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胆声奇异现象探源



 在音响爱好者中,胆机始终是一个有争议的话题。作为胆机的核心─真空电子管(即胆管),由于体积大,能耗多,不耐机械振动,致使胆机存在明显的缺点。然而胆机放声耐听,有味道,音底干净,也是公认的事实。故而许多爱好者执着于胆机,乐此不疲。
    是否石机声很差不中听呢?这绝不是事实。石机音色素有冷艳之说。好的石机,音色是非常诱人的。但是能让人听进去,忘乎所以的石机却鲜见其踪。听石机,时间一长,便觉其声虽然很美,细节也不错,可是总感到离我们有点远,难以零距离接触。一般认为胆声甜美胜过石声,其实这有失客观公正。胆声实际倒更朴素平淡一些,然而离我们却是更近。所谓听胆声有味道,主要是指胆声富于情感色彩,传神,而这其实是作品的艺术魅力,胆声不过是毫无染地将其带给听者而已。
    胆声倒是有一个明显的自身特点:音底特别干净,且音色纯正。并且随着机子工作时间的延长,逾加炉火纯青,音色洁净醇厚,胆机的这种韵味与石机冷艳之声全然不是一路。为求胆韵,许多石机也纷纷改进电路加以模仿,声称具有胆味。特别是场效应管石机,据说声底已与胆机相差无几。笔者曾有意识地欣赏了一些优秀的场效应管石机。可说音色极美,很是不错。不过要说具有胆味,似乎谈不上。根本就是两种不同的声音风格。
    胆机,石机音质不同应该不是外部电路变化能改变的。你能通过改进喂养方式让鸭肉具有鸡味吗?音质差异只是胆与晶体管的外部现象。音质取向不同的根本原因在于两者的内部构造与工作机理的差异。
电子管的线性好,可使用较浅的负反馈
    真空电子管是利用电场控制真空中的电子流原理而工作的。电子在真空中的运行规律决定了电子管的输出特性。若用数学形式描述。则电子管的输出是输入1/1/2次幂函数,而全无失真的输出应是输入的正比例函数,即线性函数。正比例函数就是1次幂函数。显然胆管不是线性放大器件,输出中含有失真。不过1/1/2次幂函数基本上与1次幂函数相差不多,胆管输出中的失真本身不是太大。
    双极型晶体管输出是输入的指数函数。输出变化量远远大于正比例函数,也远大于1/1/2幂函数,所以输出中失真份量很大,失真程度比胆管厉害得多。而且随着输入幅度的增大,失真随之增长极快。一些石机,小音量时音质尚有模有样,音量一大音质立即劣化,就是晶体管失真迅速增长而又未能很好地在电路上加以抑制的结果。
    场效应管输出是输入的2次幂函数。失真度低于晶体管,比胆管大一些。应该说场效应管是比较接近胆管的器件。不过,场效应管的失真成分中只含有偶次谐波,而胆管失真成份中既有偶次谐波也有奇次谐波。所以场效应管的音质与胆管音质还是有明显的不同,就是蒙住眼盲听,也很难把场效应管石机听成胆机。当然场效应管石机也自有独到之处。
    胆机发声“耐听”,“传神”.....,这正是胆管输出失真较小,对输入信号保真度较高的缘故。从而造就胆声更接近于我们,更接近于真实。
    实际上,放大器中主要是采用负反馈的方式来降低失真。对晶体管电路来说尤其必要。负反馈能显著地降低失真度。但实际的听感中发现,负反馈越深,失真度越小,可声音鲜活度也越少。看来目前流行的在1000Hz频率上测量失真度来判别功放保真能力的方法,显然不能全面反映功放的保真状况。这并不奇怪,实践的发展往往要修正认识的偏差,推动认识的进步,这种上世纪测量失真的原则与方法,理当与时俱进加以改进。胆管因本身失真小,电路中负反馈量无须很大,甚至不用都是可以的。这造就了胆管放大具有较高的真实度,虽然失真度指标也许还高于晶体管机。胆声让我们感到耐听,其实是源于电子管自

