HIFI放大器低噪聲的重要性

噪聲（或噪音）有什么影響？是不是越低越好？低噪聲的要求是不是非常重要？關(guān)于HIFI放大器的噪聲問題，大家可能會有不同的認(rèn)識，就這個問題梳理一下，希望和大家分享、探討。

一、對噪聲的一些看法

很多朋友認(rèn)為HIFI放大器低噪聲是很重要的，也有朋友可能并不這樣看。首先讓我們來看下下面的一些看法：

1）欣賞音樂時，我沒有聽到任何噪音，所以沒有問題；

2）底噪太干凈了，會有不真實感覺。適當(dāng)?shù)脑胍艨梢栽黾蝇F(xiàn)場感；

3）低噪聲會導(dǎo)致過于表達(dá)音樂的細(xì)節(jié)，影響聽感和欣賞音樂的專注度；

4）低噪聲會暴露放大器的缺點，影響聽音樂的感覺；

5）音樂作品中的噪音和放大器產(chǎn)生的噪音的影響是相同的；

6）低噪聲可以讓背景更安靜，但不會改變作品的音樂表達(dá)；

7）放大器的信噪比指標(biāo)達(dá)到要求，噪聲再低沒有多大意義；

8）過于追求低噪聲會導(dǎo)致聽音理念的偏差，過于追求參數(shù)而偏離藝術(shù)；

9）聲音的遮蔽效應(yīng)，音樂聲蓋過噪聲對噪聲進(jìn)行了遮蔽，噪聲大一點也不會影響音樂欣賞。

那么，這些看法對嗎？

二、噪聲和來源

我們來回顧一下噪聲和主要的來源。

噪聲具有隨機和持續(xù)的特征，對于一些突發(fā)而不持續(xù)的信號（除需要傳遞的信號外），有時被稱為干擾聲。這里，我們就只討論噪聲。

下圖是一種噪聲的波形圖和與交流正弦信號波形的比較。

圖一、噪音和正弦波信號的波形比較，摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F(xiàn).Alton Everest and Ken C. Pohlmann

對于HIFI放大器，噪聲是除希望傳遞的音樂和人聲信號以外的任何或全部的其它信號（干擾聲除外），這些噪聲從哪里來？以下是一些可能的途徑：

1）音樂作品中含有的噪聲

音樂作品在錄制制作的過程中都會帶入噪聲，比如錄音棚里的背景聲、空調(diào)聲、器材產(chǎn)生的噪聲，等等。

2）放大器產(chǎn)生的噪聲

放大器接收和產(chǎn)生噪聲的途徑有很多而且機制也很復(fù)雜，主要的有電阻元件的噪聲（Johnson噪聲）、半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的噪聲、交流電源產(chǎn)生的紋波聲（也叫交流聲或哼聲）、電網(wǎng)傳遞來的各種混雜的信號產(chǎn)生的噪聲、由于受外界無線電波干擾或電磁感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲、放大器自身工作不穩(wěn)定（如自激振蕩）產(chǎn)生的噪聲，器件（如變壓器）震動產(chǎn)生的噪聲，等等。這里我們不討論放大器失真帶來的影響。

3）前端器材傳遞來的噪聲

前端器材也會帶來一些噪聲，前端器材的輸出電阻產(chǎn)生的噪聲、前端器材放大和傳遞信號時產(chǎn)生的噪聲、連接線接收到的干擾聲、電源和地形成的環(huán)路哼聲，等等。

4）環(huán)境產(chǎn)生的噪聲

聽音的周邊環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，如空調(diào)工作的聲音、電腦風(fēng)扇的聲音、外界傳來的其它聲音，等等。

三、信號

我們不妨把希望傳遞和放大的器樂或人聲的音頻信號叫做"信號"，以區(qū)別于上述的"噪聲"和"干擾聲"。來回顧一下信號的基本特征吧。

圖二、小提琴分別發(fā)出E音和G音時的頻譜圖，摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F(xiàn).Alton Everest and Ken C. Pohlmann

從上圖中可以看到，小提琴的琴弦分別發(fā)出E音（659Hz）和G音（196Hz）時，除了基波的頻率，同時還發(fā)出很多次的諧波（或稱泛音）。實際上小提琴可以發(fā)出聲音的頻率（也是基波的頻率）的范圍是196～3136Hz，而其諧波的頻率范圍可以高達(dá)4～15kHz（摘自："實用錄音技術(shù)，第六版"，Bruce Bartlett, Jenny Bartlett, 朱慰中譯）。

