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聊聊耳机\有源音箱双修中的前级问题 新一代的发烧友和90年代传下来的古代发烧友有很大区别,新一代发烧友绝大多数都是围绕电脑生存的,绝大多数都是从随身----耳塞----耳机----耳放----有源音箱这样的路子发展起来.耳塞和耳机在过去的10年里异常兴旺发达,特别是大型的头带式耳机,在这个新兴的发烧市场中迅速发展,以头戴式耳机为例,市场主流从10年前的千元级的爱丽丝M1,到当时旗舰级的HD600,HD650;到如今的万元级的T1,HD800. 传统电脑上的多媒体音响一般都是流于买电脑送的,或者是配个好点的也就是100-400元这个层级,一般都认为能响就行.在2000年以前有一次音质上的跃进,以创新的声霸AWE,帝盟MX300/400,以及后来的创新LIVE.这一代消费级声卡得音质与之前的产品相比,有了巨大的飞跃,PC用户几乎是第一次在桌面感受到高品质的音乐.在那个年代,入门的游戏玩家除了期待一块voodoo显卡，还期待有帝盟S90与剑桥设计的创新第一代PCwork2.1音箱。这一套入门级组合音质出色，声音温暖热情，富有弹性，2.1的结构让低频也较为饱满。 但是此后的PC圈子因为inter的声卡集成还有windows的AC97声卡标准，把普通的PC的垃圾音质拉到一个马马虎虎的水平，但是却永远地失去了创新和帝盟这样的好声音，虽然创新依然活着，也还在生产声卡，却早已江河日下了。大多数帝盟声卡的用户都是坚持到驱动程序完全无法更新，主板上ISA插口彻底消失了才恋恋不舍的被迫升级的，我的pcwork音箱用了10多年，调节音量的电位器坏了，改成直接硬连接，一直到电路板老化，有杂音报废为止。但是单纯的好音箱插在电脑主板引出的3.5口，也不复当初帝盟声卡的好声音。 10几20年后，对音质的追求重新让音频设备变得热门，曾经几乎死绝的独立声卡，以外置独立声卡，或者解码器等名目，重回热门的PC附件。如今的电脑发烧市场，产品科技含量、指标与当年完全不可同日而语了，但是市场更加初级和混乱，各种高级设备凑到一起的声音也不象当年那么容易获得好声音。特别是从耳机刚刚跨出音箱这一步的烧友，有耳机高音质的对比，音箱的表现好坏更容易展现出来。 首先，我们来看看构成音响各个环节对声音的影响。 音源（CD或DAC）（90-120DB）----前级（倍率缩减或放大A*B*90-120db）----后级（0.5-3DB）----音箱（前列各项误差乘积*20db）----室内环境（10-20db） 要获得好声音，音源是起始，我们日常用的CD，承载16比特的信息量，理论上最高可以提供96db的信噪比，由于CD的数字标准的确立，解码芯片的标准化生产，CD机输出的差异实测最廉价到最昂贵的，大约6DB左右，音源的信噪比数据不能绝对化看参数，因为频响曲线的平直上某个频段出现大坑或大突起产生的1DB的影响和整个曲线平均产生1DB的影响在听感质量上是天壤之别，不过信噪比仍然是一个科学可以量化的参数，国外一些发烧杂志常常会有频响图，和3D的频响瀑布图，其实是可以科学描述音源的差异和好坏的。总之，音源是一切的起始，如果音源出了问题，后面只能在这个基础上进一步扭曲和夸大。 前级，一个承上启下的部件，前级最初最首要的作用是阻抗匹配和前级放大，在CD之前的LP唱机，唱针感应的电信号是很微弱的，必须有专门的唱头放大电路将电声信号放大到一定程度才能输出。而输出的设备各自阻抗差别很大，耳机300-600欧，后级功放一般是20k欧（不同功放阻抗有所不同，胆机与晶体管机，古董机和现代机都各自不同）。