音頻基礎(chǔ)知識

1、圖 1基本音頻輸入輸出系統(tǒng)框圖1. 模擬音頻接口1.1 3.5mm接口1.1.1 插座首先要了解前置音頻插座的結(jié)構(gòu)。根據(jù)英特爾關(guān)于AC97前置音頻接口的規(guī)范，機箱的前置音頻面板采用兩種3.5毫米微型插座：1開關(guān)型的，2無開關(guān)型的，見下圖：開關(guān)型的2/3，4/5端是兩個開關(guān)，當沒有插頭插入時，2/3，4/5端是連通的，當插頭插入時2/3，4/5端斷開。無開關(guān)的就沒有3，4兩個開關(guān)端。1.1.2 二段三段四段3.5mm插頭有幾種規(guī)格，最常見的是三段式的，四段式的則在消費電子中應(yīng)用越來越多，另外也有二段式的，通常用于麥克風二段、三段式插頭如下圖所示：二芯插頭一般用于麥克，三芯插頭一般用于立體聲音耳機

2、（有源音箱）?，F(xiàn)在二芯插頭很少，所以麥克也用三芯插頭。耳機和麥克插頭的接線定義如下圖：四段式插頭根據(jù)我們市面上出現(xiàn)的不同標準的耳機插頭，耳機市場才將不同的耳機接頭方式劃分為2個類別：N版和i版，N版耳機主要是適用于NOKIA、MOTO、OPPO、BBK等手機，而我們的i版耳機插頭則主要適用于iphone、HTC、魅族和PC、MP3等電子數(shù)碼通訊設(shè)備。要了解清楚這個問題之前，我們先要認識我們耳機插頭的結(jié)構(gòu)，在市面上銷售的耳機插頭主要分為：2.5mm和3.5mm，又被分為單音耳機插頭、立體耳機插頭、四極耳機插頭、五極耳機插頭，主要普遍還是3.5mm見的居多，一般的3.5mm的耳機插頭大多都是三段式

3、的結(jié)構(gòu)，看完下圖你就清楚了！圖為普通耳機插頭三段式結(jié)構(gòu)N版耳機和i版耳機同樣是3.5mm的標準，她們之所以適用于不用的手機類型，也正是因為她們的接頭設(shè)計不同，N版和i版又有一個共同點，就是都采用的是4段式的耳機插針的結(jié)構(gòu)，不同的是N版的耳機插頭從左到右依次是左聲道、右聲道、麥克、地線，i版耳機從左到右依次是左聲道、右聲道、地線、麥克。詳情請看下圖：NOKIA耳機插頭四段式插頭結(jié)構(gòu)Iphone手機四段式耳機插頭結(jié)構(gòu)1.2 RCA接口：RCA接頭就是常說的蓮花頭。每一根 RCA線纜負責傳輸一個聲道的音頻信號，所以立體聲信號，需要使用一對線纜。對于多聲道系統(tǒng)，就要根據(jù)實際的聲道數(shù)量配以相同數(shù)量的線纜

4、。立體聲RCA音頻接口，一般將右聲道用紅色標注，左聲道則用藍色或者白色標注。RCA轉(zhuǎn)3.5mm接口1.3 XLR接口卡儂頭是一種更高端的音頻接口，是專為電容麥等高端話筒服務(wù)的?！翱▋z”是由英文CANNON音譯來的，CANNON看起來和“佳能”的英文名很像，不過兩者確實沒什么關(guān)系卡儂頭分為很多種類： 兩芯、三芯、四芯、大三芯等種類，但最常見的還是三芯卡儂頭三芯卡儂頭分為接地端、熱線（又稱火線）、；冷線（又稱零線），分別接到話筒上相應(yīng)的位置。由于接地是懸浮獨立的，所以在長距離傳輸時不易受到外界雜波訊號的干擾，專業(yè)器材多使用平衡接口就是因為它即使長距離傳輸依然具有高信噪比的優(yōu)點。另外，平衡傳輸也可大

