音響與音樂 無關(guān)玄學(xué) 之 變壓器的動(dòng)態(tài)范圍
左增軍 / 2024-03-04
接上期 上期主要談了音頻變壓器的總諧波失真，有人覺得不以為然，小題大做。當(dāng)然，對于變壓器使用者、發(fā)燒友來說，這個(gè)也不是自己的能力范圍，有什么就用什么，用不著操心的事情。我呢也就是按照自己的想法，希望給大家分享一些正確的認(rèn)識(shí)，本來應(yīng)該是怎么回事。很多流行的、看似正確的說法、論調(diào)，其實(shí)不一定正確，比如上期說的變壓器雙C鐵芯，實(shí)際是沒有這個(gè)規(guī)格的鐵芯等。再用個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦诱f明，我們?nèi)粘３Ｒ姷臐h字詞組，比如“床第之歡”也是讓某些“大家”的錯(cuò)誤造成大部分人的錯(cuò)誤，可能包括你我。床、第兩個(gè)八竿子打不著的字硬性組合在一起，為什么呢？這里本來應(yīng)該是“床笫之歡”。笫：讀音zǐ，床上竹編的席子。可能有的人認(rèn)為這有什么用呢？大家都知道說的是什么就得了，雖然字用錯(cuò)了，讀音錯(cuò)了。我們需要有正確的認(rèn)知，才能糾正錯(cuò)誤回歸自然。
音響、音樂也是一樣，只有正確的認(rèn)識(shí)、了解每個(gè)元件特性，只有懂得、明白自身特性，才可以用好、做好每一件商品。我始終認(rèn)為發(fā)燒友都是認(rèn)真、細(xì)心的，也只有注重每個(gè)細(xì)節(jié)，才能做出傳世的經(jīng)典作品。插了幾句閑話接著談?wù)}。
本期來談?wù)勛儔浩鞯膭?dòng)態(tài)范圍（DNR dynamic range）~這也是一個(gè)大家沒有注意到的重要指標(biāo)。先來認(rèn)識(shí)一下什么是動(dòng)態(tài)范圍：
耳聽為虛眼見為實(shí)，咱們先用眼睛來看下面的圖片（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）：
這兩張圖片，明亮或者黑暗的部分變成一片白或一片黑（攝影名詞我不懂如何表達(dá)），丟失了應(yīng)有的細(xì)節(jié)。再看下圖：
這張圖片就接近我們?nèi)搜鬯芸吹降恼鎸?shí)的景象。再來看下圖：
大圖雖然有些失真，但是能讓我們清晰的看到該有的細(xì)節(jié)（接近我們?nèi)搜蹖?shí)際看到的場景）。其實(shí)，大圖是下面三個(gè)小圖的曝光圖片合成后的，主要目的就是增強(qiáng)圖片的“動(dòng)態(tài)范圍”-就是圖片上能看到細(xì)節(jié)的最亮和最暗的程度，讓我們能看到更多細(xì)節(jié)。因?yàn)槠鞑淖陨淼膭?dòng)態(tài)范圍有限，比不上我們?nèi)祟惖娜庋邸Ｎ覀兊难劬梢栽谝雇淼男枪庀拢蛎髁恋年柟庀驴吹轿矬w，物體的照明量是明亮的晴天的十億分之一，動(dòng)態(tài)范圍為 90 dB。當(dāng)然，眼睛也是通過調(diào)整虹膜等一系列變化來實(shí)現(xiàn)的。
上面通過視覺說了一下動(dòng)態(tài)范圍，人的視覺、聽覺乃至感覺，總是對“起伏”比較大，但又不失細(xì)節(jié)的事物印象深刻，在感覺上，對自己感動(dòng)或者傷害較深的東西甚至畢生難忘。在聽覺上，動(dòng)態(tài)范圍一詞，大約出現(xiàn)在上世紀(jì)八九十年代，動(dòng)態(tài)范圍是指瞬時(shí)最大不失真輸出，與最小輸出之比：
動(dòng)態(tài)范圍 （dB） = 20Log10 （ 最響亮的聲音 / 最安靜的聲音 ）。
動(dòng)態(tài)范圍（DNR）與信噪比（SNR）不能混為一談，就放大器而言，動(dòng)態(tài)范圍要比信噪比大一些才對。
