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科學和藝術是電聲學的兩翼(My web)
來源:My web    發布日期:2009/2/25    已有 8814 人瀏覽


科學和藝術是電聲學的兩翼摘自《音響世界》19956月刊科學和藝術是電聲學的兩翼——電聲專家一席談管善群教授口述

本刊特約記者 渝聲整理
    整理者按:發燒的理論基礎是電聲學。當前使業余愛好者們大惑不解或爭論不休的許多熱點問題,其中固然有暫時還無法用理論解釋的現象,但更多的是電聲學理論早已解決了的問題。如果我們對電聲理論有所了解,很多問題本來是不應當成為問題的。筆者也是一名業余愛好者,雖然玩過若干年音響,大學里修的也是電子專業課程,但電子學畢竟不能和電聲學劃等號,因而常常會產生一些似是而非的想法,甚至誤入歧途。最近有機會拜訪了著名電聲專家、北京郵電大學電視電聲教研室教授管善群老師。聽了他一番闡述,深感電聲學理論之博大精深。要想當一名合格的發燒友,今后非在這方面痛下功夫不可。想到其他發燒朋友也許會有同感,特此將管教授的部分談話整理出來,請他審閱后發表于此,以饗讀者。

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電聲學是技術與藝術相結合的產物-
    
電聲學的任務是通過技術手段再現藝術作品的內容。搞技術的人和搞藝術的人的思維方式是不一樣的:藝術是寫意的,判別藝術作品好壞的分界線可以比較模糊;而理工科則要求精確,必須善于用數量來確定質量界限。從事電聲工作的人必須同時具備這兩方面的素質:你必須能夠理解藝術家的感覺,懂得他們的表達方式,而且自己也能夠感受到它,會用電聲手段去實現它。還要能夠找出這種感覺的實質是什么:物理上如何解釋,聲學上如何解釋,在心理上又是怎么回事。科學家認為:無論是生理感覺還是心理感覺,一切生命現象都是客觀的而不是主觀的,只不過有些現象還不能用現在已經掌握的科學原理來解釋。例如人類聽覺系統的機理,迄今為止了解得還很不夠。七十年代就已發現:人的聽覺神經毛細胞向大腦傳送的信號不是模擬信號,而是數碼信號。當一個人連續兩次聽到相同的聲音信號時,聽覺神經發出的信號是不同的。這種數碼信號的實質尚未完全**,據推測,很可能是人的大腦中有一個龐大的數據庫,聽到聲音后要到這個數據庫里搜索,提取以前存儲的聲音數據,進行對比。當然,這僅僅是推測,要完全解開聽覺的奧秘,還有許多工作要做。

    世界上的藝術家很多,科學家也很多,但是電聲學家卻不多,原因就是因為電聲學家必須同時掌握科學和藝術這兩種方法,而兩者的思維方式是有許多區別的,所以這樣的人就比較少。現在電聲學方面有許多爭議:科學家認為某些做法不科學,藝術家又認為沒能表達出他的藝術內涵,一個很大的障礙就是他只熟悉一個方面,只會用一種方式思考問題,而對另一方面則不太熟悉。如果一個人能同時掌握這兩種不同的思維方式,所產生的結果就不是簡單的加法關系,而是乘法關系,比兩者分離的思維方式更高了一層,可以從更高的角度來看問題。前些年李政道等幾位科學家和藝術家在北京發起了一個科學與藝術的研討會,與會的科學家和藝術家都認為:科學和藝術是一個事物的兩個方面。同樣,科學和藝術也是電聲學的兩翼。只有一個翅膀是飛不起來的。如果搞電聲的人陷入到純藝術或者純技術里去,是一定搞不好的。我們的高保真愛好者也應該向這個方向努力,如果覺得自己在哪方面不夠好,就應當在這方面多下工夫,并逐步將兩者結合起來。