5、幅降低共模失真。如果放大系統(tǒng)內(nèi)是真正的平衡線路，當然使用平衡接線最能發(fā)揮效果，不過只使用單端接頭，平衡線路還是會開足馬力在工作，并不會另一半線路就休息了。有相當一部分音箱和音響產(chǎn)品并不是真平衡線路，通常XLR接頭的正負半波接端會一起進入線路板的同一個點，XLR接頭在此只是好看與方便，并沒有太突出的作用。1.4 TRS接口：1/4 TRS平衡接口能提供平衡輸入/輸出。TRS的含義是Tip（signal）、Ring（signal）、Sleeve（ground）。分別代表了該接口的3個接觸點（其實與6.22mm接口一樣）。1/4 TRS平衡接口除了具有和6.22mm接口一樣的優(yōu)點耐磨損外，還具有平衡

6、口擁有的高信噪比，抗干擾能力強等特點。對于一個真正的1/4 TRS平衡接口來說，其成本將是非平衡的2倍多。因此采用1/4 TRS平衡接口的設(shè)備一般是高檔設(shè)備，只有在2000元以上的專業(yè)卡上才可以看到。1.5 Line in/Line out/Mic in/Speaker out音頻接口上一版會標注Line in/Line out/Mic in/Speaker out等名稱，使用時不能混淆。1.5.1 Line in與Mic inLine in是作為線路輸入，輸入的信號在外部設(shè)備中已經(jīng)進行過放大，因此輸入信號幅度相對較大。Mic in是作為麥克風輸入，麥克風給過來的信號通常較小，需要在內(nèi)部增加麥

7、克風放大。1.5.2 Line out和Headphone out/Speaker outLine out作為線路輸出，一般由DAC直接輸出，輸出信號相對較小，接到播放設(shè)備上還要再進行信號放大。由于后級會接阻抗很大的放大器，Line out一般輸出阻抗較大。Headphone out/Speaker out作為耳機/揚聲器輸出，在設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)進行過放大，輸出信號相對較大，直接驅(qū)動耳機/揚聲器上即可播放。由于后級直接接阻抗很低的耳機或者揚聲器，所以輸出阻抗很小。例如將耳機接到Line out上，輸出信號本身較小，并且由于阻抗問題，會發(fā)現(xiàn)聲音非常小。2. 麥克風2.1 類型2.1.1 動圈式麥克風

8、動圈話筒是由磁場中運動的導體產(chǎn)生電信號的話筒，是由振膜帶動線圈振動，從而使在磁場中的線圈感應(yīng)出電壓。特點：信號放大倍數(shù)小，失真小，聲音還原性好，指向性好，無需直流工作電壓，噪聲小，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，但靈敏度較低，一般都在5mV以內(nèi)，所以拾音距離比較近，在使用時有必須近講的限制。（備注：無線手持話筒雖然也需要裝電池，但它的電池是給發(fā)射音頻電路供電，并非給動圈音頭供電）2.1.2 電容式麥克風這類話筒的振膜就是電容器的一個電極，當振膜振動，振膜和固定的后極板間的距離跟著變化，就產(chǎn)生了可變電容量，這個可變電容量和話筒本身所帶的前置放大器一起產(chǎn)生了信號電壓。電容話筒需要供電才能工作（比如：1.5V、

9、3V、48V幻象供電等）特點：頻率特性好，在音頻范圍內(nèi)幅頻特性曲線平坦，這一點優(yōu)于動圈話筒；無方向性；靈敏度高，噪聲小，音色柔和；輸出信號電平比較大，失真小，瞬態(tài)響應(yīng)性能好，這是動圈話筒所達不到的優(yōu)點；工作特性不夠穩(wěn)定，低頻段靈敏度隨著使用時間的增加而下降，壽命比較短，工作時需要直流電源造成使用不方便。 電容話筒中有前置放大器，當然就得有一個電源，由于體積關(guān)系，這個電源一般是放在話筒之外的。除了供給電容器振膜的極化電壓外，也為前置放大器的電子管或晶體管供給必要的電壓。我們稱它為幻象電源。由于有了這個前置放大器，所以電容話筒相對要靈敏一些，在使用時不可少的一些附屬設(shè)備有：防震架（一般會隨話筒贈送

