信噪比与噪声的详细解析

饿虎扑食

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    信噪比与噪声的详细解析

点击数：772009-3-5 15:11:06

    信噪比是音响界公认的衡量音响器材质量水准的一个重要指标，几乎所有的电声器材都会标注这个指标，没有这个指标的器材，要么是一些特制的专用器材设备，要么就是不正规的产品。信噪比、失真率、频率响应这三个指标是音响器材的“基础指标”或“基本特性”，我们在评价一件音响器材或者一个系统水准之前，必须先要考核这三项指标，这三项指标中的任何一项不合格，都说明该器材或者系统存在着比较重大的缺陷。信噪比作为设备、系统的基础指标之一，必须得到应有的高度重视。　　
    信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。同样是“原信号不存在”还有一种东西叫“失真”，失真和噪声实际上有一定关系，二者的不同是失真是有规律的，而噪声则是无规律的，这个以后再讲。
　 信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10LOG(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20LOG(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。　　
    信噪比的测量及计算：　　
     通过计算公式我们发现，信噪比不是一个固定的数值，它应该随着输入信号的变化而变化，如果噪声固定的话，显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然，这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的，要想让它成为一种衡量标准，就必须使它成为一个定值。于是，作为器材设备的一个参数，信噪比被定义为了“在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率”，这样，所有设备的信噪比指标的测量方式就被统一起来，大家可以在同一种测量条件下进行比较了。信噪比通常不是直接进行测量的，而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的，通常的方法是：给放大器一个标准信号，通常是0.775Vrms或[email=2Vp-p@1kHz]2Vp-p@1kHz[/email],调整放大器的放大倍数使其达到最大不失真输出功率或幅度（失真的范围由厂家决定,通常是10％，也有1％），记下此时放大器的输出幅Vs，然后撤除输入信号，测量此时出现在输出端的噪声电压，记为Vn，再根据10LOG(Vn/Vs)就可以计算出信噪比了。　　
     这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是，实践中发现，这种测量方式很多时候会出现误差，某些信噪比测量指标高的放大器，实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现，这不是测量方法本身的错误，而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的，同样多的噪声，如果都是集中在几百到几千Hz，和集中在20KHz以上是完全不同的效果，后者我们可能根本就察觉不到。因此就引入了一个“权”的概念。这是一个统计学上的概念，它的核心思想是，在进行统计的时候，应该将有效的、有用的数据进行保留，而无效和无用的数据应该尽量排除，使得统计结果接近最准确，每个统计数据都由一个“权”，“权”越高越有用，“权”越低就越无用，毫无用处的数据的“权”为0。于是，经过一系列测试和研究，科学家们找到了一条“通用等响度曲线”，这个曲线代表的是人耳对于不同频率的声音的灵敏度的差异，将这个曲线引入信噪比计算方法后，先兆比指标就和人耳感受的结果更为接近了。噪声中对人耳影响最大的频段“权”最高，而人耳根本听不到的频段的“权”为0。这种计算方式被称为“A计权”，已经称为音响行业中普遍采用的计算方式。　　
   噪声的种类、来源及电磁兼容
　 在一个音响系统中，由于信号是串联的，因此一件设备的噪声会进入下面的设备中被放大，所以系统最后的噪声是系统中所有设备噪声的累加。但是，当我们了解了系统中每一件器材的信噪比指标后，是否就可以确定整个系统的信噪比指标了呢？不，远远不能。这就要从噪声的来源和种类说起了。　　
    我们把噪声的来源分为内部和外部两种，由于实验室的测试条件通常都十分优越，所以在这种条件下测试的信噪比指标实际是设备内部噪声的反应，内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素，由设备自身产生的，而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境（自然环境）所造成的，外部噪声是不可能反映在信噪比指标中的。这一点通常会被很多人所忽略，经常听到有人说：这唱机的信噪比指标不是挺高的吗？怎么听起来噪音这么大，骗人的吧……。这就是没有搞清楚信噪比指标含义所造成的误解。　　
