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1、调音技术基础知识本讲稿第一页，共五十七页1.1 频率、频谱、倍频程及相位频率、频谱、倍频程及相位 频率是电学和声学中的一个基本量。很多声学量都与频率有关，传声器灵敏度的校正、电声换能器频率特性的测量、厅堂音质的鉴定以及信号的分析都离不开频率。频率是单位时间内信号振动的次数，一般用f表示，单位是赫兹(Hz)。1Hz（赫兹）10-3kHz（千赫兹）=10-6MHz（兆赫兹）本讲稿第二页，共五十七页在声学和电学领域里，频率一般是指正弦波信号的频率。任何信号都可以认为是各种频率的正弦波叠加，或者说任何信号都含有正弦波的各种频率成分。人们通过对各种频率成分含量的分析，可以了解该信号的许多特性。例如，人的
2、声音信号可以分解为各种频率正弦信号的叠加，通过频谱分析我们可以知道，男声的高频成分要比女声的高频成分少且幅度小，男声的低频成分要比女声的低频成分多且幅度大，故男声声音较低沉浑厚，女声声音较尖细。由此可见，对信号频率的分析是非常重要的。本讲稿第三页，共五十七页人耳可听到的频率范围是20Hz20kHz。当然这只是一个大概的范围，每个人实际上听到的频率范围并不相同，一般来讲，青年人要比老年人听到的频率范围要宽，因为随着年龄的增长，人耳对高频声的听力会逐渐降低。频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20kHz的声波称为超声波。对于次声波和超声波，人耳是听不见的。本讲稿第四页，共五十七页声音可以是单
3、一频率的声音，称为纯音；而包含有几种不同成分的声音，则称为复合音。大多数的声音是由多个频率成分组合而成的复合音，如语言、音乐或噪声大多是复合音。复合音都可以分解为许多纯音之和。如果复合音的大多数纯音都集中在高频部分，就称为高频声；集中在低频部分，就称为低频声。当然，所谓高频声和低频声都是相对而言的，我们习惯上把频率低于60Hz的声音称为超低音，把60200Hz的声音称为低音，把200Hz1kHz的声音称为中音，把15kHz的声音称为中高音，而把5kHz以上的声音统称为高音。在复合音分解的信号中，频率最低的一个纯音成分称为基音；比基音频率高整数倍的纯音成分称为泛音。按频率从低到高依次称为第一泛音
4、（谐波）、第二泛音和第三泛音等等，如图1-1所示。本讲稿第五页，共五十七页图1-1复合音分解示意图本讲稿第六页，共五十七页2.频谱频谱频率是对声音进行描述的一个基本参量，它在时间上是连续的；而频谱分析则是对声音进行更为详细描述的一个重要手段。声音的频谱在时间上是离散的；声音（复合音）的频谱结构是用基频、谐频（泛音）数目、各谐频幅度大小及相位关系来描述的。每个人的声音都有自己非常特别的惟一的频谱结构，即每个人的声音都有自己的特色，正是因为这一特色的存在，我们才常常能从电话的声音里立即听出是谁在同自己讲话。本讲稿第七页，共五十七页3.倍频程倍频程倍频程是声学中常用到的一个概念，可由下式表示：式中，
5、fP为基准频率；fQ为求倍频程数的信号频率；n为倍频程数，可正可负，也可以是分数或整数。频段的划分一般以倍频程为刻度单位。在音乐中，将一倍频程分为八度，即频率每提高一倍，音调提升八度。本讲稿第八页，共五十七页4.相位相位相位是电学和声学的另一个基本量。在音响系统中，音质的改变与声音信号的相位有很大的关系，许多环绕声处理器（尤其是双声道环绕声处理器）就是通过一系列的处理过程，对声音的相位进行了相应的改变最后进行合成而形成的。另外，音响系统中设备的调整、连接等也和相位有诸多的关联。例如，若有一声音（单频）信号为u=Umsin(t+)本讲稿第九页，共五十七页则称t+为相位角，称为初相角。若有两个同频
