饱和与失真效果，有何区别？
- 作者：Sage Audio
- 出处：https://www.sageaudio.com/articles/whats-the-difference-between-distortion-and-saturation
- 编译：安小匠
快速回答
在音频领域：
- 饱和（saturation）是一种由电气系统物理组件过载而产生的效果，是压缩与失真的结合体。
- 而失真（distortion）则是指波形形状的改变，从而产生与原始波形不同的音色。
详细说说饱和与失真的区别
在音频领域，术语被互换使用的情况非常普遍。像饱和、染色（coloration）、失真、谐波生成（harmonic generation）、过载（overdrive）、嘎吱声（crunch）、毛刺（fuzz）等词汇，常常被交替使用。
这种情况在任何专业或学科领域都存在，但问题在于，当术语被频繁互换时，它们原本的含义会逐渐变得模糊不清。每当这些术语被相互替换使用时，无论是否准确，它们的含义都会被混淆，这反过来使得音频工程师在交流时越来越难以理解彼此的意思。
那么，让我们来探讨一下“饱和”和“失真”这两个术语的真正含义，它们之间的重叠之处，以及它们的区别所在。我们还会涉及到像“谐波”和“谐波生成”这样的术语，它们虽然可以与“失真”互换使用，但实际上是稍有不同的概念。
音频领域的术语常常会被混淆，但失真和饱和是两个虽有联系却又不同的概念。
我们还会研究一些基于失真的插件，并通过聆听它们来更好地理解失真和饱和在声音上的差异。
在明确了失真、饱和，以及一些存在细微差别的概念（例如谐波生成）之间有哪些区别之后，我们将探讨基于电子管、磁带和晶体管的饱和，以了解它们各自独特的地方。
什么是饱和？
尽管“饱和”如今被广泛用作一个音频术语，但它的起源实际上是一种真实存在且特定的电气组件现象。当一个电气组件无法再处理传入的电信号时，其输出与输入的关系就会变得非线性（non-linear），从而产生特定的音频效果。
让我们进一步探讨这个问题，以便更好地理解它。
饱和效果中的压缩部分
想象一下，一个传入的电信号通过一个电气组件，比如晶体管。只要这个传入的信号强度在一定范围内，它就可以以与输入相同的电平输出。
首先需要明确的是，饱和最初是一种电气现象。
当信号的输出与输入相等时，我们称这种关系为“线性（linear）”，因为它的图形表现为一条直线，正如图 1所示。
饱和是压缩与失真效果的结合体。它的表现很像压缩器的图表——在图表中，我们会看到一条直线，代表输入与输出的比例相等。从数值上看，这被表示为1:1的比例。
图 1 当压缩比率设为1:1时的压缩图表，其中蓝色线为压缩曲线，洋红色垂线表示阈值（threshold）。可见这个图表的压缩曲线为一条斜向的直线。（图片来源：本文译者，截取自LSP Compressor Stereo）
你应该也很熟悉这种“1:1”的比例，因为压缩器在显示压缩比时也会使用相同的数值表示法。例如，常见的压缩比是2:1，这意味着每增加2 dB的输入信号，输出信号只会增加1 dB。
图 2 当压缩比率设为2:1时的压缩图表，注意洋红色阈值线左右的压缩曲线存在不同。（图片来源：本文译者，截取自LSP Compressor Stereo）
当输出不再呈现线性时，压缩过程就开始了。
那么，这与饱和有什么关系呢？
简而言之，饱和效果有一部分源于压缩。
让我们再回到电气组件本身，想象电流通过一个晶体管。如果传入的信号强度超出了晶体管物理组件的处理能力，会发生什么呢？
信号将无法以与输入相同的速率输出，从而导致输入信号与输出信号之间的关系变得非线性。这与压缩器的比例非常相似。
图 3 使用REAPER自带的Saturation效果器进行演示，你可以看到饱和效果作用的曲线，表示输入信号与输出信号之间的关系。
从这里你可以看到，当饱和效果为0时，输入与输出信号之间是线性的。（图片来源：本文译者）
图 4 随着饱和效果的增加，饱和效果曲线开始变得非线性。（图片来源：本文译者）
观察一下上面这两个图表（图 3、图 4），它与进出晶体管（或其他类型元件）的信号有关。
