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失真，英文名是DISTORTION，本意是扭曲、變形的意思，用到了電子學上就變成了“失真”。失真這個名詞如何而來無法考究，但是不可否認的是，這個名詞在影響器材的音質評價中被使用的頻率最多。說一個器材質量好的時候，往往會說“失真小”，質量不好就說“失真大”。曾幾何時，失真仿佛變成了衡量器材品質的最高標準，似乎這個指標越好，器材的品質就越高。那么，實際情況是否如此呢？讓我從頭說起吧。 失真是什么 我們知道，由于現代電子技術的不完善，任何一個電子信號在傳輸、放大、轉換的過程中都會發生一定的變化，這種變化就是失真。失真的本質是能量在傳遞、轉化過程中的不唯一性。這聽起來似乎很難理解，實際上卻是非常粗淺的道理。比如說，我們用木材燒火取暖的時候（現在這種做法不環保了），木材中積聚的化學能在高溫的作用下會轉化為熱能向周圍輻射，同時還會轉化成光能（火光，發光），其它形式的化學能（一氧化碳、二氧化碳等），并且還會有部分的化學能不能被充分利用，以灰燼的形式（碳）遺留下來。在木材的燃燒中，我們目前的技術無法使得木材的燃燒只產生熱能或者光能，最多只能采用某些手段減少一些化學能的轉化（例如盡量充分燃燒，減少一氧化碳和灰燼的數量）。于是，木柴中的化學能在轉化的過程中就產生了“失真”，也就是說它們并沒有按照我們的意愿完全轉化成我們需要的能量形式（光或者熱），有一部分能量“損失”了。 失真實際上就是這樣一種“損失”的現象。電能在導體中傳輸，在某些元器件中被我們控制時，在轉化成聲能時，都會或多或少產生損失，根據能量守恒定律，這些能量的損失實際上并非是能量的真正“消失”，而是轉化成了其它形式的能量。這是廣義上“失真”。 還有另一種狹義上的失真，就是，既然我們無法控制能量不按照我們的意愿轉化成我們需要的方式，能不能使這種損耗的“比例”保持不變呢？如果能做到這點，我們仍然可以認為“沒有失真”，只要損失的那部分能量的比例是固定的，我們就可以當它“不存在”了。可惜的是，這也是不可能的，我們同樣也不能完全控制這個比例。但是，我們可以有辦法接近這個目標。此時，失真的含義稍微起了一點變化，由不損失能量變成了“損失能量的比例不變”，這就是狹義上的失真，狹義上的失真比廣義上的失真更容易被人接受和理解，也具有實際的實踐指導意義。 上面的失真概念，是從物理學上的角度來看的，聽起來很抽象。從電子學上來看，就變得非常直接了當了。在電子學上，我們是這么理解“失真”的：當一個信號經過一個電子系統后，疊加在原信號中，所有與原信號無關的、由電子系統產生的新成分都是失真。從這個觀點上說，放大本身也是一種“失真”，因為它改變了信號的幅度。但是顯然這只是一個文字游戲而已，單純的信號幅度放大正是我們所需要的能量轉換方式，我們從來就不會把它當作失真來看待。于是我們又要引入一個概念，那就是“形狀相似”，只要輸入信號和設備的輸出信號“形狀相同”，就可以被認為“沒有失真”。 這里要稍微解釋一下“形狀”，我們知道，所有的電子信號是沒有“形狀”的，我們不可能通過肉眼去直接觀察每個電子信號“長的是什么樣子”，我們只能借助電子儀器去把信號的特性通過可以觀察的形式表現出來，這樣的電子儀器就叫做“示波器”，它的工作原理是根據信號在某一個時間的大小，在電子顯示屏描繪出一個“點”，并且按照時間順序不斷將這些點描繪成一個曲線，以表示信號的大小隨時間變化的規律，于是我們就“看”到了信號的“形狀”。同樣，還有很多電子儀器可以幫助我們了解信號的特征，例如電壓電流表、功率表等等。 失真的時域和頻域分析 教科書上對這方面的論述實在時非常詳盡了，我就不當抄書匠了。我只簡要說一下結果就是了： 任何交流信號都具有三個基本特征：幅度、頻率和相位。幅度是信號的強度，頻率是信號重復的規律，相位是信號發生的時間，一個信號，不管它又多么復雜，都可以用這3個基本特征表示出來。正弦波是一種比較“完美”的波形（有關正弦波的特點可以看看中學物理教材，很清楚），任何一個復雜的波形都可以分解成很多不同頻率、不同幅度的正弦波，這個波形可以被看成是這些同時出現的正弦波疊加的結果。