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失真

(科技名詞)

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失真又稱“畸變, 指信號在傳輸過程中與原有信號或標準相比所發生的偏差。 在理想的放大器中,輸出波形除放大外,應與輸入波形完全相同,但實際上,不能做到輸出與輸入的波形完全一樣,這種現象叫失真。
中文名
失真
外文名
distortion

失真失真類型

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波形失真
[1]  非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變,表現為音響系統輸出信號與輸入信號不成線性關係,由電子元器特性:曲線的非線性所引起,使輸出信號中產生新的諧波成分,改變了原信號頻譜,包括諧波失真瞬態互調失真、 互調失真等,非線性失真不僅會破壞音質,還有可能由於過量的高頻諧波和直流分量燒燬音箱高音揚聲器和低音揚聲器。
按波形失真的不同情況,可分為幅度失真、頻率失真、相位失真三種。對幅度不同的信號放大量不同稱為幅度失真。對頻率不同的信號放大量不同稱為頻率失真。對頻率不同的信號,經放大後產生的時間延遲不同稱為相位失真(或時延失真)。
電失真和聲失真
失真是輸入信號與輸出信號在幅度比例關係、相位關係及波形形狀產生變化的現象。音頻功放的失真分為電失真和聲失真兩大類。電失真是由電路引起的,聲失真是由還音器件揚聲器引起的。電失真的類型有:諧波失真、互調失真、瞬態失真。聲失真主要是交流接口失真。
非線性失真和線性失真
晶體管有三個工作區:飽和區、截止區和線性區。按性質分,有非線性失真和線性失真。線性失真是指信號頻率分量間幅度和相位關係的變化,僅出現波形的幅度及相位失真,這種失真的特點是不產生新的頻率分量,包括幅度失真和交越失真。非線性失真是指信號波形發生了畸變,併產生了新的頻率分量的失真。對於基本放大電路,其輸入波形正好與輸出波形反相,就是相位相差180度,當輸入正弦波正的部分時,應該輸出負的部分,若輸入將至頂點時晶體管進入飽和區,則輸入的頂部會成為一條水平線段,則輸出圖形的下部也出現一條水平線段,就不再是正弦波了,這種失真叫做飽和失真。反之為截止失真。

失真聲音失真

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失真諧波失真

這種失真是由電路中的非線性元件引起的,信號通過這些元件後,產生了新的頻率分量(諧波),這些新的頻率分量對原信號形成干擾,這種失真的特點是輸入信號的波形與輸出信號波形形狀不一致,即波形發生了畸變。降低諧波失真的辦法主要有:1、施加適量的負反饋。2、選用特徵頻率高、噪聲係數小和線性好的放大器件。3、提高電源的功率儲備,改善電源的濾波性能。

失真互調失真

兩種或多種不同頻率的信號通過放大器或揚聲器後產生差拍與構成新的頻率分量,這種失真通常都是由電路中的有源器件(如晶體管、電子管)產生的。失真的大小與輸出功率有關,由於新產生的這些頻率分量與原信號沒有相似性,因此較少的互調失真也很容易被人耳覺察到。
減少互調失真的方法:1、採用電子分頻方式,限制放大電路或揚聲器的工作帶寬,從而減少差拍的產生。2、選用線性好的管子或電路結構。

失真瞬態失真

瞬態失真是現代聲學的一個重要指標,它反映了功放電路對瞬態躍變信號的保持跟蹤能力,故又稱瞬態反應。這種失真使音樂缺少層次或透明度,有兩種表現形式:
在輸入脈衝性瞬態信號時,因電路中的電容使輸出端不能立即得到應有的輸出電壓,而使負反饋電路不能得到及時的響應,放大器在這一瞬間處於開環狀態,使輸出瞬間過載而產生削波,這一削波失真稱為瞬態互調失真,這種失真在石機上表現較為嚴重。
瞬態互調失真是功放的一個動態指標,主要由功放內部的深度負反饋引起的。是影響石機音質、導致“晶體管聲”和“金屬聲”的罪魁禍首。降低這種失真的方法主要有:1、選擇好的器件和調整工作點,儘量提高放大器的開環增益和開環頻響。2、加強各放大級自身的負反饋,取消大環路負反饋。
B、轉換速率過低引起的失真。
以上所述,高電平的輸入脈衝使放大器產生削波而造成瞬態互調失真。那麼低電平的輸入脈衝是否會引起失真呢?這就看放大器的響應時間了,由於放大器的響應時間太長使放大器輸出信號的變化跟不上輸入信號的迅速變化而引起的瞬態失真,稱為轉換速率過低失真。它反映了放大器對信號的反應速度,這項失真小的放大器,其重放的音質解析力、層次感及定位感都很好。

