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[音频] 音频基础知识

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发表于 2016-8-11 | |阅读模式
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  一、音频基础知识1、音频的频率范围、音质的评价标准一般认为20Hz-20kHz是人耳听觉频带,称为“声频”。这个频段的声音称为“可闻声”,高于20kHz的称为“超声”,低于20Hz的称为“次声“。(《广播播控与电声技术》p3)所谓声音的质量,是指经传输、处理后音频信号的保真度。目前,业界公认的声音质量标准分为4级,即数字激光唱盘CD-DA质量,其信号带宽为10Hz~20kHz;调频广播FM质量,其信号带宽为20Hz~15kHz;调幅广播AM质量,其信号带宽为50Hz~7kHz;电话的话音质量,其信号带宽为200Hz~3400Hz。可见,数字激光唱盘的声音质量最高,电话的话音质量最低。除了频率范围外,人们往往还用其它方法和指标来进一步描述不同用途的音质标准。音频频率范围一般可以分为四个频段,即低频段(30 ̄150Hz);中低频段(30 ̄150Hz);中低频(150 ̄500Hz);中高频段(500 ̄5000Hz);高频段(5000 ̄20kHz)。30 ̄150Hz频段:能够表现音乐的低频成分,使欣赏者感受到强劲有力的动感。150 ̄500Hz频段:能够表现单个打击乐器在音乐中的表现力,是低频中表达力度的部分。500 ̄5000Hz频段:主要表达演唱者或语言的清淅度及弦乐的表现力。5000 ̄20000Hz频段:主要表达音乐的明亮度,但过多会使声音发破。音质评价方法评价再现声音的质量有主观评价和客观评价两种方法。例如:1.语音音质评定语音编码质量的方法为主观评定和客观评定。目前常用的是主观评定,即以主观打分(MOS)来度量,它分为以下五级:5(优),不察觉失真;4(良),刚察觉失真,但不讨厌;3(中),察觉失真,稍微讨厌;2(差),讨厌,但不令人反感;1(劣),极其讨厌,令人反感。一般再现语音频率若达7kHz以上,MOS可评5分。这种评价标准广泛应用于多媒体技术和通信中,如可视电话、电视会议、语音电子邮件、语音信箱等。2.乐音音质乐音音质的优劣取决于多种因素,如声源特性(声压、频率、频谱等)、音响器材的信号特性(如失真度、频响、动态范围、信噪比、瞬态特性、立体声分离度等)、声场特性(如直达声、前期反射声、混响声、两耳间互相关系数、基准振动、吸声率等)、听觉特性(如响度曲线、可听范围、各种听感)等。所以,对音响设备再现音质的评价难度较大。通常用下列两种方法:一是使用仪器测试技术指标;二是凭主观聆听各种音效。由于乐音音质属性复杂,主观评价的个人色彩较浓,而现有的音响测试技术又只能从某些侧面反映其保真度。所以,迄今为止,还没有一个能真正定量反映乐音音质保真度的国际公认的评价标准。但也有报道,国际电信联盟(ITU-T)近期已批准一种客观评价音质的被称之为电子耳的新型测量方法,可对任何音响器材的音质进行客观听音评价,也可用于检测电话通讯语音编码系统的缺陷。现将乐音音质评价方法综述如下:
+ u# L" F! f4 A(1)主观听判音效通常,据乐音音质听感三要素,即响度、音调和愉快感的变化和组合来主观评价音质的各种属性,如低频响亮为声音丰满,高频响亮为声音明亮,低频微弱为声音平滑,高频微弱为声音清澄。下面结合声源、声场及信号特性介绍几种典型的听感。①立体感主要由声音的空间感(环绕感)、定位感(方向感)、层次感(厚度感)等所构成的听感,具有这些听感的声音称为立体声。自然界的各种声场本身都是富有立体感的,它是模拟声源声象最重要的一个特征。德·波尔效应证明,人耳的生理特点是:人耳在两声源的对称轴上,当声压差△p=0dB和时间差△t=0ms时,感觉两声源声象相同,分不出有两个声源;而当△p>15dB或△t>3ms时,人耳就感觉到有两个声源,声像往声压大或导前的声源移动,每5dB的声压差相当于lms的时间差。