一个新的标准

一个新的标准

经过多年的研究和发展,KV2音频高兴地宣布了新的标准,在现场扩声。 
点击这里下载超级现场音频技术小册子

超级现场音频,或我们称之为“ SLA “已通过KV2的努力,以实现最高的动态范围和最低可能的损失,引发通过扭曲或改变,因为它传递的信号通过音频链。此外,而不是开发技术,尝试在系统的设计中,以弥补或解决问题,KV2重点建设系统天生就比从一开始。

我们的SLA标准再现高声压级,在大空间,同时提供真正的动态范围和源表示。有很多的因素KV2已经确定,SLA和由此带来的好处,它提供给听者。这些因素包括电子完整性(建立时间),数字采样率,脉冲响应,动态范围和声学系统的设计。



让我们来看看在KV2如何实现最大的动态范围和分辨率过大的距离不变,无色的音频再现提供高声压级。



动态VS采样


动态VS采样


       现场音频是极具动态的,然而在现行的采样率情况下使用任何模数和数模转换器来复制130dB的动态范围几乎是不可能的。动态分辨率与数字转换过程中的位数和采样率密切相关。


  目前,商用数字音频普遍采用多位标准采样(PCM,脉冲编码调制)。行业标准已经确定的是24bit/96kHz的采样率(约相当于1bit/2.8224MHz的PDM,即应用于SACD的脉冲密度调制),当转换一个只包含谐波分量的音频信号时是足够的。然而在实践中,音频信号包括很多信号,因此它是复杂的,它的属性实际上更接近随机信号,而随机信号的频谱是无限宽广的,所以,当将模拟信号转换为数字信号时,为了保持原始信号的完整分辨率,采样率必须尽可能的高。

  在目前的商用音频系统设计中所使用的采样率,很显然,频率越高分辨率越低。在声音中捕获更多的细节和氛围正与此密切相关。信息的减少,是由于采样频率对声音产生了影响,如:光泽度和可懂度的损失,同时增加了高频咝咝声和失真。此外,当使用数字信号处理时,由于简化的数字信号处理能力、精确度以及有限的处理时间,还会导致额外的失真。

通过提高采样率来增加传输信息的量,但采样率不可能是无限高的,所以数字音频永远无法达到一个高清模拟系统的品质。然而,在有些情况下,使用数字处理来修正一个专业现场音频系统的某些方面是有必要的。KV2已经发现到了在数字领域中最大限度提高清晰度和动态范围的方法。

  我们在KV2进行了不同的方法来克服在现有系统中的问题。我们着眼于替代由索尼和飞利浦开发的被称为直接数字流或DSD的处理器。超级音频CD(SACD)是基于这种格式并且不像PCM转换,DSD技术是基于一个1比特西格玛-德尔塔转换器,产生一个脉冲流。模拟波形的振幅是由脉冲密度所表示,因此被称为脉冲密度调制(PDM)。所产生的数字比特流被编码在一个庞大的每秒2822400个样本!(2.8224MHz)

  由我们的工程师通过实践进行听力测试,来确定所需最小采样频率,以消除任何声音信息的损失。最终KV2设计了一个基于围绕DSD的电路,运用一个1比特西格玛-德尔塔转换器,拥有难以置信的20MHz采样频率。KV2新的数字转换器提供高于专业音频行业24bit/96KHz标准七倍的分辨率,一个专用的梯级压缩扩展器电路进一步增加了20dB动态范围,利用转换器的最大范围在低的电平上。


      梯级压缩扩展器改变输入和输出电平来提升转换器的动态范围

       KV2音频运用混合信号处理技术,采用最好的模拟和数字技术为自己的扬声器系统提供一切必要的滤波、均衡、和时间校准。这个两全其美的最佳做法,提供了无与伦比的动态范围和音频再现。

