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《技术前线》

 
 
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第二章 多媒体音箱技术基础

第一节 电声技术基础

  如何衡量和鉴别一套多媒体音箱的优劣呢。一般来说我们应该来看它的技术指标,多媒体音箱的 技术指标又

可分为放大器技术指标和音箱的技术指标,而放大器和音箱的技术指标又是有一定区别和联 系的。下面我们就分

别介绍一下衡量放大器和音箱的常见指标。

一、 衡量放大器的技术指标

  衡量放大器的技术指标常用的有如下几项:输出功率、频响范围、信噪比和失真度。它们的具体意义如下:

1、 输出功率

  功率在物理学上的定义为:施加在一个负载电阻上的电压与其所流过的电流的乘积。经过数学变换后为: 施

加在该负载电阻上的电压的平方值再除以该负载的阻值、即为施加在该负载电阻上的功率。输出功率的 计量单位

为:瓦特(W)、简称为瓦。放大器的输出功率即为该放大器能在一个负载上所施加电压值大小的能力。输出功率

越大则表明该放大器在—固定值的负载电阻上施加的电压越大,在多媒体音箱中喇叭即为负载电阻,即功率越大

则声音音量越大。在电工学中,常用的功率指标为最大不失真连续功率(RNS)或平均功率,这种叫法在多媒体音

箱使用说明书中也很常见。RNS功率的意义为在给定一定失真度的条件下,在负载两端所测得电压与电流有效值的

乘积。根据产品不同的等级、失真度的取值有所不同,常见的有1%、3%、5%、和10%,在多媒体音箱中一般都取值

为10%,x而在高保真放大器中一般取值为1%。在多媒体音箱中还常见一种功率标称——音乐功率。音乐功率本来

是用来衡量放大器对音乐信号最大的动态功率,但是由于它的算法至今没有标准的定义,因此目前(音乐功率)

已成为一种商业标称,没有什么实际意义,现在真正有素质的产品是不会用这种标称的。顺便指出,普通放大器

的功率越大则制造成本就越高。一般区媒体音箱放大器的RVS功率在5W左右即可,而要求较高的则在20W左右。注

:均未含超低音音箱功放功率。

2、 频响范围

  我们知道人耳所能听到的音频信号是从18HZ-20KHZ的不同频率不同波形和不同幅度的瞬变信号,因此放 大器

要很好地完成音频信号的放大就必须拥有足够宽的工作频带。一般要求放大器的频带要覆盖音频信号 的带宽。但

是一个放大器的带宽总是有限的。我们通常把一个放大器在规定功率状况下,在频率的高、低端增益分别下降

0.707倍时(-3dB)两点之间的频带宽度称为该放大器的频响范围。一台优秀放大器的频响范围应该在18HZ-

20KHZ。一般来说,放大器的频响指标是比较容易达到的。

3、 信噪比

  放大器的输出信号电压与同时输出的噪声电压之比。即为放大器的信号噪声比,简称为信噪声比。通常用 英

文字符S/N来表示,它的计量单位为分贝(dB)。信噪比越大,则表示混在信号里的噪声越小,音质量就 越高。反

之,放音质量就越差。信噪比是多媒体音箱中的一个重要指标,只有信噪声高、声音的重放才可清晰、干净和有

层次,多媒体音箱中,放大器的信噪比要求至少大于70 Db、最好大于80 dB。一般高保真放大器的信噪比要求大

于或等于90 dB。

4、失真失真度是用一个未经放大器放大前的信号与经过放大器放大后的信号作比较,比较后得出的差别我们称之

为失真度,其单位为百分比。失真有多种:谐波失真、互调失真、相位失真等。我们一般所指的 失真度即为谐波

失真。谐波失真是由放大器的非线性引起的,失真的结果是使放大器输出产生了原信号中没有的谐波分量,使声

音失去了原有的音色,严重时声音会发破、刺耳。多媒体音箱的谐波失真在标称额定功率时的失真度均为10%,要

求较高的一般应该在1%以下。谐波失真还有奇、偶次之分,人们通过试验和分析发现,奇次谐波失真可使人烦躁

不安,而少量的偶次谐波则能使音色更好听。

二、 衡量音箱的技术指标

  衡量音箱的技术指标常用的有如下几项:承载功率、频响范围、灵敏度、失真度等。它们的具体意义如下:

