喇叭的调音和乐器调音
先把名词的意义做个界定,以免误用、误解。
音调就是声音的高低。单音的音调是指该音的最低频率(基音),单音由基音和整数倍的倍音(谐波音)构成。複合音由多种频率的基音构成,音调以该音的最强基音(主基音)呈现,其他频率低于主基音的基音李氏音响称为低频成分音,频率高于主基音的基音李氏音响称为高频成分音,离主基音愈远端的高、低频成分音愈弱,会被主基音遮蔽听不到。自然音、乐器声、人声都是複合音。
音色是声音的特色。鼓声、钢琴声、小号声、人声、风声、雷声……各有可分辨的特色,以颜色比拟,犹如红、黄、蓝、绿、紫。
声音的明暗就是声音的尖亮和深沉,和各音色的音调是可逆的一对一对应。每种音色有与其对应的声音明暗,音调高,高、低频成分音结构同步往高频移,低端成分音减量高端增量,声音相对尖亮,音调低,高、低频成分音结构同步往低频移,低端成分音增量高端减量,声音相对深沉。以颜色比拟,声音的明暗就是颜色的「明度」或「黑白」。每一种纯色都有与其对应的明度,加了白明度升高,加了黑,明度下降。
喇叭的谐波失真低不等于声音明暗失真小
自然音、乐器声、人声,主基音和高、低频成分音的结构是天然生成的,任何音色的每一个音调所对应的声音明暗是固定不变的,但是喇叭重播音则不同,同一音色、音调,主基音和高、低频成分音的结构会因喇叭不同而不同,会因喇叭搭配的扩大机、线材不同而不同,声音的明暗和音色、音调不再是可逆的一对一对应。喇叭播出的大鼓声,主基音和低频成分音被衰减了就不深沉又量感少。人声、小提琴声的高频成分音被衰减了,人声会偏厚,小提琴声则有所谓的「松香味」,这种失真和谐波失真是不相干的,量测的方法也不同。谐波对应的是音色。高、低频成分音对应的是声音的明暗对比和渐层,是音乐动态的决定性元素,是喇叭的声音艺术成就指标。
颜色设计的黑白反差(对比)和渐层变化就是颜色的各种「调子」。从白到黑,白(亮)的是高调,黑(暗)的是低调,黑白中间的是中调。黑白反差(对比)大是长调(大动态),黑白反差(对比)小是短调(小动态),黑白反差适中是中调。
声音的明(尖亮)暗(深沉)对比和渐层,李氏音响承袭颜色的用语称为「声音调子」。
自然音、人声、乐器声是複合音,人声唱La,双簧管、提琴、小号、钢琴奏出La,不是只有单个442Hz的基音,也有441Hz–30Hz和443Hz–16kHz的基音,离442Hz愈远端的基音愈微弱。大鼓声的主基音若是100Hz,低一个倍频(99Hz–50Hz)内的低频成分音是强大的,短笛、钢琴的高频主基音超过4000Hz,高一个倍频(4000Hz–8000Hz)内的高频成分音是强大的,高、低两端的基音是否正常播出会影响声音的大小、明暗和音乐动态的强弱。
以2阶斜率把低音单体截于100Hz,或把高音单体截于4000Hz,播音乐,我们依然可听到各种乐器声、人声构成的旋律被小声的播出,由此可証明每个乐器声、人声都有150Hz以下3000Hz以上的基音。
无论什麽原因造成喇叭重播音的「声音调子」和原音不同,补偿、还原这种改变就是给喇叭「调音」。喇叭「调音」有些难,需要制作喇叭的知识也要有音乐底子。抓不准「声音调子」和音调对应关係的人,想给喇叭「调音」也无从下手,就如同很多人不知如何调「吉他」的音调。
喇叭的低频-3dB超低播大鼓声不深沉,很多厂商说是「好喇叭很难推」,李氏音响说「重播音的低频成分音被衰减太多」。喇叭的高频-3dB高达30kHz、50kHz,播出的人声偏厚,小提琴声有所谓的「松香味」,很多厂商说是「声音高贵」,李氏音响则说「重播音的高频成分音被衰减太多」。见解差异的原因是李氏音响知道喇叭「声音调子」失真的测量方法并能控制。
用EQ测出被衰减的高、低频成分音
重建录音实况,用麦克风收人声同步播放(相同于用麦克风演讲或唱歌),若重播音遮蔽原人声的中频时同步遮蔽高、低频,就是喇叭播出的高频、低频成分音正常,响度大,重播音的主基音大原音15dB时,高、低频成分音的两端也同步大原音约15dB,「声音调子」失真就少,小声播音乐,信号会很完整。
