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HIFI放大器低噪声的重要性

冬至子 来源:HEHIFI 作者:非常何马 2023-09-19 15:16 次阅读

噪声(或噪音)有什么影响?是不是越低越好?低噪声的要求是不是非常重要?关于HIFI放大器的噪声问题,大家可能会有不同的认识,就这个问题梳理一下,希望和大家分享、探讨。

一、对噪声的一些看法

很多朋友认为HIFI放大器低噪声是很重要的,也有朋友可能并不这样看。首先让我们来看下下面的一些看法:

1)欣赏音乐时,我没有听到任何噪音,所以没有问题;

2)底噪太干净了,会有不真实感觉。适当的噪音可以增加现场感;

3)低噪声会导致过于表达音乐的细节,影响听感和欣赏音乐的专注度;

4)低噪声会暴露放大器的缺点,影响听音乐的感觉;

5)音乐作品中的噪音和放大器产生的噪音的影响是相同的;

6)低噪声可以让背景更安静,但不会改变作品的音乐表达;

7)放大器的信噪比指标达到要求,噪声再低没有多大意义;

8)过于追求低噪声会导致听音理念的偏差,过于追求参数而偏离艺术;

9)声音的遮蔽效应,音乐声盖过噪声对噪声进行了遮蔽,噪声大一点也不会影响音乐欣赏。

那么,这些看法对吗?

二、噪声和来源

我们来回顾一下噪声和主要的来源。

噪声具有随机和持续的特征,对于一些突发而不持续的信号(除需要传递的信号外),有时被称为干扰声。这里,我们就只讨论噪声。

下图是一种噪声的波形图和与交流正弦信号波形的比较。

图一、噪音和正弦波信号的波形比较,摘自"Master Handbook of Acoustics,Sixth Edition",F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

图片

对于HIFI放大器,噪声是除希望传递的音乐和人声信号以外的任何或全部的其它信号(干扰声除外),这些噪声从哪里来?以下是一些可能的途径:

1)音乐作品中含有的噪声

音乐作品在录制制作的过程中都会带入噪声,比如录音棚里的背景声、空调声、器材产生的噪声,等等。

2)放大器产生的噪声

放大器接收和产生噪声的途径有很多而且机制也很复杂,主要的有电阻元件的噪声(Johnson噪声)、半导体元件产生的噪声、交流电源产生的纹波声(也叫交流声或哼声)、电网传递来的各种混杂的信号产生的噪声、由于受外界无线电波干扰或电磁感应产生的噪声、放大器自身工作不稳定(如自激振荡)产生的噪声,器件(如变压器)震动产生的噪声,等等。这里我们不讨论放大器失真带来的影响。

3)前端器材传递来的噪声

前端器材也会带来一些噪声,前端器材的输出电阻产生的噪声、前端器材放大和传递信号时产生的噪声、连接线接收到的干扰声、电源和地形成的环路哼声,等等。

4)环境产生的噪声

听音的周边环境产生的噪声,如空调工作的声音、电脑风扇的声音、外界传来的其它声音,等等。

三、信号

我们不妨把希望传递和放大的器乐或人声的音频信号叫做"信号",以区别于上述的"噪声"和"干扰声"。来回顾一下信号的基本特征吧。

图二、小提琴分别发出E音和G音时的频谱图,摘自"Master Handbook of Acoustics,Sixth Edition",F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

图片

从上图中可以看到,小提琴的琴弦分别发出E音(659Hz)和G音(196Hz)时,除了基波的频率,同时还发出很多次的谐波(或称泛音)。实际上小提琴可以发出声音的频率(也是基波的频率)的范围是196~3136Hz,而其谐波的频率范围可以高达4~15kHz(摘自:"实用录音技术,第六版",Bruce Bartlett, Jenny Bartlett, 朱慰中译)。

