音頻電平與響的前世今生

聲音概述第一頁，共四十四頁。聲音概述從物理學(xué)的觀點(diǎn)來說，聲音是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號(hào)

從肺中呼出一股氣流，經(jīng)過聲帶進(jìn)行調(diào)制成為振蕩的氣流，再經(jīng)過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音

當(dāng)揚(yáng)聲器被接通電信號(hào)后，音圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生與電信號(hào)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，然后推動(dòng)振膜或紙錐產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)鄰近的空氣隨之振動(dòng)，并向周圍傳播。第二頁，共四十四頁。聲音概述人的可聽聲范圍為：20HZ~20000HZ次聲波：低于20HZ的振動(dòng)超聲波：高于20000HZ的振動(dòng)第三頁，共四十四頁。聲音強(qiáng)弱聲音強(qiáng)則聲波振幅大，反之則振幅小第四頁，共四十四頁。聲音強(qiáng)弱聲能：聲音在運(yùn)動(dòng)中所表現(xiàn)出來的總量或者說是總體的能量通常

表

示為聲能。聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的平均聲

能，稱為聲強(qiáng)。聲強(qiáng)用I表示，單位為瓦/平米。聲強(qiáng)級(jí)：將聲強(qiáng)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，得出的與人耳聽感相符的分貝值，

單位為dBSPL。（SPL為聲強(qiáng)級(jí)SoundPressureLevel的英

文縮寫）聲壓：有聲波存在時(shí)，媒質(zhì)中的壓力與靜壓的差值。

單位是:帕（1Pa＝N/㎡)聲壓級(jí)：在某一點(diǎn)上，聲波所表現(xiàn)出的有效壓強(qiáng)。所代表的量被稱

為聲壓級(jí)。第五頁，共四十四頁。聲音強(qiáng)弱聽閾聲壓:剛能聽到的聲音的聲壓值為2×10-5Pa。痛閾聲壓:感到疼痛的聲音的聲壓值為20Pa。第六頁，共四十四頁。0分貝設(shè)定人體對(duì)人類的聽覺反應(yīng)是基于聲音的相對(duì)變化而非絕對(duì)的變化聲學(xué)領(lǐng)域中，分貝的定義是聲源功率與基準(zhǔn)聲功率比值的對(duì)數(shù)乘以10dB＝10logPa/P0該標(biāo)度以「聽覺閾」，即2x10-5Pa作為參考聲壓值P0，并定義此聲壓水平為0分貝(dB)。痛閥為：120dB第七頁，共四十四頁。各種分貝的聲音第八頁，共四十四頁。各種分貝的聲音第九頁，共四十四頁。電聲設(shè)備中聲音的衡量第十頁，共四十四頁。峰值、有效值、平均值峰值：它是指信號(hào)在一個(gè)完全周期內(nèi)（周期信號(hào)）或一定長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（非周期信號(hào)）的最大瞬時(shí)絕對(duì)值；有效值（或稱方均根值）：它是信號(hào)瞬時(shí)值平方平均值的平方根值，也即它是用與聲音信號(hào)相同功率的直流信號(hào)強(qiáng)度來代表的數(shù)值；平均值（也稱整流平均值）：它指聲音信號(hào)瞬時(shí)絕對(duì)值的平均值，也即將聲音信號(hào)進(jìn)行全波整流（取絕對(duì)值）后的直流分量數(shù)值（取平均值）。第十一頁，共四十四頁。峰值以信號(hào)電壓為例，峰值定義為：Up=│u(t)│max(-T/2≤t≤+T/2)式中：Up——聲音信號(hào)電壓在-T/2到+T/2時(shí)間間隔內(nèi)的峰值，

腳注P為PEAK的縮寫；U(t)-——信號(hào)電壓的瞬時(shí)值第十二頁，共四十四頁。有效值以信號(hào)電壓為例，有效值定義為：Urms=[∫u2(t)dt/T]1/2式中:Urms——聲音信號(hào)電壓在-T/2到+T/2時(shí)間間隔內(nèi)的有效值,腳注rms為rootmeansquare的縮寫第十三頁，共四十四頁。平均值以電壓為例定義如下：Uavg=∫∣u(t)∣dt/T式中：Uavg——聲音信號(hào)電壓在-T/2到+T/2時(shí)間間隔內(nèi)的