重播音遮蔽原人声的中频时不能同步遮蔽高、低频,就是喇叭播出的高频、低频成分音衰减大,响度小,重播音的主基音大原音15dB时,高、低频成分音的两端大原音不到10dB,因此会人声厚又大鼓声播不深沉,小声播音乐很多的信号就听不到。
喇叭重播音遮蔽原人声的中频时不能同步遮蔽高、低频,用EQ以2阶左右的斜率增强5000Hz以上和200Hz以下的信号,达到重播音遮蔽原人声的中频时可同步遮蔽高、低频,这个修正增量就是被衰减的高频、低频成分音。补偿、还原被衰减的信号是喇叭调音的重点工作之一。
设计喇叭的第四个声音元素
就自然音、乐器声、人声来说,音调会自变,「声音调子」则是音调的因变数,不自变,两者是可逆的一对一对应,共生共存,所以音调也可代表「声音调子」不是问题。
音响重播音的「声音调子」会因喇叭不同而不同,会因喇叭搭配的扩大机、线材不同而不同,同一乐器声、人声的同一音调,有N个「声音调子」变异,有时差很大,喇叭重播音的音调和「声音调子」不是可逆的一对一对应,所以就喇叭设计来说,「声音调子」是和音调分离的第四个声音元素,音调不能代表「声音调子」。因此李氏音响以人声为基准音,儘可能把喇叭播基准音的「声音调子」校准,使明暗对比和渐层像真。
一个乐器调音的机遇
高二上那年,学校确定要派高二的管乐队参加全省音乐比赛,和其他学校的高三管乐队竞技,高二对高三当然胜算低,所以我们被强度的训练。有一天练习完,郭子究老师宣佈,星期六晚上台师大的藤田梓老师要来学校开钢琴演奏会。郭老师讲解了音乐会的礼仪,要大家去聆听,充当壮声势的领头羊。郭老师说,星期六下午他要给藤田梓老师调钢琴。
星期六下午不上课,校园内很少人。我到学校礼堂时,钢琴已搬定位,有几位同学坐在礼堂讲台下,郭老师和藤田梓老师则在钢琴旁,我就上讲台,坐在地上,离他们4–5公尺。对当时的我来说,郭老师和藤田梓老师都是天王级的人物,郭老师是花莲最受人尊敬的音乐老师,吉他弹得非常好,藤田梓老师是台湾最富盛名的钢琴演奏家。
郭老师拿出一只哨子吹,定了一个琴键的音,然后就弹起钢琴,一面弹就一面停下来调絃,调完了就请藤田梓老师试弹,照藤田梓老师的意见再微调,这个微调应该和音准关係不大,可能是调整弹奏的感觉吧!1960年代中期,学校的钢琴品级低,藤田梓老师可能不太适应。
在这麽安静的环境又这麽近的聆听两位大师弹钢琴、调钢琴,对我来说是奇异之旅。我领悟到,调钢琴也要有高超的琴艺,才能调出声音流畅音乐性良好的钢琴声。
高二那年有两件事无形中推我走向研究喇叭,第一,高二下去彰化参加全省音乐比赛(学校出旅费),和其他学校的高三管乐队竞技得了第五名(前5名有奖,其馀的皆第6名),同时高二合唱团也得第三各。曾经的这些训练和美好,使我喜欢音乐,出社会生活安定了就玩音响,玩音响觉得喇叭贵又不传真,最后自己学习制造喇叭。第二,学做喇叭时,发现喇叭声和真实声音常常差异很大,因为郭老师和藤田梓老师调钢琴的啓发,发展出以人声为基准音的喇叭声校正方法,改善了这问题。
郭老师不曾教我唱任何一首歌,但是跟著他学习精确打拍子,就是会看谱唱歌,音乐科得到郭老师订的天花板级分(只考打拍子),所以有机会参加管乐队,因为这些机遇,对喇叭「声音调子」和动态的失真就较敏感较不能忍受,才会克服各种困难,长期的探究测试和改善方法。
把2声道喇叭调音看作2絃琴调音
2音路喇叭犹如二絃琴,3音路、4音路喇叭相当于三絃、4絃琴(提琴),琴要调絃的音调,喇叭要设定单体的「声音调子」,这都需要对乐器演奏有一定程度的认识和长时间的练习。
2絃琴的内絃(c2)、外絃(f2)音调要校准,奏出的旋律才能流畅、正确,没有校准,奏出的旋律就走音不成调。
2音路喇叭高、低音单体的「声音调子」设计正确,分频交越区的声音明暗过渡平顺,重播音像「原音」,播出的音乐才会低音深沉高音尖亮且动态大。高音、低音单体的「声音调子」没有正确设定,该深沉的不够深沉,该尖亮的不够尖亮,重播音就不会像「原音」,音乐的强弱音对比(动态)就小,小声播音乐,很多信号就会消失听不到。