-物理指標與音質評價-
    
目前的物理測量方法和測量手段還不能把電聲設備的全部特性表達出來。用物理指標來表示電聲設備的性能,充其量只能算是一些必要條件而不是充分條件,而且我個人懷疑其中個別指標已經落到不必要條件里去了。就像用考試來衡量一個學生的好壞一樣,最多只能表現出他全部能力的四分之一或五分之一。要充分評價設備的好壞,目前除了測量其物理指標以外,還要靠聽覺來測試。物理指標的測試高低好比一個學生的考試成績優劣,如果一個學生的考試成績很不好,說他是個好學生也是不對的,好學生的分數也不能太低。同樣,如果電聲器材的物理測試結果很差,那么這臺設備就肯定是不好的,沒有必要再作聽音評價;但如果兩臺設備的物理測試指標都是合格的,指標較高的那臺性能并不一定比指標較低的那臺好。科學和藝術是電聲學的兩翼
 

    
中文使用的音質評價這個詞我認為不太合適,但由于約定成俗,我在參與起草音質評價的國家標準時還是采用了它。在英文文本上使用的是“Listening Test”,意思是聽覺測試。聽覺測試的目的不是為了重復檢驗用物理手段已經測試過的東西,例如失真、頻率響應等等,而是要聽那些用物理手段測量不到的那一部分東西。有人問:你聽后感覺這臺設備的頻響怎么樣?這就背離了Listening Test的宗旨。試聽用的節目源(樣件)必須經過認真挑選,因為人對不同種類音樂信號的敏感程度是不一樣的,對于某些類型的音樂,即使不太好的電聲設備也感覺不出聲音的變化,而另一些類型的音樂只要稍有變化就可以讓人覺察得到。所以必須選擇那些人們比較敏感的,也就是選用那些對聽覺測試貢獻較大的節目源作聽覺測試的樣件。

    要講清這個問題,我想可以用接口失真的聽覺測試為例子。所謂接口失真,就是當揚聲器和放大器連接的時候所產生的一種非線性失真。放大器中的每一級都可以看成一個四端網絡,而一個四端網絡的某些參數將取決于與其相連的另一個四端網絡的參數。當連接在放大器上的揚聲器參數改變的時候,至少將使功放最后兩級受到影響。這時雖然放大器的電路和元器件沒有改變,但是參數已經變了。換接不同的揚聲器,就會有不同的接口失真,這種失真是可以用物理方法模擬出來的。有人作了一個試驗,請了四個音樂家來試聽。聽鋼琴聲的時候,只要有十萬分之幾的接口失真,其中三個人就認為已經對聽覺有影響了;改用大眾音樂,還是這四個人聽,即使接口失真達到百分之十,他們卻認為還是可以的。

    由此可見,不同的樣件對于音質評價的意義是不一樣的:有些樣件在各種不同的設備上聽起來都差不多,有些樣件則可以辨別出設備間微小的差別。要搞音質評價,首先要研究不同信號對音質評價的貢獻,要挑選那些能夠把問題暴露出來的節目源來作樣件。我近二十年的研究結果表明:漢語對音質評價的貢獻非常之大。其實這在日常生活中也有體現,例如我們在收看漢語電視節目的時候會感到音質很不好,損傷很大。一旦變成英語節目,還是這臺電視機,還是這個電視臺,我們就會感到損傷不大了,這說明漢語中所含的信息量是最大的。國家法定的用于音質評價的樣件是從上萬種節目源中精心篩選出來的,第一段就是漢語,男聲是方明,女聲是亞坤,他們二位的發音是國家語言文字工作委員會承認的標準普通話。音樂樣件的第一段選了鋼琴彈奏的月光奏鳴曲的第三樂段,其中有一處演奏者的手指彈得不太好,在好設備上可以分辨出這個彈得不好的地方,用較差的設備就可能覺察不出來。樣件也可以選用一部分自然聲,但不要搞到極端的程度,例如槍炮聲。用揚聲器播放出的槍炮聲是絕對不會真實的,真實的炮聲能使我們在聽到炮響后若干秒內喪失聽力,強度將遠遠超過180分貝。要重放這樣強的聲音,即便幾萬瓦的功放也不夠用,沒有任何一種揚聲器能產生這樣強的聲壓,實際上藝術方面也不是這樣要求的。

