Jul 14

音響訊號

文｜Raymond Wong

音響器材有一個特點，對高新科技的應用不是其設計主流，雖然CD機屬於數字化的訊號源，但也就是僅此而已，其他的新科技手段成不了設計主流，反而傳統技術例如黑膠唱片，本來就是CD要取代的對象，但現在反而鹹魚翻生，不旦讓老發燒友們重拾當年的情懷，就連新一代人也樂此不疲，這種現象說到底也就是發燒友們的較真精神所導致。

較真也可以說是鑽牛角尖，任何發燒興趣都會孕育出這種文化，在音響系統中，我們要應付的是音響訊號，其特色就決定了傳統手段會始終地傳承不絕。發燒友們對音響系統的要求是保真或是傳真，因此音響器材就會盡量的避免出現各種的訊號轉換過程，所以音響訊號在絕大多數情況下都是以模擬型式在器材中被處理的，尤其是在各種各樣的放大線路中，不單訊號本身是模擬的，就連其頻率和波形也和人耳將會聽到的聲波一模一樣，所以音響器材就要力保這些訊號不能有任何變形失真，但這偏偏就會有一個詭異的現象出現，在力求不失真的情況下，大部分發燒友卻會有意無意地讓一種失真能自動自覺地出現而且還要恰到好處，那就是偶次諧波失真，此事無他，皆因偶次諧波失真對人耳朵友好而已。

圖A是理想的變形，圖B是實際上的變形，但只顯示了某一個諧波造成的變形。

最上圖是勾琴弦中間，最下圖是勾最右側，明顯看到變形不對稱時諧波(線條)最多。

基波和諧波

由於音響訊號和聲波一模一樣，它們對人會產生生理和心理的雙重影響，所以瞭解一下聲波的物理特性和構成也是有必要的。

聲音，或者說聲波，主要是來自於各種形式的機械震動，以樂器上的弦線被彈撥震動而發聲來舉例，在弦線上的某一點被外力推動後，外力的能量會使弦線產生彈性變形，當外力消失後，弦線貯藏的能量會使其回彈，在超過原來位置後會彈至相反位置，也就是來回震動，直至能量耗盡為止。這是一種典型的週期性震動，在物理學角度來說這屬於經典的簡諧運動過程（simple harmonic motion-SHM），簡諧運動在數學上必須要用二階微分方程才能準確地描述，二階是指系統中有兩個相反的能量吸收和釋放的環節，例如蕩鞦韆來回擺動的過程。二階微分方程的解有兩組，一組叫做通解，另一組叫特解，而普通的一二次代數方程只有一組解。微分方程的通解是一個由正弦和餘弦組成的代數方程，也就是說，任何週期性震動其本質上都會傾向於產生一個正弦波，但為什麼世間幾乎所有的震動都會產生各種千奇百怪的波形呢？這就涉及到了另一個問題: 諧波。所謂諧波是指物體在作最大幅度的彈性震動時，也同時會作各種的小幅度震動，其原因主要有兩個，一是物體的變形度不理想，二是由物體本身的結構特性所引致，兩者通常都是一起產生作用的，舉個例子來說，我們彈琴時不可能每一下都彈在琴弦的正中間，就算能彈在中間也不會令琴弦彎成一個理想的弧形，因此琴弦在回彈時就會自動地由一個不自然的形狀縮回一個順滑的弧形。另外，由於物體的結構特性不可能是最理想的，就算讓它自然擺動也無法變出一個理想的弧形，就像人一樣，身體柔韌度不足就怎樣也拱不出一個漂亮的拱橋，然而在能量作用下琴弦必須要震動以釋放能量，所以琴弦只能用一個古怪姿勢去震動，如果用慢動作看的話，琴弦除了會整體作大幅震動外，琴弦本身也會像蛇一樣作小幅度高速的扭動。琴弦大幅度的震動固然會推動空氣發聲，小幅度震動又何嘗不會? 因此大震動決定了聲音的頻率和響度，小震動則賦以了每個聲音有自己特有的音色，大震動的學名叫基波，小震動則叫諧波，這就是聲音的重要的本質之一。

左側的古怪波形實際上是由右側從1至N個正弦波(諧波)所合成的。

之前說過了震動的本質是正弦波，因此我們可以把所有聲波都看成是由很多正弦波疊加在一起的組合，這又帶出了另一個理論，叫傅理葉級數（傅理葉轉換）。話說當年法國數學家傅理葉在研究數列時突發奇想，尋思著世間所有的週期性函數是不是有可能是由無數大小不同正弦波所合成的，不過這位老哥至死也證明不了這個猜想，後來據說是他的學生，也是一位數學家拉普拉斯證明的，相信這兩位仁兄在當時做夢也想不到在純數學領域裏的一個無窮數列，居然能够完美地解釋了一個物理學上的波動現象。

