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    音頻失真是怎么回事?了解非線性失真

    2022-04-13 12:35:07 來源:EETOP

    我們花了很多時間思考和談論音頻中的失真,甚至有時會聽到它,但它到底是什么,為什么它很重要? 

    音頻中的失真通常有兩種類型的失真: 

    • 頻率失真——由帶寬不足和帶寬限制之間的非平坦頻率響應引起

    • 非線性失真——由硬件中的非線性引起。

    這篇文章是關于非線性失真的,因為如今頻率失真在現代設備中很少成為問題。非線性失真常常被錯誤地稱為 "非線性失真"。然而,失真不是非線性的,是硬件設備的非線性

    正弦波——音頻信號的組成部分

    這里從只有一個頻率正弦波信號(圖 1)講起。在音頻頻率上,該正弦波被聽到為單音。

     

    圖片

    圖 1 正弦波信號

     正弦波是由多種形式的自然振動或振蕩產生的??紤]時鐘的擺輪,它有一個水平軸。如果我們在車輪的邊緣做一個標記,從側面看,標記的高度在軸的上方(和下方)劃出了一個時間上的正正波。 

    非線性造成音頻失真

    現在,無論輸入波形是什么,它都可以被認為是許多正弦波的總和,輸出波形也可以。盡管如此,由于波形不同,輸出波形包括輸入波形中沒有的正弦波成分,造成了信號是失真。

    對于輸入信號的每個正弦波分量(稱為基波),非線性產生的信號是該分量頻率的倍數,稱為諧波。雙頻稱為二次諧波或二階諧波。三倍頻稱為三次諧波。這些新信號是諧波失真分量。

    圖 2 顯示了來自一個非常糟糕的電路的輸入和輸出信號,該電路產生 20%幅度的二次諧波和 10% 的三次諧波。將二次和三次諧波信號添加到輸出會使信號失真,使其不再是純正弦波。選擇這些高失真數字是為了清楚地顯示效果。  

    圖片

    圖 2. 非線性失真示例。純正弦輸入信號為棕色,失真輸出信號為黑色。 

    二次諧波總是導致正半周與負半周的形狀不同。在本例中,三次諧波影響信號的峰值。那是因為我選擇了三次諧波相對于基波相位角的相位角來做到這一點。不同的相位角會導致不同的形狀變化。 

    樂器中的諧波示例

    幾乎所有樂器(和人聲)產生的聲音都包含許多諧波。例如,正弦波由陶笛產生,這是一種類似于口琴的小型手持管樂器,顧名思義,它會在每個音符中產生大量諧波。 

    添加更多諧波會改變音符的音調或音色。除非添加量很大,否則任何人通常都很難察覺差異,除非他們能夠區分 Stradivarius 的聲音和 Guarneri 的聲音。 

    圖 3 顯示了小提琴的“諧波頻譜”。頻譜通常是功率或電壓與頻率的關系圖。  

    圖片

    圖 3. 小提琴的頻譜顯示為諧波倍數

     制作一把好小提琴的藝術是選擇木材、它們的處理方法和它們的形狀,以產生最理想的諧波振幅組合?!白钕胍摹笨赡苁恰叭岷偷摹被颉傲钊伺d奮的”,這取決于音樂類型或個人喜好。 

    但是,如果添加的額外諧波很重要,則會聽到新的效果。非線性產生的諧波恰好是原始頻率的兩倍、三倍等。大多數樂器產生的諧波實際上應該被稱為“部分”,因為它們不是當前最低頻率(基頻)的精確倍數。

    對于某些樂器來說,這些分音與基音一樣響亮,甚至更響亮。例如,長笛產生幾乎相等的基波和二次諧波。 

    部分諧波和最接近的諧波創建了一個新的頻率分量,該頻率分量出現在部分頻率和諧波頻率之間的差異處。這個屬性總是比兩者都低得多的頻率,一種使聲音變得粗糙而不是平滑的咆哮。 

    還產生了一個新頻率的分量,該頻率是部分頻率和諧波頻率的總和。這個新頻率不會對組合聲音產生太大影響,但它的頻率要高得多,并且可能與該較高頻率范圍內的其他信號分量發生沖突。

    值得慶幸的是,除非非線性非常嚴重,否則新頻率分量對差頻和和頻的影響是最小的。

    不幸的是,這還不是全部。非線性還導致這些和頻和差頻的信號出現在輸入信號中兩個分量的每種組合中。這些新頻率被稱為“互調失真分量”。  

    互調失真

    這些分量要嚴重得多,許多新頻率的影響通常是可以聽到的,即使非線性相當輕微。那么為什么我們主要討論和測量諧波而不是互調分量呢?

    有兩個原因。首先,過去測量諧波比較容易,但對于現代數字儀器來說,這不是一個問題。其次,我們用最簡單的輸入信號--正弦波來測量諧波。

    為了測量互調,我們必須至少輸入兩個信號,它們都可以是正弦波,但是我們應該使用什么頻率,它們的幅度(電壓)應該相等還是不同? 

    直到 1970 年代,人們對此有很多困惑,人們做出了不同的選擇,因此他們的結果沒有可比性。世界音頻界的大多數成員隨后達成了一項國際協議,代表國際電工委員會的一個技術委員會。該委員會規定了兩種互調失真:差頻失真(以前稱為 CCIR 失真)和調制失真(SMPTE失真)。 

    正如所暗示的那樣,差頻失真(參見圖 4)測量由兩個相同的高頻信號(例如 19kHz 和 20 kHz)產生的 1kHz 差頻信號的相對幅度。這是一個更重要的評估,因為它是高頻線性度的度量,此時負反饋的失真減少效果往往較小。在圖 4 中,19 kHz 和 20kHz 的輸入信號會產生兩個失真信號:

    1.   1 kHz 的差分信號 (20 - 19 = 1)
    2.   39 kHz (20 + 19 = 39) 的和信號 

     

    圖片

    圖 4 差頻失真

    調制失真使用低頻信號和更低電壓的更高頻率信號,通常是其他信號的四分之一。例如,信號可能是 80 Hz 和 5kHz。如圖 5 所示,非線性再次產生了兩個新的輸出失真信號分量:

    1.  4920 Hz 處的差分信號 (5000 - 80 = 4920)
    2.  5080 Hz 的和信號 (5000 + 80 = 5080)  

    圖片

    圖 5.調制失真

    也可以測量由輸入信號分量的諧波產生的其他互調分量。例如,如果我們有兩個輸入頻率 f1  f2,則在 2f1 ± f2  2f2 ± f1 處存在互調分量,以及我們已經看到的 f1 –f2  f1 + f2。但是這些并沒有告訴我們更多關于被測量設備的性能。

    我們應該得出的結論是,我們應該消除所有非線性源,以免損壞再現的聲音。然而,我們必須在放大器中使用的器件,即晶體管(,本質上是非線性的,因此我們必須使用精心挑選的設計技術來盡可能減少非線性。 

    這常常引發一個問題,“多少才夠?” 發燒友經常就人類聽覺的靈敏度和我們實際聽到的失真程度爭論這個問題。但是,對于這篇文章來說,這個話題太大了。

    原文:

    https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/what-is-it-about-audio-distortion/ 


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