2019年02月19日 | 动听音乐从哪来？从CD到声波

当数字音频信号被DAC解码出模拟电信号之后，放大器需要将模拟信号放大以驱动耳机或音箱。运算放大器可以把模拟电信号做各种运算，音频方面通常做进行信号放大、滤波等运算。运算放大器的内部是由各种各样的二极管三极管等晶体管协调工作，一般而言，双极型晶体管拥有精准以及低噪声的特性，NE5532就是这样的传奇。而JFET（场效应晶体管）拥有高速特性，可以提供更好的性能，从而带来更优秀的高频性能以及更清晰的音质体验。来自Analog Devices公司的OP275运算放大器则是这样的混合体。

　　一般来说，一枚运算放大器芯片的功率足以驱动耳机，而音箱取决于扬声器单元的不同，通常需要20W以上的功率放大器进行驱动。通常音箱放大器可以分为大功率的晶体管功率放大器（石机）、电子管功率放大器（胆机）、数字功率放大器。一般意义上，石机是把大功率晶体管搭配组合起来的驱动器，你可以想象为一台大功率的运算放大器。胆机则是通过电子管对电信号进行放大。胆机不存在瞬态互调失真（顶级的晶体管功放也不存在瞬态互调失真），所以一般胆机拥有比石机更唯美的音色，缺点则是谐波较多，信噪比较差，听流行歌曲会稍显混乱。数字功率放大器则是一个大功率的Delta-Sigma DAC，数字功率放大器是效率最高，参数最好最理想的放大器类型，但是因为大功率Delta-Sigma DAC的PWM（PDM）调制速度太慢，所以一直有声音不够清晰的诟病。

　　当放大器的输出级晶体管（或电子管）负责所有的电信号称之为A类（甲类）或单端功率放大器，这类放大器效率较低。当一半输出级晶体管负责正半周信号，另一半输出级晶体管负责负半周信号时，这类放大器称之为B类（乙类）或推挽功率放大器，推挽（一个人推，一个人拉），这类功率放大器的输出功率比甲类大，效率也比甲类好一倍，但信号经过0点时容易存在交越失真。AB类（甲乙类）放大器本质也是B类放大器，但输出级晶体管在某个正半周信号与负半周信号交界的地方存在一个偏置区，这样就可以避免交越失真，但甲乙类放大器设计难度较大，需要考虑电压偏置与电阻偏置等。

　　Class A放大器和 Class B放大器

　　Class AB放大器

　　当电信号被放大后，扬声器（音箱发声单元）是把电信号转化为声波信号的关键单元，扬声器把电信号转化为机械信号，线圈推动振膜在空气中震动后，将声波传递至人耳中。而耳机可以被看作为一个迷你小音箱。

　　下面的动图是一个典型的扬声器震动过程，电压在正负之间不断变化，使得线圈在永磁体之间反复推拉振膜。每个扬声器都有固定的阻抗与感抗，是因为线圈的存在，根据欧姆定律 R(X) = U/I，所以感抗一定的前提下，电流与电压呈正比，根据安培力定律，F=ILBsinα线圈在永磁体之间做往复运动，这样音频信息就可以完整的被扬声器表达。

　　Sennheiser HD800阻抗

　　音箱扬声器单元阻抗

　　在公布扬声器或耳机阻抗的情况下通常取1khz频率下的阻抗大小为NominalImpedance。因为阻抗、频率、电信号、振膜都不是确定的，那么这就要求设计者精心设计振膜材料、箱体等。一般音响可分为导向式音箱，封闭式音箱，开放式音箱等。导向式音箱内有一个导向孔可以加强音箱的低频，但实际的聆听效果也由房间的空间大小、室内装修材料等决定。所以如果你想听到一个完美的音质就必须综合考虑所有因素。

　　七十年代早期，澳大利亚悉尼大学电气工程学院的A.N.Thiele 和Richard H. Small向AES（Audio EngineeringSociety音频工程师协会）提交了Thiele-Small Parameters（泰勒斯马尔参数）为迄今为止对于扬声器单元的最完善解释。它定义了以下参数用来表达扬声器单元与箱体之间的关系。

