淺談音響中的“頻響曲線”

什么是“頻響曲線”

“頻響曲線”分解：“頻”指“頻率”，在聲音表現(xiàn)中同“音調”；“響”則可以看作是揚聲器系統(tǒng)（機械和電性）對輸入電信號中“頻”轉換成聲能的響應。而這種響應，由麥克風接收并經(jīng)測試儀器運算后以dB SPL對數(shù)值的形式呈現(xiàn)出來。當很多個“頻”的響應值連在一起，就成了有峰有谷的“曲線”，這種曲線稱作為頻率特性響應曲線，簡稱頻響曲線。

音箱與頻響曲線

音響系統(tǒng)或音箱產(chǎn)品的頻響曲線是否要求平直？很多人在這個問題上爭論，爭論的焦點往往在于：好聽的不一定平直，平直的不一定好聽。

比方說某個音箱在80赫茲附近的曲線比較突出，那么就說明，這只音箱對于80赫茲附近的頻段表現(xiàn)力過強了，如果播放音樂，那么貝司的聲音就會感覺重了。或者某只音箱的曲線在1000赫茲附近有凹陷，那就說明這只音箱對于1000赫茲附近的頻段表現(xiàn)力弱了，對輸入進來的信號中1000赫茲附近的頻段輸出的聲壓降低了，出來的聲音也不是原來那樣了。

頻響曲線的平直度如何，其實就是告訴你這只音箱或者音響系統(tǒng)對于不同頻段的聲音信號的增益量差異。曲線越平直，就說明音箱或者音響系統(tǒng)各個頻段的增益量就越接近相同。但是，音箱或系統(tǒng)對于輸入的信號的各頻頻段增益量相同與好不好聽并不是畫等號的。為什么呢？因為增益量相同只是表達了對輸入信號中各個頻段的的聲音的放大量相同，比如某個系統(tǒng)對全音頻中各個頻率的增益量都是30分貝，你發(fā)出1000赫茲的聲音，聲壓級是80分貝，音箱發(fā)出的1000赫茲的聲音的聲壓級就是80+30=110分貝。你發(fā)出的2000赫茲的聲音的聲壓級是60分貝，那么音箱播放出來的2000赫茲的聲音的聲壓級就是90分貝。沒有經(jīng)過系統(tǒng)放大的時候，你發(fā)出的1000赫茲的聲音和2000赫茲的聲音的聲壓級相差20分貝。那么通過這個對各個頻段的增益量相同的系統(tǒng)，由音箱發(fā)出的1000赫茲的聲音和2000赫茲的聲音的聲壓級同樣是相差了20分貝，隊形保持不變，呵呵。但是，如果你這個系統(tǒng)對于1000赫茲的增益過大（曲線上突出了），不是30分貝而是40分貝，而且對于2000赫茲的增益量偏低（曲線上凹下去了），不是30分貝而是是20分貝。那么原本你發(fā)出的80分貝聲壓級的1000赫茲的聲音，通過系統(tǒng)后，就發(fā)出了120分貝的聲音，而原本你發(fā)出的60分貝2000赫茲的聲音，通過系統(tǒng)后，就發(fā)出了80分貝的聲音。經(jīng)過系統(tǒng)前的1000赫茲和2000赫茲的聲壓級差異是20分貝，經(jīng)過系統(tǒng)后1000赫茲和2000赫茲的聲壓級差別就變成了40分貝，這就不是原本的差異了，隊形變了，這也是屬于一種失真。所以頻響曲線是否平直，只代表了某只音箱或者某個系統(tǒng)對于各個頻段的聲音的音量表現(xiàn)是否大致相同而已，而于音質無關。

至于好不好聽，首先你的系統(tǒng)要在各個頻段上的對于輸入信號的增益量要大致相同（也就是曲線盡量平直），這樣才能把原始信號中的各個頻段的聲音大小的比例放大后還原出來，起碼是該強的要強，不該強的就要弱。能夠真實反應聲音的強弱了，這才算是個好的基礎。要想好聽，更重要的是在音質上做文章。音質爛了，再好的系統(tǒng)也是表現(xiàn)出爛的聲音，不信你弄個牛B的音箱，用個幾十塊的MP3輸入到調音臺，并且把調音臺輸入增益開到頭，播放從網(wǎng)上下載的MP3格式的音樂，聽聽出來的聲音試試。而音質，是內在的東西，就不單單是曲線平直的問題了。曲線平直，只是表達了系統(tǒng)對音量的還原。那么對音質的還原，估計就是理想化的東西了。比如人家用史坦威鋼琴用DPA話筒錄制的鋼琴曲，要通過音響把質感完全還原出來，那幾乎是不可能的事情了。這就好比你聽人家在你旁邊拉小提琴，和你在音箱旁邊聽同樣的人演奏的小提琴曲一樣，就算你用了再好的音響，聽起來總會有差異的。這就牽扯到音質還原度和聲場還原度的問題了，而這些還原度那就不是說誰能用曲線表達了。而音質的高低，那就跟你的用料，你的工藝，設計師的技術和藝術修養(yǎng)有很大的關系了。大師用白玉雕琢的藝術品，跟街頭工匠用石膏倒模出來的東西看起來能一樣嗎？

