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录音上、回放上的超高音到底有没有意义

2017-3-10 10:00| 发布者: camix| 查看: 826| 评论: 0|原作者: Tzara Lin

摘要: 本文援引自我个人脸书上回答广播人、乐评人马世芳的提问:「录音上、回放上的超高音,对于听觉生理到底有无意义」。是接收不到,还是无法判别?常听到一种说法:「20KHz以上是听不到的,所以,高音单体延伸超过20KHz ...

本文援引自我个人脸书上回答广播人、乐评人马世芳的提问:「录音上、回放上的超高音,对于听觉生理到底有无意义」。

是接收不到,还是无法判别?

常听到一种说法:「20KHz以上是听不到的,所以,高音单体延伸超过20KHz是没意义的」,或是「CD最高录制频率也只有22.05KHz,录音时,高音延伸何必超过22.05KHz呢,全Cut off吧」。

上述这两段话有不少对于人类听觉生理机制的认知错误,以及对于人类听觉心理学的不了解,甚至,对于音响回放的失真特性其来何自也认识不够透彻。

首先,所谓20KHz以上频率是「听不到」的,「听不到」应改为「无法分辨或判断『纯音」频率音高」较为洽当。因为理论上,人耳可判断频率高低有无的有效带宽为20Hz~20KHz,但,随着年纪增长,耳膜(鼓膜)组织疲软,内耳基底膜(Basilar Membrane)上感应各频率音高的毛细胞(Hair cells)硬化,听力势必下降,对于高音、极高音的敏感度会越来越迟钝,容忍噪音的能力却越来越高。若听力下降过度,耳膜容忍噪音的能力将会无限大,也就是重听甚至失聪。

如果各位有机会到医院检测听力,30岁以上成年人的可判别带宽最高音高通常还能维持15KHz就很了不起,像我这样细心呵护自己的听力,检测结果也才18KHz,索性两耳误差不到0.5dB,还算平衡,还能靠这对耳朵挣钱。


所以,我真的听不到18KHz以上的频率,各位成年人真的听不到15KHz以上的频率吗?再强调一次,不是「听不到」,而是「无法判断」「纯音」的「音高」。举例来说,当医院的检测仪器发出19KHz的单音,我无法明确判断讯号有无发送,这并不代表我的耳膜没有与19KHz产生共振,而是内耳掌管音高解碼判断的毛细胞(Hair cells)硬化,已无法译码来自耳膜(鼓膜)的共振频率,自然就无法传输相对应的音高电讯给听觉神经元,无法判断「先生,您哪位」。因此,除非是耳膜因严重外力受损、破裂,否则,所谓「听不到」,其实是内耳毛细胞「无法感应」,致使大脑皮质顶叶没有来自听觉神经元的信息可判别。

另一种无法判别高音有多高的可能性多半发生在随着年纪增长,耳膜虽然能与15KHz以上频率共振,但,内耳毛细胞硬化后,授予听觉神经元转成电讯的「效率」却骤降许多,致使无法提供有力信息供听觉神经元传输电讯给顶叶等大脑负责听觉的部位作解碼。

从上述角度论,可以解释为什么许多上了年纪的音响迷,其音响系统的高音就我们年轻人听来都量感过盛,过尖,过刺,因为对他们而言,传进外耳壳、内耳道的强高音,经由其效率锐降的耳膜共振后,传导给神经元的信息强度会符合他们心目中的平衡想象。

延伸讨论:为什么许多画家年纪越老,下笔越重?并非死亡阴影垄罩,往往只是因为视力衰退,导致色浓度的判断与年轻人有所落差。

先来谈谈内调失真理论

刚刚我们说到人类随着年纪渐增,可判断带宽会越来越窄时的定义为「纯音」。若今天是一整个乐团或只是一把吉他六根弦在演奏呢?

在音响测试中,有一测试项目为「内调失真」(intermodulation distortion),其定义就是当仪器馈入两纯音频号给音响器材或喇叭,理想上,怎么输入就该怎么输出,也就是该器材与喇叭只会输出同样的两纯音讯号。


举例来说,当我们输入20KHz与18KHz时,理想的音响器材与喇叭应该只会输出20KHz与18KHz。实际上呢?绝对不会这样理想,多数音响会孳生出38KHz、2KHz,也就是20KHz与18KHz互相加减的频率,此即为内调失真,而第一次内调调变所得之频率称之为二次内调。您以为只有这样吗?不,还有可能会再滋生三次内调,产生出58KHz(38+20)、56KHz(38+18)、40KHz(38+2)、36KHz(38-2)、20KHz(38-18)、18KHz(20-2)、16KHz(18-2)、8KHz等内调调变所得的失真频率。四次内调、五次内调与更高刺的内调则请以此类推,互相加减。(补充,内调失真次数越高,能量(音压、电平)会越小,与泛音能量的衰退类似。)

