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音频基础之声音的特性 Presented By:Kane Zhang Audio Basics 1 Properties of Sound 亚太区技术支持亚太区技术支持 Citrix “Go To Training”Kane Zhang Email Address: Cell in Hongkong:[phone] Cell in China:[phone] Skype:biamp.kanezhang Biamp Systems|9300 SW Gemini Dr.Beaverton,OR 97008 |tel:[phone].641.7287|fax:[phone] 声音是什么？声音的特性 什么是dB？等响曲线 平方反比定律 今天给大家介绍,音频系统 室内声学特性 声学增益 声音信号级别 平衡与非平衡连接 声音的定义：物理学：物理学：声波，是由振动物体产生，并在媒介中传播。声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程，而不发生质量的传递。生物学：生物学：是指声波作用于听觉器官所引起的一种主观感觉。小问题：声音在真空里可以传播吗？声波 声音的特性：音调 响度 音色 频率 强度 声谱（频谱）声音物理特性：人耳主观感觉：小问题：音色和音调有什么不同？声音的特性：Harmonics 谐波/泛音 复合音 基波 一次泛音 二次泛音 三次泛音 四次泛音 中音C=523 Hz 小常识：泛音是基波频率的整数倍 声音的特性：cycle 1 cycle Wavelength Amplitude Pressure 0+-速度、周期、波长、频率、振幅、频宽 声音的速度 与媒介的温度和密度有关 空气中的速度=331.4+0.6 x T(C)m/s 声音的特性：周期（T）：完成往復運動一次所需的時間。单位：s 频率（F）：周期的倒数即f=1/T 单位：Hz 波长（）：指沿着波的传播方向，在波的图形中相对平衡位置的位移时刻相 同的相邻的两个质点之间的距离。v=f 单位：m cycle 1 cycle 0+-周期 声音的特性：声压 小常识：声波的频率范围：（0.0001Hz10的12次方Hz以上）声音的特性：纯音：纯音指声压的时间波形为正弦函数的声音。复合音：是由频率不同、振幅不同和相位不同的正弦波叠加形成的，带宽:通常指音频信号所占据的频带宽度 声音的特性：Keyboard instruments Piano Pipe organ Singers Soprano Alto Tenor Percussion instruments Cymbals Bass drum Wind instruments(woods)Flute Clarinet Wind instruments(metals)Trumpet Trombone Tuba String instruments Violin Cello Hz 16.4 32.7 65.4 131 261 523 1046 2093 4186 8372 16000 Keyboard instruments Piano Pipe organ Singers Soprano Alto Tenor Percussion instruments Cymbals Bass drum Wind instruments(woods)Flute Clarinet Wind instruments(metals)Trumpet Trombone Tuba String instruments Violin Cello Hz 16.4 32.7 65.4 131 261 523 1046 2093 4186 8372 16000 频响范围，全称是频率响应范围，也叫频率特性。频率响应是指在振幅允许的范围内音响系统能够重放的频率范围，以及在此范围内信号的变化量称为频率响应 例如：人耳的听力范围:20Hz 20KHz 模拟电话系统:300Hz 3.4KHz 宽带VoIP(G722):50Hz 7KHz 声音的特性：声音的特性：振幅：是在波动或振动中距离平衡位置或静止位置的最大位移 0 声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压。声压的单位是帕斯卡（pa）。声音的特性：例如人在讲话时，正面声音最大，背面声音最小。频率越高指向性越强 声音的指向性 什么是dB?DB 是一个纯计数单位,即分贝。把一个很大的数比较简短地表示出来 例如：声压用P表示。人耳的听阈的声压:P0=2105 Pa 声压级（sound pressure level）dB SPL=20log(P/P0)dB DIRECT SOUNDS EXPOSURE TIME 140 喷气式飞机起飞 130 凿岩锤 120 痛阈痛阈 Less than 7 minutes 115 摇滚音乐会 15 Minutes 110 夜总会 30 Minutes 105 大声叫嚷 1 Hour 100 工厂 2 Hours 95 地铁 4 Hours 90 堵塞的交通 8 Hours 80 繁忙的大街 70 饭馆 60 正常交谈 50 郊区住宅的房间 40 安静的会议室 30 低声耳语 20 超级安静的录音室 10 无回音室消音室 0 人耳听阈 Pa 200 63 20 11.246 6.3 3.556 2.0 1.124 0.63 0.2 0.063 0.02 0.00063 0.00020 0.000063 0.000020 0.0063 0.0020 危险区域 人耳的听音范围很宽，从痛阈到听阈的声压相差100万倍。而我们所感觉到的音量的变化却与声压变化的对数成正比。什么是dB?