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如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)

(2011-02-07 19:34:03)
标签:

放大器

thd

it

分类: 发烧理念

THD,中文叫“总谐波失真”,是HI-FI器材的一项重要技术参数。由于这个世界上不存在完美的线性放大,一切放大器的输出信号和输入信号相比,总会多出一些额外的谐波成分,习惯上用百分比来表示,就是我们熟悉的百分几之的THD数字,现代的HI-FI放大器的THD数字都在1%以下。

 

如何测量一台耳机放大器的THD?应该在什么功率输出和负载的条件下测量THD?可能不少发烧友都是概念模糊的(包括我在内),最近由于SOLO耳放的指标问题,我和其设计者Graham Slee先生有了一些这方面的交流。这是一位有着多年专业音频工作经验的资深音响工程师,这里把他对这个问题的看法和实际做法翻译介绍出来,供大家参考。当然注意这只是他的一家之言。

 

当然在此之前大家必须先注意一个问题:光是THD做得非常小,是不能保证一台放大器的音质一定很好的。一个经典的、经常被提及的例子是,1970年代,日本一些厂家纷纷研制出所谓“超A类放大”“新A类放大”等,把THD做得非常非常之小,甚至有些放大器的THD数字是小数点后若干个0,比如0.000X%等,但同时,大家发现这些THD极低的放大器声音并不好听!这是为什么呢?为什么极低的THD没有带来高度保真的声音呢?进一步的研究才使人们发现,放大器的失真除了谐波失真外,还有其他类型的失真,比如“瞬态互调失真”(TIM)。这是一种对音质破坏很明显、但靠测量THD的方法测不出的失真种类。由于测量THD时用的是单一的正弦波,而瞬态互调失真必须用合成波才能反映出来,所以必须引入新的测量方法,才能反映出一台放大器的TIM指标。顺便一提,真实的音乐都是多种频率成分复合的,不可能是单一的正弦波,所以事实上瞬态互调失真的测量是非常重要的,它更能反映器材重播真实音乐时的情况,而用单一的正弦波测量的THD有明显的局限性。也正是由于这个原因,那些日本放大器尽管有着小数点后若干个零的THD,但瞬态互调失真大,所以重播音乐其实可以很难听!

 

不过一个事实是,我们看商品化放大器,很多都标出了THD参数,但极少有主动标出TIM瞬态互调失真的(少到几乎没有)。按惯例并不要求一个放大器测量及标出TIM。TIM测量一般只在放大器的前期研发工作中才会需要用到。再说TIM也并非本文的主角,所以这个概念先放一放,还是回到THD——总谐波失真的测量。

 

首先说明一下THD这个参数有时也被称为“THD+N”。这里的N是噪声Noise之意。由于我们测量THD时,噪声是被一并测量在内的(噪声本身也是输入信号之外的、额外的、不应存在的成分),所以THD+N也许是更准确一些的称呼方式——总谐波失真+噪声。

 

有一点是我们必须明确的——一台放大器的总谐波失真可不是一个固定不变的恒量,而是在不同的条件下,变化很大的。负载越轻松、THD会越低、输出功率越小时,THD也会越低;如果是在对一台放大器来说比较“吃力”的工作条件下测,THD就会恶化,如果令放大器过载失真,在此时去测,放大器的THD可以“要多高、有多高”。这个指标有点象数码相机的“噪点”——摄影爱好者都会知道,数码相机的“噪点”是随着ISO感光度的提高而增加的,ISO越高,噪点必然越多,它并不是一个固定不变的恒量。放大器的THD也是这样。

 

所以,我们应该在怎么样的条件下去测放大器的THD呢?

