音箱或耳机需要把高音延伸做到40kHz甚至更高的原因

　　现在的音箱产品，hifi级的要求高频做到20kHz以及上，而很多hiend级的音箱，高频延伸通常都做到了30kHz甚至40kHz以上。很多人都会非常不解，即然人的听觉只能听到20kHz，多余的延伸不是浪费吗？本文希望从自己的角度讨论并给出自己的结论，不一定正确，欢迎大家在评论区提出自己的看法！
　　人的听力一般只有2020000Hz，小孩和女人的听力通常要更好些，高频大约能到22000hz，低频最低的据说可以到16Hz。对一般成年人尤其是成年男人，高频能听到18000hz就是非常好的听力了。通常30岁以后，能听到16000hz就烧高香了。低频的话，大家都差不多，但低过40Hz之后，基本上主要以身体感受为主。人耳对低于125hz的低频就已经失去方位感了，这是为什么低音炮放在哪里都差不多的原因。当然，这不是本文要讨论的，我们这里主要讨论高频延伸的问题。
　　我们所感受到的声音频率只能到20000hz左右，但是很奇怪，现在的高保真音箱，尤其是hiend级的音箱，几乎无一例外的都会把高频延伸做到25000hz、40000hz甚至更高才收工（JBL的旗舰甚至做到了60k了）呢？这是很多人都想不通的问题。很多人认为这是没有任何用的，或者以此拉高产品的溢价水平之类。
　　但真正对比听过延伸只到20000hz的音箱和延伸到30000hz甚至40000hz的音箱会发现，延伸更好的音箱在高频细腻和华丽感、空气感，都比只延伸到20000hz明显要音箱好不少。
　　这个问题自己也长时间想不通，个人一开始认为人体对高频的感受不仅来源于耳朵，甚至也来源于身体其它感官（如同低频一样），但是自己查找了很多的文献和资料，也未能找到相应的证据（不过我还会继续找）。直到最近温习傅立叶变换，才突然想明白了。
　　在很多的书籍或声音处理的文献中，我们都把声音信号看成了下面这样，也就是简单的正弦波：
　　但实际上的音乐信号是远远比正弦波信号复杂的信号，这点稍有声学常识的人都知道。真实乐器的信号是一个基音信号，加上N个泛音信号组合而成的。比如，一个基音为2000hz的真实乐器的音乐信号，是一个最强的2000hz的基音，和强度不等的4000Hz，8000Hz，16000Hz等信号组合而成的。对一个3000Hz的音乐信号，就是由3000Hz的基声，和强度不同的6000Hz，12000Hz，24000Hz的泛音组成。
　　对于不同乐器而言，拥有不同的泛音信号，这是我们分辨音色的重要依据。一个实际的乐器，甚至拥有超过8次的泛音甚至更多倍的泛音信号。在数字音频技术中，采样的基础也就是这样来的。
　　很多人会觉得，那些超过20000Hz的泛音信号，是我们听不见的，所以其实也没有意义。
　　但是，实际的声音信号并不是这样的，这只是我们处理音频信号的一种办法，这种办法叫做博立叶变换。傅立叶变换的简单表述就是一个周期性的信号可以以这样的方式变换，而我们的大脑也可以自动进行这种变换，并得出音色的信息。实际的声音信号其实是这样的：
　　或者简单些，也可以看成这样的：
　　也就是说，真实的音乐信号，它的波形并不是正弦波，而是一系列正弦波的组合。但它并不是真正的由一个基音加无数多的泛音的正弦波，而是一个相当复杂的波形。但它可以经过傅立叶变换成正弦波组合而已。这个处理是完全符合声学要求的，也是我们听觉支持的。
　　换而言之，我们虽然听不见超过20000hz以上的声音信号，但它们依然会以基音造成影响，改变其波形，而这，是我们可以感知的。对于一个2000hz的音乐信号，如果音箱只能延伸到20000hz，那么，高于20000hz的泛音部分，我们就听不到了。也就是10倍的泛音以外的声音信号，就消失了。这些泛音的消失改变了波形，因此我们也能感受到音色的变化。
　　对一个实际的乐器，比如小提琴或钢琴，泛音是非常丰富的。而其基音可以达到4000hz左右（大致钢琴最高音吧），因此，只能重播到20000hz就是不足够的。一些高频乐器，比如钹或三角铁，基音甚至可以达到7000hz，那么，对一对高音延伸只到20000hz的音箱来说，相当的泛音信号也就因此消失了，而这也影响了其波形的还原，因此我们也能感受到了。而如果音箱能重播到40000hz，那么，更多的泛音信号也因此得到了保留，其叠加后的音乐信号也变得更为真实。
　　这也就是为什么音箱高音需要延伸到20000hz以上的原因。这也是为什么延伸好的音箱，其高频更为细腻、真实的原因。