音频信号的频谱范围探讨

音频信号包括语音、演唱、乐声和自然界中的各种声音，信号振幅和包含的频谱随时都在变化，是一种典型的随机信号。

1.语音

语音的频率范围为130Hz～4kHz，如图1-1所示。正常讲话时的声功率约为1μW；与讲话者相距200mm时的平均声压级为65～69dB。

语音的动态范围（即最大声压级与最小声压级的比值）为15～40dB。

2.演唱

歌声的频率范围比较宽，包括男低音、男中音、男高音、女中音、女高音等多个声部，基音频率范围为80～1100Hz。男低音的基音频率范围为82～294Hz；男中音的基音频率范围为110～392Hz；男高音的基音频率范围为147～523Hz；女中音的基音频率范围为196～698Hz；女高音的基音频率范围为262～1047Hz。演唱的全部频率范围（基音+泛音/谐波）可达到80～8000Hz。

图1-1 汉语普通话的平均频谱范围

3.音乐信号

音乐信号的频谱范围较宽，与乐器的类型有关。在乐器中，管风琴具有最宽的基音频率范围，为16～9000Hz；其次是钢琴，它的基音频率范围为27.5～4136Hz；民族乐器的基音频率范围为100～2000Hz；打击乐器可产生更高频率的基音频率；所有乐器都包合丰富的谐波，频谱的上限范围可扩展到15000～20000Hz。

单件乐器的发声功率在0.01～100mW范围；大型交响乐队的声功率可达到10W以上。15～18件乐器的乐队演出时，离声源10m处的平均声压级约为95dB；75件乐器的交响乐队演出时，离声源10m处的平均声压级约为105dB。

乐器信号的动态范围与乐器的类型有关。木管类乐器的信号动态范围约为50dB；一般乐器的动态范围为40～60dB；大型交响乐队的声音动态范围可达到100dB以上。(www.xing528.com)

高质量扩声系统的频率响应特性范围应不小于40～18000Hz。信号动态范围至少应不小于80dB。描述音乐信号的特征还有一些反映音乐瞬态特性的参量，例如颤音特性、持续时间及声音的建立和衰减时间等。图1-2是音乐节目的平均频谱。表1-1是语言和音乐信号的声学特性。

图1-2 音乐节目的平均频谱

表1-1 语言和音乐信号的声学特性

声音信号还有一个重要特性称为峰值因子，即最大声压级（持续时间较短的瞬态峰值信号）与长时间内的平均声压级之比，单位为dB，如图1-3所示。不同节目源有不同的峰值因子。粉红噪声的峰值因子为5.0～6.8dB，平均值为6.0dB。扩声系统设计时，它的最大声压级必须满足峰值因子要求。否则在最大峰值信号时将会产生失真。

图1-3 音频信号的峰值因子和信号的动态范围

a）复杂信号波形 b）峰值因子 c）各种信号的峰值因子

统计数据表明，语言信号的声音能量集中在130～4000Hz频段范围内；音乐信号声音能量的分布范围很宽，包含在30～16000Hz频带内，声音能量随着频率的升高而降低。低于100Hz的低音和超低音频段包含的声能最大；中音频段包含的声能开始逐步减少；超过4000Hz的高音频段的声能迅速下降。自然界中这种声能变化规律恰与扬声器箱中的低音单元、中音单元和高音单元的额定功率相匹配。