6、声音信号：u1=Um1sin(t+)u2=Um2sin(t+2)则称=(t+1)-(t+2)=1-2为u1相对于u2的相位差。其中：若0，则u1超前u2一个；若0，则u1滞后u2一个；若=0，则u1与u2同相；若=/2，则u1与u2正交；若=，则u1与u2反相。本讲稿第十页，共五十七页1.2 声压及声压级声压及声压级1.声压声压大气静止时存在一个压力，称为大气压。当有声音在空气中传播时，局部空间产生压缩或膨胀，在压缩的地方压力增加，在膨胀的地方压力减小，于是就在原来的静止气压上附加了一个压力的起伏变化。这个由声波引起的交变压强称为声压，一般用p表示，单位是Pa（帕）。本讲稿第十一页，共五十七页
7、声压的大小反映了声音振动的强弱，同时也决定了声音的大小。在一定时间内，瞬时声压对时间取均方根值后称为有效声压。用电子仪器测量得到的通常是有效声压，人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压。声压是一个重要的声学基本量，在实际工作中我们经常会用到，例如，混响时间是通过测量声压随时间的衰减来求得的；扬声器频响是扬声器辐射声压随频率的变化；声速则常常是利用声压随距离的变化（驻波表）间接求得的。本讲稿第十二页，共五十七页2.声压级声压级人耳有一个很奇怪的特点，其主观感受的响度并不正比于声压的绝对值，而是大致正比于声压的对数值。同时，人耳能听到的最低声压（听阈值）到人耳感觉到疼痛（痛阈值）的声压之间相差近一百
8、万倍，因此用声压的绝对值来表示声音的强弱显然也是很不方便的。基于以上两方面的原因，我们常用声压的相对大小(称声压级)来表示声压的强弱。声压级用符号LP表示，单位是分贝(dB)，可用下式计算：式中，P为声压有效值；Pref为参考声压，一般取210-5Pa，这个数值是人耳所能听到的1kHz声音的最低声压，低于这一声压，人耳就再也无法觉察出声波的存在了。本讲稿第十三页，共五十七页1.3 反射、绕射及干涉反射、绕射及干涉 1.反射反射声波从一种媒质进入另一媒质的分界面时，会产生反射现象。例如，声波在空气中传播时，若遇到坚硬的墙壁，一部分声波将反射。如图1-2(a)所示，反射角等于入射角时，反射声波好像
9、从墙后的另一声源S发出来一样，S称为声像。声像S与声源S到墙壁的距离相等。当声波遇到凹面墙时，反射现象如图1-2（b）所示。声源S发出的声波经凹面墙后集中到一点S，称为声波的聚焦。当声波遇到凸面时，将产生扩散反射现象，如图1-2（c）所示。本讲稿第十四页，共五十七页图1-2反射现象本讲稿第十五页，共五十七页当声波遇到障碍物时，除了产生反射现象外，还有一部分声波将进入障碍物，称为折射。障碍物吸收声波的能力与其特性有关。声波的反射与折射现象是听音环境设计中需要考虑的问题。演播室、听音室、歌剧院和电影院中凹凸不平的墙面，就是为了使声波产生杂乱反射以形成均匀声场，并让墙壁吸收一部分能量，使这些空间具有
10、适当的混响时间。本讲稿第十六页，共五十七页2.绕射绕射当声波遇到障碍物时，会有一部分声波绕过障碍物继续向前传播，这种现象称为绕射。绕射现象示意如图1-3所示。绕射的程度取决于声波的波长与障碍物大小之间的关系。若声波的波长远大于障碍物长度尺寸，则绕射现象非常显著；若声波波长远小于障碍物长度尺寸，则绕射现象较弱，甚至不发生绕射。因此，对于同一个障碍物，频率较低的声波较易绕射，而频率较高的声波不易绕射。本讲稿第十七页，共五十七页图1-3绕射现象(a)圆柱障碍;(b)墙板障碍;(c)洞孔本讲稿第十八页，共五十七页当声波通过障碍物的洞孔时，也会发生绕射现象。当声波波长远大于洞孔尺寸时，洞孔好像一个新的点
