Gary課堂｜動聽音樂從哪來？從CD到聲波（聲波篇）

【聲波篇】

當數字音頻信號被DAC解碼出模擬電信號之後，放大器需要將模擬信號放大以驅動耳機或音箱。運算放大器可以把模擬電信號做各種運算，音頻方面通常做進行信號放大、濾波等運算。運算放大器的內部是由各種各樣的二極體三極體等晶體管協調工作，一般而言，雙極型晶體管擁有精準以及低雜訊的特性，NE5532就是這樣的傳奇。而JFET（場效應晶體管）擁有高速特性，可以提供更好的性能，從而帶來更優秀的高頻性能以及更清晰的音質體驗。來自Analog Devices公司的OP275運算放大器則是這樣的混合體。

一般來說，一枚運算放大器晶元的功率足以驅動耳機，而音箱取決於揚聲器單元的不同，通常需要20W以上的功率放大器進行驅動。通常音箱放大器可以分為大功率的晶體管功率放大器（石機）、電子管功率放大器（膽機）、數字功率放大器。一般意義上，石機是把大功率晶體管搭配組合起來的驅動器，你可以想像為一台大功率的運算放大器。膽機則是通過電子管對電信號進行放大。膽機不存在瞬態互調失真（頂級的晶體管功放也不存在瞬態互調失真），所以一般膽機擁有比石機更唯美的音色，缺點則是諧波較多，信噪比較差，聽流行歌曲會稍顯混亂。數字功率放大器則是一個大功率的Delta-Sigma DAC，數字功率放大器是效率最高，參數最好最理想的放大器類型，但是因為大功率Delta-Sigma DAC的PWM（PDM）調製速度太慢，所以一直有聲音不夠清晰的詬病。

當放大器的輸出級晶體管（或電子管）負責所有的電信號稱之為A類（甲類）或單端功率放大器，這類放大器效率較低。當一半輸出級晶體管負責正半周信號，另一半輸出級晶體管負責負半周信號時，這類放大器稱之為B類（乙類）或推挽功率放大器，推挽（一個人推，一個人拉），這類功率放大器的輸出功率比甲類大，效率也比甲類好一倍，但信號經過0點時容易存在交越失真。AB類（甲乙類）放大器本質也是B類放大器，但輸出級晶體管在某個正半周信號與負半周信號交界的地方存在一個偏置區，這樣就可以避免交越失真，但甲乙類放大器設計難度較大，需要考慮電壓偏置與電阻偏置等。

Class A放大器和 Class B放大器

Class AB放大器

當電信號被放大後，揚聲器（音箱發聲單元）是把電信號轉化為聲波信號的關鍵單元，揚聲器把電信號轉化為機械信號，線圈推動振膜在空氣中震動後，將聲波傳遞至人耳中。而耳機可以被看作為一個迷你小音箱。

下面的動圖是一個典型的揚聲器震動過程，電壓在正負之間不斷變化，使得線圈在永磁體之間反覆推拉振膜。每個揚聲器都有固定的阻抗與感抗，是因為線圈的存在，根據歐姆定律 R(X) = U/I，所以感抗一定的前提下，電流與電壓呈正比，根據安培力定律，F=ILBsinα線圈在永磁體之間做往複運動，這樣音頻信息就可以完整的被揚聲器表達。

有意思的是，感抗 = j2πfL，因為感抗的大小根據頻率f的不同而不同，這樣就容易造成揚聲器的頻響曲線不平坦，設計師需要在後期通過分頻器或音箱的箱體設計手段等將頻響曲線拉直（http://en.goldenears.net/有許多耳機的測試參數）。由於揚聲器或耳機單元內固有磁鐵磁通量B以及振膜阻力的存在，根據安培力定律，在低頻的時候勢必對電流產生一定的影響，從而反應在阻抗。如下圖，HD800或揚聲器單元的阻抗隨著頻率的變化而不斷變化，通常意義上我們把圖中第一個高峰稱為共振頻率。根據歐姆定律U=IR，線圈兩端施加的電壓不變的前提下，感抗或阻抗越大，電流越小，線圈的力度就越小，也就越難推。

Sennheiser HD800阻抗

音箱揚聲器單元阻抗

在公布揚聲器或耳機阻抗的情況下通常取1khz頻率下的阻抗大小為NominalImpedance。因為阻抗、頻率、電信號、振膜都不是確定的，那麼這就要求設計者精心設計振膜材料、箱體等。一般音響可分為導向式音箱，封閉式音箱，開放式音箱等。導向式音箱內有一個導向孔可以加強音箱的低頻，但實際的聆聽效果也由房間的空間大小、室內裝修材料等決定。所以如果你想聽到一個完美的音質就必須綜合考慮所有因素。

七十年代早期，澳大利亞悉尼大學電氣工程學院的A.N.Thiele 和Richard H. Small向AES（Audio EngineeringSociety音頻工程師協會）提交了Thiele-Small Parameters（泰勒斯馬爾參數）為迄今為止對於揚聲器單元的最完善解釋。它定義了以下參數用來表達揚聲器單元與箱體之間的關係。

