音频放大器低频性能的短纯音信号评测法研究

张 平 柯

(湖南第一师范学院 数学物理系，湖南 长沙，410002)

摘  要：通过组织试听、构建计算机音频测试系统并借助MAPLE软件，研究前置放大器在配接过程中的低频性能；提出响应系数l的概念。研究结果表明：由于脉冲状态的信号更接近实际音乐信号，更能反映人耳对音质的感受，用短纯音信号代替连续纯音信号对放大器系统进行客观测量和主观试听，能比较真实地反映其低频性能；前置放大器在与功率放大器配接时，l既可反映放大器系统对低频短纯音信号的瞬态反应能力，又可反映其对低频连续纯音信号的幅频特性和相频特性，因此，能较全面地表示放大器系统的低频性能；采用直接耦合的前置放大器与直接耦合式功率放大器搭配，l可趋近于理想值1，因而具有最佳的低频性能。

关键词：连续纯音信号；短纯音信号；放大器；低频性能

中图分类号：TN722       文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2008)05-1068-07

Evaluation method of low frequency performance of

audio frequency amplifiers by tone burst signals

ZHANG Ping-ke

(Department of Mathematics and Physics, Hunan First Normal College, Changsha 410002, China)

Abstract: Through organizing human evaluation on trial performances, measuring the audio frequency by a computer system specifically, and doing theoretic analysis with the aid of MAPLE software, the low frequency performance of the preamplifier during the matching course was researched. And concept of response ratio λ was proposed. The results show that the burst signals can be used for the objective and subjective performance evaluation on the amplifier system, it actually reflects the low frequency performance; because the burst signals sound more like actual performance, which can better meet the need of human ears for tune quality, so using tone burst signals can better reflect the actual low frequency performance of amplifier. And the ratio λ can reflect both the amplifier system’s transient response to low frequency tone burst signals, and the amplitude-frequency and phase-frequency response characteristics of the continuous pure tone signals, and therefore it can comprehensively reflect the performance of the whole amplifier system. When a direct- coupled preamplifier is matched with a direct-coupled power amplifier, the ratio λ approaches 1, which means the best low frequency performance.

Key words: continuous pure tone signals; tone burst signals; amplifier; low frequency performance

人耳对声音响度的感觉与频率有很大的关系，人耳的等响曲线^[1]从统计学的角度表示了这种关系。虽然等响曲线存在地域性人群差异^[2]，但不同地域和种群的人群等响曲线所表现出来的听力在高频和低频时都较迟钝的总趋势总是一致的。对一定强度的声音，人耳对声音的强度差阈在低频和高频时都显著增大，对音频范围内的低音下限和高音上限附近的连续纯音信号响度的细微变化都无法感知。因此，国家标准对高保真扬声器系统的最低频响要求是：在50 Hz至12.5 kHz范围内频率响应曲线的不均匀度为+4 dB和-8 dB^[3]。一般认为，频率响应达到30 Hz至20 kHz(不均匀度为±2 dB时)的扬声器系统已非常优良。作为音频放大器，其频率响应达到20 Hz至20 kHz(不均匀度为±0.5 dB时)已足够^[4]。但音响技术的发展逐渐改变了人们的这些观念。如经研究发现，人类虽听不到20 kHz以上的纯音信号，但实际音乐信号中存在的20 kHz以上的超声信号对人的听感会产生影响。现在SACD等音源的-3 dB高频响应已达50 kHz，高音扬声器的分裂频率也达70 kHz^[5]左右。为适应超声信号放大的需要，人们也开发出具有很高转换速率、很宽功率带宽的新型功率放大器^[6]，并关注高速电源的开发与应用^[7]。在顶级高保真系统上对比聆听同一曲目的SACD和CD时，任何一个听力正常的人都可感受到SACD的透明感、现场感比听CD的好。至于这些超声信号是怎样被人耳感知的，存在不同的解释。虽然这些解释目前还没有完全统一，但音响界均认可这些超声信号对真实还原现场声的贡献。

另一方面，人们通过研究发现，对强度较大的次声，人耳虽不能听见，但人体可以感知它们的存在^[8-9]。因此，从真实还原自然声的角度看，音响系统的低频响应最好能延伸到次声段。但这对扬声器系统来说非常困难，加上现实的音乐中几乎不存在次声信号，因此，目前研究者并不太关心高保真系统低频性能的提高。但本文作者通过研究指出，由于音乐信号中的低频成分与低频连续纯音信号不同，人耳对低频连续纯音信号的感受并不能代替其对音乐信号中低频成分的感受。

