高保真音响系统设计

只看该作者 · 2018-6-22 23:17

谈及高保真(High Fidelity，简称Hi—Fi)音响系统来，我想很多音乐爱好者，或者说很多一般的人，都在各种媒体中看到或者听到过这概念，不过大家不一定知道做何解释。而且大部分音乐初级爱好者一定是非常好奇“高保真”这个概念的定义。

只看该作者 · 2018-6-22 23:18

为了给大家解惑。那么下面由专业术语来解释：美国IEEE(电子与电机工程师协会)出的《IEEE名词术语词典》一书对“Hi—Fi信号”的解释为Hi—Fi信号是指使用性能最好的先进器件，如话筒、功率放大器、音箱或耳机之类来对信号进行传送。

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另外一种定义是如此：沈嚎先生等编撰的《电声词典》对“高保真度”的解释则指“用于评价高质量放声系统如实重现原有声源特性的术语，它力求难确而如实地记录或重现节目的原有特性并在主观上不引起可分辨的畸变感觉。对高保真度的评价包含客观和主观两方面。前者是使放声的特性参数满足规定的技术指标，后者是让听者对音质进行综合性的主观评价。因此，高保真的概念不完全是原声和重放声在客观上一致，有时也指经必要的修饰加加工，按主观爱好来美化声音”。因此，所谓Hi—Fi，是指“专门研究以最大的逼真度对原有声信号进行录音和重放的技术，以及为此而使用的音响器材和有关的技术测试方法和仪器”。另外，所谓最大逼真度也不排除进行一些必要的修饰和美化(如对现场录音的剔除噪声和仅保留一些鼓掌声和欢呼声)。但也有人对声音进行一些美化的做法持不同意见。他们认为高保真便是毫不走样而忠实地再现原有的信号，既不得有所失真又不得添加任何的东西，也即要保持原汁原味。

只看该作者 · 2018-6-22 23:30

其实，高保真音响的定义并不是那么重要的。我们可以思考这个问题，高保真音响，它为什么要是高保真呢。因为它可以让人们更加好的去享受音乐，去记录逝去的声音。那这本身就是一个主观的过程。其实是不是真实的还原音乐本身并不是重要的，我觉得音乐这种艺术给每个独立的不同的个人带来的一个享受的过程，它是非常重要的，我们不能单单从技术角度来评论对一种艺术的看法。

只看该作者 · 2018-6-22 23:32

高保真音响是一个相当综合的学科，也就是渗透型的学科，它综合了相当多的学科在里面，比如模拟电路，信号处理，以及元器件的材料选择涉及到的材料学，还要对声音的各种运动、性质阐述的声学，还有设计中涉及到的模型处理等等，不一而足。下面将分类阐述。

只看该作者 · 2018-6-22 23:32

音源是指重播声音时的信号源部分，一般都包括CD机、卡座、收音头、视盘机、LP唱机、录像机等，这些器材的共同特点是，均可通过机器自身将存录于唱盘、卡带乃至空间电波中的信号转化为弱电信号播出，例如CD机可通过其内部电路将刻在CD唱盘上的数码信号转化为模拟弱电信号，并从其输出端输出。音源送出的弱电信号，由于其电压处于毫伏级，不能直接去推动音箱，所以，音源输出信号就必先要经过功放的放大，这就需要使用功放放大器。

只看该作者 · 2018-6-22 23:33

前置放大器
前置放大器位于后级功率放大器之前、信号源设备之后。它对改善整机特性，提高音质、音色，以尽可能以理想的方式将高纯度的音频信号进行切换、放大与处理并输入到功放级，具有极重要的作用。
要达到高质量的放大，并能获得良好的信噪比，在前级放大器中对噪声的抑制是非常重要的。因为在输入1mV的音频信号(例如话筒信号)中，如果混有0 .1mV的轻微噪声，经过1000倍的放大，此噪声即可达到0.1V，输入后级功率放大器后再经过放大，此噪声即会达到不能容忍的地步。
因此，前级必须采取各种有效措施，以清除微弱的噪声。其中信号源与前级之间一般均用屏蔽线进行连接。

