第6章 音频信号处理设备 现代音响与调音技术 教学课件

第6章 音频信号处理设备
(5)听觉激励器。在原来的音乐信号的中频区域加 入适当的谐波成分，以模拟现场演出时的环境反射， 使信号更具有自然鲜明的现场感和细腻感，并使声音 更具穿透力。音频信号处理设备还有诸如可以从任意 单声道声源中产生出逼真的假立体声效果的立体声合 成器和其它处理设备，读者可以参考有关资料，这里 不再一一列举。
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6.1 图示均衡器 6.2 压缩/限幅器 6.3 电子分频器 6.4 效果处理器 6.5 听觉激励器 6.6 其它处理设备
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6.1 图示均衡器
音频信号处理设备(Audio Signal Processor)是指在 音响系统中对音频信号进行修饰和加工处理的部件、 装置或设备。在专业音响设备中，音频信号处理设备 可以作为调音台、扩音机等设备内部的一个部件，例 如前述调音台及扩音机内置的均衡电路或混响电路；
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当然，信号处理设备只有使用正确、恰当，才能 获得良好的效果。如果使用不当或过分滥用，也可能 适得其反，反而会破坏原有节目的特色，甚至破坏得 无法补救。例如，用均衡器适当提升人声的高音区， 能使歌声更加明亮、清晰，但如果提升过度则会使齿 音过强而刺耳；与此相似，对乐曲动态范围的适当压 缩，可以提高节目的平均电平，从而增加响度，但如 果压缩过度则会使乐曲的动态范围过窄，听起来平淡 无味。
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一般常用的专业多频段图示均衡器有单通道15段 和31段及双通道15段和31段四种。双通道均衡器两个 通道的频率特性独立调整，互不影响。一般15段均衡 器和31段均衡器的中心频率分别按2/3倍频程和1/3倍频 程选取，各频率点的最大提升和最大衰减因均衡器不 同而异，一般多为±15dB和±12dB。图示均衡器通常 分为LC型和模拟电感型两大类，下面分别加以讨论。
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(1)滤波器和均衡器。通过对不同频率或频段的信 号分别进行提升、衰减或切除，以达到加工美化音色 和改进传输信道质量的目的，并可以对扩声环境的频 率特性加以修正。
(2)压缩/限幅器和扩展器。这是一种其增益随着信 号大小而变化的放大器。其作用是对音频信号进行动 态范围的压缩或扩展，从而达到美化声音，防止失真 或降低噪声等多种不同的目的。
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至于利用延时器、混响器等组成的各种效果处理器， 不但可以模仿各种声学环境(剧院、音乐厅、大厅、山 谷回响等)的音响效果，而且能够“创造”出各种奇妙 的“太空声”、“颤音”以及“幽灵般飕飕声 (Swishing)”等自然界所没有的声音。并且还可以把一名 演奏员或歌唱者的声音变成许多人的合奏或合唱的效果。 音频信号处理设备可以有多种分类方法。按照其处理信 号的方式划分，可以分为模拟信号处理设备和数字信号 处理设备两大类。前者出现较早，目前仍占多数。如常 用的均衡器、压缩/限幅器等。后者由于其性能优良， 近年来发展很快。其中用得最多的是数字式延时器和多 效果处理器。
图6―2 均衡器频响曲线
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LC串联谐振回路连接在Rp1电位器活动臂与“地” 之间，当活动臂向上移动时，串联谐振回路将反馈信 号中谐振频率的信号更多地旁路入地，因而运放提升 此频率的信号；当活动臂向下移动时，串联谐振回路 更多地将输入信号中谐振频率的信号旁路入地，因而 运放输出中此频率的信号被衰减。Rp1活动臂移至最上 面或最下面分别得到谐振频率信号的最大提升或最大 衰减，这样就使谐振频率信号有一定的调节范围。串 联谐振回路中的Rp2电位器用来调节电路的Q值，决定 提升或衰减的单频频带宽度。有许多均衡器不设此电 阻，这样其选频电路的Q值及带宽就是恒定的。
中心频率
电容值
<40Hz 40～100Hz 100～500Hz 500～5kHz 5～15kHz
>2μF 2～0.47μF 0.47～0.1μF 0.1～0.01μF 0.01～0.002μF
>15kHz
<0.002μF
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2. 模拟电感型多频段图示均衡器 近年来生产的多频段均衡器已普遍使用由晶体管 或集成运算放大器组成的模拟电感(Simulated Inductor) 来代替电感线圈，使均衡器的性能有了很大提高。