所以，如果这个晶体管被“过载”了，就会发生压缩。这就是饱和的第一个方面——动态控制和／或压缩。
饱和效果引入了一种称为“软拐点（soft-knee）压缩”的特性，这意味着输入与输出的比例会逐渐变得更加激进（必须强调这里的“逐渐”。它意味着当信号接近阈值时，压缩效果是平滑的、渐进的，而不是突然生效。——译者注）。当过载程度较轻时，晶体管的输入与输出比例可能是2:1，但在更高的过载水平下，这一比例可能会达到4:1。
在研究压缩器时，我们也能观察到这种特性，因为大多数压缩器都提供软拐点设置选项（与之相对的是“硬拐点”）。
图 5 这组图示，直观展现了软拐点和硬拐点（hard-knee）的差别。从左到右，压缩曲线的拐点逐渐“由硬变软”，压缩效果也随之变得更为平滑。（图片来源：本文译者）
软拐点压缩设置在较安静的电平下具有较低的压缩比，而在较响的电平下则具有较高的压缩比。
信号被压缩的程度以及这个“拐点”的曲线形状，取决于被饱和的具体电气组件类型。例如，晶体管的饱和方式与变压器不同，变压器的饱和方式又与电子管不同，依此类推。
考虑到这些电气组件有不同的品牌、配置、尺寸和物理结构，变化的可能性是巨大的——这意味着存在数百万种不同的饱和形式。此外，传入信号的特性，例如其频率、立体声宽度、动态范围等，都会影响这种饱和效果，使得通过饱和实现的压缩变得更加微妙和复杂，超出了我们能够完全理解的范围。
饱和效果中的失真部分
失真是饱和效果的一个重要组成部分。
当信号达到足够的饱和度时，经过上述相同的过程，它不仅会被压缩，还会发生失真。
这种失真是对波形形状的改变，然而，事情并没有这么简单。当信号开始失真，或者波形开始变形时，振幅上会出现微小的尖峰。
图 6 一个信号频谱图，其中有规律出现的尖峰就是谐波，这就是谐波在信号中的表现。（当然，对于比上述更复杂的波形，其表现方式会更加复杂。）（图片来源：Sage Audio）
这些出现在信号振幅上的尖峰被称为谐波（harmonics）。谐波与原始信号密切相关，因为它们是原始信号频率的整数倍——这也是它们被称为谐波的原因，因为它们与原始信号和谐共存。
图 7 用于分析的一段频谱。显著标出的200 Hz波峰为基频（fundamental frequency）。（图片来源：Sage Audio）
那么，假设我们有一个200 Hz的正弦波，它以足够高的幅度通过一个电子管，从而使电子管达到饱和状态。这种饱和导致了失真，进而产生了谐波。
图 8 400 Hz和600 Hz的波峰，就是由于饱和而产生的谐波。（图片来源：Sage Audio）
假设这种失真产生了一个400 Hz的谐波和一个800 Hz的谐波。这些谐波被称为二阶（2nd order）和三阶（3rd order）谐波，其中一阶谐波是原始的200 Hz正弦波。
图 9 基频被称为一阶谐波，400 Hz的波是二阶谐波，依此类推。（图片来源：Sage Audio）
谐波失真会发生在任何使电气组件饱和的信号上，并且会因许多不同的变量而具有很大差异。这些变量，包括所使用的电气组件类型、传入信号，以及／或者饱和的程度、传入信号的频率和其他方面；还有其他许多变量。
一个可能影响谐波的随机变量例子是：如果使用错误的电源线插入设备，导致硬件接收到错误的电压。这只是许多可能影响由饱和产生的谐波类型和幅度的随机变量之一。
图 10 影响饱和类型的因素众多，图中仅仅是其中几个变量。（图片来源：本文译者）
饱和的类型取决于许多变量。
所有这些都在说明，谐波生成是复杂且微妙的，就像饱和所引起的压缩一样。
既然我们已经理解了饱和，以及它实际产生的效果（谐波失真和软拐点压缩），那么接下来我们来看看基于电子管、晶体管和磁带的饱和。
但在那之前，以防万一有人错过了这个区别，我们先来回答一下“什么是失真？”
什么是音频失真？
在音频领域，失真指的是波形从其原始状态和形状所发生的改变。常见的失真形式包括谐波失真、噪声、互调失真（intermodulation distortion）、相位失真和抵消，以及位深度失真（bit-depth distortion，即降低音频位深度而导致的失真，也就是我们熟悉的bit-crusher效果。——译者注）——所有这些失真形式都会因多种变量而有很大差异。
