现代音响系统中的电平及其测量.docx

1、现代音响系统中的电平及其测量现代音响系统中的电平及其测量 作者： 日期： 电平在现代音响系统中至关重要，电平值的正确选择它将决定着整个音响系统的质量优劣。正确认识和理解电平十分重要。对电平的基本概念、电平的单位、电平的应用、电平的计算、尤其是在数字系统和数字、模拟混合的系统中弄清满刻度电平的概念及在数字系统中“0”dBfs 对应模拟系统中的“电平”(即：对应 +24dBu的依椐)、更是非常重要。本文将讨论这些问题 。在现代音响系统中无论是在录制系统、播出系统、传送系统还是扩声系统中，“电平”都是十分重要的。比如在一个录制系统中. 准确地选择一个恰当的录音电平值时，这个录制系统的节目声音信号的质

2、量才可能有保障。因此,准确理解“电平”和电平的相关属牲及其“电平”的测量是十分必要的。来自美女视频 一、 电平的基本概念在现代广播、电影、电视、音响系统中，级和分贝经常出现，一个量的级的定义是这个量与同类基准量的比的对数，其对数的底、基准量和级的类别一定要加从说明。级的类别通常在前面加词冠来说明，如：电平、磁平、声压级、响度级等。对数的底，以及用的比例常数则由所用单位，如：分贝、奈培等来说明。奈培是级的单位，其对数为自然对数，底为e。量为场量(电压.电流)或功率的平方根，符号是Np。奈培在电信技术中使用，在广播、电视中测量音频电缆时，也用奈培(Np)。分贝是贝尔的十分之一，称“分”贝尔，简称为

3、分贝，符号是dB。这些单位都是由电信技术中引用来的，在广播、电视、音响系统中，常用的是分贝(dB)。奈培与分贝的关系是1Np=8.686dB。电平是指某一测量点与某基准值的比较（如功率、电压、电流等）。通常情况下，电平均指绝对电平。如：几种常用的绝对电平：dBm、dBu、dBv、dBr 、dBFS等。1、绝对电平20（V2 / V0 ）dB m。V2为某测量点电压、V0 某基准值电压。绝对 “零”分贝 电平：是指功率为P0 = 1 mw，电压V0 = 0.775Vrms，电流I0 = 1.228 mA，阻抗为，Z0 = 600时，称作绝对“零”分贝 电平。即：0 dBm。2、相对电平：是指某一

4、测量点与某基准值的比较（如功率、电压、电流等）。相对“零”分贝电平20（V2 / V1 ）dB 。如某一测量点电压为0.775Vrms 、其基准值电压也为0.775Vrms 时，即V2V1 时，称做相对“零”分贝电平。即：0 dB值得注意的是，此时，某一测量点的阻抗和基准点的阻抗应相同。(这个问题在电平的计算中将进行讨论)。二、电平（分贝）应用在广播、电影、电视、电声系统中，用十进对数表示的比值为贝尔。取贝尔的十分之一 称为分贝尔，简称分贝。 分贝（dB）在电学、声学、磁学中均有广泛的使用。在电学计量中分贝（dB）是一种“电平”单位；在声学计量中分贝（dB）是一种“级”的单位。如：声压级、声强

5、级等。在磁学计量中分贝（dB）是一种“磁平”的单位；磁平是指记录在磁带上的剩余磁通量。用单位磁迹宽度的短路带磁通量为基准。常用单位是：纳韦伯 / 米（n wb / m）有效值。我国广播标准参照CCIR标准作出规定：在带速为38.1cm/s及19.05cm/s时，以1KHz信号为参考频率，其单位声道的“参考磁平”为320 n wb / m；立体声双声道时“参考磁平”为510 n wb / m。关于“工作磁平”我国广播标准中对工作磁平的规定是：在录音时采用“工作磁平”，比“参考磁平”低6dB（即单声道时工作磁平为160 n wb / m；立体声双声道时 工作磁平为255 n wb / m）。三、几

