音頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工程建設(shè)

汪曉琦

音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)好比搭積木

在之前的文章中，我們了解了音響系統(tǒng)的架構(gòu)和安全分級(jí)管理。遵循這些理論，似乎就可以很好地完成一套音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作了。事實(shí)上，光靠這些是不夠的，因?yàn)槁曇舻淖兓罅?，按照時(shí)髦的說(shuō)法就是：這門(mén)學(xué)問(wèn) “水太深了”。

音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)包含“還音”和“廣播”。還音意味著需要拾取不同品質(zhì)和內(nèi)容的聲音，廣播意味著對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一品質(zhì)的還原。而這一頭一尾是發(fā)生在自然環(huán)境中，必然會(huì)受到自然環(huán)境的影響，因此如果沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，該音響系統(tǒng)將很難有很好的效果。

一套音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就好像是搭積木。如果重心不在積木的中央，為了搭建得更高，勢(shì)必會(huì)不斷采取平衡措施。最終也許能夠完成目標(biāo)高度的搭建，但是其可承受的力量平衡就會(huì)小很多。轉(zhuǎn)換到音響的概念上來(lái)說(shuō)，就是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)被減小了。

以上以積木的搭建做了個(gè)例子。類(lèi)比到音響系統(tǒng)中，道理是一樣的，從拾音環(huán)境到音量放大，到功率放大、揚(yáng)聲器輸出，最終混合到擴(kuò)聲環(huán)境中，這一條鏈路必須保障一個(gè)穩(wěn)定的重心。否則，最終獲得的擴(kuò)聲效果就如同左邊的積木——甚至更不如——因?yàn)檩斎氲男盘?hào)是動(dòng)態(tài)的，就好像積木的底座有外力推動(dòng)，只要重心偏移出了黃色區(qū)塊，積木必然坍塌。

擴(kuò)聲流程梳理

在此，我們需要對(duì)一個(gè)擴(kuò)聲流程進(jìn)行一個(gè)梳理，揀選最必須的流程進(jìn)行整理：

上圖所示為一個(gè)常見(jiàn)的單一小型擴(kuò)聲系統(tǒng)的流程。在此，我們需要先分析容易產(chǎn)生不同品質(zhì)變化的環(huán)節(jié)，才有可能提出標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的方案。

首先，最難受控的就是一頭一尾的兩個(gè)“環(huán)境”。聲音在空間環(huán)境中混合、反射，嚴(yán)重受到環(huán)境的影響，以至同樣的設(shè)備在不同環(huán)境會(huì)出現(xiàn)完全不同的擴(kuò)聲效果。這也是音響系統(tǒng)較其他系統(tǒng)難的地方之所在。

拾音器拾取到聲音后，是否是我們所需的最佳品質(zhì)，是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，也是需要管控的。

除了品質(zhì)，不同的信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)也是不同的，有的人聲音很小，有的器樂(lè)聲音很大。這個(gè)如果沒(méi)有一個(gè)要求，也是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不確定品質(zhì)輸出的。

揚(yáng)聲器本身也是一個(gè)有個(gè)性的產(chǎn)品。不同的揚(yáng)聲器需要不同的品質(zhì)管控，然而，最終的品質(zhì)管控的目的，是為了與環(huán)境融合。理想狀態(tài)是輸出信號(hào)的品質(zhì)與輸入信號(hào)一致——即真正的高保真。然而，現(xiàn)實(shí)是目前的技術(shù)還做不到這一點(diǎn)，尤其是在眾多傳輸管理環(huán)節(jié)的干擾下。因此，我們做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要盡量接近這一目標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過(guò)程

依照我的經(jīng)驗(yàn)，音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該以矩陣為核心，分兩頭走，獨(dú)立考慮系統(tǒng)的需求。

1、從輸出端入手

建設(shè)擴(kuò)聲系統(tǒng)的目的是為了給受眾使用，因此，有必要先從輸出端考慮。

當(dāng)我們?yōu)橐粋€(gè)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，該環(huán)境需要的音量值，其實(shí)并不是一個(gè)固定的數(shù)據(jù)。而是一個(gè)相對(duì)于環(huán)境的相對(duì)值。系統(tǒng)的最低值，要滿(mǎn)足聽(tīng)清楚的需求，就要求大于該環(huán)境的本底噪聲的10dB，最高值則只需要滿(mǎn)足該環(huán)境下最低值之上滿(mǎn)足聽(tīng)感的最低值和耳朵能夠和愿意承受的最大值之間即可。

