HIFI頻域介紹 @ ALTEAM 一路走來歡沁有你

你能聽到多少的HIFI頻域？
對喜愛音響的初學者來說,音響組成的各種規格看起來特別麻煩。並不是文字的困難,而是技術規格與音響特性的關係無法聯繫在一起。例如,很明顯的,一百瓦的功能要比十瓦來得好,但是若有某一規格數目字是另一個的兩倍時,性能是否好兩倍？進一步說,要好到什麼地步才夠呢？
這些問題看似簡單,也很當然,可是非常難答,原因很多,總括來說,癥結在於如何找出客觀測量到的聲波性質與主觀感覺到的聲音之間的關係。音響神經學是聽覺科學的一支,研究各種環境之下,耳和腦的工作性能如何影響聽到的聲音。

頻譜
一開頭,我們應該了解,音響組成的最終作用是滿足聽者的耳朵。依照耳朵的特性與限制,決定如何設計音響組成。基於以上的理由,聽覺和音樂知覺作用的特殊關係值得一探究竟。
聽覺的兩個特質是頻譜的感覺和響度的感覺。當兩者隨著時間而變化時,聽起來更有意義。這麼說一點也不過分：所有的規格和聽覺現象都是由這兩個基本特質變化合成而來。
頻譜和音調及音色有關。兩種樂器可以發出相同音調的聲音而音色顯然不同。音調隨頻率而變,不過不是直接的關係,頻率就是單純音每秒鐘完全振動的次數,單位是赫茲(Hz),仟赫茲簡寫成(KHz)。單純音呈現正弦波,利如空氣壓力對時間的變化,其在示波器上的波形如圖一所示,這種單純音在音樂上並不怎麼有趣。音色是由波形複雜化而成,圖二是豎笛吹出的聲音,純正弦波為基本音調,加上豎笛所特有的諧波,就比較有趣了。換句話說,樂器的每個聲音都由其獨特的頻譜導致,基本音調配合諧音而成。

音調是對音波頻率的主觀反應。頻率越低,音調越低,記住,這關係並非直接。音調劃分度數的單位是mels。圖三說明主觀的mels和客觀頻率的關係。摺疊的大插圖說明音階和頻率的關係。圖三高頻端五仟赫茲以上並未提供什麼重大的音調效果,原因之一是範圍太緊縮,五千到兩萬赫茲只代表了mels的末端,而五仟赫茲以下的頻率卻佔了大部分;此外,高頻時若合成所佔角色太重,則對耳朵刺激性太大,沒有什麼音樂上的價值。圖三的數值是在強度相當低的情況下決定的,而增加強度時,音調也跟著變。圖四顯示當強渡逐漸增加時,就像演奏時必有的現象,暫時音調發生變化。
圖四所包含的音量範圍由極弱到極強,當音量保持平常水準,主觀的音調保持一定。這對原音重現有什麼影響呢？很明顯,如果重現的音量與原音不同,就會有改變,這在音樂上的意義很重大。

圖五的說明是靜態的長時期平均值,不能表示聲音的變化特質。然而,就是這些變化及組成的方式構成了音樂的本質。人耳的作用猶如精密的聲頻分析器,對聲頻特性有一些不尋常的快速反應能力。辨識樂器,不僅看聲音的諧波結構,還要看構造對時間的分佈或變化。說也奇怪,對耳朵而言,聲音頻譜的長時期平均值不若短時期來得重要,所以音響系統的頻率響應保持平順非常重要。頻率響應出現尖峰或凹谷時,會引起同頻共振,峰越高越尖,作用越顯著。產生選頻振鈴。光用正弦波測試頻率響應顯示不出振鈴現象,所以要用猝發音測試來評估音響裝置,尤其是揚聲器。明顯的振鈴或共振現象顯示此裝置開關時會有音爆(見圖六a與b)。
這種共振現象使得聲音頻譜的各種組成對時間有不同的變化。這種選擇性不必要的耽擱改變了樂器聲音的特質,尤其剛開始發聲的時候。揚聲器,範圍再小就是指麥克風,為引起這種反應的主要元件。揚聲器的主要毛病之ㄧ在於能量推動著聲線圈之後,需要一段時間才能傳到錐面,發射聲音。

因為自然界找不到絕對沒有回音,堅挺,沒有重量的東西,錐體本身不可避免地會有共振產生。材料的種類及回聲的程度決定性能的好壞,但是只要能夠設計使得聲頻電訊的整個發射面同步前進,一開頭就將問題避免了。現在有很多靜電揚聲器和最近發展的動態揚聲器,能使驅動力分配到整個發射膜片上,這種設計使得發射平面沒有強應力的彎曲面,因此共振趨勢大大減少,錐體每部分同相位,通常使得音感透明。
一但聲波的全部頻率平衡達到了,暫態響應的因素就很重要了。揚聲器的時域行為並未受到很多注意,不過是樂音自然重現的最重要項之一。頻率響應大致相同的揚聲器有時聽起來不一樣,那是因為聲音經由不同的設計傳入房間,房間內特殊牆面的反射嚴重影響人耳所聽到的聲音,通常普通房間裡聽到聲音的頻率響應直接傳至耳中的聲音與房內各平面反射聲音的總和。