6、种常用的电平单位dBm：是以0.775 Vrms（阻抗为600）为参考电压的电平单位；dBu：是以0.775 Vrms（阻抗不限）为参考电压时的电平单位；dBv：是以1.0 Vrms（阻抗不限）为参考电压时的电平单位；dBr：是相对参考电平单位，测量电声系统的幅频特性时，常被选用；dBfs（dB full scale）：是数字音频信号电平单位表一 为某一电声系统所测量的幅频特性，用不同单位表示时的实际值。用dBu表示时，如表中第一行所示；用 dBr表示时，如表中第二行所示（取1KHz时的0 dBr = 4 dBu为准）。显然，用dBr表示时，幅频特性的优劣更为显而易见。表一 分别用dBr与dB

7、u表示幅频特性的比较f Hz201255001K10K20KdBu+1+2+3+4+6+2dBr-3-2-10+2-2四、 数字音频系统中满刻度电平的概念 “0”dBfs：是满刻度的数字音频参考电平，称：数字满刻度电平。是指在数字音频系统的数字域中，对最大值所对应的A/D或D/A变换器，所能转换的模拟信号不被削波时的信号电平。它用于带有A/D或D/A转换器的数字音频设备，是一项“满刻度”指标。“满刻度”是指：转换器可能到达“数字过载”之前的最大峰值电平，满刻度电平值是由转换器内部设计所决定的一个固定电平值。“0”dBfs对应 +24dBu ，是我国的广播电影电视行业标准。其最大可能编码的电平值

8、用与其相对应的模拟信号电平值表示。所采用的编码方式，至少相当于16比特均匀精度。目前，已成为中华人民共和国国家标准GB/T14919-1994数字声音信号源编码技术规范的一种规定。在广泛地对节目信号录制的研究中得知，节目信号瞬态电平的大小与声音信号的类型有关，有训练的播音员讲话的瞬态电平可达（14-18）dB ；而大型交响乐的瞬态信号电平可以达（18-20）dB 。以在数字方式录制节目时，信号峰值储备量应尽量包含较宽的瞬态值，以减少削波失真。所以在录制动态较大的节目时，其信号峰值储量一般应在20 dB左右。这也说明“0”dBfs对应模拟信号电平为 +22 dBu的数字设备能继续使用。1、根据我

9、国广播电影电视行业标准GY / T 192 -2003数字音频设备的满刻度电平的规定，电声系统的“工作电平”为 15 dBu 而最高峰值电平为 24 dBu。图1的说明如下： 0 VU：对应 +4 dBu为基准电平，这是电声系统的选择所决定的； 11 dBu：是节目信号最高准平均值电平，比基准电平（0VU参考电平的+4 dBu）高11 dBu 。即节目信号最大允许工作电平（其中基准电平4 dBu + 最高准平均值电平11 dBu）为15 dBu，这个电平也就是该电声系统的“工作电平”。 9 dBu：考虑到节目信号的瞬间峰值，应留有（912）dBu的电平储备量，这里选择为9 dBu，当然根据实际

10、需要，储备值也可有不同的选择。若储备量选择得过大，系统的信噪比将随之降低，所以这个储备量值的选择应当慎重。2、欧洲广播联盟（EBU-R68-2000）的规定为“0 dBfs对应+22dBu 。如图2所示，是欧广联标准的电平图：图中的说明 9 dBu：节目信号最大允许电平比基准电平高9dBu，实际上是比0dBu高+13dB； 6 dBu：考虑到操作误差和节目信号瞬间峰值的影响，应留有6 dBu的电平储备余量； 3 dBu：考虑到广播用准峰值表的特性，实际的瞬间峰值比准峰值表的指示要高3 dBu； 在数字设备中，数字音频信号编码电平的基准电平应比系统最大可能的峰值电平低18 dBu； 数字音频设备

