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[技术] 关于动态余量你需要知道的事情

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发表于 2019-7-26 22:26:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

关于动态余量你需要知道的事情


动态余量对于现场扩声、录音甚至对于买辆舒服的车来说,都是一个非常重要的概念(headroom,在汽车上则翻译为头上空间)。我们可以忽略掉买车的部分,但是音频相关的“headroom(动态余量)”是绝对不容忽视的。由于对于数字音频和模拟音频来说,“动态余量”有着不同的含义,因此在接下来的文章中,我会分两方面来讲。

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模拟音频中的动态余量





从技术层面来讲,动态余量(单位是dB)指的是一个系统内不失真信号的最大电平值与系统设计的平均电平值的比。举个例子,假设你有一套家庭录音系统,平均电平值为-10dB。如果在保证信号不失真的情况下,还能再在平均值的基础上将声音提高8dB的话,那么这个时候的动态余量,便是18dB。

注意这里的关键词是“不失真”,也就是说,当动态余量消耗完毕之后,便会发生失真。退一步说,在一个Marshall堆叠系统中,动态余量用尽反而是件好事。但是对于PA系统或者混音系统来说,这绝对不是一件好事。

在一个平均信号电平值为4dB的模拟调音台上,它的VU仪表通常都是经过校准的,也就是说,它的0VU的刻度其实表示的是+4dB。不过,平均电平值为+4dB的专业设备,通常来讲都能够提供+24dB的输出电平,因此在0VU的时候,你将会有20dB(24-4=0)的内置动态余量,来保证那些突发的电平增加(比如那些唱黑嗓的歌手)以及强烈的瞬态响应可以在不失真的前提下准确再现出来。

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不过,我们真的需要全部的动态余量吗?

我们不是应该希望信号电平尽量大一些,这样才能提高信噪比吗?是这样,但是重点在于,尽管VU表上表示的平均电平值(也叫RMS),但是由于波峰因素的影响,音乐是没办法用一个单纯的“平均值”来衡量。这也意味着音频信号的峰值数和平均值的比,会比平均值高10-20dB。尽管这个数值对于监听平均电平值来讲非常重要,因为它们与人的听觉感知密切相关,不过你还是需要留意监听的峰值电平,以防会有突然突破动态余量的信号出现。

很多人没有意识到,在音乐录音中,峰值瞬态变化可以达到平均电平值(RMS)瓦数的十倍之多。这也意味着在一个模拟音频系统中,如果一个音乐工程的RMS是40瓦特,那么它的峰值可能需要400瓦特才能做到准确再现。



动态余量,PA系统和混音
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在PA系统或者模拟音频录音调音台中,为了最大限度地降低噪音,您可能需要充分利用所用能利用的动态余量。而为了获得最佳的增益分级,则需要将电平推到和输入电平最为接近的位置。而使用麦克风的时候,将话放的增益调整好之后,将整个调音台的其他部分的增益都设置在相应区域。使用诸如电吉他等等线路输入设备的时候,将乐器的输出设置为最大的安全电平,保证不失真,随后再适当调整混音器即可。

我已经尽力了,长官!

如果你看过《星际迷航》的话,那么你一定知道这句首席工程师Scotty最常说的台词。(编者注:《星际迷航》的粉丝们也应该知道,在原作中,James Doohan其实从来都没把这句话说出口过。)虽然这句话指的是无法达到足够快的速度来摆脱某种可怕的问题,但它也同样适用于动态余量——因为从根本上来讲,限制动态余量的主要因素,是电源。举例来说,如果系统的可用最大电压是15V,那么就没办法再现超过15V的峰值信号。



那么功率放大器和扬声器呢?