這是小提琴的例子，其它的樂器和人聲也是類似的情況（個別特殊樂器如鼓、鈴、鋼琴等的泛音并不是與基波頻率有倍數(shù)關(guān)系的諧波）。

聲音的兩個基本的特征

我們可以總結(jié)得出下面的結(jié)論：

1）聲音信號是由基波和大小不一其中很多微小的諧波（或泛音）組成的

諧波很多而且幅度大小相差較大，一般比其基波的幅度小很多，趨勢上隨諧波的階次的提高逐漸減小，也就是諧波頻率越高其幅度越小；

2）諧波（或泛音）反映了器樂或人聲的特征和音色

正是不同的諧波的組合用來辨別一個樂器而不是另一個（比如是小提琴而不是小號），或相同樂器而不同的音色。

需要說明的是，比如同一位演奏家演奏不同的小提琴，會有不同的音色，而不同的演奏家演奏同一把小提琴也會有不同的音色，其原因也是因為諧波發(fā)生了變化。

四、噪聲對聲音的影響

噪聲是怎樣影響聲音的？最直觀的情況就像下圖表示的，加入噪聲后信號發(fā)生了變化。

圖三、模擬信號加上噪聲后的情況，摘自："Digital Interface Handbook， Third Edition", Francis Rumsey, John Watkinson

這是大家比較熟悉的情況，很明顯，信號受到了噪聲的污染，問題有多嚴(yán)重呢？可能還說明不了什么問題，我們來做點分析。

1、從頻譜看

先看下面的圖：

圖四、圖一中噪聲的局部波形圖。摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F(xiàn).Alton Everest and Ken C. Pohlmann

噪聲的波形看似是沒有明確的規(guī)律性的，較難用理論（數(shù)學(xué)）工具來定量分析，為了可以做定性的分析，我們做一些近似的假定，特別在噪聲中含有交流聲時（交流聲是周期性的），我們把噪聲的波形假定為周期性的非正弦波，或周期性非正弦波的組合。這樣，就可以利用傅里葉級數(shù)的理論來做進(jìn)一步的分析了。

傅里葉級數(shù)是說，任何一個周期性的非正弦波，都可以分解為一系列不同頻率的正弦量之和。

那么，任何噪聲也可以像上面小提琴的聲音一樣，可以被分解和看作是很多不同頻率的正弦波的組合。下圖是一個噪聲頻譜的示例。

圖五、一種噪聲的頻譜示意圖，摘自：網(wǎng)絡(luò)

以上面的小提琴為例，把小提琴的頻譜圖和噪聲的頻譜圖疊加在一起，就得到了另一個新的頻譜圖，是一個被改變了的不一樣的頻譜圖。按上面聲音的兩個基本特征的分析，小提琴的聲音特征和音色將發(fā)生變化。

小提琴是這樣的情況，其它聲音也是相同或類似的。

但有一個前提，噪聲的頻譜幅度相對信號的幅度是有意義的，也就是，噪聲的幅度是不能被忽略不計的。

2、從幅度看

我們再從幅度的角度看噪聲如何影響聲音。

1）信噪比

信噪比是用幅度來衡量的性能指標(biāo)，簡單來說，就是在放大器額定輸入和輸出條件下的輸出電壓（一般就最大不失真輸出電壓）和輸入電動勢為零時的輸出電壓（也即是噪聲電壓）的比值再計算得到。公式為：

信噪比=20Log（最大不失真輸出電壓/噪聲電壓），單位為分貝（dB）

按國標(biāo) "GB/T 14200-93高保真聲頻放大器最低性能要求"規(guī)定，信噪比（未計權(quán)）的最低要求為：前置和合并放大器58dB、后級放大器81dB。

這里，測量信噪比，有以下的情況：

a、放大器工作在最大不失真輸出的狀態(tài)

這是放大器受失真限制（失真指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)或廠方提供的數(shù)據(jù)、不出現(xiàn)削波）的最大工作狀態(tài)，也就是音量電位器旋鈕被順時針旋到了不引起失真的最大位置；

b、輸入信號的電動勢為額定值（測量最大輸出電壓時）

按照國標(biāo)"GB/T14197-2012音頻、視頻和視聽系統(tǒng)互連的優(yōu)選配接值"的要求，接入功放的輸入信號最小源電動勢不小于1V。而國標(biāo) "GB/T 14200-93高保真聲頻放大器最低性能要求"規(guī)定的功放的過載源電動勢不小于2V?；旧峡梢园言措妱觿莸闹到瓶醋魇切盘栯妷旱闹?，也就是說額定的輸入信號的電壓必須要大于1V，具體可以大到多少，要看放大器的輸入過載能力，一般必須要能夠承受2V的輸入信號電壓。實際上，一般的CD機的模擬輸出電壓是2V有效值（RMS），一些解碼器輸出更高的4V有效值（RMS）的電壓。

