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一套音频系统的设计就像是“搭积木”
更新时间:2019-2-13 14:22:59 编辑:寒风 文章来源:兰格电子有限公司 调整文字大小:【

  音响系统设?#39057;?#20027;要目标包含“还音”和“广播”。还音意味着需要拾取不同品质和内容的声音,广播意味着对不同环境进行统一品质的还原。而这一头一尾是发生在自然环境中,必然会受到自然环境的影响,因此如果没有一个标准化的设计过程,该音响系统将很难有很好的效果。
  打个比方,一套音响系统的设计就好像是搭积木。如果重心不在积木的中央,为了搭建得更高,势必会不断采取平衡措施。最终也许能够完成目标高度的搭建,但是其可承受的力量平衡就会小很多。转换到音响的概念上来说,就是系统的动态被减小了。


  以上以积木的搭建做了个例子,类比到音响系统中,道理是一样的。从拾音环?#36710;?#38899;量放大,到功率放大、扬声器输出,最终混?#31995;?#25193;声环境中,这一条链?#32321;?#39035;保障一个稳定的重心。否则,最终获得的扩声效果就如同左边的积木,甚至更不如。因为输入的信号是动态的,就好像积木的底座有外力推动,只要重心偏移出了黄色区块,积木必然坍塌。
  扩声流程梳理
  在此,我们需要对一个扩声流程进行一个梳理,拣选最必须的流程进行整理:


  上图所示为一个常见的单一小型扩声系统的流程。在此,我们需要?#30830;?#26512;容易产生不同品?#26102;?#21270;的?#26041;冢?#25165;有可能提出标准化建设的方案。
  首先,最难受控的就是一头一尾的两个“环境”。声音在空间环境中混合、反射,严重受到环境的影响,以至同样的设备在不同环境会出现完全不同的扩声效果。这也是音响系统较其他系统难的地方之所在。
  拾音器拾取到声音后,是否是我们所需的最佳品质,是一个很重要的?#26041;冢?#20063;是需要管控的。
  除了品质,不同的信号输入的动态也是不同的,有的人声音很小,有的器乐声音很大。这个如果没有一个要求,也是会导致系统的不确定品质输出的。
  扬声器本身也是一个有个性的产品。不同的扬声器需要不同的品质管控,然而,最终的品质管控的目的,是为了与环境融合。理想状态是输出信号的品?#35270;?#36755;入信号一致——即真正的高保真。然而,?#36136;?#26159;目前的技术还做不到这一点,尤其是在众多传输管理?#26041;?#30340;干扰下。因此,我们做系统设?#39057;?#26102;候,就需要尽量接近这一目标。
  标准化设计过程
  依照?#25910;?#30340;经验,音响系统的设计应该以矩阵为核心,?#33267;?#22836;走,独立考虑系统的需求。
  1、从输出端入手
  扩声系统的目的是为了给受众使用的,因此,有必要先从输出端考虑。
  当我们为一个环境设计时,该环境需要的音量值,其实并不是一个固定的数据。而是一个相对于环境的相对值。系统的最低值,要满足听清楚的需求,就要求大于该环境的本?#33258;?#22768;的10dB,最高值则只需要满足该环境下最低值之上满足听感的最低值?#25237;?#26421;能够和愿意承受的最大值之间即可。
  ?#28909;?#19968;个会议室,环境噪声包括空调、风机、电器设施和道路噪声。多数情况下,在30-50dB之间。我们以50dB为参照,那么我们扩声的最低值需要达到60dB即可。而最高值,则至少需要满足听感?#31995;?#21160;态变化,即60dB+15dB=75dB即可。
  当然,也许需要更多一些音量,让听觉更舒适一些,播放的音乐内容动态更大一些,因此,可以再提升一些音量。但最大值不应该超过人们在这个环境里愿意承受的最大值(决不是生理上能承受的最大值)。
  参照语言类内容动态不超过20dB,disco音乐动态10dB,一般音乐动态20dB。因此,会议室的最大值定在60dB+20dB=80dB即可。再为系统增加6dB的余额,全系统最大值满足86dB就足够此会议室的听感了。
  ?#36824;?#20197;上数据?#20849;还弧?#22240;为,我们上述分析的是人耳听到的部分。?#29575;?#19978;,音箱的安装距离人耳还有一些距离。我们需要减去距离带来的损耗。计算这个需要参考 “平方反比定律?#20445;?#22312;自由声场中,每增加一倍距离,声音衰减6dB。
  假设我们的音箱分布能够满足声场均匀度和声像要求的情况下,我们可以将会议室的音量最高值定在86dB+扩声补偿的数值。?#28909;紓?#20551;设为6dB的补偿,则系统扩声输出的最大值为86+6=92dB,系统音量范围为92dB~60dB之间,动态值为92-60=32dB。这个数据非常重要。它决定了我们选择扬声器和功率放大器的依据,同时,它也是我们设定前端信号的动态值依据。
  由32dB动态和92dB最大值这个数据,我们大概可以知道,音箱的灵敏度不是越高越好,而是它最低时能够清晰的分辨出声音的内容为最?#36873;?BR>  同样的道理可以类?#39057;?#20854;他的声场扩声需求,?#28909;?#28436;出环境的最低值和最高值之间是怎么样一个关系。
  有了动态数据,下一步就需要?#19994;?#21697;质补偿的依据了。这里所说的品质补偿,是指针对扬声器本身的缺陷而做出的补偿以及对环境的声学补偿。环境补偿往往又和声场分布设计有一定的关联。限于篇幅,环境补偿此处不再展开描述,以后文章中我们再一起探讨。这里只简单分析一下扬声器的补偿意义。
  通常,我们拿到扬声器的?#24471;?#20070;时,会有一些详细的参数,同时,还会附有扬声器的声学曲线图。这些图很好地将该音箱的工作能力体现出来了。
  那么这个曲线意味着它的工作范围,图纸中的曲线宽度就是它的频率响应范围,高度就是它的音量输出的能力范围。当它的最高?#30340;?#22815;满足我们的系统要求的最高值,而它和它配套的功率放大器输出的最低?#30340;?#22815;满足我们的最低值,那么这只音箱就是可以选择到本系统的产品。(功放输出的最低值可参考它的信噪比值)。
  但是这样还达不到我们用来作标准化设?#39057;?#35201;求,最好能够提供音箱的补偿曲线,?#20174;?#20160;么样的参数在电子设备中进行补偿,可以将此音箱的品质提升到最大化。达到最佳的品质输出。
  除了动态的参数,我们还需要一个频率带宽的参数。即我们需要多少Hz到多少Hz之间的声音内容。通常可见的要求是20Hz~20KHz。但是,这?#23548;?#19978;是理论?#31995;?#20154;耳听觉范围。不同的工作需求还是有所区别的。
  以人的声音为例,男低音82~392Hz,基准音区64~523Hz;男中音123~493Hz,男高音164~698Hz;女低音82~392Hz,基准音区160~1.2KHz;女低音123~493Hz,女高音220~1.1KHz。
  也就是说,人类的声音范围在100Hz~1.2KHz范围就可以满足听清楚的需求了。加上各类谐波,可理解的纯语音,就只需要200Hz~3.5KHz,电话机的带宽上限就是4KHz;电视机的播音上限就是8KHz;高清电话会议的带宽也就是8KHz左右。在语言传输范围内,是无限无限?#39057;?#25552;高带宽要求的。因为带宽提高会导致传输负担、相位干涉等很多其他的?#22909;?#20316;用。