1、 承载功率

 音箱的承载功率主要是指在允许喇叭有一定失真度的条件下,所允许施加在音箱输入端信号的平均功率。

2、 频响范围

 音箱的频响范围是指该音箱在音频信号重放时,在额定功率状态下并在指定的幅度变化范围内,所能重 放音频

信号的频响宽度。从理论上讲,音箱的频响范围应该是越宽越好,至少应该是在18HZ-20KHZ的范 围。但是事实上

这样是有问题的,一则是受到听音环境的限制。因为要重播低频信号受到了房间的容积限制。二则受到了喇叭的

尺寸和音箱的体积限制。三则音箱的频响范围越宽对放大器的要求就越高,否则放大器的缺点全让音箱给暴露了

。如:如果音箱的高音很好,而放大器的高频部分噪声很大,那么这时我们就会听到不愿意听到的高频噪音。四

则是通过经验分析得出一个规律。即:音箱的高、低端频响上、下限之乘积为50万左右时,这时声音会比较好听

。如:一个音箱的低端下限为25HZ时,那么高端的上限则最好能在20KHZ,而另一个音箱的低端下限在40HZ时,那

么高端上限则最好能在12KHZ左右。当然,这一条只是经验而已,只能作为参考。多媒体音箱的频率范围要求一般

在70Hz-10KHZ(-3dB)即可。要求较高的可在50-16KHZ(-3 dB)左右。注:此频响范围已包含超低音箱。

3、 灵敏度

 音箱的灵敏度是指在经音箱输入端输入1W\1KHZ信号时,在距音箱喇叭平面垂直中轴前方一米的地方所测 试得

的声压级。灵敏度的单位为分贝(dB)。音箱的灵敏度越高则对放大器的功率需求越小。普通音箱的灵敏度在85-

90 dB范围内。多媒体音相的灵敏度则稍低一些。

4、 失真度

 音箱的失真度定义与放大器的失真度基本相同。不同的是放大器输入的是电信号,输出的还是电信号,而 音箱

输入的是电信号,输出的则是声波信号。所以音箱的失真度是指电信号转换的失真,声波的失真允许 范围是

10%内,一般人耳对5%以内的失真基本不敏感。

第二节声场技术基础

1、 声像定位原理

 人对可视物体具有立体感受是因人有双眼,当两只眼睛看该物体时、会产生视角差。同样,人耳能辨别来 自不

同方位的声音,同样也是靠声源与双耳之间形成的相同或不同的角度。由于角度的差距,使得声音由 声源传到左

、右耳的时间产生微小的时间差,而人耳的生理特性对这种微小的差距,人耳又可以通过声音强弱的微小差距产

生距离感,从而使声像得到准确定位。

2、立体声场的模拟产生

 明白了声像定位原理后,我们知道如果用一只音箱只能产生“点”声源,而点声源只能模拟声音的强弱 并使人

产生距离感,而不能产生不同声源在不同位置的位置感。如图1所示,如果在房间a中有三个不同位 置的声源被一

个话筒拾取后,其信号经放大器传到房间b的音箱重放、这时房间b音箱前的人只能听出房间a中有几个声源和每个

声源距话筒的绝对直线距离,而听不出这三个声源的相对方位。而如果我们在房间a中摆上两支话筒,这两支话筒

的信号分别通过两面三刀台独立的放大器传到房间b中的两只有一定距离摆放的音箱上。而当聆听者坐在这两只音

箱正前方等腰三角形顶点上的位置时,就能准确判别房间a中三个声源所处的不同位置(图2所示)。这一原理我

们称之为“立体声原理”。人们利用这一原理,就可以在声音录制时用两只话筒进行录音,而在重放时,用两路

放大器和两个音箱就可以实现立体声重放。

3、 环绕声场的模拟产生

 上面介绍了用两只音箱模拟产生立体声场的原理,但是请注意,这时两路音箱所能重现的声场只是我们前面的

声场,面对我们身边两侧和身后的声音就不能重现了。这时重现的声音只是侧平面声场信息。根 据“立体声原理

”的道理,如果我们在录音时,再增加两支左后、右后的拾音话筒,在重放时,再在我们的身后增加两路左后和

右后音箱,这样我们不是就可以重放整个声场中各个方位的信号了吗?事实上就是如此,只不过人们根据实际需

要进行了适当的修改、调整和编码。如杜比(Dolby pro logic)定向逻辑环绕声就是在听音环境中加了后置左右

声道音箱(为降低成本,合用一路放大器),这时就能明显产生三维立体空间感,而高档次的杜比AC-3(Dolby