    外部噪声通常被称为“干扰”，这种干扰可能是电磁干扰，也可能是机械振动干扰，也可能来自温度变化的干扰……总之，都不是器材自身产生的。于是此时另一个不太起眼的指标凸现出了它的意义－电池兼容性。
　电磁兼容性有两个层次的含义，一是设备在运行时不会对其它设备产生干扰，二是耐受干扰的能力强，在一定的外界干扰下仍能正常工作。第一层意思容易理解，而第二层意思对于音响设备来说，还有更进一步的含义，那就是如何定义“正常工作状态”。这个正常工作不应该仅仅是“出声就好”，还应该是保证一定的性能指标，这其中就包括有信噪比。也就是所，一个电磁兼容性能优良的设备器材，在一定的外界干扰条件下，其信噪比指标不应该有明显的劣化。　
   实际上，很多音响产品在电路设计中都有“电磁兼容”的影子，比如在电源输入端设计滤波器、压敏电阻，外壳采用金属材料，内部信号线采用屏蔽线等等，实践证明，这些措施对于抑制干扰有很大的作用。　　
   噪声的来源很复杂，我们可以把它们大致归结为三种，
    一种是元器件产生的固有噪声，电路中几乎所有的元器件在工作时都会产生一定的噪声，晶体管、电阻、电容，这种噪声是连续的，基本上是固定不变的，并且频谱分布很广泛，这种噪声除了改进元器件的材料和生产工艺外，几乎没有任何办法消除，也就是说，这种噪声几乎可以不用实验，在图纸上进行计算就可以推算出来。好在现在很多优质元器件的固有噪声都很小，在设计电路时选择优质元器件就可以把这种噪声压制到非常小的水平，小到我们根本不会听见。
     第二种噪声来源于电路本身的设计失误或者安装工艺上的缺陷，电路设计失误往往会导致电路的轻微自激（一种自由振荡状态），这种自激一般在我们可以听到的声音范围之外，但是在某些特定条件下它们会对声音的中高频产生断续的影响，从而产生噪声。安装工艺失误就稍微复杂一些，比如接插件接触不良，接触表面形成二极管效应或者接触电阻随温度、振动等影响发生变化而导致信号传输特性变化，产生噪声。还有元器件排布上的失误，将高热的元器件排布在对温度敏感的元器件旁边，或者将一些有轻微振动的元器件放在对振动敏感的元器件旁边，或者没有足够的避震措施……等等这些，都会产生一定的噪声。这些噪声可以说都是人为造成的，对于经验丰富的电子设计师来说，这些噪声都是可以避免或者大大减轻的。　　
     第三种噪声则是非常广泛的，也是经常被提起的干扰噪声。这种噪声来源很复杂，主要包括几个方面：　　
     空间辐射干扰噪声：任何导体通过交变电流的时候都会引起周围电场强度的变化，这种变化就是电场辐射，同样，像变压器这样的磁体也会引起周围磁场强度的交替变化。我们知道，交变电场和磁场中的闭合导体会产生和电场磁场变化频率相同的交变电流，也叫感应电流。音响设备中所有的元器件、导线、电路板上的铜箔都是电导体，因此不可避免地会产生感应电流。这种感应电流叠加在信号中就会产生噪声。　　
    线路串扰噪声：某些电气设备会产生干扰信号，这些干扰信号通过电源、信号线等线路直接窜入音响设备中。　　
    传输噪声：这种噪声是信号在传输过程中由于传输介质的问题产生的，比如接插件的接触不良、信号线材质不佳、地电流串扰等等。其中，地电流串扰是经常容易被忽视的问题。由于民用音响器材大多采用非平衡传输方式，信号线的外屏蔽层实际上也参与的信号的传输，通常屏蔽层与音响器材的“地”连接，大多数音响器材的地是和设备的外壳相连的，并且和住宅供电线路提供的“大地”相连接。在正常情况下，住宅供电的大地是非常理想的，它使得所有连接线路的“地”都是平等的。但是，一旦这个接地出现故障，甚至某些不负责任的电力公司将这个地与市电的“零线”连接，就会出现问题了。此时消耗功率大的器材的“地”电压比别的器材要“高一点”，比且这个高低 的差别还会随着消耗功率的大小发生变化，我们知道，一般的音频信号线中传输的信号是很微弱的，这变化则足以使得信号线中传输的信号产生很大的变化。这变化除了产生失真外，也包含了一定的噪声。并且，由于接地不良，空间辐射对于信号传输的影响也会加剧。　　
   噪声的表现　　
    前面我们对噪声有了一些了解，那么我们如何来分辨这么多种类的噪声呢？当然是靠听了。我这里总结一下我们经常听到的噪声以及它们的来源：　　
   稳定的咝咝声或沙沙声：这是放大器电路元器件产生的固有噪声，一般非常轻微而且稳定，不会随着音量调节而变化。除了改变放大器的电路设计，这种噪声无法消除。　　
   嗡声：这是通常所说的“交流声”，来源非常复杂，器材工艺设计的不合理、连接线缆的屏蔽能力等都会产生这样的声音。有时，供电电压过低导致内部电路工作不正常也会产生交流声。　　
   噼啪声：所谓的放电声，器材内部积累灰尘过多是产生这种声音的主要原因。有时元器件超过使用寿命而失效也会产生这种声音。遇上这种情况应该立即修理检查，否则有可能产生更大的问题。　　
   流水声：这是一种高频自激的现象，是电路设计不良造成的，属于质量问题。　　
   啸叫声、汽船声：典型的高频、低频自激，应该马上关闭你的系统电源，检查器材之间的连接是否有误。　　
   偶尔的滋滋声：交流供电线路的串扰。当交流电的供电质量非常糟糕的时候，也会产生这种现象。　　
   噗噗声：内部元器件出现故障的现象。　　
   广播声：电路设计不良，放大器的开环频响很差，非线性失真严重，并且没有进行适当的处理就会产生这种现象。这种现象往往是设计者片面追逐过宽的闭环频响，而放大器电路本身开环性能不良产生矛盾造成的。这种情况很多时候会引发高频自激，严重时会导致喇叭或者耳机烧毁。