只看该作者 · 2018-6-22 23:35

后级功率放大器
后级功率放大器的作用是将来自前置放大器的信号放大到足够能推动相应扬声器系统所需的功率。就其功能来说远比前置放大器简单，就其消耗的电源功率来说远比前置放大器大，因为功率放大的本质就是将交流电能“转化”为音频信号，当然其中不可避免地会有能量损失，其中尤以甲类放大和电子管放大器为甚。
后级功放部分，是进行单纯功率的部分，它的作用就是尽可能地原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能地高，而放大后信号的失真程度应尽可能地小。

只看该作者 · 2018-6-22 23:37

音箱作为最终的还声设备，将放大后的电信号转换为声信号，传入我们的耳朵，一般来讲一只音箱中含多个扬声器单元。一对音箱，分左右两声道播放两路不同的信号构成立体声效果，最终将一个声场较为完整地展现于我们的面前。
其实一个高保真音响，它是否让发烧友们满意还有很多因素，比如：前置放大器的输入线缆，放置音响的房间墙壁，房间形状，音箱之间的距离及摆位等等。不仅如此，就单线材，如果是非常发烧级的，就要几千*币，不要说功放，音箱本身了。而能真正地欣赏高保真音响还需要一定的音乐素养。所以说高保真音响是一个生活水平上升之后的高级精神享受。

只看该作者 · 2018-6-22 23:50

晶体管放大器
与电子管功放相比，晶体管功放具有更高的可靠性和更长久的耐用性。由于末级采用严格对称的OCL互补推挽电路，进一步减少了因输出变压器而引起的种种噪声干扰、频响缺陷和谐波失真，从而令晶体管功放有极宽的频率响应（低频放大可直到直流信号，高频可延伸至听域极限）和极高的保真度（总谐波失真可轻易达到0.001%），阻尼系数非常高，瞬态响应也较电子管功放优秀得多。声音清脆开扬，极具穿透力且力度十足。特别音乐的背景噪声音宁静达到寂静无声的至高境界。一般而言，晶体管音色较电子管硬朗、冲劲十足，最适合于人声、重金属打击乐、现代摇滚乐、迪斯科舞曲以及大动态的重播。
它克服了电子管功放的两个缺点，一是阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感，力度上要比胆机明快、爽朗、有力；二是无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。晶体管放大器是现时市场上汽车音响功率放大器的主流产品，品种繁多，档次齐全，是车主选用的主要产品。

只看该作者 · 2018-6-23 13:03

集成电路放大器
它的最突出优点是可靠性高，外围电路简单，组装方便，占用空间比较小，而且保护电路都内置了，一般情况下不会发生烧毁器件的问题，不足之处是电声指标（功率、频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如分立元件组成的放大器，但是现在随着集成芯片的进一步发展，差别也是越来越小了。

只看该作者 · 2018-6-23 13:05

频率响应
在众多技术指标中，频率响应是最为人们所熟悉的一种规格。一部分放大器而言。理论上只需要做到20至20000HZ频率响应频率就已足够，但是真正的乐音中含有的泛音（谐波）是有可能超越这个范围的，虽然这些谐波，人类的耳朵根本就感觉不到，但是人类还是可以通过其他的途径感知到这些谐波的存在。加上为了改善瞬态反应的表现，所以对放大器要求有更高的频率响应范围，例如从10 Hz～100 KHz等。习惯上对频率响应范围的规定是：当输出电平在某个低频点下降了3分贝，则该点为下限频率，同样在某个高频点处下降了3分贝，则定为上限频率。按照一般的规定，高保真功率放大器的频率响应为20Hz~20kHz（±3dB）。如图