頻率範圍(一般稱作頻率響應)是HiFi規格最普遍的一種。10到35千赫茲的響應頻率比15到25千赫茲好嗎?音頻擴大器比較容易做到幾乎所要的任何頻率響應;錄音機裡,尤其是揚聲器和拾音器,偏差大得多且更具意義。若擴大器的頻譜有所不同,通常是在磁聲相等區域。相等性應遵從RIAA標準,正確到－dB以內,如此對音質的影響才可不計。不幸地,拾音器與放大前級的磁聲輸入線路有很複雜的相互作用。這種響應偏差有多嚴重？(通常顯示成高頻與低頻的平滑下降曲線,而非急降或驟升)。答案牽涉到前面所提的聽覺兩顯著特質之ㄧ─響度的感覺。

響度
音響精神學早已發現：主觀的響度和客觀的聲音強度絕對是兩回事。其間的差別除了前述的音調對頻率的效果外,信號頻率與強度有更大的的影響。

歷史上看來,樂器和演奏性能依據人類聆聽評估才有了發展,現代音樂的特殊聲音都經過我們祖先的挑選。圖七的數據表示響度和頻率的關係。注意最低三個音程等響線都擠在一起,整個響度範圍相對的空氣壓力範圍非常小,聲音愈低需要愈多的能量才能聽得一樣清楚。這些聽覺現象對音樂有三種深遠的影響：一.低音需要更多的物理能量才聽起來和中音一樣響,所以吹奏低音樂器比較費力。二.低音較沉的部份,人耳所能聽到的聲壓包含了40dB的小範圍(見圖八,較中頻少了約40dB),而且通常低音的動態響度變化還要更小;即使用最講究的錄音方式,也會使低音沉悶或是聽不見,除非再發時能恢復原有的音量。低音愈沉,動態範圍愈寬,愈難錄音和再發。三.因為低音具有大量能量,聽者不變的經驗對他軀體外表的影響和對耳蝸一樣。

很清楚地,低頻聲音聽起來和中頻、高頻不太一樣。我們已經知道某特殊響度的聲音若以另一響度重發,將會改變音調。你也許會問為什麼？懷疑自然是否少給了我們的聽覺器官某些東西。比較所有的頻率、響度失真,你也許會判定我們耳朵的性能比中等的HiFi系統還差。事實當然不止於此,有很多適應和進化的原因,使得我們的聽覺性能比其他各種可能型式來得更高明。關於這點,有件重要的事你得知道：耳朵對於對照顧顯著的聲音聽覺反應較多,對連續穩定的聲音反應較少。(這點和味覺、嗅覺沒什麼不同)。
音樂大部分是在室內欣賞的,因為有反射的關係,聲音強度對距離的變化不大。通常聲音強度和距離成平方反比的關係,距離加倍,強度變成四分之ㄧ。小房間內2到3呎距離,大房間內8到10呎距離,這個關係不成立。一般來說,特別的樂音有特殊的強度水準,聽起來有特殊的響度。
動態範圍及其使用方法在音樂價值上最為重要。響度範圍極大小值之比和品質好壞有很大的關連。演奏時必須配合環境,產生所要的主觀效果。這些判斷用在錄音和廣播時又如何呢？錄音帶以及現今所用的一切錄音、播音電路元件都有動態範圍的限制。信號太小會有雜音,信號最強又會失真,除非範圍縮小不能避免。廣播方面的特別趨勢是應用緊縮作用,成為背景音樂型式的改聽,不然最微弱的訊號會被環境裡的雜音干擾,坐在汽車裡就夠嚴重了(通常家裡要比音樂廳安靜)。
現在最佳錄音方式避免過度的擠壓,怎樣才算過度要由我們耳朵的要求與限制、收聽的環境以及儀器功能來決定。判斷我們需要的音響系統以前,必須先看音樂的響度範圍。
收聽動態音樂是觀察者的主觀動作,應用主觀的響度感覺做單位;這個單位叫 sone ,和圖八中客觀的聲音強度相關聯。音樂的暫時響度最高大約200到300 sone ,為最大的舒適範圍,最低值大約0.5 sone 。音樂演奏的最低音量由周圍地嘈雜情況決定。聲音的壓力範圍包括有80到85dB,換成主觀範圍大約500 : 1 。80dB的動態範圍實在不常有,50到60dB比較普遍。通常,音樂的響度由幾個到幾百個sones 。
擴大機的音量控制並不影響訊號的動態範圍,只是將訊號範圍的響度整個提高或降低。如果節目信號包括所有的動態範圍,當音量控制轉小時,可能低階干擾,部分音樂連同失真一塊聽不見了。由此易見：動態範圍和響度極大值的相互關係決定了其他規格的音響意義。了解耳朵的幻覺和錄音放音先天的技術問題,我們能有現在的局面實在是個奇蹟,應用塑膠、金屬、纖維質或共振紙造成的喇叭,居然能夠模擬複雜的音樂。不過回頭想想,樂器也是用象牙、貓腸、牛皮還有馬毛等等,我們不會很刻意去想到的材料所製成,就會覺得莞爾了。