在其他设备相同、输出声压接近的情况下，由3位音响爱好者和5位普通大学生组成的8人小组对GG电子管前置放大器和Threshold T2晶体管前置放大器进行A、B对比试听(A代表T2，B代表GG)，结果表明，对20~300 Hz范围内的连续纯音信号，试听者完全不能区分哪台前置放大器在工作。但在同样条件下，用Accuphase DP-77 SACD机播放低频充沛的交响乐曲目，如1812Overture(片号SACD-60541)等，所有试听者都可以听出2台前置放大器的低频表现存在明显的区别，使用T2时低频的震撼感要强一些，下潜要深一些，质感也要好很多。

这种现象具有普遍性。虽然高端电子管前置放大器与适当的后级放大器搭配，其-0.5dB低频响应可达2~3 Hz。用连续纯音信号进行听音对比，也无法听出它们在低频表现上与高端晶体管前置放大器的区别。但用实际音乐信号试听，却发现多数情况下电子管前置放大器的低频表现没有晶体管前置放大器的好。

1  短纯音信号评测法的依据

1.1  短纯音信号能较全面反映音乐信号的特征

在电声技术中，要解决的往往不是单一乐器的发声音问题，而是多种类别的乐器共同发声的问题。这些声音中有连续性较强的，如多数情况下弦乐、管乐发出的声音；也有很多猝发性比较强的，如打击类乐器、弹拨类乐器发出的声音。虽然不同乐器或同一乐器在不同情况下发出的猝发性声信号一般并不相同，但猝发性是这类信号的共同特点。因此，用同样具有猝发特点的短纯音信号代替连续纯音信号能较好地反映系统对音乐中的猝发性信号的还原能力。放大器要不失真地放大短纯音信号，除要具有良好的稳态指标外，还必须解决信号在启动和结束过程中的瞬态响应问题。因此，放大器对短纯音信号的还原能力能更全面地反映放大器的性能。

通过对大量前置放大器的研究发现，那些低频表现优异的前置放大器(如T2和Mbl6010等)都是采用晶体管或集成电路的直接耦合式放大器。而电子管前置放大器却因为很难直流化，大多数都使用输出耦合电容(还有极少数使用变压器耦合的前置放大器，本文没有对它们进行研究)。保持负载电阻不变，在T2输出端串联1只3.3 μF的耦合电容。测试结果表明，它对20 Hz以上的连续纯音信号的增益几乎不变。将它接入输入电阻适当的功率放大器进行试听，也不能发现该电容的加入对低频连续纯音信号有任何影响。但在播放低频比较充沛的交响乐节目时，全体试听者能感觉到该电容的加入严重影响了系统的实际低频表现。因此有理由认为，耦合电容的存在是导致前置放大器低频表现不佳的主要原因。

对低频连续纯音信号几乎没有影响的耦合电容，对音乐信号中的低频成分却存在明显的影响，这可通过研究RC耦合电路对短纯音信号的畸变进行解答。对于连续纯音信号，一般不考虑它的起始阶段和结束阶段，所以，通过图1所示的RC耦合电路后，输出电压U₀与输入电压U_I之间只存在一定的幅度差和相位差，用正弦稳态分析法^[10]可得：

，。     (1)

可以看出，当RC时间常数大到一定程度时，就可以认为在音频范围内输出电压与输入电压具有相近的幅度，且相位差接近零。此时，用连续纯音信号试听，人耳很难听出RC耦合电路对系统低频性能的影响。

图1  RC耦合电路

Fig.1  RC coupling circuit

但对短纯音信号，起始阶段和结束阶段则成了重点考虑的对象。计算结果和实际测量结果都表明，若RC电路的时间常数不是远大于信号的周期，则信号在这2个阶段都会产生较大的畸变。

由于式(5)右边第2项的存在，短纯音信号通过阻容耦合后，在起始阶段会产生畸变。

此外，在输入电压结束后，输出电压还会产生拖尾畸变。设输入信号从0~t₀正好经历n个周期，在t₀时刻输入电压U_I=0。但由于相移的存在，此时，电容上的电压，不考虑放大器的内阻，电容上储存的电荷会通过R放电，使得U₀存在持续一定时间的输出。此时，U₀的衰变规律为

。               (6)

为直观地看到这种畸变，以R=25 kΩ，C=1 μF，U_m=1 V，f=20 Hz，U_I的时长为0.6 s(12个周期)为例，作出U₀在0~0.8 s内的变化曲线^[12]，见图2。