2絃琴的内絃、外絃不是随便安装就能奏出正确的音调旋律,同样的,2音路喇叭的高、低音单体也不是随便设计、制作、搭配就会「声音调子」正确。
正确的认识喇叭播音现象
2音路喇叭的声音变因少,「声音调子」失真的因素来自那个单体容易判断,容易找到错误的原因做正确的修正,所以学习喇叭调音要从2音路喇叭做起。3、4音路喇叭的变因多,「声音调子」的失真来源难正确掌控。喇叭厂若不能把2音路喇叭的音调、「声音调子」对应抓精确,也就没有能力控制3音路、4音路喇叭的音调、「声音调子」对应。内行人聆听2音路喇叭就知道喇叭厂的技术层次。
山本武夫说,输入喇叭的信号,若未送达喇叭之前就被扩大机截割(clip),声音的失真一定很大。又说,当喇叭的输入不是纯电阻而是含有电抗成分时,输入阻抗必因频率不同而大变动,扩大机就不能稳定的工作,喇叭也会在低音频段或高音频段产生振盪现象而使音质变差。参考扬声器之设计与制作第12章第一段,台译版。扩大机截割(clip)信号的失真也就是Westlake音响所谓的P.E. Distortion。
不同的扩大机有不同的内部阻抗,会对电子(音乐)信号的高、低频产生不同程度的截割、衰减,影响高、低频成分音结构,因此音响系统换扩大机就会改变「声音调子」使声音表现不同。大鼓声播不深沉又量感少,是最常见的「声音调子」失真现象,这种失真若视为「好喇叭很难推」就永远无解,若从低频成分音被衰减的角度思考就能找到失真的原因,也有测试和改善的方法。
有些扩大机的输出有电抗成分,这会改变喇叭的频响。喇叭本身的电抗会回逆改变扩大机的频响,正如喇叭的电抗会回逆改变电阻负载设计的分音器频响,参考扬声器之设计与制作第9章3.2节,图9.18,台译版。扩大机频响被喇叭的电抗改变,会同步对喇叭频响产生增益、改变。因此从扩大机送到喇叭的信号不可能是纯电阻能量,必有电抗成分的影响,设计喇叭时对这种电抗影响若有正确补偿,扩大机就能稳定的工作推好喇叭,反之,扩大机就不能稳定的工作也无法推好喇叭。所以喇叭不是「有(频响)数据有真相」。
扩大机截割(clip)高、低频电子(音乐)信号,或喇叭的电抗回逆改变扩大机的频响,这是无可避免的事,因此李氏喇叭设计时都有参考扩大机,整合喇叭和扩大机的相容性。
喇叭的神话
山本武夫说,喇叭fo点(-3dB频点)超低和阻抗的电抗成分高,都会产生低频振盪。参考扬声器之设计与制作第12章1.3节。
低音单体的fo点(-3dB频点)设计太低和fo点的电抗太高,喇叭播低音的性能都会差,大鼓声、低音大提琴声就播不深沉又量感少,没有解析、播出的低频信号能量就转变为「低音振盪」,锥盆会不断振动产生低沉的嗡嗡声,清晰度就差。
-3dB超低所产生的播音现象,很多喇叭厂另有解释,他们强调「有(频响)数据有真相」,-3dB超低喇叭播不出深沉的大鼓声是因为「好喇叭很难推」、「扩大机不够力」,低音振盪的嗡嗡声,则嫁罪给空间共振,一个设计不当的喇叭就变成了全无缺点的高价名器。
喇叭的低频振盪嗡嗡声嫁罪给「空间共振」,消费者被误导做吸音、扩散,甚至改造房子,实在很冤枉。没对症下药,钱花了问题一定依旧在,其实低频振盪的嗡嗡声换喇叭就会消失。李氏音响常向买家保証,喇叭若有所谓的「低频共振」现象可以退货还款,因为李氏音响知道-3dB超低的喇叭会有低频振盪,不制造这种喇叭坑消费者。
给喇叭调音费时又花钱
低频-3dB超低所产生的播音现象,扩大机截割高、低频音乐信号的失真,喇叭、扩大机内部电抗造成的扩大机工作不稳定,都是喇叭「调音」要处理的事,改善这些问题常常需要换单体、换分音器零件,等于喇叭要重新设计、制作,花钱又花时间。产品出厂有这些错就是厂商不具备相关的技术,要修正也无从下手,因此多以「好喇叭很难推」来矇混「喇叭不能被推好」。