这是小提琴的例子,其它的乐器和人声也是类似的情况(个别特殊乐器如鼓、铃、钢琴等的泛音并不是与基波频率有倍数关系的谐波)。

声音的两个基本的特征

我们可以总结得出下面的结论:

1)声音信号是由基波和大小不一其中很多微小的谐波(或泛音)组成的

谐波很多而且幅度大小相差较大,一般比其基波的幅度小很多,趋势上随谐波的阶次的提高逐渐减小,也就是谐波频率越高其幅度越小;

2)谐波(或泛音)反映了器乐或人声的特征和音色

正是不同的谐波的组合用来辨别一个乐器而不是另一个(比如是小提琴而不是小号),或相同乐器而不同的音色。

需要说明的是,比如同一位演奏家演奏不同的小提琴,会有不同的音色,而不同的演奏家演奏同一把小提琴也会有不同的音色,其原因也是因为谐波发生了变化。

四、噪声对声音的影响

噪声是怎样影响声音的?最直观的情况就像下图表示的,加入噪声后信号发生了变化。

图三、模拟信号加上噪声后的情况,摘自:"Digital Interface Handbook, Third Edition", Francis Rumsey, John Watkinson

图片

这是大家比较熟悉的情况,很明显,信号受到了噪声的污染,问题有多严重呢?可能还说明不了什么问题,我们来做点分析。

1、从频谱看

先看下面的图:

图四、图一中噪声的局部波形图。摘自"Master Handbook of Acoustics,Sixth Edition",F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

图片

噪声的波形看似是没有明确的规律性的,较难用理论(数学)工具来定量分析,为了可以做定性的分析,我们做一些近似的假定,特别在噪声中含有交流声时(交流声是周期性的),我们把噪声的波形假定为周期性的非正弦波,或周期性非正弦波的组合。这样,就可以利用傅里叶级数的理论来做进一步的分析了。

傅里叶级数是说,任何一个周期性的非正弦波,都可以分解为一系列不同频率的正弦量之和。

那么,任何噪声也可以像上面小提琴的声音一样,可以被分解和看作是很多不同频率的正弦波的组合。下图是一个噪声频谱的示例。

图五、一种噪声的频谱示意图,摘自:网络

图片

以上面的小提琴为例,把小提琴的频谱图和噪声的频谱图叠加在一起,就得到了另一个新的频谱图,是一个被改变了的不一样的频谱图。按上面声音的两个基本特征的分析,小提琴的声音特征和音色将发生变化。

小提琴是这样的情况,其它声音也是相同或类似的。

但有一个前提,噪声的频谱幅度相对信号的幅度是有意义的,也就是,噪声的幅度是不能被忽略不计的。

2、从幅度看

我们再从幅度的角度看噪声如何影响声音。

1)信噪比

信噪比是用幅度来衡量的性能指标,简单来说,就是在放大器额定输入和输出条件下的输出电压(一般就最大不失真输出电压)和输入电动势为零时的输出电压(也即是噪声电压)的比值再计算得到。公式为:

信噪比=20Log(最大不失真输出电压/噪声电压),单位为分贝(dB)

按国标 "GB/T 14200-93高保真声频放大器最低性能要求"规定,信噪比(未计权)的最低要求为:前置和合并放大器58dB、后级放大器81dB。

这里,测量信噪比,有以下的情况:

a、放大器工作在最大不失真输出的状态

这是放大器受失真限制(失真指标符合标准或厂方提供的数据、不出现削波)的最大工作状态,也就是音量电位器旋钮被顺时针旋到了不引起失真的最大位置;

b、输入信号的电动势为额定值(测量最大输出电压时)

按照国标"GB/T14197-2012音频、视频和视听系统互连的优选配接值"的要求,接入功放的输入信号最小源电动势不小于1V。而国标 "GB/T 14200-93高保真声频放大器最低性能要求"规定的功放的过载源电动势不小于2V。基本上可以把源电动势的值近似看作是信号电压的值,也就是说额定的输入信号的电压必须要大于1V,具体可以大到多少,要看放大器的输入过载能力,一般必须要能够承受2V的输入信号电压。实际上,一般的CD机的模拟输出电压是2V有效值(RMS),一些解码器输出更高的4V有效值(RMS)的电压。

c、输入信号的频率为单一频率

信噪比的测量并不要求输入信号要模拟实际的音乐信号,也就是有基波和谐波的组合,而一般为指定频率为1KHz 的正弦波作为测量输入信号。

2)信噪比达标,就没问题了吗?