正是因为音响器材必然出现内调失真,因此,就算是CD物理储存规格理论值最可只能录到22.05KHz,CD播放器、数字流播放器本身却会因为内调失真的关系,额外孳生出超高音的讯号。

上述内调失真特性是我判断音响音色纯否,悦耳否,透明否的重要指标, 因为内调调变所得的频率,其实可以视为一把吉他,一把小提琴两根弦同时演奏,在空气中融合交会共鸣而出的频率变化。当然,现实生活多数乐器不会只能同时发出两个单音,一个乐团里头也不可能只有一把乐器,一首歌曲也不会只有两根弦弹到底,因此,当我们在聆听音乐时,内调失真越低,越能让我们听到干净无瑕的音质、音色与音场。


内调所得的超高音可载舟,可以覆舟

各位音响迷可能会质疑「多生出这些频率,不就失真了吗」,确实,这些由内调调变而来的超高音都是失真,但,只要好好利用,反而能为音乐带来更多有益的诠释。举例来说,如果音响设计师能将渠等可辨带宽外的调变超高音控制在符合泛音序列结构、三度音与五度音等和谐结构上,渠等调变失真就会让音乐听来更鲜活,更愉悦,反之则反。换言之,适当的内调,配合纯音本身的泛音特性, 会让再干扁的录音获得饱满、温润的音质音色;相反地,过多的内调则会导致我们去判断基音、纯音的音色甚至音高,这就像空间残响过长时那样。

(题外话:如果各位有兴趣研究所有和谐的和弦,就会发现组成和弦的单音与其泛音正好会与内调所得的频率重迭而无突兀不和谐的频率产生,反之则反。上述若要举例就得说到乐理去,说到乐理大家就会想睡觉,所以,有兴趣请自己研究。)

内调失真而产生的超高音有办法避免吗?有的,作法分成两大类,一种是带宽宽达200KHz时失真都趋近于无,dCS、Soulution、Mola Mola、Audionet等品牌有几款型号都是我曾测试过带宽延伸超高,还能保持超低失真的佳作。另一种作法就是开数字滤波器,言下之意-「既然我的设计实力无法驾驭内调失真,干脆放大绝,20KHz以上我不要了」。两者作法孰优孰劣?端看各位听者追求蛇ㄇㄜ

我自己买的器材多半属于前者,但因预算有限,只能买内调失真相对更低的CD唱盘、前后级。个人并不建议使用

总之,带宽外的内调失真好好利用是对「后天诠释」音乐有益的,如果想要更接近录音美学,回放并非诠释,而是尽可能百分之百再现,那么内调失真低的器材就适合像我这样的听者。

人耳鼓膜也有内调特性

音响、乐器都有内调特性,人耳呢?我们的耳膜(鼓膜)就和喇叭单体一样也有内调特性-从听觉生理来看,20KHz以上频率虽能与鼓膜(耳膜)产生共振,但,内耳基底膜前负责感应高频摆幅的卵圆窗毛细胞并无法直接与20KHz以上频率共振产生位移,当然也就无法利用毛细胞位移产生电讯给听神经。但在内调机制下,内调将发生于鼓膜,进而影响可辨音域内的判断。

从器材本身调变孳生的超高音到人耳鼓膜接受超高音共振后与可辨频率调变的声音,上述两点就是为何CD本身最高只录到22.05KHz,喇叭却有超高音的需求,人耳却会受超高音影响的理论基础。

如果是播放时下流行,动辄将带宽拉到20KHz以上的高解析、高取样数字流音乐档案呢?各位应该不难想象这些超高频讯号如何藉由内调失真特性影响可辨带宽内的音质音色吧。

相信不少音响迷都有:怪了,这对CD唱盘、前后级、喇叭,不知道怎么搞得,就是让人听得很心烦气躁,但,听起来分明就很干净清楚啊。问题往往就是出在可辨带宽外的超高音作祟。


到底有没有需要保留可辨带宽外的超高音?

