音頻電平與響的前世今生

聲音概述當前第1頁\共有44頁\編于星期日\17點聲音概述從物理學的觀點來說，聲音是一種機械波，是機械振動在彈性媒質中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號

從肺中呼出一股氣流，經過聲帶進行調制成為振蕩的氣流，再經過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復雜的振動信號。揚聲器發(fā)出的聲音

當揚聲器被接通電信號后，音圈在磁場中產生與電信號相關的運動，然后推動振膜或紙錐產生振動，從而帶動鄰近的空氣隨之振動，并向周圍傳播。當前第2頁\共有44頁\編于星期日\17點聲音概述人的可聽聲范圍為：20HZ~20000HZ次聲波：低于20HZ的振動超聲波：高于20000HZ的振動當前第3頁\共有44頁\編于星期日\17點聲音強弱聲音強則聲波振幅大，反之則振幅小當前第4頁\共有44頁\編于星期日\17點聲音強弱聲能：聲音在運動中所表現出來的總量或者說是總體的能量通常

表

示為聲能。聲強：單位時間內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。聲強用I表示，單位為瓦/平米。聲強級：將聲強進行對數運算，得出的與人耳聽感相符的分貝值，

單位為dBSPL。（SPL為聲強級SoundPressureLevel的英

文縮寫）聲壓：有聲波存在時，媒質中的壓力與靜壓的差值。

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

為聲壓級。當前第5頁\共有44頁\編于星期日\17點聲音強弱聽閾聲壓: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。當前第6頁\共有44頁\編于星期日\17點0分貝設定人體對人類的聽覺反應是基于聲音的相對變化而非絕對的變化聲學領域中，分貝的定義是聲源功率與基準聲功率比值的對數乘以10dB＝10logPa/P0該標度以「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當前第7頁\共有44頁\編于星期日\17點各種分貝的聲音當前第8頁\共有44頁\編于星期日\17點各種分貝的聲音當前第9頁\共有44頁\編于星期日\17點電聲設備中聲音的衡量當前第10頁\共有44頁\編于星期日\17點峰值、有效值、平均值峰值：它是指信號在一個完全周期內（周期信號）或一定長的時間內（非周期信號）的最大瞬時絕對值；有效值（或稱方均根值）：它是信號瞬時值平方平均值的平方根值，也即它是用與聲音信號相同功率的直流信號強度來代表的數值；平均值（也稱整流平均值）：它指聲音信號瞬時絕對值的平均值，也即將聲音信號進行全波整流（取絕對值）后的直流分量數值（取平均值）。當前第11頁\共有44頁\編于星期日\17點峰值以信號電壓為例，峰值定義為：Up=│u(t)│max(-T/2≤t≤+T/2)式中：Up——聲音信號電壓在-T/2到+T/2時間間隔內的峰值，

腳注P為PEAK的縮寫；U(t)-——信號電壓的瞬時值當前第12頁\共有44頁\編于星期日\17點有效值以信號電壓為例，有效值定義為：Urms=[∫u2(t)dt/T]1/2式中:Urms——聲音信號電壓在-T/2到+T/2時間間隔內的有效值,腳注rms為rootmeansquare的縮寫當前第13頁\共有44頁\編于星期日\17點平均值以電壓為例定義如下：Uavg=∫∣u(t)∣dt/T式中：Uavg——聲音信號電壓在-T/2到+T/2時間間隔內的

整流平均值，腳注avg為average的縮寫，其它同前。當前第14頁\共有44頁\編于星期日\17點準峰值、準平均值準峰值：它是用與聲音信號相同峰值的穩(wěn)態(tài)簡諧信號的有效值表示的數值（用Uq-p表示）準平均值：它是用與聲音信號相同平均值的穩(wěn)態(tài)簡諧信號的有效值表示的數值（用Uq-a表示）當前第15頁\共有44頁\編于星期日\17點五種值的示意圖從物理學的觀點來說，聲音是一種機械波，是機械振動在彈性媒質中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號

從肺中呼出一股氣流，經過聲帶進行調制成為振蕩的氣流，再經過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復雜的振動信號。揚聲器發(fā)出的聲音

