音響系統的特殊性

高端音響已經發展了幾十年，有許多受音響愛好者盛讚的產品。有些產品在今天已是難以尋求。那麼，這些人們喜愛的優秀產品為什麼今天不再繼續生產呢？

功能質素
低頻模擬電路是電子技術中的基礎性電路。工作在聲音頻段的模擬電路也幾乎是最低速度的電路。從技術角度來看，低速度設備應當是最容易達到設計預期功能。所以，人們可以在音響市場裡面找到很多具有優秀技術指標的音響器材。然而，作為音樂播放工具，這些器材的聲音品質卻仍然有著很大差異。這主要是反映在音樂的情緒表達準確性這個方面。如果我們把音響系統聲音跟音樂演奏現場聲音做一個比較，可以發現，目前的音響系統聲音還是有著一些機械式的相對較為刻板。雖然，感覺是因人而異，並且技術上我們仍沒有方法量度情感。但是，人們憑著經歷以及記憶，仍然可以很容易辨別出兩種聲音的情緒差異。

就功能而言，音響系統已達到作為商品所應有的功能。作為消費電子產品，音響器材在市場上也有著優秀表現。如果我們說音響設備在音樂播放中還沒有起到完美的作用，那也僅僅是因為它們的功能在質素方面仍然存在一些問題。

要探索功能質素問題，我們就需要了解音響系統的特殊性。

寬頻帶：音響設備工作於20Hz - 20KHz頻段 。頻帶寬度約等於10倍頻程（20Hz x 2^10 = 20,480Hz ）。對於設備設計，模擬電路是用倍頻程作為單位去計算頻帶寬度，以規範工作範圍及有效性。到目前為止，人類運用的電子設備當中，除了音響系統以外，還沒有一種設備需要有效地工作於如此寬闊頻帶。

實時性：聲音頻譜裡各頻率成份在時間上的一致。若我們把人耳朵看作是一個傳感器，那麼，它就是一個絕對實時的傳感器。音響系統為該傳感器提供服務，也就無意間同意它需要滿足該傳感器的實時性要求。

正弦波信號
通常，我們會用正弦波來測量音響設備的技術指標。一個沒有失真的正弦波信號在頻譜圖上面只有一個頻率成分。在波形圖中，正弦波無需與其他頻率成分疊加即可形成完整的波形。因此，不會有各種頻率成分之間的時間差問題。不論正弦波的頻率或設備的工作帶寬如何，上述情況都是相同的。換句話說，單個正弦波信號在具有各種工作帶寬的設備中不會出現實時性問題。

然而，音樂信號卻不一樣。

音樂信號
從示波器上面我們可以看到，當音樂信息轉換成電信號，它是一個一連串的非週期性信號。透過傅裡葉變換頻譜分析，我們可以知道，非週期信號頻譜是一個連續頻譜。這表示，音樂信號頻譜中包含無窮多個頻率成份。要保持完整的信號（不失真），就要保持完整的信號頻譜。這裡所說的完整，它包括每個頻率成份的幅度以及時間一致。

實時的可能性
作為音樂播放工具，音響設備需要實時處理音樂電信號。在目前條件下，它可否具備這個能力？若然我們從元件、技術和市場這幾個方面來審視這問題，答案似乎是肯定的。理由如下，

1. 元件方面。電子產業已能夠生產GHz級別的極高頻消費類產品。所以，對於音響類別的低頻設備，我們總可以找到合適的元件。其中包括能滿足工作速度以及響應時間等技術特性。

2. 技術方面。電子技術中有很多已被反复論證為正確的定律。如果設備設計是受這些定律規範，我們就可以認定這個設備能夠達到預期功能。各種的功能設備它們成功地應用到了各個行業，這足以證明目前的功能設計方式有著極高的準確度，低速度的設備更應如此。況且，高端音響經歷了幾十年也為高質素設備設計積累了豐富的經驗。

3. 市場方面。從各種高階物料用於音響器材當中，我們因此可以看到高質素器材在音響市場上被追求和接納。是的，為了滿足市場的需要，高端音響產品的生產幾乎是竭盡所能的採取任何措施來保障設備預期功能獲得實現。

實時的應有現象
對於工作在20 KHz以下頻段的音響設備，我們很難從上述幾個方面找出阻礙實時性的因素。但是，在實際使用中，我們並沒有看到符合實時頻譜的預期現象：準確回放原記錄的現場聲音。原理上，音樂播放設備應能具備這個功能。事實來說，高端音頻在過去的幾十年裡一直受到追捧，可見市場也在追求這個功能。

探索
如果我們認定準確回放原錄音現場聲音是音響系統應有的功能，而目前運用的設備也未能獲得這樣的效果。那么，究竟是什麼因素阻礙著音響設備，導致它未能達到滿（Full）功能之質素？下面，我們要為這個問題寻找答案。這答案應能合理解釋在音響系統出現的諸多現象，並適用於各類電子設備。

