现代高保真音响系统的组成特点及发展趋势

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现代高保真音响系统的组成特点及发展趋势

随着音响技术的发展， 现代人对音响的音质真实性要求越来越多，音响是指通过放声系统重现的声音。能够重现声音的放声系统是音响系统。音响系统能如实地重现原始声音和原始声场，并能对音频信号进行加工修饰，使重现的声音优美动听，就是高保真音响系统。高保真音响技术的发展，使整个音响技术领域发生了巨大的变化，它不仅融合了音频技术和功放技术，现代人对听觉的水平要求越来越高。                                                                                 
所以对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音响克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，同时对声音信号进行必要的修饰和加工。 我们这次的研究对象是高保真音响, 本文主要介绍阐述了高保真音响系统的发展历程；介绍了高保真音响系统的组成特点并分析了高保真音响系统的发展趋势。同时还分析了高保真音响系统的性能指标。

1.1 高保真音响的背景
高保真音响技术的发展历史较快，随着电子技术的发展。给人们的生活变得丰富多彩。
自从爱迪生发明留声机以来，音响技术已有百余年的发展历史。这期间，记录存储各种声音的音响载体，从唱片发展到盒式磁带；传输与播放这些音响载体的音响设备。从收音机、扩音机、电唱机、录音机等单机形式发展到由若干音响设备构成的组合音响；录制、传输和重现声音的放声通道，从单声道发展到立体声的双声道、四声道及八声道；控制音响设备工作的方法，从机械控制、电子控制发展到电脑控制、红外遥控；声音录制与音频处理，从模拟方式向数字方式过渡；录放的信息，从单纯的声音信号发展到声像并茂。音响设备的功能越来越多，性能越来越好，音响技术的发展日新月异。
现今，高保真音响技术已渗透到广播、电视、电影、文化及娱乐等各个领域；正在进入千万家庭，与彩色电视机组成家庭视听音乐中心，成为人们休闲娱乐的重要方式。
1.2 高保真音响技术的发展史
高保真音响技术的发展，使整个音响技术领域发生了巨大的变化，它不仅融合了音频技术和功放技术，现代人对听觉的水平要求越来越高，所以对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音响克服了这个缺点，它能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，同时对声音信号进行必要的修饰和加工。在发展过程中可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。                                                                                                                                                      
1906年发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年发明了负反馈技术，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如威廉逊放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失
真度大大降低。上世纪50年代，电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。
上世纪60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。
上世纪60年代初，首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。
上世纪70年代中期， 生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色等特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。


第二章   高保真音响系统组成特点
2.1 高保真音响的特点
　音响设备，用高保真化、立体声化、环绕声化、自动化、数字化来概括其特点。
（1）高保真化。高保真地进行声音的记录和重放，一直是人们不断追求奋斗的目标。
（2）立体声化。双声道立体声音响设备早已十分普及。而真正的立体声——真实地再现三维空间声源方位的环绕立体声也已进入寻常百姓家庭。
（3）自动化。采用微处理器担任系统控制的现代音响设备，可实现自动操作与控制，并可通过红外遥控器进行。
（4）数字化。采用数字信号处理技术的数字音响设备，以其完美的音色和极高的电声性能指标赢得人们的青睐。

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2.2 高保真音响系统的基本组成
高保真音响系统通常由高保真音源、前级放大器、功率放大器和扬声系统组成。其音响效果与系统的配置有关，也与室内声学特性有着密切的关系。在系统组成上由以下特点：
在电路设计时，高保真音响系统特别注重结构的简洁，在电路中尽量减少信号处理环节及各元件、开关，以减少其音源信号的影响。
按放声通道来划分，可把高保真音响系统的配置分为单声道、双声道、四声道和八声道。单声道仅由一路音源、放大器和扬声器组成，虽也能如实地重现原始声音，但并不能系统。给人立体感。因而单声道系统部属于高保真音响系统，其它系统都能重现立体声，属于高保真音响。高保真音响系统的组成框图如下图1所示。