音响系统中常遇到的dB 例如：0 dBSPL=听阈(0.00002Pa)-声压级 0 dBu/dBv=0.775 Volts -电平级 0 dBV=1 Volt -电压分贝 0 dBm=1 mW -毫瓦分贝 0 dBFS 为最大值 -满刻度电平 是用于带有A/D和D/A转换器的数字音频设备的一项指标。“满刻度”是指转换器可能达到“数字过载”之前的最大可编码模拟信号电平。大部分设备中 0dBFS所对应的模拟电平为+24dBu 什么是dB?dB的计算：通常我们的计算为加法 例如：60dBSPL+60dBSPL=120dBSPL?实际上是说在同一点的相同的声压进行了叠加 60dB=20Log(P/P0)60dB+60dB=20Log(P/P0)=20Log(P/P0)+Log2=60+3=63dB 换句话说，当音箱的输出功率增加一倍时，在相同距离上的声压增加个dB 高声压级高声压级+低声压级高声压级+3dB 小常识：普通人能分辨的最小声压级的变化为 2-3个dB 当声压级增加10个dB时，人耳感觉音量增加了一倍。人耳的听觉等响曲线人耳的听觉等响曲线 声音的传播 平方反比定平方反比定律：律：声波能量随与声源之间距离的平方而下降 距离增大一倍，声压衰减个dB a a a a a a a a a a a a a a d 2d 3d 点声源 I I/4 I/9 声波与音频 声/电 换能设备 音频处理设备 电/声 换能设备 声波 声波 音频 音频 小问题：一个音频信号究竟是声音的_形式的代表？1.声学 2.电学 音响系统 可以提供音频处理和放大的一系列设备的总称：听音效果更好 响度增加 可以将声音进行远距离传输 Mixer Amplifier Sound source Speakers PR14:Large Hall Delay&Reverb Processor Recorder Source Amplified 系统构成：输入设备 信号处理器 功率放大器 输出设备 Biamp makes these 音响系统 输入设备：话筒 CD/DVD 播放器 各种乐器 电话接口(接收端)音响系统 话筒：话筒是可以将声音信号转换成电信号的设备。主要的技术指标有：灵敏度、频率响应、指向性、输出阻抗、动态范围 信号为毫伏级。Sound waves Electrical signal 各种不同种类，话筒：拾音指向性 指向性：描述麦克风对于来自不同方向或与轴向成不同角度声音的灵敏度 Omnidirectional 全指向 拾音指向性 指向性：描述麦克风对于来自不同方向或与轴向成不同角度声音的灵敏度 Omnidirectional 全指向 Cardioid 心形指向 拾音指向性 指向性：描述麦克风对于来自不同方向或与轴向成不同角度声音的灵敏度 Omnidirectional 全指向 Cardioid 心形指向 Supercarioid 超心形指向 音频处理器：音响系统 Filters,high pass/low pass/high shelf/low shelf/all pass/crossover Equalizers,Parametric EQ/Graphic EQ/feedback suppressor Dynamics,leveler/CompLimiter /Ducker/Noise Gate/ANC Adaptive Processors,Automatic/MixersFeedback suppressors/Acoustic Echo Cancellers(AEC)Mixers,standard Mixer/Matrix Mixer Delay 功率放大器 音响系统 主要参数：输入灵敏度 谐波失真度 输出功率 RMS 信噪比 频率响应 阻尼系数 输出阻抗 小常识：当您需要将系统增益提高3个dB的时候，功放的功率需要加倍。如果将响度提高一倍，功放需要提高10倍。音响系统 输出设备：音箱 监听耳机 录音设备 电话接口(发送端)小常识：当我们设计音响系统的时候，通常将功放的功率设计为音箱额定功率的1.2-3倍之间。音箱的主要参数：额定功率、灵敏度、频响、分频、尺寸、扩散角 通常音箱的灵敏度从84-90dB。高于90dB的音箱叫做高灵敏度音箱 音响系统 小常识：通常同样品质的高灵敏度的音箱要贵得多。音箱的灵敏度：通常音箱的灵敏度从84-90dB。高于90dB的音箱叫做高灵敏度音箱。音箱的灵敏度每差3dB，输出的声压就相差一倍。例如：400W的功放+86dB的音箱 和 所能达到的声压级是一样的。100W的功放+92dB的音箱 常见的参数：Frequency response 频率响应 Dynamic range 动态范围 Signal to Noise Ratio 信噪比 Headroom 系统净空 Speech Intelligibility 语言可懂度 Potential Acoustic Gain 潜在声场增益 Needed Acoustic Gain 所需声场增益 音响系统 音响系统 Frequency response 频率响应 A M P L I T U D E TIME+24 dBu 0 dBu Dynamic range(System)Noise floor 音响系统 Dynamic range 动态范围 小常识：CD在16比特时的动态范围是96dB.磁带录音的动态范围只有65dB.A M P L I T U D E TIME+24 dBu 0 dBu Dynamic range(Signal)Noise floor 音响系统 Dynamic range 动态范围 小常识：CD在16比特时的动态范围是96dB.