    聽覺評價結果的一致性和可重復性問題是大家所關心的。一致性的好壞與所選的樣件有很大關系,只要樣件選擇得好,能夠明顯暴露出不同設備間的差異,聽覺測試結果的一致性就好,反之就不好。我國的音質評價標準(GB 10240-88GSBM 6001-89)在鑒定中充分注意了這個問題。科學實驗的最基本原則之一就是必須是可重復的。

-錯覺與非線性-
    
現代的立體聲系統可以劃分成兩大類:一類是模擬聲場式,另一類是聽覺錯覺式。模擬聲場式的典型的例子是Dolby公司的5·1聲道系統(即前左、前右、前中、左環繞、右環繞共五個聲道,再加一個低頻效果聲道);聽覺錯覺式立體聲的典型例子就是家用雙聲道立體聲系統。要用兩組揚聲器表現出四維(三維空間再加上時間)的聲音效果,就必須利用人的聽覺錯覺。在對聲音進行處理的時候,聽覺錯覺式系統絕不能把能引起錯覺的成份丟掉;模擬聲場式反而比較簡單。

    人的聽覺錯覺和視覺錯覺是不一樣的:把一塊紅顏色和一塊綠顏色放在非常靠近的位置上,我們的視覺錯覺會讓我們感到是看見了二者的中間色——黃色;但如果同時聽到一個低音和一個高音,我們聽起來就絕不會是一個中音。如果讓你分別聽一個20000赫茲的聲音和一個21000赫茲的聲音,你可能什么也聽不見。但如果讓你同時聽這兩個信號,你會感覺聽到了兩者的差頻信號——1000赫茲的聲音。造成這種現象的原因是人耳的非線性。(整理者按:管教授當場用電腦聲頻工作站演示了一系列證明人耳非線性的實驗,筆者親耳聽到了這些現象。詳細情況請閱本文附錄)

   
我有一個學生寫了一篇文章,主張不要用描述視覺的詞匯來描述聽覺的感受,我是贊成他的意見的。例如說聲音明亮,到底什么樣的聲音算是明亮的?這種說法是不確切的。(筆者在說話中有一次用了原汁原味的說法,管教授當即指出:這個詞是用來形容味覺的,也不適用于描述聽覺。
)

    
不僅人耳是非線性的,當聲壓超過90分貝的時候,空氣也是非線性的。有不少人都作過以下的實驗:在一個行波筒的一端放一個機械式活塞,讓活塞作正弦振動,使筒中的空氣產生行進聲波。逐漸加強振動幅度,當振動強度達到一定程度后發現:活塞附近的空氣波形還是正弦的,到遠處就變成非正弦波了。這個實驗可以證明空氣的非線性,而且在聲音傳播的過程中,非線性會隨著傳播距離的增加而越來越大。很多樂器的聲音也是這樣,小號的號口處聲壓可以達到150分貝,在臺下遠距離處聽到的聲音與號口處是不會一樣的,原因就在于空氣的非線性。

   
懂得了這一點,有些當前爭論不休的某些問題就可以不必再爭了,因為這種爭論是沒有意義的。

-電聲與音樂-
    
我們所遇到的音樂作品可以分為兩大類:一類是為現場演出而創作的,寫作時沒有希望電聲參與,最典型的例子是古典音樂。另一類是必須要用電聲播放的,例如電影、電視節目的配樂和為聲像制品而創作的音樂。作曲家為不同用途所寫的作品應該是不一樣的,因為現在的電聲系統還不可能把作曲家想要表達的東西全部表達出來。但電聲系統也有它的優勢:可以用簡單的方法突出我們所要的效果。對電聲有一定了解的作曲家就會知道:哪些東西能夠通過電聲表達出來,哪些東西現場可以表達而電聲卻表達不出來,什么情況下電聲會歪曲你的東西,什么時候使用不太復雜的電聲系統而效果卻會很好。根據不同的情況采用不同的寫作手法和配器,就可以避開電聲的劣勢,把它的優勢充分發揮出來。有一次一位作曲家寫了個作品,錄聲效果卻怎么也搞不好。這種情況下單靠錄音師調整是不行的,于是我根據電聲系統的特點修改了他的總譜,重新錄制的結果作曲者很滿意,認為這樣才能真正表達了他的想法。