動(dòng)態(tài)范圍是音頻系統(tǒng)中，在不失真的情況下，最安靜和最響亮的聲音之間的差值。它表示音頻中的動(dòng)態(tài)音量的變化量。動(dòng)態(tài)范圍越大，您聽到的最安靜和最響亮的部分之間的對比度就越大。較高的動(dòng)態(tài)范圍可為您提供更深沉的聲音和清晰度，而較低的動(dòng)態(tài)范圍意味著聽起來可能“平淡”，意味著音樂中對比度、細(xì)微差別和細(xì)節(jié)的損失，相對自然安靜和響亮的部分更少。一般來說，您越能區(qū)分安靜和響亮的聲音，您的聆聽體驗(yàn)就越好，動(dòng)態(tài)范圍在實(shí)際欣賞音樂中起著至關(guān)重要的作用。
正常人聽力的動(dòng)態(tài)范圍約為 90 dB。隨著年齡的增長，聽力會(huì)下降，這個(gè)數(shù)值逐漸減小。這使得他們更難區(qū)分語音和音樂中較響亮和較安靜的聲音。聽力動(dòng)態(tài)范圍的降低，不僅聽不到細(xì)小的聲音，也難以忍受更響亮的聲音。正常人的聽力閾值（3 kHz 時(shí)約為 -9 dB）到疼痛閾值（從 120–140 dB)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上，但這種寬廣的動(dòng)態(tài)范圍無法同時(shí)感知到，是聽覺系統(tǒng)一系列的動(dòng)作，以調(diào)整耳朵對不同環(huán)境水平的靈敏度。
早期的留聲機(jī)唱片的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá) 40 dB，由于反復(fù)播放的磨損，很快會(huì)降低到 30 dB 甚至更糟。黑膠唱片通常為55-65 dB，高保真唱片甚至可以達(dá)到 70 dB 的動(dòng)態(tài)范圍。FM 收音機(jī)約為 50 dB，AM 約為 30 dB。
據(jù)報(bào)道，1941 年德國磁帶的動(dòng)態(tài)范圍為 60 dB，到 1960 年代，磁帶配方工藝的改進(jìn)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了67 dB。杜比開發(fā)了杜比 A 型降噪系統(tǒng)，將磁帶上的低頻和中頻動(dòng)態(tài)范圍提高了 10 dB，將高頻增加了 15 dB， 使用四個(gè)頻段的壓縮（壓縮和擴(kuò)展）。專業(yè)模擬磁帶技術(shù)在中頻段、3%失真時(shí)達(dá)到90 dB動(dòng)態(tài)范圍的峰值，在實(shí)際寬帶應(yīng)用中約為80 dB。杜比 SR 降噪系統(tǒng)進(jìn)一步增加了 20 dB 的范圍，在 3% 失真時(shí)，中頻頻率為 110 dB。
動(dòng)圈麥克風(fēng)能夠承受高聲強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá) 140 dB。電容式麥克風(fēng)動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)受到相關(guān)電子電路過載的限制。考慮到麥克風(fēng)中可接受的失真水平的實(shí)際考慮，結(jié)合錄音室的典型做法，大約有 125 dB 左右的有用動(dòng)態(tài)范圍。
1981 年，Ampex 的研究人員確定，數(shù)字音頻流上 118 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，對于在安靜的聆聽環(huán)境中主觀無噪音播放音樂是必要的。
16 位光盤的理論動(dòng)態(tài)范圍約為 96 dB，20 位量化的數(shù)字音頻理論上能夠提供 120 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，而 24 位數(shù)字音頻提供 144 dB 的動(dòng)態(tài)范圍。大多數(shù)數(shù)字音頻工作站都使用 32 位浮點(diǎn)表示來處理音頻，這提供了更高的動(dòng)態(tài)范圍，因此在數(shù)字音頻處理方面，動(dòng)態(tài)范圍不再是問題。然而，事實(shí)上的音樂碟片，動(dòng)態(tài)范圍很低，動(dòng)態(tài)范圍的限制通常是由于增益分級(jí)不當(dāng)、記錄技術(shù)（包括環(huán)境噪聲）和有意應(yīng)用動(dòng)態(tài)范圍壓縮造成的。這些母盤工程師的有意行為，影響或造就了一代“音響迷”，不知道現(xiàn)場音樂尤其是古典音樂演出現(xiàn)場，寬廣的動(dòng)態(tài)范圍令人如此振奮。
