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【电子学】HiFi基础知识

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HiFi基础知识
高保真
高保真的英文原词是High Fidelity,简称hi-fi。高保真就是指声频录音及放音系统和设备,具有如实反映声音信号本来面貌的能力。
高保真设备除了对声音信号进行传声、转换、记录、读取、放大以外,还要进行特定修饰、加工处理,以最大程度地完成声场再现时声像位置及其移动的真实感。
1家庭高保真音响系统
家庭高保真音响系统主要由三大部件组成,即节目源设备、放大器和扬声器系统。
1.1 节目源
节目源又称为信号源,其任务是为音响系统提供高保真的语言和音乐等节目信号。常见的家庭音像节目源由传声器(话筒)、电唱机、CD播放机、VCD播放机磁带录音机、收音机(调谐器)等,近年来发展到各种电子乐器(例如电子琴)、电声乐器(例如电吉它)、数字磁带录音机(DAT)、DVD播放机、MD和MP3播放机。
1.2 放大器
放大器的任务是把节目源送来的比较微弱的信号充分放大,同时进行控制和修整,以便驱动扬声器系统。放大器包括前置放大器、功率放大器以及话筒放大器、线路放大器等。有时甚至把均衡器、混响器、变调器等信号处理电路也并入放大器的范畴,作为放大器的附属部件。
1.2.1 功率放大器
1.2.1.1 甲类(Class-A)放大器
又称作A类放大器,是在输入正弦波低电压信号的整个周期中,功率管都处于导通的一种工作状态。它的输出晶体管(或电子管)工作点设在其直流负载线的中点,也就是其线性最好的部分,在规定的工作范围内几乎没有失真,因而是一种性能很好的放大电路。但是它的输出效率很低,理论值不超过百分之五十,并且通常情况下音量越小耗电越多。同时因为发热量太大,使得整机可靠性不易得到保证。
1.2.1.2 乙类(Class-B)放大器
又称作B类放大器,作为推/挽两个“臂”的功率放大管只在半个周期内导通,另一半周期截止。其特点是输出功率大,效率高,可以达到百分之七十八,并且在小音量的时候耗电很少。但这一类放大器失真比较大,主要表现为“交越失真”和“开关失真”。
1.2.1.3 甲乙类(Class-AB)放大器
又称作AB类放大器,作为推/挽两个“臂”的功率放大管,导通时间大于半个周期,但不足一个周期,只有一小段时间截止。这类放大器的工作点介于甲类和乙类之间,避免了“交越失真”,但是仍然存在“开关失真”。目前我们见到的大多数功率放大器,其中也包括集成功率放大器,都属于AB类放大器。
1.2.1.4 丙类和丁类放大器
丙类放大器,作为推/挽两个“臂”的功率放大管,导通时间小于半个周期,大部分时间处于截止的工作状态。丁类放大器(Class-D),功率放大管工作在“饱和导通”和“完全截止”的两种状态,即开关状态。
丁类放大器原理构成了数字功率放大器的电子学基础。
1.2.1.5 “准甲类”放大器
为了让功率放大器兼有甲类放大器的低失真和乙类放大器的高效率,除了甲乙类外,80年代以来出现了一些新型的放大电路,比如甲+类(Class-A+)放大电路、“新甲类”(新A类)放大电路、“超甲类”(超A类)放大电路等。这些电路的称呼不同,但所采取措施的目的,一是设法使功率放大管不工作在截止状态,二是设法使功率放大管的工作点随着信号大小滑动(即动态偏置),以提高效率。
1.2.2 前置放大器
前置放大器的任务是,将立体声电唱盘、激光唱机、调谐器、录音机和传声器送来的信号进行放大和各种处理。它除了对各种节目源信号进行选择、调节以外,还可以将不同强弱的输入信号整理为统一的0.5V—1.0V水平,以推动后续的功率放大器。
1.2.3 后级放大器
它是前置放大器的后续功率放大器,实行单纯的功率放大。
1.2.4 合并式放大器
将前置放大器和后级放大器设置在同一个机箱内的放大器。
1.2.5 放大器(按所用的放大元件)又可以分为:
1.2.5.1电子管功率放大器
