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1、1,第5章 音频信号处理设备,什么是音频信号处理设备？,它是一个总称。音频信号处理设备(Audio Signal Processor)是指在音响系统中对音频信号进行修饰和加工处理的部件、装置或设备。,在专业音响设备中，可以作为一个设备的部件出现在调音台，扩音机内部，也可以做成一台完整的独立设备，作为扩声等音响系统的组成部分。,由于在专业音响系统中，音频信号处理设备通常是围绕调音台连接的，因此也将独立的信号处理设备称为调音台的周边设备，简称周边设备。,2,使用信号处理设备的目的,一种是对信号进行修饰求得音色美化，达到更为优美动听或取得某些特殊效果； 其次是为了改进传输信道本身的质量，以求得改善信
2、噪比和减小失真或弥补某些环境的声缺陷等。,按照信号处理设备的基本结构可分为,机械式信号处理设备,电子式信号处理设备,钢板混响器、金箔混响器和弹簧混响器,目前除少数有特殊用途和特殊效果要求的处理设备外，各种信号处理设备基本上都已实现了“电子化”。,3,按照信号处理设备的用途可分为,滤波器和均衡器,压缩/限幅器和扩展器,通过对不同频率或频段的信号分别进行提升、衰减或切除，以达到加工美化音色和改进传输信道质量的目的，并可以对扩声环境的频率特性加以修正。,这是一种其增益随着信号大小而变化的放大器。其作用是对音频信号进行动态范围的压缩或扩展，从而达到美化声音，防止失真或降低噪声等多种不同目的。,4,电子
3、分频器,延时器和混响器,听觉激励器,一种有源分频器，其作用与音箱中的分频器相似，它将宽频带音频信号分成高、中、低等不同的频段，通过不同的音箱达到分频段扩声的目的。,通过机械或电子的方法来模拟闭室内声音信号的延时和混响特性，使乐音更加丰富和亲切，并可制造一些特殊的音响效果。,在原来的音乐信号的中频区域加入适当的谐波成分，以模拟现场演出时的环境反射，使信号更具有自然鲜明的现场感和细腻感，并使声音更具穿透力。,6,作用如下：,校正各种音频设备产生的频率失真，以获得平坦响应。对声源的音色结构加工处理，用于刻画乐器和演员的音色个性，提高音响艺术的表现效果。改善室内声场，改善由于房间共振特性或吸声特性不均
4、匀造成的频率失真，确保频率特性平直。,7,均衡器使用的电路不同,可分为有源均衡器和无源均衡器；,根据中心频率不同，可分为低频均衡器，中频均衡器，高频均衡器和多频段均衡器；,根据均衡的声音信号的声道数，又可分为单声道频率均衡器和双声道频率均衡器;,根据其他参数(如中心频率)是否可调，可分为图示均衡器和参量均衡器。,图示均衡器按照频率划分的方式不同，可以进一步分为：1倍频式，1/2倍频式，1/3倍频式，1/4倍频式等多种。,8,一般常用的专业多频段图示均衡器有单通道15段和31段及双通道15段和31段四种。双通道均衡器两个通道的频率特性独立调整，互不影响。一般15段均衡器的中心频率按2/3倍频程选
5、取， 31段频率均衡器，以选择1/3倍频程为好,各频率点的最大提升和最大衰减因均衡器不同而异，一般多为15dB和12dB。,声音各个波段的作用：下表提供人听觉上下限内声音各个波段对听觉感受的影响，按着频率由高到底排列。,镲,三角铁,声音各个波段的作用：下表提供人听觉上下限内声音各个波段对听觉感受的影响，按着频率由高到底排列。,小号,双簧管,声音各个波段的作用：下表提供人听觉上下限内声音各个波段对听觉感受的影响，按着频率由高到底排列。,声音各个波段的作用：下表提供人听觉上下限内声音各个波段对听觉感受的影响，按着频率由高到底排列。,80160,这个频段的声音主要表现音乐的厚实感，音响在这部分重放效