當揚聲器被接通電信號后，音圈在磁場中產生與電信號相關的運動，然后推動振膜或紙錐產生振動，從而帶動鄰近的空氣隨之振動，并向周圍傳播。當前第16頁\共有44頁\編于星期日\17點五種值的示意圖從物理學的觀點來說，聲音是一種機械波，是機械振動在彈性媒質中的傳播。人講話發(fā)出的語言信號

從肺中呼出一股氣流，經過聲帶進行調制成為振蕩的氣流，再經過咽腔、口腔、鼻腔等的共鳴作用，從口和鼻向周圍空氣傳播復雜的振動信號。揚聲器發(fā)出的聲音

當揚聲器被接通電信號后，音圈在磁場中產生與電信號相關的運動，然后推動振膜或紙錐產生振動，從而帶動鄰近的空氣隨之振動，并向周圍傳播。當前第17頁\共有44頁\編于星期日\17點五種值的大小比例關系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當前第18頁\共有44頁\編于星期日\17點五種計量表峰值計量表：峰值檢波器，按簡諧信號的峰值確定刻度；準峰值計量表：峰值檢波器，按簡諧信號的有效值確定刻度，也即它的刻度值比信號的峰值低1.414倍（低3dB）；-如PPM表有效值計量表：平方律檢波器，按簡諧信號的有效值確定刻度；平均值計量表：平均值檢波器，按簡諧信號的平均值確定刻度；準平均值計量表：平均值檢波器，按簡諧信號的有效值確定刻度，也即它的刻度值比信號實際的平均值高1.414/4π倍（約高0.9dB，粗略計算高1dB）。-如VU表當前第19頁\共有44頁\編于星期日\17點計量單位功率電平LP（powerlevel）：

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

在電聲工程領域內，基準功率Pr通常取為10-3W（1mW），這時功率電平的單位可記為dBm。當前第20頁\共有44頁\編于星期日\17點計量單位電壓電平Lv（voltagelevel）：

某一電壓U與一基準電壓Ur相比求常用對數乘以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為基準電壓時

所求得的電壓電平值，單位為dBu。

dBv：

以Ur等于1V為基準電壓時所求得的電壓電平值，單位為

dBv。當前第21頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–VU表VU表（由英文VolumeUnit縮寫而來，也叫音量單位表）VU表是一種準平均值計量表

基準參考電平值以0VU表示，標準VU表的0VU相當于信號的準平均值1.228伏，并以0VU對應100%的刻度，從0VU至滿刻度有3dB的紅色警示區(qū)域，在0VU之下至指針的起點的范圍，有從-20VU~0VU（dB）的指示刻度。當前第22頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–VU表時間特性

VU表的時間特性規(guī)定為：當穩(wěn)態(tài)時達0VU的1kHz簡諧信號突然加入VU表時（信號源的等效內阻為600歐姆），指針達到刻度的99%處所需的時間應為300±30ms，指針的過沖不超過穩(wěn)態(tài)值的1.5%，過沖的擺動不超過一次；當信號突然消失后，指針從100%降到1%所需的時間也是300±30ms。當前第23頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–VU表用途

VU表不能反映出聲音信號的峰值變化，它基本上反映出聲音信號的聽感強度（所以叫音量單位表），所以在擴音、電臺的廣播中運用較多，但VU值有時也與聽感強度有誤差。當前第24頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–VU表VU表的缺點：跟不上信號的實際準平均值電平（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的聽感響度（需要更短的積分時間）不能反映了聲音信號的幅擺峰尖情況（聲音信號峰平比隨其波形的不同而異）當前第25頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–PPM表PPM表是英文PeakProgramMeter縮寫而來，也叫峰值節(jié)目表。PPM表實際上是準峰值電平表，因為它是采用峰值檢波器而按簡諧信號的有效值確定刻度的（也用電平值標示）標準PPM表0dB相當于1.55伏的聲音信號準峰值，從0dB至滿刻度有5dB的余量，以紅色作為警示，從指示的起點至0dB一般有50dB的有效指示刻度，比VU表可指示更大的動態(tài)變化。當前第26頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–PPM表時間特性PPM表的時間特性規(guī)定為：其指示值的上升時間是1~10ms，非常短，可以準確地反映出突來的強信號包絡變化；其下降時間為1.5s（信號下跌20dB所需的時間），相當長，以便于眼睛的觀測。當前第27頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–PPM表用途

