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【科普】关于音频系统中的直流偏移

(2014-10-08 09:14:26)
标签:

直流

偏移

保护

分类: 杂七杂八
  正常情况下,音频系统中的输入输出都是交流信号,不存在直流分量。而在某些情况下,系统最终输出信号中出现了直流分量,这时便认为系统发生了直流偏移(DC Offset)。
  首先说一下怎么看是否存在偏移。先给图,当然是拿最简单的正弦为例。
【科普】关于音频系统中的直流偏移
图一是标准正弦,没有偏移。
图二整体往上移动了一点,有一些小偏移。
图三偏移很大,信号直接变成了脉动直流。
图四偏移极其严重,偏移比信号本身都大。
  那么扩展到波形复杂的真实音频信号又该怎么看呢?答案是用积分。把一段时间的整个信号正负部分都积分起来,积分结果约等于零则不存在直流偏移。
  接下来就说说直流偏移的危害。
  轻微的直流偏移会使得耳机/喇叭的音圈不在磁隙最佳位置,对声音效果有影响。
  而严重的直流偏移则会使音圈剧烈发热,音圈胶融化,线圈烧毁,振膜在巨大的磁推力和音圈热量作用下变形损坏。
  在这里说一下个人经验中的系统输出直流偏移允许量(正常播放音量下)。耳塞系统为5mV,大耳机系统为20mV,音箱系统为50mV。这个范围内的直流偏移,对系统安全和音质都没有影响。
  然后说说哪些情况会使得输出发生直流偏移。首先把问题分为两大类,第一类是音频文件本身存在偏移。一般情况下,混音合格的音频是不允许存在直流偏移的。而那些自己录制的,比如网上的翻唱歌曲,则有可能存在直流偏移。但是这种偏移也不会太大,不至于造成系统损坏。你也可以简单地使用各种音频编辑软件偏移消除功能使它们变得正常。只有数据已经损坏的音频文件,或者是特意制作的直流偏置文件,才会有非常大的偏移。
  制作者可以故意降低文件中正常音频的电平,使得你需要开大音量才能听的清声音,而事实上,巨大的偏置已经慢慢载入,当你发现声音异样的时候,就已经晚了。
  第二类情况是设备故障,也分为很多情况。而且一般都很严重。
1.台式系统连接错误和接地错误。音频线连接错误或者接触不良,设备之间的地线电位不完全相同就可能造成直流偏移的产生。
2.电路中各种位置短路。比如放大管击穿,隔直电容击穿,信号链路中各部位对高电平短路。
3.某些部位开路。比如反馈开路,信号链路中某些部位对地开路。
  设备故障造成的直流输出一般都很大,而且很多情况下较低的音量调节并不能使得直流输出变小。网上那些因为没有直流保护的功放故障而直接将昂贵的音箱烧到冒烟的惨痛教训比比皆是。
  也许玩耳机的烧友会说很少听到这种事情,那是因为台式耳机系统一般都有保护。而且很多是双重保护。而现在正在发展的随身HIFI设备,很多都因为体积成本等限制,并没有加上保护。以前的老随身播放器,输出功率远没有现在国砖那种恐怖的程度,就算故障也不至于损坏耳机。近年那些随身播放器的极限输出电平和超大输出电流,一旦出现故障,足以使得耳塞甚至是低阻大耳直接报废。
  现在讲讲保护措施。
  针对第一类文件问题的情况,你只要别开大音量,就算机器没保护,也不至于损坏耳机的。
  第二类情况就有很多解决方法。
1.隔直电容(耦合电容)。这是最常见的方法,电容能直接隔离直流偏移。输入耦合可以去除输入信号的偏移。级间耦合可以去该级之前的偏移。输出耦合则可以去除整个系统的偏移。不过也要注意,电容漏电或者击穿失效的概率不低,而且耦合电容会给低频下潜和整体音质带来负面影响。
2.耦合变压器。输入牛,推动牛,输出牛这些同样可以去除直流偏移。而且很多情况下还能明显调节声音的味道。变压器的线圈间击穿概率也比电容失效低的多。但是,变压器的失真会比较大,且低压大电流输入的变压器不好做,所以一般常见于胆机等高失真高电压放大器。
3.输出保护装置。既然耦合电容和牛都会对音质有劣化,所以现在的系统都往全直耦方向发展。全直耦,就是从DAC开始一直到输出,全部直接(直流)耦合,频响可以延伸到直流(0Hz)。而此时的系统保护就必须专用的电路(耳机保护电路/音箱保护电路)。它一般是由偏移检测电路和输出继电器组成。你开关机听到啪的声音就是继电器动作。
偏移检测电路有很多种做法,最常见的是直流偏压检测,它会对输出信号进行积分,如果一段时间内的偏移超过阈值就会断开输出继电器,从而切断耳机和设备的连接,保护你的耳机。
  以上方法对音频文件的问题也可以起到保护作用。
  最后说说怎么看你的设备有没有输出保护。
  首先,请下载直流保护阈值检测音轨。它是一个缓慢增加的直流偏置文件。一共50秒,每秒增加2%的偏移。在设备输出上接上合适阻抗的负载(与你常用耳机相近)可以用炮灰耳机或者纯电阻负载,然后同时接上万用表直流档监测电压。把音量开到较高,播放文件开始测试。
   如果发现始终就没有电压输出,那你的系统一定有哪里不是直耦合的。如果到达某个值,输出突然归零,并且有电位器啪的动作声,这个电压值就是保护阈值。阈值太低可能导致播放大动态音乐时候误保护,过高则可能起不到及时保护的作用。如果一直不保护,音量拧最大,输出好几伏电压还是不保护。。。那恭喜,你的设备没有保护或者保护失效,炮灰塞应该已经炮灰了。

FAQ
直耦机必须加保护?
这和开车系不系安全带,骑摩托戴不戴头盔,XXXX戴不戴安全X一个道理。你觉得出人命or“出”人命没事那就可以随意作死。你觉得耳机烧掉没事,那就不加保护。

怎么样音质最好?
当然是全直耦合,全直耦合的低频响应和相位偏移都完爆任何电容or变压器耦合的设备。当然,会有烧线材的说继电器影响音质? 好吧,我以后有实力了给你们玩玄学的出一批5N无氧铜弹片+纯银镀金触点的继电器。。。当然事实上纯铜不适合做弹片,可以考虑磷青铜或者铍青铜弹片外加7N单晶铜直接飞线到触点的方案。

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