失真接口失真

交流接口失真是由揚聲器的反電動勢(揚聲器發音振動時,切割磁力線所產生的電勢)反饋到電路而引起的。改善方法有:1、減少電路的輸出阻抗。2、選擇合適的揚聲器,使阻尼係數更趨合理。3、減少電源內阻。

失真電腦聲音失真處理

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電腦聲音失真原因有多種,常見的有以下這些:
★聲卡驅動程序不合適或者存在BUG,安裝最新的配套聲卡驅動程序即可解決問題。
系統內存在硬件衝突。使用“設備管理器”檢查,如果存在帶有歎號標記的設備,查看屬性,必要時修改設置或者重新安裝。
★聲卡和系統兼容性不好。如果安裝最新的驅動程序沒有效果,就只能更換聲卡了。
★音箱質量對音效的影響很大,提高音箱的檔次能顯著提供聲音的品質。
如果電腦出現聲音失真的故障,可通過如下途徑處理——
1、檢查是否安裝了最新的聲卡驅動程序。
2、揚聲器的品質可能有問題。品質較低的揚聲器在低音時往往比品質較高的揚聲器更容易失真。如果揚聲器的品質較低,只有經過硬件升級才能提高播放效果。
3、聲音失真可能是由於發送給揚聲器的音量太高,超出揚聲器的處理範圍,此時應設法降低發送給揚聲器的音量。
4、計算機上可能存在硬件設備衝突。檢查"設備管理器"選項卡中是否包含該設備並且沒有衝突。
[1]單擊“開始”,指向“設置”,再單擊“控制面板”,然後雙擊“系統”。
[2]在“設備管理器”選項卡上,檢查是否出現該設備以及該設備旁是否沒有帶感嘆號的黃圈。如果設備旁出現帶感嘆號的黃圈,則表明該設備可能與計算機中的其他設備使用相同設置。
如果發現帶感嘆號的黃圈:雙擊該設備,然後單擊“資源”選項卡。在“衝突的設備列表”中尋找資源衝突。如果存在資源衝突,請重新配置某個(些)設備,使其使用不同資源,以此消除衝突。具體操作方面的信息,請查閲設備文檔,或者與生產商聯繫。
5、檢查“使用單模式dma”設置是否正確。檢查“使用單模式dma”設置是否打開:
[1]單擊“開始”,指向“設置”,單擊“控制面板”,然後雙擊“系統”。
[2]在“設備管理器”選項卡上,雙擊“聲音、視頻和遊戲控制器”,然後雙擊聲卡。如果不知道聲卡名稱,請查閲聲卡文檔。
[3]單擊“屬性”,然後再單擊“設置”選項卡。
[4]單擊“高級設置”,然後再單擊選中“使用單模式dma”複選框。如果“設置”選項卡上不出現“高級設置”按鈕,則表明聲卡不支持此項功能。
[5]連續單擊“確定”,返回“控制面板”,然後關閉“控制面板”。

失真漫談失真

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對發燒友來説,失真的真正意義在哪?當一個訊號經過傳輸,或經過放大,理論上來説要保持和原訊號完完全全不變是不可能的,故此,從技術的角度看,人們總希望它的失真度越小越好。可是近年大部分資深發燒友都會同意,在聽感上來説,失真度這指標卻不能有效地反映器材的好聲程度。如方才説過,既然訊號經過傳輸或放大不能保持和原訊號完完全全一樣,其間一定出現一些變化,這變化是什麼呢?大體不外乎“加多”和“減少”。“減少”這概念較容易明白,就是原訊號在傳輸或放大過程中遺失了一些東西。
至於“加多”就有較複雜的內容了,簡單來説,就是在傳輸或放大過程中,衍生出一些既源於原訊號又有別於原訊號的東西。由於這些都是原來沒有的,故也只能是失真的部份內容。
在聽感上,這類衍生物有時竟會有神奇的作用,譬如説,一些新增的諧波,明顯起了像味精的作用,喜歡的人會覺得加了聲音更音樂化。又如話筒效應(microphonic)又提供了一些發燒友用作調音的一種有效手段。甚至乎相移(PhaseShift),這個一聽起來都不像好東西的,也可以巧妙地被利用來美化音色。在錄音過程中加進激勵效果使低音衝激力更大更結實,就是運用了相移這東西。於是有一派以最後聽音為取捨的,大叫失真無傷大雅,因為如果把失真換成“美化物”,或“味精”,相信人們對之的抗拒會大為減少,而另一派主要是工程師,卻大聲説:“數字勝於雄辯”(numbersdon'tlie)。