只看该作者 · 2018-6-23 15:04

谐波失真
任何一个自然物理系统在受到外界的扰动后大都会出现一个呈衰减的周期性振动。举例来说，一根半米长两端固定的弦线在中间受到弹拨的话，会产生一个1米波长的振动波，称为基波。弦线除了沿中心点作大幅度摆动外，线的本身也人作出许多肉眼很难察觉的细小振动，其频率一般都是比基波高，而且不止一个频率。其大小种类由弦线的物理特性决定。在物理学上这些振动波被称为谐波（Harmonics）。为了方便区别，由乐器所产生的谐波常称为泛音（Overtone）。谐波除了由信号源产生外，在振动波传播的时候如果遇上障碍物而产生反射，绕射和折射时同样是会产生谐波的。
无论是基波或谐波本身都是“纯正”的正弦波（注：正弦波是周期性函数，由正半周和负半周组成，但决不能将其负半周称为负弦波）但它们合成在一起时却会产生出许多奇形怪状的波形。
放大器的线路充满着各种各样电子零件，接线和焊点，这些东西或多或少都会降低放大器的线性表现，当音乐信号通过放大器时，非线性特性会使音乐信号产生一定程度的扭曲变形，根据前述理论这相当于在信号中加入了一些谐波，所以这种信号变形的失真被为谐波失真。
谐波失真并非完全一无是处，胆机的声音之所以柔美动听，原因之一是胆机主要产生偶次谐波失真。即频率是基波频率2、4、6、8…倍的谐波。在40年代时，有许多较“小型”的收音机故意加入相当程度的二次谐波失真。目的是制造“重低音”去取悦消费者。

只看该作者 · 2018-6-23 15:05

信噪比
信噪比（Signal Noise Ratio）是指信号通过音频设备后增加的各种噪声（如低频哼声、感应交流声、咝咝声等）于指定信号电平的dB差值，或信号幅度与噪声幅度之比，由于值比较大，一般用分贝来表示其值，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，此时称为噪声电平（这实际上也是一个用电压来计算的信噪比数值，只不过分母是一个固定的数：0.775V，而分子则是噪声电压）。
由于信噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高信噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当信噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍，以电子线路来说，这并不是一件容易的事。下面将列出信噪比的数值计算公式：
设噪声信号功率(或电压)为PN(VN)，有用信号的额定输出功率(或电压)为Ps(Vs)，则定义信噪比S／N为：
S／N＝20lg (Ps/ P)= 20lg (V s/ V)
一台放大器如有高的信噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使空气感加强，动态范围增大。放大器的信噪比一般来说以大约85dB以上为佳，低于此值则有可能在某些大音量聆听情况下，在音乐间隙中听到明显的噪音。

只看该作者 · 2018-6-23 15:07

瞬态响应
瞬态响应是指放大器跟随瞬态（猝发）信号变化能力大小的一种标准。现代音乐中包括了很多此种信号，比如：打击乐器弹拨乐器，都能产生猝发声脉冲，即瞬态信号,当瞬态信号输入到音频功率放大器输入端时,如果放大器的瞬态响应差,其输出就跟不上瞬态信号的变化,猝发信号的包络将产生畸变，这就是瞬态失真。我们平时测量瞬态响应常用方波信号，当方波信号输入放大器时，如果输出信号的波形是方波，说明放大器的瞬态响应良好。而瞬态反应不良的就如图。若音频功率放大器的瞬态响应良好，那么放音时钢琴的声音就特别悦耳，特别是跳跃式的短促音符，清晰度会增大。

只看该作者 · 2018-6-23 15:12

瞬态互调失真
在电子放大线路中，由于零件的对称，温度的变化，噪音的干扰以及其他种种原因，使信号的被放大的同时，无可避免地被加入各种各样的失真，而负反馈则能有效地降低这些失真。举一个简单的例子来说，如放大器在放大一个正弦波信号时，加入了一个失真的方波信号，这个正弦加方波的信号会被负反馈线路反相，然后反馈至输入端，和原来的正弦波相减，使原来的信号幅度变小之外还含有一个相反的方波，这个新的信号在经过放大器时同样会被再次加入一个失真的方波信号，由于信号里面已有一个相反的方波，这样正反方波便会互相抵消，使输出信号只含有正弦波，这就明显地降低了失真。不过负反馈的缺点也是很明显的，因为负反馈令输入信号和反馈的输出信号相减，降低了信号电平，如果要使输出信号被放大到足够的强度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是这并非难事，尤其是晶体管机。

