级前分频与级后分频在工作原理上具有何不同

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级前分频与级后分频在工作原理上具有何不同
1995年第10期《音响世界》杂志发表了我写的文章“胆石之争可以休矣”，在该文中已经特别说明高声频信号的波幅是叠加在低音频信号的波幅之上，人们只要用示波器观察一下实际的音频电压波形就会证实这一特征。假定某一音频信号中含有14kHz、 5kHz、100Hz三个频率成分，并且三个频率的幅值都相同。采用级前三分频功放电路，分别由高、中、低三个单元放大器对上述频率进行放大，每个单元放大器的输出功率都相同为P，总的输出功率即等于3 P。若是采用级后分频方式，只用一个功率放大器对上述三个音频信号进行放大，高、中、低三个频率的输出功率相同也分别为P，功率放大器总的输出功率将等于9P！其中2/3的输出功率将被连在喇叭之前的电容器与电感器分频网络所占去。虽然电抗元件不消耗电能，它们占去的功率属于无功功率，但由此将要求功率放大器的输出功率比实际被有效转换成声波的有功功率大二倍。请注意，如果改采用单只全频喇叭进行重放，功率放大器输出的所有功率都全部加在这个喇叭上，其中的2/3功率是强迫喇叭做三个音频信号的互调振动形成互调失真。什么是互调失真？人们在喇叭上按标注的正负极加上0.5V直流电压，喇叭振动盆就会朝前运动凸起。若反向施加0.5V的直流电压，喇叭振动盆就朝后方向运动凹下。当OCL输出方式的功率放大器输出端静态电平明显偏离中点电平或以BTL输出方式的功率放大器两个输出端静态电平明显不对称时，就会存在直流电压施加在喇叭上的情况。当施加在喇叭上的直流电压达到0.5V时，播放出的声音将使人感到别扭不自然。原因就是喇叭振动盆已明显偏离机械平衡位置，导致振动盆在正弦波交变信号驱动下产生的往复运动不能保持对称，从而使还原的声音出现不应有的异常感受。所以，必须限定从功率放大器输出端加在喇叭上的静态直流电压不得超过0.2V。然而当喇叭工作于两个相差几倍频率的复合信号时，相对于较高频率声音来说，喇叭是处在明显偏离机械平衡位置上做往复运动不能保持振动幅度对称，还原出来的高频率声音将出现不应有的异常感受，其结果就是使本应该正常还原的声音变得混浊不清。实际上，两个声频只要相差达到5倍，高频率信号波幅就完全叠加在低频率信号的波幅之上。减小两个不同频率声音在还原时产生严重互调失真的唯一有效办法，就是使用多只喇叭分别负责一段声频的播放工作。这与采用级前分频与级后分频方式无关！差别只是级前分频容易实现，级后分频则很难把超过二分频以上的多分频喇叭组合设计好。我曾经用一台每声道总输出功率不超过20W的电子三分频有源音响与一台每声道输出功率为80W的级后分频组合音响作过实听对比。两套音响都调节到喇叭输出声压平均为95dB的状况下，用同一台CD机播放同一张唱片上的交响乐“黄河”第一段。前者给人的感受是各种器乐声音层次清晰，节奏平稳；而后者则使人感到同一段交响乐的演奏节奏明显变得急促起来，各种器乐声音也难易分辨清楚。它表明，要使级后分频方式达到级前分频方式同样的还声质量水平，放大器的额定输出功率还需要设计得更大。实际需要相差超过5倍以上才行。曾有人误以为级后分频器是吃掉输出功率的罪魁祸首，想把它去掉，只用一个全频喇叭工作，放大器的所有输出功率便会得到全部利用。却不知道仅用一只全频带喇叭的音响系统存在最严重的互调失真问题，不使用分频器非但不会带来好处，反而会使喇叭承受更大的不利驱动压力。为避免严重的互调失真导致声音变混浊，单只全频带喇叭音响系统仅适合播放声音组成频率狭窄的音源，例如播放单音变化的警报声音表现最出色。