脉冲响应
  为了保持一个高分辨率的音频信号,系统必须保持尽可能短的脉冲响应时间。脉冲响应时间受建立时间、电子元器件、模拟电路设计以及数字电路的采样频率的影响。采样频率是脉冲响应的主要决定因素,在下图中,它是显而易见的,常用的商业系统,特别是数字化的,无法传递原始信号的完整分辨率。脉冲响应时间在数字领域中受采样频率的影响,在模拟信号线路中受电子建立时间和声学组件控制力(扬声器振动系统运动)的影响。原始信号发生的变化是由于通过了差的脉冲响应引起了失真。

       具有长脉冲响应的系统无法传输高动态和高清晰度的信号。SLA系统采用业界领先的采样率为20MHz、建立时间1微秒的的混合信号处理,以确保尽可能高的分辨率和清晰度的音频再现。


音频系统对电平为-6dB,持续时间为3us的输入脉冲的脉冲时间响应



数字和模拟音响系统的信息传输



电子完整性

电子完整性

在音频工程中被使用的最常见的有源电子部件就是运算放大器。一台放大器的建立时间被定义为:输出响应输入的阶跃变化所花费的时间。


建立时间 5us(黑色),1us(蓝色) 


一个音频信号需要一个快速的建立时间是由于信号在不断的变化之中。由于建立时间的错误产生噪声、谐波失真(与原始信号无关的信号)。这个噪声电平随着较慢的建立时间而增大,这个噪声电平被定义为一个在系统的建立时间和最高传输频率之间的一个比值。为了保持高品质的音频,系统反馈回路的建立时间必须少于1us(微秒)。如果不能保证,系统就会产生并引入与原始声音无关的噪声。这是附加到信号中的失真的一个要素,很少被提及,但是比起由谐波失真所引起的任何损失,其影响更为显著并且极大地破坏了音频质量。

应用在大多数商业扩声系统中的常见电子系统其建立时间在10微秒左右,应该是比这个数值的10倍更长。失真,是由慢建立时间导致的,许多制造商没有讨论这个问题,是因为他们不能理解其重要性,在产品提供的技术规格中,往往忽视它。此外,这种失真加噪声常常被误认为是原有的高音频率,特别是在数字技术中,它可以表现为一个明亮、“嘶嘶”声的高音尾巴。

建立时间在简单信号上是一个无足轻重的问题,因为它发生在原始信号较高的频率。然而,当引入一个复杂的信号时,由于其长的建立时间,来自许多不同元件的谐波失真,会产生一个电平较高的不和谐信号,掩蔽了较弱的原始信号的细微差别。


系统具有低的分辨率.

建立时间,谐波失真

因此,运算放大器的建立时间对系统准确传输信息的能力有很大的影响,特别是在较高的频率。SLA电路只使用1微秒(1μs)或更短建立时间的元件,以确保一个高清晰和低失真的信号路径。


在各种电路建立时间情况下的谐波失真比率

上图表表明了谐波失真在电路上的建立时间为1us和10us


放大


KV2音频基于具体应用而设计放大器,这样的立意允许我们运用并细化完美的功率类型,按照要求准确的再现高、中、低频。低频设备具有独特的规格要求。低音扬声器振膜大、质量重,难以控制。一方面,您需要大量的功率,但除了锥盆的尺寸和重量之外,最重要的是低音单元的相移特性。

简而言之,相移就是当电流不跟随电压作为一个功率流经一个音圈。如果您在相移条件下发送1000瓦特(功率放大器输出100V和10A),您可能要在一半电压上产生两倍的电流,目的是为了保持低音扬声器受控制。一台常规的功率放大器无法给予,所以我们开发了一款新的放大器拓扑,专注在发展高电流上,除了实现超过90%的效率以减少散热的条件之外并且提高了可靠性。

设计采用了一个开关电压电源,保持低电压通过输出设备,但能够提供比普通的H类或者D类设计更高的电流以及更好的阻尼特性。
 

为了再现中频和高频的声音品质,我们使用基于A类或AB类的放大器拓扑。由这种类型的放大器提供的温暖感和清晰度是非常理想的。我们在推挽式放大器设计中,使用了MOSFET(金属氧化层半导体场效晶体管)输出设备,具有快速的恢复时间。