只看该作者 · 2018-6-23 15:14

晶体管放大器有坚固耐用，体积小，重量轻放大率高等优点，其缺点是工作特性不稳定，易受温度等因素影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50至60dB左右的深度负反馈。反正晶体管的放大率很高，牺牲一些无所谓，由于采用了大深度的负反馈，大幅度减少了失真，所以晶体管机很容易获得高超的技术规格。不过麻烦也就因此而起，为了减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集电极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，称为滞后阶，可是无论电容如何小，总需要一定时间来充电，当输入信号含有速度很高的瞬态脉冲时，小电容来不及充电，也就是说在这一刹那线路是处于没有负反馈状态。由于输入信号没有和负反馈信号相减，造成信号过强，这些过强信号会使放大线路瞬时过载（Overload）。因为晶体管机负反馈量大，信号过强，程度更高，常常达到数十倍甚至数百倍，结果使输出信号削波（Clipping）。这就是瞬态互调失真，由晶体管分立元件组成的音频功率放大器和集成功率放大器往往存在较严重的瞬态互调失真.这是造成“晶体管声”的重要原因，当大音量,高频率的节目出现，最容易诱发瞬态互调失真。

只看该作者 · 2018-6-23 15:15

转换速率
转换速率SR主要是描述放大器对音源高频分量的跟随（反映）速度快慢的一项指标。SR和放大器的瞬态响应雷同。一个大SR的扩音机，它的高频响应一定很出色，而且瞬态失真TD(transient distortion)和瞬态交互失真非常的小。转换速率的单位是uV/s。要是一款Hi－End级功放，其SR值都能达到数十微伏/秒或者上百微伏/秒。这中放大器的通频带一般也都相当宽，跟随频率变化的能力也是相当的强。

只看该作者 · 2018-6-23 18:19

交越失真与削波失真

交越失真是由于是乙类推挽功率放大器功放管起始导通的非线性造成的。其失真波形如图，在图中，图（a）为输入的无失真的正弦波信号，图(b)为放大器输出的交越失真信号，图(c)是削波失真信号。交越失真是一种非线性失真，是造成互调失真的原因之一。削波失真是指功放管放大时，放大器输出信号不随输入信号的增大而增大,以致输出信号波形的尖峰被削平，因此人们形象地称之为削波失真。削波失真使人感到声音模糊且抖动，特别是在小功率放大器放音时常出现在这种情况，为了克服该现象的发生，在设计音频功率放大器时要考虑有一定的功率储备。

只看该作者 · 2018-6-23 18:20

EI型
EI型是最为常用和多见的，结构简单.它的优点是加工制作容易绕制方便，成本低廉，抗饱和性能好。缺点为漏磁大、同功率下的体积重量偏大，转换效率相对较低。
EI型变压器在音色上的声音走向为厚重浓郁、温暖醇和，音场层次、细节解析力一般。当采用特殊的分层分段绕制方法后（即所谓的发烧绕制法），在细节和解析力上有显著提高，而且高频上的延伸感也非常出色，有别于其他类型的电源变压器。如果在使用过程中再针对其缺点增加部分辅助改良措施，例如增加屏蔽罩，采用优质铁芯和无氧铜线，科学合理的绕制方法等，这一最原始古老的电子器件，仍是非常出色的。许多世界名机例如麦精图等一直在**沿用这一传统的元器件。经典的胆机制作也一直在沿用它。适合听音口味上喜欢“唯美”的DIY爱好者选用。

高保真音响系统设计

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