HiFi基礎談 五:失真 – TIM及其他

HiFi基礎談 五:失真 – TIM及其他
十二月 12 16:26 2016

TIM是瞬態互調失真三個英文字的縮寫。70年代下半葉由於純直流設計的流行,擴大器的TIM被Hi Fi廠家大加渲染。因為,純直流擴大器是有本事把擴音器的TIM大大降低。電聲界同意TIM的存在對擴音質素確實大有影響。但TIM並不像普通諧波失真(HD)或互調失真(IM)那樣可以用傳統方法測量出來,或用螢光幕表現出來,所以很多人不免爭論它的重要性。山水業已發明了測量TIM的正確方法,該公司不但在消滅TIM方面有重大貢獻,而且又發現了另一種以前不被重視的失真,Envelope Dist.也會影響重播質素。

另一家出產低TIM擴音器的著名廠家是Marantz,該廠在多年研究TIM的形成及降低TIM的工作上甚有心得。

什麼叫TIM?

究竟什麼叫TIM?一般認為TIM是擴音器在處理瞬態訊號時必有的副產品。擴大器在工作時,其本身的敏捷性跟不上在煞那間產生的極強訊號能量之變換,例如音樂演奏時一響包含着大量高週率的巨大聲浪,它就會產生TIM。

故此,TIM在很多時是跟擴大器的削峯現象(Clipping)同時產生,更加使重播音色難於入耳。

擴音機的敏捷追隨特性,從前只是用冒升時間(Rise Time)來表現。最近已經發覺不夠貼切,因此又把Slew Rate這名詞拿出來做規範。Slew Rate是個較新的名詞,中文譯名不一。如果照字面譯,可寫成「削切率」。它的定義,是擴音器在一微秒內可以處理多少伏特的電壓(V/μs),由此看來,把它譯為「變壓率」較佳,譯作「升壓時間」則有點不對題。如果訊號變動率超越了擴音器的追隨敏度,擴音器就產生跟削波現象有相似的過荷現象。通常,負廻輸的數量直接影響「變壓率」,廻輸量愈大,「變壓率」就有所降低,因為廻輸的作用是能降低放大電路的工作敏度。基於此,以前一般以大量負廻輸來降低互調失真及增加穩定率的作風,現在行不通了。新設計是利用純直流,全對稱及無電容器等技術,來做到更低的失真和更敏捷的操作。

大功率、低失真,聲音卻不悅耳

另一點值得注意的是,功率頻帶寬度愈大,變壓率也相應增加,因為寬頻帶的擴音器在處理動態龐大的高頻訊號時不易引起過荷現象。如果你相信上述理論的話,目前市上有些擴音器那些驚人的規範就不再是有權威無實際的數目字。有些純直流擴音器的「變壓率」高至500 V/μs,頻帶則闊至0~300KHz。

負廻輸在擴大電路上對於動態強及動態弱的訊號有頗不相同的反應。TIM失真,在負廻輸線路上常因動態強大的輸入訊號而產生。而在處理動態微弱的訊號時根本沒有什麼失真。可惜一般B類擴大器的互調失真及交替失真都是在低輸出時加大,所以就說明了為什麼很多應用大量負廻輸的B類機擁有良好的規範大功率、低失真而聲音卻不悅耳的原因。

純直流擴大抑制TIM

一般B類機如果在線路上採用廻輸數量多至足以產生相位失真的程度時,其削波失真,TIM等加起來的聲音也就更難聽。假設普通擴大器所用的大量負廻輸是40至60dB之間的話,瞬態訊號通過線路時,就被嚴重的拖延而變形。不過,這些失真都是名符其實的瞬間失真,它由出現至消失都在於煞那間,以前的電聲學界們對這種失真就算有注意到也認為無關重要,因為理論上任何擴音器的瞬變響應都比最快的揚聲器更要快得多。不過,人們的耳朶卻跟着揚聲器的進步而一同進步。就算今日最快的揚聲器仍然追不上今日最慢的擴音器,由揚聲器重播出來的音響,如果能減去了瞬變失真,相位失真及TIM,其清晰度當然有顯著的增加。

