錄音上、重播上的超高音到底有沒有意義

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本文同樣是援引自我個人臉書上回答廣播人、樂評人馬世芳的提問:「錄音上、重播上的超高音,對於聽覺生理到底有無意義」。

是接收不到,還是無法判別?

常聽到一種說法:「20KHz以上是聽不到的,所以,高音單體延伸超過20KHz是沒意義的」,或是「CD最高錄製頻率也只有22.05KHz,錄音時,高音延伸何必超過22.05KHz呢,全Cut off吧」。

上述這兩段話有不少對於人類聽覺生理機制的認知錯誤,以及對於人類聽覺心理學的不了解,甚至,對於音響重播的失真特性其來何自也認識不夠透徹。

首先,所謂20KHz以上頻率是「聽不到」的,「聽不到」應改為「無法分辨或判斷『純音」頻率音高」較為洽當。因為理論上,人耳可判斷頻率高低有無的有效頻寬為20Hz~20KHz,但,隨著年紀增長,耳膜(鼓膜)組織疲軟,內耳基底膜(Basilar Membrane)上感應各頻率音高的毛細胞(Hair cells)硬化,聽力勢必下降,對於高音、極高音的敏感度會越來越遲鈍,容忍噪音的能力卻越來越高。若聽力下降過度,耳膜容忍噪音的能力將會無限大,也就是重聽甚至失聰。

如果各位有機會到醫院檢測聽力,30歲以上成年人的可判別頻寬最高音高通常還能維持15KHz就很了不起,像我這樣細心呵護自己的聽力,檢測結果也才18KHz,索性兩耳誤差不到0.5dB,還算平衡,還能靠這對耳朵掙錢。

 

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所以,我真的聽不到18KHz以上的頻率,各位成年人真的聽不到15KHz以上的頻率嗎?再強調一次,不是「聽不到」,而是「無法判斷」「純音」的「音高」。舉例來說,當醫院的檢測儀器發出19KHz的單音,我無法明確判斷訊號有無發送,這並不代表我的耳膜沒有與19KHz產生共振,而是內耳掌管音高解碼判斷的毛細胞(Hair cells)硬化,已無法解碼來自耳膜(鼓膜)的共振頻率,自然就無法傳輸相對應的音高電訊給聽覺神經元,無法判斷「先生,您哪位」。因此,除非是耳膜因嚴重外力受損、破裂,否則,所謂「聽不到」,其實是內耳毛細胞「無法感應」,致使大腦皮質頂葉沒有來自聽覺神經元的資訊可判別。

另一種無法判別高音有多高的可能性多半發生在隨著年紀增長,耳膜雖然能與15KHz以上頻率共振,但,內耳毛細胞硬化後,授予聽覺神經元轉成電訊的「效率」卻驟降許多,致使無法提供有力資訊供聽覺神經元傳輸電訊給頂葉等大腦負責聽覺的部位作解碼。

從上述角度論,可以解釋為什麼許多上了年紀的音響迷,其音響系統的高音就我們年輕人聽來都量感過盛,過尖,過刺,因為對他們而言,傳進外耳殼、內耳道的強高音,經由其效率銳降的耳膜共振後,傳導給神經元的資訊強度會符合他們心目中的平衡想像。

延伸討論:為什麼許多畫家年紀越老,下筆越重?並非死亡陰影壟罩,往往只是因為視力衰退,導致色濃度的判斷與年輕人有所落差。

先來談談內調失真理論

剛剛我們說到人類隨著年紀漸增,可判斷頻寬會越來越窄時的定義為「純音」。若今天是一整個樂團或只是一把吉他六根弦在演奏呢?

在音響測試中,有一測試項目為「內調失真」(intermodulation distortion),其定義就是當儀器饋入兩純音訊號給音響器材或喇叭,理想上,怎麼輸入就該怎麼輸出,也就是該器材與喇叭只會輸出同樣的兩純音訊號。

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舉例來說,當我們輸入20KHz與18KHz時,理想的音響器材與喇叭應該只會輸出20KHz與18KHz。實際上呢?絕對不會這樣理想,多數音響會孳生出38KHz、2KHz,也就是20KHz與18KHz互相加減的頻率,此即為內調失真,而第一次內調調變所得之頻率稱之為二次內調。您以為只有這樣嗎?不,還有可能會再滋生三次內調,產生出58KHz(38+20)、56KHz(38+18)、40KHz(38+2)、36KHz(38-2)、20KHz(38-18)、18KHz(20-2)、16KHz(18-2)、8KHz等內調調變所得的失真頻率。四次內調、五次內調與更高刺的內調則請以此類推,互相加減。(補充,內調失真次數越高,能量(音壓、電平)會越小,與泛音能量的衰退類似。)

正是因為音響器材必然出現內調失真,因此,就算是CD物理儲存規格理論值最可只能錄到22.05KHz,CD播放機、數位流播放機本身卻會因為內調失真的關係,額外孳生出超高音的訊號。