 

如果是驱动喇叭用的功率放大器,有2个办法。方法之一,是令放大器驱动额定负载、工作在满额定输出功率。通过示波器观察输出的正弦波,逐渐增大功率,直至正弦波开始出现削峰(clipping)。此时向回调一些,回到刚好出现削峰现象之前,读取此时的THD数字,并记录为“出现削峰之前的THD”。 

 

当然,在实际情况下,绝大多数HI-FI放大器都不可能开到那么大的输出功率,否则邻居们肯定会报警了!因此在实际运用中,厂家可以测量音量电位器在12点钟中间位置时的THD。厂家也可以设定一个输入电平,使得在此时把放大器音量开到头时,输出正弦波刚好出现削峰失真,然后再把音量调回12点钟位置,测定此时的THD数值。

 

也有些厂家会同时给出以上两种情况下的THD数字。

 

下一个是前级放大器的情况。前级放大器的THD一般是在额定输出时测定的。因为对前级放大器来说,要使得输出达到正弦波削峰的地步,恐怕是永远做不到的。

 

最后讨论我们熟悉的耳机放大器了。耳机放大器这种产品有些位于功率放大器和前级放大器之间的意思。耳放的THD应在什么条件下测得(多大负载、多大输出功率),并没有法律规定,甚至也没有一个usual practice(惯例)!事实上各个厂家给出的THD数值是在不同的测试条件下获得的,有些测试条件苛刻些、有些宽松些,所以,就象我一直在强调的那样——不同厂家给出的THD数值,是不能横向乱比的,因为测试条件都不同!有些厂家喜欢在宽松的条件下测出、给出一个很漂亮的THD数字,有些厂家则喜欢保守一些,在尽量恶劣的条件下去测。不同的指导原则会得到不同的结果。

 

Graham Slee先生的耳放产品——包括SOLO和NOVO——其THD的测量都是在以下的条件进行的。Graham Slee先生认为这样的测试条件代表了“最糟糕情况”——音量电位器开到下午3点钟的位置。在这个位置时,由于音量电位器电阻的关系,噪声一般是最大的,高频响应也会较为劣化。

 

在此测量条件下,SOLO SRGII(无论用开关电源还是PSU1豪华版电源)的THD数值一般为0.0116%。测试时SOLO耳放的负载为32欧姆。官方公布的数字是0.02%是因为Graham Slee先生想留出一些保守的余量。测量仪器为经过校准的Audio Precision ATS-1。测量结果的照片如下:

 

如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)


事实上假如把SOLO耳放的音量开到头,直至输出出现削峰现象(仍为32欧姆负载),调回至刚好出现削峰之前,就如前面所述,那么可以读出此时的THD数值为0.0083%(比刚才的THD数值反而更小)。 

 

如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)

如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)

当然,如果有人很细心地调整输入信号的电平(或者阻抗不是32欧姆,而是更低),使得SOLO耳放的输出处于削波状态,那么完全可以获得更高的THD数值,比如0.06%左右。见下图。

 

如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)

如何测量耳机放大器的总谐波失真(THD)

注意观察上面那个输出正弦波的图,可以看到在此状态下,波形已经出现了削峰现象,而不是在“出现削峰之前”。

 

假如调整输入电平和负载阻抗,使得SOLO耳放工作在更深的削峰状态下,那THD数字可以更差,差到“要多差、有多差”。所以我们可以看到,在不同条件下,很容易获得不同的THD数字。既可以使数字非常漂亮(很低的输出功率),也可以使数字非常难看(出现削峰时)!如果要准确地比较两台耳放的真实THD性能,必须在严格同样的测试条件下、用同一台测试仪器进行。这也就是所谓公平的第三方独立测试,很遗憾的是,国内没有这样的机构。所以回到根本,发烧友鉴别放大器,还得靠实际听。如果参考厂方给出的THD数字的话,建议在注意数字大小的同时,关注测试的条件是苛刻还是宽松。

 

其实,说到这里,Graham Slee先生也就是在说,“数码多”网站测出的SOLO SRGII耳放0.06%的总谐波失真,是一个不正常工作状态下测出的数字——以上Graham Slee先生提供的图示表明,SOLO SRGII耳放只有在出现削峰失真时,才会有0.06%的THD数字!当然,必须说,还不算太过分,因为数码多如果想的话,完全可以测出更差的数字。THD的测量本就是如此。

 

当然,我们无法去确证数码多网站是怎么测出0.06%这个数字的,他测的时候,我们都不在场。所以回到根本,还是一个信谁的问题。大家愿意信谁就信谁吧。如果问我的话,我的回答是——我信自己的耳朵。SOLO的实际听感告诉我,它绝不是一台THD偏高的耳机放大器。

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