整流平均值，腳注avg為average的縮寫，其它同前。第十四頁，共四十四頁。準(zhǔn)峰值、準(zhǔn)平均值準(zhǔn)峰值：它是用與聲音信號(hào)相同峰值的穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值表示的數(shù)值（用Uq-p表示）準(zhǔn)平均值：它是用與聲音信號(hào)相同平均值的穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值表示的數(shù)值（用Uq-a表示）第十五頁，共四十四頁。五種值的示意圖從物理學(xué)的觀點(diǎn)來說，聲音是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號(hào)

從肺中呼出一股氣流，經(jīng)過聲帶進(jìn)行調(diào)制成為振蕩的氣流，再經(jīng)過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音

當(dāng)揚(yáng)聲器被接通電信號(hào)后，音圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生與電信號(hào)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，然后推動(dòng)振膜或紙錐產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)鄰近的空氣隨之振動(dòng)，并向周圍傳播。第十六頁，共四十四頁。五種值的示意圖從物理學(xué)的觀點(diǎn)來說，聲音是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號(hào)

從肺中呼出一股氣流，經(jīng)過聲帶進(jìn)行調(diào)制成為振蕩的氣流，再經(jīng)過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音

當(dāng)揚(yáng)聲器被接通電信號(hào)后，音圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生與電信號(hào)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，然后推動(dòng)振膜或紙錐產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)鄰近的空氣隨之振動(dòng)，并向周圍傳播。第十七頁，共四十四頁。五種值的大小比例關(guān)系up/urms≈(1~5)

或20lgup/urms≈(0~+14)dBup/uavg≈(1~4.4)

或20lgup/uavg≈(0~+13)dBuq-p=1/1.414up≈0.707upuq-a=1.414/4πuavg≈1.11uavguq-p/urms≈（0.7~3.5）或20lguq-p/urms≈（-3~+11）dBuq-p/uq-a≈10.84~2.8

或20lguq-p/uq-a≈（-4~+9）dB第十八頁，共四十四頁。五種計(jì)量表峰值計(jì)量表：峰值檢波器，按簡(jiǎn)諧信號(hào)的峰值確定刻度；準(zhǔn)峰值計(jì)量表：峰值檢波器，按簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值確定刻度，也即它的刻度值比信號(hào)的峰值低1.414倍（低3dB）；-如PPM表有效值計(jì)量表：平方律檢波器，按簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值確定刻度；平均值計(jì)量表：平均值檢波器，按簡(jiǎn)諧信號(hào)的平均值確定刻度；準(zhǔn)平均值計(jì)量表：平均值檢波器，按簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值確定刻度，也即它的刻度值比信號(hào)實(shí)際的平均值高1.414/4π倍（約高0.9dB，粗略計(jì)算高1dB）。-如VU表第十九頁，共四十四頁。計(jì)量單位功率電平LP（powerlevel）：

某一功率P與一基準(zhǔn)功率Pr相比求常用對(duì)數(shù)乘以10表示的值為功率P的功率電平，即LP=10lgP/Pr（dB）

在電聲工程領(lǐng)域內(nèi)，基準(zhǔn)功率Pr通常取為10-3W（1mW），這時(shí)功率電平的單位可記為dBm。第二十頁，共四十四頁。計(jì)量單位電壓電平Lv（voltagelevel）：

某一電壓U與一基準(zhǔn)電壓Ur相比求常用對(duì)數(shù)乘以20表示的值為電壓U的電壓電平，即Lv=20lgU/Ur（dB）由于基準(zhǔn)電壓Ur的取值不同，常用單位有下列三種：

dBm：在特定的600Ω阻抗條件下，由于1mW電功率在600Ω阻抗上

的電壓可算得為0.775V，所以Ur等于0.775V為基準(zhǔn)電壓所

求得的電壓電平值，單位為dBm。

dBu：

不考慮阻抗是否為600Ω，以Ur等于0.775V為基準(zhǔn)電壓時(shí)

所求得的電壓電平值，單位為dBu。

dBv：

以Ur等于1V為基準(zhǔn)電壓時(shí)所求得的電壓電平值，單位為

dBv。第二十一頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–VU表VU表（由英文VolumeUnit縮寫而來，也叫音量單位表）VU表是一種準(zhǔn)平均值計(jì)量表

