一套音频系统的设计*像是“搭积木”

灵子 · 发表于 2019-1-22 22:56:05

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　音响系统设计的主要目标包含“还音”和“广播”。还音意味着需要拾取不同品质和内容的声音，广播意味着对不同环境进行统一品质的还原。而这一头一尾是发生在自然环境中，必然会受到自然环境的影响，因此如果没有一个标准化的设计过程，该音响系统将很难有很好的效果。

　　打个比方，一套音响系统的设计*好像是搭积木。如果重心不在积木的中央，为了搭建得更高，势必会不断采取平衡措施。*终也许能够完成目标高度的搭建，但是其可承受的力量平衡*会小很多。转换到音响的概念上来说，*是系统的动态被减小了。

　　

　　以上以积木的搭建做了个例子，类比到音响系统中，道理是一样的。从拾音环境到音量放大，到功率放大、扬声器输出，*终混合到扩声环境中，这一条链路必须保障一个稳定的重心。否则，*终获得的扩声效果*如同左边的积木，甚至更不如。因为输入的信号是动态的，*好像积木的底座有外力推动，只要重心偏移出了黄色区块，积木必然坍塌。

　　扩声流程梳理

　　在此，我们需要对一个扩声流程进行一个梳理，拣选*必须的流程进行整理：

　　

　　上图所示为一个常见的单一小型扩声系统的流程。在此，我们需要先分析容易产生不同品质变化的环节，才有可能提出标准化建设的方案。

　　首先，*难受控的*是一头一尾的两个“环境”。声音在空间环境中混合、反射，严重受到环境的影响，以至同样的设备在不同环境会出现完全不同的扩声效果。这也是音响系统较其他系统难的地方之所在。

　　拾音器拾取到声音后，是否是我们所需的*佳品质，是一个很重要的环节，也是需要管控的。

　　除了品质，不同的信号输入的动态也是不同的，有的人声音很小，有的器乐声音很大。这个如果没有一个要求，也是会导致系统的不确定品质输出的。

　　扬声器本身也是一个有个性的产品。不同的扬声器需要不同的品质管控，然而，*终的品质管控的目的，是为了与环境融合。理想状态是输出信号的品质与输入信号一致——即真正的高保真。然而，现实是目前的技术还做不到这一点，尤其是在众多传输管理环节的干扰下。因此，我们做系统设计的时候，*需要尽量接近这一目标。

　　标准化设计过程

　　依照笔者的经验，音响系统的设计应该以矩阵为核心，分两头走，独立考虑系统的需求。

　　1、从输出端入手

　　扩声系统的目的是为了给受众使用的，因此，有必要先从输出端考虑。

　　当我们为一个环境设计时，该环境需要的音量值，其实并不是一个固定的数据。而是一个相对于环境的相对值。系统的*低值，要满足听清楚的需求，*要求大于该环境的本底噪声的10dB，*高值则只需要满足该环境下*低值之上满足听感的*低值和耳朵能够和愿意承受的*大值之间即可。

　　比如一个会议室，环境噪声包括空调、风机、电器设施和道路噪声。多数情况下，在30-50dB之间。我们以50dB为参照，那么我们扩声的*低值需要达到60dB即可。而*高值，则至少需要满足听感上的动态变化，即60dB+15dB=75dB即可。当然，也许需要更多一些音量，让听觉更舒适一些，播放的音乐内容动态更大一些，因此，可以再提升一些音量。但*大值不应该超过人们在这个环境里愿意承受的*大值(决不是生理上能承受的*大值)。参照语言类内容动态不超过20dB，disco音乐动态10dB，一般音乐动态20dB。因此，会议室的*大值定在60dB+20dB=80dB即可。再为系统增加6dB的余额，全系统*大值满足86dB*足够此会议室的听感了。

　　不过，以上数据还不够。因为，我们上述分析的是人耳听到的部分。事实上，音箱的安装距离人耳还有一些距离。我们需要减去距离带来的损耗。计算这个需要参考 “平方反比定律”：在自由声场中，每增加一倍距离，声音衰减6dB。

　　

　　假设我们的音箱分布能够满足声场均匀度和声像要求的情况下，我们可以将会议室的音量*高值定在86dB+扩声补偿的数值。比如，假设为6dB的补偿，则系统扩声输出的*大值为86+6=92dB，系统音量范围为92dB～60dB之间，动态值为92-60=32dB。这个数据非常重要。它决定了我们选择扬声器和功率放大器的依据，同时，它也是我们设定前端信号的动态值依据。

