科普|“完整的重现乐器的真实音质与音色” 我们需要超高音喇叭?

以人类可以实际听到的声波频率而言,所谓“超高音”就是超过人耳可闻高频上限的高频声波,理论上人耳可以听到的高频上限是20kHz,超过20kHz的高频声响就可称为“超高音”,英文称之为Ultrasound或Ultrasonic。

在Hi End音响领域,所谓“超高音”指得则是专门用于再生20kHz以上高频声响的单元,英文叫做Super Tweeter,精确的中文名称应该是“超高音单元”。不过,此类超高音除了具备可以发出超过20kHz高频信号的高音单元之外,通常还搭配了简单的高通分频线路,以及音量调整(衰减)功能。

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人耳听得到20kHz以上的极高频吗?

理论上人耳所能听到的高频上限是20kHz,不过实际上,大多数人最高只能听到16kHz到18kHz的测试信号,既然无法听到20kHz以上的高频,许多人因此认为替主喇叭加上超高音完全无用。不过,也有许多人提出质疑,认为用来测试听觉的正弦波高频信号,与自然环境与真实乐器发出的不断变动的超高频信号不同。早在1956年就有研究发现,人耳可以察觉10μs到20μs(微秒,百万分之一秒)的声音变化,换算等于100kHz到50kHz的高频声波(Acuity of Laterising Transients, Klump and Eady, 1956. See also Yost, 1971)。日本Tsutomu Oohashi教授也做过实验,发现人耳虽然不能听到20kHz以上的高频声波,但是耳蜗中的听觉纤毛细胞却依然可以接收到20kHz以上的极高频,并且造成脑波变化,可见人类对于极高频声波依然会有所反应。

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(Frequencies of Inaudible High-Frequency Sounds Differentially Affect Brain Activity: Positive and Negative Hypersonic Effects, Ariko Fukushima,Reiko Yagi,Norie Kawai,Manabu Honda,Emi Nishina ,Tsutomu Oohashi, 2014)以此观之,加上超高音所发出的20kHz以上音乐信号,我们虽然听不到,但是依然会对整体音乐感受产生变化。直到现在,音响系统到底需不需要再生20kHz以上高频信号?加上超高音到底有没有用?在Hi End音响界依然是充满争议的议题,至今没有统一的共识。

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如果只听CD或16bit/44.1kHz音乐信号,加上超高音还有意义吗?

CD规格制订时,就将重播频宽的上限订在人耳可闻极限的20kHz。依照Nyquist博士的取样定理,取样频率必须是最高声音频率的两倍,所以当时才将CD取样频率定为44.1kHz,换算CD最高重播频率为22kHz,声音信号只要高于这个频率,在转换为CD规格时,就会被完全滤除。以此而言,在重播CD音乐时,就算加上超高音,也不会发出高于20kHz的信号。不过事实上,即使是播放CD,加上超高音对于音乐重播依然会有明显可闻的影响。为什么会这样呢?因为大家都被“超高音”这个名称所限制住了,认为超高音的用途,就是要补足主喇叭无法再生的超高频信号。如果纠结于这个想法,超高音就会变成一个充满争议的产品,除了永无止尽的争论人类到底听不听得到20kHz以上的高音之外,我们还必须探究录音时到底用得是什么麦克风?有没有办法收录到20kHz以上的信号?我们播放的音乐载体高频上限到底是多少?我们播放的黑胶、盘带或高解析档案到底是不是真的有20kHz以上的信号?我们的喇叭或扩大机又是不是真的能重播20kHz以上的信号?只要牵扯到20kHz以上超高音重播,我们必须思考解答的问题竟然有这么多,难怪超高音一直是Hi End音响界最有争议的一种产品了。

让我们换个方向思考,其实超高音不只可以重播20kHz以上的高频声波,它的重播频宽也涵盖了20kHz以下的频段。事实上,超高音在20kHz以下的重播,其实才是影响整体听感最主要的关键。

许多人以为,如果将超高音的分频点设在18kHz,超高音就不会发出18kHz以下的声音。其实不然,超高音内建的分音器通常只是非常简单的一阶分音,大多只用了一颗电容进行高通滤波,如果分频点设在18kHz,那么18kHz以下的声音信号只会进行非常和缓的滚降。如果单独聆听超高音,你就会发现18kHz以下的音乐依然明显可闻,绝非只能发出超高音信号而已。这些由超高音所发出的20kHz以下声音讯息,会与主喇叭的重播频段重叠,有可能补足了主喇叭在这个频域的不足,也可能改变了主喇叭在中高频重播的音质音色。就是因为如此,所以即使重播CD,加上超高音一样会对听感造成影响。

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所以加上超高音对于音乐重播到有有什么帮助?

