数据也可以迷惑你的双眼

在网络时代,慵懒的消费者们不再像以往那样,为选购一样心爱的物品走街串巷。在越来越快的购物节奏下,大多数消费者,尤其是年轻一代的消费者,并不能在购买前事先体验目标产品,而更倾向于阅读官方文宣或者评测机构的评价后进行“盲狙”。而事实证明,在舆论营销天花乱坠真假难辨的情况下,“盲狙”翻车也是非常常见的事,导致原本看起来应该很客观的宣传数据甚至比”耳朵收货“更加不靠谱。这也是许多“听感流”的耳机发烧友对数据,测试等嗤之以鼻的原因。其实归根结底,很多时候测试指标也可以动手脚,有很大的操作空间,这一定程度上造成了参数与听感不太对应的情况。真正的从业人士,往往也对于参数的详细解释讳莫如深。今天就具体讲一讲,在测试指标上到底能动什么手脚,作为消费者该如何分辨。

测试仪器与测量精度

说起测试与测量,我们必须向现代科学之父伽利略致敬。是他开创了以实验为基础的现代科学方法。而控制变量法则是现代科学研究方法中的重要基础思想,这在初中教材中大家就初步接触过。不论是开发者还是消费者,想要严谨地对比各个器材的指标,就需要在同平台同测试环境进行对比,否则参考性大打折扣。

当然,同平台测量也有准确度和可信度之分。我们比较熟悉的的生产音频分析仪的公司有Audio Precision,Prismsound,Klippel,Rohde&Schwarz等等,甚至老牌示波器厂商Agilent都有做可用于音频分析的示波器。而在专业的模拟音频分析领域中,目前已知性能最好的分析仪就是AP出品的APX555。但这个最新的旗舰标配价格都在20万以上,所以并不是所有厂商都有意愿自己购买一台作为开发验证器材。很多厂家仍然在使用老一代的旗舰AP2722,或是较便宜的dScope-III,亦或更便宜的QA401等等。甚至很多仅生产设计耳机耳塞的厂家,会拿高端声卡I/O作为音频分析仪,如ADI2-Pro,Symphony等。在不同性能的测试仪器上测得的指标数据当然不能直接比较,尤其是现在有很多优秀的前端存在,已经超出了部分分析仪的最小量程。只有APX555这样拥有绝对领先性能的分析仪,才能达到最高的准确度和可信度。如下图给出AP系列音频分析仪的残留失真比较:


为什么和民用器材不同,音频分析仪的残留噪声曲线并不是一条平滑的递减曲线呢?因为音频分析仪为了适应各种输入幅值,并且在不同幅值范围内保证相近的本底噪声和失真水平,分析仪内部一般都有多路不同放大倍数的输入电路以及切换继电器,在测试中也能听到偶现的开关声,正是这些复杂的切换电路在起作用。

除了硬件指标,测试软件版本也是很重要的。比如Audio Precision的APx500测试软件在4.1版本就只能显示小数点后3位,在以往一些测试中,出现了THD+N测试中,几乎所有优秀播放器的THD+N指标都是0.000%的尴尬情况,完全丢失了区分度:

THD+n@max

直到4.5版本以后,这个问题才得以修复。因此测试软件的版本也是需要注意的地方。

带载指标与空载指标


我们知道,由于耳机/音箱的换能器单元本身就是非线性元件,尤其是动圈式耳机,其感抗特性则更加明显,因此电路中非线性元件的存在,会使得放大器(功率级)的电气性能会根据负载的变化而发生变化。输出阻抗越大的放大器,会使得负载分到的电压越少,导致负载的频响根据其阻抗特性产生反向补偿,这在一个调音完成度很高的耳机上并不是一件好事,因为这会有悖设计者的调音初衷。只有现实中不存在的理想放大器(输出阻抗=0Ω)才能够保证完全不受负载变化的影响。所以现实中,为了设计出稳定且强大的高性能放大器,设计者们自然也是尽量把输出阻抗往低了做,这样能最大程度保证其在不同负载下的表现一致性。而除了输出阻抗会影响推力和频响这一点,功率级的电流输出能力,增益稳定性等,也是造成不同负载的性能差异的主要原因。下图是OPA1612运放的不同增益和不同负载阻抗的总谐波失真+噪声图,可以看到高频部分是有明显的差异的:我们熟知的顶级运放OPA627,OPA161x的电流输出能力就只有45mA左右,这意味着在32Ω下会因为电流输出限制导致最大负载电压只有1Vrms左右。而这几年火起来的顶级运放OPA1622,也仅有[email protected]Ω的峰值输出能力,这对于低阻耳塞虽然绰绰有余,但对于低阻低敏的全尺寸耳机而言,还是有些捉襟见肘。如今还是有许多器材在带载阻抗较低的耳机时,指标参数有明显的劣化。因此在不少HiFi设备的官方宣传数据中,常常见到拿不带载指标(开路,相当于负载一个无穷大阻抗的耳机,对电流输出没有需求)作为宣传参数的,如英国知名老牌厂家Chord,韩国厂家A&K等。我们可以看一组例子,下图是最近非常火的魅族HiFi解码耳放的300Ω和32Ω带载扫频图:

32Ohms-0dBFS-Frequency Sweep
300Ohms-0dBFS-Frequency Sweep
我们可以看到,300Ω带载下的魅族线,有着接近2Vrms的输出电平,以及非常优异的THD+N曲线(全频段<0.0003%),这也符合魅族宣传的官方指标(写得非常简单,并未标注任何测试环境)。而在32Ω带载下,魅族线的输出电平降到了1Vrms,而且THD+N曲线呈现出了非常神奇的拱形,并且维持在比较高的水平,可见其在推动低阻耳机时性能劣化有多大。因此我们强烈建议HiFi器材的设计生产者将测试条件和信息标清楚,尤其对于随身HiFi设备,更是要加入32Ω这种低阻带载测试项目,以符合绝大多数使用者的实际使用场景,消费者也要睁大眼睛仔细甄别厂商的参数指标中有没有水分。

加权指标与滤波选择

人耳对于高低频的感观在不同的声压下,会有不同的聆听表现。比如当我们聆听声压(音量)较小的音乐时,对于低频的反应就不灵敏。但对量测仪器而言,在任何声压下,标准麦对于低频响应的相对灵敏度没有太大变化,于是在小声压下,麦克风的拾音曲线与人耳听到的并不一致。为了让测量曲线更加符合人耳日常听音体验,在声压计或专业的测量仪器/软件上,都会提供大约2~3个不同音压范围的滤波曲线选择:

dB ABC Criteria

声压位准在20~55 dB SPL范围内,建议使用A加权滤波;

声压位准在55~85 dB SPL范围内,建议使用B加权滤波;

声压位准在85~140 dB SPL范围内,建议使用C加权滤波。

现在B和C加权滤波已经不常用了,仅限学术用途。而声学产品多以A加权滤波来对测量线进行修正。而我们从上图中能看到,A加权曲线对于低频的衰减是最多的,在30Hz处甚至能达到-40dB的衰减,而在1kHz处却几乎没有衰减。这就造成了A加权的SNR,DNR等指标能得到1-3dB的提升,因为低频噪声被衰减了很多,使得整个频谱内的噪声功率下降,而1kHz的基准信号却没有被衰减。我们再来看一组加权和不加权的底噪测试例子:

300Ohms-Low Gain-0dBFS-Noise Unweighted (D+U)

300Ohms-Low Gain-0dBFS-Noise A-weighted (D+U)

在截图的FFT图谱中我们能明显看到,A加权后的噪声频谱的低频部分不见了,这并非是什么电源设计的黑科技,只是依靠A加权滤波,将低频衰减了很多,同时也对高频做了一些衰减。当然这个DUT(被测设备)本身的底噪水平也是非常优秀的。在测试数据的Bandpass Lvel显示面板里,我们看到,当限制了10-40kHz的带宽以及A加权后,底噪水平甚至只有0.4μVrms左右,已经低于APX555自身的残留噪声。而在RMS Level显示面板(不加40kHz的高通滤波)中,也仅有1.4μVrms的底噪水平。上下两图进行对比,我们能看得到加权指标和滤波带宽对于最终指标的影响有多大。

小结

我们不建议消费者在购买器材“盲狙”的时候,直接对比器材设备的官方指标得出结论且立即购买。因为官方测试的仪器设备,条件与环境,以及各种设置调参,都是未知数。如果有可信且透明的第三方测试数据作为对比的资料来源当然是更加可靠的,这篇文章中所提到的三个主要的模拟音频测试中的条件和设置,也是大家需要仔细甄别的项目。望各位三思而后行,买到自己心仪的器材。下一篇将告诉大家如何读懂数字音频的参数图表。