哈斯效应又进一步证明,当△t=5ms~35ms时,人耳感到有两个声源;而当近次反射声、滞后直达声或两个声源的时间差△t>50ms时,即使一次反射声(又称近次或前期反射声)或滞后声的响度比直达声或导前声的响度大许多倍,声源方位仍由直达声或导前声决定。根据人耳的这个生理特点,只要通过对声音的强度、延时、混响、空间效应等进行适当控制和处理,在两耳人为的制造具有一定的时间差△t、相位差△θ、声压差△P的声波状态,并使这种状态和原声源在双耳处产生的声波状态完全相同,人就能真实、完整地感受到重现声音的立体感。与单声道声音相比,立体声通常具有声象分散、各声部音量分布得当、清晰度高、背景噪声低的特点。②定位感若声源是以左右、上下、前后不同方位录音后发送,则接收重放的声音应能将原声场中声源的方位重现出来,这就是定位感。根据人耳的生理特点,由同一声源首先到达两耳的直达声的最大时间差为0.44ms~0.5ms,同时还有一定的声压差、相位差。生理心理学证明:20Hz~200Hz低音主要靠人两耳的相位差定位,300Hz~4kHz中音主要靠声压差定位,更高的高音主要靠时间差定位。可见,定位感主要由首先到达两耳的直达声决定,而滞后到达两耳的一次反射声和经四面八方多次反射的混响声主要模拟声象的空间环绕感。③空间感一次反射声和多次反射混响声虽然滞后直达声,对声音方向感影响不大,但反射声总是从四面八方到达两耳,对听觉判断周围空间大小有重要影响,使人耳有被环绕包围的感觉,这就是空间感。空间感比定位感更重要。④层次感声音高、中、低频频响均衡,高音谐音丰富,清澈纤细而不刺耳,中音明亮突出,丰满充实而不生硬,低音厚实而无鼻音。⑤厚度感低音沉稳有力,重厚而不浑浊,高音不缺,音量适中,有一定亮度,混响合适,失真小。除此之外,还有许多评价音质的听感,象力度感、亮度感、临场感、软硬感、松紧感、宽窄感等。
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 楼主| 发表于 2016-8-11 |
  (2)客观测试技术指标①失真度谐波失真,主要引起声音发硬、发炸;而稳态或瞬态互调失真主要引起声音毛糙、尖硬和混浊。二者均使音质劣化,若失真度超过3%时,音质劣化明显。音响系统的音箱失真度最大,一般最小的失真度也要超过1%。相位失真,主要引起1kHz以下的低频声音模糊,同时影响中频声音层次和声象定位。抖晃失真,主要是电机转速不稳,主导轴-压带轮压力不稳,磁头拍打磁带等造成磁带震动和卷带量变化,进而使信号频率被调制,声音音调出现混浊、颤抖。抖晃通常用音调变化的均方根值表示,通常,录音机的抖晃率<0.1%,Hi-Fi录音机<0.005%,普通录像机<0.3%,视盘机<0.001%。②频响与瞬态响应频响,指音响设备的增益或灵敏度随信号频率变化的情况,用通频带宽度和带内不均匀度表示(如优质功放的频响1Hz~200kHz±ldB)。带宽越宽,高、低频响应越好:不均匀度越小,频率均衡性能越好。通常,30Hz~150Hz低频使声音有一定厚度基础,150Hz~500Hz中低频使声音有一定力度,300Hz~500Hz中低频声压过分加强时,声音浑浊,过分衰减时,声音乏力;500Hz~5kHz中高频使声音有一定明亮度,过分加强时,声音生硬;过分衰减时,声音散、飘;5kHz~10kHz高频段使声音有一定层次、色彩;过分加强时,声音尖刺;过分衰减时,声音暗淡、发闷。按此规律,可根据各种听感,定量调节音响系统的频响效果。瞬态响应,是指音响系统对突变信号的跟随能力。实质上它反映脉冲信号的高次谐波失真大小,严重时影响音质的透明度和层次感。瞬态响应常用转换速率V/μs表示,指标越高,谐波失真越小。如,一般放大器的转换速率>10V/μs。③信噪比信噪比,表示信号与噪声电平的分贝差,用S/N或SNR(dB)表示。噪声频率的高低,信号的强弱对人耳的影响不一样。通常,人耳对4~8kHz的噪声最灵敏,弱信号比强信号受噪声影响较突出。