FS：揚聲器的自由空氣共振頻率，通常設計音箱需要防止箱子與揚聲器產生共振。所以一般越結實的箱體越好。

RE：揚聲器本質為線圈，此參數為揚聲器的直流電阻，或者稱為「DCR」。

LE：揚聲器本質為線圈，此參數為揚聲器作為線圈時的感抗，通常感抗最高值出現在FS（共振頻率）中。

Q值：QMS、QES、QTS值與揚聲器在共振頻率時的懸架測量有關，懸架（suspension見動圖）需要防止任何揚聲器單元的橫向移動從而防止線圈與磁鐵接觸（會破壞揚聲器），像是一個減震器。QMS的測量來自於揚聲器的機械懸架系統（surround與spider），QES的測量來自於揚聲器的電懸架系統（線圈與磁鐵）機械懸架與電懸架吸收來自揚聲器震動的衝擊。QTS為揚聲器的總Q值，值的計算來自於QES與QMS。不同的QTS值的揚聲器單元需要設計成為不同的箱體，是最為關鍵的揚聲器參數。一般情況下，QTS在0.4以下適用於含有導向孔式的音箱，QTS在0.4與0.7之間適用於密封式音箱，0.7以上適用於自由空氣音箱。

此外還有VAS、CMS值，VD值，BL值，MMS值，EBP值，XMAX、XLIM值，SD值等都與音箱設計有關。

可用頻響範圍：揚聲器的最佳工作頻率範圍（你可以聽到的喇叭的最高頻率和最低頻率都在這個區間）

控制功率：通常避免揚聲器接收太大的功放功率而被摧毀。

靈敏度：通常靈敏度越高的揚聲器音量越大，越容易被推動。

更多參數細節查看https://www.eminence.com/support/understanding-loudspeaker-data/

此外，降噪耳機則是耳機內置了一個錄音設備並同時向耳機發出與外界噪音反向的聲波以抵消外界噪音，它需要電池工作。動鐵耳機工作原理與動圈不同，當一個通電螺線管（線圈）中插入鐵芯，鐵芯本身也變成了一個磁體，而鐵芯外部包裹著磁鐵，線圈電壓的不斷改變也使得鐵芯與磁鐵之間的位置不斷變化從而使鐵芯震動，鐵芯粘粘著薄膜，從而帶動薄膜震動發聲。動鐵的單元體積非常小，而每個單元的可用頻響範圍非常窄，所以通常情況下需要搭配多個動鐵單元以及分頻器以完成動鐵耳機的全頻率範圍的工作。下圖為Knowles樓氏動鐵單元圖。

平板耳機則是中間帶有通電的線圈的薄膜被夾在均勻分布的磁鐵的磁場中間而震動，通常擁有較快的響應時間以及精度。

靜電耳機則是非常纖薄的振膜兩端施加高壓電極板工作，可以提供極致的聲音響應，價格昂貴。

除此之外，音箱發出的低音對於聽者帶來身體上的震動是耳機無法做到的。耳機對於耳朵近距離表達所帶來的細節是音箱做不到的。

文章最後無責任推薦筆者自用的一套PC-HiFi音源，解碼器的使用是來自Schiit公司的BifrostMultibit，它除了不含平衡輸出以外，完美繼承了高端產品的時鐘技術以及bitperfect closed-form濾波技術，這種濾波演算法完美保留了音頻的原始信息，換句人說的話說就是濾波器對於接收到的數字音頻信息僅做添加而不做刪除操作。

筆者自己給它搭載了一台刷了固件的Titans Athena，也就是CM6631A晶元，通過同軸餵給Bifrost吃，為什麼這麼做呢？稍後解釋。（6631A機器的品牌沒有限制）

按照下圖方法，我們勾選Raw Data，僅選擇24Btis，和48k/44kSupport生成一個我們自定義的固件，再通過FWUpdate把固件刷入CM6631A。

成功刷入後，再在Windows格式中選擇24位44100Hz（如果使用央視電視盒子等軟體還需要設置為48000Hz，否則會造成視頻跳幀）。

這樣做的原因是通過Windows系統的強制24bit輸出，如此以來可以稍微「欺騙」解碼器當中的數字濾波器，帶來更接近NOS-DAC或接近黑膠的聽感。

工具鏈接：https://pan.baidu.com/s/1gcv1BJLfEARuckibgRES4g

提取碼：do0u

往期回顧

到這裡， CD到聲波的全部內容已經完結，祝所有HiFi燒友新年再添新玩具，諸事大吉！感興趣的朋友不妨收藏、點贊、轉發、關注極客灣，如果有機會的話，我會請專業的錄音室朋友幫大家解讀《從麥克風到CD》，包含一些專業的錄音學問，從麥克風的選擇、保養、場景布置、常用的錄音手段、錄音儀器、以及錄音師與發燒友在「音質」方面不同的理解。謝謝大家！

▼

戳圖片傳送至往期精彩

喜歡我們的推送別忘了點一個頂

向親朋好友推薦一下我們的文章

或者讚賞一下

我們下期再見啦！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！