音频计量的前世今生

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关于音频计量器的起源、类型和用途以及在发展过程中创建的行业测量标准的历史课。

音频计量几乎是所有音响系统的关键部分，无论是现场直播、录音室、电台和电视广播，甚至是消费音频。监控音频电平以确保信号在各组件之间顺畅流动的能力，现在已成为我们理所当然的事情。要了解计量技术的发展历程，我们需要追溯到 19 世纪末，那时人们首次开始利用电力捕捉和传输声音。

大多数音频系统的两个关键部件是麦克风和放大器，它们都是为电话而开发的。1876 年，麦克风出现在第一批听筒中，但我们不得不等到 1907 年真空管的发明，事情才真正开始变得有趣起来。

电话行业很快就意识到长途电话的巨大潜力，因此真空管的首批应用之一就是被称为中继器的放大器。这些设备分布在电话线上，定期增强信号，弥补由于电缆阻抗造成的电平损失。为了测量这种信号损失，电话工程师们提出了 “一英里标准电缆”（MSC）单位，每个单位代表一英里标准 19 号电话电缆在每秒 5000 弧度（即 795.8 赫兹）的频率下的信号损失，其电平恰好与普通听众可检测到的最小变化一致。

1923 年，一种新的测量单位 “传输单位”（TU）被提出和采用，并很快取代了 MSC，因为它测量的信号损耗与频率无关。这意味着它可以在电话行业之外使用，并很快受到广播公司的欢迎。贝尔电话公司随后于 1928 年推出了以公司创始人亚历山大-格雷厄姆-贝尔命名的 “贝尔 ”作为功率单位。于是，分贝（dB）由此诞生。


他们第一次有了一个国际公认的单位来表示音频信号的电平，但是，电平测量仍然没有标准。虽然存在各种指示器，但它们通常测量信号的不同特性，并以不同的刻度和颜色方案显示，这只会让操作人员感到困惑。


主要问题在于，电气工程中常用的三种正弦波测量方法--平均值、均方根值（RMS）和峰值--并不能很好地表达复杂和非周期性波形的客观电平，例如语音和音乐中使用的波形。

  

1938年，哥伦比亚广播公司（CBS）、美国全国广播公司（NBC）和贝尔实验室的工程师们聚在一起，开发了一种新的音频信号标准参考电平指示器。他们构思了第四个数值，并将其命名为“音量”，这个数值更适合用来表达复杂信号的幅度。它最初被定义为一个纯粹的经验概念，是为了满足实际需求而发展起来的，而这种需求无法用我们熟悉的功率、电压或电流等电气单位的精确数学公式来定义。这个新的标准音量指示器不仅显示百分比刻度，还采用了“音量单位”，因此被称为VU表。

VU表采用直流电流表（即动圈式电流表），并在其外壳内安装全波氧化铜整流器。首批VU表比前代产品更大，尺寸为4.5英寸见方，并增加了刻度，顶部以黑色显示百分比，底部以红色显示VU值，此外还包含一个红色过载区域。所有这些都以奶油色背景为背景，以便于阅读。

为确保各部件的一致性，我们制定了严格的规格，并鼓励定期校准。0 VU 的校准是通过连接一个 600 欧姆负载来实现的，该负载流过 1 毫瓦 1,000 Hz 的正弦波功率。为了确保频率响应的一致性，该电平读数在 35 Hz 至 10 kHz 之间不得超过 0.2 dB，在 25 Hz 至 35 Hz 和 10 kHz 至 16 kHz 之间不得超过 0.5 dB。动态特性也进行了定义，即指针应在施加信号后 300 毫秒内达到 99，然后应超过 100 点至少 1%，但不超过 1.5%。

VU表的机电特性，尤其是指针的质量，是刻意减慢测量速度的关键因素，它有效地平衡了峰值，从而更好地反映了信号的感知响度，而不是峰值的电气精度。VU表的巧妙之处在于，它并非能够精确测量特定值（这并非总是必要的），而是能够让操作员更快地检查电平是否在所需范围内。VU表在近80年后的今天仍在使用，这向那些早期的先驱电气工程师致敬。



