声音信号处理设备的类型与特性

3．1．2　声音信号处理设备的类型与特性

1）调音台

调音台是对音频信号进行调节和处理的装置，是专业电声系统的重要设备。实际上它是一个多路输入、单路输出的音频前置放大器，它对音频信号具有放大、处理、混合、分配等功能。节目源输入给调音台的信号有强有弱，其幅度范围约在10～1　000mV之间。调音台必须把它们进行不同程度的放大，使这些信号能获得相差不多的输出，为其他各级对多种信号进行处理创造条件。处理的目的在于使混合音响更为动听，其方法就是对音频不同频段进行衰减或提升。因此，调音台上设置了各种不同频段的音量电位器，以供调音师对声音信号进行调整和加工处理。

（1）调音台的作用

①信号的放大和调整

通常调音台输入组件的输入端有高电平（线路输入）和低电平（传声器输入）两个插口。高电平输入插口主要接收来自磁带录音机、唱机、录像机音频声道等设备的放音输出信号，也可接收来自延时器、混响器等效果装置返回的信号。通常，线路输入的信号电平较高，可以不再进行放大（需要时也可进行放大），直接或经过均衡器送到音量调节器进行音量平衡控制。低电平输入插口插接来自传声器输出的微弱的音频信号，调音台输入器件中的前置放大器必须将此信号不失真地放大到预定的额定电平，然后经均衡器或直接送到音量调节器进行平衡控制。这种先将弱信号电平放大到足够的信号电平后再进行电平调整控制的方式，可以避免各种感应噪声的引入，以保证信号的传输通路有最佳的信噪比。

②频率均衡

调音台的每条输入通道都具有简易或复杂程度不同的频率均衡和滤波网络。均衡和滤波电路的作用是，补偿在录音或转录过程中，由于各电声设备的性能和使用条件的限制而引起的频率损失；按节目内容的要求对声源的音色进行加工处理和创造特殊的效果；滤除节目中的某些噪声。

③信号的混合和分配

调音台每条输入通道中的信号经频率均衡和增益控制（音量平衡）后，根据节目内容要求，由录音师操纵母线选择按钮将各输入信号混合并分配到指定的母线和相应的输出通道上去。根据需要也可将一个信号同时发配到几条母线上去，如送到辅助母线，监听母线等。

④信号的传送

调音台的输出组件将完整的节目信号进行总音量调整（对应总输出母线），并按要求的电平以及适当的输出阻抗和输出方式，将节目信号传送给录音机、录像机等设备进行记录。大部分调音台为了能接入人工延时、混响等设备，也可将各输入组件的信号汇合到辅助输出母线上，然后经电平控制后输出，去激励延时器和混响器等设备。延时器和混响器返回的信号，可由专门设置的辅助输入组件的线路输入端输入，再和直接声相混合，以得到加有人工延时、混响声的节目信号。

⑤调音台附属电路的功能

调音台除完成主通道节目信号的电平和音质处理外，在录音或合成（混录或缩混）过程中，还需具有完善的监听系统。在录制过程中，为了使录音室、演播室和控制室之间工作和监听方便，调音台应提供对讲联络（便携式除外）、传声器和监听（录音室、演播室）开闭时的连锁控制（避免系统自激）、各种电声设备和工作信号的遥控等功能。

（2）调音台的技术特性

①增益

调音台的增益应根据各种传声器灵敏度的不同是可以调整的，它必须能满足灵敏度最低的传声器的放大要求。因此，调音台在传声器输入时最大增益至少应有60dB，较高的可以在80dB以上。通常，调音台在正常工作时，应有约20dB左右的动态余量，相应地约有20dB的电平控制余量。因此，较好的调音台其额定增益必须在60dB以上。在线路输入时，调音台的增益通常为0dB。

②衡量调音台噪声大小的方法

对传声器输入通道是用等效输入噪声电平来表示的，即将输出端总的输出噪声电平折算到输入端来衡量。这是由于调音台的传声器放大器在不同的增益位置时，噪声电平随增益的不同而变化，测量到的信噪比也就不同。但调音台输入端的等效噪声电平是固定不变的，因此用等效输入噪声电平能比较确切地的反映调音台噪声电平的大小。

等效输入噪声电平的换算方法是：

等效输入噪声电平＝输出端总的噪声电平－调音台增益

上式以dBV（0dBV＝0．775V）或dBm表示。专业用调音台等效噪声通常可做到－126dBV（或dBm）左右。

调音台线路输入通道的噪声质量是以单独一路的输入、输出组件，在0dB增益时的信噪比来表示的，通常可优于80dB。

③频率特性

调音台的频率特性的不均匀度，一般在全部工作频段范围内为±1dB左右。如果有的调音台传声器输入通道稍有差别，那么在该机的技术说明书中应给予注明。

④非线性谐波失真

调音台的非线性谐波失真通常是指额定输出电平时，在整个工作频段内的全部谐波失真值。有的调音台在不同的频段非线性谐波失真数值稍有差别，在技术说明书中对测试频率应作出相应的规定。专业用调音台非线性谐波失真一般需要小于0．1%。