反過來說曲線平直，曲線平直就是系統(tǒng)或設備對輸入信號中各個頻段的音量強弱的還原度高。作為音響，這只是個基礎性的指標，但是也是很重要的指標。比如一個音量還原度好的音響系統(tǒng)，輸入的音源信號本身高中低等等各個聲部音量比例和諧（比如錄音大師錄制的音樂大師級的作品，好像什么發(fā)燒天碟之類的。），通過音箱還原出來自然就感覺和諧。如果輸入的信號是個只會狂喊亂叫的卡拉OK級別的歌手演唱的歌，原本就唱得就高中低音不和諧，從高還原度的音響系統(tǒng)出來那自然也不和諧。但是，還原度不好的系統(tǒng)，比如頻響曲線在低頻突起，中高頻又有點凹陷的，可能把原本不是很強的貝司變強了，把本來該強的小號變弱了，播放原本各聲部音量和諧的作品可能變得不和諧。但是，如果碰巧碰上本來把樂手把該強的貝司音彈弱了，或者把本來該弱的小號音吹強了的情況，負負得正，播放原本音量不和諧的作品，用這種還原度低的音箱可能反倒比還原度更高的音箱更和諧動聽了。

另外，對于音響產(chǎn)品而言，其實不光是音箱，功放、調音臺以及其他周邊設備，都有頻響曲線。按照工業(yè)標準，都要求這些設備在未做調整的情況下，都要有平直的頻響曲線，目的就是要求這些設備首先要盡可能對信號的特性中的音量強弱保持忠實還原的態(tài)度。假若你使用的均衡器，在沒有調整，推子都打平的情況下，頻響曲線就在80赫茲的地方高了，在1000赫茲的地方又低了，你還會要它嗎？

耳機與頻響曲線

通過頻響曲線看耳機的好壞不太容易。

耳機音膜中心為低頻邊緣為高頻。

頻響曲線的低頻端為下降趨勢，為了獲得更多的低頻動能，因此耳機中心的球形設計是為了增大他的表面積而獲得低音，耳機中頻的頻響曲線比較平坦，是因為音膜表面的螺旋狀紋路。

耳機高頻端的頻響曲線上有一個大鋸齒，是因為音膜邊緣有一個軟環(huán)是為了增加音膜彈性，因此軟材料的共振頻率下降，過了軟環(huán)到了粘接邊緣材料變硬，共振頻率上升，形成一個大鋸齒。每個耳機都有無法避免。

耳機高頻端的頻響曲線上有很多小鋸齒，音膜支架和音膜邊緣粘接有毛刺。和耳機制造工藝有關，如果支架和音膜一體化就不會有該問題。

知道了上述情況，我們在選擇耳機時注重他的頻響曲線，低端增益要大，高頻端小鋸齒要少，中頻要平。

音質與頻響曲線

影響音質的因素太多了。

首先來看看什么叫音質。音質指的是實際聲波與原始波形的接近程度，即回放出來的實際聲波與原音頻文件所保存的波形越接近，則音質越好。假設有一個音頻文件A.wav，又有一個理想的錄音設備，它可以將空氣中的聲音毫無損失地錄下來，存為B.wav，則這個A.wav與B.wav（從時域和頻域上都）越接近越好（更多請閱讀chinaaudio.net主站原文：何為音質）。

對一個系統(tǒng)（設備）來說，幅頻響應和相頻響應在一起才構成整個系統(tǒng)的響應，而一般說的頻響曲線只是指幅頻響應。

一個音頻文件從手機里播放到被人聽到需要經(jīng)過哪些影響音質的過程。大致過程是這樣的：音頻文件-》操作系統(tǒng)的混音器（Mixer）-》操作系統(tǒng)DSP算法（音效、重采樣，可能會用到DSP芯片）-》 DAC -》放大器-》耳機/音箱-》空氣-》人耳。