11、声源，声波从洞孔向各个方向传播。当声波波长小于洞孔尺寸时，只能从洞孔向前方传播。由于绕射和反射的共同作用，从没有关严的门缝里传播到房间中的声波几乎和门打开时的不相上下。本讲稿第十九页，共五十七页3.干涉干涉两个频率相同、振动方向相同且步调一致的声源发出的声波相互叠加时就会出现干涉现象。如果它们的相位相同，两声波叠加后其声强加强，反之，如果它们的相位相反，两声波叠加后便会相互减弱，甚至完全抵消，如图1-4所示。由于声波的干涉作用，常使空间的声场出现固定的分布，形成波腹和波节，即出现通常所说的驻波。驻波是干涉的一种特殊情况。顾名思义，驻波有声波向前传播的运动，也有不向前传播的运动。当两个频率相同、
12、振幅相等、方向相反的正弦波同时存在时，由于它们的叠加，就变成了不传播的驻波。此时，空气的某些质点由于两个声波的振幅相反，叠加后为零而不运动，称为波节；而另一些质点在其中心位置振动，振幅最大（等于两个声波的振幅之和），称为波腹。在波节和波腹之间的各点，质点运动规律处于波节与波腹的运动规律之间。本讲稿第二十页，共五十七页图1-4干涉现象示意图本讲稿第二十一页，共五十七页造成声波干涉的条件是经常可以遇到的，下面以两只扬声器播放同频率声音的情况为例来说明：(1)当两只扬声器在同相位状态下振动发声时，由于等距关系，声波到达两扬声器之间中轴线上的各点时总是处在同相位状态，于是来自两只扬声器的声波在该处相互
13、加强。(2)当两只扬声器在反相位状态下振动发声时，情况正好相反，声波到达两扬声器之间中轴线上的各点时总是处在反相位状态，于是来自两只扬声器的声波在该处相互抵消，导致两只扬声器不如一只扬声器的声音大。本讲稿第二十二页，共五十七页这就告诉我们，连接音箱和功放时一定要保持它们正负极性的一致性，否则就会出现上述的第二种情况。当然，对于立体声系统而言，这样的结果往往还会导致声像定位不准，即声源有“飘忽”的感觉。本讲稿第二十三页，共五十七页1.4 分分 贝贝 的的 概概 念念 在电声技术中，表达放大器的增量、音响大小、噪声程度、传输线的衰减等时，要用到dB（分贝）这一计量单位，尤其是在功率与功率之间或电压
14、(流)与电压(流)之间作比较时，是用dB（分贝）表示来进行比较的。当我们用分贝表示功率、电压、电流的大小时，就是声功率级LW、声电压级LP和声强级LI以及级差L。将庞大的电压值、功率值和电流值用分贝来表示，可以在比较小的数量范围里很方便地进行计算。本讲稿第二十四页，共五十七页1.功率和分贝的关系功率和分贝的关系分贝是一个相对值，而不是一个绝对值，这在前面讲解声压级的概念时就已经涉及到。分贝值是先选择一个参考值，然后再把需要表示的绝对值与这个参考值进行比较而得出的相对量。比如，选择参考功率值P0=1W，P1是需要表示的功率值，那么(贝尔即Beil，是人名,用符号B表示）由这个公式可知，贝尔是功率
15、比值的常用对数。在实际使用中，由于贝尔的单位太大，就取1/10贝尔作单位，即分贝（dB）：本讲稿第二十五页，共五十七页表表1-1 功率级表功率级表 P1/WLW/dB101010100201000301000040本讲稿第二十六页，共五十七页从表1-1中可以看出功率从110000W，这样庞大的范围如果使用dB来表示，即用单位的级来表示是很方便的。另外，从心理学的角度来讲，功率增加10倍，多数人判断的结果是响度(是人耳对声音强弱的主观感受)增加1倍。这样的话，一个100W的声音信号就是一个10W声音信号响度的两倍。任何10dB的差值都可以不必考虑其实际功率的情况，均表示主观响度上相差一倍。例如表