此外前级最重要的功能是音量调节，音量调节从功能实现上看是对电信号的衰减，因此这个环节对声音的音质环节是直接参与并成倍率夸大，它不仅会夸大或减小音源来的误差，同时其自身结构上也会提供额外的音质损耗和误差，因此，前级在HIFI系统中，尽管本身对信噪比的影响只有0.3-3DB之间，但是成倍调节以后，实际上对音质的影响是比数据看起来大的多，比如前级将音量响度调节到75-80分贝（正常人交谈的响度），0.002%的信噪比误差的前级，动态压缩的差距能到5-6db去。绝对数据还不能直接看，因为前级电路自身还会带有一定的变化干扰音频信号的平直与准确，会带来某些频率的凸起和凹坑，还有电路中的电容和电感效应会让信号延迟，前级是整套体系中的染色机。 功率放大，这个环节实际上是相对容易的，功率放大电路的本身的电路特性是比较稳定的，不同类别的后级放大最终实现的目标都是大功率大电流低畸变输出给喇叭，有经验的发烧友会选择尽可能大的功率储备的后级，负荷因子较小的时候功放的畸变总是会小一些的。后级选择的重要性主要在于匹配，喇叭的电声特性并不是稳定不变的，反过来功率放大输出的信号就要有很宽的功率响应特性，有些喇叭阻抗低，需要大的电流，有些喇叭阻抗高，需要较大的电压，喇叭在频响的不同频率阻抗也不一样，比如某些有名的单元在1KHZ阻抗8.6欧，在100HZ就只有4.4欧，很显然，低频的时候需要更多电流，否则低频就会软弱无力，达不到正常响度。 到了音箱这个环节，电声系统目前主要依靠多点声源进行立体声模拟，这需要录音和回放两者同步配合，在目前世界上主流是2点声源模拟的立体声，还有少量5.1，7.1等声道模拟的环绕立体声。由于立体声是模拟的，所以，永远达不到真实的现场的效果与感觉，只能根据听觉的特性进行一定程度的模拟，达到接近或者近似，在立体声系统中言必真实，言必现场是伪科学。 当前科学提供的音箱是音质误差最大的环节，在这之前的各环节的信噪比都很高，每个环节损失的信噪比与音箱这个环节相比，小了100-1000倍，所以，一般音箱不敢用信噪比这个指标来标性能，因为标出来数据都很糟糕，在这种糟糕的结果面前这种数据无法显示各个糟糕结果的差距，所以，音箱最多就标一下频响曲线，标下灵敏度。这些指标都是单纯只以响度指标为参考的。音箱的构成是振膜和共鸣腔体，和乐器基本类似，所以好的音箱光看频响指标还是不行的，还必须象乐器一样，听它的音色，这恰恰构成了当前音箱市场各品牌的特征和特色，音箱确实和乐器一样，好的音色与差的音色即便每个调都能准确，但是同样能产生天差地别的听感。目前音箱的音色差异没有科学量化指标，只有靠试听或者积累评价经验来了解一二，而这又产生了无穷无尽的HIFI玄学。 回到有源音箱的前级这个话题，为什么单独聊这个话题呢，因为大部分的烧友音源一定是电脑+DAC，播放一定是有源音箱，前后都是相对确定了的，只有中间环节还有缺失，而事实上，现有的桌面系统的组建和市场供给上，确实在有源系统上的前级是一个稀缺产品，大多数人不懂，也不知道哪里可以选择，而现在市场上提供的选择并不合理，特别是针对新兴的桌面发烧系统。简单的说，现在的解码器或者CD系统输出的电平都很高，尤其是近年来号称24，32比特的解码系统，电声系统的动态以电压来表达，动态越大，就意味着音源系统输出的电压越高，现代DAC输出的电压已经远远高过了原来前级的信号拾取需求，只需要直接进行衰减就可以输入后级放大。因此现阶段的前级除了阻抗匹配外，主要是音量调节的作用。当然好的前级还有多接口切换，音调电路，均衡电路等等。 从音量调节这个基本目的来说，前级基本成了音量调节的代名词。对于听者，音量主要是回放的响度构成的，响度这个东西在生活中是不停起伏变化的，所以只能以平均响度来描述，而不停起伏这个过程，则是动态范围。