身的高传真特点。
 “空间电荷效应”是胆机声底干净的主要原因
    怎样理解胆机的音底干净,音色纯正呢?音底干净可以认为是噪声低的缘故,音色纯正除了噪声低外,还应含有失真小的意思。晶体管(含场效应管)工作原理基于半导体内部的电子(空穴)迁移。电子(空穴)在固体的晶格之间实现迁移时,任何结构上的缺陷,比如分子错位,杂质存在,都将导致电子(空穴)的无规则运动,从而形成噪声。这就是所谓的闪变噪声。研究表明,半导体晶体中的杂质是导致闪变噪声的主要原因。而胆管中,电子运行的外部环境就要好得多。真空中的电子运动基本上不受限制,除了受输入信号控制,基本上不发生无规则运动。当然不存在闪变噪声。虽然,绝对的真空,技术上还是达不到的,电子在运动中还有可能与管内的残余气体分子碰撞而产生噪声,不过这种碰撞的几率很小。打个比方说,残余气体分子的密度只相当于一个房间中几只飞行的蚊子。有心与蚊子相碰,怕都很难。所以胆管的噪声一般较低,制作放大电路可获得较高的信号噪声比。听起来就显得音底特别干净。由于人耳的特性,对于远低于信号的噪声,根本是感受不到的。这就是人耳的“掩蔽效应”。通常,使用胆机,扬声器中的沙沙噪声是听不到的。而石机,在扬声器中听不到沙沙噪声者却很少有。
    然而进一步考查发现,胆中运行的电子并非天生,它们是从阴极表面放射出来的。而阴极材料却还是固体,并且仍旧是半导体材料。电子仍然首先必须从固体材料向外迁移。因此胆管不可避免地存在电子在固体中迁移所具有的噪声。如此看来胆噪声应不低于晶体管,起码与晶体管应为同一数量级。实际胆管阳极噪声测量也说明,胆管的确与晶体管(合格品)噪声水平相当。那么为什么胆机中就是听不到沙沙的噪声呢?而石机,甚至是噪声更低的场效应管机也总是能听到噪声呢?
    其实,这是因为胆管中的空间电荷效应的结果。
    胆管中的阴极工作时处于1000℃上下的红热状态,因而阴极材料中的电子具备较高的能量(能级),会挣脱阴极材料原子的束缚而冲出到体外的空间(真空)。故阴极材料的原子由于失去电子而带正电荷,在阴极表面与空间电子之间形成一电场,该电场将空间电子拉向阴极。因此冲出阴极的电子也不能跑太远,从而在阴极表面附近形成一电子云层,称之为电子云。胆管工作时,阴极电流实际是从电子云发出,并非直接由阴极放出。所以电子云是胆管工作电流的真正发源地,相当于实际的阴极,故也称作“虚阴极”。这种形态就是胆管所特有“空间电荷效应”。由于电子云处于阴极表面(电场)拉力与能级外冲力的平衡状态之中,发生噪动与不规则运动情况的可能性基本不存在,所以不产生噪声。从而间接地屏蔽了电子在阴极材料中迁移所形成的噪声。虽然胆管阳极噪声可能不低于晶体管,但是由于“虚阴极”的存在,胆管工作时的噪声却远远小于胆管晶体管,而且也低于场应管。这是胆机工作时音低特别干净的真实原因。
  任何胆管,因为存在了空间电荷效应,噪声都比较低。所以各个胆机,扬声器中的沙沙声都是听不到的。而这沙沙声正是主要由放大器件产生的噪声,称白噪声。
    空间电荷效应是胆管工作时特有的一种形态,在晶体管内绝不会存在。近年来,尽管由于制造技术水平的提高,晶体管器件的噪声水平已可能低于胆管。然而在实际运行时,胆管却显出更低的噪声效果,更佳的动态信噪比。胆机的音底干净就是印证。
    胆机还有一个现象;音质随开机时间的增加越来越好:逐渐达到最佳。这又是什么原因呢?
    这个现象可以理解为:随着工作时间延长,胆管噪声显著降低,特性趋于规范的缘故。
    胆管工作高热状态,其内部温度在1000℃以上。在此高温下,电极材料也会析出气体。所以胆管内均装有吸气剂,通常在管顶或管壁上一层黑亮的物质就是吸气剂。吸气剂是温度越高,化学性质越活泼,吸气作用越佳。所以随着胆机开机时间的延长,胆管内温度上升而趋于稳定,使吸气剂能允分发挥作用。从而使管内气体分子数充分减少,真空度提升。使胆内电子与气体分子的碰撞的噪声消除,胆的特性就接近理想状态。这样造成了音底越发干净,音色更趋于纯正的现象。
    另外,胆管由于外部环境中的热传导作用,管内温度是逐渐升高而趋于稳定的。而空间电荷的形成与温度密切相关。只有达到相当温度并稳定时,空间电荷才能稳定。而稳定的空间电荷存在则是低噪的原因。

 在胆管各种工作机理中,“空间电荷效应”是胆机奇异现象的主要原因,也是胆最可贵而又独特的性质。胆管中因空间电荷效应而形成“虚阴极”,的特点。目前其它固体器件尚无法具备。在音频宽带功放中,胆管的这个优点十分突出。当前先进的数码音源DVD-Audio或SACD,要求与之配接的功放带宽达80KHz以上。而放大器件的噪声与带宽成正比,所以低噪声的器件更显重要。无疑,具有低噪特性的胆,在新一代功放中会再放光采。 



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