比如一個(gè)會(huì)議室，環(huán)境噪聲包括空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電器設(shè)施和道路噪聲。多數(shù)情況下，在30-50dB之間。我們以50dB為參照，那么我們擴(kuò)聲的最低值需要達(dá)到60dB即可。而最高值，則至少需要滿(mǎn)足聽(tīng)感上的動(dòng)態(tài)變化，即60dB+15dB=75dB即可。當(dāng)然，也許需要更多一些音量，讓聽(tīng)覺(jué)更舒適一些，播放的音樂(lè)內(nèi)容動(dòng)態(tài)更大一些，因此，可以再提升一些音量。但最大值不應(yīng)該超過(guò)人們?cè)谶@個(gè)環(huán)境里愿意承受的最大值（決不是生理上能承受的最大值）。參照語(yǔ)言類(lèi)內(nèi)容動(dòng)態(tài)不超過(guò)20dB，disco音樂(lè)動(dòng)態(tài)10dB，一般音樂(lè)動(dòng)態(tài)20dB。因此，會(huì)議室的最大值定在60dB+20dB=80dB即可。再為系統(tǒng)增加6dB的余額，全系統(tǒng)最大值滿(mǎn)足86dB就足夠此會(huì)議室的聽(tīng)感了。

不過(guò)，以上數(shù)據(jù)還不夠。因?yàn)?，我們上述分析的是人耳?tīng)到的部分。事實(shí)上，音箱的安裝距離人耳還有一些距離。我們需要減去距離帶來(lái)的損耗。計(jì)算這個(gè)需要參考 “平方反比定律”：在自由聲場(chǎng)中，每增加一倍距離，聲音衰減6dB。

假設(shè)我們的音箱分布能夠滿(mǎn)足聲場(chǎng)均勻度和聲像要求的情況下，我們可以將會(huì)議室的音量最高值定在86dB+擴(kuò)聲補(bǔ)償?shù)臄?shù)值。比如假設(shè)為6dB的補(bǔ)償，則，系統(tǒng)擴(kuò)聲輸出的最大值為86+6=92dB。系統(tǒng)音量范圍為92dB？60dB之間。動(dòng)態(tài)值為92-60=32dB。

這個(gè)數(shù)據(jù)非常重要。它決定了我們選擇揚(yáng)聲器和功率放大器的依據(jù)，同時(shí)，它也是我們?cè)O(shè)定前端信號(hào)的動(dòng)態(tài)值依據(jù)。

由32dB動(dòng)態(tài)和92dB最大值這個(gè)數(shù)據(jù)，我們大概可以知道，音箱的靈敏度不是越高越好，而是它最低時(shí)能夠清晰地分辨出聲音的內(nèi)容為最佳。

同樣的道理可以類(lèi)推到其他的聲場(chǎng)擴(kuò)聲需求，比如演出環(huán)境的最低值和最高值之間是怎么樣一個(gè)關(guān)系。

有了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，下一步就需要找到品質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)了。這里所說(shuō)的品質(zhì)補(bǔ)償，是指針對(duì)揚(yáng)聲器本身的缺陷而做出的補(bǔ)償以及對(duì)環(huán)境的聲學(xué)補(bǔ)償。環(huán)境補(bǔ)償往往又和聲場(chǎng)分布設(shè)計(jì)有一定的關(guān)聯(lián)。限于篇幅，環(huán)境補(bǔ)償此處不再展開(kāi)描述，以后文章中我們?cè)僖黄鹛接?。這里只簡(jiǎn)單分析一下?lián)P聲器的補(bǔ)償意義。

通常，我們拿到揚(yáng)聲器的說(shuō)明書(shū)時(shí)，會(huì)有一些詳細(xì)的參數(shù)，同時(shí)，還會(huì)附有揚(yáng)聲器的聲學(xué)曲線(xiàn)圖。這些圖很好地將該音箱的工作能力體現(xiàn)出來(lái)了。那么這個(gè)曲線(xiàn)意味著它的工作范圍，圖紙中的曲線(xiàn)寬度就是它的頻率響應(yīng)范圍，高度就是它的音量輸出的能力范圍。當(dāng)它的最高值能夠滿(mǎn)足我們的系統(tǒng)要求的最高值，而它和它配套的功率放大器輸出的最低值能夠滿(mǎn)足我們的最低值，那么這只音箱就是可以選擇到本系統(tǒng)的產(chǎn)品（功放輸出的最低值可參考它的信噪比值）。但是這樣還達(dá)不到我們用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求，最好能夠提供音箱的補(bǔ)償曲線(xiàn)，即用什么樣的參數(shù)在電子設(shè)備中進(jìn)行補(bǔ)償，可以將此音箱的品質(zhì)提升到最大化，達(dá)到最佳的品質(zhì)輸出。

