音频失真是什么? 理解非线性失真

电路

了解系统非线性如何创建失真的音频信号，影响我们听到的声音。我们将检查正弦波，谐波和互调失真。
我们花了很多时间思考和讨论音频的失真，有时甚至听它，但它到底是什么，为什么它很重要？
通常有两种类型的失真:

频率失真ーー带宽不足和频率响应在带宽限制之间的非平坦性

硬件非线性引起的非线性失真。

本文是关于非线性失真，因为频率失真是一个现代设备很少的问题。非线性失真常被误称为“非线性失真”。然而，失真并不是非线性的，而是硬件设备的非线性。
正弦波ーー音频信号的构成模块
一个很好的开始是解释一个正弦波信号(图1)只有一个频率。在音频频率下，可以听到单音的正弦波。

图1正弦波信号

设计者可以从许多正弦波的集合中构建所有其他的波形。除了正弦波之外，还可以从其它积木式信号建立波形。然而，构建块信号、过程和数学可能更加复杂。因此，似乎没有必要为了音频而走这条路。
正弦波是由多种形式的自然振动或振动产生的。考虑时钟的平衡轮，它有一个水平轴。如果我们在轮子的边缘做一个标记，并从侧面观察它，标记的高度以上(和以下)的车轴描绘出一个正弦波的时间。
非线性造成音频失真
非线性失真是由音频信号路径中的某个设备产生的输出振幅与输入振幅不严格成比例而引起的。这可能是一个音频放大器，甚至是一个失去光泽的连接器。这种非线性使信号失真，使得输出波形不同于输入波形。
现在，无论输入波形是什么，都可以认为是多个正弦波的和，输出波形也是如此。尽管如此，由于波形不同，输出波形包括不在输入波形中的正弦波分量。它们是扭曲的。
对于输入信号的每一个正弦波分量(称为基波) ，非线性产生的信号是该分量频率的倍数，称为谐波。双频谐波称为二次谐波或二阶谐波。三倍频率的是三次谐波。这些新的信号是谐波失真分量。
图2显示了一个非常糟糕的电路的输入和输出信号，这个电路产生了20% 的二次谐波和10% 的三次谐波。二次和三次谐波信号加到输出信号中会使信号失真，使其不再是纯正弦波。这些高失真的数字是选择显示的影响清楚。

图2。非线性失真的例子。纯正弦输入信号为棕色，失真的输出信号为黑色

二次谐波总是使正半环与负半环的形状不同。在这个例子中，三次谐波影响信号的峰值。那是因为我选择了，三次谐波的相角，相对于基波的相角来做这个。不同的相位角会引起不同的形状变化。
乐器中的和声例子
几乎所有的乐器(和人声)所发出的声音都含有许多谐波。例如，正弦波是由陶笛产生的，陶笛是一种类似于口琴的小型手持管乐器，正如它的名字所暗示的，在每个音符中产生大量的谐波。
增加一些更多的和声会改变音调或音色。除非增加的音量很大，否则任何人都很难察觉到这种差别，除非他们能够分辨出斯特拉迪瓦里小提琴和瓜内里小提琴的声音。
图3显示了小提琴的谐波谱。频谱通常是功率或电压与频率的关系图。

图3. 小提琴的频谱显示为谐波倍数

制作一把好小提琴的艺术在于选择合适的木材，对它们进行处理，然后将它们塑造成最理想的和声振幅组合。“最想要的”可能是“醇厚”或“令人兴奋”，这取决于音乐类型或仅仅是个人喜好。
然而，如果额外的谐波的增加是显着的，一个新的影响成为听得见的。非线性产生的谐波正好是原始频率的两倍、三倍等。大多数仪器产生的谐波实际上应该被称为“分音”，因为它们不是最低频率(基频)的精确倍数。
对于某些乐器来说，这些泛音的声音和基音一样响亮，甚至比基音还要响亮。例如，笛子产生的基波和二次谐波几乎相等。
部分和最近的谐波产生一个新的频率成分，出现在部分和谐波频率之间的差异。这个属性总是比两者的频率低得多，这是一种倾向于使声音变得粗糙而不是平滑的咆哮。
同时产生的是一个新频率的部分频率和谐波频率之和的组分。这个新的频率不会对合成的声音产生太大的影响，但是它的频率要高得多，并且可能与处于这个更高频率范围内的其他信号成分发生冲突。
值得庆幸的是，除非非线性非常严重，否则新的频率分量在差频和和频率上的影响是最小的。
不幸的是，这还不是全部。非线性还导致输入信号中两个分量的每个组合出现这些和差频率的信号。这些新的频率被称为“互调失真分量”。'
互调失真
这些成分更加严重，许多新的频率的影响通常是非常可听的，即使非线性是相当温和的。那么为什么我们主要讨论和测量谐波而不是互调成分呢？
有两个原因。首先，它过去更容易测量谐波，但这不是一个问题与现代数字仪器。其次，我们用最简单的输入信号——正弦波——来测量谐波。
为了测量互调，我们必须放入至少两个信号，它们都可以是正弦波，但我们应该使用什么频率，它们应该具有相等的振幅(电压)还是不同的？
直到20世纪70年代，人们对此还存在很多困惑，人们做出了不同的选择，所以他们的结果是无法比较的。随后，大多数国际音频社区达成了一项国际协议，并派代表参加了国际电工委员会的一个技术委员会。该委员会指定了两种互调失真: 差频失真(以前称为 cir 失真)和调制失真(SMPTE 失真)。
差频失真(见图4) ，因为是暗示，措施的相对振幅1khz 差频信号产生的两个相等的高频信号，如19千赫和20千赫。这是一个更重要的评价，因为它是一个测量线性在高频率，其中失真减少效果的负反馈往往是较少的。在图4中，19千赫和20千赫的输入信号产生了两个失真信号:

差分信号在1khz (20-19 = 1)
和信号在39千赫(20 + 19 = 39)

图4. 差频失真

调制失真使用低频信号和更高的频率信号在较低的电压，通常是四分之一的其他信号。例如，信号可能是80hz 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:

差分信号在4920hz (5000-80 = 4920)
和信号在5080赫兹(5000 + 80 = 5080)

图5. 调制失真

它也可以测量其他互调分量产生的输入信号分量的谐波。例如，如果我们有两个输入频率 f1和 f2，在2f1 ± f2和2f2 ± f1处有互调分量，还有我们已经看到的 f1-f2和 f1 + f2。但是这些并不能告诉我们更多关于被测设备性能的信息。
我们应该得出的结论是，我们应该消除所有的非线性来源，以免损害再生的声音。然而，我们必须在放大器中使用的器件，即晶体管(或者过去的阀/管) ，本质上是非线性的，所以我们必须使用精心选择的设计技术来尽可能减少非线性。

杨军 · 2022-4-12 14:53:00

可以

jiciwi · 2022-4-13 10:34:07

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