的聲音人耳的反應是音調低。音調隨頻率(Hz)的變化基本上呈對數關係。不同的樂器演奏同樣頻率的音符,音色雖然不同,但它們的音調是相同的,也就是演奏聲音的基頻是相同的。

14、音色

對聲音音質的感覺,也是一種聲音區別於另一種聲音的特徵品質。不同的樂器在發同一音調時,它們的色可以迎然不同。這是由於它們的基頻頻率雖相同,但諧波成分相差甚大。故音色不但取決於基頻,而且與基頻成整倍數的諧波密切有關,這就使每種樂器和每個人有不同的音色。

15、動態範圍

聲音中最強與最弱的比值,用 Db表示。例如一個樂隊的動態範圍為90dB,這意味著最弱部分的功率比最響部分的低90dB。動態範圍是功率之比,與聲音的絕對水平無關。如前所述,人耳的動態範圍從0到130dB。自然界各種聲音的動態範圍的變化也是很大的。一般語言信號大約只有20~45dB,有些交響樂的動態範圍可達30~130dB或更高。但由於一些因素的限制,音響系統的動態範圍很少能達到樂隊的動態範圍。錄音裝置的內在噪音決定了可能錄製的最弱音,而系統的最大信號容量(失真水平)限制了最強的音。一般把聲音信號的動態範圍定為100dB,故音響設備的動態範圍能做到100dB,就很好了。

16、總諧波失真(THD)

指音頻信號源通過功率放大器時,由於非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的,我們用新增加總諧波成份的均方根與原來信號有效值的百分比來表示。例如,一個放大器在輸出10V的1000Hz時又加上 Lv的2000Hz,這時就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來,1000Hz頻率處的總諧波失真最小,因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關,因此美國聯邦貿易委員會於1974年規定,總諧波失真必須在20~20000Hz的全音頻範圍內測出,而且放大器的最大功率必須在負載為8歐揚聲器、總諧波失真小於1%條件下測定。國際電工委員會規定的總諧波失真的最低要求為:前級放大器為0.5%,合併放大器小於等於0.7%,但實際上都可做到0.1%以下:FM立體聲調諧器小於等於1.5%,實際上可做到0.5%以下;激光唱機更可做到0.01%以下。
由於測量失真度的現行方法是單一的正弦波,不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的複合波,其中包括速率轉換、瞬態響應等動態指標。故高質量的放大器有時還注明互調失真、瞬態失真、瞬態互調失真等參數。(l)互調失真(IMD):將互調失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡諧信號合成波,按4:1的幅值輸入到被測量的放大器中,從額定負載上測出互調失真係數。
(2)瞬態失真(TIM):將方波信號輸入到放大器後,其輸出波形包絡的保持能力來表達。如放大器的轉換速率不夠,則方波信號即會產生變形,而產生瞬態失真。主要反映在快速的音樂突變信號中,如打擊樂器、鋼琴、木琴等,如瞬態失真大,則清脆的樂音將變得含混不清。
(3)瞬態互調失真:將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比4:1混合,經放大器後,新增加全部互調失真的產物有效值與原來正弦振幅的百分比。如放大器採用深度大回環負反饋,瞬態互調失真一般較大,具體反映出聲音呆滯、生硬、無臨場感;反之,則聲音圓滑、細膩、自然。

17、立體聲分離度

指雙聲道之間互相不干擾信號的能力、程度,也即隔離程度,通常用一條通道內的信號電平與洩漏到另一通道中去的電平之差表示。如果立體聲分離度差,則立體感將被削弱。國際電工委員會規定的立體聲分離度的最低指標, lKHz時大於等於40dB,實際以達到大幹60dB為好;歐洲廣播聯盟規定的調頻立體聲廣播的立體聲分離度為>25dB,實際上能做到40dB以上。立體聲通道平衡指的是左、右通道增益的差別,一般以左、右通道輸出電平之間最大差值來表示。如果不平衡過大,立體聲聲像位置將產生偏離,該指標應小於1dB。

18、阻尼係數

是指放大器的額定負載(揚聲器)阻抗與功率放大器實際阻抗的比值。阻尼係數大表示功率放大器的輸出電阻小,阻尼係數是放大器在信號消失後控制揚聲器錐體運動的能力。具有高阻尼係數的放大器,對於揚聲器更象一個短路,在信號終止時能減小其振動。功率放大器的輸出阻抗會直接影響揚聲器系統的低頻 Q值,從而影響系統的低頻特性。揚聲器系統的Q值不宜過高,一般在0.5~l範圍內較好,功率放大器的輸出阻抗是使低頻 Q值上升的因素,所以一般希望功率放大器的輸出阻抗小、阻尼係數大為好。阻尼係數一般在幾十到幾百之間,優質專業功率放大器的阻尼係數可高達200以上。

19 、 等響度控制

其作用是低音量時提升高頻和低頻聲。由於人耳對高頻聲、特別是低頻聲的聽覺靈敏度差,要求在低音量時對高頻和低頻進行聽覺補償,即要求對低頻有較大提升,對高頻也有一定量的提升。換句話說,當音量減小時,信號中低頻部分的減小較高頻部分為少。等響度控制即滿足此要求,等響度控制一般為8dB或10dB。

20、三維音場處理和環繞聲

普通兩隻音箱為什麼會使我們聽到並不存在的好像是背後發出的聲音呢?大家知道,立體電影就是眼睛產生的錯覺而三維音場的產生離不開耳朵的錯覺。種種硬件3D音效技術如SRS、虛擬杜比和軟件3D技術如EAX、A3D等就是充分研究了人耳接受聲響的原理後為降低成本而推出的新技術。本質上講通過多音箱完成三維音場的效果比兩隻音箱虛擬出的聲場好很多。所以環繞聲應該以多音箱配置為主,它們的定位感和空間感強,下面我們來看看有哪幾種真正的環繞聲:
A. 杜比定向邏輯(Dolby Pro-Logic)環繞聲系統
4-2-4編碼技術將左、中、 右和後側四方面的音頻信息經過編碼記錄在左右兩個聲道中; 放音時再通過解碼器從左右聲道中分解還原出原來這4個聲道, 這4個聲道通常稱為:前置左聲道、前置中間聲道、前置右聲道和後置環繞聲道。科學實驗表明, 要獲得身臨其境的真實音響效果,必須在聆聽者周圍產生一個四面包圍的聲場環境,整個放聲系統使用的聲道數越多,聆聽者的聲場定位感就越強烈,身臨其境的感受就越真實。根據目前一般家庭的視聽環境,放聲系統使用5個聲道已能滿足聲場定位需要,因此,杜比定向邏輯環繞聲系統大多使用5聲道。從表面上看,5聲道杜比定向邏輯環繞聲功率放大器確實有5個功率輸出端:前置左聲道、中置聲道、前置右聲道、環繞左聲道(又稱後置左聲道)和環繞右聲道(又稱後置右聲道),但杜比定向邏輯環繞聲系統中解碼器輸出的環繞聲信號其實是單聲道的,5聲道功率放大器中的左右兩個環繞聲道在功放內部是相互串聯的(未完)

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