突破聲音的障礙 延伸高頻響應的需求：你為何需要超高音喇 [复制链接]

突破聲音的障礙
延伸高頻響應的需求：你為何需要超高音喇叭
Dr. Paul Mills

本文是Tannoy公司家用音響部門總工程師Paul Mills博士所撰寫的「寬頻白皮書」（White Paper─Wideband），原文標題為「Breaking Sound Barriers：The Need for Extended High Frequency Bandwidth ─ or Why You Need a Super Tweeter」，內容旨在闡述極高頻存在於音樂訊號的意義，以及超高音喇叭在重播過程中所能夠提供的好處為何。作者以Tannoy的二音路同軸單體為例進行說明，雖然不免有為自家產品宣傳之嫌，不過這其中確實有許多值得讀者們瞭解的實驗結果，或許還可以提供大家新的思考方向，進而瞭解新世代數位訊源來臨後的「極高頻重播」定義。

前言
對於超低音喇叭，我們都有著一致的共識，那就是利用它延伸低頻響應，藉以增加喇叭系統重播聲音的真實性。至於超高音喇叭，其實也是基於相同的概念，只不過它延伸了頻譜上的另一端，也就是人耳聆聽高頻極限以上的數個八度音程。加裝超高音喇叭的結果，會提昇樂器音色的精準性，同時增加特定頻段的響應能力，甚至能夠為其他頻段 ─ 例如低頻部分 ─ 帶來好處。對於聆聽過Tannoy超高音喇叭的人來說，他們表面上已經接受這種想法了，但事實上他們還是存有下列的疑問：

⊙在一般公認的人耳聆聽上限20KHz以上，是否真存有任何樂器的聲音？
⊙如果有，它們的能量真能夠察覺出來嗎？
⊙超高音喇叭在重播過程中如何能夠提昇整個頻段，甚至於低頻的部分呢？
⊙這對於所有的訊源都有好處嗎？

要解開這些問題，我們首先得在討論相位響應、泛音關係對於頻寬的影響，並且特別強調二音路同軸單體之前，先瞭解樂器聲音能量的頻率分布狀況。然後，我們會討論關於人耳聆聽作用的話題。

自然樂器的聲響

〈圖1〉表示一般樂器的頻率響應範圍。除了樂器的基音頻率以外，這裡還顯示出泛音或和諧音的較高頻率。泛音與和諧音的構成，就是各種樂器不同音色特徵的來源，如果將基音以外的這些頻率排除，所有的樂器聽起來就會像是測試訊號一樣。即使將銅鈸、三角鐵等打擊樂器算在內，自然樂器的極高頻能量通常都能夠到達15KHz。在W. B. Snow於1931年所完成的研究報告中（參考資料1），就已經明白地指出：要完整重現管弦樂團的音樂，必須具備14KHz極高頻的重播能力。

〈圖1〉一般樂器的頻率響應範圍

這是一般廣為接受的理論，在許多教科書上也可以看到同樣的結論。使用頻譜分析儀進行簡便的測試或許不全然適用於此處，但是卻能夠輔助少數研究者在瞭解樂器的頻寬，或是研究人耳對極高頻的聽覺反應。
我們在此引用一份調查最徹底，出自J. Boyk的研究報告（參考資料2），並且在授權下刊登報告中的幾份測試圖。〈圖2〉為加裝了特殊型式弱音器的小號（Trumpet）之測試頻譜，在20KHz以上仍有相當程度的音頻能量；同時可以輕易的看出，即使在100KHz以上，音頻能量仍然維持在背景噪音值以上。類似的狀況，也可以在其他樂器家族的測試結果中看出來，例如小提琴與雙簧管的音頻能量就維持在40KHz以上；即使是絲絲作響的說話聲，同樣也具有40KHz以上的訊號能量。
至於不具有音階特性的樂器，像是打擊樂器家族則能夠再生相當程度的超高頻。銅鈸〈圖3〉的音頻能量當中有40％集中在20KHz以上，而三角鐵更能完整再生達100KHz以上的超高頻〈圖4〉。

〈圖2〉小號的頻譜分析圖
〈圖3〉銅鈸的頻譜分析圖
〈圖4〉三角鐵的頻譜分析圖

關於和諧音、相位與二音路同軸

與傳統各音路單體分離的做法比較起來，二音路同軸（Dual Concentric）設計在保存樂器聲響和諧音方面更見完整。這是因為低頻與高頻來自空間裡的同一個發聲點（點音源），所以無論是在分頻點以上或以下的頻率範圍，和諧音之間都沒有時間差與相位差的問題存在。