信噪比反映了放大器的性能水平,但还是不能阻止以下情况的出现:

a、不在最大输出位置工作

和测量时不同,现实中,是没有人(或者几乎没有)会在最大输出的状态下听音乐的,反而是经常在接近最小(有时是被衰减)的工作位置欣赏音乐的。在工作状态向小的方向变化时,信号对应的输出电压相应的减小,因为噪声是放大器的整个电路综合产生的,所以噪声并不会按相同的比例减小(特别当交流哼声在噪声中占主导地位时,哼声很多时候不会随音量的减小而减小,有时反而会增大)。

因此,在实际工作情况下(绝大多数的情况下),放大器的信噪比性能是不能被保证的。

b、不在音量为零的位置工作

同样,现实中,也没有人在音量为零的位置欣赏音乐。也就是输入的信号必须被放大(有时是衰减)到一定的程度(一般认为85dB声压级比较适合欣赏音乐),这样输入端的噪音也同样的被放大(或传递)到一定程度。

c、输入信号不是单一频率、幅度不是额定值

现实中,也没有办法保证所有输入信号都能维持在额定值,特别是上面说到的,音频信号中含有的许多谐波(或泛音)。那么,问题是,能不能确定,某个弱小的音频信号或谐波会小到什么程度?应该是不能。

这样,一定程度的噪声和不能确定有多小(尽管也被同样放大)的微小信号或谐波(或泛音)叠加在一起,会产生什么样的结果?声音信号的某些部分被噪声改变或淹没,声音会发生变化。

下面的表格,可以进一步说明。如表,在一个乐队中,不同的声音的强弱(或信号幅度)的大小差别是巨大的。

表一、交响乐队现场演奏时各种乐器的最大功率峰值。摘自"Master Handbook of Acoustics,Sixth Edition",F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

图片

我们不妨计算一下,按额定输入信号电压2V有效值来对应70W的乐队整体,对于最小功率乐器的最大峰值所对应的输入信号电压就只有53mV有效值了。这时的信噪比已经下降了31dB,前面国标所要求的最低性能指标,实际分别降到了27dB和50dB。如果计算实际使用时的数值(非最大峰值、非最大输出状态),再考虑对谐波的影响,实际信噪比将会更大幅度的降低。可见音乐信号中,有用的信号幅度可以非常的小(可低到听觉阀值的声压级水平),实际的信噪比也可能非常的低。

五、什么情况下噪声的影响可以被忽略?

两种情况下,噪声的影响应该可以被忽略。

1)噪声的绝对声压级(经过放大以后)在听觉阀值以下;或者

2)根据1/3原则,噪声的幅度大小比相同频率的信号的幅度小2/3以上。或者说,噪声频谱每个频率上的幅度比信号频谱上相同(或相近)频率上的幅度小2/3以上,并且不出现新的谐波。

不过,不管是哪种情况,要达到的条件都是非常苛刻的。

六、结论

通过上面的分析,噪声对声音是有很大影响的,这种影响是不是都是有害的,还是有时可以是有益的?

对于音乐作品中的噪声,录音师可能会从艺术的角度,允许或加入一些噪声,作为艺术创作的一部分。

而对于放大器来说,噪声只能改变或淹没音乐作品中的一些细节,使重放的作品不再真实。而这些细节恰恰是HIFI放大器不可缺少的,特别是高端HIFI(这些细节正是确认是否是高端HIFI的重要元素)。

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