例如方波，我們可以用一個公式來表達出來：S=S1 S2 S3…… Sn，（畫公式很麻煩，這里就從簡了，見諒），其中S代表一個方波，S1～Sn代表頻率等于這個方波的n倍（n=1~無窮）的正弦波信號，需要注意的是S1到Sn這些信號實際上并不存在，并且幅度也是按照一定的規律下降的，通常當n大于4的時候，這些信號在方波中所占比例已經是微乎其微了，幾乎可以不予考慮。 同樣，失真也可以如此表示，被放大的信號可以表示為:A=X（A a2 a3 a4…… an），其中的X表示放大倍數，a2~an表示失真。a2、a3……分別被稱為二次諧波失真、三次諧波失真……。于是，我們又有了一個新概念：諧波失真。 諧波失真 正如上面所講，所有的失真都可以通過時域頻域分析分解為一連串的正弦波信號的疊加。這些正弦波信號有個共同的特點，就是它們的頻率和原有信號的頻率呈倍數關系，也就是說，它們和原信號有很緊密的依賴關系，如果信號消失了，它們也就不存在了。在物理學上，我們把頻率呈倍數關系的不同振動稱為彼此的“諧波”，這和電子學上的電子信號不謀而合，所以，這一類“波”的現象，都被稱為“諧波”。諧波失真實際上是通過數學或者統計學推導出來的概念，由于其計算方法必須依賴于原始信號，它實際上并不會單獨存在。 諧波（注意，不是諧波失真）是自然界中非常普遍的現象，音樂中每個8度的音符的頻率正好是2倍諧波關系。我們知道，相差8度的兩個音符疊加在一起的時候會使得聲音很好聽，感覺上很和諧（所以才有了“諧波”這個詞）。由于人耳的這個特點，我們實際上對某些諧波失真并不覺得討厭，而對另一些則非常討厭。這個我們下面再說。 失真的測量方法、標準和計量單位 總諧波失真THD（TOTAL HARMONIC DISTORTION） 如果說諧波失真還可以歸為物理概念或電子學概念的話，總諧波失真則完全是電子設備制造行業范疇里的概念了。首先我們要明確一點，總諧波失真是一個人為規定的測量標準的產物，它和我們所說的諧波失真并不是完全相同的概念，盡管前者在很大程度上依賴于后者。為什么要這么說呢？那是因為總諧波失真的測量有著非常具體的規定和標準，它和設備的一些其它特性有密切關系，例如輸出功率?？傊C波失真是指在放大器的標稱功率下設備說產生的失真的總和，也就是說，只有在限定了放大器的工作狀況后，才可以談總諧波失真的大小。我們知道，放大器在不同的輸出功率下的諧波失真是不同的，如果沒有一個測定的標準，或者說一個基準點，不同設備采用的測量條件不同，那么這個指標也就失去了參考價值。所以，有關權威機構（IEC）就制訂了這么一個特性指標，并明確了一個測試標準，大家都通過這個方法來測試自己的放大器，于是我們就可以通過這個參數來判別不同放大器的品質差異了。 THD N 我們先來看看一個測試失真基本原理圖。 從圖中我們可以看到，最后出來的顯示在電平表上的數據，實際上是所有不存在于原信號中的東西，除了諧波諧波失真外，還有噪聲以及測試電路本身的失真。噪聲，從根本上來說也是一種失真，只是和原信號無關罷了，但是顯然也對設備的質量有一定的影響。并且從圖中可以看出來，要從測量結果中把噪聲因素除去還要經過二次測量和計算，并且似乎這種結果對于最終消費者來說沒有太大的意義。于是，廠家們就“偷了個懶”，干脆就連失真帶噪聲一起算了。至于測量系統的因素，只要事先標定的時候記錄下來，在最終結果中扣除就可以了。當然，我們希望測量儀器對結果的影響越少越好，所以才有了那么多昂貴的測試系統出現。這里的N就是NOISE，噪聲。 失真的計量單位有2種，一種以百分比表示沒有單位，另一種以電平表示，單位是分貝。這兩種表示方法的內容稍有不同，前者用來表示THD，后者通常用來表示THD N。從目前的趨勢來看，使用后者作為計量單位的器材設備越來越多，這說明大多數生產廠家逐漸從關心單一指標轉向將指標綜合考慮。 失真的種類 失真只有一種，并且都可以分解成諧波失真的形式。但是實際上，只用諧波失真對于主觀聽感的影響來解釋是遠遠不夠的。這并不是說諧波失真本身對聽感沒有多少影響，根本在于測量諧波失真的方法不足以說明器材的優劣，尤其是在一些高端器材上，傳統的諧波失真測量方法已經沒有多少意義了，因為諧波失真對于聽感的影響，不僅僅和量有關，還和其出現的形式有關。 我們有這樣的體會，某些放大器在測量時表現非常好，但是在聆聽的時候音質表現還不如差一些的放大器。這種現象曾經困惑了很多工程師、設計員，他們不明白，為什么一個失真率只有萬分之幾的放大器，實際聽感還不如一個失真率達千分之5的放大器。