同時，樂器基音與和諧音的振幅關係，也精確的存在於喇叭發聲軸線與偏軸線上。在一般的聆聽空間裡，人耳所接收到的絕大部分訊息，都是來自於喇叭偏離軸線聲波能量所造成的反射音。所幸，二音路同軸單體在偏離軸線所產生的聲波能量，與發聲軸線上的聲波有著相同的和諧音結構。在〈圖5〉上，可以清楚地看到這樣的結果。

〈圖5〉二音路同軸單體再生和諧音關係圖
〈圖6-1〉〈圖6-2〉二音路同軸單體與各音路單體分離設計的相位差比較

同樣的，在二音路同軸單體加裝超高音，只要精確控制時間相位與空間關係的要素，就能夠藉由提昇低通滾降頻率的做法減少高頻相位失真問題，一般的標準是54KHz時滾降-6dB、100KHz則滾降-18dB。因此，即使我們忽略了高於20KHz以上的音頻訊號，加裝超高音單體也會重現較佳的樂器和諧音。在〈圖7〉當中，同時顯示出20KHz與54KHz的極高頻滾降狀況，我們便可以很清楚地看出相位差不僅在極高頻減少了，甚至連5KHz頻率處也是相同。

〈圖7〉加裝超高音單體降低相位差的狀況

人耳對超高頻的聽感

目前為止，我們已經論及加裝超高音單體如何提昇喇叭的相位與實際表現，特別是對於二音路同軸設計在20KHz以上的相互結合狀況。問題是，我們雖然都知道樂器的音頻能量可以直昇100KHz，但是確實聽得到嗎？

日本研究人員Oohashi et al（參考資料5）領導一個工作團隊，藉由超高音單體切換動作進行寬頻重播的實驗。在盲目測試的過程中，他們全程監控聆聽者的腦波活動，並且紀錄聆聽者的主觀評分，藉以斷定音樂中超高頻成分對聽感的影響。在另一份資料（參考資料6）當中，則是記錄了失聰人士經由超高頻判別說話與音調的狀況。他們記錄了聲波的機械運動可能藉由骨骼傳導，直達耳內一個稱為「Saccule」的器官，最後連接到耳蝸讓聽覺產生反應。

在發展超高音單元的過程中，一項有趣的結果特別值得注意。我們曾經試著藉由修改分頻網路，消除30KHz處的一個10dB峰值，並且以一部數位噪音模擬器材，發出100KHz頻寬以供測試。即使在盲目聆聽測試狀況下，該頻率的峰值存在與否確實能夠讓聆聽者作出判別，而且儀器測試結果發現28KHz以下並沒有產生變化。這項結論，對於超高音單元的發展研究有著深遠影響。

結論

在這份白皮書當中，我們指出了樂器音頻能量遠遠超過了一般認知的人耳聽覺範圍。同時，研究報告也說明了我們確實能聽到這些音頻能量，進而證實加裝超高音喇叭對於寬頻重播有其必要性；即使只使用常見的CD作為訊源，加裝超高音喇叭也能夠降低整體的相位差，並且有效提昇系統在20KHz以下頻率範圍的實際表現。反應在聽感上，如此改進會使各頻段的音色準確程度增加，並且即時挽救樂器和諧音的失真問題。

加裝超高音單體的優點會顯現在任何高品質喇叭上，尤其在嚴格控制時間差問題的二音路同軸喇叭上格外明顯。值得特別注意的是，二音路同軸喇叭在此時仍然保有點音源設計的好處，正如同它一向能夠重播豐富無比的音樂細節一般。
接下來，我們要期望的是訊源與擴大機等器材也能提供相對寬頻表現，並且發揮出驚人的音色與暫態精確性；因為，現在已經不能再稱喇叭為整個音響重播環節中最弱的一環了。 ■

參考資料
（1）W. B. Snow，Jour. Acous. Soc. Amer.，Vol. 3，No. 1，Part 1（1931）
（2）J. Boyk，There's Life Above 20kHz ─ A Survey of Musical Instrument Spectra to 102.4kHz，http://www.cco.caltech.edu/~boyk
（3）D. Jensen，High Frequency Phase Specifications ─ Useful or Misleading?JAES，Vol. 36，No. 12（Dec. 1988）
（4）W. Marshall Leach JR，The Differential Time Delay Distortion and Differential Phase-Shift Distortion as Measures of Phase Linearity，JAES，Vol. 37，No. 9（Sept. 1989）
（5）T. Oohashi et al，High-Frequency Sound Above the Audible Range Affects Brain Electric Activity，AES Preprint No. 3207（91st Convention，New York）
（6）M. Lenhardt et al，Ultrasonic Speech Perception，Science，Vol. 253（July 1991）

回144期目錄