[ 本帖最后由 饿虎扑食 于 2009-5-13 12:18 编辑 ]

静听禅声

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现在的器材无论是CD机还是功放指标做的都很不错了！

gsm

[s:21] 顶一下

乖土拨鼠

杀花木有咧[s:16] [s:16] [s:16]

suisheng

好文！！！[s:20] [s:20] [s:20] [s:20] [s:20]
其实，噪声信号不仅会混在音乐信号中，使信号噪声比增加，而且会对音乐信号产生调制，造成失真，比如谐振引起的频率失真。所谓调制，就是利用信道或调制信号的作用，改变原来的信号形态，当然，也可以通过解调恢复原来的形态，如果不能完全恢复，就会出现失真。音响中的补偿电路（如MM唱头均衡器），其作用相当于解调。

monkeybiz

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原帖由 饿虎扑食 于 2009-5-13 12:04 发表
这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是，实践中发现，这种测量方式很多时候会出现误差，某些信噪比测量指标高的放大器，实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现，这不是测量方法本身的错误，而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的，同样多的噪声，如果都是集中在几百到几千Hz，和集中在20KHz以上是完全不同的效果，后者我们可能根本就察觉不到。因此就引入了一个“权”的概念。这是一个统计学上的概念，它的核心思想是，在进行统计的时候，应该将有效的、有用的数据进行保留，而无效和无用的数据应该尽量排除，使得统计结果接近最准确，每个统计数据都由一个“权”，“权”越高越有用，“权”越低就越无用，毫无用处的数据的“权”为0。于是，经过一系列测试和研究，科学家们找到了一条“通用等响度曲线”，这个曲线代表的是人耳对于不同频率的声音的灵敏度的差异，将这个曲线引入信噪比计算方法后，先兆比指标就和人耳感受的结果更为接近了。噪声中对人耳影响最大的频段“权”最高，而人耳根本听不到的频段的“权”为0。这种计算方式被称为“A计权”，已经称为音响行业中普遍采用的计算方式。　　

非常好的文章！人耳听觉感知著名的masking effect也是类似的现象，不过对于masking effect现在仍然尚未完全了解透彻。
这也是一个以主观感知为指导，去发展理论的例证！[s:20] [s:20] [s:20]

lyrical

很多人喜欢在静音状态下贴着喇叭听噪音,听不到就认为"信噪比"高,这是不对的.