10、）、防風罩、防噴罩、優(yōu)質(zhì)的話筒架。如果要進行超近距離的錄音工作，一個防噴罩是不可少的。電容話筒從“拾音頭”上又分為駐極體式和大電容式兩種。大電容音頭體積較大，頻響寬廣而有色彩，具備高分解清晰音色，一般用來組裝錄音、播音等參數(shù)要求較高的話筒，但它又有不耐潮濕的弱點，一般都要在比較干燥的場所使用或保存，保存時要放干燥劑。駐極體式音頭體積較小，音色清晰明亮，頻響一般只有3016000Hz，往往可以消減環(huán)境的高頻和低頻噪聲，適用于人聲的拾取，一般用來組裝采訪、領(lǐng)夾、會議等話筒。2.2 指標2.2.1 靈敏度靈敏度代表麥克風將聲音能量轉(zhuǎn)換成電壓后所產(chǎn)生的輸出訊號強度，是在麥克風單位聲壓激勵下輸出電壓與輸

11、入聲壓的比值。當輸入信號固定時(1kHz)，輸出訊號越強，代表麥克風靈敏度越高。測試麥克風的靈敏度是將1kHz的訊號在94dB的音壓電平位準( SPL)下量測開路的麥克風，取得的毫伏特( millivolt )值，單位為mV / Pa。為與電路中電平的度量一致，靈敏度也可以分貝值表示。早期分貝多以單位dBm和dBV表示： 0dBm=1mW/Pa，即把1Pa輸入聲壓下給600負載帶來的1mW功率輸出定義為0dB； 0dBV=1V/ bar，把在1bar（0.1Pa）輸入聲壓下產(chǎn)生的1V電壓輸出定義為0dB?，F(xiàn)在的分貝則以單位dB表示： 0dB=0.775V/Pa，即將1Pa輸入聲壓下話筒0.77

12、5V（600負載帶來的1mW功率）電壓輸出定義為0dB(這樣就把話筒聲壓-電壓轉(zhuǎn)換后的電平度量，統(tǒng)一到電路中普遍采用的0dB= 0.775V這一參考單位)。 顯然，不論靈敏度如何表示，我們都可將它轉(zhuǎn)換為dB，前提是行輸入統(tǒng)一到Pa這個單位。例如：NEUMANN U89話筒的靈敏度是8mV/Pa，可直接由20lg(0.008V/Pa)÷(0.775V/Pa)得出其靈敏度約為-40dB。再如：AKG C414話筒的靈敏度為-60dBV，由0dBV=1V/bar=10V/Pa先求出1Pa聲壓下-60dBV的輸出電壓X：20lg(X V/Pa)÷(10V/Pa)=-60 得出X=0

13、.01(V)，即它的靈敏度為10mV/Pa。再由式20lg(0.01V/Pa)÷(0.775V/Pa) 可得其靈敏度約為-37dB。注：1bar=100kPa低靈敏度話筒比高靈敏度話筒需要有更大的調(diào)音臺增益。但過高的增益會導致更大的噪聲。在為一種平靜的音樂（古典吉他、弦樂四重奏）在一定距離下拾音時，可使用一支高靈敏度話筒，而不必考慮調(diào)音臺的噪音。當對大音量樂隊或近距離拾音時，靈敏度就不那么重要了。因為話筒的信號電平要比調(diào)音臺的噪聲級要高出許多。也就是說信號噪聲比很高。下面列出了3種類型話筒的靈敏度指標： 電容話筒：5.6mv/Pa(高靈敏度) 動圈話筒：1.8mv/Pa(中靈敏度)

14、帶式或小型動圈話筒：1.1mv/Pa（低靈敏度）2.2.2 信噪比信噪比是原始信號和麥克風自身內(nèi)部噪聲強度的比值，以dB為單位。一般可以94dB SPL減去內(nèi)部噪聲強度( A-weighted)來計算。信噪比越高，音訊放大越干凈。2.2.3 等效噪聲電平( Equivalent noise level)等效噪音電平又稱內(nèi)部噪聲( self noise)。麥克風的內(nèi)部噪聲在無聲音訊號輸入狀態(tài)時可來自若干個方面： 1.供給麥克風電源的電壓波動(偏置電壓)引起的電子噪音 2.內(nèi)部材質(zhì)電阻(熱噪訊)， 3.外部射頻發(fā)射器的干擾等。(手機）2.2.4 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)又稱帶寬(frequency ran