首先，我們需要為電子設備建立一個分析模型。

當我們打開一台設備的外殼去窺視它的內部結構，可以看到設備內部分佈著各種電子元件。每個元件都擔當著信號處理的工作。電路佈線把這些元件連接著，起到了傳送信號的作用。在那裡，我們很容易會產生這樣的錯覺，即：信號傳送只是出現在電路佈線中。然而，當了解了元件的內部結構後，我們就可以知道，信號處理僅發生在元件物理結構上的某一個點，這個點以外的物理空間只是承擔著信號傳送的工作。有了這個認知，我們就可以用這樣的一個角度來認識電子設備：在電子設備裡，信號傳送佔據了大部分的物理空間。

在這個認知的基礎上，我們可以把電子設備等效為這樣的分析模型：

電子設備是傳輸線和信號處理點的集合。

信號處理點，準確地說，它是一個段。不同的元件，其段長度會有所不同。只要是段，它就必然地含有傳輸線特性。對於這信號處理點，其含有傳輸線特性的比重將隨著段的長度而增加。

約定
電路設計是按照設備功能的需要去構建一個最恰當的電路，並通過選取合適的元件參數值，以便電路可以工作在最有利於設備功能的狀態。

分析
信號處理點是元件工作之作用點。電路設計時，元件參數值是按照設備需要已經計算到最合適數值。當設備工作時，若元件參數值等於設計所定值，我們就可以把信號處理點的質素假定為滿功能質素。這個假定基於上面所述之元件、技術和市場三方面保證。當所有信號處理點都滿足這個假定，我們在功能質素分析中便可以排除信號處理點的影響。至此，在設備等效分析模型裡面，能夠影響功能質素的元素就只剩下各傳輸線。

驗證
可以在具有高分析能力的音響系統上驗證以上推論：如果音響系統使用不同的電纜，我們可以聽到具有不同情緒狀態的聲音。這意味著不同的電纜具有不同的功能質素。

原因
電纜在電子學中稱作傳輸線，同樣屬於電子電路。傳輸線電路包含著各種分佈式元件。分佈元件有別於實體元件，其參數值因為受到各種因素影響而有著不確定性和大範圍離散性。然而，這些參數卻控制著傳輸線電路的各種特性。當傳輸特性對於不同頻率信號有著不相同製約，便要影響寬頻信號傳送。不盡相同的幅度製約，產生不均勻的頻響特性；不盡相同的時間制約，會導致信號頻譜上的各頻率成分到達終端的時間不一致。這些不相同製約破壞了實時頻譜的完整性，導致信號的微動態失真。不同程度以及不相同製約，它們的各種組合，具體地體現為不同電纜將會有各自不同情緒狀態聲音。

對於電子設備，電路設計確定了功能，然而功能的質素卻會受到傳輸質素的影響。下面，我們會更詳盡地分析傳輸質素。

分佈參數
傳輸線並不限定於電纜，任何用作傳送信號的導線都屬於傳輸線這個範疇。在電子技術中有一些關於傳輸線的理論。人們依據這些理論去設計各種用途的電纜。這裡，我們只是關注那一影響著傳輸質素的重要元素：分佈參數（分佈元件的參數）。分佈元件並非我們平時所看到並觸摸到的實體元件。它是一段導線其自身電阻、電感。以及這導線在其所在空間與其它導線耦合，因而產生了近乎於有一個實體元件存在的特性，我們便把它等效為有一個元件。所有這些，我們都把它稱之為分佈元件。其參數稱作分佈參數。

傳輸線電路
一條導線可以分割成無窮多個線段。對於雙線，每一線段可以等效為多個不同特性的分佈元件。這些分佈元件組成了一個四端網絡的傳輸線電路。分佈參數就控制著這個網絡的幅頻、延時等各種特性。如果網絡電路是實體元件，那麼，通過選取合適的元件參數值，我們就可以控製網絡特性來配合設備功能。但分佈元件卻不一樣。

不確定性
分佈參數是一個令人煩擾的問題。在電子設備裡面，分佈元件無處不在。其參數值會受到很多因素的影響而不能夠準確地預測。不同生產批次的元器件、線路板以及引線等，它們工作的時候其分佈元件所反映的參數值將有所不同。因此，電子設備生產於不同批次，它們的功能質素就會有一些差別。並且，同批次生產的元件，在各元件之間，參數值仍有較寬範圍的差異（離散性），所以，同一批次元件所生產的各設備之間仍會有微小的質素差異。當我們了解了元件生產當中的各工藝流程便可知道，這一情況是必然的而且無法改變。

唯一性
音響系統的特殊性是寬頻帶環境下的實時信號處理。這需要傳輸線電路對信號頻譜上面的每一個頻率成份都有相同的延遲時間。就只有這唯一的延時特性（相同延遲時間）才能夠滿足音響系統。當結合參數值具有不確定性和離散性時，傳輸線電路能夠達到這唯一延時特性的機會就等同於要從隨機數中求取一個既定數值。頻帶寬度在這裡也被等同於既定數值的位數寬度。隨著位數的增加，這個既定數值能夠從隨機數中求取的機會將接近無窮小。

