#Peak VS RMS
本文解釋了為什么說(shuō)現(xiàn)如今對(duì)于“峰值性能”的追求是對(duì)音頻設(shè)備其性能衡量標(biāo)準(zhǔn)的一種倒退。
『人耳對(duì)高峰值因數(shù)波形削波不是很敏感』
在過(guò)去的幾十年里，閱讀音頻技術(shù)的進(jìn)步是我人生的一種享受。雖然一些現(xiàn)代技術(shù)的先進(jìn)性是驚人的，但不要忘記很重要的一點(diǎn)，即這些技術(shù)的本質(zhì)是服務(wù)于為工作。
音頻表頭已經(jīng)發(fā)明了將近一個(gè)世紀(jì)，表頭捕捉的主要有兩種波形——Peak和RMS。通常來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)Peak用來(lái)評(píng)估保真度，RMS用來(lái)評(píng)估產(chǎn)能的效力。響度是人類(lèi)主觀感知的一個(gè)復(fù)雜特征，與RMS信號(hào)電平有關(guān)。其實(shí)（希望）每一代人都能有所發(fā)現(xiàn)，并且盡早意識(shí)到，人類(lèi)對(duì)高峰值因數(shù)波形的削波，比如語(yǔ)言、和音樂(lè)中所出現(xiàn)的輕微或中度的削波，都不是很敏感。
舉例☟
仔細(xì)看一下圖1中所示的波形。這條音軌中所包含的峰值能夠達(dá)到滿(mǎn)刻度，并且峰值與RMS之比（峰值因數(shù)）為20dB。人們可能會(huì)認(rèn)為，這些峰值內(nèi)容的重現(xiàn)對(duì)于高度還原聲音（高保真）來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。圖2顯示了同樣的波形，但峰值是被削波處理（不是限制器）了6dB的，峰值因數(shù)降低到14dB。
▲圖1：一段原始的（未經(jīng)壓縮的）音樂(lè)，峰值因數(shù)為20dB
▲圖2：一段經(jīng)過(guò)削波的音樂(lè)，峰值因數(shù)為14dB
你可以試聽(tīng)一下這兩段素材，第一段是原始波形。
你很難找到一個(gè)人能夠在盲聽(tīng)測(cè)試中準(zhǔn)確區(qū)分出這兩種波形的聽(tīng)感差異。為什么呢？下個(gè)部分讓我們來(lái)了解關(guān)于峰值的一些事實(shí)。
『短時(shí)的峰值對(duì)于一段聲音的重現(xiàn)不是那么重要』
◉波形的峰值只有很少的能量?jī)?nèi)容，由于持續(xù)時(shí)間很短，產(chǎn)生的能量很小，因此“峰值功率”概念是矛盾的。
◉人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)在聲音感知方面有一個(gè)時(shí)間常數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)，我們將隨著時(shí)間的推移將響度感知進(jìn)行整合。一個(gè)300ms的片段聽(tīng)起來(lái)會(huì)比一個(gè)30ms的片段更響，即使這兩個(gè)片段有著相同的振幅（圖3）。一個(gè)具有相同振幅的Dirac脈沖，幾乎是聽(tīng)不到的。峰值對(duì)響度感知的貢獻(xiàn)非常小。
◉峰值節(jié)目表（PPM）和音量指示表（VU表）幾乎是同時(shí)被發(fā)明出來(lái)的。由于PPM表的積分時(shí)間為6-8ms，該設(shè)計(jì)本身即忽略了非常短的持續(xù)時(shí)間，使它比起“實(shí)際的”削波表更像是“可聽(tīng)聞”的削波表。
◉峰值難以察覺(jué)，難以呈現(xiàn)，難以測(cè)量。近些年，我們才有儀器能準(zhǔn)確的量化信號(hào)的峰值。上面的波形編輯器就是一個(gè)很好的例子。
◉有些發(fā)燒友都很偏愛(ài)真空管放大器帶來(lái)的聲音特性。這些放大器天生就有較差的峰值再現(xiàn)能力，它們對(duì)“峰值四舍五入”的操作甚至被描述為增添了“溫暖感”。
▲圖3：一個(gè)Dirac脈沖，30ms正弦激勵(lì)，和300ms正弦激勵(lì)。這三種信號(hào)都有著完全相同的振幅（峰值電平），但RMS電平卻不同。
結(jié)論來(lái)了...☟
峰值電平是可有可無(wú)的嗎？不管你喜不喜歡，短時(shí)的峰值對(duì)于一段聲音的重現(xiàn)并不是那么重要。從直覺(jué)上看，它似乎很重要，但事實(shí)上峰值并不重要。50年前人們對(duì)這一點(diǎn)的理解比現(xiàn)在更好，我的依據(jù)是什么呢?
