关于高保真音响设计的一些想法和新思路

chengyanfeng · 发表于 2009-2-4 14:30:51

关于高保真音响设计的一些想法和新思路

对于一名发烧友，能够设计、制作和改造自己的高保真音响系统是一件很愉快的事情。经过亲自动手和思考，从收集资料、采购器材、精心制作、细心打摩，到获取满意的音响效果，其中的艰辛坎坷和心路历程，是仅购买一套成品系统无法比拟的。
   当然，不同发烧友的能力和条件是不一样的。也许是发现一条新种类的导线用于音响，也许是发现一种新的器材搭配组合，只要是能够提高音乐质量，都会或多或少地体会到音响发烧的滋味。而对于大多数发烧友来说，如果要DIY，一般都会从功放和音箱的设计制作着手，从中能够更快更多地找到音响发烧的感觉。
   我不能算一个真正的发烧友，最初是一名电子爱好者。91年到南京理工大学读书，经常去逛太平南路的电子一条街，也制作过一套简单的功放和音箱，平时接随身听在宿舍听听音乐。93年秋，在电子街南端尽头的一个巷口发现了一个音响店，就进去看看，临走时突发奇想，问了一下是否要修理音响的人。没有想到老板很爽快地答应了，并给了两个坏功放让我扛到学校去修。从此我就利用业余时间在这个音响店里打工，一直到95年大学毕业。这就是我和南京威虹音响的周总结下了一段的缘分。在周总的影响下，我对音响有了一些了解，开始对Hi-Fi音响的追求和探索。在其协助下，制作过晶体管功放、电子管功放和音箱，也曾对一些名牌产品进行摩机。后来，我也曾到南京出差，顺便到威虹坐了坐。之后，由于电话升位、事情繁杂等原因，逐渐失去了联系。
   毕业后，我到了中国运载火箭技术研究院工作。也曾到北京新街口的一些音响店逛逛，由于单身住宿条件的限制，无法配备一套如愿的音响。到北京音乐厅听现场，成了我最终的选择。印象最深地是：唐宋和现代诗词朗诵、以及那几年每年12月24日必听的杨鸿年指挥的中央乐团少年及女子合唱团的平安夜演出（现上网才知道，杨鸿年也是江苏南京人）。之后，虽然居住条件改善了，但事情多了，也没有心气专门去听音乐了。但对于音响的设计和制作，我是一直在关注，也常在收集相关的资料。原来有一本四川成都出的《实用电子文摘》很好，我曾收集了几年。后来好像改名成了《发烧友》，多是广告，就放弃了。之后我大多购买一些相关的图书，对杂志不再有兴趣。但多年来，我一直从事航天用传感器和仪器仪表的研究、设计和制作，对低频模拟电子技术及材料和工艺则有了更深入的理解。
   07年，我参加了中国南极科学考察队在中山站越冬，现在这里呆了一年多，没有网络、没有电视，平时也就唱一下卡拉OK，聊以自慰。心中耿耿于怀地就是我辛苦用电驴下载的全套卡拉扬指挥的贝多芬交响曲没有带来。今年初，中山站新上了卫星网络设备，调通后，我迫切地希望了解一下当前音响技术的发展，没有想到找到了我曾勤工俭学2年多的“南京威虹音响”，竟发展到如此规模。出于对周总的敬意，我觉得应该写点什么，给网站灌灌水墨、添添彩头，所以想从我比较熟悉的音响DIY开始。虽然，我十多年来没有去南京，也没有和周总联系，但我感觉那2年多的情分还在；虽然，我十多年来没有真正做过音响DIY，但我认为那2年多培养的一些技术基础还在。所以，我也就不怕大家见笑，把我所理解的音响方面的知识贡献出来，也算是对重新联系到威虹激动心情的一点表示，对我十多年尘封的音响发烧梦想的一个记忆。