下面是國外非專業(yè)團(tuán)隊(duì)測試的部分載體、不同音樂風(fēng)格的近似動(dòng)態(tài)范圍：
音樂風(fēng)格 近似動(dòng)態(tài)范圍 （dB SPL聲壓級(jí)）
室內(nèi)樂 17-35
管弦樂隊(duì) 18-32
歌劇 20-30
鋼琴 20-28
唱詩班 17-26
爵士樂 12-22
說唱 12-20
流行 12-17
以上這些，是經(jīng)過母帶工程師，有意加工處理，制作在載體上的音樂的動(dòng)態(tài)范圍，不同的載體、不同的制作甚至不同的版本，結(jié)果會(huì)有一定差異。跟現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)場情況可能相差較多，比如正規(guī)的古典音樂現(xiàn)場，動(dòng)態(tài)范圍可能高達(dá)90dB！
這里有個(gè)專業(yè)的音樂專輯動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站：
https://dr.loudness-war.info，該網(wǎng)站創(chuàng)建于2009年。在那一年，所謂的 Pleasurize 音樂基金會(huì)成立，通過向母帶工程師提供信息，并提高對問題的認(rèn)識(shí)來抵消所謂的響度之爭。除此之外，還將從專輯中測量一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)值，即 DR 值，并可選擇地放在封面上，以告知客戶其動(dòng)態(tài)范圍。這里的數(shù)字表示專輯或其單個(gè)曲目的測量動(dòng)態(tài)范圍。DR 是動(dòng)態(tài)范圍的縮寫。數(shù)字越小表示動(dòng)態(tài)范圍越小，數(shù)字越大表示動(dòng)態(tài)范圍越大。
在音頻質(zhì)量方面，更高的動(dòng)態(tài)范圍通常意味著更好的質(zhì)量。母帶制作過程中的
大量動(dòng)態(tài)范圍壓縮通常對音頻質(zhì)量不利，但壓縮程度取決于流派和其他因素。一張帶有 DR 6 的專輯聽起來并不一定很糟糕。一張帶有 DR 12 的專輯不一定聽起來不錯(cuò)（但至少不應(yīng)該責(zé)怪 DR）。對于搖滾/金屬，DR 為 8 及以上被認(rèn)為是可以的。您可以點(diǎn)擊DB標(biāo)簽，查看DB值從大到小或從小到大的順序查看。
理論上講，數(shù)字音頻CD唱片的動(dòng)態(tài)范圍要比黑膠、磁帶大很多（模擬、數(shù)字的動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算方法也不同）。但是，為何現(xiàn)在發(fā)燒友又喜歡上了早期的黑膠（新刻錄的黑膠除外）、磁帶（比如開盤機(jī)）載體了？除了其他因素，主要的問題還是出在音樂的動(dòng)態(tài)范圍上。大家看一下上面的音樂風(fēng)格和近似動(dòng)態(tài)范圍，要比早期的黑膠甚至磁帶的動(dòng)態(tài)范圍小不少。那么為何這樣子呢？
那個(gè)純真年代已經(jīng)過去，一切看重經(jīng)濟(jì)利益。大量壓縮動(dòng)態(tài)范圍，可以整體提高音樂的響度而不至于帶來失真，因?yàn)榇蟮捻懚龋菀讋俪觯屜M(fèi)者被動(dòng)接受，比如廣告時(shí)段的音量，一般大于其他時(shí)段的音量。這更容易被消費(fèi)者感受到。一張“能量”大的CD，通常認(rèn)為是一張好CD。動(dòng)態(tài)范圍小，提高放大器的整體音量，會(huì)感覺中頻能量飽滿。大的動(dòng)態(tài)范圍，需要在小音量下聆聽，可能細(xì)節(jié)上會(huì)感覺到一些暗淡~這些都是迎合部分消費(fèi)者的愛好，而非真正為了“欣賞”音樂、真實(shí)現(xiàn)場感體驗(yàn)的需要。再舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱?ldquo;好的”飯店為了吸引消費(fèi)者的口味，加重了咸、香味道，甚至添加違禁化學(xué)品，以迎合消費(fèi)者，殊不知這是對消費(fèi)者的一種慢性傷害。還有，各種app軟件通過大數(shù)據(jù)，推送給您喜歡的內(nèi)容，讓您入迷甚至犯錯(cuò)。這些都是看似正常卻不正常的現(xiàn)象，但廣為流行。所以部分人通過對比，又返回去喜歡早期的，簡單的音樂載體比如黑膠、磁帶，因?yàn)樗膶拕?dòng)態(tài)范圍能給我們帶來愉悅的享受。
當(dāng)然，適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍壓縮，也是為了更好的制作一張音頻專輯的手段和方法，合理的運(yùn)用動(dòng)態(tài)范圍壓縮可以使混音中最響亮的聲音和最安靜的聲音在音量上更接近。通過應(yīng)用或多或少的壓縮，可以使混音的某些部分更容易聽到。比如人聲CD，音樂器樂的聲音被合理的壓縮，用以突出人聲的飽滿。所以最好的人聲大碟，其動(dòng)態(tài)范圍也不大，這在情理之中，但相對動(dòng)態(tài)范圍大的CD會(huì)更受到歡迎。
當(dāng)去掉峰值后，歌曲可以調(diào)得更大聲而不會(huì)失真，常用于廣播、熱鬧的演唱會(huì)或嘈雜的環(huán)境收聽比如車載。大量的動(dòng)態(tài)壓縮錄制，導(dǎo)致了上世紀(jì)八九十年代的響度之爭，要響度還是要?jiǎng)討B(tài)，一時(shí)難以得出結(jié)論。
由此我們看到，動(dòng)態(tài)范圍在音頻放大中的地位是非常重要的，我們都喜歡波峰起伏較大的形體。同樣，一首動(dòng)態(tài)起伏較大的音樂，比動(dòng)態(tài)平平的音樂，更能打動(dòng)人心，獲得較好的、真正的“欣賞”體驗(yàn)。還有，大動(dòng)態(tài)的音樂比如1812、驚愕等，更是成為經(jīng)典。音域?qū)拸V的歌唱家總是被人喜愛，其實(shí)也可以說他的動(dòng)態(tài)范圍寬廣。
對于個(gè)人聽音室，比較安靜的環(huán)境，我還是喜歡動(dòng)態(tài)范圍寬的音樂，聽多久都不會(huì)感覺累，那是一種享受。尤其是喜歡聽古典、交響樂的朋友，寬廣的動(dòng)態(tài)范圍更是必須的。一些展會(huì)上的音樂，乍一聽很新穎，聽久了不舒服、很疲憊。當(dāng)然，蘿卜白菜各有所愛，有的人就聽一些口水歌，沒必要想那太多，隨便有個(gè)音響就能滿足。為何有的音響、音樂被更多的人喜歡，越聽越愛聽？為何有的成為經(jīng)典？
以上簡單認(rèn)識(shí)了一下動(dòng)態(tài)范圍的重要性，
寬的動(dòng)態(tài)范圍對輸出變壓器提出比較高的要求，響度和信號(hào)幅度的變化，意味著輸出牛鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率發(fā)生變化，因而初級(jí)自感量也將隨著信號(hào)幅度單位變化而變化。我們知道，輸出牛初級(jí)自感量的大小，將影響輸入阻抗，乃至波形失真與頻率響應(yīng)。當(dāng)信號(hào)幅度大時(shí)，引起波形失真的可能性就大。反之當(dāng)信號(hào)幅度小時(shí)，則鐵芯磁導(dǎo)率變小，自感量減小，這將影響頻率響應(yīng)特性。故設(shè)計(jì)良好的輸出牛，需要考慮動(dòng)態(tài)范圍。最大響度時(shí)要滿足輸入阻抗與波形失真指標(biāo)；最小響度時(shí)，要照顧頻率響應(yīng)指標(biāo)。無論輸入牛、推動(dòng)牛、輸出牛都需要考慮動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的輸出牛，應(yīng)該滿足在應(yīng)用電路參數(shù)情況下，數(shù)倍峰值信號(hào)的完美輸出而不至削波，小信號(hào)情況下非線性失真、頻率響應(yīng)失真最小。如此，在音樂信號(hào)波峰到來，功率管輸出最好波峰信號(hào)的時(shí)候，輕松應(yīng)對，而不產(chǎn)生任何損失。小信號(hào)的細(xì)節(jié)部分，有適宜的環(huán)境通過而不失真。就好像如來佛的手掌心，任憑孫悟空十萬八千里，依然在我掌控中。宰相肚里能撐船，你需要有相當(dāng)?shù)亩橇俊?/div>