于是，經過更深入的了解，發現原來是傳統的測試方法以及計算方式有很大的缺陷，它們不符合人耳的一些聽覺特性。 于是專家們又引入了新的概念：瞬態失真(TID，transient distortion)、 瞬態互調失真(TIMD，transient intermodulation distortion)和互調失真(IMD，intermodulation distortion)。 傳統的THD測量方法，通常是給放大器一個頻率單一的標準正弦波信號，這個信號通常是0.775Vrms@1KHz，講究一點的還會采用更多的頻率，比如100Hz、10KHz等等。但是這種方法的最大弊端是，我們實際聆聽的聲音遠遠比這種測試信號要復雜得多。當這些復雜信號同時進入到放大器的時候，放大器實際上并不能按照人們說愿望的那樣“產生失真”，而是像化學反應一樣產生很多復雜的現象。 由于放大器的“非線性”放大，會引入一種輸入信號的和及差的失真。例如，在給放大器輸入頻率為1kHz和5kHz的混合信號后，便會產生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互調失真成份。這叫做互調失真。 瞬態失真是放大器由于采用了負反饋技術后，當負反饋深度過深，信號傳輸的時間差過大，在出現某些特殊的輸入信號時，系統的諧波失真會驟然增大10幾倍甚至更高，這種失真不容易被儀器測量出來，但是由于人耳的特殊靈敏性（類似于視覺暫留效應），使得這種失真在人腦中被“放大”，從而極大地影響了聽感。 瞬態互調失真則是上面兩種失真互相作用的結果。 線性失真和非線性失真 由于篇幅有限，我們這里只提到了通常意義上的失真THD/IMD/TIMD等等這些失真由于改變的原有信號的“形狀”，因而被稱為“非線性失真”，而在放大器中還有另一類失真，即相對的線性失真，線性失真只改變信號的幅度和出現的時間而不改變信號的形狀，即所謂的相位失真和頻率失真。有關這一部分我會在后面的文章中敘述。 非線性失真對音質的影響 非線性失真對于主觀音質的評價往往是具有決定性的。當我們聽到一套系統，感覺聲音冷硬、粗糙的時候，就是非線性失真在作怪。但是，我們需要注意的是，不同的非線性失真對于聽感的影響不盡相同，實際上，某些失真反倒有助于改善聽感。通常來說，電子管的聲音比晶體管好聽，這是被普遍認識的現象。但是實際上電子管放大器的失真水平往往比晶體管要大得多，這是由于電子管的特性使得諧波失真的成分主要是偶次諧波失真，而偶次諧波正是樂理中的“泛音”，豐富的偶次諧波彌補了由于錄音缺陷導致的泛音的不足，甚至可以改變樂器本身音色上的缺陷。當然，這種彌補是需要有一定限制的，過多的泛音會導致聲音的模糊，影響聲音的清晰度。 一般的諧波失真也不是我們想像的那么可怕，有實驗表明，一般人只能對超過3％以上的諧波失真產生惡感，即使是經過特殊訓練的專家，最多也只能感受到千分之5以上的諧波失真。 而真正影響聽感的失真卻是難以測量的瞬態失真和互調失真。這種失真雖然在總失真總所占比例非常微小，但是產生的影響卻要大得多。有證據表明，萬分之5的瞬態失真，其對音質的影響相當于1％～2％的諧波失真，并且當音樂信號中的快速變化比較多時，這種影響還要更大。瞬態失真會嚴重影響音樂的清晰度和細節，瞬態失真嚴重的系統聲場定位、樂器成像以及質感表現都非常糟糕。互調失真也是非常令人討厭，它產生的失真信號毫無規律可言，同樣會影響到聲音還原的質感和清晰度。 失真產生的原因以及解決方法 對于消費者而言，失真基本無法解決，除了更換器材別無它法。 而對于設計者來說，則應該在電路設計上多下功夫，并且應該選擇優質的元器件來保證電路的性能。對于放大器來說，通常有幾個辦法可以降低對音質影響最大的瞬態失真和互調失真： 采用優質的有源器件，使得放大器的設計條件和實際情況相符； 采用一定的負反饋手段，有效減少THD； 在電路設計上下功夫，努力改善放大器的開環性能，保證負反饋的工作條件； 適當減少負反饋深度，甚至不采用大環路負反饋，杜絕瞬態失真的出現條件； 優質的有源器件能大幅度減少互調失真； 其它…………（很多很多，不說也罷） |
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