11、的校准信号为1KHz的简谐信号。、TU=R BR1384中SMPTE，（美国电影与电视工程师协会）建议数字音频系统满度电平，即“0dBfs 对应+24 dBu”。关于基准电平的建议是：数字录音格式是线性，16比特解析度或更多的数字格式，电平基准规则采用SMPTE推荐的RP155-1995音频电平同于在数字电视磁带录制机上录制数字电平的音频电平。认为编码电平最大值应比基准信号电平高20dBu 。值得注意的是在电声系统中，各环节中的数字音频设备的满度电平值可能有所不一样，所以在选择电声系统的工作电平值时，要考虑到在各环节的设备应留有足够的峰值电平储备量，否则就会产生节目信号瞬间峰尖时造成较大的失真

12、，而在节目信号低峰时又可能被噪声所淹没。来自美女视频 五、数字电平（dBfs） 与模拟电平（0VU）的关系1、VU：是声音信号的“音量单位”在电声工程中用于对节目信号强度进行计量的专门仪表，称之为：音量单位表。也称音频节目表。这种专门仪表是采用平均检波器（二极管桥式整流器）并按简谐信号的有效值来确定刻度。因此，它是一种准平均值表。2、“0”VU：是声音信号的“参考电平值”一般，用于节目信号测量时的准平均值为 +4 dBu（1.228伏）。当测试信号为1KHz的简谐信号时，“0”VU是否对应 +4 dBu电平值，要取决于节目信号的峰值因数大小。当节目信号的峰值因数为6dB时，虽然“音量单位表”指

13、示值为“0”VU，但此时所对应的峰值电平却是4 dBu+6 dBu为10 dBu 。3、 数字音频信号编码电平（dBfs）与音量单位（VU）表指示的对应关系数字音频节目信号与测试信号（1KHz）在通过被测系统后，用VU表测量时，读值是不一样的。图3是测量时用于“对应关系比较”的方框图。表二 为测试信号在（频率为1KHz简谐信号）情况下测得的数据（注调音台增益为1）表二 1KHz信号编码电平（dBfs）与VU表指示对应状况测试信号电平值编码电平对应模拟电平VU表指示值对应电平+24dBu+10 dBu+4 dBu0 dBu0dBfs-14dBfs-20dBfs-24 dBfs+24dBu+10

14、dBu+4 dBu0 dBu0VU(加20dB衰减量)0VU（加6dB衰减量）0VU-4VU+4 dBu+4 dBu+4 dBu0dBu从表二中不难看出，当测试信号为音频1KHz简谐信号时，数字编码电平与VU表音量单位电平有固定的相应关系。表三 为节目源信号（分别在S节1峰值因数为24；S节2峰值因数为10 dBu；S节3峰值因数为4和S节4峰值因数为1等）情况下测得的数据（注调音台的增益为1）。表三 节目信号编码电平与VU表指示不对应状况（峰值）节目电平值编码电平对应模拟电平VU表指示值对应电平S节1 +24dBu0 dBfs+24dBu-4VU0dBuS节2 +10dBu-14 dBfs+

15、10dBu-4VU0dBuS节3 +4dBu-20 dBfs+4dBu-4VU0dBuS节4 0dBu-24 dBfs+0dBu-4VU0dBu综上所述，电声系统中加音频测量信号（1KHz）时，数字编码电平与音量单位表（VU）有固定的对应关系，而在加节目信号时，这个对应关系就不存在了。六、分贝的应用分贝不仅在电声技术中得到广泛的应用，而且在电学、磁学、声学中也都广泛的使用。a) 在电学中，尤其是电声技术中的应用前面已经讲过了。b) 在磁学中，也是大有应用。磁平的基本概念：是指以特定数值为基准的带磁通密度的相对值。旧的标准采用C、G、S（厘米、克、秒）而新的标准采用SI制（国际单位制）。C、G、