如上所述,加上超高音对于音乐重播的影响主要来自两个层面:

第一,补足主喇叭无法重播的20kHz以上频段。这是一般所认定超高音的主要功能。不过要达到这个目的,录音源头必须要收录到20kHz以上信号,录音载体必须可以纪录20kHz以上信号,音响系统必须可以重播20kHz以上信号,假设人类也必须可以感受到20kHz以上超高音讯息。这些前提全部必须满足,替主喇叭加上超高音才有意义,也才有其实际功效。

第二,改变主喇叭的中高频声音特质。几乎所有超高音都会发出20kHz以下的频段,在高频到中高频段都会与主喇叭的重播重叠,也都会影响整体重播表现。这部分其实才是超高音对于听感最大的影响。

以上两个层面会相互影响,无法切割,也无法单独测试其中任何一个层面。可以确定的,加上超高音之后,影响绝对不只在于20kHz以上的超高音重播,不论你听得是高解析串流、CD、黑胶或盘带,加上超高音都会造成显著的影响。

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真正重要的是,我们应该重新思考超高音的定义,不要在仅仅纠结于20kHz以上高频的重播。在这次测试的超高音产品中,ELAC对于他们的4Pi Plus.2“香菇头”就有明确的定义。4Pi Plus.2的高频延伸虽然可达50kHz,但是他们不认为这个产品是Super Tweeter“超高音”,而是将这个产品界定为 Add-on high-frequency driver“外加的高音单元”,这才是对于此类产品更为正确的定义。

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什么乐器可以发出20kHz以上的超高音?

所有乐器与人声都是由基音与泛音融合而成,如果单论基音,大多数共鸣乐器的最高音其实都不超过5kHz,钢琴的最高音是4,186.009Hz,小提琴的最高音是3,135.96Hz。但是如果加上乐器所发出的泛音,高频延伸就可以进入超高音领域,小提琴与双簧管的泛音延伸可以超越40kHz;加了弱音器的小号泛音可以延伸超过80kHz;铙钹敲击的高频延伸甚至可以超过100kHz。事实上,乐器发出的泛音才是区别音色差异的关键。如果音响系统与喇叭的高频到极高频延伸越好、失真越低,理论上就能越完整的重现乐器的真实音质与音色。

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超高音会影响中低频重播的表现吗?

虽然中低频与超高音的重播频率没有重叠,但是中低频的倍频泛音会延伸到中高频领域。加上超高音之后,连带可以让中低频的泛音结构更为完整,所以的确有可能改善中低频的重播表现。

高解析音乐档案或串流的高频延伸到哪里?

依照Nyquist取样定理,取样率为96kHz的高解析音乐档案,理论上可以记录48kHz的超高频信号;192kHz的高解析档案可以记录到96kHz的超高频信号;DSD的高频延伸则可以达到100kHz。请注意,上述数字都只是理论值,实际上你听的高解析音乐高频延伸到底到哪里,跟录音源头到底记录到多少超高音信号密切相关。如果录音时使用的麦克风最高只能收录到20kHz的高频,那么就算是用24/96或24/192解析度录音,最高也只能纪录到20kHz的高频。如果录音源头的类比母带只记录到20kHz的高频,那么就算转换为32bit/384kHz的高解析档案,高频延伸也只能到20kHz,源头没有纪录到的超高音信号,不可能在转换为高解析档案时,就无中生有跑出来。总之,就算聆听高解析音乐档案或串流,也不保证高频延伸一定可以超过20kHz。

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超高音的摆位重要吗?

超高音的摆放位置通常局限在喇叭顶板的小小范围,不过超高音的摆位依然非常重要,对于听感的影响也非常显着。对于采用动圈单元的超高音而言,摆位调整尤其重要,主要必须注意以下两个项目:

第一,Toe-in角度:对于动圈高音单元而言,重播频率越高,声波扩散角度越窄,指向性越为明显。建议超高音Toe-in角度最好从正对聆听位置开始调整。聆听使用动圈单元的超高音时,建议坐在两支喇叭正中央的皇帝位,可以听到最均衡的重播效果。第二,前后位置:因为高频波长极短,所以如果将动圈超高音至于喇叭顶部,与主喇叭的动圈高音单元距离太近时,很容易在超高音与主喇叭的重播频段重叠部分,产生相位抵销或增益状况,而造成中高频段的明显凹陷与隆起。要解决这个问题其实不难,建议以一公分为单位,微幅移动超高音在喇叭顶板的前后位置,透过频谱测试或是直接聆听,找出中高频最平顺的超高音摆放位置。如果超高音是朝上发声或是360度发声设计,则比较没有这个问题。

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超高音的分频点与量感如何调整?

大多数超高音都具备分频点与量感调整装置,例如Tannoy Prestige GR超高音就有14kHz、16kHz、18kHz三档分频点,以及89、90.5、92、93.5、95dB五段灵敏度可调。分频点部分,大多数喇叭的高频延伸都可达到20kHz,许多人可能因此认为超高音应该选择最接近的18kHz分频点。不过实际上,许多喇叭的高频可能在20kHz之前就开始衰减,所以每一档分频点都建议实际试听看看,选择听感上最均衡顺耳的分频档位。超高音的量感部分,以Graham VOTU喇叭为例,这款喇叭的灵敏度是88dB,超高音选择89dB应该是最接近的档位,在重播量感上,超高音与主喇叭会最为接近。不过超高音量感的调整,与重播音量的大小也有关系,如果在夜间用较小的音量重播,超高音的音量就可以开大一些,用以补偿人耳听感在小音量下对于高频听力的衰减,让整体听感更为均衡,小音量下的细节也可以更为丰富。

文/AudioArt