6、果好的话，会感到音乐厚实有底气.如果表现不好，音乐会有沉闷感，甚至是有气无力。,声音各个波段的作用：下表提供人听觉上下限内声音各个波段对听觉感受的影响，按着频率由高到底排列。,14,实践证明，在150500Hz频段影响语音的清晰度，24kHz频段影响人声的明亮度，这是音质的敏感频段；频率响应的中低频段和中频段的波峰、波谷都严重影响音色的丰满度；相对而言，125Hz以下和8kHz以上对音色的影响不是很大，因为人耳难以分辨清楚，但这个频段对音质很重要，尤其对高层次的音乐要求更是如此：125Hz以下不足音质欠丰满，8kHz以上缺乏则音质表现力欠佳，缺乏色彩与细腻的魅力。,15,均衡器在扩声系统中有很
7、多用途，例如弥补环境声场缺陷，消除声反馈，衰减噪声频带以改善系统信噪比，提高音质等等，最主要用来改善环境声场，也就是改善听音环境的频率特性，使其频响曲线趋于平坦。,若在调整均衡器时对各频率点只作衰减处理，不要提升，此时的均衡器可以称为“声场均衡器”或“房间均衡器”,2. 均衡器在扩声系统中的应用,16,采用音频信号发生器等设备，对厅堂的频率响应曲线进行测定。然后在均衡器上进行均衡处理，使厅堂的实际频响曲线接近平直，从而改善厅堂的声场，提高声音的传播质量。这种方法通常用在音乐厅、剧院等专业演出场所，它需要有一定的设备条件。,调整方法：,17,均衡器调试注意事项,(1)选择各频率点要有针对性和目的
8、性； (2)高低音频率的调节要有限度； (3)两个相邻频率点之间的提升和衰减不要出现大幅度的峰谷交错，一般不超过3dB为宜；避免某两个相邻频点提升衰减差异过大，尽量圆滑过渡。否则声音产生频率失真。 (4)各扩声通道不要按同一频响特性均衡，无法表现不同声源的特点；,（5）不把电位器调节在最上方或最下方，以免产生过大的相位移动，减小系统实际的动态。,18,均衡器调试注意事项,(6)均衡器各频点的电位器都应在中心线上下合理分布，当电位器都偏向中心线上方时，容易引起均衡器过载；当电位器都偏向中心线下方时，会引起均衡器以前设备的电信号过载产生失真，而且这样的状态在使用多声道均衡器时还会使各通道的增益产生
9、差别并产生不同的相移，使声像发生变化。,(7)16KHz以上的频率不宜提升过高，防止在特殊情况下将高频扬声器烧毁；20Hz、25Hz的低频也不应提升过多，那样容易对低音扬声器造成冲击。,19,5.2 压缩/限幅器,在立体声音响系统中，节目源信号的动态范围很宽，音频系统设备的动态范围与之相比要小得多，如交响乐可达100dB，而扩声系统采用的是模拟设备，它的动态范围只在80dB，这就要求调音师依据声源的实际电平进行衰减而不致使产生过激失真，可以利用压限器对音频信号压缩或限幅，使其动态范围与音频设备相吻合，以免许多信息在背景噪声中浪费掉，以保证信号传输不失真。,为什么要使用压缩/限幅器？,20,压缩
10、限幅器简称压限器(Compressor/Limiter)，具有压缩和限幅两种功能。主要用于压缩或限制节目信号的动态范围，避免过激失真的音频信号的处理设备。许多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。,什么是压缩/限幅器？,21,压限器的作用,1）抑制信号幅度，保护扩声系统 对于突发的信号、过强的信号以及误操作产生的过载信号和声反馈，压限器能自动地将其信号幅度按一定的比例进行压缩或限幅，从而使功率放大器和音箱系统得到保护。,例如：话筒受到强烈碰撞，使声源信号发生极大的峰值，或者插件接触不良或受到碰击产生瞬间强大电平冲击， 有可能使功放和扬声器系统的高音单元受到
11、损坏 ,使用压限器可以使它们得到保护。,22,3）使音量变化平稳 当话筒与音源之间的距离发生改变时，压限器可使音量平稳变化。,2）产生特殊的音响效果 利用压缩器起控时间和恢复时间的配合性可以来创造一些类似反射声的音响效果。,23,压限器的工作原理,压缩器实际上是一个自动音量控制器，它是由带有自动增益控制(AGC)的放大电路组成的。当输入信号超过称为阈值(Threshold)的预定电平(也称压缩阈或门限)时，压缩器的增益就下降，使得信号被衰减。,阈值电平 4. 6. 应提升的信号电平 应衰减的信号电平,24,通常我们用压缩特性来描述压限器，使用压缩比率这个性能指标。,1：1 无压缩,2：1 压缩
