浅谈音响系统中的动态处理

molopjay1 · 发表于 2016-6-26 09:07:57

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　有不少音响技术的读者跟笔者一样，对“动态(Dynamics)这个词理解上似懂非懂。在通常情况下，当某段音频的声音发软、无力或是音量太小，相信大家都会说，是因为“动态”不好所造成的。从这个角度来说，动态体现出音频信号的硬朗、有力、音量较大；另外的表现却是已经调整出了硬朗、有力和大音量的音频信号时，仍感觉不到好的“动态”。动态到底是个什么概念？使动态变化的处理有哪些？动态处理后的音频物理参数和实际监听会有哪些变化？

　　1. 如何理解动态范围
　动态范围是指重放声音的最强与最弱音声压级之间的比值，设备中指的是重放时最大额定失真输出功率与静态时（无信号）系统噪声输出功率之比的对数，单位用dB表示。

　　比如说一个乐队的动态范围为90 dB，这意味着最弱部分的功率比最响部分的低90 dB。动态范围是功率之比，一种相对量，与声音的绝对水平无关。自然界各种声音的动态范围的变化是很大的，人耳听力的动态范围从0-130 dB，一般语言信号的动态范围只有20-45 dB，交响乐的动态范围可达30~130 dB或更高。但由于一些硬件本身因素的限制，音响系统中的动态范围很少能达到乐队的动态范围。录音装置的内在噪声也决定了可能录制的最弱音，而系统的最大信号容量（失真水平）更是限制了最强的音。一般情况下，把声音信号的动态范围定为100 dB．音响设备的动态范围能做到100 dB就已经很好了，高级Hi-Fi系统可以达到100 dB以上。

　　2. 动态处理设备的原理
　　音响系统中，为了兼顾大的动态范围和设备本身的缺点，就衍生了动态处理设备，即包括噪声门(NoiseGate)、压缩器(compressor)、限幅器和扩展器（和限幅器原理相反，应用较少）。
　在立体声音响系统中，节目源信号的动态范围很宽，相比音频系统设备的动态范围要小得多，为防止信号过大失真，就需要对音频信号进行压缩或限幅，使其动态范围与音频设备相吻合，以保证信号传输不失真。压限器（即压缩，限幅器）用于压缩（或限制）节目信号的动态范围，以避免音频信号过荷失真的处理设备。在多数压限器中还设有噪声门，可以有效地去除音频信号中的噪声信号，提高系统的信噪比，相对地扩大了动态范围。

　3. 压限器的作用
　(1)保护扩声系统，抑制信号幅度，对于突发信号、过强的信号以及误操作产生的过载信号或声反馈，压限器都能自动地将其信号幅度按一定的比例进行压缩或限幅，从而保护功率放大器和音箱系统，一般把压限器串接在扩声系统的功放设备之前。(2)产生特殊的音响效果，一般利用压缩器起控时间和恢复时间的可调性来制造一些音响效果，在录音系统中应用较多。(3)使音量变化平稳，当话筒与音源之间的距离发生变化时，特别是当话筒近距离使用时，过大的音源信号可能造成失真，此时压限器可使音量平稳变化，另外在电吉它、电贝司等乐器的扩音或录制中，使用压限器可使音量相对平稳。

　4. 压限器中各参数的含义
　　由压限器的原理来说明各个参数的具体含义，如图1，更容易理解。

图1 压限器的原理图

　　A、B线段表明输出信号电平的变化与输入信号电平比值的不同，这个比值称为压缩比(ratio)。在电路实现上，压限器是一个自动音量电平控制器。当输入信号电平超过预定的阈值(Threshold)时，压限器增益下降，信号被衰减，这个预定电平被称为起控电平。图1中，曲线A的压缩比为1：1，表明信号没有被压缩处理；曲线B的压缩比是2：1，表示该电平段内输出信号的电平值为输入信号的一半。由于压缩变化总是需要时间的，图2所示输入端加方脉冲时，压缩器输出波形及增益变化情况。从图2中看出，当输入电平升高到起控电平之上时，压缩器的增益并没有立即降下来，而是经历时间f1后逐渐下降，新的增益（压缩比）才稳定下来，f1称为压限器的起控时间(启动时间attack time)；而当输入电平突然减小到门阈电平之下时，压限器的增益同样不会迅速上升，经历f：时间后，又恢复到不压缩时的稳定增益，f2称为压限器的恢复时间(release time)。通常在压限器中这两个时间是可调的，为不让听众察觉到压缩增益的变化过程，起控时间尽量要短，一般设计在1-100ms之间，恢复时间则适当延长，一般设计在0.1-0.3s之间，避免增益迅速变化而给信号产生调幅失真，时间过长则压限器的变化会跟不上节目的节奏变化（节奏在声音中一般表现为波峰，需要压限处理），即在下一个启动时间前无法恢复。当达到某一电平位置时，压缩器的压缩比无限增大，压缩器就成为了限幅器(limit)，也就是说限幅器会把超过一定电平的信号压缩到同一幅度，图1中的c段就表示限幅。这个信号电平称为限幅电平。

molopjay1 · 发表于 2016-6-26 09:10:11

　　