基準(zhǔn)參考電平值以0VU表示，標(biāo)準(zhǔn)VU表的0VU相當(dāng)于信號(hào)的準(zhǔn)平均值1.228伏，并以0VU對(duì)應(yīng)100%的刻度，從0VU至滿刻度有3dB的紅色警示區(qū)域，在0VU之下至指針的起點(diǎn)的范圍，有從-20VU~0VU（dB）的指示刻度。第二十二頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–VU表時(shí)間特性

VU表的時(shí)間特性規(guī)定為：當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)0VU的1kHz簡(jiǎn)諧信號(hào)突然加入VU表時(shí)（信號(hào)源的等效內(nèi)阻為600歐姆），指針達(dá)到刻度的99%處所需的時(shí)間應(yīng)為300±30ms，指針的過沖不超過穩(wěn)態(tài)值的1.5%，過沖的擺動(dòng)不超過一次；當(dāng)信號(hào)突然消失后，指針從100%降到1%所需的時(shí)間也是300±30ms。第二十三頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–VU表用途

VU表不能反映出聲音信號(hào)的峰值變化，它基本上反映出聲音信號(hào)的聽感強(qiáng)度（所以叫音量單位表），所以在擴(kuò)音、電臺(tái)的廣播中運(yùn)用較多，但VU值有時(shí)也與聽感強(qiáng)度有誤差。第二十四頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–VU表VU表的缺點(diǎn)：跟不上信號(hào)的實(shí)際準(zhǔn)平均值電平（dB值）的變化，不能將VU值與dB值相混淆。不能完全反映出聲音信號(hào)的聽感響度（需要更短的積分時(shí)間）不能反映了聲音信號(hào)的幅擺峰尖情況（聲音信號(hào)峰平比隨其波形的不同而異）第二十五頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–PPM表PPM表是英文PeakProgramMeter縮寫而來，也叫峰值節(jié)目表。PPM表實(shí)際上是準(zhǔn)峰值電平表，因?yàn)樗遣捎梅逯禉z波器而按簡(jiǎn)諧信號(hào)的有效值確定刻度的（也用電平值標(biāo)示）標(biāo)準(zhǔn)PPM表0dB相當(dāng)于1.55伏的聲音信號(hào)準(zhǔn)峰值，從0dB至滿刻度有5dB的余量，以紅色作為警示，從指示的起點(diǎn)至0dB一般有50dB的有效指示刻度，比VU表可指示更大的動(dòng)態(tài)變化。第二十六頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–PPM表時(shí)間特性PPM表的時(shí)間特性規(guī)定為：其指示值的上升時(shí)間是1~10ms，非常短，可以準(zhǔn)確地反映出突來的強(qiáng)信號(hào)包絡(luò)變化；其下降時(shí)間為1.5s（信號(hào)下跌20dB所需的時(shí)間），相當(dāng)長(zhǎng)，以便于眼睛的觀測(cè)。第二十七頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–PPM表用途

PPM表可以準(zhǔn)確地反映出那些突來的強(qiáng)信號(hào)包絡(luò)變化（上升快），而且又便于眼睛的觀察（下降慢），能及時(shí)地反映出聲音信號(hào)的過載失真情況。第二十八頁，共四十四頁。典型計(jì)量表–PPM表PPM表缺點(diǎn)

