音响与音乐 无关玄学 之 变压器总谐波失真
左增军 / 2024-02-29
接上期 本期接着聊音频变压器，这里主要谈一下变压器的总谐波失真（THD Total Harmonic Distortion）：我们都知道，总谐波失真包含奇次（1，3，5等）和偶次（2，4，6等）谐波失真，频率越高能量越小甚至可以忽略，所以主要有影响的还是低频次谐波失真。我们都知道偶次谐波会对声音的重现有好处（比如单端功放偶次谐波占主要）。那么输出变压器也有谐波失真吗？回答是肯定的。输出变压器的失真指标很少有关注，但实际测试会发现，市场上的变压器相差很多，良莠不齐，包括各种进口牛。我先来谈一下变压器的失真是怎么来的：
输出变压器总谐波失真，主要来自铁芯中工作磁通密度（在最低工作频率下）的函数。这个原因引起的失真随着频率的增加而迅速下降，合理降低磁通密度可减少失真，这是铁芯材料的特性所决定（相比之下，铁芯的初始导磁率越高，非线性失真越大，比如坡莫合金、非晶铁等）。从磁滞（hysteresis）回线可以看到，低电平下失真很高，当出现磁饱和现象时，高电平下失真更高。低频的影响总是最大，主要导致三次谐波失真。当变压器上施加更响亮的信号时，铁芯会饱和并发生削波，或波形被压缩。这种失真产生的低频谐波比高频谐波多，并不像晶体管IC功放那样的硬削波出现难听的高频谐波，但动态范围受到压缩，听起来平平的，缺少现场感那种活灵活现的纵深感。
我们知道，变压器处于最佳负载阻抗的时候，失真是最小的。然而，变压器的电感量、分布电容、漏感等参数，会导致偏离设计阻抗，出现复杂的波形失真。关于如何设计变压器绕制工艺，以获得尽可能小的失真，先看一下单端变压器，我这里贴几张图片~懂得人大概知道如何操作，不懂得，可能需要一定专业的“科普”。
再来看一下推挽变压器的情况：
我们可以看到，无论单端或是推挽变压器（包括推动变压器乃至输入变压器等），通过合理的设计变压器的B、D值，可以获得最小的失真指标。变压器的失真指标是需要配合在路测试，而非独立测试，从阻抗匹配到信号摆幅或者动态范围等，所以这个失真指标只有应用到电路上才有意义，变压器不会单独提及。有人会说，胆机听得就是失真，尤其是偶次谐波失真，没必要追求什么最小失真，且3-5%的失真没几个人能听得出来。我觉得这话有道理也不全对，凡是失真都会带有“自我”的标签。输出变压器作为一个音响元件，我认为最好低失真，以便匹配更多的胆机整体设计风格。音响是个很人性化的东西，每个人的喜好不同，不能强加自己的意识给其他发烧友。这仅仅是自己的一点观点，看官您不喜欢就请跳过看下面的。
电子管放大器现代常称为胆机，这也是音频放大的鼻祖。从1904年约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了第一个真空管二极管，到1906 年，Lee de Forest 发明了 Audion，后来称为三极管，直到1920年，RCA开始第一个商业电子管制造。从二极管到三极管、四极乃至多极管的开发，从最初的单管放大，到多级放大，大多都有变压器的影子。电子管放大的特点是内阻高，转换为声音的喇叭特点是阻抗低，虽然也有高阻抗的扬声器。最初的放大器并没有在乎失真大小，能响就不错。上世纪20年代以后出现了负反馈放大器，当初主要为了放大器稳定性，后来发现能获得良好的失真指标（这个失真来自放大电路和变压器总失真）。
无论放大电路还是变压器产生的失真，那都叫失真。最终在输出端测试出来的总失真，可能很多情况下来自输出牛的因素（尤其是动态的音乐信号）。音频信号经过放大电路和变压器传输，原始波形会保留，但可能不会绝对保持原样。所谓高保真Hi-Fi，追求尽可能的“原汁原味”。早期经典胆机电路比如麦景图（McIntosh）、QUAD II、威廉逊（williamson）、LEAK，包括西电（Western Electric）等，多采用深度负反馈结构，其中一个主要原因就是为了减少失真。我维修过无数这些品牌的所谓“名牛”，客观上讲，按照当时的制作工艺，应该是很不错甚至了不起的结构设计，但由于种种原因，其在路以后失真指标比较大，采用深度负反馈比如McIntosh 275等，的确能获得很好的测试指标，这些经典名机之所以成为经典，首先负反馈可以让放大器工作稳定可靠，另外引以自豪的还有失真指标很低。负反馈，就好像先天不足的个人做美容，无论看上去的气质或是形体，可能都能“设计”的很好。可是，成也萧何败也萧何，较深的负反馈，就像“紧箍咒”，限制了信号的自由，也压缩了信号的动态范围，这又偏离了高保真Hi-Fi的宗旨。
未完待续