⑤动态余量（电平储备量）

调音台的动态余量是指最大的不失真输出电平和额定输出电平之差，以dB表示。动态余量愈大，节目的峰值储备量也就愈大，声音的自然度也就愈好。通常调音台的动态余量至少应有15～20dB，较高档的调音台可在20dB以上。

⑥串音

调音台的串音是指相邻通道间的隔离度。隔离度的优劣和信号的频段有关，高频段的串音较中、低频严重。

2）效果器

效果器的功能是对音频信号（其中包括语音、歌声）进行加工处理，产生立体声的效果，故名效果器。效果器由延迟器和混响器两部分组成。延迟器是把声音的音频信号延迟一段时间再送出去，混响器则是调节声音的混响效果。由此可见，效果器是一种模仿立体声混响效果的器件。立体声能使人们感到声源分布在空间，同时又为声源所包围。立体声包含直达声和经多次反射而叠加的混响声。立体声在厅堂内经过各个边界面和障碍物多次无规则的反射而漫无方向，弥漫整个厅，给人以包围感。效果器能使人们产生身临其境的真实感，广泛用于大型演出，是歌舞厅的必备设施。

混响器是用人工方法来调节节目中的声音素材或混响效果的一种电声设备，为了使不同类型的节目能够获得优良的艺术效果，必须有不同的混响时间和混响量与之配合，因此用混响器来弥补音质上的不足，就发展的数字混响器是人工混响器的使用得到新的发展，它可以用来模拟声学空间；以新的方法来处理语言声和乐器的声音，和产生奇特的科学技术虚构出来的效果声，一般称之为太空宇宙声效或空间声效果。

3）压缩器、限制器、扩展器和噪声器

（1）压缩器

压缩器是一个自动量控制装置，由高质量的自动增益控制电路所组成。当输入信号的幅度超过预定的阈值电平时，压缩器的增益自动地降低，因此信号也就被衰减。图3．3所示为压缩器的原理性方框图。主通道由前置放大器、可变增益放大器和输出器所组成。高频预加重电路、压缩整流电路、时间常数电路和压缩比调整电路组成压缩控制副通道。从输出端的节目信号中引出反馈控制信号，经高频预加重电路送到压缩整流电路，将交变的节目信号整流成直流控制信号。通过改变电路的充放电时间常数（RC）可以调整压缩器的动作时间（或称上升时间）和恢复时间。压缩比控制电路通常由可变增益的直流放大器组成。它的增益高，控制能力强，压缩比就大。为了与音量变化有线性关系，该电路做成对数控制特性。控制直流放大器的偏压可以控制放大器的输出，只有控制信号超过偏压时放大器才能工作，去控制主通道中的可变增益放大器以改变压缩器的增益，这样该直流偏压即和压缩器的阈值电平相对应。反馈控制电路中的预加重电路是用来消除高频咝（S）音的，通常节目中的低频成分相对于高频来说是占主要成分的，在节目信号压缩进行过程中，低频压缩衰减量就较高频压缩衰减量要大，因而往往感到高频咝音加重。为了消除这种过量的咝音，在反馈控制电路中接入了预加重电路，使高频信号的压缩能得到相对的平衡。需要指出：由于人耳对信号响度的感觉是与信号的有效值成比例的，因此压缩器的增益变化应不随大的、短促的峰值信号而变化，也就是压缩器的检波、整流和控制电路应根据信号的有效值来控制增益的变化。如果必须把压缩器作为过载保护使用时，最好把峰值检波和有效值检波结合起来使用。压缩器通常还装有表头式或光电式压缩增益指示装置，以示出信号进入压缩区后，压缩增益下降的分贝数或输出电平的大小。一般光电式指示器指示瞬时增益的下降要比表头式快。

图3－3　压缩器的方框原理图

压缩器的主要技术特性，可用阈值电平、压缩比、压缩动作和恢复时间来描述。

①阈值电平：阈值电平或称门限电平，它是压缩器压缩作用开始的信号电平，通常可根据节目的压缩要求进行调整，见图3－4。

②压缩比：当输入信号电平增大到超过压缩器阈值电平时，压缩器进入增益减小区，输入信号电平的变化相对于输出电平变化的比值称为压缩比。例如，2∶1的压缩比指的是输入信号增加2dB，输出信号增加1dB，压缩器的输入输出特性曲线示于图3－4。