图 11 一段音频信号的频谱图。（图片来源：Sage Audio）
音频失真可以有多种形式，并且具有广泛的定义。
从技术上讲，由于失真是对波形从其原始状态的改变，几乎每一种音频处理形式都是一种失真。如果你在对信号进行均衡处理，你就在改变波形的形状；如果你在添加混响，你也在改变波形的形状：依此类推。
图 12 使用均衡器对信号进行处理，就会改变波形的形状和频谱。（图片来源：Sage Audio）
由于音频失真被定义为对波形形状的改变，因此从技术上讲，几乎所有的音频处理都可以被视为一种失真。
然而，当我们提到失真时，我们首先想到的通常是谐波失真，因为这是与失真概念最常联系在一起的声音类型。不过，要记住的是，失真无处不在，存在于每一种处理形式中，即使是数字处理中最干净的形式也不例外。
图 13 使用TubeDriver这样的放大器插件，可以为信号添加谐波失真。（图片来源：Sage Audio）
例如，当信号经过模→数（A到D）转换，或者从模拟格式转换为数字格式时，会产生一些小的失真。
由于数字系统的信号幅度是由比特决定的，而比特是有限的（比如16位或24位的录音），而模拟信号理论上可以占据无限多的数值，因此数字录音在原始信号和数字化信号之间会存在一些微小的不准确之处。
图 14 图解量化失真。图例：绿色——原始信号，黄色——量化后的信号，红色——量化噪声。（图片来源：Sage Audio）
数字录音中，原始信号（模拟信号）与数字化（或量化）信号之间的这种差异被称为量化失真（quantization distortion），它本质上是一种噪声。尽管这种失真在24位或32位录音中极其微小，但它仍然是失真。
总之，无论我们能否感知到，失真几乎出现在音频处理或再现的每一个环节。
失真还有许多其他形式（如前面所列举的），但要一一介绍它们需要花费不少时间。所以，目前只需要知道，失真的定义非常宽泛，因此它适用于音频处理中的许多现象。
注：前文列举的另外几种失真
- 互调失真：当两个或多个不同频率的信号同时通过一个非线性系统（如放大器或传输介质）时，由于非线性作用，信号之间相互调制而产生新的频率成分，这些新频率成分不在原始信号中，从而导致失真。
- 相位失真：音频信号的相位关系发生改变，导致信号波形的形状、时间特性发生变化。典型表现是音频模糊或不自然。
- 位深度失真：因降低音频位深度，使音频采样的动态范围出现损失，导致失真。也就是我们熟悉的bit-crusher效果。
什么是电子管饱和？
尽管不同类型的电子管会产生不同的声音，但电子管失真通常被描述为具有强烈的二阶谐波（2nd-order harmonic），这几乎会使原始信号产生一种“加倍”的效果。与其它形式的饱和相比，电子管饱和效果听起来更加饱满，因为产生的谐波音调较低。
图 15 一款模拟饱和效果器插件：Softube推出的Harmonics Analog Saturation Processor。（图片来源：Sage Audio）
请注意，产生的谐波以及压缩的程度会受到许多变量的影响，因此上述描述肯定是比较笼统的。
图 16 由Harmonics Analog Saturation Processor插件处理的音频信号，表现出强烈的二阶谐波。（图片来源：Sage Audio）
这种特定的电子管仿真（指图 15中的插件）表现出强烈的二阶谐波，但这种情况实际上取决于许多变量。
电子管饱和现象是如何发生的？
电子管饱和现象，发生在电子管中的二极管被电子饱和或压倒（electronically saturated or overwhelmed）时。换句话说，由于栅极和阴极之间存在正电荷，更多的电子无法从电子管的阴极流向阳极。
图 17 电子管结构图。（图片来源：Sage Audio）
电子管中的正电荷会抑制电子的流动，进而压缩其电气输出。
什么是晶体管饱和现象？
晶体管饱和现象，通常以产生中到高阶谐波为特征，这意味着它会使失真的信号听起来更明亮、更清晰。换句话说，晶体管饱和现象会使它处理的信号更加突出，能够穿透复杂的乐器编排。