上述內調失真特性是我判斷音響音色純否,悅耳否,透明否的重要指標, 因為內調調變所得的頻率,其實可以視為一把吉他,一把小提琴兩根弦同時演奏,在空氣中融合交會共鳴而出的頻率變化。當然,現實生活多數樂器不會只能同時發出兩個單音,一個樂團裡頭也不可能只有一把樂器,一首歌曲也不會只有兩根弦彈到底,因此,當我們在聆聽音樂時,內調失真越低,越能讓我們聽到乾淨無瑕的音質、音色與音場。

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內調所得的超高音可載舟,可以覆舟

各位音響迷可能會質疑「多生出這些頻率,不就失真了嗎」,確實,這些由內調調變而來的超高音都是失真,但,只要好好利用,反而能為音樂帶來更多有益的詮釋。舉例來說,如果音響設計師能將渠等可辨頻寬外的調變超高音控制在符合泛音序列結構、三度音與五度音等和諧結構上,渠等調變失真就會讓音樂聽來更鮮活,更愉悅,反之則反。換言之,適當的內調,配合純音本身的泛音特性, 會讓再乾扁的錄音獲得飽滿、溫潤的音質音色;相反地,過多的內調則會導致我們去判斷基音、純音的音色甚至音高,這就像空間殘響過長時那樣。

(題外話:如果各位有興趣研究所有和諧的和弦,就會發現組成和弦的單音與其泛音正好會與內調所得的頻率重疊而無突兀不和諧的頻率產生,反之則反。上述若要舉例就得說到樂理去,說到樂理大家就會想睡覺,所以,有興趣請自己研究。)

內調失真而產生的超高音有辦法避免嗎?有的,作法分成兩大類,一種是頻寬寬達200KHz時失真都趨近於無,dCS、Soulution、Mola Mola、Audionet等品牌有幾款型號都是我曾測試過頻寬延伸超高,還能保持超低失真的佳作。另一種作法就是開數位濾波器,言下之意-「既然我的設計實力無法駕馭內調失真,乾脆放大絕,20KHz以上我不要了」。兩者作法孰優孰劣?端看各位聽者追求蛇ㄇㄜ

我自己買的器材多半屬於前者,但因預算有限,只能買內調失真相對更低的CD唱盤、前後級。個人並不建議使用

總之,頻寬外的內調失真好好利用是對「後天詮釋」音樂有益的,如果想要更接近錄音美學,重播並非詮釋,而是盡可能百分之百再現,那麼內調失真低的器材就適合像我這樣的聽者。

人耳鼓膜也有內調特性

音響、樂器都有內調特性,人耳呢?我們的耳膜(鼓膜)就和喇叭單體一樣也有內調特性-從聽覺生理來看,20KHz以上頻率雖能與鼓膜(耳膜)產生共振,但,內耳基底膜前負責感應高頻擺幅的卵圓窗毛細胞並無法直接與20KHz以上頻率共振產生位移,當然也就無法利用毛細胞位移產生電訊給聽神經。但在內調機制下,內調將發生於鼓膜,進而影響可辨音域內的判斷。

從器材本身調變孳生的超高音到人耳鼓膜接受超高音共振後與可辨頻率調變的聲音,上述兩點就是為何CD本身最高只錄到22.05KHz,喇叭卻有超高音的需求,人耳卻會受超高音影響的理論基礎。

如果是播放時下流行,動輒將頻寬拉到20KHz以上的高解析、高取樣數位流音樂檔案呢?各位應該不難想像這些超高頻訊號如何藉由內調失真特性影響可辨頻寬內的音質音色吧。

相信不少音響迷都有:怪了,這對CD唱盤、前後級、喇叭,不知道怎麼搞得,就是讓人聽得很心煩氣躁,但,聽起來分明就很乾淨清楚啊。問題往往就是出在可辨頻寬外的超高音作祟。

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到底有沒有需要保留可辨頻寬外的超高音?

簡單說明可辨頻寬外超高音怎麼影響我們的聽覺心理與音樂重播的失真結構後。接下來,請大家思考音響是否需要超高音?錄音是否需要錄到那麼高的頻寬?這兩個問題其實沒有一定答案,對我來說,如果我家音響要加裝超高音,前提就得確保我買的CD、前後級在可辨頻寬外的失真也要夠低。要多低?在本刊高傳真視聽的標準,是200KHz內的失真都低不可聞,如此一來,裝超高音才有意義,才不會反而讓我聽到許多「無法判斷,卻能感受很吵很煩的失真超高音」。

按照實務經驗,只要器材可辨頻寬外的失真夠低,喇叭單體也真得能重播那個高的頻率,通常,加上超高音,聽覺上會覺得音樂整體臨場感、鮮活感、空氣感更妙不可言。不相信,如果您家CD唱機剛好有濾波器,請開開看Sharp Filter,將20KHz以上頻寬急滾降地權砍光光,聽聽看整體音色是不是暗了,音場是不是悶了,低音是不是消沉了,中音是不是內縮了?