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图3－4　压缩器的输入和输出特性曲线

图3－5　压缩器的信号和增益变化图形

③压缩动作时间（T_A）：压缩动作时间又称压缩上升时间。当一个突然变化的输入信号加到压缩器，压缩器的增益从初始值变化到最后值的63%所需要的时间称为压缩动作时间或压缩上升时间。压缩动作时间一般在100μs～10ms之间选用。压缩动作时间过长，必然会引起突然变化的输入信号其起始部分在输出端被加强，如图3－5所示。这种加强使语言或声音节的起始部分产生可感觉到的过加强感，因而一般节目的压缩器动作时间不宜超过几毫秒。但是，压缩动作时间也不能太短，否则有可能使压缩器的增益随输入信号的峰值而变化。这样使处在压缩区工作的节目信号，本来在节目响度增大时在压缩器输出端的节目响度应有小幅度的增加，但较高的峰值有可能使增益的变化，造成平均音量实际上是减少而不是较小幅度的增加。使节目的动态过分地变化而影响音质。

④压缩恢复时间（T_R）：当压缩器的输入信号衰减时，压缩器的增益恢复到起始增益的37%时所需要的时间。压缩恢复时间也应调整适当，若恢复时间太长，则节目中响度较强的部分使压缩器增益下降；但在大响度信号过去后，由于增益下降的持续时间较长，会影响后面的响度较弱的部分节目，使这部分响度较弱的节目声音听不见。但是，恢复时间也不能太短，否则由于增益快速地恢复会使节目声音之间的背景噪声急剧增加；如果是短促的连续的峰值信号加到压缩器的输入端，由于恢复时间过短，压缩器增益在每个峰值信号之后得到恢复，则在每个峰值信号之后可听出节目电平的升高。通常恢复时间可在0．1s到几秒之间选取。

现代录音技术中，压缩器为了进一步压缩节目的动态范围，提高输出信号的响度，在小信号输入时，随输入信号的增加，增益随着增加。最低增益为0dB，最大增益即为压缩增益（压缩增益可调）。压缩增益越大，输出信号响度越大，但信噪比降低。

（2）限制器

限制器实际上是压缩器的一种特例，如果使压缩比足够大，压缩器就成为限制器。它的功能是防止节目信号的高电平峰值超过一定的限幅电平，以避免磁带或放大器的过载。通常限制器的压缩比选为10∶1至20∶1，限制特性曲线如图3－6所示，限制阈值可调到高于压缩阈值约8dB处。由于限制器是用来除去一些偶然的、极短促的高电平峰值，因而限制功能所引起的增益变化不是取决于平均能量或响度，而是取决于节目信号的峰值。为了能取得良好的限制作用，它应是有很短的限制动作时间和恢复时间。如果节目中有许多反复出现的峰值信号，那么应适当调整恢复时间，使限制器有较长的恢复时间，以使在第一个峰值期间降低增益，然后用较长时间使增益基本保持不变；或者，改变限制器的阈值，并使用手控增益衰减方式，以使限制器只是对那些偶然的、短促的高电平峰值信号进行限制。

图3－6　限制和压缩性曲线的比较

（3）扩展器

扩展器的作用是在信号电平降低时减小信号的增益；或者当信号电平升高时，增加信号的增益，或者同时具有上述两种功能。扩展器使低于扩展阈值的信号增益降低，衰减节目的响度；使高于扩展阈值的信号增加增益，增大节目的响度。也就是说，扩展器使响度大的信号更响，响度弱的信号更弱来增加节目的动态范围。

（4）噪声门

噪声门是利用扩展原理做成的一种降低原始素材背景噪声的一种设备。噪声门的输入、输出特性曲线如图3－7所示。当信号电平高于阈值电平时，噪声门的放大器增益为1；当信号电平低于阈值电平时，放大器的增益降低。如果将噪声门的阈值电平调整在噪声电平以上，节目信号最低电平以下，那么噪声门可以在节目信号消失后自动地抑制低电平的噪声。噪声门的阈值电平一定要选择确当，而不能高于节目信号的最低电平，否则就会切除节目信号的尾音。恰当地调整噪声门的阈值电平可在某些节目中用来降低混响时间。通常噪声门的阈值电平应高于噪声电平10dB以上，可调整在信号电平的－30～－40dB处。