12、,输入信号电平,输出信号电平,阈值电压,A,B,曲线A的压缩比为1：1，它表明信号没有经过压缩；曲线B的压缩比是2：1，它表明输出信号的电平值仅为输入信号的一半。当然，压缩变化是需要时间的。而且声音信号是不断变化的，因此在某一瞬间可能超出阈值电平，接着又低于阈值电平。,使压缩器的输出信号增加1dB，所需增加输入信号的dB数称为压缩比率(简称压缩比)或压缩曲线的斜率。例如对于41的压缩比率，输入信号增加8dB，其输出值将增加2dB。,图 压缩特性,25,所以，在信号超出阈值电平后压缩器降低增益和在输入信号降至低于阈值电平之后压缩器恢复增益的速度必须确定，也就是它们应按要求跟上信号的变化，可见此速
13、度分别取决于信号增加的时间和恢复的时间。,虽然人耳对信号响度的感觉与其均方根值成比例，短时间内的高峰值并不显著增加信号的响度。但为了避免信号峰触发压缩，需调节信号增加时间，以便使波形超过阈值电平的时间足够构成平均电平的增加。,26,如果信号的恢复时间太短，当增益增加时，背景噪声急剧升高，就会听到“砰砰”、“嘟嘟”和“卜卜”声。为了避免以上现象，可将恢复时间延长，以便让超过阈值的波形漂移地恢复，只使增益降低一半，这些超过阀值的漂移使增益保持下降，然后逐步回复到正常状态，这就可使背景噪声电平的增加不那么明显，并使随后所需的任何增益变化不那么激烈。,恢复时间是指增益恢复至本身无增益下降值时的一定百分
14、比(通常为63%)所需的时间。,如果恢复时间太长，信号强的部分所引起增益的下降会持续至弱的部分，使弱的部分听不见。,27,压缩器变化的过程是需要时间的。当输入电平升高到阈值电平之上时，压限器的增益下降需要一段时间，这个时间称为压限器的起控时间；同样在输入信号降到低于阈值电平之后，压限器的增益要升高，这也需要一段时间，这个时间称为压限器的恢复时间。,在压限器中这两个时间通常是可调的。为了不让听者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100us1ms之间；恢复时间则适当延长一些，一般设计在0.10.3s之间，以免增益迅速变化而使信号产生调幅失真。但时间也不能过长，否则，压限器的变化
15、会跟不上节目的节奏变化。,28,1：1 无压缩,2：1 压缩,输入信号电平,输出信号电平,阈值电压,A,B,当压缩比率较小时，信号失真小，线性好，不会出现压缩的迹象，听感自然，我们称此时为软压缩。压缩比率大时，线性较差，并带来信噪比降低，称之为硬压缩。当压缩比率超过10：1时，进入硬压缩。大压缩比率可以确保高电平信号不过荷，这时声音产生密集感，使平均响度增加，对扬声器不利。,因此选择压缩比率要依据输入信号动态而定，不可盲目而定。,29,阈值电压的调整与压缩比率有一定的关系。通常是当压缩比率选择大时，阈值电压可以提高些；此时会使压缩后的信号产生较小的非线性，以致尽量减少对信号形象的破坏。而压缩比
16、率较小，阈值电压要选低些。 阈值电压定得太低会使输出电平不足而且信噪比差，阈值电压定得过高则输出失真加大。总之，对于阈值电压的确定应以最终处理后的信号电平刚好不超过设备允许最大动态范围为依据。也就是既充分利用设备的动态余量，又达到压缩的目的。,1：1 无压缩,2：1 压缩,输入信号电平,输出信号电平,阈值电压,A,B,30,当压缩器的压缩比无限增大到某一数值时，压缩器就成为了限幅器，也就是说，限幅器是对超过一定电平的信号进行无限压缩，这个信号电平称为限幅电平。,输入信号电平,输 出 信 号 电 平,无限压缩意味着不管输入信号电平变化多大，输出信号电平都没有变化，此时的压缩比可理解为：1。为了防止信号过饱和失真，通常设定一个阈值电压来限制节目中的峰值信号。假设限幅电平为0dB，当节目信号电平低于0dB时，信号无变化通过；当节目信号高于0dB时，信号将保持0dB输出，以防止超出设备的动态范围而引起过激失真。实际应用中，当压限器的压缩比超过10：1时，便可将压限器看作限幅器。,限幅电平,31,限幅器大都用