Digital)、THX、 dts环绕声技术均采用了六声道技术。即在上述的四声道基础上还增加了—中间声道(以加强

语言对白)和超低音声道(以加强低频效果),这时声场的拟真程度就非常强了。多媒体中的A3D、EAX技术也都

支持后置的两声道。

4、 虚拟环绕声场的产生

 以上第三点中,我们谈到了真实环绕声场的建立与产生,而虚拟环绕声场顾名思义就是“虚拟”的。虚拟环绕

声的提出是基于以下考虑:一是真实环绕声的实现,设备比较复杂且成本较高,实现真实环绕声的重放至少需要

四路放大器和四路音箱,这就促使人们寻找一些廉价、简单的模拟方法。二是从人的生理、心理声学及电声学中

研究发现,如果我们在前面的两只音箱中加入一些在实际环境中能听到的反射声,这样也多少让人能产生一定的

三维空间感,按照这种思路做出来的产品其三维效果虽比不上真实三维模拟技术,但却把制造成本大大降低了,

操作使用也简单得多,有一定的实用价值。目前虚拟环绕声技术在多媒体音响中的应用较广泛,并已有如下有代

表性的技术:SRS实验室早期的SRS-3D的近期的Trusurrond 、Microsoft公司的DS3D 、Qsound实验室的Q3-D2.0、

Spatializcr实验室的N-2-2 、Barma Inter-active的VMAX、 Aureal公司的A3D和创新公司的EAX等。第三节 音质

评价基础

 我们购买一套多媒体音箱的最终目的是希望有良好的音质音色,那么何为音质音色?音质如何评价其优

劣?下面让我们了解一下这方面的知识。

1、 声音的物理性能

 声音即物体振动时带动空气的振动后被人耳所感知的感觉。声音是由以下几个要素构成:音量、音高、音色和

音品。

音量:音量即声音的响度,是人耳对声音的强弱的主观评价尺度,其客观评价尺度是声音的振幅大小。

音高:音高即音调,是人耳对声音调予高低的主观评价尺度,它的客观评价尺度是声音的频率。

音色:音色即声音的频频谱,人耳除了对声音的响度,音高有明显的辨别能力外,还能很准确地判断声音 的音色

。如:小提琴和钢琴演奏同一音高的音符时,人们能够根据其音色和音品分辨出哪一个是小提琴、 哪一个是钢琴

的声音。

音品:音品即声音的波形包络。声音的谐波组成和波形的包络,包括声音的开始和结束的瞬态,即确定了 声音的

特征,在人们的习惯中,通常把音品称为音质。

2、 人耳的听觉特性

 人耳的听觉特性是指人对声音信号在听觉上产生的心理反映。人耳的听觉特征反映了人对声音强度在不 同频率

时敏感的程度,人耳在小信号时对高端(600HZ以上)和低端(500HZ以下)频率敏感度较差,而 对3000HZ-

4000HZ的频率敏感度最强。而且声音音量越小,这一特征就越明显。人们把这一特征描绘成曲线即为声音的等响

度曲线,在音响设备中常见有一等响度开关,其功能就是在小音量时对高、低音进行适当地提升或补偿。

3、 声音的动态范围

 声音的动态范围即声音从最弱变到最强的范围。声音的动态范围还与频率有关。动态范围最大的频率区 间是

1000-6000HZ,动态范围的计量单位是分贝(dB)。在自然界中,每种物体或乐器的发音都有其动态范 围,因此要

高保真地重放这些声音就必须要求音响设备的动态范围足够大。一般多媒体音箱的动态范围最好能大于60 dB,而

高保真音响的动态范围则要求大于90 Db。

第四节 音质评价术语

 对音质的评价,常指的是用人耳对声音质量的一种主观的评价。由于目前生理声学发展还不很完善,因 此对音

质的优劣还不能定量评价。目前我们虽然能用仪器测试出放音设备(放大器、音箱)的许多电声技 术指标,但是

事实表明,一套测试指标很好的放音设备重放声音时的音质音色并不一定好(当然,如果一套放音设备的电声指

标很差,那么它重放声音的音质一定好不了、这一点是肯定的)因此就出现了客观测试与主观听音之间的差距。

这也就印证声音主观评价的必要性,不过声音的主观评价确实“主观”,因此目前声音的主观评价方法有多种、

至今还没有统一的方法。下面介绍的评价术语和评价方法也只能是从一个方面反映一定的问题,只能给大家提供

一个基本的思路。

音质评价术语就是用特定的语言把人对声音的感觉进行描述,目前常用的评价术语有如下一些:

清晰:是指声音中对言语的可懂度高,音乐层次分明,反之则模糊、浑浊;

平衡:是指音乐各声部的比例协调、左、右声道的一致性好。反之则不平衡;

丰满:是指声音的中音充足、高音适度、响度合适、听感温暧、舒适、有弹性、反之则单薄、干瘪;

力度:是指声音坚实有力,能有呼之欲出感,同时能反映出音源的动态范围,反之则力度不足;

圆润:是指声音优美动听,有光泽而不尖噪,反之则粗噪;

柔和:是指声音松驰不紧、高音不刺耳、听感悦耳、舒服、反之则尖、硬;

融合:是指声音能整个交融在一起、整体感、群感好、反之则散;

真实感:是指声音能保持原始声音的特点;(注1)

临场感:重放声音时使人有身临其境的感觉;

立体感:指声音有空间感,声像定位基本准确、并有宽度感和纵深感;

总印象:是指对声音的总体感觉

注1:真实感的反意词为不真实、即失真、失真为眨意,但一套音响设备往往真实感不好,并不代表声音失真。甚

至有人认为,用音响系统对音乐进行重放,实际上也是对音乐的一种再创作,因高级音响系统也 是有个性的,也

有一定的艺术性,因此就不能认为声音不真实就不好。

第五节 如何进行音质评价

通过上面介绍我们知道,对声音的评价有客观和主观两方面。

 对声音的客观评价。目前我们只能用仪器测试放大器和音箱的一些基本指标。这些基本指标会告诉我们这些设

备有无明显设计、生产质量缺陷,因此用仪器测试的结果先作一个客观评价还是有必要的。放大器最基本的测试

项目有:最大不失真输出功率,频响范围和信噪比。测试仪器有:频响范围和灵敏度。测试仪器包括:声音综合

测试仪、测量话筒、测量放大器等。不过一般音箱的测试对环境和测试仪器要求较高,业余条件下很难达到,我

这里推荐一种简单办法,就是买一张有点频信号的CD碟(雨果发烧碟<1>、编号HRP762-2)。用耳朵去听听各个频

段声音的音量是否平衡,当然有条件的可以买一个几百元的声级计来测试则会更客观。

 而主观音质评价就是让我们要评价的音响设备正常工作,并在一定的环境和条件下,把我们用耳朵听到的感觉

,用以上的评价术语对被评测设备的放音质量进行衡量和描述。下面介绍一些主观评价与评价环境和评价条件之

间的关系,这关系到评价的客观性和准确性。

● 评价时声压级大小与音质的关系

 通过前文的介绍人耳的听觉特性,我们知道人耳对小声压级时的声音信号高、低频端敏感度差,因此,在评价

时,声音的声压级不能太小,否则、会觉得被评价的设备声音的高低端频响不佳,即声音不丰满,不清晰。

● 频率响应与音质评价的关系

 频率响应对声音的音质评价有非常密切的关系,限于篇幅这里不详述,以后有机会再在其它文章中专述。这里

指出:对音箱评价时,放大器的频宽必须大大于音箱的频宽(另外放大器的信噪比也要比较高,须大于85dB)。

而对放大器作评价时,音箱的频宽也最好能宽广平直(对放大器评测时,一般都选用一些大家公认的音箱进行评

测)。

● 评测环境与音质评测的关系

 评测环境对音质评价的影响较大,在一个声学条件很差的环境下,评测结果是不准确的,评测时,要求评测环

境的混响时间合适,一般在0.4-0.6秒左右较好.但是如何把握和测试混响时间,是一件较专业的事。因此只是简单

告诉大家,评价时的房间容积不要太小,房间的三条边长不要相等或成整数倍房内放置的东西不要太少、回音不

要太明显。另外评测环境也不要太吵闹,尽量减少环境噪声。

 以上介绍的是音质评价的基本要求与知识。当我们明白上述道理后,如果我们没有评价用的仪器设备, 那么我

们如何评价这些音响设备呢,一个简单的办法叫做AB比较法,即用两套不同的被评价设备。用上述的评价知识作

反复的切换比较。这样你就能比较出各自的优缺点了。

 
 
 
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