失真类型｜专业音频基础概念

互推小编 2024-04-06

要旨

失真是指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。我们在音频领域所说的失真通常是指谐波失真，这种失真是由电路中的非线性元件引起的，信号通过这些元件后，产生了新的频率分量(谐波)，这些新的频率分量对原信号形成干扰，这种失真的特点是输入信号的波形与输出信号波形形状不一致，即波形发生了畸变。除谐波失真外，还存在包络失真、数字混叠失真和互调失真等，这些失真有的是我们需要的音乐效果，有的则是会让我们的音乐变得糟糕的失真。

削波失真

一提到削波这种现象，大部分人都会联想到失真，但事实上，削波是产生失真的原因，由此产生的结果就是谐波失真。每个电路和音响单元都有一定的动态，若信号电平过强，超过电路允许范围（阈值），信号就不能顺利通过，而其波形被削掉一部分，波形就会由圆滑变成平滑的，变得和方波类似。这就给信号增加高频泛音，而高频泛音与演奏的音符和谐相关。

由于运行原理的不同，不同类型的电路削波也不尽不同。当信号饱和时，电子管电路会产生“软”削波，随着音量的增大，电子管电路会逐渐断开。

当信号变得过大(信号从纯净到失真，中间有一个明显的截止)时，大多数基于晶体管的电路会产生“硬”削波，而电子管饱和度可以通过巧妙的设计来模拟。

谐波失真

可以通过削波添加两种类型的谐波（偶次和奇次），这两种谐波结合到一起能为每个特定的放大器或失真效果赋予其自身的复杂性和音调特征。

与广为流传的神话相反，基于电子管或基于晶体管的设计都不会产生奇次或偶次谐波。相反，电路的拓扑结构和使用的元件才是产生失真特性的原因。单端电路产生强大的偶次谐波，但同样也会产生一些奇怪的谐波。推挽设计主要抵消偶次谐波，使奇数保持完整。

二阶（或“偶次”）谐波是信号中基频的偶数倍，其中一个简单的八度音是最突出的。由于偶次谐波始终与正在播放的音符保持一致，因此它们为各种信号，甚至为复杂的音色和密集的和弦，提供了令人愉悦的丰富感。

三阶（或“奇次”）谐波是基波的奇数倍，最强的是八度加五分之一。这使得摇滚和金属音乐的声音更加刺耳、尖锐。由于第五个，奇次谐波在强力和弦上听起来很讨人喜欢，而其他音程- 例如三分之一和七分之一 - 会变得模糊不清，难以分辨。

总谐波失真（THD）是对器件产生的总失真的测量，即输出端与输入端所有谐波的总和。这个统计数字用百分数表示，适用于麦克风、前置放大器、扬声器和任何其他有利于纯信号的设备。 THD为零在实验室之外是不可能实现的，但在高端设备中，总谐波失真小于1%则是非常常见的。

其他的失真类型

饱和失真是当电子管和磁带达到其预定范围的上限时，音调的逐渐变化。饱和失真通常会产生一个柔和，令人愉快的压缩，这也许多踏板和插件设计师不遗余力地模仿这种失真类型的原因。

互调失真是指两种或多种不同频率的信号通过放大器或扬声器后产生差拍与构成新的频率分量。当不和谐的音程通过模糊的踏板播放时，会产生显著的互调失真，从而产生浑浊、难以分辨的声音。

当声音的振幅随时间改变时，就会产生包络失真。例如，压缩器允许用户通过增强维持和降低瞬态来控制具有不受欢迎的包络的声音。合成器上的放大器包络则相反，能为其他静态波提供起音、衰减、延音和释音特性。

相位失真是当信号的全部或部分相位发生偏移时所发生的现象，通常是电子电路的副作用。在特定频段经过了处理而其他频段没有经过处理的情况下，多频段均衡器会导致相位失真，而诸如母带均衡器这类高端的设备就是专门为将这种影响降到最低而设计的。

从技术上来讲，噪声并不是失真，而是那些信号中不需要的内容，例如两个无线电台之间的串扰。噪声可能会通过不平衡电缆，单线圈拾音器，接地环路和阻抗匹配不良潜入到信号中。所有的电路都有本底噪声或恒定的低电平噪声，可通过适当的增益分级将其降至最低。

当信号超过传输系统的限制时，就会产生数字削波。跟模拟电路一样，数字音频系统可传输的信息是有上限（称为满量程）的。当一个信号超过0dB满量程时，它就会发出一种刺耳的、听起来很不自然的声音。

混叠是数字音频的另一种副作用，对连续信号进行等间隔采样时，如果不能满足采样定理，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号，这种频谱的重叠导致的失真就是混叠。一些插件和数字设备会有一种称为“提升采样”的功能，这种功能可以在处理信号前先提高采样率，从而避免混叠现象产生。

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