磁带录音的动态范围只有65dB.A M P L I T U D E TIME+24 dBu 0 dBu Signal To Noise Noise floor 音响系统 Signal to Noise ratio信噪比“信号与噪声的比值”“信号与噪声的比值”正常声音信号与无信号时噪声信号正常声音信号与无信号时噪声信号(功率功率)的比值的比值 A M P L I T U D E TIME+24 dBu 0 dBu Headroom Noise floor 音响系统 Headroom 系统净空 在声音信号与削波电平之间的范围在声音信号与削波电平之间的范围 Speech Intelligibility 语言可懂度 哪些因素会破坏语言的可懂度呢？语言可懂度是指一个或几个发音人所发的、经过音响系统能被一个或几个听音人所确认为有意义的语言单位百分数 音响系统 适当的声压 足够的清晰度 较差的信噪比 过渡的混响 落后于直达声之后时间较长的强反射 声场不均匀，相位不一致 电声系统不同步 均衡不当 距声源的距离 声学增益 PAG=Potential acoustic gain 潜在潜在声学增益声学增益 如果传声器、放大器、扬声器处于同一房间内，一个音响系统在达到 持续产生回馈之前所能增加的最大增益。NAG=Needed Acoustic Gain 所需所需声学增益声学增益 指的是一个音频系统所需要的声场增益。SNR=Signal-to-Noise Ratio 信噪信噪比比 到达标准语言可懂度的主要因素是SNR 25 EAD=Equivalent Acoustic Distance 等等效声学距离效声学距离 维持语言可懂度，并在没有任何音响系统辅助的情况下，听音者与讲话者所能保持 的最大距离 FSM=Feedback Stability Margin 反反馈稳定余量馈稳定余量 正常工作状态与产生声反馈时的差别 声学增益 假设：(A计权)噪声级34dB Ds=0.3m Ds处的声压级77dB 听音者所需的声压级34+25=59 77-59=18dB EAD=Ds x 1018/20=2.4m 77dB Ds EAD 讲话者讲话者 听音者（无音响系统）听音者（无音响系统）声学增益 Do 听音者听音者 Ds EAD 讲话者讲话者 听音者（无音响系统）听音者（无音响系统）假设：(A计权)Do9.6m Ds=0.3m EAD=2.4m Do处听音者所需的声压级=EAD=59dB NAG=20Log(Do/EAD)=12dB 声学增益 FSM:如果不对音响系统进行均衡的话，至少要保证有12dB的反馈稳定余量 如果对音响系统进行仔细地均衡，FSM达到dB就足以保证系统的稳定工作 NOM=Number of Open Microphones 每当开启传声器的数量增大一倍时，为了防止回授，应该将系统总增益降低个dB NOM(dB)=10Log NOM 声学增益 Ds EAD Do D2 讲话者讲话者 听音者（无音响系统）听音者（无音响系统）听音者听音者 D1 20Log 10LogNOMFSM 20Log 21 Critical distance 临界距离临界距离 在每一个房间里，都有这样一个距离（从演讲者的位置开始测量）；直接讲话的强度和反射回来的讲话强度刚好相等 Intensity of the sound wave Critical Distance Hello Hello Noise and reverberation 室内声学特性 室内声学特性 背景噪声、反射衍射折射、直达声和反射声 Diffraction 衍射 声波在传播时，如果被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续进行。低频比高频更容易发生衍射 室内声学特性 Interference 干涉 在同一媒介中，两列或多列频率相同、相位相同或相位差固定的声波，在重叠区域某些位置震动加强，另一些位置震动减弱的现象 使声场分布极不均匀 Direct sound Reflected sound 室内声学特性+=Waves in phase Waves 180 off-phase Constructive interference Destructive interference 室内声学特性 Interference 干涉 加强 抵消 Comb Filter 梳状滤波器 Frequency Amplitude 室内声学特性 Interference 干涉 Reflection 反射 入射角反射角 混响 回声 Incident plane Reflected plane 室内声学特性 Time Level Direct Sound Early Reflections Reverberant Field Noise 室内声学特性 直达声 早期反射声 混响阈 脉冲响应 室内声学特性 RT60 =0.161 经典的塞宾公式：小常识：只要2kHz的混响时间小于3.5s，就不会对语音可懂度造成大的危害。最大的 罪魁祸首实际上是经过长声程返回的聚焦声能。V 房间容积（立方米）S=A 室内总吸声量（平米）适合于当 0.2时的情况 RT60 =1ln(1 )0.161 艾润公式：适合于所有复杂的情况 音频信号级别 麦克风级 毫伏级(approx-50 to-30 dB)线路级 Consumer line level (-10dBV)Professional line level(dBu、+4dBu)音箱级 十几伏至上百伏，可以直接驱动扬声器 一般大于+4dBu 音频的平衡与非平衡连接 非平衡连接：+G+G 音频的平衡与非平衡连接 非平衡连接：计算机声卡输出 Mini Jack 音频的平衡与非平衡连接 非平衡连接：计算机声卡输出 Mini Jack 音频的平衡与非平衡连接 非平衡连接：计算机声卡输出 Mini Jack CH L CH R 音频的平衡与非平衡连接 平衡连接：Questions?Thank you!