拿一個(gè)事實(shí)舉例說明：一臺(tái)3.5W的2A3單端，與一臺(tái)二十幾瓦的845單端一起對比試聽，竟然在場人一致公認(rèn)，3.5W的2A3單端力度要大，這簡直不可思議但事實(shí)擺在大家面前！這其實(shí)就是膽機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的大小問題。安靜的聽音環(huán)境，音量不需要很大，此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍大的機(jī)器，可以將音樂信號(hào)中的大信號(hào)完美的輸出。而動(dòng)態(tài)范圍小的機(jī)器，峰值大信號(hào)被削波，但這個(gè)削波是軟失真，對聲音并不惡化，但失去了頭足或者被壓扁輸出。一臺(tái)845單管單端，實(shí)際聽感，力度遠(yuǎn)勝動(dòng)態(tài)范圍不足的845并管單端，這也是不爭的事實(shí)。很多發(fā)燒友切身體會(huì)是，更換左氏輸出牛以后，明顯感覺力度大了很多，音樂動(dòng)態(tài)的起伏、細(xì)節(jié)的刻畫更引人入勝。以上并無夸大事實(shí)，也不需要任何夸大，這里只是說明，寬動(dòng)態(tài)范圍在音頻放大中的重要性。
下面我再借用兩張圖片，說明一下動(dòng)態(tài)范圍不同的機(jī)器輸出的音樂波形（請忽略年代信息）：在輸出信號(hào)波形幅度相同時(shí)：
上圖是動(dòng)態(tài)小的機(jī)器，下圖是動(dòng)態(tài)范圍大的機(jī)器。很明顯，雖然輸出信號(hào)的最大峰值幅度相同，平均聲壓，動(dòng)態(tài)范圍小的機(jī)器大于動(dòng)態(tài)范圍大的機(jī)器。然而，信號(hào)的波峰幅度變化量，動(dòng)態(tài)范圍小的機(jī)器減小了很多，且細(xì)節(jié)的丟失也很多。就好像一幅畫，沒有留白就顯得很糟糕。我們需要同時(shí)聽到最柔和的和最大的音樂信息。
所以，不論輸入牛、推動(dòng)牛、輸出牛，不能簡單的看靜態(tài)測試指標(biāo)如何，音樂信號(hào)是時(shí)、空變化的，是用耳朵來聽的。所以，想要得到更好的表現(xiàn)，必須完善自身元件的全面的性能，而又不能靠“七大姑八大姨”的幫助，比如反饋等。技術(shù)技術(shù)，有技也要有術(shù)，有技無術(shù)不成技術(shù)，有術(shù)無技害人無數(shù)。技、術(shù)相輔相成，和合為一，正確的技，輔以合適的術(shù)成就實(shí)用的技術(shù)。所以一顆好的音頻變壓器，的確需要一定的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的積累，和大智慧相結(jié)合。
誠然，對于中功率的輸出牛，理論上一顆輸出牛不能很全面的勝任全部音頻段的全面性要求，最好2-3顆對應(yīng)輸出牛合起來完成，就像上面圖片用三張不同曝光圖合成一張圖片一樣，也就是三分頻會(huì)更好一些，當(dāng)然這也會(huì)帶來其他的麻煩。本來，世上沒有最完美只有最適合的。根據(jù)自己的情況，選擇適合自己的。
以上，我按照時(shí)間軸的概念，從原始簡單的放大器，到注重指標(biāo)（失真），到改善失真，動(dòng)態(tài)壓縮，響度之爭，到回歸自然，分析了放大器和音頻變壓器的一些細(xì)節(jié)和解決方案。希望能給您欣賞音樂帶來更好的體驗(yàn)。有任何的問題、意見建議，非常歡迎您的聯(lián)系，也可以在這里留言交流。
未完待續(xù)
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