除了動(dòng)態(tài)的參數(shù)，我們還需要一個(gè)頻率帶寬的參數(shù)。即我們需要多少Hz到多少Hz之間的聲音內(nèi)容。通?？梢?jiàn)的要求是20Hz？20KHz。但是，這實(shí)際上是理論上的人耳聽(tīng)覺(jué)范圍。不同的工作需求還是有所區(qū)別的。以人的聲音為例，男低音82？392Hz，基準(zhǔn)音區(qū)64？523Hz；男中音123？493Hz，男高音164？ 698Hz；女低音82？392Hz，基準(zhǔn)音區(qū)160？1.2KHz；女低音123？493Hz，女高音220？1.1KHz。也就是說(shuō)，人類(lèi)的聲音范圍在100Hz？1.2KHz范圍就可以滿(mǎn)足聽(tīng)清楚的需求了。加上各類(lèi)諧波，可理解的純語(yǔ)音，就只需要200Hz？3.5KHz，電話(huà)機(jī)的帶寬上限就是4KHz；電視機(jī)的播音上限就是8KHz。高清電話(huà)會(huì)議的帶寬也就是8KHz左右。在語(yǔ)言傳輸范圍內(nèi)，是無(wú)限無(wú)限制的提高帶寬要求的。因?yàn)閹捥岣邥?huì)導(dǎo)致傳輸負(fù)擔(dān)、相位干涉等很多其他的負(fù)面作用。

因此，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以定義一個(gè)系統(tǒng)需要的頻率范圍。此范圍可以用來(lái)規(guī)范系統(tǒng)各流程的最小值，比如揚(yáng)聲器和話(huà)筒。在系統(tǒng)的品質(zhì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就是對(duì)揚(yáng)聲器的擴(kuò)聲帶寬進(jìn)行補(bǔ)償和標(biāo)準(zhǔn)化。比如音箱的外置分頻和均衡補(bǔ)償。

2、規(guī)范輸入端標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)我們規(guī)范完了輸出端的帶寬和動(dòng)態(tài)之后，就需要規(guī)范輸入端的標(biāo)準(zhǔn)了。很容易理解的是對(duì)不同輸入信號(hào)的增益進(jìn)行控制。使輸入信號(hào)的最大值在標(biāo)準(zhǔn)0dB左右，并保留一點(diǎn)音樂(lè)峰值的余額。（詳見(jiàn)調(diào)音技巧類(lèi)文章）。

除此之外，還存在一個(gè)輸入的動(dòng)態(tài)管理。我們已知本案例中，系統(tǒng)需要32dB的動(dòng)態(tài)，不應(yīng)該大于，也不應(yīng)該小于這個(gè)參數(shù)。因此，我們就應(yīng)該規(guī)范一下輸入的動(dòng)態(tài)范圍。

右上圖為一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)管理器。不同于一般的動(dòng)態(tài)壓縮器只有一個(gè)壓縮轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它有多達(dá)四個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。紅色線(xiàn)段為臨界值，輸入和輸出等值。圖中，2號(hào)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值0dB輸入和輸出端保持一致；1號(hào)點(diǎn)輸出最大值為我們?cè)O(shè)定的+6dB的動(dòng)態(tài)許可值，即系統(tǒng)允許最大輸入25dB的額外動(dòng)態(tài)時(shí)，最大輸出僅輸出6dB；4號(hào)最低值為系統(tǒng)允許輸入的最低有效值，為-32dB，而更低的值則認(rèn)為是無(wú)效值，做大幅度壓縮處理，-32dB？-40dB之間降低輸出到-60dB。5號(hào)點(diǎn)-40dB之下，則認(rèn)為是完全無(wú)用的聲音，大幅度衰減。這個(gè)效果與噪聲門(mén)又有不同，不會(huì)出現(xiàn)聲音中斷的現(xiàn)象，只會(huì)平滑降低音量。

總結(jié)

至此，已經(jīng)可以很好地規(guī)范了信號(hào)的動(dòng)態(tài)管理，允許在我們系統(tǒng)許可的范圍內(nèi)正常工作，而無(wú)需擔(dān)心系統(tǒng)過(guò)大和過(guò)小。其中保留了一個(gè)動(dòng)態(tài)值3號(hào)點(diǎn)，可以用于特殊效果。如果是音樂(lè)播放，則保留在紅色線(xiàn)段的臨界值位置，不做任何處理。如果是語(yǔ)音，則可以做一些調(diào)整，比如壓縮動(dòng)態(tài)。效果區(qū)別在于演唱和語(yǔ)音演講。演唱時(shí)，需要近講效應(yīng)，話(huà)筒需要距離嘴較近；而語(yǔ)音演講時(shí)，需要嘴距離話(huà)筒較遠(yuǎn)，此時(shí)，就需要做較大幅度的壓縮。

當(dāng)我們分別做好了輸入和輸出的動(dòng)態(tài)管理之后，再加上根據(jù)對(duì)環(huán)境的聲場(chǎng)補(bǔ)償，本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)就可以完成了。如果是大型系統(tǒng)，以矩陣為分界點(diǎn)，分別對(duì)輸出環(huán)境和輸入內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，就可以搭建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的音頻系統(tǒng)了。

一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)，除了理論上的正確，還需要工程中其他綜合因素的正確才可以保障品質(zhì)。在我們常見(jiàn)的問(wèn)題中，最嚴(yán)重的就是電噪聲問(wèn)題。下一期的文章，我們一起來(lái)分析一下電噪聲的形成原因和解決辦法。

限于篇幅，不能盡述。有興趣討論的朋友可以與筆者聯(lián)系。