1. 音响为音乐服务
“音响为音乐服务”是威虹的一贯宗旨。早在建店时，周总就经常挂在嘴边，成了他不懈追求的目标。我想这也是威虹能够历尽十五年风霜、经历了音响发烧过热和过冷，不断壮大的主要原因。可以说，没有音乐、再高档的音响也是一堆废品。对于发烧友而言，没有喜欢音乐和对其的欣赏品位和理解，仅追求音响的档次和效果，则如同买椟还珠，最终没有任何价值和意义。聆听好的音乐可以让你暂时脱离尘世，抛弃功名利禄、世事纷杂，陶冶情操、净化心灵。这应成为发烧友不断追求的一个精神境界，这也是音乐给人以感悟和启迪的目的。
   同时，音响的品质也很重要，发烧友根据自己喜欢的音乐类型，配备相应品质音响是必要的。低劣的技术工艺和不恰当配置的音响系统，只能作为平常的消遣，谈不上喜欢音乐和对音乐的追求，除非你去音乐厅听现场。根据自身条件和喜好，配备合适的音响系统，则是一种追求音乐精神生活的经济选择，也是与家人和朋友探讨音乐的物质平台。
   对于入门的发烧友来说，选择一款中档的国产音响系统，我认为是明智之举。这样可以培养自己的乐感，明确自己的喜好，而不为经济负担所累。有机会也应到现场去听一些演出，当然我不是指成千上万人的现场，那是去感受气氛，不是去听音乐，最好是去音乐厅或歌剧院，有些高校搞的音乐会也会很不错。
对于有技术背景的发烧友，根据能力DIY或摩机也是不错的。当然这和购买一套成品相比，是有风险的。辛苦半天，可能得不得期望的效果；购置的配件成为一堆废品；设备损坏后没有了保修。而一旦成功，所获得的喜悦和内心满足，则是购买再高档的器材也无法比拟的。当然，不一定什么都要自己做。记得威虹原来就替客户摩机和订做音箱箱体，不知道现在是否还有这样的业务。
对于资深的专业发烧友，我只能算是一个有技术背景的入门级，没有资格来评判或指点些什么。其实，我并不喜好“发烧友”这个称号。我喜好音乐、关注音响，但我从来不“发烧”，冷静、现实、严肃、认真是我对待音乐和音响的前提。技术指标是衡量音响好坏的标志，音响对音乐的解析和还原能力因人而异可以赞同和理解，这需要对设备和感官在理解上进行平衡和折衷。而过分地宣称技术的作用和无边际地对音乐进行宣扬和评价，则是抹杀了音乐和音响存在的价值，我会很反感。因此，我也成为不了真正的发烧友，我不会把我的青春和金钱浪费到一个虚幻的世界里。至少在95、96年国内音响市场发烧过热时，我是这样的一个态度。之后，我就很少看音响方面的杂志了。
   总之，在经济泡沫的掩盖下，在利益追逐的狂潮中，音响市场作为一个行业的存在，其本位价值的错位和回归，成为一个必然。音乐的记录和回放，使其得以更广泛地为流传和延续，满足大众的精神需求。音响作为音乐的终端设备，是乐队和歌手在音乐厅演奏的一个扩展传播形式。从这个意义上来讲，“音响为音乐服务”是对Hi-Fi和Hi-END理解的最好定位，也应成为音响市场价值回归的一个标准。我想，这不仅需要回归，更需要坚持。在此基础上，无论是厂家、经销商、杂志评论、广告宣传，还是消费者、爱好者、发烧友，才能真正找到自己的位置和方向。

2. 音响系统组成
音响系统可分为：音源、功放、音箱三大部分。
音源是音响系统的前端，也是高保真音乐回放的核心部件，包括：软件（传播介质）和硬件（播放器）两个部分。随着技术的发展，音源已经发生了革命性的变化，原来的胶木唱片、磁带卡座等模拟音源逐步被CD、DVD等数字化音源所代替。原来常见的动态降噪、RIAA等电路，也无用武之地。数字音源涉及诸多技术环节，一般需要光、机、电技术高度的结合和集成，其核心技术和工艺只有大厂家掌握。因此，要制作或改进数字音源对于个人来说几乎是不可能的。曾有人提出调节CD激光头的功率、在CD唱片上涂胶贴膜可以提高音乐回放的质量，我想现在不会再有人做这些无聊的事情了。音源的数字化已无法让人掺入半点虚假和噱头，“0”就是“0”、“1”就是“1”，只要读出来没有误码，回放的频率精准，就可确保声音回放的质量。只要你购买的是正版优质光盘，就不应该有误码。况且，在读取时还有相应的纠错措施。如果同样的技术在音乐回放上都出问题，我想计算机也就无法使用了，现在计算机每秒处理的数据量比播放一张CD的数据量要大得多。况且，CD的数据流是线性的。所以，针对那些超高价位的所谓Hi-END播放机、光纤线、数码线，我确实不敢恭维。如果我来设计CD播放器，我就用大容量的缓存器获取光盘数据、用高精准的时钟控制数码到模拟的DA转换，足以！至于机芯的光盘读取的稳定性、机械机构运转的平稳性，完全无须考虑。而这些技术，对于现在有品牌的家用CD机、DVD机都是可以达到的。如果有人不理解，我可以这样说，一张CD盘只有700兆的数据量而已，无损压缩后只有200多兆，将来音乐的发行可能会以存储卡的形式，并终将以网络的形式代替所以的实物媒介。而这些已近在眼前，只是市场的择机和技术的扩展问题。当然，对于家用播放器，其DA转换时钟的精准程度、模拟信号的处理方式是否能够满足高保真的需要、符合发烧友对音乐不懈追求的标准，这是值得探讨和商议的。如果我有时间来做CD机，我会采取以下几个方式：

