0489ca27cf170fb74670fa32c77acc5b 台灣水電工原本是拍攝愛情動作片出身,對於音響這種聲光娛樂專業技能當然是有練過的行家。但音響領域真的是相當專業的學問,也是現代電子電機學生最不擅長的一塊。因為多數做類比的工程師,都已經在數位時代的洪流中,被那22K薪資搞死了。

沒蓋各位,類比工程是極需經驗的工作,不是說念完一本電子學就可以搞定的東西。況且聲音對於電子訊號來說極為複雜,由低頻至高頻相差近千倍的低頻寬類比訊號。像是多數音樂和錄影帶,聲頻訊號都在40Hz∼20KHz之間。而音響線路和高頻調變電路等等通訊用電路又有很大的差別,沒有花個5∼10年,處理過幾十個專案,絕對不會有很好的設計能力。音響與線路設計是沒有捷徑可走的工作,都得在實戰中獲取經驗,這也是為什麼專業人才難以培養的原因之一。

聽不出來的小細節

因為人才養成費用高昂,加上每個人聽力有不小的差異,多數人很難辨別細微的差異。很多公司乾脆就不養這麼高級的人力了,反正各大3C廠商就賭聽得出聲音有問題的人不到1%,所以聲音糊、聲音爛都無所謂,只要有聲音別太誇張就好。身為電腦3C相關產業的一股清流,電腦王當然有義務告訴大家,什麼樣的聲音才是好的聲音,而怎麼樣才可以破除某些花大錢但又沒學理基礎的音響迷信。

▲低價位音效卡近10年來幾乎絕跡,主因就是主機板內建音效晶片,就能滿足多數人的使用需求,加上價位因素讓低價音效卡幾乎沒有競爭力

頻率單位:Hz

講到聲音一定會提到頻率,頻率是指單位時間內重複發生的次數。常用的國際單位是赫茲,英文為Hz,該單位是紀念德國物理學家Heinrich Hertz。Hz是指每秒內重複發生的次數,例如400Hz即代表每秒重複400次。

談音響前先了解聲音

聲音到底是什麼?這個問題真是很尷尬,說簡單很簡單,但仔細說來又很複雜。國小教材都念過,聲音是因為物質振動,而打動了週遭的空氣分子,造成空氣產生了疏密分佈的波動,而這個波動會以約每秒300公尺的速度前進,就成了聲音,而這個速度也就是音速。以上是小學生的程度,要達到水電工的程度還需要再努力一些。

同聲頻不同聲音

聲音最關鍵的是「組成成份」,好比我們人說話的聲頻都在相當的範圍內,但每一個人的聲音聽起來都不一樣,差異就是組成的元素不同。又好比同樣一架鋼琴和一架手風琴發出同樣頻率的音階,但是絕對不會有人把鋼琴的聲音和手風琴的聲音搞錯。經過近代訊號學的各種實驗發現,我們的大腦神經在解釋聲音訊號時,除了可以認出聲音的基本頻率之外,更可以認出其它的部分而且相當靈敏。

認識泛音和相位

自然界物體很少有所謂的純淨聲音,因為自然界大部分物體都是成份複雜的複合物。當我們加入1個能量產生振動時,發出的聲音頻率一定不只1個。而且每個頻率訊號產生的時間點也不相同,因而產生大量不同的排列組合,才造就了如此多變的聲音。經過許多世紀的數學發展,水電工前輩們發現,當我們把這些訊號經過數學方式,像是用級數方法拆解成各種的正弦波(Sin波),就可以看出聲音有幾個重要的組成成份:基頻、泛音、相位等元素。

基頻是比例最大的能量

基本頻率(Fundamental Frequency,簡稱基頻)是指聲音經過拆解後,佔比最大的能量落在哪個頻率。通常在自然界的聲音中,這個成份會落在最低的頻率。好比我們用鋼琴發出標準音A的聲音,最低的頻率就會在440Hz,此時440Hz就是基頻。

人類發聲的基頻

人類是透過聲腔區域發出聲音,由於口腔結構的差異,造成每個人基頻不同。小孩的基頻約在250∼400Hz,成年女性基頻約200∼300Hz,男性則是100∼150Hz。從數據中不難看出男性基頻比女性低很多,這也是為什麼男高音相當少見。

單一頻率的純音

看到基頻與泛音,那應該會想到,世界上有沒有單一頻率的聲音?自然界中單一頻率的聲音相當少見,在生活中比較容易看到單一頻率的例子是音叉。在定義上,我們將單一頻率的聲音稱之為純音。

泛音可能有多個

如同先前所述,當複雜的複合物體產生振動時,絕對不會只出現單一頻率,那其他的頻率就稱為泛音(Overtone)。通常在樂器上出現的頻率,都會是基頻的整數倍數。好比用鋼琴彈奏標準音A440時,我們將聲音拆解成正弦波,就會發現除了基頻440Hz外,另外存在880Hz和1320Hz及1760Hz的弦波,而且所佔的比例也不低。

鋼琴的880H z大約佔了總能量的14%上,1320Hz和1760Hz也大約是這個比例。若基頻的頻率為N,則頻率為2N的就稱為第二泛音,這在訊號處理中則叫二次諧波,3N的叫做第三泛音依此類推。離基頻愈遠的泛音通常佔能量的比例會愈小,但也不是必然。好比鋼琴有時第三泛音的成份會超過第二泛音一點點,但大致上來說還是愈遠的泛音愈小,像鋼琴的第四泛音就只有3%左右,之後泛音佔有的比例會更小。聲音最單純清亮的三角鐵,第二泛音就小到只有2%不到,而第三泛音連0.01%都不到。

▲上圖為樂器之王鋼琴的聲音的頻率分布及波形

自然界的聲音有時相當複雜,因為可發出聲音的物體太多了,有些不牽涉到共振,像是2顆石頭互撞,海浪聲等等。會一次發出多種基頻和各自的泛音,但各種高等生物的神經卻都有辦法依經驗辨識出來。相位落差能聽出來相位是指正弦波產生的角度,好比範例圖中2個正弦波頻率相同但是相位卻不同。相位在單一音頻時沒有很大的重要性,但是在複合音頻中卻有絕對的重要性。相位就算只改變一點點,卻可能讓波形看起來差很多,而人的耳朵的靈敏度可能比一般人想像更好,只要有一點點相位變化就可以聽得出來。

範例的2種聲頻訊號,人類聽覺可能會覺得它們相似,但仔細聽時仍然會感覺出差別,這也是爛音響也照樣能聽的主要原因之一。在測量儀器上面,目前市售的各類量測雜訊、失真和干擾的精密儀器全都測量不出來這種相位變化。至於頻譜儀更不用說了,頻率成份沒有變,只有相位有變,在頻譜儀上看起來差異會小到完全看不出差別。

▲圖中顯示了2組包括3個頻率的複合波,它們的組成成份都相同,但是相位不同。注意這2張圖唯一的不同點,只有在虛線的弦波相位不同,但紅色的最終合成波差異卻相當明顯。

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