—一些模擬調(diào)音臺(tái)制造商提倡的輸出電平應(yīng)超過(guò)30dBu，原因是能為+4dBu的RMS電平提供更多的“峰值空間”。
—一些功放制造商正逐步恢復(fù)使用的“峰值功率”參數(shù)，恰恰是上世紀(jì)末聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(Federal Trade Commission)所禁止的，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這是一個(gè)欺騙性的商業(yè)行為。
—目前有一種正在醞釀中的噪聲波形的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)聲稱(chēng)“對(duì)于揚(yáng)聲器系統(tǒng)的線(xiàn)性峰值SPL的測(cè)量，它能夠比現(xiàn)存的任何測(cè)量方法都更精準(zhǔn)”
這種做法確實(shí)能生成更大的功率數(shù)值，但對(duì)單純的消費(fèi)者而言其實(shí)是一種營(yíng)銷(xiāo)策略。更多就是更好嗎？不一定。基于峰值功率的系統(tǒng)，為了重現(xiàn)圖1的波形，將選擇一個(gè)足夠大的功放，其功率要比重現(xiàn)圖2的波形要高出四倍。然后我們已經(jīng)建立了一個(gè)概念，這兩種波形聽(tīng)感上并沒(méi)有可察覺(jué)的差異！
『對(duì)于“峰值性能”的追求是對(duì)音頻設(shè)備
其性能衡量標(biāo)準(zhǔn)的一種倒退』
►揚(yáng)聲器額定功率
揚(yáng)聲器的額定功率是一個(gè)熱極限，基于熱學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，比如功率壓縮。它是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的RMS特性，會(huì)在揚(yáng)聲器中產(chǎn)生熱。為了找到揚(yáng)聲器的熱極限，通常是使用一個(gè)2:1峰值因數(shù)（6dB）的削波波形，并形成與音樂(lè)節(jié)目一致的頻譜，來(lái)驅(qū)動(dòng)起揚(yáng)聲器單元。這就允許一個(gè)更高RMS電壓由功放產(chǎn)生。在波形中增加短時(shí)峰值不利于確定揚(yáng)聲器的額定功率，因?yàn)樵趽P(yáng)聲器到達(dá)熱極限之前，這將使得功放長(zhǎng)期處在削波狀態(tài)。即使一臺(tái)功放的額定功率為5kW（如果有這種功放的話(huà)），如果峰值余量為17dB（如圖4），也只能輸出40Vrms的電壓。
▲圖4：CAFViewer低阻計(jì)算器中設(shè)定一臺(tái)5kW（僅為理論！）的功放，RMS電壓不足以為許多揚(yáng)聲器產(chǎn)生功率壓縮。功放會(huì)有意的對(duì)測(cè)試波形削波處理，從而得到更高的RMS電壓。
►功放的額定功率
功放的額定功率也沒(méi)有什么不同。功率是一個(gè)“比率”，因此需要時(shí)間來(lái)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)功率的定義，1瓦等于1秒內(nèi)做功1焦耳的能量，任何少于1秒的時(shí)長(zhǎng)都不足以評(píng)估能量。你不能從一副快照中判斷一輛汽車(chē)的速度。出于同樣的原因，你無(wú)法從峰值確定功放的功率。打造出各種音頻功率標(biāo)準(zhǔn)的人們應(yīng)該能很好地理解這一點(diǎn)。我編譯了一個(gè)表格（圖5）。請(qǐng)注意，任何功率放大器功率測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)，其最小周期都是一分鐘，有些標(biāo)準(zhǔn)更長(zhǎng)。“峰值功率”和“驟發(fā)功率”都是矛盾的，因?yàn)檫@些波形由于其高的峰值因數(shù)，而不會(huì)產(chǎn)生太多的功率。CEA-490中規(guī)定了一項(xiàng)能夠顯示功率放大器短時(shí)性能的參數(shù)，表示功率放大器連續(xù)輸出（1分鐘）正弦波所產(chǎn)生的額定功率之上的“動(dòng)態(tài)余量”。但這一參數(shù)如若脫離正弦波1分鐘測(cè)量參數(shù)而單獨(dú)討論，則是沒(méi)有意義的。
▲圖5：音頻功率放大器的功率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
結(jié)論
我們已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，可以很容易的確定功率放大器Peak和RMS的性能，但請(qǐng)不要忘記前人所做的工作。現(xiàn)代人對(duì)“峰值性能”的癡迷，意味著無(wú)論對(duì)于音頻設(shè)備的衡量標(biāo)準(zhǔn)而言，還是對(duì)產(chǎn)品性能的指標(biāo)而言，都將是一種發(fā)展的倒退。音頻產(chǎn)品的長(zhǎng)期和短期性能都有其相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)，我們只需要使用它們即可。
“那些不記得過(guò)去的人，注定要重蹈覆轍。”
——George Santayana
2021-10-13 
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