2．级前分频至少应采用多少段分频方式

为了尽可能减少互调失真导致重放声音变混浊，即便使用理想化的全音喇叭进行还声，也应将全声频按照相差不超过3倍频率关系进行分段播放。即需按照20Hz～60Hz、60Hz～180Hz、180Hz～540Hz、540Hz～1620Hz、1620Hz～4860Hz、4860Hz～14580Hz、14580Hz～20KHz七段声频分别用七个喇叭进行重放。由于14580Hz～20KHz在实际声音中所占比例很小，无需单独使用一个喇叭来重放。再根据不同结构的喇叭工作于各个声频的最佳表现状况，可将整个声频划分为20Hz～200Hz、200Hz～500Hz、500Hz～1500Hz、1500Hz～5000Hz、5000Hz～10000Hz、10KHz～20KHz六段声频分别用六个喇叭进行重放。当受到实际制作条件所限制时，500Hz以下低音需根据情况确定是否进行分段重放。迄今为止，即便是对音质要求很高的专业人士，也很少有条件制作超出5分频的音响系统。权衡之下，多按照20Hz～200Hz、200Hz～1500Hz、1500Hz～5000Hz、5000Hz～10000Hz、10KHz～20KHz五段声频分别用五个喇叭进行重放。由于级后分频方式已经很难把三分频的喇叭组合设计好，更别说把超过三分频的喇叭组合设计好，所以才不得不在大多数情况下采用二分频喇叭组合。然而，没有任何喇叭能把低音与中高音都还原良好，二分频喇叭组合存在十分明显的缺陷。如果把分频点设计在3KHz之上，低音喇叭在中高音的表现不佳；如果把分频点设计在3KHz之下，高音喇叭在中音区的输出声压又明显不足。若再把互调失真考虑进去，级后二分频喇叭组合必然比采用级前分频方式的三分频喇叭组合表现水平差许多。除非是因为缺少中音喇叭单元，级前分频决不要采用少于三分频的方式！否则，级前分频并不比级后分频有明显优势。与此同时，当级前分频采用起点为最少的三分频方式时，中高音分频点选择为5KHz～7KHz，中低音分频点选择为1500Hz～2KHz，在低音单元口径不大于8吋情况下，几乎所有高、中、低音喇叭都能够在给定的声频范围内正常工作，不会发生二分频系统中的喇叭组合困难。

3．需要澄清的误解

对电路设计不够精通的人，往往以级前分频难以更改分频点，不适合各种二分频喇叭组合音箱使用来指责级前电子分频存在不能通用的缺陷。事实上，若只是要达到让各种二分频喇叭组合音箱都能使用的要求，人们可以采用两阶有源低通与反相后再相加得到高通的分频电路。把两阶有源低通输入端上的两只同阻值电阻换成各串联一只5.1K固定电阻的20K双联电位器，就能使分频点在f～5f之间连续可调。由于二分频喇叭组合音箱的分频点多在2KHz以上，7KHz以下，当分频点能够在f=1600Hz、5f＝8KHz的范围内任何选定时，并不存在分频电路不通用的事情。即便要采用三阶有源滤波电路，也可以使用三联电位器来调节分频点。根据实测结果，使用三阶有源滤波电路与反相后再相加得到另一通道的电路也未发生某些频率被加大幅度的情况。而对二分频喇叭组合音箱，使用二阶有源滤波电路已经足够。即便是三分频方式，采用反相后再相加得到中音通道的加法电路，也没有可感觉出来的问题。唯一出乎意料的是，将全音频反相后与低通、高通信号相加，得到的中音带通信号幅度只有输入信号幅度的2/5，也即比低通、高通输出信号幅度要小3/5，并不是与低通、高通输出信号幅度一样大。这使得连在后面的中音单元放大器必须比高音单元放大器和低音单元放大器的电压放大倍率高1.5倍，才能在中音单元放大器输出端得到相同幅度的电压幅值。这个现象在我自87年开始研制电子分频放大器后的7年中一直没有找到中音响度比低音和高音相对要低8dB的原因，曾以为是电子分频放大器本身具有的特点。直到后来采用示波器对电路上各个环节进行检测之后，才发现问题出在经加法电路得到的中音幅度只有输入信号的2/5，必须在后级功放做相应的放大补偿，才能使高、中、低音喇叭的输出声压达到一致。没有实践经验的人，误以为制做电子分频放大器需要对每个声频进行实听测试，这其实是一个严重误解。无论是级后分频音响系统，还是级前分频音响系统，每个喇叭本身的声压频率特性曲线都与放大电路无关，并且喇叭的声压频率特性曲线不是理想化直线，上下起伏能保持在±2dB范围内已经是很良好的使用区间。所以，人们只能根据喇叭在工作频段的平均灵敏度，调整各个单元放大器的输出电压幅度与所驱动的喇叭匹配。当高、中、低各单元喇叭的平均灵敏度都相同时，高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度也要求相同。人们只要用接近10KHz、4KHz、400Hz的三个同幅度信号分别验证高、中、低各个单元放大器的输出电压幅度相同就OK。如果使用的某个单元喇叭灵敏度偏低或偏高，可以通过提高或降低相应的单元放大器电压放大倍率进行匹配。然而，由于实际使用环境会导致各个频率的声压变化高达±10dB，高音和低音相对于中音的声压误差在±3dB之内并不会产生好坏差别，因此对高、中、低各个单元喇叭的平均灵敏度要求，实际可放宽到相差±2dB之内。以中音喇叭平均灵敏度为90dB来说，高音喇叭和低音喇叭的平均灵敏度在88dB～92dB之间，都不需要再对各个单元放大器的输出电压幅度进行调整，全部以相同的幅度进行输出。真正需要作出严格检测的是分频电路的元件参数是否达到实际需要的设计要求，这个工作是电路设计人员应该完成的事情，一旦验证符合要求，使用者只要按照要求采购符合要求参数的元件进行组装即可，并不需要每个使用者再去对每个频率的衰减状况进行检测。如果元件出现大的参数错误，也会在用10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度信号分别进行检测时发现问题。