　　由32dB动态和92dB*大值这个数据，我们大概可以知道，音箱的灵敏度不是越高越好，而是它*低时能够清晰的分辨出声音的内容为*佳。

　　同样的道理可以类推到其他的声场扩声需求，比如演出环境的*低值和*高值之间是怎么样一个关系。

　　有了动态数据，下一步*需要找到品质补偿的依据了。这里所说的品质补偿，是指针对扬声器本身的缺陷而做出的补偿以及对环境的声学补偿。环境补偿往往又和声场分布设计有一定的关联。限于篇幅，环境补偿此处不再展开描述，以后文章中我们再一起探讨。这里只简单分析一下扬声器的补偿意义。

　　

　　通常，我们拿到扬声器的说明书时，会有一些详细的参数，同时，还会附有扬声器的声学曲线图。这些图很好地将该音箱的工作能力体现出来了。那么这个曲线意味着它的工作范围，图纸中的曲线宽度*是它的频率响应范围，高度*是它的音量输出的能力范围。当它的*高值能够满足我们的系统要求的*高值，而它和它配套的功率放大器输出的*低值能够满足我们的*低值，那么这只音箱*是可以选择到本系统的产品。(功放输出的*低值可参考它的信噪比值)。但是这样还达不到我们用来作标准化设计的要求，*好能够提供音箱的补偿曲线，即用什么样的参数在电子设备中进行补偿，可以将此音箱的品质提升到*大化。达到*佳的品质输出。

　　除了动态的参数，我们还需要一个频率带宽的参数。即我们需要多少Hz到多少Hz之间的声音内容。通常可见的要求是20Hz～20KHz。但是，这实际上是理论上的人耳听觉范围。不同的工作需求还是有所区别的。

　　以人的声音为例，男低音82～392Hz，基准音区64～523Hz;男中音123～493Hz，男高音164～698Hz;女低音82～392Hz，基准音区160～1.2KHz;女低音123～493Hz，女高音220～1.1KHz。

　　也*是说，人类的声音范围在100Hz～1.2KHz范围*可以满足听清楚的需求了。加上各类谐波，可理解的纯语音，*只需要200Hz～3.5KHz，电话机的带宽上限*是4KHz;电视机的播音上限*是8KHz;高清电话会议的带宽也*是8KHz左右。在语言传输范围内，是无限无限制的提高带宽要求的。因为带宽提高会导致传输负担、相位干涉等很多其他的负面作用。

　　

　　因此，我们在系统设计的时候，可以定义一个系统需要的频率范围。此范围可以用来规范系统各流程的*小值，比如扬声器和话筒。在系统的品质补偿环节，*是对扬声器的扩声带宽进行补偿和标准化，比如音箱的外置分频和均衡补偿。

　　2、规范输入端标准

　　当我们规范完了输出端的带宽和动态之后，*需要规范输入端的标准了。很容易理解的是对不同输入信号的增益进行控制。使输入信号的*大值在标准0dB左右，并保留一点音乐峰值的余额。(详见调音技巧类文章)。

　　除此之外，还存在一个输入的动态管理。我们已知本案例中，系统需要32dB的动态，不应该大于，也不应该小于这个参数。因此，我们*应该规范一下输入的动态范围。

　　

　　图示为一个多节点的动态管理器。不同于一般的动态压缩器只有一个压缩转折点，它有多达四个动态转折点。红色线段为临界值，输入和输出等值。图中，2号点标准值0dB输入和输出端保持一致;1号点输出*大值为我们设定的+6dB的动态许可值，即系统允许*大输入25dB的额外动态时，*大输出仅输出6dB;4号*低值为系统允许输入的*低有效值，为-32dB，而更低的值则认为是无效值，做大幅度压缩处理，-32dB～-40dB之间降低输出到-60dB。5号点-40dB之下，则认为是完全无用的声音，大幅度衰减。这个效果与噪声门又有不同，不会出现声音中断的现象，只会平滑降低音量。

　　总结

　　至此，已经可以很好的规范了信号的动态管理，允许在我们系统许可的范围内正常工作，而无需担心系统过大和过小。其中保留了一个动态值3号点，可以用于特殊效果。比如是音乐播放，则保留在红色线段的临界值位置，不做任何处理。如果是语音，则可以做一些调整，比如压缩动态。效果区别在于演唱和语音演讲。演唱时，需要近讲效应，话筒需要距离嘴较近;而语音演讲时，需要嘴距离话筒较远，此时，*需要做较大幅度的压缩。

　　当我们分别做好了输入和输出的动态管理之后，再加上根据对环境的声场补偿之后，本系统的标准化设计*可以完成了。如果是大型系统，以矩阵为分界点，分别对输出环境和输入内容进行标准化处理，*可以搭建一个标准化的音频系统了。

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