16、1-1中相邻两信号的响度就相差一倍。本讲稿第二十七页，共五十七页2.电压、电流与分贝的关系电压、电流与分贝的关系表示电压的dB也是一个相对值，需要一个基准电压U0和一个需要表示的电压U1。首先，我们来看看电功率和电压的关系：因为电功率和电压的平方成正比例，所以如果电压增加2倍，功率就要增加4倍，即本讲稿第二十八页，共五十七页对电流也一样，即如果电流增加2倍，功率就要增加4倍。用电压和电流比表示以dB为单位的功率级，则应为：本讲稿第二十九页，共五十七页3.调音台实际电压的分贝表达调音台实际电压的分贝表达我国规定，以一个600电阻上得到1mW功率所需的电压值0.755V为基准电压U0，待比较电压U
17、x的电平值用分贝表示，则关于基准电压的选择，世界上许多国家对U0的电压选择有所不同。我国使用的U0为0.755V，称为dBm，有些国家选用的U0为1V，称为dBv。这样，实际使用时，基于不同基准电压选择的同一dB值，其所对应的实际电压是有差别的；而同一实际电平所表示的dB值也不相同。表1-2为dBm和dBv所代表的实际输出电压值。本讲稿第三十页，共五十七页表表1-2 电压与电压与dBm和和dBv之间的对应关系之间的对应关系 本讲稿第三十一页，共五十七页特别应引起调音员注意的是，现在有些调音台的VU表指示为0dB时，其实际的输出电压为1.23V。因此在使用调音台时，一定要留意说明书上的介绍，因为
18、这个具体的输出值是由生产厂家自己确定的。本讲稿第三十二页，共五十七页4.信噪比信噪比如果用S表示信号，用N表示噪声，则信噪比为式中：PS为信号功率，PN为噪声功率，US为信号电压，UN为噪声电压。在音响技术中，频率响应、选择性、立体声分离度等均用到了分贝这一单位。本讲稿第三十三页，共五十七页1.5 延时、混响及平均自由程延时、混响及平均自由程 1.延时延时所谓延时，就是对信号进行时间上的延迟。在延时的过程中，信号的幅度及其他的参数不会发生任何的变化，而只是时间上的延迟。延时处理是现代音响系统中一种常见的处理方法。音响系统中的延时器在音效调整中有许多特殊的作用：本讲稿第三十四页，共五十七页(1)
19、在扩声系统中用来消除回声干扰，提高清晰度，改善声像定位。例如，在卡拉OK厅中，除了台口有主音箱外，往往在后场还有后置音箱。我们知道，声音信号在音箱线中的传播速度是极快的，信号源产生的音频信号几乎是同时传到前后音箱的。对于坐在卡拉OK厅后排的人而言，后置音箱离他们较近，台口主音箱离他们较远；而声音在空气中的传播较音频信号在音箱线中的传播速度来说要慢得多，当前、后音箱距听众的距离差大约为17m左右时，人耳就能感受到这种时间差的存在。本讲稿第三十五页，共五十七页这时，坐在后排的人就会有声像定位严重错位的感觉，因为他们看见台上的演唱者在他们的前方张嘴，但由于后置音箱离他们近，后置音箱的声音首先进入他们
20、的耳朵，因此他们感觉演唱者是在他们的身后演唱，而主音箱传来的声音却像是后置音箱产生的回声。为了克服这种声像定位不准的现象，我们就常常在后置音箱和声源之间加入延时器，延时的时间约大于前置主音箱发出的声音传到后排听众耳朵所需的时间，这样，由于加入了适当的延时，主音箱发出的声音会先进入后排听众的耳朵，约过几毫秒，后置音箱发出的声音才传入人耳，音响系统声像定位不准的现象就被纠正过来了。同时，由于加入的延时器的延时时间可调，我们就可以调控回声，消除回声干扰，提高声音的清晰度。本讲稿第三十六页，共五十七页(2)在立体声放音中，可以用来扩展声像，增加立体感。本讲稿第三十七页，共五十七页 2.混响混响混响又叫