图1  高保真音响系统的组成框图
2.3 高保真音源系统
高保真音源为音响系统提供高保真的音频信号。
（1）调谐器。调谐器是一台不包括功放和扬声器的高性能收音机。可以提供高保真的音频信号。
调谐器的电路组成框图如图2所示，包括调幅AM（中波MW和短波SW）接收电路、调频FM接收电路及辅助电路三个部分。


图2 调谐器的电路组成框图
（2）录音座。录音座是一台不包括功放和扬声器的高性能录音机。
（3）电唱机。电唱机是一种拾音装置。它利用拾音器将唱片声槽中记录着声音信息的振动轨迹变换成相应的音频信号。
（4）CD唱机。CD唱机利用激光束，以非接触方式将CD唱片上
记录的声音信息的数字编码信号检拾出来，经解码器把数字信号变换为模拟音频信号。
（5）VCD影碟机。VCD的声音和图像数据在经过压缩处理之后，不仅可以输出音频信号，同时还输出视频信号，且使声音接近于CD机的质量，图像达到家用录像机的水平。
（6）DVD影碟机。DVD影碟机是目前最高级的影音信号源。
（7）传声器。传声器将声能转换为电能。
各种优质音响载体通过音源设备所提供的高保真音频信号，是取得高保真音响效果的源泉。电子产品发展得非常的快,不断更新,以上产品便是例子,很多产品逐渐会生产出来。
2.4 音频放大器
音频放大器是音响系统的主体，包括前置放大器和功率放大器两部分，必要时可以插入图示均衡器。音频放大器的作用是对音频信号进行放大和处理，用足够的功率去推动扬声器系统的发声。
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。至今，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从通信工具的手机，到作为娱乐设备等人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式电脑等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都需要有一个音频放大器。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想、有效且失真低。音频范围为约20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应要小一些，如低音喇叭或高。根据应用的不同，功率大小差异很大。
长期以来，高品质音频放大器的工作类别，只限于甲类和甲乙类。其原因在于过去只有电子管这样的器件，乙类电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的甲类。
随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于甲类和甲乙类，而出现了更多类别的放大器。音频放大器组成框图图3所示。

图3 音频放大器组成框图

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2.5扬声器系统
扬声器系统由扬声器、分频器和箱体三个部分组成，其作用是将功率放大器输出的音频信号分频段不失真地还原成原始声音。扬声器系统对重放声音的音质有着举足轻重的影响。
扬声器是一种电声换能器。音响系统中使用最多的是电动式扬声器，它是利用磁场对载流导体的作用实现电声能量转换。
在高保真音响系统中，通常采用分频的方法，利用各种扬声器的特长，分别承担低频、中频或高频段声音的重放任务。低频段宜用大口径锥形扬声器，中高频段可用球顶形或号筒式扬声器。分频器的作用是为各频段扬声器选出相应频段功率。
箱体的作用：是用来降低扬声器的声短路效应。扬声器振膜前后所辐射的声波是互为反相的，其中低频声波因绕射而造成的相位干涉会削弱其辐射功率。为了提高扬声器的低频效率，应把扬声器装在箱体里。常见的音箱有封闭式和倒相式等。在高档音箱中，箱体常采用高密度板或硬质木材制作，内部填充吸声材料的音频信号，并正确分配给各扬声器的信号。



第三章 高保真音响系统的技术指标
高保真音响系统的主要技术指有效频率范围、信噪比、谐波失真。
3.1 有效频率范围
有效频率范围是指各种放声设备能重放声音信号的频率范围，以及在此范围内允许的振幅偏差程度。频率范围越宽，振幅容差越小，语言和音乐信号通过该设备时的频率失真和相位失真也就越小，则音质也就越好。
规定有效频率范围，是为了保证语言和音乐信号通过该设备时不会产生可以察觉的频率失真和相位失真。只有音响设备的频率范围足够宽，通频带内振幅响应平坦程度在容差范围之内，重放的音乐才会使人感到低音丰满深沉、中低音雄浑有力、中高音明亮悦耳、高音色彩丰富，整个音乐层次清楚。
频率响应是指音响设备重放时的频率范围、 以及声波的幅度随频率的变化关系。一般检测此项指标以1KHz的频率幅度为参考，并用对数以分贝为单位要表示其频率的幅度。
　　音响系统的总体频率响应理论上要求为20~20KHz，在实际使用中往往由于电路结构、元件的质量等原因，不能够达到该要求，但一般至少要达到32~18KHz。在选择功率放大器时就需要注意其频率响应这个指标越宽越好。


