浅谈扬声器的失真

今天，我想简要介绍一下扬声器中产生的三种主要失真类型，它们的含义，以及如何解读失真结果。这里将讨论两种类型的失真——线性失真和非线性失真（谐波失真和互调失真）。

线性失真

第一种也是最常见的失真类型是线性失真。线性失真是指频率响应中的失真。当我们进行从20 Hz到20 kHz的正弦波扫频测试时，输入信号实际上在整个扫频范围内都提供相同的驱动电平。这意味着在理想情况下，扬声器应在20 Hz到20 kHz的范围内输出一条平直的线，换句话说，它应精确再现输入信号。然而，在现实世界中，由于各种原因，这种情况并不会发生，特别是当我们查看单个驱动单元时。偏离理想的平直线被认为是线性失真。本文不会讨论频率响应是否平直更好的争论，这超出了今天的讨论范围。但可以明确的是，扬声器偏离理想直线响应的程度越大，其线性失真就越多。

线性失真的成因有很多，其中许多是不可避免的。例如，物理法则决定了高音单元不可能既延伸到非常高的频率，同时又能播放非常低的频率。锥形或圆顶的几何结构可能会改变共振模式或引起相消效应，从而影响线性失真。低音单元的高电感会导致高频端的提早衰减。线性失真在某种程度上是不可避免的。我们希望尽可能减少它。我们通过良好的电机设计和锥体/圆顶设计来实现这一目标，使驱动单元在其工作范围内更加线性地、活塞式地工作。

谐波失真

谐波失真是扬声器中的第二种主要失真类型。谐波失真发生在一个基频音调或音符以某一频率播放时，其倍频或谐波在更高频率上被再现，而这些倍频实际上并未输入扬声器。例如，我们可能输入一个200 Hz的测试音调，即基频，但输出时会显示一个200 Hz音调、一个400 Hz音调和一个600 Hz音调。这些谐波分别被标记为二次谐波、三次谐波、四次谐波，依此类推。在这个例子中，二次谐波是400 Hz，而三次谐波是600 Hz音调。

谐波失真以分贝（dB）测量，并与原始信号的水平进行比较，以转换为百分比，通常显示为总谐波失真（THD）或总谐波失真加噪声（THD+N）。然而，每个阶次的谐波构成了这个百分比的一部分，大多数人会同意，奇次谐波失真（如三次、五次等）比偶次谐波失真更易被听到，因此了解每个成分的分解情况很重要。观察每个成分的具体水平也能告诉你一些关于驱动单元设计的信息。例如，采用基本电机设计的驱动单元，随着频率的升高，通常会有上升的三次谐波失真，而先进电机设计的驱动单元则通常有平稳或甚至下降的三次谐波失真。此外，电机设计之外的其他因素也会影响谐波。例如，金属锥体驱动单元可能会出现锥体破裂，导致振铃现象，并在谐波失真中产生相关的失真尖峰。但这并不意味着这些驱动单元不可用，关键在于设计师如何理解并通过分频器设计补偿测量中识别出的问题。

通常认为，总谐波失真低于1%时是不可闻的。我基本同意这一点，但有几个需要注意的地方。低于1%时，你不再会听到信号的失真。然而，我发现失真较低的驱动单元通常听起来更“干净”，有时可能被一些人描述为更冷静或不那么刺激。所谓干净，指的是我能听到更多低级别的细节，比如微妙的回声或音符的长时间衰减，而这些细节在失真较高的驱动单元中会被掩盖。其次，我也认为1%的三次谐波失真可能比1%的二次谐波失真更容易被注意到。这也是为什么我认为了解谐波失真成分的实际分解情况很重要的原因之一。

互调失真

互调失真（IMD）是第三种主要的失真类型，可以说是这三种中最糟糕的一种。IMD发生在两个音调同时播放时（除非你只听纯测试音调，否则在音乐中总是会发生），它们的相互作用会产生与原始信号无关的其他音调。虽然谐波失真总是原始音调的倍数，但IMD并不是倍数。例如，在IMD的情况下，我可以同时播放之前提到的200 Hz测试音调和1000 Hz测试音调，并产生一个额外的800 Hz音调。这是除了两个音调各自产生的谐波失真之外的额外音调。你可能已经意识到为什么这会更加明显了。一个与原始音符在音乐上无关的新音调，最好的情况下会让声音听起来不真实，最糟糕的情况下则会让声音变得难以忍受。

互调失真（IMD）并不经常被讨论，因为它更难测量。测量谐波失真很简单，只需进行一次长波正弦扫频测试，大约需要10秒钟。而IMD基本上不可能像测量总谐波失真那样用同样的绝对标准来测量，因为你必须测量每个频率下所有音调组合，而且使用三个测试音调而不是两个还会产生新的IMD产品。因此，通常只会为所有驱动单元测量一定数量的音调组合。这将为你提供相对性能的良好参考。

比较不同产品的失真

在互联网上找到的失真测量结果很容易让人想要进行比较，但在大多数情况下，你应该谨慎行事。因为有几个因素会显著影响失真测量结果，因此直接比较来自两个不同来源的数据可能会导致不恰当的对比。

不同的测量距离、声压级（SPL）水平、设备以及背景噪声都可能影响失真水平。例如，在10厘米处以90 dB进行的测量与在1米处进行的测量，在它们对驱动单元施加的压力方面并不相同，不能直接进行比较。10厘米处的测量预期会显示出明显更低的失真。因此，了解任何失真测量的条件是非常重要的。

通常，我会说，失真测量只有在同一人或同一设施在相同测试设置和条件下进行时，才具有直接可比性。在比较不同来源的测量数据时，最好只能得到一个驱动单元性能的方向性指示。