16、S制：是指每毫米宽磁带上的磁通量毫马数，即mMx/mm表示。SI制：是指每米宽磁带上的磁通量韦伯数值。即nwh/m表示。磁平定义：是指记录在磁性材料上的剩余磁通量。其中有：工作磁平255nwh/m，为0dBu时，最大记录磁平为12dBu，饱和磁平为14dBu等等。c) 分贝在声学中的应用分贝在声学中称为“级”。如声压级（SPL）。声压级（SPL）定义：待测声压P与参考声压的比值。其中参考声压：Pr=210-5Pa，在音频为1KHz时分贝在实际工作，用途极广。如1分贝：是人耳能察觉到声压级最小变化量。3分贝：是声压级增加1倍的概念。6分贝：是声源与听者之间距离增加1倍，听者感觉声压级减少5dB。

17、20分贝是声压级增加10倍，而人耳感觉响度增加2倍。七、分贝值的计算在实际工作中经常遇到，分贝值的计算问题，查起对数表即费时又费力，还不便找到对数表，下面根据工作经验给出求分贝值的简便算法。表四，求分贝值的简便算法放大比操作分贝（dB）值准确值10002、3、436、9、126.02，9.502,12.045、6+914、1513.97,15.607、8、9+1017、18、19、2016.90,18.60,19.08,20.010220240401032036060分贝的计算实例已知放大器输入电压为0.05V，输出电压为5V，输入、输出端阻抗为600输入阻抗为300，输出阻抗为600输入阻抗

18、为600，输出阻抗为300。求：放大器的增益（K值）通过上述计算得出，输入，输出阻抗变化将引起放大器增益的变化，这一点在实际工作中应当注意。八、 系统的电平图电平图：是描写音响系统中声音信号（节目信号）在音响系统内各环节的工作电平（电压电平）的图纸。称为“电平图”。声音信号（节目信号）在电声系统中要通过许多环节（经过许多不同的设备），为了使声音信号（节目信号）在各环节中都能正常通过（即不产生失真也不被噪声淹没），必须控制（调整）通过各环节处的信号电平。图4中的一条折线，就是各环节的输出达额定电平、将各环节设备的输出额定电平值联成的折线，称为工作电平（额定工作电平）分布线。通常这个工作电平值由声

19、音信号（节目信号）电压的准平均值折算过来，这与准平均值音量表（VU表）的指示值相一致。如果电平系统使用准峰值音量表（PPM表）指示信号，则也可用声音信号（节目信号）电压的准峰值电平来表示工作电平。在电平图中还标出播出系统各环节所承受的最高准峰值电平，称为“最高电平”线，它是声音信号（节目信号）的准峰值电平所能达到的上限值。其下限值受各环节的噪声准峰值电平值限制。由电平图可以清楚的看到，电声系统的输出信号电平达额定电平值时，电声系统各环节的设备所留的电平储备值及信号噪声比值。如在调音控制台，录音机等设备，也用电平图表示声音信号（节目信号）在该设备内各环节工作电平，只有控制通过各环节处信号电平，才

20、能使声音信号在各环节中良好通过，即不造成失真的产生，也不会被噪声所淹没。综上所述，电声系统的电平图对于正确使用电声系统中各环节设备是十分有意义的。九、模拟（数字）音响系统动态阈模拟音响系统是由传声器、多轨录音机、调音台、录音机、复制机、磁带、放音机、功放及音箱组成。如图5所示为该系统电平图。上限电平受音响系统中各种设备的信号最高准峰值电平限制，下限电平受该音响系统中各种设备的噪声准峰值限制，在上限与下限之间动态，一般称设备的动态阈。此时动态阈的定义为信号最高准峰值电平（dBu），减去噪声准峰值电平。那么该音响系统的信号噪声比，即是信号最高准平均值电平减去噪声准平均值电平。通常只把用准峰值电平表

21、示的系统或设备动态称作“动态阈”，而只把用准平均值电平表示的动态称作“信号噪声比”。信号最高准平均值电平比信号最高准峰值电平低9-12dB这个也叫动态储备量，根据视节目源信号的动态范围大小而确定。数字音响系统动态阈和信噪比与模拟音响系统动态阈和信噪比的形状基本相似，只是数字的动态阈和信噪比要比模拟音响的动态阈的信噪比更大些，更好些。1、传声器 2、多轨录音机 3、模拟调音台 4、模拟录音机5、模拟复制机 6、节目磁带 7、模拟放音机 8、功放 9、扬声器十、现代音响系统中录音工作电平的基本概念工作电平的正确选择和录制节目声音质量的关系至关重要，准确地选择一个恰当的录音电平值，能够保证录制节目声