而音响设备不同,信噪比要求也不一样,如Hi-Fi音响要求SNR>70dB,CD机要求SNR>90dB。④声道分离度和平衡度声道分离度,是指不同声道间立体声的隔离程度,用一个声道的信号电平与串入另一声道的信号电平差来表示。这个差值越大越好。一般要求Hi-Fi音响分离度>50dB。声道平衡度,是指两个声道的增益、频响等特性的一致性。否则,将造成声道声象的偏移。判断音质的依据,通常分为主观评价标准与技术(客观)评价标准两方面,音响系统的音质评价,应采用主观评价与客观评价相结合的方法。一般来说,主观评价很差的系统,客观评价也不会很好;主观评价很好的系统,客观评价不会很差;客观评价很差的系统,主观评价一定很差;客观评价很好的系统,主观评价不会很差。2、音频的主要技术指标及影响指标的因素数字音频的主要技术指标是:1.采样频率:一秒钟内的采样次数,采样频率越高,则可恢复的声音保真度越好。2.量化位数:决定了量化等级M=2n。常用的量化位数为8bit或16bit。显然,量化位数越多,则量化精度越高即量化后声音信号越接近原始信号,但量化后的数据量也越大。3.声道数:一次同时产生的声波组数。4.编码算法3、音频传输、接地、平衡与非平衡的特点及转换这里的“接地”是指数字信号在平衡传输中的信号地。AES数字音频跳线板可提供三种接地方式,即对地绝缘方式、总线接地方式和串联接地方式。对地绝缘方式:也称为悬浮接地方式。现在欧美国家80%采用这种接地方式,即在系统布线时为抑制噪声的产生,将跳线板的接口信号地悬浮不接,只是在连接设备的接口端将信号地接入系统。这种接法在国内采用不多。总线接地方式:这种接地方式在国内采用较多,即在系统布线时,跳线板接口的信号地均接入系统。采用这种接地方式当系统对地等电位时,系统之间无电流流过,既不会产生噪声;若系统发生变化产生了电位差时系统之间则会有电流流过,那么便会产生噪声。串连接地方式:即将跳线板接口上、下每对插座的信号。从1999年5月开始,我们所有采用了RCA插头、用于非平衡/非对称信号传输的双芯、四芯,以及三轴(如:平衡式)信号线,全都配备了接地端标贴。此举为辨认屏蔽层在线材的哪一边与RCA插头的屏蔽端相连(=接地),提供了又一个途径。对于那些线材,我们的一般做法是:当您把线材拿在手中并能够看到线身上全部的印刷文字时,屏蔽层接地端就位于线材的左面。在那些线材中,已经有一条内部导体在起着信号回输的作用了(连接着信号来源和接收方的接地端),见页末的示意图。在连接屏蔽层与接地端的时候,只连接线材的其中一边并提升另一边,就能达到真正的屏蔽效果:不会传载音频信号;它会隔离内部的导体并把有害的噪音泄放到另一个地方去。而这个地方(由接地标贴标示出来)一般就被作为了讯源接地(*),不过在某些情况下,将线材反过来接可以获得更好的屏蔽效果,此时的屏蔽接地就是在信号接收这一边。请注意,这里的线材反接与人们有时候说的"线材方向性"没有任何关系;vandenHul的线材没有这种效应。某些线材具有磨合期(煲线)和存在方向性的问题,可以部分归咎于受污染的接触端;为了取得最佳的接触效果,我们推荐您使用我们的TheSOLUTION接触剂。*:在讯源端实施屏蔽而不在接收端实施屏蔽有个潜在的好处,那就是可以减少由于“线路到屏蔽”的电容失衡,而导致周围的电磁高频噪音耦合到音频信号中的情况出现。4、音频的分贝计算人耳对声音强弱的感觉大体上与声压有效值(或声强值)的对数成比例。为了适应人耳听觉的这一特性,通常取声压有效值和声强值取对数来表示声音的强弱。这种表示声音强弱的数值叫声压级和声强级,其表示式如下:SPL=20log(Prms/Pref)SIL=10log(I/Ireg)其中:SPL、SIL分别为声压值与声强值,单位为分贝(dB);I-计量点的声强值;Prms-计量点的声压有效值;Iref-作为零声级的参考声强值;Pref-作为零声级的参考声压值。(《广播播控与电声技术》p2)5、导频制立体声基带信号的产生及频谱为了解决双声道立体声传输的问题,采用了多路传输技术(所谓多路传输技术是指用一个载波来完成两个或两个以上信息的传输)。