結果
分佈參數不確定，傳輸特性將隨參數而改變。信號在傳輸線上傳送，會受到傳輸特性的製約。除了各頻率成分之間會有幅度差別以外，傳遞時間於各頻率成分之間也會出現一些差異。這個時間差異將隨頻率差異而增大。對於頻帶寬度等於10倍頻程的音樂電信號，這個時間差異對頻譜實時性造成了嚴重的影響。

現象
我們可以從日常的音樂播放當中去了解這種影響。

當音樂信息轉換成電信號時：每一個特定的時間段，總有一個對應的頻譜。每個頻譜在時間軸上集合，形成一段完整的音樂。

1. 單獨一件樂器演奏的音樂，每一特定時段頻譜的寬度相對較窄，頻譜內各頻率成分相鄰較近。因為相近的頻率總是有相近的延遲時間，所以各頻率成分的傳遞時間較容易達成一致。特別是泛音成份相對較少以及其持續時間相對較短的樂器，它們的聲音也就較容易在音響系統獲得真實重現，例如木琴。

2. 在各種樂器當中，鋼琴聲音含有更豐富的泛音，而且這些泛音也有較大的幅度以及較長的持續時間。前一音符的泛音與後一個音符重疊，引發出壯麗的鋼琴聲音。這種多層次重疊，讓頻譜更為寬闊。因為頻率差異越大，傳遞時間的差異越大。因此，傳遞時間於各頻率成分將更難達成一致。與其他樂器相比，若要音響系統重現真實的鋼琴聲音將會相對的更加困難。

3. 大型管弦樂團演奏的古典音樂。对于各个时段頻譜，其整個声音頻段都布满了頻率成分。此時，高、低頻率的差異會達到最大程度。信號傳送過程中，各频率成分也就更难达到时间一致。其結果是音樂播放將有更強的背景噪音*，聲音也將更為吵鬧、混亂。

* 不應該出現的聲音就是噪音。在某個時間點不應該出現的能量就是要產生噪音的能量。

微動態失真
音樂信息同時涉及時域以及頻域。音樂聲音的頻率以及幅度會隨著時間的推移而改變。這些時頻信息按時序地分佈量值轉換成電信號。

音響設備傳送以及處理音樂電信號。在這過程中，若某些頻率成分的延遲時間出現不一致，則其傳遞時間與其它的相比便有了差異。它們在時間軸上的排列位置就會出現錯誤。這導致：1）電壓量值隨時間變化的軌跡由於信號頻率改變而斷裂。 2）一些位置錯誤的頻率成分，其能量將與新位置的能量疊加。 3）在時間軸上排布的各頻率成分會產生以頻率為參量的群漂移。以上情況將會改變電壓量值隨時間變化軌蹟的形狀（微動態失真），並體現為音色以及情緒狀態的改變。

圖解
設定有三個頻率成分f1、f2、f3。它們在某一傳輸線的延遲時間不盡相同，並分別為1T、2T、3T（T為時間單位）。三個頻率成分分別以2T間隔從傳輸線A端傳送到B端。傳送順序為：f2、 f3、 f1。三個頻率成分傳送前、後於時間軸上的位置變化如圖所示。

斷裂：信號傳遞到B端后，f2與f3之間有1T時間間隔的斷裂。这个斷裂会由電路的積分效應所填補並體現為音色以及情緒狀態的轉變。

疊加：f1的能量疊加到f3的能量上。同樣，這一疊加也會體現為音色以及情緒狀態的轉變。

群漂移：通常，如果不同頻率的信號在傳輸線上具有不同的延遲時間，則延遲時間與信號頻率呈正相關。結合上圖，我們可以推導出：一段音樂旋律當中，音高由高至低的過度時段裡將發生藍移（多普勒效應）。以及，音高由低至高的過度時段裡，將發生紅移。即，音樂播放當中，各音符的時長不變，而兩音符之間過渡時長將會隨著音高的轉變而壓縮、或擴展。這一種效應會導致一段旋律當中的各个音符（以頻率為參量的群組）會在時間軸上漂移。具体地会体现为改变声音的音色以及情绪状态。

總結
分佈元件的形成機制以及影響，對於各類電子設備都是一樣。以分佈元件為主體的傳輸線電路只是一種特例。分佈元件的存在本屬自然現象而非錯誤。它對音響設備功能質素有如此嚴重的影響，這在於其參數值的不確定性、離散性、以及音響系統自身的特殊性。幾種因素的不謀而合，造就了音響設備聲音的千姿百態。在各自表述的環境裡，愛好音樂之人從中挑選其所喜愛。那些受到了眾人推崇的產品便成為了今日追尋之昨日經典。

若音響設備的功能質素要再進一步，分佈參數的有效控制是必須的。這也是解決設備功能質素一致性問題的必經手段。

編寫：Chen
日期：May-2012
重新整理：Aug-2021