如何看懂频响曲线
▼
最近入手了一对Hivi M200MKIII 2.0音箱，箱子里附了2张频响曲线图。这勾起了我了解频响曲线的兴趣，在网上查了查相关信息，再整理了一下，就把它贴到博客里了。
首先，频响是什么？
频率响应，简称频响，英文名称是Frequency Response，在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。同失真一样，这也是一个非常重要的参数指标。一个“完美”的交流放大器，应该在频响指标上具有如下的素质：
对于任何频率的信号都能够保持稳定的放大率，并且对于相应的负载具有同等的驱动能力。显然这在目前技术水平下是完全不可能的，那么针对不同的放大器就有了不同的“前缀”，对于音频信号放大器（功率放大器或者小信号放大器）来说，我们还应该加上如此的“前缀”：在人耳可闻频率范围内以及“可能”影响到该范围内的频率的信号。这个范围显然缩小了很多，我们知道，人耳的可闻频率范围大约在20～20KHz，也就是说只要放大器对这个频率范围内的信号能够达到“标准”即可。实际上，根据研究表明，高于这个频段以及部分低于这个频段的一些信号虽然“不可闻”，但是仍然会对人的听感产生影响，因此，这个范围还要再扩大，在现代音频领域中，这个范围通常是5～50KHz,某些高要求的放大器甚至会达到0.1~数百KHz。但是，上述要求表面上好像是比“完美”低了很多，却仍然是“不可能完成的任务”，目前我们连这样的要求也不可能达到。于是，就有了“频响”这个指标。（附言：指标本身就代表着“不完美”，如果一切都“完美”了，指标也就没有存在的理由了。）
频响的测试方法与标注
任何可以被写上说明书的“指标”都是必须借助仪器来测量的，这些指标必须有一个共同的特点，就是“可重复性”，也就是说，只要你用同样的设备，就可以重复得到相同货相近的测量结果。我们把这一类指标称为“客观指标”，频响当然是属于此类。
频响的测量方法很简单，在放大器的输入端接入一个标准信号发生器，这个信号发生器可以产生标准的正弦波信号，并且可以通过调节使得这个发生器的输出信号的频率发生变化，而幅度不变。在放大器的输出端接一个标准的纯阻性负载，并且接一个交流电平表，通过读取电平表的数据，就可以测量该放大器的频响特性了。测量时，为了保证测试结果的可靠和准确，要尽量多地在测试频率范围内选取不同的频率，通常采用的是“对数采样法”，即从一个标准频率（例如1KHz）开始，按照2倍关系向上和向下取点，例如2K、4K、8K……,500、250、125、62.5……，如果嫌这个间隔太大，可以缩小倍数，例如√2，√2/2等等。将这些对应的频率的输出电平（单位是dB）记录下来，并经过统计计算就可以了。
这里，我们可能会忽视一个问题，就是这个放大器的放大倍数是否可以调整？放大器的输出功率应该使多少呢？不是我要卖关子，而是这里的“玄机”非常大。由于放大器的特性的不完美，所以会导致放大器在不同的工作状态下的频响特性发生变化。这叫“测试条件”。我们时常发现，两个质量完全不同的放大器在频响指标上“好像没什么差别”，是那个质量差的放大器在“说谎”吗？非也，是测试条件根本不同。
放大器在不同的输出功率下，其频响是不同的，通常输出功率越大，其频响指标就越差。而一个比较负责任的指标标注，应该指“在该放大器的最大不失真功率下测量的指标”，而一些厂家为了回避大功率输出下放大器特性的劣化，使得该指标“看起来好看”，往往采用的是“标准测试方式”，也就是说，在给定放大器放大倍数（增益）的条件下进行测试，而这个放大倍数通常是1。显然，多数放大器是用来“放大”的，所以这个测试方法实际上并不全面，但是“出于商业目的和测试标准的允许”，这个测试仍然被认为是“正确”的。这样，我们就应该注意了，看指标的时候不能只关心那些数值，而应该和测试条件联系起来看。没有测试条件的指标是毫无意义的。
标准的频响标注方法是XHz~YHz±ZdB，这里的X是指低端频率，Y指高端频率，也就是测试频率的范围，Z表示的是在这个频率范围内，放大器放大倍数的差异。
很遗憾的是，单单看这个指标还是不能完全了解这个放大器的频响特性，于是厂家又给出了另一种表示形式－频响曲线。
频响曲线的两个重要特征
频响曲线是在上述的测试电路中，使信号发生器的输出信号频率发生连续变化（即通常说的“扫频”）并保持幅度不变，在输出端通过示波器或者其它一些记录仪将放大器对于这种连续变化相应的输出电平记录下来，就可以在一个座标上描绘出一个电平对应频率的曲线。这个座标的纵坐标是电平，横坐标是频率。纵坐标的单位是dB，横座标的单位是Hz（或KHz）。为了记录方便，横坐标的标尺为对数型的，纵坐标则是线性的。