声学设计

此放大器的输出变压器提供了一项重要技术,就是通过降低互调失真将放大器输出信号控制在削波以下。


声学设计
扬声器系统是由箱体、换能器和号筒等部件组成的。在系统内,有非常高的内部压力,因此,尽可能快的释放压力和减小湍流是非常重要的,这可以通过浅号筒和大端口设计来实现。



长号筒损耗

上图说明了由于使用长号筒所产生的损耗,造成高的二次谐波失真,并且使声功率转换成热量。


格栅设计


格栅/泡沫的设计及作用的重要性常常被忽视和误解。
正面的格栅/泡沫将会影响信号的再现,并且将会随着频率的升高而增大。这种负面影响在高频段的偏轴方向上进一步增大。下图表示了轴向和偏轴向的破坏情况。


扬声器格栅的负面影响是导致偏轴响应变差


扬声器脉冲响应


扬声器的主要参数是脉冲响应。扬声器系统的参数几乎全部是由一个连续的正弦波信号来测量的,但连续的正弦波与音乐信号并不相同。音乐信号包含很多信号类型:基本音调、谐波和噪声,脉冲响应是最好的代表。当一个扬声器通过连续正弦波信号被测量的时候,它有时间在较高的频率上摆动,尽管扬声器振膜的质量和运动无法被控制。

对于超级现场音频系统,在换能器的设计中,最重要的参数之一是去除不必要的谐振。这些谐振通常是由扬声器的机械设计和对振膜运动控制不良导致。由于谐振掩蔽了较小的信号并且产生了与原始信号无关的音色,降低了整体的清晰度。

如图C所示一个具有明确截止末端的原始正弦波信号(红色,上),和相同的再生信号(蓝色,下),由于扬声器控制特性不佳,当信号停止后,仍然在振荡。差的脉冲响应对扬声器抑制反馈的能力具有非常不利的影响。SLA系统具有卓越的反馈抑制性能,这是得益于它优异的脉冲响应。


扬声器谐振的影响,原始信号(红色,顶部)和再现信号(蓝色,底部)


有源阻抗控制


SLA系统具有卓越的反馈抑制能力,这是基于其优良的脉冲响应。此外,扬声器系统(反式线圈)使用有源阻抗控制技术,对扬声器的控制可以起到非常积极的影响。该系统采用一个的二次固定线圈,从而降低电感量几乎接近为零,极大地提高了脉冲响应。电感是奇次谐波失真的主要原因,奇次谐波失真远远比偶次谐波失真更容易听见。

低电感量=低谐波失真

有源阻抗控制或AIC是一个额外固定的多匝线圈,位于扬声器的磁路间隙。此线圈几乎与间隙一样的高度,并且卷绕在极片上,非常接近音圈。电流流经这个线圈产生的磁场,与移动中的线圈所产生的磁场是相反。这样就抵消了大部分的音圈电感,而且降低了磁通调制和电感调制。AIC设备可被看作一个在间隙中的“有源”短路环。两个AIC终端允许根据特定的应用需求,以许多不同的方式驱动额外线圈。

为具有最小失真的音频系统制作非常高品质的扬声器系统,是提升SLA系统设计的必要条件。在现实中很少有厂家能够运用AIC反式线圈技术,因为他们测试后认识到,它会立即显示出在他们自己的电子产品设计中的根本缺陷。当利用数字处理尝试并纠正它们的声学设计时,音频质量甚至发生了更大的妥协。 


AIC ON和OFF的频率响应和失真曲线 


音响系统设计

音响系统设计


在市场上主要有两种突出的音响设计类型,由单点声源和多点声源概念组成。多点声源的产生是源自对非常高输出功率的需求。多点声源满足了这个想法,但伴随着声源越来越多,带来的是声音品质整体的降低。多点声源的两大缺点是高频输出压制以及来自各个扬声器的物理时移。各个扬声器一起在输出添加的时移会引起系统脉冲响应不佳。