图2  RC电路对短纯音信号的响应

Fig.2  Response to tone burst signal for RC circuit

在RC一定时，短纯音信号通过RC耦合电路后的畸变程度与所传输信号的频率有关。进一步的研究表明，当短纯音信号的频率f等于RC耦合电路的谐振频率f₀(即)时，起始阶段的畸变达到峰值；当f＜f₀时，畸变随频率的下降而减小；当f＞f₀时，畸变随着频率的上升而减小。而结束阶段的畸变则是随信号频率的下降而不断增加。为了保证放大器的低频响应，一般前置放大器与后级功率放大器配接时RC都比较大，f₀都远小于20 Hz，因此，f₀以下信号的畸变对系统性能的影响较小，需要关注的是f₀以上的信号畸变情况。当f＞f₀时，随着信号频率的提高，起始阶段和结束阶段2种畸变都越来越小，因此，RC耦合电路主要造成低频短纯音信号的畸变。增大RC，f₀将下移，可减小低频短纯音信号的畸变。

1.2  前置放大器对短纯音信号响应的实测

用SpectraLAB软件的Tone Burst功能可产生任意频率和时长的短纯音信号。经声卡输出，由前置放大器放大后输入到声卡的输入端，就可测量前置放大器对短纯音信号的响应。但一般声卡的输入、输出端的耦合电容会引起低频短纯音信号的严重失真，因此，不适合进行这种测试。通过大量实验，发现由CMI8738芯片做成的声卡有极好的低频响应，将声卡的Line Out与Line In相连进行环路测试，可发现它基本上不会造成短纯音信号失真。

图3和图4所示分别是用CMI8738声卡构成的系统测得的T2和GG在25 kΩ负载下，对频率为20 Hz、时长为0.6 s的短纯音信号的响应情况。

图3  T2前置放大器对20 Hz短纯音信号的响应

Fig.3  Response to 20 Hz tone burst signal by T2 preamplifier

图4  GG前置放大器对20 Hz短纯音信号的响应

Fig.4  Response to 20 Hz tone burst signal by GG preamplifier

从图3和图4可看出，T2对信号有非常良好的响应，GG则导致了信号的明显畸变。图2与图4所示曲线的高度相似表明了计算结果与测量结果的一致性(GG的输出部分使用了1 μF的耦合电容)。

短纯音信号具有音乐信号的猝发性特征；低频短纯音信号在起始阶段和结尾阶段的畸变可反映前置放大器在一定负载下的低频瞬态特性。由低频瞬态特性与低频稳态特性之间的联系^[13]可知，低频瞬态特性良好也意味着幅频特性和相频特性良好(由(1)式也可看出这一点)，因此，放大器系统对低频短纯音信号的响应，能同时反映系统的低频瞬态和稳态特性。低频短纯音信号更适用于研究放大器的低频性能，

2  低频短纯音信号畸变的听感及分析

将T2和GG前置放大器的增益调到适当并相等。用Audigy2声卡(CMI8738声卡高达3%的非线性失真会影响主观试听，Audigy2虽输入端低频响应不佳，但输出端的低频响应良好，能输出理想的短纯音信号)输出频率为30 Hz(不取音频的下限20 Hz，是由于人耳对它过于迟钝)，时长为0.5 s的短纯音信号(根据声学中的测不准原理^[14]，为防止信号频谱中出现较多的低于和高于30 Hz的成分影响试听，时长不能太短)，分别通过T2和GG放大后推动由直接耦合式晶体管功率放大器和B&w801S3扬声器构成的末级系统发声。

主持人通过反复盲听，确定这2种情况下发出的声音可以明显区分，并总结出这2种情况下所听到的短纯音的共同点是声音分为3个阶段，即首先是扬声器的启动阶段发出的“咚”声，接着是时长较长、响度较小的30 Hz纯音，最后是比较短促的扬声器停振时发出的“嗒”声。

由前述的8位试听者进行盲听对比，要求试听者在切换前置放大器后不移动聆听位置，关注2台前置放大器在这3个阶段的声音区别。主持人并不从响度、音高等方面提示试听者，由他们自由记录听音感受，结果如表1所示(A代表T2，B代表GG)。