我们听自然界的声音，比如听小提琴独奏，音符中到达耳朵的最小能分辨的响度，到音符最大的响度，这就是动态了。我们日常交谈，下限可以去到当时的环境噪音响度，比如45分贝，个别声调和吐词可以达到比较响亮地85分贝，但是平均下来，不是对着吼的话，大约是75分贝左右，这个平均值会随着环境噪音的大小进行便宜，比如周围非常安静，半夜时分，下限有可能去到38DB左右，这样平均响度70分贝也许就会觉得足够响了，在白日交通繁忙的道路旁，基础噪音就能达到65分贝以上，说话可能需要提高到85分贝才与正常交谈相当。 对于大多数的音源来说，播放CD信号，动态可以高达96分贝，播放24比特曲目，动态可达到108分贝。而音箱则绝大多数都无法完全实现音源的响度，比如很多箱子最大响度（不失真）也就只有100-110分贝，老一点的音箱甚至只有90几DB，如果完美的展现音源记录的动态，应该安静的时候去到0db，刺激的时候就上110分贝了。而实际上这个是不现实的，在环境噪音限制中，电声能展现的动态大约只有38-65分贝左右，如果考虑到正常的听音音量，这个动态还要小，因此，音量调节这个环节的技术实现途径是在日常听音乐中一个非常重要的还击。 1． 软音量。 由于winter的贡献，电脑使用多媒体音箱时，常常使用软音量，即用软件的音量调节控制。这个几乎等同于把音量控制交给操作系统来实现，windows的软音量由于其程序架构和编写逻辑的原因，是采用比较简单的数字编码对应音量的方式，这种数字音量的算法方式，本身就带有很大的动态损耗，它同步带来弱音，泛音的次级响度的损耗，因此，软音量在越小声时，声音的细节丢失越严重，很多人嫌现在的电脑声数字味太重，和这个有很大的关系。 软音量因为处于操作系统的底层，在使用各种播放器时，如果不让播放器独占声卡的硬件资源，windows默认的是使用CPU对程序中的音频进行解码和编码，因此，在windows系统中播放时，如果系统音量可调的话，你很有可能仍然在使用电脑自身的软件解码，而让你昂贵的解码器毫无用处，仅仅起到一个声音接口而已。 因此，很多播放器都推荐在使用专用声卡或者解码器时，选择AISO让播放软件独占声卡的硬件资源，强制让操作系统将解码工作移交给解码器硬件芯片。所以检查自己的解码器，是不是有专门的声卡控制程序来实现软件音量控制，否则你买不买解码器其实并没有什么区别。 2． 数字音量 数字音量和软音量是不同的，这个不同之处在于软音量是利用操作系统的软件实现的，而数字音量则是在电路中专门用数字电路做成芯片，来实现音量控制，尽管实现的原理和软音量有类似，但是数字音量的实现还是经过一定程度的优化的，它没有大多数软音量的噪音引入，也没有软音量的强制粗暴的音源源头进行有损的数字编码控制，数字音量芯片往往被设计到解码末端，由解码器内置或者单独的芯片控制。数字音量芯片的效果，一方面要看新片厂家本身的设计水平，另一方面也要看数字化算法的优劣。由FPGA实现解码的和弦DAVE，在算法上对数字音量控制做出了特殊的处理，它的输出可以达到相当高的普通模拟前级的效果，理论上数字前级是一个可以廉价，低功耗，小体积提供高品质音量控制的技术方案，但实际上，目前对音量控制的数字算法并没有什么特别的巨大突破，数字音量仍然有软音量的问题，将次级响度的弱音和泛音自然进行了响度过滤，音质损失是不可逆的，目前有些技术可以利用升频来减小损失的问题，但是还距离普及高音质的数字音量控制有相当长的距离。目前最牛鼻的几家音源厂都号称不需要前级，可以直接接入后级使用，而经过非常多挑剔的客户反复确认，还是接了同档次前级的效果更好，目前还没有例外。 