3.2  谐波失真
失真是指音响系统在对音源信号进行重放后， 与原信号相比使原音源信号的某些部分发生了变化，从几何学的角度讲即经过放大器的输入信号与输出信号的波形在形状上产生了变化。
    谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分，此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频，它由负反馈网络或放大器非线性特性引起。高保真音响系统的谐波失真应小于１％。
谐波失真可以使声音走调；互调失真可以使声音尖剌、混浊，瞬态失真可以使声音变抖动、不清晰；交越失真会使重放声产生间歇感。因此，音响器材一旦出现失真，会严重影响重放的效果，使欣赏者对重放声产生厌恶感，所以说失真是高保真音响器材的大敌。
3.3 信噪比        
所谓信噪比是指音响系统的对音源软件的重放声与整个系统所产生新的噪声的比值，其噪声主要有热噪声、交流噪声、机械噪声等 ，在同一参考点有用信号、与噪音的比值的对数。Hi-Fi系统一般达到100dB以上。 信噪比又称信号噪声比，是指有用信号功率与噪声功率之比，记为S/N，通常用分贝值表示。信噪比越大，表明混在信号里的噪声越小，重放的声音越干净，音质越好。



第四章 现代音响技术
4.1 音响集成电路
自从1967年出现第一块音响集成功率放大电路以来，随着微电子技术的日益成熟，音响集成电路迅速崛起。目前，音响集成电路的门类齐全，品类繁多。如AM/FM高频、中频电炉，立体声解码电路，音频前置放大电路，音频处理器，音频功率放大电路，电平指示驱动电路，自动选曲电路，自动降噪电路，微处理器控制电路及其它特殊功能电路等。音响集成电路的应用，不仅使音响设备的体积减小、成本降低、可靠性高、生产过程简化，而且使高保真技术和微电脑控制技术得以实现。所以，微电子技术是现代音响技术的重要基础。

4.2 高保真技术的发展
追求高保真的音响效果是现代音响技术的基本目标。高保真电路技术主要表现在扩展有效频率范围，减小各类失真，降低各种噪声，增强立体声效果。
高保真放声要求音响系统的每个环节都具有比IEC标准更宽的有效频率范围。在音源部分，采用调频广播可使音频带宽达到30Hz~15Hz，密纹唱片和激光唱片可达20Hz~20kHz盒式录音座由于受带速的限制，采用普通磁头与普通磁带时，其频率响应带宽是不够的。需要用高频特性好的铁氧体磁头与金属磁带配合，才能使录放频率响应带宽达到高保真要求。若采用数字磁带录音技术，则能从根本上改变录音座的史书弱点。在音频放大部分，通常采用负反馈和直接耦合等措施来扩展频带，采用频率均衡等措施来补偿频率特性的失真。而在扬声器部分则采用分频的方法来扩展有效频率范围。
减小各类失真，扩展频率有效范围可以防止或消弱频率失真和相位失真。在大信号工作的功率放大电路中，更要防止非线性失真。为此，
通常采用全对称互补推挽电路实现公路放大。近年来推出的采用动态偏置的新甲类、超甲类等新型功放电路，能有效地克服交越失真和开关失真。
降低各种噪声，提高信噪比，是改善音质的一条重要途径。采取的措施主要有：采用调频广播体制，在录音座中设置自动降噪系统，用激光唱片替代密纹唱片等。
增强立体声效果，调频立体声广播、优质密纹唱片、盒式录音磁带和数字激光唱片都能输出双声道立体声。然而，这些普通的双声道立体声不能给人以临场的感觉。近年来流行的环绕立体声，利用环绕声处理器模拟出反射声和混相声，令大脑产生错觉，可以制造出逼真的临场果。