李氏音响研究喇叭是先买LMS测试器、LEAP演算系统和捲线机。从1995年到2007年,捲了上百个不同电感量的分频线圈,订制或买市售各型单体数十个,将不同的高、低音单体交叉搭配组合,最少做了几千次仪测、改分音器、聆听的「嚐试错误」,才大致瞭解扩大机和喇叭的关係。因为有这麽大量的经验累积,李氏音响掌控了喇叭「调音」的know how。学喇叭「调音」像学琴,是时间、金钱累积起来的。
Dynaudio老闆说:「在创厂之后的十五、十六年间,我们尝试过找寻许多不同的扩大机来搭配我们的喇叭,可惜都无法让我们完全满意。」参考新视听134期125页。Dynaudio、B&W喇叭常用-3dB超低的超长音圈超长衝程低音单体,从山本武夫的论述看,当然播低音的性能差,没有扩大机推得好。
Dynaudio老闆说得好像喇叭被扩大机害了,其实超长音圈低音单体是cost down概念产品(参考扬声器之设计与制作第5章7节),低价的低音单体都用类似的电磁结构,只是没把低频-3dB设定到像Dynaudio、B&W喇叭那麽低,问题是这种电磁结构-3dB设定愈低播低音的性能会愈差。Hi Fi喇叭被建议,低频-3dB的群迟延时间要低于20/1000秒。超长音圈设计,低频-3dB设定愈低群迟延时间愈会超过20/1000秒,信号播出率愈低,播低音性能当然愈差。
JBL、TAD的最高价低音单体,通常是【音圈重量/音圈推力】比值小的正规的短音圈大磁路设计,-3dB群迟延时间可低到10/1000秒左右,信号播出率高,但是这种设计-3dB不会很低,还需要很厚的导磁板和T铁,成本会大大提高。
cost down的超长音圈做出来的超低-3dB,制造厂一定不能有效播出来,所以不断的用各种方式洗脑消费者「好喇叭很难推」。「很难推」是假,「不能有效播出来」是真。改善的方法,换短音圈大磁路单体重新设计才是正途,换扩大机换线材,多花钱而已。
若喇叭厂就是要用超低-3dB制造喇叭会播出超级好低音的假象,矇混好品质,短音圈大磁路电磁结构就不是设计选项。
人声遮蔽率和声音的动态压缩现象
2004年,李氏音响在DIY ZONE网站、音响论坛发表「人声遮蔽率」相关论述,WESTLAKE则在接受Home Theater杂志的杨德宜先生访问时,提出声音的「动态压缩」论述,两者似乎无关连,但谈的内容就是扩大机截割(clip)高、低频音乐信号的播音现象。
电子(音乐)信号送到喇叭前,高、低频已被前端的扩大机阻抗衰减(吃掉),当然重播的人声遮蔽原音中频时就不能同步遮蔽高、低频,重播的音乐少了高、低频信号,动态(强弱音对比)当然会被压缩变小。两者的论述相辅相成。
WESTLAKE老闆还说,JBL工程师可以设计出第一流的单体…………但是喇叭的整体设计却有很多的缺失,其中最大的问题在于「高功率驱动下的动态范围」。他指出,喇叭音量很大不代表喇叭的动态范围就会足够。
喇叭可以播很大声是因为承受功率大或效率高,喇叭的动态范围大是指强弱音对比大,这需要喇叭能完整播出音乐的高、低频成分音,两者的技术意义不同。强弱音对比大才能播好大动态交响乐、鼓乐、电影录音。
JBL喇叭的缺失,B&W、Dynaudio、ELAC、Focal、KEF、DENON、MBL、ATC……等喇叭也有。这些喇叭厂对扩大机截割高、低频电子(音乐)信号的播音现象都任其存在,不以为失真,不做补偿。所以重播音的「声音调子」和原音差异大,播大动态交响乐、鼓乐、电影音效,动态偏小,低音大提琴声、大鼓声都会深沉度不足又量感少,细节相对不清晰。
以人声校准喇叭的「声音调子」
李氏音响以人声为基准音,对所生产的喇叭校准「声音调子」和音调的对应。交响乐团以双簧管的A音为标准音,让所有团员校准乐器的音调,两者是异曲同工。
质疑以人声校准的喇叭「声音调子」是否能正确播出所有乐器声的「声音调子」,就像质疑以双簧管A音校准的提琴是否会正确奏出各音阶,是内行人不会有的疑虑。人声唱La,主基音是442Hz,441Hz–30Hz的低频基音(低频成分音),443Hz–16kHz的高频基音(高频成分音),都要正确播出,喇叭的「声音调子」才会像原音。人声的「声音调子」正确播出,不只验证喇叭能正确播出人声,更是验证了喇叭能正确播出声音的全部频率构成。