失真失真起源

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最早的失真來自於後級放大。一個完整的電吉他擴音系統包括:(電吉他——>;)前級功率放大——>;後級功率放大——>;喇叭。在60年代搖滾萌芽的時期,前後級都是電子管的。那時前級主要的作用只是把音色進行一定的修飾,基本上沒有失真。而後級隨着搖滾樂手不斷地要求音量(正比於正弦波的幅度的平方)加大,終於有一天,輸出正弦波應有的峯值超出了後級電路原先設計時允許的最大範圍,於是波峯/波谷被迫被削平,失真由此誕生!這種純粹因為音量過大而產生的後級失真常稱為自然失真。現代的幾乎所有純電子管音箱(如MarshallJCM800/900/2000、Mesa/BoogieRectifier)即使前級帶失真,也還是很大程度上用到後級失真的。所以它們都是音量開得越大,失真度就越大。
Booster與前級失真
除了加大後級音量外,顯然如果加大前級通進後級的信號音量,一樣會造成後級失真。RichieBlackmore和他的同輩們就開始想到把吉他先接進電子管錄音機的麥克風接口,再把其音頻輸出口接到吉他音箱上,從而可以利用錄音機的麥克風放大電路對吉他的音量作一個推動(boost)。這樣的設備就是現在被稱為VolumeBooster的原型。後來出現的不少單塊效果器,如IbanezTubeScreamer、ProcoRat、MXRMicroamp、DOD250都是Booster的代表作。所以它們如果用在普通的沒有電子管的音箱上,其自身的失真其實只是表現平平。只有把它們上面的失真度減小,音量加大,接到電子管箱上,才能真正顯出它們的魅力所在。
但Booster並不能改變失真的基本味道,而且對失真度的提高也不是非常巨大。人們很快就注意到,如果改變Booster電路里的部分參數,使得它的輸出信號也發生波峯波谷的失真,就很容易得到失真度大得多、而且與後級失真不同味道的效果。這就是前級失真。由此,金屬樂的出現才有了設備上的可能。但畢竟前級失真與後級失真的味道是不同的。而後級輸出是高達15-100W甚至更高的強信號,只能直接推喇叭,不附加笨重複雜的衰減設備的話是不能再作為輸入信號插到另一個音箱的前級上的。所以現在的所有單塊失真效果器和絕大多數機架式效果器(機架式音箱頭除外,因為它本質上就是前後級合併了的功放)都僅僅是前級失真,音色當然取代不了前後級都有失真的整套純電子管音箱系統了。
通常我們提到純電子管音箱,指的是前後級都用電子管做放大的音箱。現在有一些音箱,如MARSHALLVALVESTATE系列中65W以上的產品、MODEFOUR、LANEY的TF系列等,只是前級有電子管,後級一條管也沒有,所以它們也是僅僅有前級失真,與純電子管箱的音色還是有着很大差距。這是因為後級是純固態電路的音箱基本上都沒有後級失真。其根源是這些電路及其器件本來就是為了沒有失真的信號放大而設計的。一旦電路工作在有失真的狀態,往往就處在器件瀕臨燒壞的邊緣。而音箱所標的輸出功率,按照工業慣例指的是輸出信號無失真時音箱所能達到的最大功率。對於電子管音箱,通常設計成音量開到一半左右時後級開始失真。此後音量繼續開大的話,音箱還能工作。而且對於搖滾吉他手來説,這時候音色才開始好聽。但對於純固態電路音箱,顯然必須設計成音量開到頭都不會把自己燒掉。而不燒掉也就意味着後級無失真,所以純固態電路音箱在音量開到頭時才達到它所標示的功率。這下我們就不難明白,為什麼電子管音箱在音量開到中間時就基本上有同樣功率的純固態電路音箱音量開到頭時那麼響了。
電子管與固態電路失真
雖然失真簡單地説就是把正弦波的峯/谷削平,但由於具體電路總不是理想地按照簡化了的理論模型來工作,所以真實的波型削得總是不那麼地道。電子管由於裏面的工作必須靠電子在電極之間飛來飛去而實現,電子飛得再快,在那麼粗大的管子裏飛,也是要花時間的。所以電子管對輸入信號的反應總是比較緩慢,顯得有點延遲,而且變化也不會太劇烈。表現在波形上,就是在原正弦波與被削出的平台的銜接處,變化總是比較圓滑的。耳朵對此的反應就是音色柔和、温暖。而固態電路就會把波形切得很有稜角,所以聽起來動態更猛、音頭也更清晰,但聽久了就會覺得刺耳和單薄。
雖然目前世界上對音色的主流共識都是覺得電子管失真聽着舒服,但在真正的純電子管電路里,電子管需要工作在幾百伏的高電壓下。所以只有笨重的機架式前級(如ADA、Mesa/Boogie、Engl等的電子管前級)才能實現電子管失真,而用電池或9V變壓器驅動的單塊只能依賴固態電子器件(通常是二極管)來削波了。至於以Tech21為首的一些著名的音箱摸擬器(SansampGT-2,以及機架式的PSA-1等),則是以固態電路模擬電子管的信號響應曲線。因此它的音頭一定程度上還是能比傳統的固態電路失真柔和圓潤一點。但畢竟以現有技術,還遠不足以以假亂真。
近年來,又逐漸出現一種新的技術,就是用固態電路產生失真,但用在低壓下運行的電子管作補償。這種產品可以在9-15V的低電壓甚至是電池推動下運作,而且既有固態電路那麼大的失真度,又確實有一定程度的管味。從Rocktron早年的眾多有電子管的機架式前級到現在的SilverDragon單塊、Ibanez的TubeKing系列,Guyatone的Flip系列、Vox的Cooltron系列,都屬於這種類型。它還有一大好處,就是低壓運行下的電子管不會象真電子管失真裏的管那麼短命。高壓下的管能用一兩年就了不得了,而這些效果器裏的管甚至可以一輩子不換。而且就象純電子管音箱那樣要“煲”半個鐘頭左右音色才好一樣,這些效果器的聲也是越“煲”越好,不過它們“煲”的時間也象其壽命一樣,被放大到數以年計。基於這些優點,也有廠商推出了用前級電子管給固態後級電路作補償的產品,如ADA的MICROTUBE後級、VOX的VALVETRONIC系列音箱。當然,一個信號最終的質量,取決於電路中最弱的一環。只要失真還是由固態器件產生的,電子管再怎麼補還是不能全補回來。