这才是最有趣的地方。首先,功率放大器的电平控制是不能调整输出的。放大器可以从始至终以完全放大的模式运行。(录音棚中的监听音箱的工作原理也是大同小异的。)输入控制会改变放大器的电平,这很好,因为这使得整个动态余量在整个过程中都是可用的。但是同时这也意味着您需要格外注意不要将输入电平提升过高,导致占用了动态余量。

扬声器和功率放大器不同,它没有那么充足的动态余量。而发送过多信号也会造成诸如失真甚至烧掉扬声器等等问题。由于现代的有源扬声器,都是包含扬声器本身和驱动扬声器的功率放大器的,因此通常都会带有一些保护措施(限制器),用来限制电平并保护扬声器。而无源扬声器搭配独立的功率放大器,更容易发生这种问题——扬声器和功率放大器“相处不融洽”。而如果功率放大器出现失真导致削波的话,则会提高信号的平均电平,产生更多的高频能量,因此更容易发生类似高频过载等情况。

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 楼主| 发表于 2019-7-26 22:28:41 | 显示全部楼层
数字录音中的动态余量



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接下来就会逐渐开始变得复杂了,您要稳住阵脚,沉下心来,好好琢磨琢磨。

首先,数字系统中的0dBFS(FS的意思的满刻度)意味着系统可以处理的最大电平值。因此和模拟系统中所建立的“不可见”的动态余量不同,0dBFS则是可以达到的最大电平。这也是为什么许多数字录音的专业人士在低于0dBFS的-18dB这个点上来校准他们的录音系统(DAW)的原因,因为它创造数字系统本身所没有的动态余量。

虽然,在-18dB而不是0dB录音的话,同样也意味着放弃了3比特的分辨率。但是,对于24比特的录音来说,只需要低至21比特即可,而这个数值还是比大部分硬件设备的真实分辨率要高很多的。(这是因为,由于转换器本身的原因,比如嘶嘶声,比如线路板布局的不准确性等,导致24比特的转换器并不会真的有24比特的分辨率。)并且还可以获得足够的动态余量,来应对峰值、共振以及突然的电平增加。

但是,这并不是动态余量在数字系统中发挥作用的唯一地方。动态余量与动态范围有关,一旦在计算机内部捕捉到了声音信号,DAW就可以拥有一个带有几乎不受限制的动态范围的音频引擎。而在这个引擎中,是几乎不可能出现超出动态余量的情况的。这也是为什么即使个别通道已经“蹿红”,而声音并没有失真的原因。

而且,每个DAW在通过数模转换器来将数字信号输送回硬件设备所在的模拟音频世界时,都会有一个虚拟的结算日。因此便拥有了无限的动态范围。普遍公认的最佳做法,是将主推子放在0dB,然后使用各个通道上的推子来创造平衡感。而不是把各个通道上的推子都推到最大,然后再下拉主推子以保持平衡。如果将主推子放在0dB,凭借着DAW的极高分辨率的音频引擎,各个通道上的推子保持在-18dB左右通常是百利无一害的。



采样失真



这是一种特别的,偷偷摸摸超越动态余量的方式。这种失真会导致很多问题,但是棘手的是无法确定它们的来源。

出现这种问题的原因,是由于大部分的数字仪表会将实际数值可视化。因此,数值如果是0dBFS的话,在仪表上显示的便是0。然而,数字音频转换回模拟信号的时候产生的实际数值,可能会远大于采样本身。如此一来便产生了采样失真的可能性。

如果部分采样的电平已经用尽了最大可用动态余量的话,采样失真便会发生。而这种高电平的采样,此后会流经数模转换器的平滑滤波器,由此来输出模拟信号以重塑原始波形。这个重建的波形的振幅可能会高于采样的峰值电平,这也意味着波形现在已经超出了播放系统的最大可用动态余量(图二)。除非通道的仪表可以提醒你是否发生了采样失真,否则,您必须多留出几个dB的余量来避免这种情况。通常来讲,母带工程师们都会建议,绝对峰值电平不要超过-1.0dBFS。
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如果您创建了一个数字音频文件(或者CD之类的)用来进行播放的话,都会有被潜在的采样失真冲破动态余量,进而导致回放系统产生失真的可能。但是还有一个问题就是,在您混音的时候,如果忽视了存在采样失真的可能性的话,那么您的监听系统也很有可能会产生失真现象,进而影响到您的混音质量。

