音频信号的动态范围

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所属分类:音响技术

动态范围(英语:dynamic range)是可变化信号(例如声音或光)最大值和最小值的比值。音频信号的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。

音频信号的动态范围

虽然空气振动所产生的声音强度的最大值与最小值的差值(dB值),即动态范围是很大的,但由于受人耳的生理特性所限制,可听声的动态范围并不大。可听声波波长范围是17.2mm~17.2m,波长17.2m(即频率为20Hz,20℃时)的声音是人耳能听见的最低频声。可听声的声压范围为2x10^-5 ~20Pa,对1kHz声音通常以听觉下限2x10^-5 Pa为0dB,这时听觉上限可达120dB,即听觉上限为下限的10^6 倍。然而,这些生理上对声压感受的上、下限,并不是音响技术中所选择的上、下限。因120dB已达痛阈,故上限选在110dB以下;又由于噪声的原因,下限也不能选在0dB,它与录音的环境噪声有关,录音室的噪声一般规定不超过30dB。同时,最小声音信号应高于噪声电平10dB,这就是说,在音响技术中,声音信号的动态范围为110-(30+10)=70dB,或者说声音信号的变化范围大约为3000倍。显然,它比人耳10^6 倍的正常听觉范围要小得多,而实际声源的动态范围,如语言为40~50dB,音乐约90dB,音响效果约100dB或更大一些,特别是后两者的动态范围都和听觉范围相接近。这就出现了可用声频信号的动态范围与实际声源的动态范围的巨大差别,这种差别使声音的“层次”级数减少,降低了重放声音的质量。以往声频信号的动态范围只使用到70dB,比实际声源的动态范围110dB低得多,这样就限制了还原声音的质量。随着声频技术的发展,目前激光唱机等数字音频设备的动态范围已超过90dB,甚至达到了100dB以上。

音响应用技术中常用compressor(压缩器)、limiter(限幅器)、expander(扩展器)和gate(噪声门)等工具对音频信号的动态范围进行处理。

Compressor用于减小动态范围。对于某些类型的音乐,譬如古典音乐,为了保证戏剧张力,保留足够的动态范围非常重要,但对于电子音乐,持续保持较大的响度更加重要。对音频用compressor压缩动态范围,就能安全地放大音频而不用担心过载,经过这种处理的音频比处理前的音频有更大的响度,信号的幅度超过阈值compressor才会开始压缩信号幅度。例如压缩比例为x:1,意味着信号每超过阈值x dB,压缩后变为超过阈值1 dB。Compressor的设置参数有阈值(THRESHOLD)、压缩比(RATIO)、启动时间(ATTACK)、恢复时间(RELEASE)。

Limiter限制了信号的最大幅度,当信号幅度达到或超过阈值时,它的幅度会被limiter压缩到阈值。limiter相当于压缩比例很大的compressor,一般而言,当compressor压缩比例超过10:1,就可以看作limiter。

expander与compressor作用正好相反,会让音量大的信号更响,让音量小的信号更安静,从而扩大了动态范围。

Gate可以用于过滤呼吸声或噪声。当信号幅度小于阈值,信号幅度会被减弱到0,只有幅度大于阈值的信号才能通过gate。

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