PPM表可以準確地反映出那些突來的強信號包絡變化（上升快），而且又便于眼睛的觀察（下降慢），能及時地反映出聲音信號的過載失真情況。當前第28頁\共有44頁\編于星期日\17點典型計量表–PPM表PPM表缺點

不能直接反映出信號給人的聽覺強弱感，因此PPM表的指示值不能表示信號的響度。當前第29頁\共有44頁\編于星期日\17點計量單位–DBFSdBFS(dBFullScale)是數字音頻信號電平單位，簡稱滿度相對電平滿刻度電平0dBFS就是設備在正常設置下達到削波時所對應的模擬信號電平值當前第30頁\共有44頁\編于星期日\17點VU、PPM、DBFS的關系在廣播模擬播出系統(tǒng)中，電平值選擇為0VU=+4dBu，即當音量單位表（VU表）指示為0VU值時，所對應的電平值為+4dBu根據國家廣電總局發(fā)布的《數字音頻設備的滿度電平》行業(yè)標準，滿刻度電平0dBFS對應+24dBu，即峰值儲備量選擇為20dB當前第31頁\共有44頁\編于星期日\17點VU、PPM、DBFS的關系我臺現在遵循的標準：-20dBFS=0VU=+4dBu當前第32頁\共有44頁\編于星期日\17點響度人耳對聲音強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的大小，但兩者并不成正比，并且同樣的聲壓在不同頻率時，感覺的響度也不同大量統(tǒng)計表明：聲壓級每增加10dB，響度增加1倍當前第33頁\共有44頁\編于星期日\17點響度影響人耳對響度感知的兩個因素：

信號持續(xù)時間：

通常，人對于一個聲信號響度級的識別以200ms為界，當信號的持續(xù)

時間低于200ms的時候，持續(xù)時間越短，信號的響度越低。

臨界帶寬頻率控制：

相同聲強的兩個聲音，頻率越豐富的，人耳感覺到的響度越大。當前第34頁\共有44頁\編于星期日\17點響度標準緣起長期以來，人們對聲音響度這一主觀感知量的測量一直是以純音為基礎的基本定義，通過對不同聲壓級和不同頻率的對比測量而得到；傳統(tǒng)的響度單位(非國際單位)“Sone”和“Phon”就是根據人對穩(wěn)態(tài)1kHz純音聲壓級的主觀感知來定義的；大家熟知的等響曲線（見下圖）也是對穩(wěn)態(tài)的純音利用對比試聽的心理聲學的研究方式獲得的；等響曲線表明了主觀感知的響度與聲壓級以及頻率之間的關系；現實生活中的聲音大多數時候是由復合音構成的，是瞬態(tài)的。當前第35頁\共有44頁\編于星期日\17點等響度曲線當前第36頁\共有44頁\編于星期日\17點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，說明人耳對這一頻段最為敏感

高聲壓級時，等響度曲線較為平坦，說明在高聲壓時，各頻率的聽感等響基本相同

在低頻段聲壓級的微小變化會導致響度的巨大變化當前第37頁\共有44頁\編于星期日\17點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表本身的設計中并沒有采用任何與主觀響度感知相關的頻率加權技術；PPM表能幫助制作人員更好地判斷信號的最大值，保護信號不被削波。但由于積分時間太短，不足以達到人感知響度所需時長，依靠峰值表基本無法判斷節(jié)目的響度；同時，使用峰值電平作為節(jié)目信號的標準化依據，也在一定程度上導致了今天我們所熱議的“響度競爭（LoudnessWar）”。當前第38頁\共有44頁\編于星期日\17點ITU-RBS.1770ITU在2006年頒布了ITU-RBS.1770標準，全名是“音頻節(jié)目響度和真實峰值的測量算法”；兼容了從單聲道到5.0在內不同格式伴音的響度測量，由兩級濾波器、積分以及聲道加權組成整個計權網絡；pre-filter：模擬人頭效應RLBfilter：響度主觀