表1  30 Hz短纯音信号的试听结果比较

Table 1  Comparison of audition results using 30 Hz tone burst signal

从记录结果看，所有试听者都感觉到了这2台前置放大器在声音表现上的明显差异。因试听时各自的聆听位置及关注的重点不同，所以，描述的结果并不完全一样，但所有的描述之间都没有矛盾。将大家的试听感觉总结归纳如下：使用T2发出的“嗒”声比使用GG时更短促；使用T2时发出的“咚”声响度比使用GG时要小，音调和声像位置都要低；使用T2时发出的“咚”声与接下去的30Hz纯音有很好的融合感，使用GG时发出的“咚”声与接下去的30 Hz纯音有明显的分离感；使用T2时声像比使用GG时的声像退后。

为证实这种听感上的差异也同样存在于其他电子管前置放大器与直接耦合式晶体管前置放大器的对比中，将B换作和田茂氏前置放大器，A换作MBL6010前置放大器，并对试听项目进行细化，另外组织6位大学生进行听音对比。表2所示为试听项目和1位试听者对听音结果的描述。其他试听者对听音结果的描述也与之非常接近。特别是对其中的第1和第3~9项，这6位试听者的描述高度一致。

表2  30 Hz短纯音信号的试听结果比较

Table 2  Comparison of audition results using 30 Hz tone burst signal

用测试麦克风检拾声信号(为降低反射声对测量的影响采用近场测量的方式)利用计算机显示波形。图5和图6所示分别为使用T2和GG时测得的波形。

可见，在这2种情况下波形都发生了较严重的畸变。导致波形发生严重畸变的原因主要有2个：一是Audigy2声卡输入端低频响应不佳，其输入电容对短纯音信号的传输产生影响；另一方面，扬声器在发声过程中要经历受迫振动的启动阶段和阻尼振动的衰减阶段，因此，即使放大器采用直接耦合方式，扬声器的动作也不可能完全跟踪短纯音信号，这些都会造成输入到声卡的短纯音信号失真。使用任何前置放大器时都存在这种由检测系统和扬声器造成的失真。所以，使用GG和T2时测得的波形都会发生畸变。

图5  通过T2放大后的30 Hz短纯音信号

Fig.5  30 Hz tone burst signal by amplifing of T2

图6  通过GG放大后的30 Hz短纯音信号

Fig.6  30 Hz tone burst signal by amplifing of GG

但通过图5与图6对比信号在起始阶段和结尾阶段的情况，可看到前置放大器的影响。

不难看出，使用T2放大时扬声器的阻尼振动衰减过程明显要快，这就是使用T2时比使用GG时“嗒”声要短的原因。

使用GG时发出的“咚”声较响，是由于通过GG放大后，30 Hz的短纯音信号在开始阶段严重畸变，这种畸变所形成的频率高于30 Hz的多次谐波，不仅会在低音扬声器中反映出来，其中频率较高的部分还会通过分频网络进入中音扬声器。人耳对这些谐波比对30 Hz纯音信号要敏感得多，这些谐波分量的增加会导致主观感觉上响度增大。而使用T2时由于没有造成短纯音信号畸变，没有谐波分量进入中音扬声器。虽然低音扬声器在启动过程中也会造成短纯音信号的失真，形成谐波，但由于受低音扬声器频率特性的限制，中高音的发声效率较低，因此，这些谐波分量的响度比较小。并且这种谐波在使用GG前置放大器时也同样存在，因此，使用T2时总谐波分量要比使用GG时的少，发出的“咚”声的响度就会比使用GG时的小。

使用T2时，因谐波分量的响度较小，因此，会感觉到它在启动阶段发出的“咚”声的频率较低，能与接下去的30 Hz纯音形成比较顺畅的连接，听上去就不会像使用GG时那样产生明显的响度和音高的分离感。

声像的位置感也是由信号频谱决定的。由于声像牵引效应^[15]信号通过GG放大后产生较多的谐波分量从中音单元中发出，导致声像升高；信号中的中频分量响度增大，造成声像前移。

在一定范围内改变短纯音信号的频率，可得到类似的测量结果和试听结果。将其他电子管前置放大器与直接耦合式晶体管前置放大器进行比较，在多数情况下也能得到类似的结果。

RC耦合电路对音乐中的猝发性低频信号的起始阶段和结束阶段同样造成畸变，形成谐波。这些谐波分量会破坏音乐信号的瞬时频谱，造成相对的低频缺失感及声像上移、下潜不够等不良感觉。

3  前置放大器低频性能的定量描述

研究表明，通过对低频短纯音信号的试听，发现对低频连续纯音信号的试听能更有效地判断2台前置放大器在相同负载下的低频性能。通常认为，在一定负载下对音频范围内的低频连续纯音信号响应已经足够好的前置放大器，对低频短纯音信号的起始和结束阶段却会造成明显畸变。因此，用对低频短纯音信号的响应来评判前置放大器在一定负载下的低频性能，其分辨力比连续纯音信号的分辨力高得多。

