【声音会失真是什么意思】音频失真会怎么样？理解非线性失真

我们花了很多时间思考和谈论音频的失真，有时也听，但到底是什么，为什么它很重要？

音频的失真通常有两种类型。

频率失真3——是由于带宽不足和带宽限制之间的非平坦频率响应导致非线性失真——是硬件非线性造成的。这篇文章是关于非线性扭曲的。因为今天频率失真在现代设备上几乎不成问题。非线性扭曲经常被错误地称为“非线性扭曲”。但是，失真不是非线性的，而是硬件设备的非线性的

正弦波——音频信号的分量

从一个频率正弦波信号(图1)开始。在音频频率上，正弦波听起来是单音。

图1正弦波信号

正弦波是由多种形式的自然振动或振动引起的。考虑到手表的摆动轮，有水平轴。如果我们在轮子边缘做标记，从侧面来看，标记的高度在轴上(和下面)画出时间量的波动。

非线性导致音频失真

现在不管输入波形是什么，都可以被认为是很多正弦波的总和，输出波形也可以。但是，由于波形不同，输出波形中含有输入波形中没有的正弦波成分，导致信号失真。

对于输入信号的每个正弦波分量(称为基波)，非线性生成信号是该分量频率的倍数，称为谐波。双频带称为二次谐波或二次谐波。三次倍频称为三次谐波。这个新信号是谐波失真成分。

图2显示了产生20%宽的二次谐波和10%的三次谐波的非常差电路的输入和输出信号。如果向输出添加二次和三次谐波信号，信号将扭曲，不再是纯正弦波。这些高失真数字被选中以清楚地显示效果。

图2。非线性失真的例子纯代码输入信号是棕色，失真输出信号是黑色。

二次谐波总是有正伴奏和负伴奏的形状不同。在这种情况下，第三次谐波会影响信号的最高点。那是因为我选择了第三次谐波，以基波相角的相角为基准。相位角度不同，形状可能会有所不同。

乐器的谐波例子

几乎所有乐器(以及人声)发出的声音都包含很多谐波。比如正弦波是由类似口琴的小型便携式管乐器陶菲里产生的，顾名思义，每个音符都会产生大量的谐波。

如果再增加谐波，音符的音调或音色就会改变。除非能区分Stradivarius的声音和Guarneri的声音，否则除非添加大量，否则任何人通常都很难检测到差异。

图3显示了小提琴的“谐波谱”。频谱一般是功率或电压与频率的关系图。

图3。小提琴的光谱以谐波倍数表示

制作好小提琴的艺术是选择木材、处理方法、形状来制作最佳谐波幅度组合。最想要的可能是“柔和”或“兴奋”，具体取决于音乐类型或个人喜好。

但是，如果增加额外的谐波很重要，就能听到新的效果。非线性波是原来频率的两倍，三倍等。大多数乐器产生的谐波实际上应该称为“部分”，因为它不是当前最低频率(基频)的准确倍数。

对一些乐器来说，这个分音和基音一样响亮，甚至更响亮。例如，长笛产生几乎相同的气波和二次谐波。

部分谐波和最近的谐波产生出现在部分频率和谐波频率之间差异的新频率分量。这个属性总是比两者的频率低得多，不是使声音变得柔和的吼声，而是变得粗糙。

还将生成新频率的分量，即部分频率和谐波频率之和。这个新频率对组合的声音没有太大影响，但频率要高得多，可能会与高频率范围内的其他信号分量发生冲突。

幸运的是，除非非线性非常严重，否则新频率分量对差异频率和频率的影响最小。(阿尔伯特爱因斯坦，Northern Exposure)。

不幸的是，这并不是全部。非线性还使这些频率和阶数的信号出现在输入信号的两个分量组合中。这些新频率被称为“互调失真成分”。

互调失真

这些组件要严重得多，即使非线性相当轻微，但很多新频率的影响通常都能听到。(大卫亚设，Northern Exposure(美国电视)，)那么，为什么我们主要讨论和测量谐波，而不是相互协调的成分呢？

有两个原因。首先，过去测量谐波比较容易，但对现代数字仪器来说不是问题。第二，我们使用最简单的东西。

为了测量互调，我们必须至少输入两个信号，它们都可以是正弦波，但是我们应该使用什么频率，它们的幅度（电压）应该相等还是不同？

直到 1970 年代，人们对此有很多困惑，人们做出了不同的选择，因此他们的结果没有可比性。世界音频界的大多数成员随后达成了一项国际协议，代表国际电工委员会的一个技术委员会。该委员会规定了两种互调失真：差频失真（以前称为 CCIR 失真）和调制失真（SMPTE失真）。

正如所暗示的那样，差频失真（参见图 4）测量由两个相同的高频信号（例如 19kHz 和 20 kHz）产生的 1kHz 差频信号的相对幅度。这是一个更重要的评估，因为它是高频线性度的度量，此时负反馈的失真减少效果往往较小。在图 4 中，19 kHz 和 20kHz 的输入信号会产生两个失真信号：

1. 1 kHz 的差分信号 (20 - 19 = 1)

2. 39 kHz (20 + 19 = 39) 的和信号

图 4 差频失真

调制失真使用低频信号和更低电压的更高频率信号，通常是其他信号的四分之一。例如，信号可能是 80 Hz 和 5kHz。如图 5 所示，非线性再次产生了两个新的输出失真信号分量：

1. 4920 Hz 处的差分信号 (5000 - 80 = 4920)

2. 5080 Hz 的和信号 (5000 + 80 = 5080)

图 5.调制失真

也可以测量由输入信号分量的谐波产生的其他互调分量。例如，如果我们有两个输入频率 f1 和 f2，则在 2f1 ± f2 和 2f2 ± f1 处存在互调分量，以及我们已经看到的 f1 –f2 和 f1 + f2。但是这些并没有告诉我们更多关于被测量设备的性能。

我们应该得出的结论是，我们应该消除所有非线性源，以免损坏再现的声音。然而，我们必须在放大器中使用的器件，即晶体管（，本质上是非线性的，因此我们必须使用精心挑选的设计技术来尽可能减少非线性。

这常常引发一个问题，“多少才够？” 发烧友经常就人类听觉的灵敏度和我们实际听到的失真程度争论这个问题。但是，对于这篇文章来说，这个话题太大了。

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