根據以上所述，無論音響訊號波形有多古怪，它們都是由各種不同頻率、不同幅度、不同相位的正弦波所組成的，有多少呢？理論上是無限多，但實際上我們只考慮耳朵能聽得到的部分，即2萬赫茲，例如一個只有50赫茲的低頻，如果其波形是方形的話，那麼它的基波(基頻)就是一個50赫茲的正弦波，即最大聲的那個頻率，再加上50赫茲的3,5,7......倍直至無限高倍數頻率的大量正弦波所組成的，為什麼只有單數倍呢? 方形波的特色而已，其他波形則單、雙倍都有。隨著頻率的增加，那些高於基波的頻率其幅度會越來越小，幅度减小的程度端視其原來的波形而定，也就是說在理論上，諧波的頻率越是高時，其幅度也會越小。這就是諧波的特性，諧波也可以叫倍頻。實際上在日常聽到的聲波中，基波的頻率大多數都低於一萬赫兹，其對應的諧波無論有多豐富，當延伸到了2萬赫茲以上的時候，其幅度往往也小到弱不可聞，這樣一來我們的耳朵聽不到，二來麥克風和揚聲器也沒有足夠的靈敏度去應付，所以音響器材都以2萬赫茲為正常工作上限。但話又說回來，最近十多二十年來有不少研究表明，人耳雖然聽不到2萬赫茲以上的頻率，但如果音響系統能重播這些主要是諧波的頻率成份的話，2萬赫茲以下我們能聽到的聲音會更加的自然及和諧，對此我個人的估計是，這個現象有可能是來自於不同頻率和相位的聲波，在人耳鼓膜上出現的調制現象，SACD就是按照這個說法而開發出來的。

雙絞線。

鋁箔加銅網雙重屏蔽線。

紅線或綠線的干擾電流在前後兩個相鄰麻花轉中是相反的。

音響訊號的傳輸和抗干擾

在音響系統中，聲音訊號是原汁原味地轉換為電訊號後再作處理的，如果我們用示波器測量音響訊號就會發現它們的波形完全就是聲音的波形，至於揚聲器能不能作完美轉換那是另一回事。當然CD等數字訊號除外，後續文章會再作介紹。雖然聲音訊號理論上既可轉為電流，也可轉為電壓，但實際上以電壓訊號佔絕大多數，一是處理簡單，二是習慣使然。

電壓訊號固然線路設計和使用上較為直接，但其固有缺陷也是很嚴重的，那就是容易受干擾，最要命的是干擾在音響系統中幾乎無處不在，而電壓波形又是很容易被改變的，只要波形稍有變化聲音就立即有所改變，偏偏發燒友的耳朵又受過長期艱苦的訓練，尋常百姓們聽不出的聲音變化發燒友們都聽得出，所以抗干擾在音響系統中就是大事一件。

干擾要怎樣對付呢？屏蔽、扺消加過濾，三招走天下，屏蔽就是將所有音響訊號有機會出現的地方用金屬材料遮擋起來，其原理是法拉第籠效應，由於絕大部分干擾都是高頻電磁波，碰到金屬就會感應出電流，能量轉成電流後就輻射不出去，至於機身外殼方面，因為多是金屬外殼，屬自帶屏蔽，因此不需另作處理，但訊號線則相反，暴露在外沒遮擋，因此訊號線要屏蔽的話要就套一層金屬外套，有些線甚至會套兩層，一層鋁箔抗靜電，一層銅網抗電磁波，有人可能會問，不套金屬網改其他方法行不行? 當然可以，我們可以用扺消法，那些滿大街都是的編織線或是雙絞線用的就是這個方法。那干擾是如何抵消的呢？原來編織和絞接結構會令正負兩條導線上下左右的位置相對不同，形象一點說就是扭麻花，在2-3釐米內就會扭幾下，而電磁波頻率即使是數拾個兆赫，其波長也有二三十釐米，也就是說在干擾電波的正負半波內會有十多個甚至數十個電線的麻花轉，前一個麻花轉正線在上而負線在下的話，下一個麻花轉就剛好相反，這就導致同一條線在前後兩個麻花轉感應出來的干擾電流方向相反，然後互相抵消。到這裏可能有人會問:將兩種方法合併行不行? 當然可以，我們家中上網的有屏蔽網線就是如此，屏蔽網線裏面有四對絞接線再加一個總的金屬屏蔽，但音響線很少玩得這麼激，因為上述方法是有其缺點的，那就是電容和電感，屏蔽線的外層金屬套與內部導線是絕緣的，這就變成了一個並聯的電容器，是會濾掉高頻的，而絞接線則相反，其扭麻花就等同於繞線圈，相等於一個串聯電感器，同樣會濾掉高頻。

音響訊號要說的其實還有很多，例如其額定參數、傳遞特性等等，但這大多涉及線路設計和聲學環境處理，將來有機會再拋磚引玉一番。

※ 本文輯錄自【音響技術】2024年4月號第511期 ※