15、ge)，是指麥克風感應(yīng)聲波頻率的范圍，并將聲波能量忠實的轉(zhuǎn)換為電子訊號的能力。麥克風接受到不同頻率聲音時，輸出信號會隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。一般以頻率響應(yīng)曲線圖標之。2.2.5 指向性一般分為心形、超心形、8字形、槍式、全向指向等。請看圖02 話筒指向示意圖2.2.6 輸出阻抗當一個設(shè)備的輸出接到另一個設(shè)備的輸入時，前面的輸出阻抗和后面的輸入阻抗已經(jīng)串聯(lián)在一起了。形成一個分所謂的阻抗匹配，阻抗匹配要做的就是盡量將電壓傳到下一個設(shè)備，高質(zhì)量的麥克風阻抗都很低，高頻衰減低，可使用將近60公尺長的信號線而不至失真。而且靜電雜音較少、適合專業(yè)錄音。高阻抗麥克風容易感應(yīng)日光燈或馬達產(chǎn)生的靜電雜音

16、，且有明顯的高頻衰減，不適合專業(yè)始用，訊號線長度不宜超過3公尺。話筒阻抗是指話筒在1kHz時的有效輸出電阻。阻抗在150600的話筒為低阻話筒；10004000的話筒為中阻話筒；高于25k以上的話筒為高阻話筒。通常要使用的是低阻話筒。這樣可以用較長的話筒線而不致拾取交流聲或是損失高頻部分。調(diào)音臺的話筒輸入口的輸入阻抗約為1500。如果調(diào)音臺與話筒的阻抗相等，例如都為250，那么當話筒接入調(diào)音臺后，將會引起“負載下降”。負載的下降將引起電平的損失、失真或是聲音變薄。為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，調(diào)音臺的話筒輸入阻抗必須高于話筒的阻抗。不過，這種輸入阻抗仍稱之為低阻抗輸入。2.2.7 平衡與非平衡平衡線由

17、兩根導線和一根屏蔽線構(gòu)成；非平衡線中則只有一根導線，用屏蔽線代替第二根導線。 平衡線的優(yōu)點在于，該線的兩根導線拾取不需要的噪聲信號的強度相等，因而二者能互相抵消掉。而非平衡線則把噪聲信號傳輸?shù)骄€路的下一級。 如果音頻信號很強或非平衡線很短，可能不會聽到噪聲。但話筒線一般都很長，想想看，我們是從錄音間拉出線來，經(jīng)傳聲盒過墻后再進入控制室的調(diào)音、錄音系統(tǒng)的。所以，我們要使用平衡線，并相應(yīng)地使用平衡的插頭：XLR/俗稱卡農(nóng)頭或公母頭；或者是大三芯的TRS。2.3 供電2.3.1 駐極體麥克風供電駐極體電容器麥克風內(nèi)部有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜并將其接地，另一極板接在場效應(yīng)晶體管的柵極

18、上，柵極與源極之間接有一個二極管。當駐極體膜片本身帶有電荷，表面電荷地電量為Q，板極間地電容量為C，則在極頭上產(chǎn)生地電壓U=Q/C，當受到振動或受到氣流地摩擦時，由于振動使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會引起電壓的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱。駐極體電容器麥克風由于具有一系列優(yōu)點，稱為了使用最廣泛的麥克風類型。市面上常見的駐極體電容器麥克風都在內(nèi)部集成了一個場效應(yīng)管(FET)。駐極體電容的一端接到了FET 的Gate 端，見圖1的虛線框所示。圖 1 駐極體電容器麥克風的供電電路上圖中還給出了駐極體電容器麥克風的供電電路，通常供電電壓U 選擇在35V 就可以了，