由前面的分析可知，对f₀以上的短纯音信号，起始阶段的畸变与结束阶段的畸变是正相关的。一般前置放大器与后级功率放大器配接时RC耦合电路的f₀都远小于20 Hz。因此，利用这种正相关，在音频范围内，可用放大器对低频短纯音信号在起始阶段的畸变来描述放大器在一定负载下的低频性能。这种畸变可用信号在起始阶段的第1个幅值与稳定后的幅值之比λ=A₁/A_M来定量描述，其中，l称为响应系数。放大器低频性能的定量描述见图7。对同一RC耦合电路，l与测试用的短纯音信号的频率有关。为进行统一比较，规定对l进行定量测试时，一律使用20 Hz的短纯音信号。

图7  放大器和低频性能的定量描述

Fig.7  Quantitative description of low frequency performance of amplifiers

对比试听结果表明，响应系数l对低频听感的影响很大。通过组织对-3 dB低频响应不高于55 Hz的多套扬声器系统的试听，发现前置放大器与功率放大器配接时，若l小于0.9，则用交响乐节目进行对比试听，能明显地感觉到该前置放大器的低频表现不如直接耦合式晶体管前置放大器。用100 Hz以下的低频短纯音信号也能听出该放大器与直接耦合式放大器的区别。当l＞0.95时，用低频短纯音信号和交响乐节目试听，都很难感觉到其与直接耦合式放大器的区别。

因为l与通常意义下的低频响应是相关的，通过计算可知，若前置放大器与功率放大器配接，则当  l= 0.95时，配接过程对20 Hz的连续纯音信号的衰减小于-0.02 dB。可见，通常人们对放大器低频响应的要求是明显偏低的。

国家标准^[16]仅要求功率放大器在与前置放大器配接时(前置放大器的源阻抗为1 kΩ)的输入阻抗≥10 kΩ。采用输出电容的前置放大器与不同输入阻抗(一般晶体管功率放大器的输入阻抗在低频段都呈现纯阻性，可称为输入电阻)的功率放大器搭配时，l也不同。为保证与不同的功率放大器搭配时l较大，应将耦合电容设置得较大。对耦合电容较小的成品前置放大器，可通过加大耦合电容来改善其低频性能，但用这种方法时应考虑电容器品质对中高频表现的影响。

由于电子管前置放大器的负反馈回路往往也采用RC耦合电路，这会导致放大器对低频信号的负反馈量减小，低频增益变大。平常，这种低频增益的变大都被输出电容引起的低频增益下降所抵消，但当功率放大器的输入电阻很高或前置放大器输出耦合电容很大时，负反馈网络造成的低频隆起效应就会显现出来，影响低音的清晰度，破坏系统的平衡感。1台电子管前置放大器应与多大输入电阻的功率放大器配合，必须结合它的输出电容来考虑，使之与功率放大器配合时l足够大，又不形成低频隆起。这就是音响界公认的电子管前置放大器需要与特定的后级功率放大器搭配才能取得良好效果的主要原因。

理论上，采用直接耦合电路的晶体管前置放大器与直接耦合式功率放大器搭配，l恒为1。由于放大器的低频瞬态特性、幅频特性、相频特性都与l存在正相关，l→1的放大器系统在这3方面的表现都趋于理想。因此，采用直接耦合电路的晶体管前置放大器更容易获得良好的低频性能。由于电子管放大器具有音色温暖、醇厚的特点，目前，它在高保真音响领域的应用还很广泛，但通过优选元器件和电路设计制造的晶体管前置放大器的中高频音色已接近电子管前置放大器。因此，在高保真领域，晶体管前置放大器取代电子管前置放大器是一种必然趋势。

4  结  论

a. 用短纯音信号代替连续纯音信号对放大器进行客观测量和主观试听，有较高的分辨力。

b. 响应系数l与放大器的低频瞬态特性、稳态特性都存在正相关，因此，通过测量l，能较全面了解放大器的低频性能。

c. 直接耦合式前置放大器与直接耦合式功率放大器配接时，响应系数l恒为1，有最佳的低频表现。

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收稿日期：2008-04-10；修回日期：2008-06-08

通信作者：张平柯(1956-)，男，湖南浏阳人，副教授，从事电声学研究；电话：13907314207；E-mail: zhangpingke@126.com