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第五章 高保真音响系统的发展趋势
音响的发展趋势向数字化、多功能化、网络化、智能化和小型化。
随着微电子技术、数字压缩解码技术、大容量存储技术以计算机等高新技术的发展，特别是数字压缩技术的成熟和标准化，并在大规模集成电路中实现后，极大地推动乐音响设备向发展。传统的音频产品向数字方向发展，向多功能和一体化方向发展，向网络化、智能化和交互式的多媒体家电产品发展，向小型化、个性化、低能耗、便携式方向发展。
随着固体录音、视频产品以及和通信，计算机相结合的便携式产品越来越多，这些产品可以随身携带，使用方便。
微电脑控制技术的应用，使音响设备实现了多功能、自动化和智能化。
数字调谐系统是由微处理器与锁相频率合成器组成，它是调谐器的重要组成部分。它可以自动搜索电台信号，预选存储电台频率，数字显示所接收的电台频率，并具有电台功能及计时功能。
录音特性自动调整系统在微处理器的控制下，录音特性自动调整系统能够自动调整确定各种磁带的最佳偏磁电流、最佳录音电平及最佳均衡特性，使录音系统获得最佳性能。
微机控制电子机芯系统，采用电子轻触操作或红外遥控，可以实现录音座或激光唱机的全自停、电脑选曲、节目搜索、编程放音、循环放音、记忆定位及多功能显示等，其自动化和智能化程度很高。
数字音响技术是指把声音信号数字化，并在数字状态下进行记录、传输、重放以及其它加工处理等一套技术。数字音响技术的理论基础是1939年创立的脉冲编码调制原理。随着大规模集成电路时代的到来，从1977年开始，PCM原理应用于数字音响领域，出现了激光唱片和唱机、数字磁带录音机等数字音响设备。而且，随着工艺技术的成熟，产量迅速增长，价格大幅度下降。目前，激光唱片和激光唱机已经逐渐取代了模拟方式的电唱机和密纹唱片，数字磁带录音机也开始进入市场。音响技术正在从模拟向数字方式过渡。技术、液晶显示技术的进步以及
集成电路、超小型元件的发展。高质量、低能耗的小型音响。
高保真音响系统的发展速度非常之快，由于高保真音响的基本组成系统，即高保真音源、功率放大器、音箱的对音乐的重放，给许多音响爱好者和家庭带来了欢乐与享受，使人们了解了音乐的内涵；陶冶了自己的情操；抒发了心灵的情感，是人生最大的快乐；音乐，是生活中的一股清泉；音乐，是陶冶性情的熔炉。
数字音响系统则是首先将录音或演播现场的模拟部向信号经过采样、量化、编码，变换成用二进制表示的数字信号，再由系统的各个环节进行适当的处理，包括记录、传输、读出、解码等，数字化信号因抗干扰能力强，在远距离传输中不会发生信噪比衰减、失真度劣化等在模拟电路中不可避免的损害，从而在接收终端可以保持信号的原有质量。它还可以含有纠错码，使在传输过程中引入的误差在接收端得到一定程度的纠正。此外，声音数字化后可利用计算机技术对它进行各种加工处理，许多对模拟信号无法完成的处理功能因此变得简单易行。例如，采用数字技术可以方便地对音乐信号进行变调处理以及产生各种场所的音响效果，实现更加完美的卡拉OK演唱效果和音乐声场仿真．有利于提高音响系统的可靠性
　　数字音响设备具有更高的可靠性和稳定性。因为数字信号对元器件与电路稳定性的敏感程度降低，电路只要能识别脉冲的有无即可。系统的精度主要取决于数码的位数，与元器件的精度关系不大。
　　数字记录比模拟记录需要的信息量要大得多，因此数字储存媒介要求是具有高储存容量的载体。而且，传输数字信号时所需要的传送频带宽度也要大出模拟方式数倍，设计上的难度随之增加。所以，数字音响技术的发展常常与新型高容量存储媒介的发展息息相关。正是由于进入80年代后，以CD唱片和数字光盘为代表的超容量光存储载体的迅猛发展，才使得数字音响技术迅速实现了实用化。

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