  因此,我们在系统设?#39057;?#26102;候,可以定义一个系统需要的频率范围。此范围可以用来规范系统各流程的最小值,?#28909;?#25196;声器和话筒。在系统的品质补偿?#26041;冢?#23601;是对扬声器的扩声带宽进行补偿和标准化,?#28909;?#38899;箱的外置分频和均衡补偿。
  2、规范输入端标准
  当我们规范完了输出端的带宽?#25237;?#24577;之后,就需要规范输入端的标准了。很容易理解的是对不同输入信号的增益进行控制。使输入信号的最大值在标准0dB左右,并保留一点音乐峰值的余额。(详见调音技巧类文章)。
  除此之外,还存在一个输入的动态管理。我们已知本案例中,系统需要32dB的动态,不应该大于,也不应该小于这个参数。因此,我们就应该规范一下输入的动态范围。

  图示为一个多节点的动态管理器。不同于一般的动态压缩器只有一个压缩转折点,它有多达四个动态转折点。红色线段为临界值,输入和输出等值。图中,2号点标准值0dB输入和输出端保持一致;
  1号点输出最大值为我们设定的+6dB的动态许可值,即系统允许最大输入25dB的额外动态时,最大输出仅输出6dB;4号最低值为系统允许输入的最低有效值,为-32dB,而更低的值则认为是无效值,做大幅度压缩处理,-32dB~-40dB之间降低输出到-60dB。5号点-40dB之下,则认为是完全无用的声音,大幅?#20154;?#20943;。这个效果与噪声门又有不同,不会出现声音中?#31995;?#29616;象,只会平滑降低音量。
  总结
  至此,已经可以很好的规范了信号的动态管理,允许在我们系统许可的范围内正常工作,而无需担心系统过大和过小。其中保留了一个动态值3号点,可以用于特殊效果。?#28909;?#26159;音乐播放,则保留在红色线段的临界值位置,不做任何处理。如果是语音,则可以做一些调整,?#28909;?#21387;缩动态。效果区别在于演唱和语音演讲。演唱时,需要近讲效应,话筒需要距离嘴较近;而语音演讲时,需要嘴距离话筒较远,此时,就需要做较大幅度的压缩。
  当我们分别做好了输入和输出的动态管理之后,再加上根据对环境的声场补偿之后,本系统的标准化设计就可以完成了。如果是大型系统,以矩阵为分界点,分别对输出环境和输入内容进行标准化处理,就可以搭建一个标准化的音频系统了。
 

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