多路传输技术的实现方法有两种:一是频率分割法,二是时间分割法。与此对应的立体声广播制式就称频分制和时分制。频分法就是按频谱划分信道的意思,具体做法是用频率搬移的方法将各路信息安插在相互不重叠的频带内形成基带信号(调制主载波的信号称为基带信号),再用此基带信号去调制主载波。时分法就是多路信息以特定的时间分配顺序对同一个脉冲串的不同脉冲进行某种方式的脉冲调制以组成基带,并用此基带信号调制主载波。从多路传输实现的方法上来看,它是一个二重调制系统,第一次调制(形成基带)可采用调幅(AM)、调频(FM)、脉冲调制等;第二次调制(对主载波调制)也可采用这些调制形式。对于调频广播而言,第二次调制自然就是FM了。这样,依第一次调制采用的调制形式的不同,便可构成不同的调制系统。如AM—FM系统、FM—FM系统。导频制是用音频的差信号(S信号)对副载频(选用38kHz频率)进行抑制载波方式的调幅,再与和信号(M信号)以及频率为副载频频率二分之一的导频信号(19kHz)合成后,再去对主载频进行调频,实现立体声广播。导频制采用和差传送方式,以实现与单声道调频广播的兼容性。将和信号(简称“M”信号,M=L十R)作为主信号,其频谱范围为30Hz~15kHz;再将差信号(简称“S”信号,S=L-R)的频谱搬移到和信号频谱的上端,使它们不相互重叠,差信号频谱的搬移是采用38kHz超音频信号作副载波,用差信号对它进行抑制载波双边带调幅来实现,所以导频制属于AM—FM方式。为了在立体声接收机中解调出差信号,必须在接收机内产生一个频率、相位均与发射系统相同的38kHz的副载波。为此,在发射端,利用和、差信号频谱的间隔处,再发射一个19kHz的末调振荡,在接收机内利用倍频器,由此引导出38kHz副载波,故将19kHz取名为导频副载波,所以这种制式称为导频制。导频制立体声基带信号频谱图:6、停播及劣播的界定7、5.1环绕立体声技术四声道环绕规定了4个发音点:前左、前右,后左、后右,听众则被包围在这中间。同时还建议增加一个低音音箱,以加强对低频信号的回放处理(这也就是如今4.1声道音箱系统广泛流行的原因)。就整体效果而言,四声道系统可以为听众带来来自多个不同方向的声音环绕,可以获得身临各种不同环境的听觉感受,给用户以全新的体验。如今四声道技术已经广泛融入于各类中高档声卡的设计中,成为未来发展的主流趋势。5.1声道已广泛运用于各类传统影院和家庭影院中,一些比较知名的声音录制压缩格式,譬如杜比AC-3(DolbyDigital)、DTS等都是以5.1声音系统为技术蓝本的。其实5.1声音系统来源于4.1环绕,不同之处在于它增加了一个中置单元。这个中置单元负责传送低于80Hz的声音信号,在欣赏影片时有利于加强人声,把对话集中在整个声场的中部,以增加整体效果。相信每一个真正体验过DolbyAC-3音效的朋友都会为5.1声道所折服。5.1环绕立体声与普通立体声比较普通的立体声重放是靠一对音箱来完成的,它给出的声音信息是平面的,听众从正前方获得音响效果。环绕立体声是在普通立体声重放系统基础上,增加了左环绕音箱LS和右环绕音箱RS,置放在听众的后面。这时听众听到的声音信息来自前后两个方向,实际是上两个声场的声音信息叠加。这是环绕立体声最基本的一种方式,我们称之为四声道环绕立体声。它创造出来的声音与普通立体声相比,听音区域增大,信息空间进一步扩展,空间感、方位感、层次感,更接近实际声场。更为科学和完善的环绕立体声是5.1环绕立体声,它是在四声道环绕立体声的基础上,增加了一个中置音箱C和一个超低音音箱CS。整个声道为六个。这种5.1环绕立体声是在四声道的基础上,将两个以上的声场叠加起来,建立出一个完整的三维空间的声音环境。它创造的声音不仅方位感、距离感更加明确,而且声像定位和层次更加清楚。人们可以清晰地感觉到声音的环境、空间、距离和质地的不同,犹如身临其境的现场感觉,大大激发了听众对音响审美的愉悦性和趣味性。
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