图 18 晶体管示意图，以2N4401晶体管为例。（图片来源：ON Semiconductor，https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/2n4401-d.pdf）
不过，需要再次强调的是，这种描述是比较笼统的，具体表现还会因晶体管的类型而异。
图 19 晶体管失真处理后的频谱图。（图片来源：Sage Audio）
请注意，在这种特定的晶体管失真中，高阶谐波更为显著。
晶体管饱和现象是如何发生的？
晶体管饱和现象是由于电压下降引起的。当电气组件无法再维持传入信号的幅度时，就会发生这种电压下降。
图 20 晶体管的电气布局及工况演示，以2N4401晶体管为例。（图片来源：ON Semiconductor，https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/2n4401-d.pdf）
什么是磁带饱和现象？
磁带饱和现象与其他形式的饱和不同，它并不涉及传统意义上的电气组件，而是与嵌入磁带中的磁性颗粒有关。当信号足够强时，它会重新排列所有可用的磁性颗粒。当颗粒无法再被重新排列时，就会发生饱和现象。
此外，磁带饱和现象还常常会产生其他形式的饱和，因为用于将信号传输到磁带上的放大器也会发生饱和。这些放大器通常会使用晶体管和电子管，这意味着饱和现象可能在信号链的多个环节中发生。例如，一个信号可能会先使放大器中的晶体管或电子管饱和，随后如果信号足够强，这个已经饱和的信号又会使磁带饱和。
这，意味着磁带饱和有可能成为最为复杂的饱和形式。
饱和可以用数字化的方式创建吗？
简而言之，可以。饱和现象既包含谐波生成，也包含压缩。我们可以通过模拟仿真插件，或者使用失真和压缩插件，以数字化的方式创建饱和效果。尽管数字仿真技术这些年来已经取得了很大的进步，但模拟饱和能够产生更复杂的谐波。
图 21 一款磁带饱和效果器：Softube推出的Tape。（图片来源：Sage Audio）
饱和现象可以通过插件来仿真，但它的某些方面仍然无法完全复现。
对于许多人来说，使用模拟设备来实现饱和效果根本不是一个可行的选择。原因是，模拟设备相当昂贵，尤其是与数字插件相比。在某些情况下，使用免费插件也能实现听起来很棒的饱和效果，这为制作人和工程师在预算有限时提供了更多选择。
尽管饱和效果容易获取无疑是件好事，但必须指出，模拟仿真并不等同于真正的模拟处理。原因在于，模拟处理涉及无数变量——从使用的组件、电流的强度，到空气的温度和湿度，以及用于封装电气组件的金属类型，这些因素都会对模拟处理产生影响。
然而，说到数字处理，这些细微的变量根本就不存在。当然，随着数字处理技术的不断进步以及计算机性能的提升，更多的变量可以在软件中以代码实现。然而，要通过编码来模拟模拟处理和电气处理中存在的所有变量，甚至只是其中的大部分，还需要很长一段时间。
再次强调，数字处理本身仍然非常出色，但在现阶段，模拟处理更为复杂。
总结
饱和与失真虽有联系，但却是两个截然不同的概念。正如我们之前提到的，失真是一个非常宽泛的术语，它指的是对波形形状的改变。
当我们想到失真时，脑海中会浮现出一种失真形式——谐波失真。这种失真根据其幅度、类型以及谐波的数量，可能会产生非常悦耳或非常刺耳的音色。
饱和则是谐波生成与软拐点压缩的结合。当一件硬件的电气组件被过载时，就会发生饱和。当电气组件饱和时，它无法再以与输入成线性比例的方式输出信号，从而导致压缩和失真。
不同的电气组件，比如电子管、晶体管以及磁带中的磁性颗粒，在饱和时会对信号产生不同的影响——从而导致不同的谐波、不同程度的失真以及整体上不同的音色。
尽管这个话题相当复杂，但最重要的收获是，失真和饱和这两个术语不应该被混为一谈。如果这样做了，一个术语的含义可能会与另一个术语的含义混淆或被误读，这反过来会使工程师们更难清晰地讨论相关话题。
话虽如此，最好还是了解这些术语以及它们在技术层面上的含义，以免误用它们。
思考：你最喜欢的饱和效果类型是什么？
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