我们可以看看各个厂家提供的不同器材的频响曲线，我们会发现，即使两个看起来频响指标完全相同的器材，其频响曲线也是非常不同的。这里我们暂且不讨论频响曲线不同对音质产生的影响，只看频响曲线有那些重要特征需要注意。这里要着重注意两个特征：平和直。平是指放大器在工作频率范围内频响的最大差距。这里我们需要注意的是“工作频率”，对于音频设备来说，我们应该关心的是20～20KHz这一段的情况，如果要求很高，可以将范围扩大到5～40KHz，这已经是足够了。看频响曲线的时候，不要被曲线的“平滑”或者“崎岖”所迷惑，首先要看看座标的标尺，改变标尺的单位会使曲线看起来差别很大。如果把标尺加大10倍，你大概看到的差不多是一条完美的直线了。“直”是频响曲线另一个非常重要的特征，它指的就是频响曲线的起伏特征。某种意义上说，我们对于“直”应该比平要多重视一些，这并不是说直真的比平对音质的影响大，而是因为频响曲线的不直往往暗示了这个器材的其它某些特性有问题，例如高频频响起伏过多，往往说明放大器的开环特性不良，并且负反馈深度不适当，通常伴随着比较严重的瞬态失真。通常我们认为，放大器的频响特性越平越直就越好，这样放大器对于信号的影响就越少。
这里，我们还要注意的是，我们虽然要重点考察5～40KHz这个频段，但是对于不同的器材，我们考核的频段实际上并不完全一样。例如对于音箱和耳机，这个频段已经足够了，但是对于一些“有源器材”（例如CD唱机、放大器），我们可能需要考核更宽的频段。这是因为对于这些器材来说，虽然这些频段的声音我们不可能听到，但是这些频段的表现可以揭示这个器材的一些内在素质。例如，对于一个放大器，如果其频响指标可以高达300KHz,并且负反馈的深度适当，可以说明这台放大器的开环性能极佳，在听感上必然有所体现。从这个意义上说，这些频段的表现好坏“我们是可以听到的”。
正确认识器材的频响指标
对于厂家的频响指标，我们应该给予足够的重视。但是我们还要记住，这个指标并非“标注”的越高越好，由于我们的耳朵具有一些自身的特性，因此我们需要对频响有个清醒的理解。
1、我们需要的频响指标应该是整个系统的，而不是单一的器材。单个的器材的频响平直并不意味着我们一定会听到“平直”的声音，还要看系统中其它器材的情况。
2、甚至系统中所有器材的频响都是平直的时候，我们也不一定能听到平直的声音。这是因为我们的耳朵本身就不是“平直”的。我们知道，人的耳朵对于高频的敏感程度在一生中会发生变化，20岁左右达到最高峰，35岁左右开始走下坡路，到60岁左右会损失过半，另外还和身体健康状况以及遗传有关。因此，我们在考虑平直的时候，必须要把耳朵一起考虑进去。在这方面，行业内似乎有个心照不宣的约定，这个部分主要由音箱、耳机厂家以及录音师去完成。
3、我们对于频响起伏的辨别程度有限，有实验表明，0.2dB是极少数人的极限（大概几十万分之一都不到），绝大多数人在1~3dB之间。也就是说，小于1dB的频响不平直几乎没有意义，如果为了追求频响的过分平直而舍弃了一些其它要素将是得不偿失的。这个原则对于其它指标也是一样的。
4、前面说过，不能因为某些频段我们听不到就可以去忽略它，因为那些东西可能会暗示器材的一些其它特性的情况。
5、任何指标都要和别的综合起来看，而不能孤立起来看问题。
了解了频响和频响曲线的概念后，再来看看几个频响曲线的例子。
声音信号是由不同频率的声波叠加而成的，因此人们在分析声音时就很难避开频率问题。发烧友们常说“有好曲线未必有好声”，但是更多的情况是“没有好曲线的产品声音肯定好不到哪里去”。那么曲线与最终的回放听感有什么联系呢？我们立刻进入正题，为大家揭示其中的奥秘。
声卡的频响曲线：
在声卡评测中，我们常用到回路测试法对声卡的输入输出回路进行音质测试，得出的曲线就是DAC到ADC的回路频响。
Frequency response（频率响应）
General performance: Excellent
Frequency range
Response
From 20 Hz to 20 kHz, dB
-0.00, +0.01
From 40 Hz to 15 kHz, dB
-0.00, +0.00
上图和上表就是频率响应曲线图和曲线品质，要知道什么是好曲线就应该知道理想的频响曲线是什么样的。理想的频率响应曲线应该是与输入信号完全一样的曲线，一般我们会用等响信号（各频段的声压相同）作为输入信号，因此理想的频响曲线就应该是尽可能平直平滑的曲线。