数字音量在目前的低端设备中大量应用，比如ESS的9018AM2就内置数字音量控制，很多随身系统为了简化电路和能耗，则使用了这个功能；有一些则在解码电路后面用运放进行数字音量控制，典型的较好的芯片有opa2111，这个芯片控制音量听感普遍反映较好，但是它阻抗不足，输出需要串联10k欧电阻补偿匹配，调节范围也较小，另外更常用的opa1611声音较冷偏硬，在小电压下，10khz处会有突然突起，目前数字音量的运放电路各自都有一些优缺点，需要设计者和制作者额外的经验去设计周边电路进行补偿，而这些补偿往往又会带来新的问题，因此，数字音量仍然是一个较低端的解决方案。 由于现在低端设备大量使用数字音量控制芯片，并且延伸到一些高端产品中去，因此在搭配和购买设备的时候注意区分。由于电路设计水平的问题，数字音量并不等于是绝对低于模拟前级的，这方面要擦亮眼睛多看看，多听听。 3． 电位器 相当多的低端合并机，一体机设计的时候喜欢使用电位器，碳膜的滑动电位器声音温暖，廉价和易于使用。电位器本身也分很多种，最便宜几毛钱一个的滑动电位器，到昂贵的几千块一个的步进高精度电位器，都在各类音频产品中非常常见。 电位器在前级中，既可以作为无源前级，也可以串接电路作有源前级，就目前而言，电位器是最廉价直接的音量控制方案，专业器材领域里比如TC，丹拿，MTC等都类似的产品，直接用电位器作为音量控制作为入门级的产品方案。大多数无源前级就是电位器加几个阻抗匹配电阻（另外有变压器抽头的牛变无源前级），无源前级的好处是电路简洁，信号流经的元件少，干扰的概率低，添加佐料的机会也少，很多无源前级都听起来有不错的通透度。电位器主要的问题在于，碳膜电位器不耐用，旋转多次表面碳粉刮掉了电阻值会变，旋转时容易有杂音，小音量时阻值偏差大易导致偏音。为了客服这些问题，有高精度步进电位器，用恒定的阻值叠加进行布差调节，高精度步进电位器常常使用在各种古老的高级胆机中。 电位器的水平取决于其步进的幅度和匹配的电阻精度，通常一个电位器的调整能力大约在30-40分贝之间，极少数能跨越到60分贝的，如果每1db为一级，30分贝就要30级，60就要60级，如果更小，那还要倍增，大多数市面上的高精度步进电位器不会低于0.5db每级，其实我们说的db步进对电位器来说，是错误的概念，电位器就是个可变电阻，它实际指标是按阻值阶梯递进的，阻值和最后增益的db的关系相当复杂，并不线形相等。 电位器组成的无源前级在低价格范围是一个可以接受的，比软音量和大多数数字音量好的前级方案，舍得使用alps这类电位器的无源前级，几乎是万元以下最好的前级了。从声音上说，无源前级容易获得较好的透明度，但是也容易让音源的缺陷暴露或者夸大，因为绝大多数的无源前级对高频或者低频都有一定的过度衰减。特别是低频，容易使低频软弱无力，糊。另外非线性的响度关系，电位器的步进并不会让音量等级放大或缩小，往往容易出现某个音量声音过大，调小一级又过小，或者到某个音量时，音质急剧下降，很多细节突然就听不到了，这种状况还不算罕见，特别对于在夜深人静，用比正常偏小的响度听时。 4． 继电器+全分立高精度电阻网络 这种模式实际上是步进电位器的一种强化方案，旋转的步进电位器要求在每一个旋转刻度上有对应阻值的电阻，但是实际上电子工业并不会制造那么多细微阻值差距的电阻，这导致制造过程需要用很多替代方案，比如串联，并联，虽然这样也能得到预期的阻值，但是反过来会影响电流变化，还有一些细微的其他现象，因此，有必要采用更有利的做法来实现步进的高精度阻抗变化，在印刷电路板上用高精度电阻阵列代替旋转的分散的电阻组，用少量的型号的电阻组成阵列，可以有效地降低对步进电位器的苛求，此外，由继电器控制对步进电路的选择，可以彻底避开电位器不稳定和低寿命的影响，音量调节过程中不再会产生电流杂音。 