c、輸入信號的頻率為單一頻率

信噪比的測量并不要求輸入信號要模擬實際的音樂信號，也就是有基波和諧波的組合，而一般為指定頻率為1KHz 的正弦波作為測量輸入信號。

2）信噪比達(dá)標(biāo)，就沒問題了嗎？

信噪比反映了放大器的性能水平，但還是不能阻止以下情況的出現(xiàn)：

a、不在最大輸出位置工作

和測量時不同，現(xiàn)實中，是沒有人（或者幾乎沒有）會在最大輸出的狀態(tài)下聽音樂的，反而是經(jīng)常在接近最?。ㄓ袝r是被衰減）的工作位置欣賞音樂的。在工作狀態(tài)向小的方向變化時，信號對應(yīng)的輸出電壓相應(yīng)的減小，因為噪聲是放大器的整個電路綜合產(chǎn)生的，所以噪聲并不會按相同的比例減?。ㄌ貏e當(dāng)交流哼聲在噪聲中占主導(dǎo)地位時，哼聲很多時候不會隨音量的減小而減小，有時反而會增大）。

因此，在實際工作情況下（絕大多數(shù)的情況下），放大器的信噪比性能是不能被保證的。

b、不在音量為零的位置工作

同樣，現(xiàn)實中，也沒有人在音量為零的位置欣賞音樂。也就是輸入的信號必須被放大（有時是衰減）到一定的程度（一般認(rèn)為85dB聲壓級比較適合欣賞音樂），這樣輸入端的噪音也同樣的被放大（或傳遞）到一定程度。

c、輸入信號不是單一頻率、幅度不是額定值

現(xiàn)實中，也沒有辦法保證所有輸入信號都能維持在額定值，特別是上面說到的，音頻信號中含有的許多諧波（或泛音）。那么，問題是，能不能確定，某個弱小的音頻信號或諧波會小到什么程度？應(yīng)該是不能。

這樣，一定程度的噪聲和不能確定有多?。ūM管也被同樣放大）的微小信號或諧波（或泛音）疊加在一起，會產(chǎn)生什么樣的結(jié)果？聲音信號的某些部分被噪聲改變或淹沒，聲音會發(fā)生變化。

下面的表格，可以進(jìn)一步說明。如表，在一個樂隊中，不同的聲音的強弱（或信號幅度）的大小差別是巨大的。

表一、交響樂隊現(xiàn)場演奏時各種樂器的最大功率峰值。摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F(xiàn).Alton Everest and Ken C. Pohlmann

我們不妨計算一下，按額定輸入信號電壓2V有效值來對應(yīng)70W的樂隊整體，對于最小功率樂器的最大峰值所對應(yīng)的輸入信號電壓就只有53mV有效值了。這時的信噪比已經(jīng)下降了31dB，前面國標(biāo)所要求的最低性能指標(biāo)，實際分別降到了27dB和50dB。如果計算實際使用時的數(shù)值（非最大峰值、非最大輸出狀態(tài)），再考慮對諧波的影響，實際信噪比將會更大幅度的降低?？梢娨魳沸盘栔校杏玫男盘柗瓤梢苑浅５男。傻偷铰犛X閥值的聲壓級水平），實際的信噪比也可能非常的低。

五、什么情況下噪聲的影響可以被忽略？

兩種情況下，噪聲的影響應(yīng)該可以被忽略。

1）噪聲的絕對聲壓級（經(jīng)過放大以后）在聽覺閥值以下；或者

2）根據(jù)1/3原則，噪聲的幅度大小比相同頻率的信號的幅度小2/3以上?；蛘哒f，噪聲頻譜每個頻率上的幅度比信號頻譜上相同（或相近）頻率上的幅度小2/3以上，并且不出現(xiàn)新的諧波。

不過，不管是哪種情況，要達(dá)到的條件都是非?？量痰?。

六、結(jié)論

通過上面的分析，噪聲對聲音是有很大影響的，這種影響是不是都是有害的，還是有時可以是有益的？

對于音樂作品中的噪聲，錄音師可能會從藝術(shù)的角度，允許或加入一些噪聲，作為藝術(shù)創(chuàng)作的一部分。

而對于放大器來說，噪聲只能改變或淹沒音樂作品中的一些細(xì)節(jié)，使重放的作品不再真實。而這些細(xì)節(jié)恰恰是HIFI放大器不可缺少的，特別是高端HIFI（這些細(xì)節(jié)正是確認(rèn)是否是高端HIFI的重要元素）。