电子管放大器的优点是,对于信号过载承受能力较强,一般不存在瞬态互调失真,因此比较醇美,温暖。缺点是功耗大,效率低,元件寿命短,功率也不容易做高。
1.2.5.2晶体管功率放大器
晶体管放大器又包括了双极型晶体管放大器和场效应晶体管功率放大器。晶体管放大器的优点是,动态范围大,输出阻抗低(驱动和控制力强),失真系数小,信号噪声比高,功率可以高达上千瓦。缺点是有些产品普遍存在一种所谓的“晶体管声”,使声音有些发硬、发刺。“无大环路反馈电路”的应用,在很大程度上克服了“晶体管声”。场效应晶体管是一种电压控制的功率器件,它的各种优异性能使得场效应晶体管放大器得到了迅速的发展。
1.2.5.3集成电路功率放大器(包括厚膜集成功率放大器)
集成电路功率放大器大体上与晶体管功放的工作原理相同,但是结构简单得多,产品一致性良好。
1.3 扬声器系统
扬声器系统又被称做“音箱”,它由扬声器单元(喇叭)、箱体和分频器组成,其主要任务是把放大器送来的音频电信号(电能)转化为音频声音信号(声能),实现电声转换,从而发出响亮而且不失真的声音。
1.3.1 敞开式音箱
敞开式音箱是一种后盖开口的音箱,它实际上是障板和一端开口的共鸣器的组合。没有后盖,或者后盖开有许多孔的收音机、录音机、电视机等的机壳,都可以看作是敞开式音箱。
这种音箱由于敞开的后面与前面的声音互相干涉,再加上箱体自身的共振,在频率响应曲线上形成很大的“峰”和“谷”,形成敞开式音箱特有的声染色现象。
1.3.2 封闭式音箱
这种音箱除扬声器的开孔以外,其他部分全部密封。这种箱体由于是密封的,纸盆的振动会使箱内空气产生反复的压缩和膨胀过程,所以箱体应该有足够的强度,否则容易产生箱板振动而影响音质。
也有的书上把它称为“无限大障板音箱”,有些商家称之为“声悬浮音箱”,“气垫式音箱”,其实都是一回事。
1.3.3 倒相式音箱
在封闭式音响的面板或者后板开一个附加的出音孔(倒相孔),并且在出音孔里面安装一个导管,这个管子就是“倒相管”。倒相管的截面一般是圆形,也有矩形或其他什么形状的。装有倒相管的音箱称之为倒相式音箱。它的工作原理是基于一个“单腔共振体”(亥姆赫兹共振体,在一个空腔口上连接一个短管的简单共振器),倒相管在这里起到了“短管”的作用,短管的管径和长度以及腔体的大小确定了共振的频率。由于在共振的时候,管口的声波与腔体内的声波在相位上正好相差一百八十度,就是把相位“倒过来”的意思,所以称之为“倒相管”。
由于经过“倒相管”口的相位翻转,把扬声器振膜背面的声音辐射转化成为与正面声音辐射同相的声音,使得正面的声音辐射得到了加强,而不象敞开式扬声器那样相互抵消,所以提高了效率。
有的厂商非要把“倒相管”写成“导向管”,大概是因为他们还没有弄明白倒相式音箱到底是怎么回事。
1.3.3 空纸盆音箱
空纸盆音箱又被称作被动辐射式音箱,它是倒相式音箱的另一种形式。在倒相孔上装有一个空纸盘,当扬声器纸盆振动的时候,箱内空气压力随之改变,空纸盘被驱动而产生振动。在音箱谐振频率上,空纸盆振动幅度最大。
这种音箱的低频损失比倒相式音箱小,因此其低频响应更好一些。但是在大功率使用时,空纸盆的大振幅振动会产生较大的非线性失真,而且稳定性也比较差。
1.3.4 迷宫式音箱
迷宫式音箱又成为曲径式音箱,它的特点是,扬声器背后的声音辐射通过折叠的管道敷设到空间去。当管道平均长度等于某一频率fT的波长的二分之一时,管口的声音辐射就和扬声器纸盆前面的声音辐射同相,使该频率的辐射声压加强。
迷宫式音箱的缺点是管道很长,音箱体积大,结构复杂笨重,成本较高。例如,若要低频扩展到35赫兹,则迷宫的管道长达4.86米!由于上述原因,这种音箱使用并不普遍。
1.3.5 号筒式音箱
这种音箱实际上是在扬声器纸盆前面装一个木制的号筒,必要时可采用折叠式号筒,以减小占用空间。号筒的形状由指数式、双曲线式和圆锥式等。
由号筒的原理可以知道,这种号筒要工作在较低的频率,就必须开口很大,并且蜿展指数m很小,所以号筒必然很长,由此造成的体积必然很大。而且由于号筒存在低频截止频率,因此这种音箱的低频响应不及倒相式音箱和封闭式音箱好。但是另外一方面号筒扬声器有着无可比拟的高效率,所以电影院等厅堂放声系统常常使用这种音箱。
