HIFI放大器低噪声的重要性

噪声（或噪音）有什么影响？是不是越低越好？低噪声的要求是不是非常重要？关于HIFI放大器的噪声问题，大家可能会有不同的认识，就这个问题梳理一下，希望和大家分享、探讨。

一、对噪声的一些看法

很多朋友认为HIFI放大器低噪声是很重要的，也有朋友可能并不这样看。首先让我们来看下下面的一些看法：

1）欣赏音乐时，我没有听到任何噪音，所以没有问题；

2）底噪太干净了，会有不真实感觉。适当的噪音可以增加现场感；

3）低噪声会导致过于表达音乐的细节，影响听感和欣赏音乐的专注度；

4）低噪声会暴露放大器的缺点，影响听音乐的感觉；

5）音乐作品中的噪音和放大器产生的噪音的影响是相同的；

6）低噪声可以让背景更安静，但不会改变作品的音乐表达；

7）放大器的信噪比指标达到要求，噪声再低没有多大意义；

8）过于追求低噪声会导致听音理念的偏差，过于追求参数而偏离艺术；

9）声音的遮蔽效应，音乐声盖过噪声对噪声进行了遮蔽，噪声大一点也不会影响音乐欣赏。

那么，这些看法对吗？

二、噪声和来源

我们来回顾一下噪声和主要的来源。

噪声具有随机和持续的特征，对于一些突发而不持续的信号（除需要传递的信号外），有时被称为干扰声。这里，我们就只讨论噪声。

下图是一种噪声的波形图和与交流正弦信号波形的比较。

图一、噪音和正弦波信号的波形比较，摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

对于HIFI放大器，噪声是除希望传递的音乐和人声信号以外的任何或全部的其它信号（干扰声除外），这些噪声从哪里来？以下是一些可能的途径：

1）音乐作品中含有的噪声

音乐作品在录制制作的过程中都会带入噪声，比如录音棚里的背景声、空调声、器材产生的噪声，等等。

2）放大器产生的噪声

放大器接收和产生噪声的途径有很多而且机制也很复杂，主要的有电阻元件的噪声（Johnson噪声）、半导体元件产生的噪声、交流电源产生的纹波声（也叫交流声或哼声）、电网传递来的各种混杂的信号产生的噪声、由于受外界无线电波干扰或电磁感应产生的噪声、放大器自身工作不稳定（如自激振荡）产生的噪声，器件（如变压器）震动产生的噪声，等等。这里我们不讨论放大器失真带来的影响。

3）前端器材传递来的噪声

前端器材也会带来一些噪声，前端器材的输出电阻产生的噪声、前端器材放大和传递信号时产生的噪声、连接线接收到的干扰声、电源和地形成的环路哼声，等等。

4）环境产生的噪声

听音的周边环境产生的噪声，如空调工作的声音、电脑风扇的声音、外界传来的其它声音，等等。

三、信号

我们不妨把希望传递和放大的器乐或人声的音频信号叫做"信号"，以区别于上述的"噪声"和"干扰声"。来回顾一下信号的基本特征吧。

图二、小提琴分别发出E音和G音时的频谱图，摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

从上图中可以看到，小提琴的琴弦分别发出E音（659Hz）和G音（196Hz）时，除了基波的频率，同时还发出很多次的谐波（或称泛音）。实际上小提琴可以发出声音的频率（也是基波的频率）的范围是196～3136Hz，而其谐波的频率范围可以高达4～15kHz（摘自："实用录音威廉希尔官方网站 ，第六版"，Bruce Bartlett, Jenny Bartlett, 朱慰中译）。

这是小提琴的例子，其它的乐器和人声也是类似的情况（个别特殊乐器如鼓、铃、钢琴等的泛音并不是与基波频率有倍数关系的谐波）。

声音的两个基本的特征

我们可以总结得出下面的结论：

1）声音信号是由基波和大小不一其中很多微小的谐波（或泛音）组成的

谐波很多而且幅度大小相差较大，一般比其基波的幅度小很多，趋势上随谐波的阶次的提高逐渐减小，也就是谐波频率越高其幅度越小；

2）谐波（或泛音）反映了器乐或人声的特征和音色

正是不同的谐波的组合用来辨别一个乐器而不是另一个（比如是小提琴而不是小号），或相同乐器而不同的音色。

需要说明的是，比如同一位演奏家演奏不同的小提琴，会有不同的音色，而不同的演奏家演奏同一把小提琴也会有不同的音色，其原因也是因为谐波发生了变化。

四、噪声对声音的影响

噪声是怎样影响声音的？最直观的情况就像下图表示的，加入噪声后信号发生了变化。

图三、interwetten与威廉的赔率体系 信号加上噪声后的情况，摘自："Digital Interface Handbook， Third Edition", Francis Rumsey, John Watkinson

这是大家比较熟悉的情况，很明显，信号受到了噪声的污染，问题有多严重呢？可能还说明不了什么问题，我们来做点分析。

1、从频谱看

先看下面的图：

图四、图一中噪声的局部波形图。摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

噪声的波形看似是没有明确的规律性的，较难用理论（数学）工具来定量分析，为了可以做定性的分析，我们做一些近似的假定，特别在噪声中含有交流声时（交流声是周期性的），我们把噪声的波形假定为周期性的非正弦波，或周期性非正弦波的组合。这样，就可以利用傅里叶级数的理论来做进一步的分析了。

傅里叶级数是说，任何一个周期性的非正弦波，都可以分解为一系列不同频率的正弦量之和。

那么，任何噪声也可以像上面小提琴的声音一样，可以被分解和看作是很多不同频率的正弦波的组合。下图是一个噪声频谱的示例。

图五、一种噪声的频谱示意图，摘自：网络

以上面的小提琴为例，把小提琴的频谱图和噪声的频谱图叠加在一起，就得到了另一个新的频谱图，是一个被改变了的不一样的频谱图。按上面声音的两个基本特征的分析，小提琴的声音特征和音色将发生变化。