　　FS：扬声器的自由空气共振频率，通常设计音箱需要防止箱子与扬声器产生共振。所以一般越结实的箱体越好。

　　RE：扬声器本质为线圈，此参数为扬声器的直流电阻，或者称为“DCR”。

　　LE：扬声器本质为线圈，此参数为扬声器作为线圈时的感抗，通常感抗最高值出现在FS（共振频率）中。

　　Q值：QMS、QES、QTS值与扬声器在共振频率时的悬架测量有关，悬架（suspension见动图）需要防止任何扬声器单元的横向移动从而防止线圈与磁铁接触（会破坏扬声器），像是一个减震器。QMS的测量来自于扬声器的机械悬架系统（surround与spider），QES的测量来自于扬声器的电悬架系统（线圈与磁铁）机械悬架与电悬架吸收来自扬声器震动的冲击。QTS为扬声器的总Q值，值的计算来自于QES与QMS。不同的QTS值的扬声器单元需要设计成为不同的箱体，是最为关键的扬声器参数。一般情况下，QTS在0.4以下适用于含有导向孔式的音箱，QTS在0.4与0.7之间适用于密封式音箱，0.7以上适用于自由空气音箱。

　　此外还有VAS、CMS值，VD值，BL值，MMS值，EBP值，XMAX、XLIM值，SD值等都与音箱设计有关。

　　可用频响范围：扬声器的最佳工作频率范围（你可以听到的喇叭的最高频率和最低频率都在这个区间）

　　控制功率：通常避免扬声器接收太大的功放功率而被摧毁。

　　灵敏度：通常灵敏度越高的扬声器音量越大，越容易被推动。

　　更多参数细节查看https://www.eminence.com/support/understanding-loudspeaker-data/

　　此外，降噪耳机则是耳机内置了一个录音设备并同时向耳机发出与外界噪音反向的声波以抵消外界噪音，它需要电池工作。动铁耳机工作原理与动圈不同，当一个通电螺线管（线圈）中插入铁芯，铁芯本身也变成了一个磁体，而铁芯外部包裹着磁铁，线圈电压的不断改变也使得铁芯与磁铁之间的位置不断变化从而使铁芯震动，铁芯粘粘着薄膜，从而带动薄膜震动发声。动铁的单元体积非常小，而每个单元的可用频响范围非常窄，所以通常情况下需要搭配多个动铁单元以及分频器以完成动铁耳机的全频率范围的工作。下图为Knowles楼氏动铁单元图。

　　平板耳机则是中间带有通电的线圈的薄膜被夹在均匀分布的磁铁的磁场中间而震动，通常拥有较快的响应时间以及精度。

　　静电耳机则是非常纤薄的振膜两端施加高压电极板工作，可以提供极致的声音响应，价格昂贵。

　　除此之外，音箱发出的低音对于听者带来身体上的震动是耳机无法做到的。耳机对于耳朵近距离表达所带来的细节是音箱做不到的。

　　文章最后无责任推荐笔者自用的一套PC-HiFi音源，解码器的使用是来自Schiit公司的BifrostMultibit，它除了不含平衡输出以外，完美继承了高端产品的时钟技术以及bitperfect closed-form滤波技术，这种滤波算法完美保留了音频的原始信息，换句人说的话说就是滤波器对于接收到的数字音频信息仅做添加而不做删除操作。

　　笔者自己给它搭载了一台刷了固件的Titans Athena，也就是CM6631A芯片，通过同轴喂给Bifrost吃，为什么这么做呢？稍后解释。（6631A机器的品牌没有限制）

　　按照下图方法，我们勾选Raw Data，仅选择24Btis，和48k/44kSupport生成一个我们自定义的固件，再通过FWUpdate把固件刷入CM6631A。

　　成功刷入后，再在Windows格式中选择24位44100Hz（如果使用央视电视盒子等软件还需要设置为48000Hz，否则会造成视频跳帧）。

　　这样做的原因是通过Windows系统的强制24bit输出，如此以来可以稍微“欺骗”解码器当中的数字滤波器，带来更接近NOS-DAC或接近黑胶的听感。

　　工具链接：https://pan.baidu.com/s/1gcv1BJLfEARuckibgRES4g

　　提取码：do0u