鑒于空氣和人耳是無法控制的，所以只研究到音箱/耳機出來的聲音。這前面幾乎每一步都會影響音質。

首先是操作系統(tǒng)的混音器，它負責的是將系統(tǒng)內各個播放聲音的程序混合到一起，從而可以使各個程序同時發(fā)聲而不會出現(xiàn)一個程序將輸出設備獨占而其他程序不能發(fā)聲的情況。表現(xiàn)在代碼上也就是做加法，把各個程序的輸出加起來。如果只有一個程序在播放音樂那還好，但手機還要處理鈴聲和提醒聲音等。加法是怎么做的呢？這取決于算法。如果是定點的加法，為了保證加完的值不會溢出，會先對兩個數(shù)據(jù)進行右移再相加。浮點的情況更為復雜，而且因為現(xiàn)有大多音頻文件都是16位定點格式，所以還要經(jīng)過定點《-》浮點之間的相互轉換，這個過程也會損失精度?？傊绦驎ㄟ^犧牲精度來換取動態(tài)范圍。而如果只有一個程序在輸出呢？別忘了還有個調節(jié)音量的東西吧，那個就是給波形上的每個點乘以一個增益值（gain），乘法過程也是會有精度損失的?？偟膩碚f，混音器這一步的精度損失無法避免。但手機上除了輸入和輸出過程，中間都是浮點運算的，精度的損失一般不會超過-90dB，一般是聽不出來的。

然后是DSP算法部分。音效（低音增強、增加空間感等）這一部分是主觀性的，不屬于「音質」的范疇，就不討論了。假設所有音效都已關閉，那唯一剩下的就是重采樣。對手機來說，重采樣的存在是由于一個DSP芯片往往只支持一種輸出采樣率，或者DAC只支持一種輸入采樣率，而大部分情況下這個采樣率是48kHz。這是由于如果要支持不同采樣率，特別是像44.1kHz和48kHz這種不成整數(shù)關系的采樣率，需要配備頻率不同的晶振。由于各種原因，晶振產(chǎn)生48kHz的時鐘頻率更容易。然而，由于各種歷史原因，目前的大部分音樂都是44.1kHz的，因此會經(jīng)過一個44.1kHz-》48kHz的重采樣。非整數(shù)倍的重采樣是會大大損失精度的，不要以為采樣率變高了音質就會變好。不經(jīng)過重采樣直接輸出的才是最好的音質。重采樣對音質的影響取決于重采樣算法，劣質的算法可以導致嚴重失真。

接下來是DAC，即數(shù)模轉換器。這是對音質影響十分顯著的一個模塊。DAC的頻響也容易做到平直，但衡量DAC的音質還需要參考許多其他參數(shù)。DAC的好壞基本可以就看芯片本身的廠商及型號等，所以沒什么可說的。好的設備會用比較高端的DAC。

然后是放大器。相對來說，這一部分還是比較容易做到平直的幅頻曲線的。但相頻則不一定。（目前放大器的頻響已經(jīng)很容易做到平直）

最后是耳機/音箱。通常來說，它們的幅頻曲線很難做到平直，這很大程度上是因為發(fā)聲單元所能發(fā)出的頻率高度與其尺寸成反比。所以根本不要指望耳塞式耳機能發(fā)出有效的低頻。這也是頭戴式耳機一般來說比耳塞式或者掛耳式的音質更好的主要原因。而對于音箱來說，往往會采用二分頻、三分頻，甚至多分頻，即多個發(fā)聲單元負責不同的頻段，其中還會有濾波、處理頻段連接等問題。從整個音頻流來看，耳機/音箱才是對音質影響最大的部分。你手機里放的全都是無損音樂、手機支持直接輸出44.1kHz、DAC用的是最好的芯片、放大器幾乎沒失真，結果你用了一副50元的街邊攤上買的耳機，那音質就是個渣。

總的來看：

1.頻響曲線能不能反映音質？

能。理論上來說越平直的頻響曲線越好，系統(tǒng)響應越接近于直通。但光看一個頻響曲線是十分不全面的。

2.放大器的頻響曲線在多大程度上決定了音質？

很少。

3.對手機來說，有哪些影響音質的參數(shù)值得關注？

混音器和重采樣算法，各個手機都一樣或差不多。

放大器，比較重要，目前手機的放大器已經(jīng)可以做到很好的系統(tǒng)響應，所以大家都差別不大。

DAC，比較重要，看芯片型號。

決定性的環(huán)節(jié)還是在你的回放設備，用個好點的耳機或音箱比什么都有效。

其他常用的評價音質的參數(shù)還有失真度、信噪比等。

音色與頻響曲線

從“頻”開始分析：我們在不同樂器中會發(fā)現(xiàn)同“音調”（頻）的聲音，其“音色”卻不同，那么是什么因數(shù)決定了樂器音色呢？

答：是因為“音調”（頻）里面包含的諧波成份不同。

我們知道，聲音是振動產(chǎn)生的。而一個物體的來回振動，幾乎不可能一直按照確定的周期來振動。也就是說當一個物體發(fā)聲的同時，還會發(fā)出很多不同頻率的波（諧波）。這許多不同頻率的波由于相位差很小（波之間相隔時間非常短），人是無法單獨分辨的，所以這些波會混合在一起給人一個整體的聲音感受，而這個感受就叫做音色。

