失真效果器 Distortion

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失真效果在流行音乐和摇滚乐当中的分量，想必大家伙心里是有一杆秤的。而对于非信号专业的人（大部分混音爱好者）来说，如果没有一定的电子技术基础和数学基础的话，想要彻底弄清楚失真的原理是有一定难度的。也正因如此，笔者只会着重的从“效果”的角度来讨论失真效果器，相关原理性的知识将从简。

运用失真效果的乐器有很多，电吉他是其中的典型。本章旨在给混音初学者们普及失真的基本知识，所以不会去讨论诸如效果器品牌之类的东西。
一、失真的基本概念
先给出定义，输入输出不相等，既代表着信号出现了失真。具体来说，输入信号经过设备处理过后，输出的波形相对于原有的波形产生了一些变化，即意味着产生了失真。理论上任何音频处理设备都会造成信号的失真，只是失真的程度不同而已。从宏观的角度来看，失真有线性失真和非线性失真之分，咱门先从这个角度来分析。

何为线性与非线性？举一个通俗的例子，3元一个面包，9元买三个，那么这前后关系便是一个线性关系。另外一个商家打出来的口号是，3元一个面包，10元买三个面包，那么这“3元一个面包”与“10元买三个面包”之间的关系就是非线性的。对专业解释感兴趣的同学可以看看下面这个两个词条：
wikipedia线性系统
wikipedia非线性系统
线性失真（Linear distortions）指的是信号经过音频设备处理过后（放大电路），输出信号的波形三要素（频率、振幅、相位）出现了一定的频响误差，但好在没有产生新的频率分量，此种失真叫做线性失真，而线性失真不是本章所关注的重点。

非线性失真（Non-linear distortions）是本章所讨论的重点，此类失真是绝大部分失真效果器的核心。非线性失真是由非线性元件（如晶体管、电子管等等）引起的，其最大的特点是在扭曲原有的波形的同时，还会引入新的频率分量。从对不同波形类型的响应结果上来看，非线性失真还可以分为谐波失真和互调失真，而这个所谓的不同波形类型其实也就两种，一种是单一频率的纯音波（如正弦波），另一种是复合频率的复合波。自然界当中的乐器和人声都属于复合频率，如果你还不了解基波和谐波的概念，建议先看P7频谱。


谐波失真（Harmonic distortion）：对单一频率做非线性失真处理，会形成新的频率分量，往往这种新的频率分量绝大部分都是信号基频（基波）的整数倍数，这便是所谓的谐波失真（Harmonic Distortion）。举个例子，一个262Hz（中央C）单一频率的正弦波，其失真后产生新的频率分量分别为524Hz，786Hz，1048Hz，1310Hz，1572Hz等等（参考图1）。
互调失真（Intermodulation distortion）：如果对复合频率做非线性失真处理，除了会引起谐波失真之外，还会形成互调失真。互调失真的情况是这样的，如一个200hz和一个7KHz的频率一起被失真效果器处理，那么其和与差(mX ± nY)的频率点会出现额外的频率分量（如6800Hz与7200Hz处）。然而，复合波的频率成分绝不仅仅是2个频率点这么简单，所以真正的互调失真是非常复杂的，尤其是在演奏和弦时（单音是单个复合波、和弦是多个复合波）。综上，乐器信号进入失真效果器后，其失真是包含谐波失真和互调失真的。
谐波失真又被细分为偶次谐波失真和奇次谐波失真，对于这两种失真，网上有两种截然不同的论调。其中较为普遍的一种论调认为偶次谐波失真要比奇次谐波失真好听，理由是偶次谐波跟基波从音程上来看基本上都是协和音程。而第二种论调则认为奇次谐波更具有音乐性，因为其与基波之间的音程关系是多变的（如三度七度）。对于这两种争论，笔者用正弦波纯音在几个数字箱头插件和数字单块插件上做了测试，发现有的设备是奇偶参半的（测试的几个电子管设备均为奇偶参半），有的设备只产生奇次谐波失真，暂时还没有发现只产生偶次谐波失真的设备。当然了，笔者做测试的目的不是为了去推翻某种论调，也不是为了去支持某种论调，只是单纯的好奇而已。谐波失真相比于互调失真，其在测试分析方面是非常方便的（互调失真太复杂），这也是大家伙更愿意讨论谐波失真的原因之一。下面是一个关于奇偶谐波的讨论帖，除了上面两种论调外，里面也有人认为讨论奇偶谐波是没有意义的，有兴趣的可以去瞧一瞧，内容比较精彩。

二、失真效果是怎样产生的？
就失真效果本身而言，信号放大是“原罪”，一旦输出功率超过了设备的最大功率值，那么失真就产生了。早期的失真效果其实是喇叭失真造成的（后级失真），当时的某些吉他手在演出时嫌弃喇叭的声音不够大，于是就将音量旋钮拧到底（仿佛拧了之后声音还能再大一点），其效果是声音大小没变，反倒是出现了一种破破的、脏脏的音效（失真），结果反而让那场演出取得了巨大的成功。于是，其他吉他手们便纷纷效仿，更有甚者直接拿刀割破喇叭的纸盆，目的只是为了得到更破更脏的声音。