喇叭不认人声或鼓声只重播20Hz–20kHz的基音组成和谐波音组成
每个人声和所有乐器声一样,都含括30Hz–16kHz的基音,音调不同是因为主基音(强音压基音)的频域不同,喇叭能正确重播人声「喂」,就是能正确重现30Hz–16kHz的基音能量,所以必能正确重播同样由30Hz–16kHz频率构成的所有乐器声、自然音。
喇叭重播人声「喂」的基音组成错误「声音调子」失真,重播任何乐器声也必基音组成错误「声音调子」失真。送到喇叭的信号,150Hz以下频率被扩大机以2阶斜率截割了,人声、小号声、提琴声、大鼓声的150Hz以下主基音和低频成分音都会以2阶斜率衰减,不可能只截割大鼓声而不截割人声、小号声。大鼓声的150Hz以下信号强,影响大,人声、小号的150Hz以下信号弱,影响就小。5000Hz以上的信号被扩大机以2阶斜率截割了,所有人声、乐器声、自然音的5000Hz以上高频成分音、谐波音也都会呈现2阶斜率衰减。短笛、钹、三角铁的5000Hz以上信号强,影响大,大鼓、低音大提琴的5000Hz以上信号弱,影响就较不明显,但是大鼓、低音大提琴的声音细节仍然会因此减弱或消失。
喇叭播出的人声厚,小提琴声有所谓的「松香味」,很多厂商、杂志器评讚美「声音高贵」,定位为「播音乐专用」喇叭,但是,这种喇叭播任何乐器声也必声音调子偏暗有点闷不华丽,大鼓声、低音大提琴声的细节都弱,小声播音乐很多信号会听不到,音乐动态小,播不好大动态交响乐和电影音效。
想通上述播音现象的关连,就知道厂商、杂志器评所谓的「播音乐专用」喇叭,是播高频成分音的性能差所以人声厚。喇叭播高频成分音的性能差,播低频成分音的性能也会差,因为没有补偿高频成分的喇叭也不会补偿低频成分音。有人认为人声愈厚的喇叭可以把大鼓声、低音大提琴声播得愈深沉,不惜花大钱要搾出自己想像会有的喇叭「极限性能」,这是钱太多了。
不只扩大机的阻抗会截割高、低频电子(音乐)信号,麦克风、线材也如此,所以音响系统换线、换麦克风声音都会改变。WESTLAKE老闆说,「P.E. Distortion从录音过程中便已经产生,并且融入LP或CD讯号当中,很可惜的是,P.E. Distortion一旦混入音乐讯号当中,便无法消除,仅能透过补偿来降低」。参考WESTLAKE原厂故事(四)。所以设计喇叭不只要对扩大机的影响做补偿,也要对麦克风、线材的影响做补偿。因此李氏音响透过重建录音实况,验证喇叭对扩大机、麦克风、线材的补偿是否正确。
喇叭厂不以人声为校准喇叭「声音调子」的基准音,也可选择其他自然音、乐器声。没有基准音校正「声音调子」的喇叭,无论是1000万或500万,都会低音深沉不到位、高音尖亮不到位、音乐动态不到位。
「声音调子」愈像原音,就是喇叭能把高、低频成分音播得愈完整,所以愈好推。「声音调子」失真大,人声厚,就是喇叭播高、低频成分音的性能差,一定很难推。
喇叭的「声音调子」错了,仪测数据就是虚的
1978年,Pioneer音响研究所长(山本武夫)写的「扬声器之设计与制作」就说,低频-3dB超低的喇叭会有低频振盪现象,也就是说,这种数据常常是虚的、无效的,播不出好低音。同时间,却有很多消费者高价买低频-3dB超低的喇叭想播出超级好低音。消费者最好还是相信山本武夫,因为不曾有喇叭厂把自己制造的超低-3dB喇叭播出超深沉低音。
喇叭的频响数据就只是呈现喇叭对信号的音压反应,频响数据要有效播出,低频-3dB的群迟延时间要低于20/1000秒,高频-3dB的群迟延时间要低于0.2/1000秒,而且喇叭要能补偿被扩大机截割的高、低频电子(音乐)信号。喇叭的「声音调子」是【频响+群迟延时间特性+补偿扩大机性能】的综合呈现,因此喇叭的「声音调子」才是喇叭播音性能的总结。