1997年的mark levinsonno32前级采用了这种方案，把前级的总谐波失真从通常的0.05%级别提高到0.0005%级别，几乎采用这种方案的所有前级，都有非常高的失真指数。国内的驸马前级，甚至金波的集成的一些耳放都号称采用了这种方案。 分立元件高精度电阻网这个名字看上去简单，实际的设计构成上还是颇多不同的，比如阻值选择，电阻类型，串并联的设计等等，总体上采用这个方案的音量调节是会相当少的损失动态了，它能让人在较小的音量或者正常音量上感受到一样的澎湃起伏，不再感觉到平板，死板等等。到了这个级别的前级，本身的失真已经很小了，更多关注的是前级自身的通透度，音色的细微调节等等，但是要注意的是，即便全分立电阻网设计也是有高下之分的，比如调节范围，设计得少的只有40分贝左右的调节能力，好的大多数能调节90分贝以上，就正常使用而言，至少要64分贝左右的调整能力才基本满足需要。 5． FPGA+R2R权电阻网 音量调节的电阻阵和用于解码的R2R权电阻阵列有很高的相似度和电路基础，结合FPGA的编程能力R2R实际上也能成为前级音量控制的一种设计，这种设计的最大好处是可以让整个电路完全电子化，不再有机械的调节方式，特别有利于设计遥控器，没错，就是特别方便设计音量控制的遥控器。 FPGA+R2R也特别有利于采用集成电路，缩小前级设计的功耗和体积，最关键的是成本，马克的后来的前级也应用了这样类似的技术，而新设计的很多集成一体的功放，耳放，解码器也开始采用这样的方案，新派设计的DAC9/10系列就使用了这一技术，金波的GD-X2也号称采用了。 由于微缩化的集成电路化，平均的高精度电阻值比分立元件容易获得，但是却比那些好的极品的分别配对和精密测量过的分立元件差，有测试表明r2r方案集成电路的大约比分立元件在正常听音下至少还是有6-10分贝的差别。 6． 其他前级 前级技术原理上还有很多其他的设计架构和方式，同样能取得非常好的效果，比如MBL的6010D，大量采用运放设计，声音一样醇厚优美；金嗓子分立电路控制电阻同时又分立控制电流，与之相似的国内的旷世也打算采用恒流的设计，则是希望在电阻阵衰减了电压以后不要同时也损失电流，增强系统的推动力。 胆前级的设计在前级中比较特殊，电子管的应用主要是在电源整流，信号放大，信号缓冲这几个方面，胆前级的音量控制比较普遍的是采用高精度电位器，特殊一点的则是专门绕制多抽头的输出变压器，结合电阻阵进行控制。胆前级在总信号失真方面的指标比普通前级差非常多，极少能做到0.0X%级别的，一般做到0.2%就算非常好的了，指标甚至比不过直接使用一个电位器。但是胆前级本身通过电子管信号放大通路上的特殊效应，可以自然增加一定信号延时，同时偶次谐波信号得放大和增益天生就很高，有利于听感的需求。如果搭配的音箱系统感觉冷硬，可以考虑使用胆前级或者胆缓冲来改善音色上的不足。 上面说了常见的设备的前级集成方式以后，我们看看实际上的一些常用设备，比如所有的纯解码器，都只能使用windows系统的软音量，这类设备如果不另行搭配前级，不建议大家使用，纯粹浪费钱。而很多带音量控制的解码器，声卡，耳房，都是利用数字音量芯片来控制，比如dacmegci+,M dac玉龙DA10等等。分立元件的制造和工艺需要大量的时间，很少在集成设备上看到，国产金波有些设备号称使用了，目前还无法验证。对于使用有源音响的朋友，还有很多设备需要你们自己察看其设计参数，根据需要选择集成或者独立前级，希望本文能有所帮助。
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发表于 2019-2-26 13:27
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