19、電阻R 在2K到5K之間，電容通常選擇10uF 左右就足夠了。這種類型的麥克風通常采用3.5mm 接口，就是我們常見的耳機接口。有些用3.5mm 單聲道接口，有些用的是3.5mm 雙聲道的接口。其實都一樣，真正有用的只有兩根線。圖2 給出了3.5mm 雙聲道的接口時的接線方式。3.5mm 接口的連線示意圖2.3.2 幻象供電幻象供電方式是現(xiàn)今專業(yè)麥克風領(lǐng)域最常用的供電方式?；孟蠊╇娺@種方式是由電報工程師發(fā)明的。他們利用平衡傳輸線作為一條導體，大地作為另一個導體構(gòu)成一個信號回路，這種方式可以省掉一根電線。由于供電傳輸?shù)氖枪材Ｐ盘?，對平衡傳輸線上的差模信號是沒有影響的。所以即使噪聲進入了電源，也不

20、會影響傳輸?shù)男盘?。IEC 61938的7.4小節(jié)給出了幻象供電的標準?；孟笸ǔ?8VDC，現(xiàn)在也有采用12VDC的。曾經(jīng)有一段時間還有個24V 供電的版本(P24)，但是現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰出局了。采用幻象供電的麥克風通常采用 XLR 接頭，這種接頭也被稱為卡農(nóng)頭?，F(xiàn)在也有些麥克風采用6.35mm （1/4 英寸）耳機接頭。 圖 1 幻象供電麥克風的接口方式 圖1 是一種最常用的供電方式。48V 電源通過兩個6.8K 電阻導入平衡傳輸線。平衡信號通過隔離變壓器變?yōu)閱味诵盘栞敵觥Ｈ绻皇褂米儔浩?，可以兩個隔直電容將供電隔離，然后用差分放大器將差模信號提取出來。如果我們現(xiàn)有的前置放大器只有單端信號放大

21、能力，也可以只利用差分信號線中的一根來提取信號，如圖2 所示。這種方法抗干擾能力稍差，但是對于大多數(shù)的應(yīng)用來說也足夠了。大量的實踐證明，麥克風信號的噪聲主要來自于錄音環(huán)境的背景噪聲而不是電子學電路的噪聲。不過許多人可能都沒有正視這一結(jié)論。圖 2 平衡信號的非平衡處理方式如果我們的隔離變壓器帶有中心抽頭，那么幻象供電可以采用如圖3所示的方式。這種方式的實際效果也非常好。圖 3 使用帶中心抽頭的隔離變壓器時的供電電路3. 揚聲器/耳機3.1 揚聲器3.1.1 揚聲器分類揚聲器的種類很多，按其換能原理可分為電動式（即動圈式）、靜電式（即電容式）、電磁式（即舌簧式）、壓電式（即晶體式）等幾種，后兩種多

22、用于農(nóng)村有線廣播網(wǎng)中，電動式揚聲器具有電聲性能好、結(jié)構(gòu)牢固、成本低等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛；按頻率范圍可分為低頻揚聲器、中頻揚聲器、高頻揚聲器，這些常在音箱中作為組合揚聲器使用；按聲輻射材料分紙盆式、號筒式、膜片式；按紙盆形狀分圓形、橢圓形、雙紙盆和橡皮折環(huán)；按音圈阻抗分低阻抗和高阻抗。3.1.2 性能指標揚聲器的主要性能指標有：靈敏度、頻率響應(yīng)、額定功率、額定阻抗、指向性以及失真度等參數(shù)。1. 額定功率揚聲器的功率有標稱功率和最大功率之分。標稱功率稱額定功率、不失真功率。它是指揚聲器在額定不失真范圍內(nèi)容許的最大輸入功率，在揚聲器的商標、技術(shù)說明書上標注的功率即為該功率值。最大功率是指揚聲器在某一瞬間

23、所能承受的峰值功率。為保證揚聲器工作的可靠性，要求揚聲器的最大功率為標稱功率的23倍。2. 額定阻抗揚聲器的阻抗一般和頻率有關(guān)。額定阻抗是指音頻為400Hz時，從揚聲器輸入端測得的阻抗。它一般是音圈直流電阻的1.21.5倍。一般動圈式揚聲器常見的阻抗有4、8、16、32等。3. 頻率響應(yīng)給一只揚聲器加上相同電壓而不同頻率的音頻信號時，其產(chǎn)生的聲壓將會產(chǎn)生變化。一般中音頻時產(chǎn)生的聲壓較大，而低音頻和高音頻時產(chǎn)生的聲壓較小。當聲壓下降為中音頻的某一數(shù)值時的高、低音頻率范圍，叫該揚聲器的頻率響應(yīng)特性。理想的揚聲器頻率特性應(yīng)為2020KHz，這樣就能把全部音頻均勻地重放出來，然而這是做不到的。每一只揚

