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Pat Brown回归 | 为什么对于峰值性能的过度追求是某种发展的倒退?
更新时间:2021-10-12 9:42:52 编辑:温情 Ezpro 调整文字大小:【

#Peak VS RMS

本文解释了为什么说现如今对于“峰值性能”的追求是对音频设备其性能衡量标准的一种倒退。


『人耳对高峰值因数波形削波不是很敏感』

在过去的几十年里,阅读音频技术的进步是我人生的一种享受。虽然一些现代技术的先进性是惊人的,但不要忘记很重要的一点,即这些技术的本质是服务于为工作。

音频表头已经发明了将近一个世纪,表头捕捉的主要有两种波形——Peak和RMS。通常来说,监测Peak用来评估保真度,RMS用来评估产能的效力。响度是人类主观感知的一个复杂特征,与RMS信号电平有关。其实(希望)每一代人都能有所发现,并且尽早意识到,人类对高峰值因数波形的削波,比如语言、和音乐中所出现的轻微或中度的削波,都不是很敏感。

举例☟

仔细看一下图1中所示的波形。这条音轨中所包含的峰值能够达到满刻度,并且峰值与RMS之比(峰值因数)为20dB。人们可能会认为,这些峰值内容的重现对于高度还原声音(高保真)来说是至关重要的。图2显示了同样的波形,但峰值是被削波处理(不是限制器)了6dB的,峰值因数降低到14dB。

▲图1:一段原始的(未经压缩的)音乐,峰值因数为20dB


▲图2:一段经过削波的音乐,峰值因数为14dB

你可以试听一下这两段素材,第一段是原始波形。

你很难找到一个人能够在盲听测试中准确区分出这两种波形的听感差异。为什么呢?下个部分让我们来了解关于峰值的一些事实。


『短时的峰值对于一段声音的重现不是那么重要』

◉波形的峰值只有很少的能量内容,由于持续时间很短,产生的能量很小,因此“峰值功率”概念是矛盾的。

◉人类听觉在声音感知方面有一个时间常数。通过设计,我们将随着时间的推移将响度感知进行整合。一个300ms的片段听起来会比一个30ms的片段更响,即使这两个片段有着相同的振幅(图3)。一个具有相同振幅的Dirac脉冲,几乎是听不到的。峰值对响度感知的贡献非常小。

◉峰值节目表(PPM)和音量指示表(VU表)几乎是同时被发明出来的。由于PPM表的积分时间为6-8ms,该设计本身即忽略了非常短的持续时间,使它比起“实际的”削波表更像是“可听闻”的削波表。

◉峰值难以察觉,难以呈现,难以测量。近些年,我们才有仪器能准确的量化信号的峰值。上面的波形编辑器就是一个很好的例子。

◉有些发烧友都很偏爱真空管放大器带来的声音特性。这些放大器天生就有较差的峰值再现能力,它们对“峰值四舍五入”的操作甚至被描述为增添了“温暖感”。

▲图3:一个Dirac脉冲,30ms正弦激励,和300ms正弦激励。这三种信号都有着完全相同的振幅(峰值电平),但RMS电平却不同。

结论来了...☟

峰值电平是可有可无的吗?不管你喜不喜欢,短时的峰值对于一段声音的重现并不是那么重要。从直觉上看,它似乎很重要,但事实上峰值并不重要。50年前人们对这一点的理解比现在更好,我的依据是什么呢?

—一些模拟调音台制造商提倡的输出电平应超过30dBu,原因是能为+4dBu的RMS电平提供更多的“峰值空间”。

—一些功放制造商正逐步恢复使用的“峰值功率”参数,恰恰是上世纪末联邦贸易委员会(Federal Trade Commission)所禁止的,因为他们认为这是一个欺骗性的商业行为。

—目前有一种正在酝酿中的噪声波形的测试标准,该标准声称“对于扬声器系统的线性峰值SPL的测量,它能够比现存的任何测量方法都更精准”

这种做法确实能生成更大的功率数值,但对单纯的消费者而言其实是一种营销策略。更多就是更好吗?不一定。基于峰值功率的系统,为了重现图1的波形,将选择一个足够大的功放,其功率要比重现图2的波形要高出四倍。然后我们已经建立了一个概念,这两种波形听感上并没有可察觉的差异!


『对于“峰值性能”的追求是对音频设备
其性能衡量标准的一种倒退』

►扬声器额定功率

扬声器的额定功率是一个热极限,基于热学标准,比如功率压缩。它是驱动信号的RMS特性,会在扬声器中产生热。为了找到扬声器的热极限,通常是使用一个2:1峰值因数(6dB)的削波波形,并形成与音乐节目一致的频谱,来驱动起扬声器单元。这就允许一个更高RMS电压由功放产生。在波形中增加短时峰值不利于确定扬声器的额定功率,因为在扬声器到达热极限之前,这将使得功放长期处在削波状态。即使一台功放的额定功率为5kW(如果有这种功放的话),如果峰值余量为17dB(如图4),也只能输出40Vrms的电压。

▲图4:CAFViewer低阻计算器中设定一台5kW(仅为理论!)的功放,RMS电压不足以为许多扬声器产生功率压缩。功放会有意的对测试波形削波处理,从而得到更高的RMS电压。

►功放的额定功率

功放的额定功率也没有什么不同。功率是一个“比率”,因此需要时间来进行评估。根据功率的定义,1瓦等于1秒内做功1焦耳的能量,任何少于1秒的时长都不足以评估能量。你不能从一副快照中判断一辆汽车的速度。出于同样的原因,你无法从峰值确定功放的功率。打造出各种音频功率标准的人们应该能很好地理解这一点。我编译了一个表格(图5)。请注意,任何功率放大器功率测评的标准,其最小周期都是一分钟,有些标准更长。“峰值功率”和“骤发功率”都是矛盾的,因为这些波形由于其高的峰值因数,而不会产生太多的功率。CEA-490中规定了一项能够显示功率放大器短时性能的参数,表示功率放大器连续输出(1分钟)正弦波所产生的额定功率之上的“动态余量”。但这一参数如若脱离正弦波1分钟测量参数而单独讨论,则是没有意义的。


▲图5:音频功率放大器的功率测量标准

结论

我们已经有几十年的经验,可以很容易的确定功率放大器Peak和RMS的性能,但请不要忘记前人所做的工作。现代人对“峰值性能”的痴迷,意味着无论对于音频设备的衡量标准而言,还是对产品性能的指标而言,都将是一种发展的倒退。音频产品的长期和短期性能都有其相应的量化标准,我们只需要使用它们即可。

“那些不记得过去的人,注定要重蹈覆辙。”

——George Santayana


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