21、残响，是指声源发出的声音经过许多次反复的反射衰减后传入人耳的声音。混响与延时既有联系又有区别。首先，混响是经过许多次反复的反射后传入人耳的声音，因此，它在时间上是经过延时的，所以和延时是密切相关的；但同时，混响是经过许多次的衰减传入人耳的声音，声音信号的幅度是在递减的，所以，它和延时（声）又是有区别的，因为延时（声）的信号幅度是保持不变的。在任何一个房间中，自然混响的长短由房间的吸声量和体积决定。一般来说，吸声强且体积小的房间混响短；吸声弱而体积大的房间混响长。混响适当，听到的声音会有较好的丰满度；混响过短，听到的声音会很干，缺少“水分”；混响过长，听到的声音会很“闷”，清晰度会大大降低。本讲
22、稿第三十八页，共五十七页在音响系统中，为了弥补室内自然混响的不足，以改善和美化音色，产生各种特殊的音响效果，就必须加上混响器。但有一点需要注意，自然混响本来就比较长的房间，是不适合加入混响器的。如果为了美化音色非加不可，必须对房间进行一系列的处理之后才能加入。目前，实现混响的方式主要有：(1)声学混响室；(2)机械混响器；(3)电子混响器（包括模拟混响器和数字混响器）。本讲稿第三十九页，共五十七页3.平均自由程平均自由程室内声音在两次反射间经过的距离的平均值称为平均自由程。平均自由程的表达式为式中，U为房间容积，单位为m3，S为房间内表总面积，单位为m2。本讲稿第四十页，共五十七页1.6 功功
23、 率率 功率是衡量声音强弱的一个量，任何音响系统中，都有功率放大器。功率的一般表达式为式中，I为流过负载的电流，U为负载两端的电压，R为负载阻抗。功率放大器输出功率的表示方法有多种，如平均功率、有效功率、最大功率和音乐功率。本讲稿第四十一页，共五十七页1.平均功率、平均功率、有效功率与最大功率有效功率与最大功率正弦稳态时的功率和能量都是随时间变化的，其表达式为从式中可知，瞬时功率有时为零，有时最大，它包含一个常数项和一个正弦项，后者的角频率是2t，是电压或电流频率的两倍。由此可得出常用的功率表达式。本讲稿第四十二页，共五十七页1)平均功率瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率，记为Pav，经
24、数学推导得出通常所说的功率，都是指平均功率。平均功率在电工学上又叫有功功率。从平均功率可以看出，平均功率Pav恰好是瞬时功率最大值Um2/R的一半。本讲稿第四十三页，共五十七页2)有效功率（RMS功率）有效值功率就是对瞬时功率的均方根值，记为Prms，经数学推导得出本讲稿第四十四页，共五十七页3)最大功率最大功率瞬时功率的最大值称为最大功率，记为Pp：平均功率、有效值功率和最大功率的相互关系如下：本讲稿第四十五页，共五十七页2.音乐功率音乐功率音乐功率是指放大器工作于音乐信号时的输出功率，又称动态输出功率。本讲稿第四十六页，共五十七页1.7 立立 体体 声声 概概 念念“立体声”是人们口中经常
25、会冒出的一个常见的名词，但对其确切的概念或定义，却并非人人皆知。那么什么是立体声呢?是不是用两只或多只扬声器发出的声音就是立体声呢?答案是不一定。真正意义上的立体声必须考虑音源(磁带、CD碟片)和播放音源的设备是否是多声道的。只有当音源及播放音源的设备都是真正意义上的多声道时，用两只或两只以上的扬声器(或音箱)重放出来的声音才是真正意义上的立体声。立体声概念示意图如图1-5所示。本讲稿第四十七页，共五十七页图1-5立体声概念示意图(a)真正的立体声；(b)假立体声1；(c)假立体声2本讲稿第四十八页，共五十七页因为图1-5(a)的音源及音源播放设备都是双声道，所以扬声器重放出来的声音是真正意义