Up & Down
大约在同一时期，德国和英国的广播公司独立开发了一种被称为峰值节目表（PPM）的仪表。PPM 是一种准峰值表，顾名思义，它主要用于测量峰值，而不是 VU 的平均值。这一区别非常重要，因为在无线电广播中，尤其是早期的调幅广播中，确保峰值电平尽可能高而不超过最大值至关重要。


英国 PPM 由 BBC 开发，其特点是黑底白字，积分快，返回时间慢，刻度从 1 到 7。德国 PPM 具有更快的积分和返回时间、更宽的动态范围和半对数刻度（以 dB 为单位，相对于允许的最大水平进行校准）。

不同国家的响度单位表。
德国版本通常称为 DIN PPM，它和英国版本后来在 IEC 60268-10 中分别定义为 I 类和 II 类 PPM。其他地区版本包括斯堪的纳维亚地区使用的北欧版本，它使用与 DIN PPM 相同的积分和返回时间，但采用了动态范围更小的对数刻度；以及以欧洲广播联盟命名的 EBU 版本，除刻度外，它与英国 PPM 完全相同。

一个普遍存在的误解是，PPM 是作为 VU 的高级替代品而设计的，但事实上，PPM 比 VU 出现得更早一些，因此更准确地说，VU 是作为 PPM 更经济的替代品而开发的。这两款产品都统治市场多年，但随着通道和音轨数量的增加，它们相对较大的物理尺寸很快就成了问题，尤其是在 20 世纪 70 年代的录音室和现场应用中。


此时，一种新的仪表开始出现在调音台和其他音频设备上：一种垂直排列的彩色发光二极管，即 LED 柱状图。由于尺寸较小，表桥可以在通道正上方显示每个通道的电平，在某些情况下，表桥就在推子旁边。


早期的 dB 计。

颜色方案通常从绿色开始，在大约一半的位置变为黄色，然后在最顶端变为红色，这样操作员就能瞄准 “最佳位置”，就像 VU 表一样。此外，由于不涉及指针质量或弹道，LED 条形图可以是真正的峰值表，尽管许多条形图是模仿 VU 表的平均值设计的（有些甚至是可切换的）。

至此，我们才算走到了今天。

当 VU 表和 PPM 表仍在广泛使用时，条形图已无处不在，而且它们都以硬件和软件的形式存在。计量领域的大多数最新发展都围绕着测量感知响度的持续努力，这使我们很快进入了一个全新的标准和缩略语领域。

2001 年，国际电信联盟 (ITU) 发布了全球标准 ITU 85.1770，该标准使用 K 权衡滤波器曲线（在主观印象和客观测量之间架起一座桥梁）来定义 LKFS 量表。LKFS 表示相对于满量程的 K 加权响度，旨在实现广播电视音频电平的正常化。

欧洲广播联盟 (EBU) 随后指出，LKFS 不符合科学命名惯例，因此建议在 EBU R128 标准中将其改为相对于满量程的响度单位 (LUFS)。随后的修订使这两个标准趋于一致，因此 LKFS 和 LUFS 现在是一回事--两个单位都等于 1 分贝，并给出负值（因为它们是相对于满刻度的，而满刻度的最大值是 0 dB）。

响度单位 (LU) 也可以相对于其他标度使用，0 LU 相当于各种国际响度标准化标准所定义的目标电平，如 EBU R128（欧洲）、OP-59（澳大利亚）、ARIB（日本）、AGCOM（意大利）、ATSC A/85 和 CALM（美国）。

虽然这似乎只与广播行业有关，但在线流媒体服务和便携式播放设备制造商都在探索实施某种形式的标准化响度归一化，以确保节目音量的一致性。因此，任何参与录制音乐的人都应该对这些测量方法非常感兴趣。(欲了解更多信息，请访问音乐响度联盟）。

自从我们用电缆的长度来测量信号电平以来，我们已经取得了长足的进步，而在现代数字音频时代，确保音频电平的充足性和一致性同样重要。因此，了解不同类型的仪表及其传递的信息对于确保任何项目的成功都至关重要。

文章出处：https://www.prosoundweb.com/on-the-level-audio-metering-then-now/