而这个问题的严重程度,一般来说是取决于音乐素材本身的。我曾经见过没有产生任何采样失真的工程,甚至还见过动不动就超过+3.0dB的工程。幸运的是,现在的仪表系统也在不断完善,很多都会使用基于欧洲广播联盟R128标准的True Peak计量,而这种计量方式可以显示出是否发生了采样失真。

因此,所谓采样失真又成为了一个在混音的时候多在主推子上留出几个dB的余量,而不要直接推到0dB的理由。把主推子推满这个工作,还是留给母带工程师吧。



直流偏移:动态余量小偷



直流偏移并不是一个让人喜欢的话题,也不是一个常见的话题。但它却是减少动态余量(主推子异常、剪辑时发出噼里啪啦的声音、效果器无法正确运行等问题)的罪魁祸首。

在模拟电路时代,如果电路的输入信号为零,理论上来讲输出信号也应该是0V。而当具有大量增益的运算放大器开始逐渐流行开时,芯片内部的缺陷或者运送放大器的输出端直流电,有的时候会导致放大器的输出会产生几毫伏的静态直流电压。

通常情况下,这几毫伏的电压并不会造成什么应县,但是如果直流偏移后面还跟着一个提供大量增益的元件的话,即使是微小的电压,也会变成一个尤为巨大的输出电压。举个例子,如果输入端的直流偏移为+0.002V,而像麦克风前置放大器这样的电路,具有60dB的增益(放大系数为1000),那么输出端的直流偏移量便会成为2V(还记得我们刚才提到的限制动态余量的电源吗?)。

比较简单的解决方法是电容耦合——我们不需要彻底扎进这个乱麻中,只需要使用一个组织直流电压的电容,比如抵消电容即可。但是不要使用交流电源,比如音频文件。总而言之,有些元器件有着比直流电还低的频率响应,这些电压才是我们想要使用的。

对于数字音频,直流偏移主要有两种表现形式:

将具有直流偏移的模拟信号录制到一个音频接口中(例如MOTU、PreSonus等),将低频响应降至比直流电低的水平,而不是将其滚将至20Hz之类的。

如果问题超出了您能控制的范围,那么就将直流偏移添加到一个文件中,并传输进电脑。

无论是哪种情况,直流偏移都会表现为信号基准线,与“真正的”0V基准线是不匹配的。

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想要解决这种基于软件的数字音频程序的直流偏移问题,主要有两种方法:

大多数的专业级数字音频编辑和多轨录音软件都会自带DC偏移的校准功能。一般位于处理菜单下方,并带有变化增益、反向、翻转相位等等功能,或者也有插件的形式。此功能可以分析信号并加上或者减去所需要的校正量,以确保0dB真的就是0dB。

使用斜率较高的高通滤波器,切断所有低于20Hz左右的信号(即使是相对温和的12dB/倍频程滤波器,0.5Hz的信号也会下降超过60dB)。在实践中,切掉频谱中不常用的部分永远都不是一个坏主意。大多数的扬声器都无法再现那么低的音频信号,只会占用放大器功率和带宽而已。

直流偏移通常不是主要问题,但是直流偏移的存在,时不时地会使音质变糟,并且悄悄减少可用的动态余量。

动态余量确实不是很让人兴致盎然,不过……

它依旧是我们所处的音频世界的一部分,无论这个世界是模拟的还是数字的。而有的时候,动态余量问题可能不会造成什么后果,但有些时候又会对听感造成极大的影响。因此,请确保您已经对您的系统进行了分析和增益分级,以保证可以最大化地利用动态余量,并且不会超过它。

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