26、上的立体声。而图1-5(b)中，虽然播放设备是双声道的，但音源实际上却是单声道的，因此尽管有两只扬声器在重放声音，但重放出来的声音不是真正意义上的立体声，可称之为假立体声，比如在卡厅里唱卡拉OK时，尽管播放设备都是双声道的，但对于手持普通话筒的演唱者的人声而言，其歌声也是假立体声。在图1-5(c)中，虽然音源是双声道的，但由于其最后一级设备功放是单声道的，尽管这时其输出有两路，且扬声器也有两只，但扬声器重放出来的声音仍然是假立体声。本讲稿第四十九页，共五十七页注意，在图1-5(b)中，可能会有另一种特殊情况发生，即单声道的音源信号进入到双声道的播放设备中时，如果播放设备中的两路通道对此音频信号
27、分别进行不同的处理后再由扬声器播出，此声音应视为立体声。当然，此处所说的“不同的处理”绝不是简单的信号强弱的处理，如果仅仅只是进行强弱的处理，其重放声仍只能算作是假立体声。此“处理”应是对音频信号的频谱中除幅度强弱之外的其他参数产生影响的处理。因此立体声可以这样来定义：立体声是具有两路或两路以上的、其各路输出通道重放的声音具有除强弱差异之外的其他差异的重放声的“综合感觉声”。本讲稿第五十页，共五十七页根据立体声传输原理，在双声道立体声系统中，两个点声源(扬声器)发声的响度、相位以及时间差经空间混响后，可以再现自然声源的位置，这个被感觉到的位置称为声像。如果感到声音是从某一点发出的，那么本应在空
28、间中广泛分布的声像就被集中在了一点，立体声的效果就完全被破坏了。如果给间隔一定距离的两只扬声器以完全相同的信号，两只扬声器将发出强度相同的声音，而且对于距离两只扬声器相同距离的听音者而言是无时间差的，这时，听音者是分辨不出两个声源的，他只会感到有一个声像在两只扬声器最中间的位置。此时，当某一扬声器的发声强度增大一些时，听音者会感到声像向这只扬声器靠近，强度差愈大，声像愈靠近那只扬声器。此外，如果将其中一只扬声器后移，同时使两只扬器发出的声音到达听音者耳朵的声音强度相同，时间差也会使听音者感到声像向一边偏移。一只扬声器越向后移，声像越向离听音者近一些的扬声器靠拢。可见，强度差及时间差均会引起声像
29、偏移。本讲稿第五十一页，共五十七页图1-6立体声展宽示意图本讲稿第五十二页，共五十七页现在假定听音者位于两只扬声器连线(称为基线)的中垂线上，设为扬声器对听音者的半张角，为声像方位角，如图1-6所示。依据强度(声级)差对声像定位的正弦法则，有式中，L为左声道强度，R为右声道强度。由上式可知，由于L-RL+R，因此角总是小于角，即声像总出现于两只扬声器内侧(S1处)。为加强立体声效果，希望声像越出声像基线以外。当使(L-R)/(L+R)大于1时，声像便会移至扬声器外侧(S2处)，即声像被展宽。本讲稿第五十三页，共五十七页实际应用中，常采用“交叉反相延时”的方法来展宽声像。即将立体声左声道信号L的
30、一部分经倒相、延时衰减后(-kL)送入右声道中，与右声道信号R混合，将右声道信号R的一部分经倒相、延时衰减后(-kR)送入到左声道中，与左声道信号L混合，则新的左、右声道的信号分别为L=L-kR和R=R-kL此处k为常数，且0k，故声像得以展宽。本讲稿第五十五页，共五十七页习习 题题 一一 1.频率的定义是什么?2.声音可分为两种：纯音和复合音，平常人们说话的声音属于哪一种?3.频谱的定义是什么?4.250600Hz之间有几个倍频程?315400Hz之间有几个倍频程?本讲稿第五十六页，共五十七页5.喷气飞机起飞时的有效声压约为200Pa，其相对应的声压级为多少?普通谈话声的有效声压约为210-2Pa，其相对应的声压级为多少?6.简述干涉的概念。7.80W的功率级为多少?4mW的功率级为多少?50W和100W的级差是多少分贝?8.1V和100V以dB为单位的级差为多少分贝?9.一对音箱的有效值功率为200W，其最大功率则可达多少瓦?10.延时和混响的主要区别在于什么?本讲稿第五十七页，共五十七页