22、音质量的良好。一般的来说，一个录制系统应包含：传声器、调音台及记录设备（如录音机、磁光盘记录设备、音频工作站等）。当前，录制系统中又出现了数字录制系统、数字和模拟混合录制系统及模拟录制系统。在这些诸多系统中，节目声音信号最终都要记录在一个相应的载体上（如磁带、磁光盘及硬盘等等）。这个记录载体上记录的节目声音信号的质量，也就是这个录制系统的最终节目声音信号的质量。录制系统中的录音电平将决定着节目声音信号的质量，即准确地选择一个录音电平，这个录制系统的节目声音信号的质量才能有保障。这个录音电平在这里实际是指录音工作电平的简称，那么在一个录制系统中录音工作电平是怎样确定下来的呢？这里首先要弄清楚一个

23、录制系统的“动态阈”和“信号噪声比”的概念，如图1所示，为某一个录制设备（如传声器、调音台及记录设备）的动态阈和信号噪声比。如图6所示，对于一个电声设备或者是一个录制系统它的动态阈和信噪比是有很大区别的，可是有很多人常把动态阈和信噪比混为一谈，因此，对于正确选择录音工作电平是有害的。也有人把节目声音信号的动态范围和电声设备的动态阈相混淆。如图1所示，某电声设备的动态阈是该设备的节目信号最高准峰值电平与该设备的噪声准峰值电平之差（常用分贝表示）而此时的噪声准峰值电平应是该设备的噪声准平均值电平加上约6dB即可。因为通常电声设备技术指标给出的是噪声准平均值电平，而不是噪声准峰值电平，这一点应加以注

24、意。因为决定动态阈下限的噪声往往是“高斯噪声”，这个噪声准峰值电平比噪声准平均值电平高约6dB。而这个电声设备的信噪比应是该设备的最大允许的不失真电平，在这里是信号最高准峰值电平减去一个“电平储备量”后即为该设备的信号最高准平均值电平，这个信号最高准平均值电平与噪声准平均值电平之差，即为该电声设备的信噪比。显见，动态阈是用准峰值电平表示，而信噪比则是用准平均值电平表示的，两者的区别是显而易见的了。而对于一个节目声音信号应称作为节目信号的“动态范围”。而又不能称其为节目信号“动态阈”，这也是不能混淆的。说到底，录制工作就是将节目信号（实际是节目信号的动态范围）恰当地放置到这个电声设备的“动态阈”

25、之中，即节目大信号时，不产生削顶失真，而节目小信号时，又不被该设备的噪声所淹没。录音工作电平的确定，就是录音师在录音时选择的一个电平值，确定这个录音工作电平的依据是，一是要了解、掌握所使用的录音设备动态阈，二是要了解、掌握所录制的节目信号动态范围，三是选择一个恰当的电平储备量，即是当节目信号高潮来时，也不会产生削顶失真，节目低潮时，也不会被设备的噪声所淹没。这个由信号最高准确值电平减去电平储备量后的信号最高准平均值电平就是要选择的录音工作电平。一、 模拟录制系统中录音工作电平值的确定如图7所示，为一个模拟录制系统的示意图，它是由传声器、调音台及录音机组成。如图8所示，为这个录制系统的电平图，它

26、是由传声器、调音台及录音机所组成，而信号最高准峰值电平和它们的噪声准平值电平，又组成了该系统的电平图，这两个电平值在相应设备的技术指标中可以查到。在这张录制系统电平图中恰当的选择各种设备的电平储备量，如传声器调音台、录音机电平储备选取均为9dB，再把传声器、调音台及录音机的录音电平曲线连接起来，即为该系统的录音工作电平图。这个电平储备量（9 dB）的选取是应考虑到所录制的节目峰值因数的大小而定的，若所录制的节目声音信号的峰值因数很高（如经常是大于9 dB，而是1012dB时），就应把电平储量选取的大一些如12dB，若是所录制的节目声音信号的峰值因数较低，如峰值因数经常处在6dB左右，那么也可将