有人質疑，在實際的樂器中“音調”雖然相同，但是卻難保在吹、拉、彈時，其對比的聲壓/響度能達到一致，所以我們聽到的聲音的感覺當然會不同。

為了排除這個觀點，可以做一個實驗：理論上，當兩個聲壓級相同的聲音疊加時，在參考軸的總聲壓級會增加3dB。我們取兩個在同一頻率聲壓級相同的揚聲器單元疊加放聲，然后與單獨一個+3dB的單元對比聽音。其最終結果是：聲壓級相同的聲音所聽到的聲音，感覺仍然有很大差別。（這時只有在滿足以下條件：即疊加的聲壓中諧波成份與單獨一個+3dB的揚聲器諧波成份相同時，給人的音色感才會不容易分辨）

既然樂器內每一個聲音都包含很多個頻率的聲波，那我們又是如何分辨出音調（頻率）的呢？

答：在一個聲音中某一個頻率的相對量最大的那個頻率決定了聲音的音調。比如說一個聲音里面包含有3單位的444Hz（la音），1單位222Hz的頻率，那么我們聽到的就是la音。而有3單位的444Hz，1單位的333Hz的頻率，那我們聽起來仍然還是la音，只不過給人的音色感覺不同了。

在解釋了“頻”、“響”與“音”的關系，再來闡述一下在揚聲器研發(fā)過程中對測試曲線應注意的一些問題（在此跳過低頻共振和高頻上限對音色的變化，著重講述一下中頻段聲壓級差的問題）。

1.在很多公司揚聲器規(guī)格書上平均靈敏度一欄都會有如下標識，如：82dB±3dB。所以很多人在copy揚聲器時，做到82dB的允許范圍內，就認為完成了開發(fā)任務，結果樣品被聽音后判NG。

在dB SPL數(shù)值之間因為是對數(shù)的關系，這說明，在1個dB內還包含著一個相對比較寬的聲壓（強）范圍。而人耳在較靈敏的頻段是可以分辨出1dB聲壓級的差異的。所以在研發(fā)過程中，中頻段的dB SPL應盡量控制在±0.5dB之內。

2.有一些工程師將SPL數(shù)值差異做到了1dB之內，甚至更為接近。此時，音色仍然感覺不同。這時應考慮測試環(huán)境和曲線表現(xiàn)的方式。當測試環(huán)境較差時，環(huán)境對測試麥克風的干擾較大，對同一個揚聲器測試的幾條曲線都會存在較大的誤差，所以要多重復測試、排除環(huán)境的影響因數(shù)，然后再分析。

測試環(huán)境較好，例如在標準無響室，無人為操作失誤，曲線又控制在1dB之內，這時需要再考慮一下曲線的不同取點數(shù)量和平滑模式。不同的取點數(shù)與平滑模式對頻響曲線細節(jié)處的表現(xiàn)，差別非常大。（在測試頻率范圍內儀器對不同頻點響應值的數(shù)量選取，點數(shù)越多，測試越精確。儀器對頻率范圍內頻點響應幅值的采樣平滑方式，例如1/6oct、1/12oct、1/24oct、1/48oct等，分母越大，數(shù)據(jù)越精確）。所以，如果想了解到頻響曲線上這些細節(jié)的變化就要付出的代價是：一個良好的標準測試環(huán)境。

應注意的是，在使用多點數(shù)，不采用平滑功能的曲線對比時，除環(huán)境因數(shù)外，還會遇到一些問題。例如上面諧波中提到：因為物體的來回振動，幾乎不可能一直按照確定的周期來振動。這時就會出現(xiàn)在某些頻點聲壓級漂移的現(xiàn)象。此時可以根據(jù)儀器的功能，將原測試的頻率范圍分段、采取更多的點數(shù)掃描，多方位了解其頻段的響應趨勢。

3.排除測試誤差因數(shù)，對頻響曲線非常接近的揚聲器進行諧波成份的對比，找出下一步改善的方向。一般測試諧波失真的儀器，均能方便的進行諧波成份對比。

結語：

在揚聲器頻響曲線相同時，其音色是由其諧波成份決定。在揚聲器頻響曲線相同時，如果音色不同，則需要對揚聲器的諧波曲線進行對比。測試過程中，需充分關注操作人員、測試儀器、使用方法、以及測試環(huán)境和治工具對測試結果的影響，盡可能使用多取點、少平滑的方式進行對比