静听禅声

倒着看！[s:14]

今夜星光

原帖由 饿虎扑食 于 2009-5-13 12:04 发表
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    信噪比与噪声的详细解析

点击数：772009-3-5 15:11:06

    信噪比是音响界公认的衡量音响器材质量水准的一个重要指标，几乎所有的电声器材都会标注这个指标，没有这个指标的器材，要么是一些特制 ...

收藏起来慢慢学习，要顶！

过客匆匆

[s:20] [s:20] [s:20]

jd57

:victory: :victory: 好文啊，好文！！对我这类文班出身的垠算是开眼了[s:68]
10楼能说清楚点吗？为什么不对捏？？[s:97] [s:97]

yab

好文章，顶一个。

511cjq

够长的~慢慢看。

suisheng

转一个相关的帖子

电磁骚扰传播途径
电磁骚扰传播途径许多电子硬件包含着具有天线能力的元件，例如电缆、印制电路板的印制线、内部连接导线和机械结构。这些元件可以电场、磁场或电磁场方式传输能量并耦合到线路中。在实际应用中，可以通过屏蔽、电缆布局以及距离控制得到改善。地线面或屏蔽面既可以因反射而增大干扰信号，也可以因吸收而衰减干扰信号。电缆之间的耦合既可以是电容性的，也可以是电感性的，这取决于其走向、长度和相互距离。所以，产品如何布置电缆、设计电路板上印制线、内部连接导线，或者增加一些什么辅助措施、如何屏蔽、如何接地、如何控制距离将是改造产品，使之符合EMC认证需要考虑的问题。
公共阻抗耦合
公共阻抗耦合是由于骚扰源与敏感部位共用一个线路阻抗而产生的。公共阻抗包括：（1）骚扰源和敏感部位共用的导体；*（2）由两个电流回路之间的互感耦合；3）由于两个电压节点之间的电容耦合产生的。& 理论上，每个节点和每个回路通过空间都能耦合到另一节点和回路。实际上的耦合程度随距离增大急剧下降。
(1)
导体连接3
当骚扰源与敏感部位共用一个地时，则由于骚扰源的输出电流流过公共地阻抗，在敏感部位的输人端产生电压。公共阻抗仅仅是由一段导线或印制板走线产生的。因为导线的阻抗呈感性，因此输出中的高频或高di／dt分量将更容易耦合。当输出和输入在同一系统时，公共阻抗构成乱真反馈通路，这可能导致振荡。
（2) 磁场感应;
导体中流动的交流电流会产生磁场，这个磁场将与临近的导体耦合，在其上感应出电压。敏感导体中感应电压由下式计算：V＝－M × dIL／dt!
U式中：M是互感，单位享利。M取决于骚扰源和敏感电路电路的环路面积、方向、距离，以及有两者之间有无磁屏蔽。磁场耦合的等效电路相当于电压源串接在敏感部位的电路中。值得注意是两个电路之间有无直接连接对耦合没有影响，无论两个电路对地是隔离还是连接的，感应电压都是相同的。
（3）电场感应
导体上的交流电压产生电场，这个电场与临近的导体耦合，并在其上感应出电压。在敏感导体上感应的电压由下式计算：V = CC × Zin × dVL/dt 6
式中CC是耦合电容, Zin是敏感电路的对地阻抗。
8s这里假设耦合电容阻抗大大高于电路阻抗。噪声似乎是从电流源注入的，其值为CC×dVL／dt。HCC的值与导体之间距离、有效面积以及有无电屏蔽材料有关。典型例子是两个平行绝缘导线，间隔0.1英寸时，其耦合电容大约为每米50pF；未屏蔽的中等功率电源变压器的初次级间电容大约为100—1000pF。#
在上述情况中，两个电路都必须连接参考地，这样耦合路径才能完整。但是如果有一个电路未接地，并不意味着没有耦合通路。未接地的电路与地之间存在杂散电容，这个电容与直接耦合电容串联。另外，即使没有任何地线，骚扰源至敏感部位的低电压端之间也存在寄生电容。噪声电流还是能够加到敏感部位，但其值由CC和杂散电容的串联值决定。)
（4）负载电阻的影响