小提琴是这样的情况，其它声音也是相同或类似的。

但有一个前提，噪声的频谱幅度相对信号的幅度是有意义的，也就是，噪声的幅度是不能被忽略不计的。

2、从幅度看

我们再从幅度的角度看噪声如何影响声音。

1）信噪比

信噪比是用幅度来衡量的性能指标，简单来说，就是在放大器额定输入和输出条件下的输出电压（一般就最大不失真输出电压）和输入电动势为零时的输出电压（也即是噪声电压）的比值再计算得到。公式为：

信噪比=20Log（最大不失真输出电压/噪声电压），单位为分贝（dB）

按国标 "GB/T 14200-93高保真声频放大器最低性能要求"规定，信噪比（未计权）的最低要求为：前置和合并放大器58dB、后级放大器81dB。

这里，测量信噪比，有以下的情况：

a、放大器工作在最大不失真输出的状态

这是放大器受失真限制（失真指标符合标准或厂方提供的数据、不出现削波）的最大工作状态，也就是音量电位器旋钮被顺时针旋到了不引起失真的最大位置；

b、输入信号的电动势为额定值（测量最大输出电压时）

按照国标"GB/T14197-2012音频、视频和视听系统互连的优选配接值"的要求，接入功放的输入信号最小源电动势不小于1V。而国标 "GB/T 14200-93高保真声频放大器最低性能要求"规定的功放的过载源电动势不小于2V。基本上可以把源电动势的值近似看作是信号电压的值，也就是说额定的输入信号的电压必须要大于1V，具体可以大到多少，要看放大器的输入过载能力，一般必须要能够承受2V的输入信号电压。实际上，一般的CD机的模拟输出电压是2V有效值（RMS），一些解码器输出更高的4V有效值（RMS）的电压。

c、输入信号的频率为单一频率

信噪比的测量并不要求输入信号要模拟实际的音乐信号，也就是有基波和谐波的组合，而一般为指定频率为1KHz 的正弦波作为测量输入信号。

2）信噪比达标，就没问题了吗？

信噪比反映了放大器的性能水平，但还是不能阻止以下情况的出现：

a、不在最大输出位置工作

和测量时不同，现实中，是没有人（或者几乎没有）会在最大输出的状态下听音乐的，反而是经常在接近最小（有时是被衰减）的工作位置欣赏音乐的。在工作状态向小的方向变化时，信号对应的输出电压相应的减小，因为噪声是放大器的整个电路综合产生的，所以噪声并不会按相同的比例减小（特别当交流哼声在噪声中占主导地位时，哼声很多时候不会随音量的减小而减小，有时反而会增大）。

因此，在实际工作情况下（绝大多数的情况下），放大器的信噪比性能是不能被保证的。

b、不在音量为零的位置工作

同样，现实中，也没有人在音量为零的位置欣赏音乐。也就是输入的信号必须被放大（有时是衰减）到一定的程度（一般认为85dB声压级比较适合欣赏音乐），这样输入端的噪音也同样的被放大（或传递）到一定程度。

c、输入信号不是单一频率、幅度不是额定值

现实中，也没有办法保证所有输入信号都能维持在额定值，特别是上面说到的，音频信号中含有的许多谐波（或泛音）。那么，问题是，能不能确定，某个弱小的音频信号或谐波会小到什么程度？应该是不能。

这样，一定程度的噪声和不能确定有多小（尽管也被同样放大）的微小信号或谐波（或泛音）叠加在一起，会产生什么样的结果？声音信号的某些部分被噪声改变或淹没，声音会发生变化。

下面的表格，可以进一步说明。如表，在一个乐队中，不同的声音的强弱（或信号幅度）的大小差别是巨大的。

表一、交响乐队现场演奏时各种乐器的最大功率峰值。摘自"Master Handbook of Acoustics，Sixth Edition"，F.Alton Everest and Ken C. Pohlmann

我们不妨计算一下，按额定输入信号电压2V有效值来对应70W的乐队整体，对于最小功率乐器的最大峰值所对应的输入信号电压就只有53mV有效值了。这时的信噪比已经下降了31dB，前面国标所要求的最低性能指标，实际分别降到了27dB和50dB。如果计算实际使用时的数值（非最大峰值、非最大输出状态），再考虑对谐波的影响，实际信噪比将会更大幅度的降低。可见音乐信号中，有用的信号幅度可以非常的小（可低到听觉阀值的声压级水平），实际的信噪比也可能非常的低。

五、什么情况下噪声的影响可以被忽略？

两种情况下，噪声的影响应该可以被忽略。

1）噪声的绝对声压级（经过放大以后）在听觉阀值以下；或者

2）根据1/3原则，噪声的幅度大小比相同频率的信号的幅度小2/3以上。或者说，噪声频谱每个频率上的幅度比信号频谱上相同（或相近）频率上的幅度小2/3以上，并且不出现新的谐波。

不过，不管是哪种情况，要达到的条件都是非常苛刻的。

六、结论

通过上面的分析，噪声对声音是有很大影响的，这种影响是不是都是有害的，还是有时可以是有益的？

对于音乐作品中的噪声，录音师可能会从艺术的角度，允许或加入一些噪声，作为艺术创作的一部分。

而对于放大器来说，噪声只能改变或淹没音乐作品中的一些细节，使重放的作品不再真实。而这些细节恰恰是HIFI放大器不可缺少的，特别是高端HIFI（这些细节正是确认是否是高端HIFI的重要元素）。