失真數碼失真

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數碼技術的出現使得我們原則上可以把正弦波切成任意想要的形狀。但為什麼現在人們普遍還都覺得數碼失真模仿電子管失真的結果還不如普通固態模擬(這裏的“模擬”對應於英文ANALOG,是相對“數碼”而言,而沒有“模仿”的意思)電路失真呢?這時我們就要回顧一下本文開頭時提到的波的分解。由於任何週期性的信號都可以分解成一系列不同頻率的正弦波的疊加,所以上面的討論都為了便於説明問題,只討論單一頻率的正弦波的失真。但其實我們最終聽到的聲音,還只能是各種頻率的波合成到一起的總效果。對於電子管和固態模擬電路,這種分解與合成只是數學上的,沒有什麼實質性的後果。但數字電路有個永遠的極限,就是不能處理連續的東西。聲波本是連續的(因此稱為模擬信號),但數字電路必須先把它切成一片一片的,轉換成數字(這一過程就是常説的模-數轉換),進行運算後再反過來合成一整體(數-模轉換)播出來。顯然,每秒種內切的片數越多,就越接近原信號的真實連續分佈,這就是“採樣率”所描述的。但無論數碼技術如何發展,只要它是數碼的,採樣率就必然是一個有限的值。反映在波的分解上,就等效於只能保留輸入信號中某些特定頻率的分量,而不是任何頻率都有。這樣即使每一個分量的正弦波都是按照模擬電路或電子管電路削出來的形狀那樣削成平台,在最後疊加成輸出信號的時候,由於缺少了一些頻率的分量,合成的結果等效於在平台的開始和結尾處多出很多起伏迅速的“毛刺”。更何況在削波的時候,數字電路也只能機械地把波的幅度轉換為不連續分佈的數字進行處理。由此導致合成出來的“毛刺”就更嚴重了。因此聽在我們耳朵裏,久而久之自然而然就會有扎扎乎乎、令人煩躁的感覺。
不過值得慶幸的是,一種失真音色聽起來到底舒服不舒服,主要還是取決於產生失真的器件是什麼,而有無經過數字電路其它處理則不是太重要。因此雖説數碼的延時或其它周邊效果並不是完全對音色無負面影響,但只要失真不是數碼的,一般聽起來也不會太難受。所以目前一套專業的吉他擴音系統,通常前後級都選用純管的,加上電子管的混響,效果迴路兩端最好也有電子管補償。至於迴路中間的延時和其它稀奇古怪的效果是不是數碼的,就大可開一隻耳朵閉一隻耳朵了。
參考資料