27、这个“电平储备量”选取为6dB。电平储备量的选取，应当视录制的节目信号的峰值因数而定。电平储备量选择的过小时，节目峰值因数大时，则可出现削顶失真，反之电平储备量选取的过大时，节目信号低潮时，又可能被噪声所淹没。在录音时，是通过录制系统中的监视表即用音量单位表（VU）和节目峰值表（PPM）来观察录音工作电平的。如图7所示，这个录制系统中音量单位表（VU）的主要作用是用表来监视录音工作电平的，这种音量单位表（VU）是专门对录音节目信号的强度进行计量的，用这种音量表（VU表）作为节目信号传输和交换及录音时有一个共同的电平标准，这种音量表（VU表）除了必须采用相同的计算值以外，还必须统一它们的时间特性

28、、幅频特性、阻抗特性、刻度方式、指示偏差以及这种音量表（VU表）对录制系统中电路引入的附加畸变等等。另外，其他方面还有许多要求，我国制定了关于音量表的标准，称之为“音量表的技术条件”，因此看来音量表不是普通的电流表，它是有严格的技术要求的，据我所知，到目前为止，我国还不能制造出合格的音量表，在国际上，也是只有那么很少的几家工厂，才能生产这种符合要求的音量表。音量表的全称为“音量单位表”又称VU表，它是采用平均值检波器并按简谐信号的有效值确定刻度的，因此，它是一种准平均值表。而它的刻度用对数和百分数表示，并将参考电平（OVU，100%）定在满度以下（3VU处），标准音量单位（VU）表的OVU（1

29、00%）相当于节目信号的准平均值为1.228伏。（+4dBm）在录音时，这种音量表常作为听觉强度感（即“音量”）的代表，换言之，音量表指示大时，录音师对节目信号听觉强度感也就会强些。因此，音量表基本反映出录音师的听觉强度感与节目信号成正比的关系。由于这种音量表的特性所限定它，不能“完全”反映出节目信号的听感响度，更不能反映出节目信号的峰尖幅摆情况，这是音量表的缺点。针对音量表（VU）的不是，在20世纪60年代又逐渐推广另一种音量表即“峰值节目表”又称PPM表，这种峰值节目表（PPM）实际上是准峰值电平表，因为它是采用峰值控波器而按简谐信号的有效值确定刻度的，并用电平值标示。为扩大观察动态阈，峰

30、值节目表（PPM）一般有50分贝的有效刻度，其额定电平（OdB）到满刻度一般留有5分贝的余量。标准峰值表的OdB相当于信号准峰值为1.55伏。但实际使用时OdB对应电压值也可根据具体情况来确定。如果在同一设备上同时使用音量单位表（VU）和峰值节目表（PPM）时，VU表上OVU和PPM表指到OdB，两者关系是怎样确定呢？一般是选用准峰平比为1（OdB）的简谐信号（如1KHZ）来校准额定电平时，它在音量单位表（VU）表上指示值为OVU（即额定电平）时，在峰值节目表（PPM）上即应指到9 dB处。这时在音量表上已经预留9 dB“储备”。换言之，当实际节目信号在音量表（VU）上达到OVU时，那么这个节目信号的高峰尖也就会接近峰值节目表（PPM）的OdB值了。峰值节目表（PPM）指示的是节目信号峰尖的大小，因此它是用来监测节目信号的幅摆情况的，（即监视节目信号是否有过荷），这种节目信号的峰尖大小并不能直接反映出节目信号给人的听觉强弱感，因此峰值节目表的指示值与节目信号的响度不一定相对应，这就是峰值节目表的缺点。因此在同一设备中采用两