反過來思考,如果各位的喇叭、耳機、擴大機、訊源尤其是電腦訊源的可辨頻寬外失真很高,又真的很想播放44.1KHz以上的音樂檔案,請一定要開啟濾波器(如果有的話),將20KHz以上頻率刪除,或者使用頻寬延伸較窄的軟膜高音,自然滾降頻率,窄化頻寬。您說這樣幹嘛還播放44.1KHz以上的高取樣音樂檔案?之前我在另一篇主編專欄「192KHz/24bit以上規格之數位流播放器對於音樂欣賞到底有無正面意義」中就提過,高取樣率與升頻沒搞好,壞處一堆,但不管有沒有搞好,高取樣率一定能讓音樂的動態幅度、階調感與細膩度、連續性提升,讓人聲演唱,器樂演奏的音樂表情更豐富生動,這是播放高音質檔案肯定會勝過44.1KHz/16Bit的最大優勢。

結論與延伸討論

1. 不可辨音高的超高音會因為器材與人耳的內調特性而影響可判別頻寬內的音質音色。

2. 喇叭加入超高音是有意義的,會讓整體音場變得充滿臨場感、空氣感,樂器質地顯得活生濕潤。可是,請注意超高音的「相位」以及超高音所導致整套喇叭與後級的負載變化。

3. 能否聽到有益的超高音,端賴錄音、器材、喇叭以及你的聽力都夠優異才有意義。網路上所有測試超高音的網站,其實都是在測試您的電腦訊源與喇叭是否有能力重播如是高音、超高音,並非測試你的耳力。

4. 因為CD機電路本身難以避免內調失真,內調失真必然會根據音樂訊號額外生出20KHz以上的訊號。此時,CD機、數位流播放機的設計師通常有幾個設計方法-

a. 不開濾波器,同時,想方設法作到20KHz以上,內調失真都趨近於零。能做到這樣的廠家,在我儀器測試經驗,頂多只有10家真的辦到。
b.不開濾波器,不追求低失真,反而利用失真特性的排列組合,使其符合泛音序列或三度音、五度音等和諧結構,創造出品牌音色。這類CD的重播,在我的定義是為詮釋型,而非再現型。
c. 開濾波器,將20KHz以上都滾降刪除,滾降方法分成多類,常見緩滾降、急滾降數位濾波。市面上多數CD唱機都屬此類。

5. 如果說器材分成錄製端與播放端,那麼在錄製端,尤其是Mastering的器材,根據我所作過的Audio Precision測試經驗,多數Mastering器材的內調失真都相對於Tracking用、Mixing用器材大,也比家用音響還大,原因不難想像:為了讓Room Size/Color等統一化的同時,還要創造出不同時空下錄製之分軌有同一時空的共鳴感,此時,適當的內調失真就能讓Mastering創造出無中生有的共鳴。

重點在於內調失真如何控制的「適當」?我分析過幾家經典廠家的錄音設備器材後發現,這些Master級作品的Mastering器材不約而同地都會將內調失真控制於泛音序列結構上,或三度音、五度音結構上,而不會出現其他不和諧的失真分布。至於要如何控制?這就是電路設計的領域,要另啟文章。

若就家用音響的播放端論,為什麼我常說錄音室內只有Mastering器材、喇叭能拿到家用使用,因為Mastering器材往往可以賦予聽覺更多的泛音序列,更豐富的空間堂音,更漂亮的共鳴。這些「更」怎麼來的,主要來源就是內調失真所得。

最後必須強調,「失真」不是罪過,國內這些賣音響的代理商每次聽到我說失真就緊張個跟什麼一樣。事實上,我一向最欣賞能善用失真創造品牌獨特音響美學的廠家,這些廠家的設計師樂理通常一定都很好,或至少聽很多音樂,否則不會那麼剛好都將失真結構排成泛音序列、三度音、五度音序列。

About Tzara Lin

查拉(Tzara),重度影癡,超自由影評人、半調子偽樂評、高傳真視聽雜誌前主編、假文藝青年俱樂部主唱,業餘PA音控、舞監...興趣多元,身分多重。現於翻面映畫任職,餬口飯吃。

One comment

  1. Hamster

    您好:
    有一個問題我放在心中很久,那就是音響線材所謂的鍍層(金銀銠),在聽感上的確有很大不同,但我的疑問是,這些不同可以藉由適當的儀器分析出來嗎?例如可以看到同一線材由鍍金頭接鍍銀頭某個高頻段凸起,改接鍍銠頭頻段中凹兩端凸之類的,因為從來沒有看過儀測結果,抱歉不知在何處發問適合,故在此發問,謝謝

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