多点声源的第一种类型只是一大堆扬声器系统,像积木一样堆叠在一起,并且意图在所有的轴向上阵列。在下一代多点声源系统中的一个主要改进是:一轴系统,提供更好的频率响应并提高了比多轴系统更高的清晰度。不幸的是,虽然前进了一步,然而频率响应和脉冲响应仍然不理想,并且覆盖范围往往是不一致的。


单点声源与多点声源的频率响应


线阵列解决了25年前多点声源系统相互干扰导致降低效果的问题,但通过单点声源来实现优异的效果尚有很长的路要走,仍然需要付出长远的努力。今天,一个单点声源音响系统可以提供尽可能最高的清晰度和尽可能最高的动态范围。极高的可懂度只是它的一个水到渠成的结果,但是仅保证通过使用快速和精确的电子和低失真的换能器可以维持高清晰度和高动态。


一轴多点声源(红色)和点声源(蓝色)的频率响应


VHD2.0扬声器系统传递函数


线阵列传递函数(资料来源:2007年5月 国际现场音响  杰夫·贝里曼)


单点和多点源脉冲响应


为了保持一个高分辨率的音频信号,系统能够表现出一个短脉冲响应时间是至关重要的,这会产生一个像原始一样的声音信号。
下图展示了一点声源和一轴多点声源(线阵)的脉冲响应的比较示意图。输入脉冲是1V,脉冲宽度是100us, 周期是10 mesc, 在图中您所看到的已损坏的脉冲响应就是线阵列分辨率低的原因。已损坏的脉冲响应是由于多点声源系统中的个体声源相互叠加和减弱所引起的。


点声源系统(橙色)和一轴多点声源系统(蓝色)的脉冲响应。


多点声源的时移特性


图中示出了几个线阵列声源到听众的距离差异,每个听众得到的是一个模糊的声音


线阵列在1K,1.6K和4kHz上的垂直指向特性极坐标图

上图显示了线阵列的脉冲响应将随着每一个听众的位置而变化,对于听众1的时间差异不同于听众2。许多制造商声称,这些时间差异可以使用数字延迟校正,但是这并没有提供一个解决方案,因为时间差异将无限伴随每一个新的聆听位置。更关键的是,有一个因素被系统工程师和线阵列预测软件忽略了,就是聆听区域中空气的随机运动,这对多点声源系统的传输特性造成了巨大的改变,它发生在观众到达现场之后,系统工程师已经花了一整天的系统校准却成了徒劳,但是理论上的完美环境----一个真正的音乐会环境是绝不存在的。


单点声源的时移特性

当使用一个点声源的时候,听众在任何位置,都只会听到一个纯净的(不模糊)声音


VHD 2.0 在1K,1.6K,4kHz上的垂直指向特性极坐标图

从以上的图中可以很清楚的看到,干扰和随机空气流动的问题将不会影响到一个点声源,不论其复杂性或强度如何,如KV2音响的VHD和ES系列。这将为每一个听众提供一个更加平等的享受纯净声音的聆听区域。

清晰度和距离

清晰度和距离


从根本上讲,一个质量差的系统,包括了劣质的电子元件、传感器和声学设计,其结果则是缺乏清晰度和细节再现力。但现场音频需要的是伴随着距离的变化趋势依然能够投射出清晰音质的系统。为了保持高品质的声音,特别是在很长的距离下,每个音频链路的完整性是非常重要的。在信号路径中,每一个组件的品质将决定信息损失的量。

该系统必须能够传输一个原汁原味的声音,包括在覆盖范围的增加、系统的解析力和动态范围需求的增长、距离超过实际所需的水平等情况下,仍然能为听者提供最大可能的体验。这些因素将决定于电子产品的品质和速度、数字采样率、换能器以及声学设计,所有这些都是SLA的关键要素。而且声压级能够高达140分贝,所以重点在于系统的动态范围。系统必须无染色或影响声音的质量,它必须具有最小的失真和最大动态范围。SLA技术就是通过KV2在达到这些目标的过程中所取得的进展。