对于声卡来说，采样规格有两个参数，一是采样频率，另一个是采样精度，采样频率表示一秒钟内在收到的信号上取几次参数，单位为Hz；而采样精度则表示每次采样的精密程度，单位为bit。目前有很多不同的采样方式，而影响采样品质的还是由这两个基本参数决定的。不过根据采样以及编码方式的不同，两者间的侧重要求也不一样，目前采用的PCM方式最高规格为192kHz/24bit，它表示单位时间内会采样192000次，每次采样的精度为24bit。
上图即是采用PCM编码方式192kHz/24bit的采样结果。一般的，随着采样规格的提高，即便不提高硬件水准，曲线也会变得相对更理想。我们可以看到，从20Hz～30kHz的范围内，曲线都是相当平直的。下面的成绩表也列出了测试参数，20 Hz to 20 kHz的曲线变化仅为-0.00, +0.01（dB）；而40 Hz to 15 kHz则更为理想，精度范围内没有侦测出任何变形，是一条相当理想的频响曲线。
音箱的频响曲线：
一般音箱的频响曲线是通过LMS电声测试系统进行声音信号的收集以及描绘出图。由于音箱是由电信号转换为声波信号然后再由LMS收集后转变为电信号的，并且由于扬声器以及放大器的非线性，因此曲线很难做到与声卡一样的频响曲线。但是他们的要求还是类似的，频响曲线应该尽可能的平滑平直。
上图是某产品的频响回放曲线，从该曲线我们可以看到平均声压在90dB左右的音箱频响还是比较理想的。200Hz～5KHz内的曲线还是比较平直的，而为了获得更明亮的高音以及更丰满的低频，音箱有益的提高了两端的增益，这也是不同音箱厂商对声音最终风格诉求的表现。
两分频音箱还可以通过单元分别测试频响得到更细致的参考曲线，能够有助于我们评判音箱产品两个单元间的相互关系。一般来说高音部分在经过分频点后应该能够尽快的衰减多余的频率（这样才能尽可能的避免单元间的互相影响）。而单独测试的曲线叠加后，应该尽可能的与整体频响曲线相符（可以判定两单元同时工作时基本没有明显的相互影响）。
从上图我们开可以看出产品的分频点设置，这款音箱的分频点大约在1.7kHz左右。人耳听感最敏感的部分大致为300～1.2kHz左右，为了获得更好的听感，两分频的音箱一般会将分频点设置在最敏感频段上限频率的两倍频率上，也就是大多在2.5kHz左右。这样能够降低对高音单元的要求。而降低分频点则对分频器以及高音单元提出了更高的要求。根据这一点我们再回过头看看整体频响，可以看到该频段上，声音的波动还是被控制得比较理想的，基本上没有明显过分的分频点衰减。
通过不同声压下的曲线可以表现出音箱的回放品质的稳定性，通俗的说就是不同音量下，音箱的回放听感有没有明显的改变。上图即是不同声压下的测试曲线。这种比较方法也是讨论音箱品质常用的一种方法。我们可以看到，即便声压提高到100dB，该音箱的频响曲线也没有明显的变形，可以说在这个范围内，音量调节对声音的影响基本上可以看作是线性的（也就是说是比较理想的）。
单独调节低音增益的频响曲线
单独调节高音增益的频响曲线
完善的两分频音箱都提供高低音单独调节的功能，以上两图就是描述单独调节高音或低音增益后音箱的频响曲线。判断优劣的方法与提高声压增益的情况类似，我们在这里就不再重复了。
影响我们最终听感的因素很多，简单的频响曲线并不能完整的描述声音回放的特点。因为人们听到的声音都是直达声与反射声的叠加信号。声音频谱衰减曲线能够很好的反应真实生活中的声音特点。
上图是一张声音的积累衰减曲线，为三座标曲面，因此它呈现出来的是一张立体图，三个参数分别是声压、频率和时间，它反应的是在经过不同时间后，声音各频段在固定空间内的残留量。从上图我们可以看到，经过一段时间后，残留最多的是低频信号。
音箱的指向特性关系到音箱在立体声回放时声场规模、宽阔度与纵深感，声像的结实程度、声音层次、细节定位等诸多方面，是评价一款音箱的主要衡量指标之一。测试方式与累积衰减曲线类似，以一个三座标曲面来体现音箱的指向性特征。
三个参数分别为声压值、频率以及偏离角度，通过旋转音箱偏向角度，测出音箱在不同偏离角度下各频段的声压变化。一般来说，声压变化越平滑缓慢越好。
从目前的实验领域看，声学的研究还是有不小的限制，即便描绘出声音大致的频率特性，亦不一定完整的表现出声音的所有特征。目前的品质研究领域也大多只能从频率入手。从大量的实验结果看，即便“有好曲线不一定能出好声”，但是“没有好曲线的产品声音肯定好不到哪里去”，因此基于频率波形对产品音质进行评定的方法还是有其可行性与客观性的，以其辅助我们的主观评判能够尽可能的修正我们在试音时因为主观因素产生的误差。