简单说明可辨带宽外超高音怎么影响我们的听觉心理与音乐回放的失真结构后。接下来,请大家思考音响是否需要超高音?录音是否需要录到那么高的带宽?这两个问题其实没有一定答案,对我来说,如果我家音响要加装超高音,前提就得确保我买的CD、前后级在可辨带宽外的失真也要够低。要多低?在本刊高传真视听的标准,是200KHz内的失真都低不可闻,如此一来,装超高音才有意义,才不会反而让我听到许多「无法判断,却能感受很吵很烦的失真超高音」。

按照实务经验,只要器材可辨带宽外的失真够低,喇叭单体也真得能回放那个高的频率,通常,加上超高音,听觉上会觉得音乐整体临场感、鲜活感、空气感更妙不可言。不相信,如果您家CD唱机刚好有滤波器,请开开看Sharp Filter,将20KHz以上带宽急滚降地权砍光光,听听看整体音色是不是暗了,音场是不是闷了,低音是不是消沉了,中音是不是内缩了?

反过来思考,如果各位的喇叭、耳机、扩大机、讯源尤其是计算机讯源的可辨带宽外失真很高,又真的很想播放44.1KHz以上的音乐档案,请一定要开启滤波器(如果有的话),将20KHz以上频率删除,或者使用带宽延伸较窄的软膜高音,自然滚降频率,窄化带宽。您说这样干嘛还播放44.1KHz以上的高取样音乐档案?之前我在另一篇主编专栏「192KHz/24bit以上规格之数字流播放器对于音乐欣赏到底有无正面意义」中就提过,高取样率与升频没搞好,坏处一堆,但不管有没有搞好,高取样率一定能让音乐的动态幅度、阶调感与细腻度、连续性提升,让人声演唱,器乐演奏的音乐表情更丰富生动,这是播放高音质档案肯定会胜过44.1KHz/16Bit的最大优势。

结论与延伸讨论

1. 不可辨音高的超高音会因为器材与人耳的内调特性而影响可判别带宽内的音质音色。

2. 喇叭加入超高音是有意义的,会让整体音场变得充满临场感、空气感,乐器质地显得活生湿润。可是,请注意超高音的「相位」以及超高音所导致整套喇叭与后级的负载变化。

3. 能否听到有益的超高音,端赖录音、器材、喇叭以及你的听力都够优异才有意义。网络上所有测试超高音的网站,其实都是在测试您的计算机讯源与喇叭是否有能力回放如是高音、超高音,并非测试你的耳力。

4. 因为CD机电路本身难以避免内调失真,内调失真必然会根据音乐讯号额外生出20KHz以上的讯号。此时,CD机、数字流播放器的设计师通常有几个设计方法-

a. 不开滤波器,同时,想方设法作到20KHz以上,内调失真都趋近于零。能做到这样的厂家,在我仪器测试经验,顶多只有10家真的办到。

b.不开滤波器,不追求低失真,反而利用失真特性的排列组合,使其符合泛音序列或三度音、五度音等和谐结构,创造出品牌音色。这类CD的回放,在我的定义是为诠释型,而非再现型。

c. 开滤波器,将20KHz以上都滚降删除,滚降方法分成多类,常见缓滚降、急滚降数字滤波。市面上多数CD唱机都属此类。

5. 如果说器材分成录制端与播放端,那么在录制端,尤其是Mastering的器材,根据我所作过的Audio Precision测试经验,多数Mastering器材的内调失真都相对于Tracking用、Mixing用器材大,也比家用音响还大,原因不难想象:为了让Room Size/Color等统一化的同时,还要创造出不同时空下录制之分轨有同一时空的共鸣感,此时,适当的内调失真就能让Mastering创造出无中生有的共鸣。

重点在于内调失真如何控制的「适当」?我分析过几家经典厂家的录音设备器材后发现,这些Master级作品的Mastering器材不约而同地都会将内调失真控制于泛音序列结构上,或三度音、五度音结构上,而不会出现其他不和谐的失真分布。至于要如何控制?这就是电路设计的领域,要另启文章。

若就家用音响的播放端论,为什么我常说录音室内只有Mastering器材、喇叭能拿到家用使用,因为Mastering器材往往可以赋予听觉更多的泛音序列,更丰富的空间堂音,更漂亮的共鸣。这些「更」怎么来的,主要来源就是内调失真所得。

最后必须强调,「失真」不是罪过,国内这些卖音响的代理商每次听到我说失真就紧张个跟什么一样。事实上,我一向最欣赏能善用失真创造品牌独特音响美学的厂家,这些厂家的设计师乐理通常一定都很好,或至少听很多音乐,否则不会那么刚好都将失真结构排成泛音序列、三度音、五度音序列。

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