不能直接反映出信號(hào)給人的聽覺強(qiáng)弱感，因此PPM表的指示值不能表示信號(hào)的響度。第二十九頁，共四十四頁。計(jì)量單位–DBFSdBFS(dBFullScale)是數(shù)字音頻信號(hào)電平單位，簡(jiǎn)稱滿度相對(duì)電平滿刻度電平0dBFS就是設(shè)備在正常設(shè)置下達(dá)到削波時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)電平值第三十頁，共四十四頁。VU、PPM、DBFS的關(guān)系在廣播模擬播出系統(tǒng)中，電平值選擇為0VU=+4dBu，即當(dāng)音量單位表（VU表）指示為0VU值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電平值為+4dBu根據(jù)國(guó)家廣電總局發(fā)布的《數(shù)字音頻設(shè)備的滿度電平》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿刻度電平0dBFS對(duì)應(yīng)+24dBu，即峰值儲(chǔ)備量選擇為20dB第三十一頁，共四十四頁。VU、PPM、DBFS的關(guān)系我臺(tái)現(xiàn)在遵循的標(biāo)準(zhǔn)：-20dBFS=0VU=+4dBu第三十二頁，共四十四頁。響度人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感受稱為響度決定響度的因素主要是作用在人耳的聲壓或聲強(qiáng)的大小，但兩者并不成正比，并且同樣的聲壓在不同頻率時(shí)，感覺的響度也不同大量統(tǒng)計(jì)表明：聲壓級(jí)每增加10dB，響度增加1倍第三十三頁，共四十四頁。響度影響人耳對(duì)響度感知的兩個(gè)因素：

信號(hào)持續(xù)時(shí)間：

通常，人對(duì)于一個(gè)聲信號(hào)響度級(jí)的識(shí)別以200ms為界，當(dāng)信號(hào)的持續(xù)

時(shí)間低于200ms的時(shí)候，持續(xù)時(shí)間越短，信號(hào)的響度越低。

臨界帶寬頻率控制：

相同聲強(qiáng)的兩個(gè)聲音，頻率越豐富的，人耳感覺到的響度越大。第三十四頁，共四十四頁。響度標(biāo)準(zhǔn)緣起長(zhǎng)期以來，人們對(duì)聲音響度這一主觀感知量的測(cè)量一直是以純音為基礎(chǔ)的基本定義，通過對(duì)不同聲壓級(jí)和不同頻率的對(duì)比測(cè)量而得到；傳統(tǒng)的響度單位(非國(guó)際單位)“Sone”和“Phon”就是根據(jù)人對(duì)穩(wěn)態(tài)1kHz純音聲壓級(jí)的主觀感知來定義的；大家熟知的等響曲線（見下圖）也是對(duì)穩(wěn)態(tài)的純音利用對(duì)比試聽的心理聲學(xué)的研究方式獲得的；等響曲線表明了主觀感知的響度與聲壓級(jí)以及頻率之間的關(guān)系；現(xiàn)實(shí)生活中的聲音大多數(shù)時(shí)候是由復(fù)合音構(gòu)成的，是瞬態(tài)的。第三十五頁，共四十四頁。等響度曲線第三十六頁，共四十四頁。等響度曲線由等響度曲線得出的響度系統(tǒng)性：

頻率在3KHZ到5KHZ左右的響度曲線處在最低的位置，說明人耳對(duì)這一頻段最為敏感

高聲壓級(jí)時(shí)，等響度曲線較為平坦，說明在高聲壓時(shí)，各頻率的聽感等響基本相同

在低頻段聲壓級(jí)的微小變化會(huì)導(dǎo)致響度的巨大變化第三十七頁，共四十四頁。VU表、PPM表在響度衡量上的不足人耳感知響度所需的積分時(shí)間（100-200ms）；VU表能夠比較好的幫助制作人員判斷節(jié)目響度變化，但VU表本身的設(shè)計(jì)中并沒有采用任何與主觀響度感知相關(guān)的頻率加權(quán)技術(shù)；PPM表能幫助制作人員更好地判斷信號(hào)的最大值，保護(hù)信號(hào)不被削波。但由于積分時(shí)間太短，不足以達(dá)到人感知響度所需時(shí)長(zhǎng)，依靠峰值表基本無法判斷節(jié)目的響度；同時(shí)，使用峰值電平作為節(jié)目信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化依據(jù)，也在一定程度上導(dǎo)致了今天我們所熱議的“響度競(jìng)爭(zhēng)（LoudnessWar）”。第三十八頁，共四十四頁。ITU-RBS.1770ITU在2006年頒布了ITU-RBS.1770標(biāo)準(zhǔn)，全名是“音頻節(jié)目響度和真實(shí)峰值的測(cè)量算法”；兼容了從單聲道到5.0在內(nèi)不同格式伴音的響度測(cè)量，由兩級(jí)濾波器、積分以及聲道加權(quán)組成整個(gè)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)；pre-filter：模擬人頭效應(yīng)RLB