普通的电声设备具有有限的动态范围,也往往产生与原始信号不相关的失真(谐波失真)。动态范围并非一个系统声压级能力的先决条件,高声压级并不直接等同于高动态范围。事实上,许多系统当运行在高声压级时,会产生大量的谐波失真。虽然这可能会展示该系统具有很高的声压级能力,这种失真在高频范围变得明显,显著的掩蔽了信号较弱的部分。这种屏蔽对详细信息相当大的比例具有擦除的效果,这样就造成了明晰度显著的降低。人为改变的信号,使得它不可能传输的原始声音的氛围或现场的气氛到达听众,特别是在远距离。


距离对声音传输的品质受不同质量音响设备的影响


声音的清晰度
声音是一个包括了三个主要参数的三维体,它们分别是:

声压级
频率
时间

  通常,人耳的听觉范围是:声压级范围从0dB到120dB,频率范围从20Hz到20kHz,但我们往往忽视了识别时间分辨率的重要性。人耳听觉可以辨认时间的精确度(传入的声音的差异),达到10us,然而最新的研究发现,甚至比这更少(5us)。


为了正确地重现声音,我们必须满足或者超过上述所规定的条件。

让我们一起看看在远距离且高声压级的情况下,KV2是怎样以最大动态范围和分辨率来传递不变的和不受影响的音频。

谐波失真
声学系统的非线性,出现了谐波失真,这关系到原来的信号。 
在频谱中提到了倍数于基频的信号,它是由奇次和偶次谐波分量组成。

奇次谐波失真是由于周期信号的两个半波长干扰引起的,(通常建立在放大器限制部分)

偶数谐波失真是由于周期信号的一个半波长干扰引起的,(通常建立在高声压上,二次谐波失真是声压的一个函数)

听力测试表明,人耳对奇次谐波失真的闻阈为0.1%,而对偶次谐波失真的闻阈为1%

- 非谐波失真


谐波失真与原始的信号无关,是由于系统反应速度慢导致声学器件和滤波器的阻尼不足所造成,这也被添加到原始信号,产生多余的噪音,系统会表现出无法预测的特性。谐波失真主要是由于长的建立时间、低采样率和差的DSP处理能力导致。

根据其特点,谐波失真是绝对可闻的,但常常被混淆,误认为是原始信号中的高频成分,实际上掩盖了真正的响应,因此未能正确的传输到远处。

失真可闻度
音频信号包括许多成分,谐波,噪声和干扰交叉在整个频谱中,是一个复合体。更确切的说,它的属性接近随机信号。由此可见,一个复杂的音频信号的失真产生一个复杂的噪声电平,掩盖和干扰了原始信号的低电平信号。实测已经证实,我们可以听到一个包含-70至-80dB白噪声的0dB 1kHz正弦波。这表明,高失真系统将完全掩盖低电平信号,所有特定设计的的KV2音频换能器和组件具有极低的失真,(低于0.1%,例如你可以听到歌手的呼吸),这将会是您曾经从未聆听过的纯净且非常高动态的声音。

- 非谐波失真


谐波失真与原始的信号无关,是由于系统反应速度慢导致声学器件和滤波器的阻尼不足所造成,这也被添加到原始信号,产生多余的噪音,系统会表现出无法预测的特性。谐波失真主要是由于长的建立时间、低采样率和差的DSP处理能力导致。

根据其特点,谐波失真是绝对可闻的,但常常被混淆,误认为是原始信号中的高频成分,实际上掩盖了真正的响应,因此未能正确的传输到远处。

失真可闻度
音频信号包括许多成分,谐波,噪声和干扰交叉在整个频谱中,是一个复合体。更确切的说,它的属性接近随机信号。由此可见,一个复杂的音频信号的失真产生一个复杂的噪声电平,掩盖和干扰了原始信号的低电平信号。实测已经证实,我们可以听到一个包含-70至-80dB白噪声的0dB 1kHz正弦波。这表明,高失真系统将完全掩盖低电平信号,所有特定设计的的KV2音频换能器和组件具有极低的失真,(低于0.1%,例如你可以听到歌手的呼吸),这将会是您曾经从未聆听过的纯净且非常高动态的声音。

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