    音樂的源頭是在作曲家的腦子里,我們欣賞音樂就是在欣賞作曲家是怎么想的。作曲家要通過電聲把自己的意圖傳達給聽眾,就必須事先考慮到:通過電聲后作品的效果是什么樣的。從錄聲的角度來看,那些最初并未指望電聲參與的作品是最難錄制和重放的,最容易錄制的是電子合成音樂,因為它是就是根據電聲系統重放出來的聲音聽感調整的。電聲器材的廠家有時會隨機附贈一張試聽用的唱片或磁帶,這張唱片或磁帶上的節目一定是精心選擇的,能夠盡量表現這種器材的優點,掩蓋缺點。如果隨機唱片的內容是電子合成音樂,那么馬上就可以肯定:設備一定是低檔的。反之,如果廠家敢于給你古典音樂,那么這種設備的檔次就不會太低。

-Hi-End到底在哪里?-
    
發燒友不懈地追求著Hi-End,為了達到這個目的,許多人把主要注意力集中在器材上,在一條線、一個元器件上下功夫。這種做法還是處于初級階段。什么時候一個發燒友已經不再將精力注重在器材上,而是注重聲場的特性,那才是進入了高級階段。

    聲場對還聲效果的影響是很大的。同一揚聲器放在不同的房間里,效果是不一樣的,正如同一樂隊在不同的音樂廳演奏,效果也是不一樣的。換句話說,某一揚聲器在某種條件下是最好的,換一種條件,它就可能是不好的。

    我們聽到的聲音不僅有直達聲,而且有房間墻壁的反射聲,反射聲對聽感的影響是非常重大的。我們都有過這樣的體會:兩個人一邊走一邊說話,從院子里通過走廊走進房間里,你會覺得這個人的聲音變了。造成這種現象的原因就是因為院子、走廊和房間里的反射聲是不一樣的。我們用電聲聆聽的各種節目源里除去錄制了樂器發出的直達聲外,也錄下了劇場的反射聲。但由于劇場比較大,反射聲來得比較晚。在小房間里播放的時候,你聽到的第一個反射聲并不是節目源中錄制的劇場反射聲,而是重放房間的墻壁產生的,你聽到的房間反射聲就混到節目里去了。為了真正聽到節目源中的情況,必須把房間的反射聲基本消除到聽覺掩蔽閾以下。要做到這一點,就必須用切實可行的辦法設置吸聲面。房間的聲學處理都必然是有個性的,沒有統一的模式,基本方法是把反射面變成吸聲面,例如玻璃是聲反射面,但只要換成穿孔玻璃,就變成了吸聲面。

    前面說過音樂作品的源頭在作曲者的腦子里,那么通過電聲手段聆聽音樂的終結點應該是在聽者的腦子里,Hi-End“End”也應是在聽者的腦子里,通過聲場產生感覺。要想聽覺效果好,聲場特性必須搞好。

-功放的技術指標問題-
    
按照國家標準(GB 1982-80GB 1983-80),功放按聽覺感受優劣分成四個等級,其中二級相當于國際上的Hi-Fi級。國標中有些規定非常重要,但沒有引起足夠的重視。例如頻響,大家都只注意到20Hz20kHz的要求,其實還有一條容易被忽略,那就是從20Hz2Hz之間必須單調下降,從20kHz200kHz也必須單調下降。這是很重要的。如果在這兩段出現峰谷,說明零、極點沒有搞好。零、極點設計是負反饋放大器的一個重要問題。現在有些人在沒搞清這個問題時就評論用負反饋好還是不好,這樣說是不公平的。我們知道反饋環內一定會有相移,當相移增大到一定程度的時候,負反饋就逐漸向正反饋轉變。當負反饋變成正反饋時,雖然放大器并不一定產生自激,但在這些頻率附近放大器的特性一定是很壞的。零、極點設計搞得好,就可以在整個有效頻段內保證負反饋環內的相移不能超過幾度,也就是說必須把正反饋產生的頻率移出有效頻段很遠的地方,這樣的負反饋放大器就不會有問題。