以将声音开到最大而获得的失真有一个弊端，那便是乐手们根本无法利用其进行日常练习，除非他们能顶得住邻居们的压力。于是，吉他手们就请人设计了专门的放大电路，这种电路在信号输入到喇叭之前，先将信号放大形成失真（此时声音还未被重放），然后再将失真了的信号传递给喇叭（后级放大），喇叭处有一个总音量旋钮，它控制着最终的输出响度，这样一来，吉他手们便可在家里练习了，这便是所谓的前级失真。

失真效果器领域内的失真，大部分都是信号被过度放大而形成的，也被大家伙简称为削顶失真。削顶其实就是削波，当波形的峰值超过了“管道的顶部”时，那么就会造成削顶失真（图2），削顶失真会让信号失去原本的形体，同时还会产生新的频率分量。


三、失真分类
现如今各类失真设备（箱头、单块、数字失真）产品层出不穷，让人好不眼花缭乱，那么在这些琳琅满目的产品间，它们都有什么区别和特点呢？emmmmm，对于这个问题，笔者也没有答案，毕竟我不是干测评的。话虽如此，文章还要写下去不是？所以，笔者将会从放大器类型、削波类型以及失真程度来做个简单的介绍，好让初学者有一个初步的分类概念。

失真效果器有模拟设备和数字设备之分，数字设备的核心是采样与算法，而模拟设备的核心是放大器（放大电路）。在模拟设备中，比较常见的放大器是电子管和晶体管（三极管、二极管、场效应管），电子管产生的失真温暖而又朦胧，缺点是昂贵且容易耗损。晶体管产生的的失真清晰而又冷艳，还不容易损坏，不过即便如此，人们还是更加青睐电子管所产生的失真，这是从放大器的类型来分析失真效果器。

数字失真设备通常以两种形态存在，一种是软件插件，一种是数字硬件效果器（如某些硬件综合效果器），其实这两者的失真效果是没有本质上的区别的。大部分数字失真都是在模仿模拟设备的声音，数字失真的特点是更加灵活，比如可以随意切换软硬削波模式。 放大器除了电子管与晶体管之外，还有一种Operational Amplifier（运算放大器），简称OpAmp，该类放大器也被利用在失真效果器上，只不过其广泛度要逊于电子管和晶体管。
我们已经知道了失真效果器的核心是削波（削顶失真），而这个削波类型是有软硬之分的。上头所说的电子管更多采用的是软削波，当然了，晶体管（二极管）也可以实现软削波，不过其味道依然与电子管不同。



硬削波（Hard Clipping）：硬削波指的是当输出信号超过了设备的输出上限后，设备会将超出的部分进行一刀切（图3）。一个正弦波被硬削波处理后，其形体将会类似于方波。从谐波成分上来看，硬削波将会产生更多且幅度更大的高次谐波（图4），听感上也会更加粗狂尖锐。
软削波（Soft Clipping）：当输出信号超过了设备的输出上限后，设备将会以一种相对比较自然柔和的处理手法来剔除超出的部分（图3），从而让失真后的信号尽量保持源信号的原有形态。从谐波成分上来看，软削波高次谐波相对来说会少一点（图4），听感上会温暖平和一点。


失真效果器的放大电路是由多个不同的器件（如二极管、三极管、电子管等等）组合而成的，同样是二极管，材质不一样（如硅、锗）效果也不一样，不同的组合会出现全新的失真效果，这就是各大厂牌都有自己独特失真效果的缘由。

至于哪些设备采用的是硬削波，哪些设备采用的是软削波，这个就得问开发商了。MXR部分失真效果用的是硬削波，Ibanez TubeScreamer部分采用的是软削波，MXR与Ibanez TubeScreamer的这段描述的出处在这里（详情请点击查看原文）。另外，对硬件和电路感兴趣的朋友可以看看这篇文章，该文章对MSR单块失真踏板的内部零件、电路以及频率响应都进行了深度的剖析。


接着就是从失真程度来分类了，老三样，Overdrive、Distortion、Fuzz，高端玩家可能会有更细致的分类，如Booster、Metal等等，咱门还是说说老三样吧。

过载（Overdrive）：过载效果器的失真上限是小于失真（Distortion）效果器的，也就是说，过载效果其实就是一种轻微的失真，它会将信号放大到超出失真阈值后就不再放大了。Overdrive常用于乡村、布鲁斯、摇滚等音乐流派，有经验的吉他手会玩出很好的Overdrive效果，如一开始用较小的力道去演奏（此时听感非常自然），等到了某个段落，突然加强拨片力道形成比较明显的过载效果，从而达到推动歌曲情绪的目的。
失真（Distortion）：我们常常说的失真效果指的就是它，它被广泛用于硬摇滚和各种金属乐当中，其失真程度远远强于过载效果器，Distortion的特点是其产生的咆哮感，这种咆哮感能令摇滚爱好者感到兴奋。
法滋（Fuzz）：高强度的失真搭配硬削波，乐器信号被完全扭曲成了方波，充足的泛音意味着更多的高次谐波。Fuzz的听感是嘶吼的、模糊的、尖锐的（大量的高次谐波造成的）以及金属沙砾的感觉，常被用于垃圾摇滚和金属乐当中。
偷个懒，从油管搬运了一个视频，演示的是Overdrive、Distortion、Fuzz之间的区别。因为失真效果器从操作层面上来讲真的很简单（操作简单不代表音色好调），所以笔者也懒得在DAW上进行演示了。

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