如果在纸盆后面的箱体构成号筒,就可以产生类似倒相式音箱的作用,其低频响应还可以得到一定的改善。
1.3.6 其他形式的音箱
有限障板音箱,对称驱动型音箱,1/4波长谐振音箱,克尔顿音箱,平板式音箱…

2频率响应
频率响应也称为“频率失真特性”或者“频率特性”、“幅频特性”。它准确地描述了扬声器系统在不同频率时电声转换的效率,反映了设备重放声压的不均匀性。通常用“频率-声压曲线”来表达,这个曲线被称作频响曲线,它已经成为我们判断一个音响系统好坏的最重要的依据,但是扬声器系统的频响曲线需要在特定的房间和特定的设备上才能测得到。
2.1频响范围
频响范围指的是声压下降到一定水平的频率值。按照国内外通行的标准,频率响应的范围是以不低于平均声压的十个分贝为限。
在频响曲线上灵敏度最大的区域内取一个倍频程的范围求出平均声压级,在以该声压级为标准下降10dB划出一条水平线,它与频响曲线相交的两个端点分别为上限频率和下限频率,这两个频率之间的范围称其为有效频率范围。这一指标是判断扬声器系统性能优劣和确定使用范围的主要参数。
2.2超低音频
人类听音的频率范围是20Hz~20KHz,用听觉心理学的方法可以划分为若干个“倍频程”,其中20Hz~40Hz为超低音频(Sub-Woofer),40Hz~80Hz为重低音频,习惯上把20Hz~80Hz这一段称为超重低音。
2.3全频带
高保真声学领域把20Hz~20KHz称为音频的“全频带”。
电声学自诞生以来,从理论到实践都一直在探索声音的重放极限,其上限早已远远的超过了20KHz,而下限却很难达到20Hz,对于音箱这样的民用产品来说,频率响应的低端能达到30Hz的,当属极品,且目前在音响市场上还很难看得到。而真正做到“全频带”的产品可以说是凤毛麟角。
3信号噪声比
信号噪声比(S/N)指信号电平与信号通过音频设备后增加的各种噪声(例如交流哼声、咝咝声等)电平的对数差值,或信号幅度与噪声幅度之比,其值常用分贝(dB)表示。
4失真
可分为两个部分,一部分是扬声器箱系统的失真,另一个部分是放大器出现的失真
4.1 扬声器系统的失真。
4.1.1 谐波失真
在扬声器输出的声音里面,出现了输入信号所没有的频率成分,这种频率成分使得原来的声波发生变形,产生失真。由于这些频率成分和原来信号的频率呈倍数关系,所以称之为“谐波失真”。谐波失真主要是因为扬声器系统的非线性引起,通常集中在振动幅度比较大的低频区。
4.1.2 互调失真
同样是因为系统的非线性,在输入两个频率以上的信号时,会产生这些信号的频率上相加、减的新的频率成分,这就产生了互调失真。
当有互调失真产生时,声音听起来就显得比较浑浊,特别是在重放合唱(合奏)的时候比较显著。
4.1.3 频率失真
是一种线性失真,它所表达的是扬声器系统频率响应的不均匀度。
比较严重的频率失真反映在频响曲线上是大的凸起和塌陷,对于主观听觉会有比较大的影响:200~500Hz出现塌陷会感觉缺乏力度,出现凸起会使声音变得模糊;3kHz~5kHz如果有3dB以上的峰值,会觉得音质变硬,超过5dB则会感觉到有“金属声”。……
4.1.4 相位失真
对于二分频以上的音箱,由于振动面不在一个平面上,会出现相位的超前或者落后,好在人耳对相位差不是很敏感。但是有的厂家也采取了一些措施,比如将面板后倾,或者做成台阶,把高音单元向后移。
4.1.5 瞬态失真
扬声器的瞬态特性是指其对猝发信号的跟随能力,包括很快启动和立即停止的能力。瞬态失真大的音箱,听上去必然“拖泥带水”。
4.2 放大器的失真

5 立体声
立体声就是一种具有空间感(方位感和深度感)的声音。实际上,我们每时每刻听到的自然界中的各种声音,和在音乐厅里聆听的音乐都是自然立体声。
如果用一个优质的双声道放声设备播放音乐节目,虽然只有一对音箱分一左一右地放置在听众面前,却会使听众感到好像整个乐队摆在面前演奏一样,感觉不到音箱的存在。

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