純直流擴大器是臻達低TIM的理想設計,所謂純直流DC,應該是直流擴大,全段直結,加上輸入輸出全對稱,無電容器的結構。純直流結構已臻達絕對可靠及穩定的程度,是由於不少新元件的妥善運用。例如 ―

環狀射極晶體(RTE):它是三百個微型晶體管以環狀連結成一體。它使高頻特性有最佳的改良。性能穩定和失真低。

場效應晶體(FET):純直流擴大器的輸入級普遍採用FET,特點是FET的操作並不需要偏壓電流。

鏡影電流線路(Current Mirror Circuit)的使用,使輸出更強大更穩定。

全對稱電路,這是自有晶體機以來就被標榜的設計,把NPN晶體作直接交接,就可省掉了「不對稱電路」所必須的反相電路,全對稱推挽動作的相位特性優良,但早期的半對稱電路(Quasi Complementary)是由於大功率PNP晶體成本昂貴,而作妥協性的設計,把推挽線路的另一端需要大電流PNP晶體與小電流PNP的耦合。嚴格上說,半對稱不算純直流結構。

低TIM的擴大器,目前以純直流結構為主。TIM失真通常不會單獨產生,這是因為擴大器在變壓工作產生過荷時一併會引起削波失真、互調失真等。目前很多人仍然弄不清楚究竟高週率的鈴振(Ringing)和超高頻的振盪是屬於TIM還是什麼?總而言之,這些失真攪在一起就大有可能造成超音波頻段的干擾,它對於聞限內的重播不但有嚴重影響,而且更會增加噪音和對揚聲器造成無形的傷害。

這些失真混合的結果,使重播粗糙含糊,缺乏美感。任你擁有更大的輸出功率,你也無法欣賞到清晰透明的聲音。反之一部純直流設計而功率較小的擴音器,在適當的匹配之下,會有滿意的效果。

聽覺心理學與失真

講HD,IM,及TIM等最熱門的失真時,我們又已提及了網絡失真(Envelope Dist)等較冷門的失真。現在,趁讀者們未打瞌睡之前,不妨先略略談一下耳朶對諸般失真反應的情況。人耳(或動物耳)聽力皆受物理環境因素限制聽力,其中發燒友最要注意的是《掩蓋效果》(Masking),因為它對失真的識別有決定性影響。掩蓋效果是耳朶在接受一強一弱的兩個聲響時,那強音可能將弱音完全掩蓋,結果耳朶所聽到的只是一個強音。

另一方面,在電子聲響愈來愈流行的今天,一切失真,已被電子音樂家們應用為營造新奇音響效果的工具。例如Flanger是製造波峯(Peak)的器材,Phaser將音響相位攪亂, Clipper是削峯器。這些特技,相當於照相學中一切在黑房中應用的器材,後者之目的,無非亦想製造失真,藉以增加畫面之美感。

進一步了解,錄音師在混音時,也少不免按個人或監製或社會的需要而在主帶上滲入多少「味精」,這就是他們說的EQ。

換言之,人耳及錄音兩個極端,都是導至失真的源頭源尾。

人耳本身在接受兩個不同音波之時,聽覺系統也會引發互調作用而令神經中樞“演譯"出這兩個波的和音或差音(Sum and Difference Tone)。這現象很多音樂家一早已經發覺,而且在他們的創作中刻意製造這些效果。

所以,阿福水聽不到的失真,並非一定等於阿福水的聽覺不靈敏,或可能是你本人的耳朶失真率較大。

反正,長在閣下骷髏頭上的一雙貴耳,與別人的耳朶無法互相印証。

今期引入名詞

TIM = Transient Intermodulation:瞬態互調失真

Envelope Distortion:網絡(包絡)失真

Slew Rate:升壓率(或變壓率)

Rise Time:冒升時間

Current Mirror:電流鏡影

Ringing:鈴振

Masking:掩蓋效果

Sum and Difference Tone:和差音

(原文刊於1986年9月號《Hi Fi Review》,作者 雷明先生)

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Hi Fi音響 (Hi Fi Review) 於 1986 年 4 月創刊,以月刊形式發行,至今逾 30 載。

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