24、聲器只能較好地重放音頻的某一部分。4. 失真揚聲器不能把原來的聲音逼真地重放出來的現(xiàn)象叫失真。失真有兩種：頻率失真和非線性失真。頻率失真是由于對某些頻率的信號放音較強，而對另一些頻率的信號放音較弱造成的，失真破壞了原來高低音響度的比例，改變了原聲音色。而非線性失真是由于揚聲器振動系統(tǒng)的振動和信號的波動不夠完全一致造成的，在輸出的聲波中增加一新的頻率成分。5. 指向特性用來表征揚聲器在空間各方向輻射的聲壓分布特性，頻率越高指向性越狹，紙盆越大指向性越強。3.2 耳機3.2.1 耳機分類1. 動圈耳機：目前絕大多數(shù)的耳機耳塞都屬于動圈式耳機，原理類似于小時候拆過的收音機喇叭，處于永磁場中的線圈與振

25、膜相連，線圈在信號電流驅(qū)動下帶動振膜發(fā)聲。2. 動鐵耳機：動鐵單元通過銜鐵驅(qū)動組件中間的銜鐵在磁場內(nèi)運動，通過一個結(jié)構(gòu)精密的連接棒傳導到一個微型振膜的中心點，從而產(chǎn)生振動并發(fā)聲。此類耳機多為入耳式，因為可以把動鐵單元做的非常小因此可以將兩個三個甚至更多單元放入耳道，分別負責不同音域的處理。音效能與高級喇叭系統(tǒng)相媲美。想要詳細了解動鐵耳機原理的可以參考下面這個文檔。3. 靜電耳機：靜電耳機的原理是振膜處于變化的電場中，振膜極薄，可以精確到微米級，線圈在電場力的驅(qū)動下帶動振膜發(fā)聲。靜電耳機的結(jié)構(gòu)相對于動圈耳機有著天然的優(yōu)勢，靜電耳機可以控制振膜的最小點要比動圈耳機小很多，用顯示器的分辨率作個比喻就

26、是，在同尺寸的顯示器上，靜電耳機的分辨率達到1024乘768，而動圈耳機只能達到800乘600，更小的點組成的聲音更為細膩精準。3.2.2 耳機參數(shù)1. 阻抗（）耳機阻抗其實是耳機交流阻抗的簡稱，它的大小是線圈直流電阻與線圈感抗之和。驅(qū)動阻抗越高的耳機，需要設(shè)備的輸出功率就越大。阻抗越大，音源輸出影響越小，耳機能夠得到的電壓越就接近音源。越接近，真實程度就越高。同時阻抗越大，會導致得到的功率越小。也就是說能量就越少，即“聲音越小”。2. 靈敏度（dB/mW）平時所說的耳機的靈敏度實際上是耳機的靈敏度級，它是施加于耳機上1mW的電功率時，耳機所產(chǎn)生的聲壓級。也就是說，耳機的靈敏度越高所需要的輸入功率越小，在同樣功率的音源下輸出的聲音越大。3. 失真率耳機的失真率一般情況下來說很小，在承受最大功率時，其總諧波失真（THD）小于等于1%，基本是不可聞的。失真是指音響系統(tǒng)對音源信號進行重放后，使原音源信號的某些部分（波形、頻率等等）發(fā)生了變化。音響調(diào)到大音量帶來的失真會使高音刺耳、中音不清、低音渾濁，失真屬于噪音的一種。4. 頻率響應(yīng)范圍（Hz）靈敏度在不同的頻率有不同的數(shù)值，這就是頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)范圍是指在振幅允許的范圍內(nèi)音響系統(tǒng)能夠重放的頻率范圍，以及在此范圍內(nèi)信號的變化量稱為頻率響應(yīng)。人耳的聽覺范圍是2020000Hz，超出這個范圍