　　输入信号

　　

　　输出信号

　　图2压限器输出波形和增益变化

　　另外一个常见的参数就是门阈电平，如图1中折线的拐点，之前的压限器采用硬拐点(Hard-knee)技术，即输入信号一但达到阈值，增益就立即减少，这样会出现信号在拐点（增益变化的转折点）处动态突变现象，人耳明显地感觉到强信号被突然压缩的现象。为了解决这一不足，新型压限器采用了软拐点(soft-knee)技术，这种压限器在阈值前后的压缩比变化是柔和渐变的，压缩变化难以察觉，音质进一步提高，体现在压缩曲线为曲线过渡。

　　5.动态处理（压限器）的计算和入门调整

　　(1)压缩器启动后的输出电平的计算公式：输出电平：启动电平+（输入电平一启动电平）÷压缩比。例如设定的启动电平是0dB，而压缩器的输入电平达到了+8dB，当选择2：1的压缩比，则输出电平就是(8—0)，2-+4dB，如选择的压缩比是4：1，输出就为(8—0)／4-+2dB了。如果设定的压缩比是无穷大，那么不论压缩器输入电平超过启动电平大还是小，输出电平始终限幅为OdB。

　　(2)压缩器的使用方法。首先从默认的初始化压缩器设置开始：Threshold=最小值，attack=10ms，Release=150ms，Gain=0dB，Soft/Hard挡选Soft;输入音源，一边试音仔细听，慢慢调Threshold，直到发现声音开始有变化了，大多数压限器上有指针显示，通常Threshold值在-5-20dB之间；把压限器在Bypass挡之间转换，比较原信号与压缩信号的不同，把Gain适当提升，以均衡音量差异；重复上述调整Threshold的过程，试着逐渐提升Ratio，通常Ratio值在2:1与8:1之间，一般不会超过10：1，得到较丰满的音色。过压缩会导致声音干涩、无生气；如果在声音的段落间听到因压缩器产生的静噪，就要适当提升Release时间，如果发现有些声音出现不清晰，失去自然棱角，则要调节Attack时间，适当衰减一些Ratio。方法不是绝对的，压缩器的使用很大程度决定于经验和听力，多向同行学习他们的工作步骤，是个不错的捷径。

　　6.一般条件下动态处理的参考值

　　压缩比raho的设置是有规律可循的，基本的原则就是音频图形表现的山头越尖，山体越瘦的波峰，体现在声音上就是突发性和强度大的，则越要用大的压缩比，甚至做限幅，比如乐器中的鼓类、自然声中爆炸声等；反之就要用小的压缩比，如弦乐、人声等相对柔和的声音。表1是一般情况下的动态处理参数设定。

　　

　　表1动态处理参考值

　　在实际应用中，如录制广播剧中需要加入雷雨声音，就要先把动态比较大的雷雨声进行处理，最后合成时不至于因为雷声需要压缩，同时降低了其他声像的动态，后期制作中利用进行分段的动态处理效果，也可以达到对雷声的单独处理。同样在戏曲或音乐的录制合成中，例如鼓、锣、镲等爆发力强的乐器，需要进行处理，必要情况下甚至做限幅，在给个别乐器录音时，如笛子，高音尖厉，连续的演奏和高潮时，会产生过大的动态范围，也可以进行适当处理。

　　7.典型的硬件产品和软件动态效果处理

　　一款质量过硬的压缩器价格不菲，音响系统中向来就是一分价钱一分货。对压缩器来说，最好还要用中高档的。硬件产品中有美国的DBX266-XL双路压限器，英国FocusriteRed3立体声专业压限器，百威PeaveyCel-2a(图3)等。

　　

　　图3典型动态处理压限器

　　随着电脑技术在音响行业的应用，软件压缩器现在非常多，一般作为中、后期制作时用。使用方法和硬件压缩器没太大区别，毕竟在原理算法上是相同的。并且很多音频处理软件（如SoundForge，CoolEditpro，WaveIJab等）还带有音频统计分析功能，帮助处理一些难以凭耳朵判断音色特征的信号，还可以对不同的段落作不同的压缩处理。在熟悉波形时，仅仅看到波形的显示结果，就判断出哪些波峰可以适当衰减，比调硬件压缩器更方便。如图4为着名的“臭氧”音效插件动态处理界面，默认为四频段分段动态处理，分别标出了频段、压缩比率、启动和恢复时间，由按钮调出和隐藏，右下有bypass(旁路)按钮和active(起效)按钮，进行旁路和有效控制，右侧为电平控制和指示。

　　图5多动态处理插件界面

　　

　　8.结束语

　　深刻理解压限器的作用和原理，从瞬态和常态两个概念上更容易些，比如用来保护功放和音箱时，串入压限器后，根据功率和电压阻抗的关系，得出输出电压值，再由功放的电压放大倍数，换算出压限器的电压值，这样就可以设置好限幅电平，以便得到最佳效果，即不让音箱过载，放大器的储备功率还可以限幅器起作用前，发挥出峰值爆发力。

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[超低音箱] 浅谈音响系统中的动态处理

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