1) 购买一个优质机芯，设计一个漂亮的外壳；或干脆购买一个合适的家用成品机；
2) 如果必要，可加大数据读取缓冲器的容量；
3) 设计合适的DA转换电路，将DA转换器件和前面的控制和数字电路采用光耦实行完全的电气隔离。DA最好是正负电源供电，这样零位输出为0V，可省去一个电容隔直环节。选择名牌恒温晶体用于DA的输出控制，并做好隔振措施；
4) 模拟信号放大和跟随电路采用常用甲类电路形式，或晶体管、或集成电路、或电子管。器件和材料的选择、电路板的布局和定制、电子焊接和装配工艺等都要考究；
5) 定制工艺考究的R型或O型变压器，给DA转换和模拟部分单独供电。对于成品机，原变压器可保留，给机芯和控制单元供电。考虑到交流干扰，也可更换掉或做屏蔽处理。稳压电路应采用动态伺服形式。也可加相应的有源滤波；
6) 底座增加隔振措施，防止机芯转动和激光头运动带来的噪声。
这样，无须太多的花费，所能达到的效果则是显而易见的。如果你对光盘机芯机构还不放心，干脆就用硬盘、电子硬盘、存储卡或网络连接，用计算机或ARM电路来读取数据，DA和模拟部分的设计制作和上述一样。将光盘数据无损复制或压缩进去，随听随有。当然，计算机电源和CPU的散热风扇是不能有的。
科技的发展使得音源的数字化成为大势所趋，并不断在发展。对于过时的东西，保留怀旧情节或作为古董收藏，是可以理解的。偶然聆听一下，回顾一下其曾有的辉煌，也在情理之中。但进步终归是进步，任何经典、任何档次，对于电子成品终将会成为过去。任何保值、升值的说法，对于电子产品都谎言。当你打开包装时，它就已经贬值了。我想，要说经典，还是把它留给功放和音箱吧。
功放和音箱能够成为经典，主要是因为它们涉及的环节很多，同时受人听觉感官上的影响较大。技术提升的缓慢，使得数十年前产品的特色至今仍有保留的价值。其中，音箱就像乐器一样，保管使用恰当，则会越煲越顺，越用越显光彩。另外，功放和音箱的技术途径相对简单一些，比较适合于DIY爱好者的制作。相应的实现方法也很多，各有优缺和特色。所以，对功放、音箱的观摩和探讨才是最有意义的事情。
同时，电源的纯净对高保真音乐的回放也是有影响的，特别是对于功放的前级。虽然，功放都有相应的电源干扰抑制比的指标，但任何一点可能存在的干扰和尖刺对于Hi-Fi是不允许的，需要用相应的技术手段消除。所以，应该配备合适的电源滤波器。
信号线、音响线的品质也至关重要，但能够听出两种高档线之间的显著差别，我不太相信。至于光纤和数码线，只要质量没有问题，我更不相信会有差别。还是那句话，“0”就是“0”、“1”就是“1”，如果出来“0.5”，那就是质量问题，和品质无关。
最重要的还是要有一个良好的听音环境。有条件设计个听音室，没有条件可在家里的客厅，关键是要做好相应的布置。现在汽车的高保真音响系统发展也很快。也许对于有些发烧友嗤之以鼻，但我认为在汽车的狭小封闭隔音环境中，更容易营造一个高保真听音环境。当然，扬声器的安装、声音反射的控制、声场空间的营造等技术问题还有待更好地解决。另外，家用书桌小型音响系统，也可考虑向高保真方向发展。按照距离1米左右，人坐姿的高度、后方空旷的情况、对声场的营造进行的设计和调整，也应能达到很好的听音效果。这些都更符合现代人的生活习惯和节奏。因此，对于音响厂家，也应开阔一下思路，把握住社会的脉搏，吸纳新的科技，把高保真的基本理念扩充到更广的领域中。不要在高价位、超豪华的奢侈品道路上走得太远。音响为音乐服务、音乐为大众服务，这才是正路。
对于普通的消费者，不要看着那些标价不菲的音响设备眼热、迷茫、彷徨，还是精心挑选一套合适的喜好的设备，欣赏喜好的音乐，把握音乐的实质。平淡、冷静、朴实地看待音响器材的表现，把情趣和激情更多地留给音乐，我认为这将是更好地选择。其实，设备性能差距都不大，在家居环境中无法辨别，决定不会把耳朵听走调了。至于那些声音表现上的细微之处，还是留给周总这样的资深专业发烧友去辨别的。