需要注意的是，磁场和电场耦合的等效电路之间的差异决定了电路负载电阻的变化引起的结果是不同的。电场耦合随RL增加而增大，而磁场耦合随RL增加而减小。这个性质可以用于诊断：比如你在观察耦合电压时，改变RL，你能够推断哪一种耦合模式起主导作用。同样道理，磁场耦合对低阻抗电路的影响更大，而电场耦合对高阻抗电路影响更大。
（5）空间间隔
互电容和互感都受骚扰源和敏感导体之间的物理距离的影响。
电源耦合5
所有骚扰能够从骚扰源经电源配电网络进入敏感部位，因两者是连接在一起的。因此对高频不利。尽管从线路上可以容易地预测阻抗，但是在高频时很难精确估算。在电磁兼容试验中，电源的射频阻抗可用50Ω网络并联50μH电感近似表示（LISN）。!
对于较长的距离，在10MHz以下，电源电缆是损耗很低的，特性阻抗约为150~200Ω的传输线。然而在任何一个局部配电系统中，因负载连线、电缆接头和配电元件起的骚扰是影响射频传输特性的主要因素。所有这些因素将增加损耗。
辐射耦合
(1)
电磁场的产生
电场（E场）产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为V/m，电场强度正比于导体之间的电压，反比于两导体间的距离。
磁场（H场）产生于载流导体的周围，磁场的单位为A/m，磁场正比于电流，反比于离开导体的距离。
当交变电压通过网络导体产生交变电流时，产生电磁（EM）波，E场和H场互为正交，同时传播。传播速度由媒介决定；在自由空间等于光速 3×108m/s。在靠近辐射源时，电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定，仅在远处是正交的电磁场。
电场强度与磁场强度之比称为波阻抗对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数，因为它决定了耦合效率，也决定了导体的屏蔽效能。对于远场，d＞λ/2π，电磁波称为平面波，平面波的阻抗是恒定的，等于自由空间的阻抗：Z0＝120π＝377Ω'
在近场，d＜λ/2π，波阻抗由辐射源特性决定。小电流、高压电辐射体（例如棒）主要产生高阻抗的电场，而大电流、低电压辐射体（例如环）主要产生低阻抗磁场。如果辐射体阻抗正好约377Ω，那么实际在近场就能产生平面波，这取决于辐射体形状。fλ/2π附近的区域，或近似六分之一波长的区域，是处于近场和远场之间的传输区域。平面波总是假设是在远场，当分别考虑电场或磁场波时，则假设是在近场。; p" T!
（2）耦合方式+
差模、共模和天线模辐射场耦合是电磁兼容的基本概念，在骚扰的发射和入侵耦合方面都起作用。"
差模
考察一根电缆连接起来的两台设备，如图13所示。电缆中两根靠近的导线传输差模（去和回）信号电流。辐射场可以耦合到这个系统，并在两根电线之间感应出差模骚扰；同样，差模电流自身产生辐射场。地参考面（可以是设备外部，也可以是设备的支撑结构）在耦合中不起作用。
共模9
电缆上还会传输共模电流，即电流在每根导线上都以同一方向流动。这些电流通常与信号电流无关。共模电流可以由外部电磁场耦合到由电缆、地参考面和设备与地连接的各种阻抗形成的回路引起。共模电流可以引起内部差模电流，设备对差模电流是敏感的。另外，共模电流也可以由地平面和电缆之间的内部噪声电压引起，这是共模辐射发射的主要原因。需要注意的是，与导线和设备外壳有关的寄生电容和电感是共模耦合回路的主要部分，在很大程度上决定着共模电流的辐度和频谱分布。这些寄生电抗是偶然产生的，而不是设计的，因此控制或预测这些参数比控制或预测那些决定差模耦合的参数，例如电缆的间隔和滤波参数更困难。
天线模$
天线模电流沿电缆和地平面同向传输。天线模电流通常不是由内部噪声的产生，但是当整个系统，包括接地平面，暴露于外场时，天线模电流将会流动。例如：飞机飞入雷达发射的波束区域时；飞机机身作为内部设备的接地平面，它象内部导线一样传输同样的电流。当不同的电流通路上的阻抗不同时，天线模电流会变为差模或共模，这时，天线模就成为系统的辐射场敏感性问题。
http://www.emcchina.org/bencandy.php?fid=22&id=16511


