音響與音樂 無關玄學 之 變壓器總諧波失真
左增軍 / 2024-02-29
接上期 本期接著聊音頻變壓器，這里主要談一下變壓器的總諧波失真（THD Total Harmonic Distortion）：我們都知道，總諧波失真包含奇次（1，3，5等）和偶次（2，4，6等）諧波失真，頻率越高能量越小甚至可以忽略，所以主要有影響的還是低頻次諧波失真。我們都知道偶次諧波會對聲音的重現有好處（比如單端功放偶次諧波占主要）。那么輸出變壓器也有諧波失真嗎？回答是肯定的。輸出變壓器的失真指標很少有關注，但實際測試會發現，市場上的變壓器相差很多，良莠不齊，包括各種進口牛。我先來談一下變壓器的失真是怎么來的：
輸出變壓器總諧波失真，主要來自鐵芯中工作磁通密度（在最低工作頻率下）的函數。這個原因引起的失真隨著頻率的增加而迅速下降，合理降低磁通密度可減少失真，這是鐵芯材料的特性所決定（相比之下，鐵芯的初始導磁率越高，非線性失真越大，比如坡莫合金、非晶鐵等）。從磁滯（hysteresis）回線可以看到，低電平下失真很高，當出現磁飽和現象時，高電平下失真更高。低頻的影響總是最大，主要導致三次諧波失真。當變壓器上施加更響亮的信號時，鐵芯會飽和并發生削波，或波形被壓縮。這種失真產生的低頻諧波比高頻諧波多，并不像晶體管IC功放那樣的硬削波出現難聽的高頻諧波，但動態范圍受到壓縮，聽起來平平的，缺少現場感那種活靈活現的縱深感。
我們知道，變壓器處于最佳負載阻抗的時候，失真是最小的。然而，變壓器的電感量、分布電容、漏感等參數，會導致偏離設計阻抗，出現復雜的波形失真。關于如何設計變壓器繞制工藝，以獲得盡可能小的失真，先看一下單端變壓器，我這里貼幾張圖片~懂得人大概知道如何操作，不懂得，可能需要一定專業的“科普”。
再來看一下推挽變壓器的情況：
我們可以看到，無論單端或是推挽變壓器（包括推動變壓器乃至輸入變壓器等），通過合理的設計變壓器的B、D值，可以獲得最小的失真指標。變壓器的失真指標是需要配合在路測試，而非獨立測試，從阻抗匹配到信號擺幅或者動態范圍等，所以這個失真指標只有應用到電路上才有意義，變壓器不會單獨提及。有人會說，膽機聽得就是失真，尤其是偶次諧波失真，沒必要追求什么最小失真，且3-5%的失真沒幾個人能聽得出來。我覺得這話有道理也不全對，凡是失真都會帶有“自我”的標簽。輸出變壓器作為一個音響元件，我認為最好低失真，以便匹配更多的膽機整體設計風格。音響是個很人性化的東西，每個人的喜好不同，不能強加自己的意識給其他發燒友。這僅僅是自己的一點觀點，看官您不喜歡就請跳過看下面的。
電子管放大器現代常稱為膽機，這也是音頻放大的鼻祖。從1904年約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）發明了第一個真空管二極管，到1906 年，Lee de Forest 發明了 Audion，后來稱為三極管，直到1920年，RCA開始第一個商業電子管制造。從二極管到三極管、四極乃至多極管的開發，從最初的單管放大，到多級放大，大多都有變壓器的影子。電子管放大的特點是內阻高，轉換為聲音的喇叭特點是阻抗低，雖然也有高阻抗的揚聲器。最初的放大器并沒有在乎失真大小，能響就不錯。上世紀20年代以后出現了負反饋放大器，當初主要為了放大器穩定性，后來發現能獲得良好的失真指標（這個失真來自放大電路和變壓器總失真）。
無論放大電路還是變壓器產生的失真，那都叫失真。最終在輸出端測試出來的總失真，可能很多情況下來自輸出牛的因素（尤其是動態的音樂信號）。音頻信號經過放大電路和變壓器傳輸，原始波形會保留，但可能不會絕對保持原樣。所謂高保真Hi-Fi，追求盡可能的“原汁原味”。早期經典膽機電路比如麥景圖（McIntosh）、QUAD II、威廉遜（williamson）、LEAK，包括西電（Western Electric）等，多采用深度負反饋結構，其中一個主要原因就是為了減少失真。我維修過無數這些品牌的所謂“名牛”，客觀上講，按照當時的制作工藝，應該是很不錯甚至了不起的結構設計，但由于種種原因，其在路以后失真指標比較大，采用深度負反饋比如McIntosh 275等，的確能獲得很好的測試指標，這些經典名機之所以成為經典，首先負反饋可以讓放大器工作穩定可靠，另外引以自豪的還有失真指標很低。負反饋，就好像先天不足的個人做美容，無論看上去的氣質或是形體，可能都能“設計”的很好?？墒?，成也蕭何敗也蕭何，較深的負反饋，就像“緊箍咒”，限制了信號的自由，也壓縮了信號的動態范圍，這又偏離了高保真Hi-Fi的宗旨。
未完待續