    頻率響應是越寬越好嗎?一個放大器如果不能把非線性失真做得很低,那么寧可把頻帶做得窄一些,反而會覺得好聽些。對于比較廉價的低檔放大器尤其是這樣。現在有些放大器(包括一些國外產品)的說明書上給出的失真指標只給中頻一點處(例如lkHz)的失真,那是沒有用的,應該標出整個有效頻段的失真。如果一臺放大器的失真到20kHz仍然很低,那就絕對不會有問題。高頻部分雖然人耳不能直接聽到,從前面說過的人耳的非線性可以知道:如果一個20kHz的信號和一個21kHz的信號同時出現,雖然我們不能直接聽到這兩個信號,但是可以聽到他們的差頻 — lkHz的聲音。如果所用的放大器的高頻段失真很大,那么我們就會覺得在中頻lkHz處有很大的失真。我們感覺到失真出現在中頻段,但實際上問題是出在高頻段。有些放大器頻響標得很寬,但不標失真,或只標中頻一點的失真,內行人看了就明白:這個放大器是不好的。

    按照國際慣例,電聲設備的指標應該分為三類:第一類指標是設備的工作條件,例如電源電壓,這種指標應該標在設備上。第二類指標是設備的主要性能,必須在說明書上標明。不但要給出指標值,還應該給出測試條件。如果采用的是國際或國內的標準測試方法,那么也應該寫明所采用的標準的名稱或代號。這兩類指標是可以作為索賠條件的,而商業上總是要盡可能回避問題,因此可以認為:凡是只給指標而不給測試條件的,那么測試條件一定很寬;凡是不給指標的,那么這項指標一定很壞。除去前兩類指標外,還有第三類指標,即企業內部的質量控制指標。這類指標一般是不給客戶的,也不能作為索賠條件。如果客戶認為第三類指標中的某項指標對于他特別重要,那么也可以要求把某些第三類指標升級為第二類指標,這時該項指標就可以作為索賠條件。當然,這時廠家是會要求提高價格的。

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附錄:關于人耳非線性的實驗-
實驗設備:

l。Olivetti
電腦聲頻工作站
2.Windows
支持下的聲音編輯器
3。
功率放大器及揚聲器箱,系統頻響上限不小于22kHz
實驗一:差頻信號的演示

單獨播放18kHz的純正弦波信號,此時一般人的感覺是聽不到聲音。
單獨播放19kHz的純正弦波信號,仍然聽不到聲音。
將這兩個信號分別使用不同聲道同時播放,此時聽到了lkHz的聲音。這是由于人耳的非線性造成的。

實驗二:4kHz信號的變調演示
    一般認為:音調的高低與信號頻率具有固定的對應關系。但由于人耳非線性的緣故,聽覺神經產生的信號譜與聽到的信號譜并不完全相同。故音調高低并不總是依賴于信號頻率。

    采集一個4kHz的連續純正弦波信號,用聲音編輯器對此信號進行處理,在這個連續信號上開槽,即制作出若干組基頻仍然為4kHz正弦波,但不連續的信號。第一組為每出現2毫秒后停止2毫秒;第二組間隔為4毫秒;……依次類推。
按照間隔由小到大的順序連續播放這些信號,聽感是信號音高頻率在逐漸下降,而實際上信號的頻譜是逐漸向4kHz集中的。

實驗三:用單一頻率的正弦波信號演奏樂曲
    在實驗二的基礎上,仍用4kHz的正弦信號,調整開槽的寬度,然后連續播放,可以演奏出一首樂曲。某些電子合成的工作原理實際上就是如此。

作者:My web
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