图3－7　噪声门的输入、输出特性曲线及用途的图解

4）均衡器和滤波器

（1）均衡器

均衡器和滤波器是用于改变录音或监听信号频率响应的一种组件，它使某些频率信号的幅度大于或小于其他频率，以某种频率失真来均衡另一种频率失真。利用均衡器可以对频率特性不佳的声音信号进行音色校正，或用以得到某种特殊效果声（例如模拟电话声、话筒扩音声等）。通常在调音台的各输入组件中，设置有完善程度不同的各种均衡或滤波网络。在录音控制室中作为独立的音质处理设备，经常使用的有图形均衡器和房间均衡器。

均衡器是用来校正频率特性的音响设备，故又称频率均衡器。频率均衡器可补偿某些频率成分、抑制过强的频率分量，防止产生自激，改善音响效果。它的作用可以体现在三个方面：一是可以校正音响设备本身产生的频率畸变，通过均衡器可使某个频率成分输出增大，或使某个频率成分输出减小，达到频率均衡的要求；二是可以校正厅堂室内声学共振特性产生的频率畸变，通过提升某个频率分量的信号，或衰减某个频率分量的信号，使峰点趋于平坦；三是具有抑制某个频率自激的功能和作用，防止音响系统产生啸声，音响设备在使用中，为了保证系统的稳定性，最大增益只能开到使频率响应曲线中最大峰点，不致产生自激，如果把增益调得过大，音响设备工作的稳定性将难以得到保证，这是在调整使用中，必须加以注意的。

（2）高低通滤波器的应用

高、低通滤波器在节目制作中，主要用来滤除节目频谱以外的各种噪声。

均衡器和滤波不仅在创作新节目时是一种用来改变音色的音质处理设备，而且在录音或转录过程中还可用于补救已经存在的某些问题。例如，转录老式唱片时，由于这种早期唱片频带较窄，因此使用50Hz和3～6kHz的带宽滤波器就可有效地抑制噪声，得到较好的转录效果。如果由于录音环境条件的影响，已经混入了像电源交流声等单调或离散的噪声，那么可以通过调谐陷波滤波器来消除这种噪声，但或多或少会影响节目的音质。使用均衡器时必须注意，一定要掌握得当，不宜过量。此外，由于均衡器中的电抗元件，多少会带来的弊病，例如瞬态特性、相移失真等问题都可能影响声音的音质。在录音时更不能用均衡来代替传声器更好的摆位。在多声道录音时还应注意不要对许多声道都按同一频段进行补偿，以免在合成音乐时使其频谱变得不平衡。

5）功率放大器与前置放大器

功率放大器是用来提高广播音响系统的输出功率以推动多个扬声器发出声响，它所输出的功率不是几瓦，而是几百瓦，甚至上千瓦。功率放大器要达到如此强力程度，除需足够的电源功率供应外，尚需在其输入端提供足够的信号电压，这种符合功率放大器输入端要求的信号电压，则是由前置放大器提供的。由此可见，前置放大器的任务是：把“信号混合系统”提供的丰富多彩的音频信号放大到足以推动功率放大器工作的程度。

前置放大器，又叫激励器。前置放大器内设电压放大、音量控制、平衡控制、滤波电路等。功率放大器有OTL、OCL、BTL等不同型式、通过输出电路与扬声器相联，扬声器就是功率放大器的负载。

6）多功能数字音频处理器

多功能数字音频处理器包括混音、矩阵、参量图示均衡、滤波、压缩、限幅、延时、分频、电平调节、模拟预设、多级密码保护等功能，还应具备网络型多通道数字音频处理功能。

7）分频器

一般的扬声器的放声频率范围都在150～12　000Hz范围之内，但在音乐厅、会议厅、演播厅、剧场舞台等使用时，要求获得高质量的放声效果，其频率范围要达到40～16　000Hz。单只扬声器很难满足这个要求。通常扬声器口径越大，越有利于低音的重放，但对高音则极为不利；反之口径越小，对高音重放越好，但对低音重放极为不利。为了达到高音、低音兼顾，通常要采用高音扬声器和低音扬声器相组合的系统。分频器就是把全频带信号分为不同的频段，使各个扬声器都能得到合适频带的激励信号。

分频器有高、低音二分频程的分频器，也有高、中、低三分频器。

（1）二分频器

二分频器把40～16　000Hz音频信号分为高低两个频段，低频段为40～3　200Hz，高频段为3　200～16　000Hz，并将不同频段的信号传输给低音扬声器和高音扬声器，如图3－8所示。

（2）三分频器

三分频器把40～16　000Hz音频信号分为高、中、低三个频段，低频段为40～900Hz，中频段为900～5　000Hz，高频段为5　000～16　000Hz，并将不同频段的信号传输给低音扬声器、中音扬声器和高音扬声器，如图3－9所示。

图3－8　二分频器原理与结构

图3－9　三分频器原理与结构