3. 功放的设计
目前，功放常分为晶体管、电子管、晶体管电子管混合型，俗称为：石机、胆机、胆石混合型。晶体管又分为三极管、场效应管。在此基础上形成了多种的电路形式，产生了不同的回放效果。另外，还有采用各种集成电路，及其和分立器件的混合。但对于DIY，我们不可能将所有的电路都试验测试一遍。往往会从一些简单的电路开始着手。而往往简单的电路也会有不俗的表现。
对于晶体管电路，我比较喜好全差分、全对称、全平衡的电压反馈电路设计形式。这种电路直观明了，便有分析。最近发现一款天逸AD-2SE纯甲类功放，在设计理念上和我的思路很一致。这种电路的简化形式如下：

晶体管功放简化电路图

如采用BTL桥式输出方式，则更能体现全对称，全平衡的理念，其简化电路图如下：

全对称、全平衡BTL功放电路图

上述电路只是简化形式，具体的设计方法可参照类似的电路。上述电路可以简化成运算放大器的形式，用于专门分析反馈网络，BTL可以看成两个对称输出的运放。这里我将仪器仪表中常用的仪表放大器的概念引进来，所采用的反馈网络原理图如下：

功放反馈网络示意原理图

图3a中，R1=R2、R3=R4，则：Vout=(Vin2-Vin1)*R3/R1+Vref。图3b亦然。我估计AD-2SE采用的就是图2、图3b的形式。而这里我将主要分析图3a的用法，提出一种新的功放的反馈网络形式。通常功放是左右声道都采用完全一样的电路，而这里我将声道的信号各输入到差分的正端和负端，负端输入声道的扬声器采取反接的形式，具体如下图所示：

新型反馈网络功放示意图

图中：op2组成调零网络，用于动态跟踪和调整功放的输出的直流零点电位，取消了电容交流耦合网络。L声道是常用的正端输入形式，R声道则是采用负端输入，扬声器的正端则需要接到地端。这种连接方式最大的好处是能够想BTL电路一样，确保电源正负极的平衡。大家都知道左右声道的低频分量相位几乎是相同的，也是需要能量最多的。当输入为正周期时，L声道消耗正电源电流，R声道则消耗几乎同样的负电源电流，保证了电源正负电压的一致性和零点电位的稳定性，提高了动态响应、电源噪声抑制比、左右声道隔离度等多项指标。同时，如果将两声道输入接在一起，扬声器正极接到L的输出，负极接到R的输出，就成了一个单通道的BTL功放。采用两台功放，就可实现左右声道的完全隔离。当然这两台功放的器件应一起配对和筛选。采用这种方式，不仅保留了BTL功放的优点，又提高了设备的灵活性，成本也增加无几。
另外，对于功放设计，我还有以下想法:

1) 可以考虑采用优质精密薄膜贴片电阻。普通两端引线电阻多是将镀膜车成螺旋型以增加阻值，这就存在寄生电感。而贴片电阻是在陶瓷平板上制作的，其性能和技术水准不会比那些天价无感电阻差多少；电阻焊接端要水平引出，尽量远离热源，以减小热偶电势的影响；
2) 电容的选择很重要，电源的电解电容应采用多个小容量并联，布局要紧凑，并加多个小的有机介质电容，以提高高频响应。电路板的合适位置也要多加小电容，给电源去耦。电容要注意隔振，焊接时要小心，以免性能发生变化；
3) 元器件要进行筛选和配对，最好是在实际工作的负荷条件下进行，而不是仅用仪表测量一下参数。
4) 电流输出级功率管应采用多组并联的方式。几个并联的管子不加绝缘垫直接安装在一块紫铜板上，形成一个热沉，再用绝缘垫和铝质散热器连接，以便更快地将热量吸收和传导出去；
5) 电源最好是线性电源。变压器选R型的，其技术指标比O型的要高，工艺方法也更规整。我没有在音响上用过开关电源，所以没有把握。不过如果设计开关电源，其高频变压器我会选择微晶、非晶材料或坡莫合金做磁芯，而不是铁氧体。
6) 结构设计应尽量简单、规整。前面板一个电源指示，后面板的电源、输入输出布局尽量对称。音量电位计、各种调节和切换、电源开关可以都不要，将其留给前置放大器来做。好处就是：后级简单、明了、匀称，也便于前置的遥控设计。
7) 采取模块化设计，器件应简单明了，便有拆装，使摩机更容易。
8) 设置甲类、甲乙类的切换功能，电源电流电压可精确测量；各种保护电路一定要完善，避免不必要的损失；这些控制和测量功能都用单片机来实现，并设有通信接口，可接到前置一起联控。
9) 扬声器的反向电动势的干扰是电压反馈型一个缺点，需要在其输出级和反馈上增加合适的RCL网络，尽量降低其影响。

关于胆机，我对输出变压器的制作很畏惧，购买一个又不甘心，所以对纯胆机电路也了解很少。如果要做，我感觉胆石混合很是很好的选择。前级采用电子管、后级采用晶体管，就避开了输出变压器的难题。反正都是订做电源变压器，高压部分也不是问题。该类电路实现的关键是音频耦合电容的选择。前级电子管的放大倍数很稳定，后级晶体管仅做电流驱动，所以一般整个电路都采用开环放大的形式。由于采用电子管、并且前级高压属于单电源供电形式，该类功放的静态热噪声、电源噪声会大一些。

前置放大器主要的功能有：音量调节、输入切换、音效、均衡等，相对技术途径复杂些，不易于DIY制作，可先购买一个成品机。如果制作，我的思路是：
1）音频输入切换采用优质金属封装继电器，或选择新型的高性能模拟开关；音量调节、音效、均衡等选用高性能数字电位计。设有直通功能。
2）采用单片机进行控制，可和后级通信，设有遥控器，面板操作采用单个数码按键旋钮，根据指示灯进行相应设定。
3）控制部分和模拟部分分别供电，直接信号要加光耦隔离，保证其电气隔离度。
4）设有电源滤波器，给后级供电。后级电源采用继电器控制，接插件为非标特制。
5）模拟部分的放大电路和电源设计，与上述的音源设计方案一致。

4. 音箱
我对音箱的设计了解不多，还没有什么好的想法，只是对有源音箱有一些思路，现罗列如下：
1) 有源音箱最大的好处是便有实现电子分音。节省了昂贵的无源分频和音箱线材；
2) 可针对扬声器和音箱的测试参数进行特定的频点修正，使频响曲线更平坦；
3) 使音响系统更紧凑，降低了成本，便有安装和搬运；
4) 利用扬声器推动的气流给放大器散热，更有利于设备工作的稳定。
5) 采用无线传输技术，如FM、BlueTooth，可使有源音箱只有一根电源线引出，非常适合于AV系统的后置音箱。如果没有地毯，那两根音箱线太难布置了。
6) 由于在振动环境下，放大器元件的抗振项目要求更高，特别是电容器。
因此我认为，采用Hi-Fi理念设计的有源音箱是更适合大众和入门发烧友使用的。

5. 后记
谈了一些自己对高保真音响的看法。十几年来，考虑了很多，但确没有真正动手做过。现将其倾囊而出，无论对错，就当是进行交流和学习了。如有不当之处，还请大家多多包涵。也欢迎大家多批评指正。

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