正确状况下，高音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为10KHz幅度的一半，而400Hz幅度应该不到10KHz幅度的1/10；同样，低音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：4KHz幅度约为400Hz幅度的一小半，而10KHz幅度应该不到400Hz幅度的1/10；中音放大器对10KHz、4KHz、400Hz三个同幅度输入信号的输出幅度应该表现为：10KHz幅度约为4KHz幅度的一半，400Hz幅度只有4KHz幅度的一小半。当高、中、低各段声频的上下分频点实际相差±10时，并不会对综合表现结果产生可感觉出来明显影响。

4．必须纠正的混淆概念

自90年代开始流行3D系统之时，就有商家出于自身利益，故意制造混淆视听的概念。按照他们的宣传，低音是没有方向性的声波，因此左右声道只需要合用一只低音单元，并且将它随意摆放在室内任何位置都一样。关于低音没有方向性的理论根据，是源于低音波长比人的头部直径要大得多，左右耳朵听到的低音声压强度几乎完全相同，因而分辨不出低音来自那个方向。人们如果是用耳机来听立体声播音，当左右耳朵听到的低音声压强度相同时，确实分辨不出低音来自何方向。左右耳朵听到的低音必须具有声压强度差别，才能分辨低音来自偏向左或右方一侧，并且分辨不出是来自前方还是来自后方。但用两只音箱对立体声进行播放，左右音箱发出的低音声压强度相同，也会根据存在的相位差使合成声波前进方向按照相位差确定的方向前进。人体的听觉神经虽然区分不了左右耳朵接受到的声波相位差，却可以根据人体各部分皮肤感觉到的声波压力差别分辨出低音来自空间某个方位。所以，Hi-Fi音响的低音重放决不能使用耳机，更不能把左右两个声道合用一只低音单元。

仅用一只全频带喇叭的音响系统存在最严重的互调失真问题，不使用分频器非但不会带来好处，反而会使喇叭承受更大的不利驱动压力。为避免严重的互调失真导致声音变混浊，单只全频带喇叭音响系统仅适合播放声音组成频率狭窄的音源，例如播放单音变化的警报声音表现最出色。

反过来，用Hi-Fi寻找70年代音响感觉是小菜一碟。

在老浦东的启发下，我正在寻找“红湖赤卫队”电影搬制作的VCD碟。