电磁兼容(EMC)主要测试项目和对应标准介绍
□ 空间辐射(Radiation) EN55011,13,22 、CISPR11,13,22、FCC Part 15&18, VCCI 、GB14023、GB4824、GB9254、GB13837、GB18655、GB/T16607、GJB151A-97
□ 传导干扰(Conduction) EN55011,13,14-1,15,22、CISPR11,13,14-1,15,22、 FCC Part 15&18, VCCI 、GB4824、GB9254、GB13837、GB17743、GB4343、GB18655
□ 喀呖声(Click) EN55014-1 、CISPR14
□ 功率辐射(Power Clamp) EN55013,14-1 、CISPR13,14-1 、GB13837、GB4343
□ 磁场辐射(Magnetic Emission) EN55011,15 、CISPR11,15 、GB17743、GB4824
□ 静电放电(ESD) IEC61000-4-2、EN61000-4-2、 GB/T17626.2
□ 辐射抗扰度(R/S) IEC61000-4-3、 EN61000-4-3 、GB/T17626.3 、GJB151A-97
□ 脉冲群抗扰度(EFT/B) IEC61000-4-4、EN61000-4-4 、 GB/T17626.4
□ 浪涌抗扰度(SURGE) IEC61000-4-5、 EN61000-4-5、 GB/T17626.5
□ 传导骚扰抗扰度(C/S) IEC61000-4-6、 EN61000-4-6 、GB/T17626.6 、GJB151A-97
□ 工频磁场抗扰度(M/S) IEC61000-4-8、 EN61000-4-8、GB/T17626.8
□ 电压跌落(DIPS) IEC61000-4-11、 EN61000-4-11、 GB/T17626.11
□ 谐波电流(Harmonic) IEC61000-3-2、EN61000-3-2 、GB17625.1
□ 电压波动和闪烁(Flicker) IEC61000-3-3、EN61000-3-3 、GB17625.2
□ 振荡波抗扰度(Flicker) IEC61000-4-12、EN61000-4-12、 GB/T17626.12

lyrical

原帖由 jd57 于 2009-5-13 19:57 发表
:victory: :victory: 好文啊，好文！！对我这类文班出身的垠算是开眼了[s:68]
10楼能说清楚点吗？为什么不对捏？？[s:97] [s:97]

　　

首先,信噪比是动态下的指标
你用耳朵贴上去听的是Vn,  Vs是在"失真限制的输出功率"下测量出来的,由于设计及制作的差异,在同样的增益下,VS可能会有所区别,比如在满功率的情况下,自激可能会产生,强度也有所不同,这就使得在Vn相同的情况下,Vs会不同,信噪比自然就不一样了.

就好比一辆LEXUS430和一辆HONDA fit,停车怠速时,你坐在驾驶室里听到的噪音没多少区别,当你开到120Km/h时,你就知道差别了.

再次,你用喇叭来判断噪音,你考虑到喇叭的灵敏度没有?
某些功放有轻微的噪音,在一些低灵敏度的喇叭上就听不出来,而在一些90db的喇叭上就原形毕露了.

应该明白了吧?