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也可以做成一台完整的独立设备，作为扩声等音 响系统的组成部分，例如各种专业的图示均衡器、延 时混响器等等。在剧院、歌舞厅等场所的扩声系统中， 大量使用着各式各样的信号处理设备，其中不少还进 入民用音响领域，它们对声音信号的音质起着至关重 要的作用。
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上述情况有些在事后还可以作某些补救，例如在 录音节目制作中压缩器和均衡器的使用都具有某种程 度的可逆性；但许多处理过程往往是不可逆的，例如 过度的混响量是无法从录音中去掉的。在扩声系统中， 例如剧院或歌舞厅的现场演出，调音师操作的效果直 接就被全体听众感受到，所以这时的任何错误都是无 可挽回的，这对调音师的操作提出了更高的要求。
由于在专业音响系统中，音频信号处理设备通常 是围绕调音台连接的，因此也将独立的信号处理设备 称为调音台的周边设备，简称周边设备(习惯上，在专 业音响中，将除调音台、功放、音箱外的其它设备都 可以看成周边设备)。在音响系统中加入信号处理设备 通常有两种目的：一种是对信号进行修饰求得音色美 化，达到更为优美动听或取得某些特殊效果；其次是 为了改进传输信道本身的质量，以求得改善信噪比和 减小失真或弥补某些环境的声缺陷等。
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但实践表明，各种优质均衡器的广泛使用，可以 有意识地对音乐的某些频段进行提升或衰减，人为的 创造一定程度的频率失真，可以获得意想不到的备受 欢迎的效果。例如提升钢琴的2.5kHz至5kHz频段，可 获得更加逼真的临场感，而提升小号的120Hz至240Hz 频段，能使号音的丰满度大大提高。
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2.对声源的音色结构加工处理 扩声系统中，声源的种类很多，不同的传声器拾 音效果也不同，加之声源本身的缺陷，可能会使音色 结构不理想。通过均衡器对声源的音色加以修饰，会 得到良好的效果。 3.满足人们生理和心理上的听音要求 人们对声音在生理上和心理上会有某些要求，而 且人对不同频率的信号听音感觉也不一样。通过均衡 器可以有意识地提升或衰减某些频率的信号，以取得 满意的聆听效果。
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多频段图示均衡器(GraphicEQ)也称多频段图形均 衡器，这是现代音响扩声系统中最常用的一种音质调 节设备。它把音频全频带或其主要部分，分成若干个 频率点(中心频率)进行提升或衰减，各频率点之间互不 影响，因而可对整个系统的频率特性进行细致的调整。 由于多频段均衡器普遍都使用推拉式电位器作为每个 中心频率的提升和衰减调节器，推键排成位置正好组 成与均衡器的频率响应相对应的图形，因此称之为图 示均衡器。
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更令人意想不到的是，非线性失真、谐波失真等 这些历来被视为音响设备必须力求避免的大敌，随着 人们对音乐声学，心理声学的深入研究发现，在音响 作品中适当加入特定的谐波失真(主要是低电平的高中 频成分)，不但不会破坏乐曲的音质，反而听起来更感 清晰、明亮且有穿透力，这就是近年来脱颖而出的所 谓“听觉激励器”之类的处理设备的基本构思。
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6.1.1 频率均衡处理的意义 1.改善声场的频率传输特性 改善传输特性是均衡器最基本的功能。任何一个
厅堂都有自己的建筑结构，其容积、形状及建筑材料 (不同的材料有不同的吸声系数)各不相同，因此构造不 同的厅堂对各种频率的反射和吸收的状态不同。某些 频率的声音反射得多，吸收得少，听起来感觉较强； 某些频率的声音反射得少，吸收得多，听起来感觉较 弱，这样就造成了频率传输特性的不均衡，所以就要 通过均衡器对不同频率进行均衡处理，才能使这个厅 堂把声音中的各种频率成分平衡传递给听众，以达到 音色结构本身完美的表现。
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多频段均衡器中的LC元件的数值是由所调节的中 心频率决定的。设计时，通常是先根据要求，确定中 心频率，然后设定电容C值，再计算电感L值。
L
4Байду номын сангаас
1 2 f02C
(H
)
式中： f0为中心频率(Hz);
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C为设定的电容值(F)。 电容值可按下列经验数据选取：
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6.1.2 多频段图示均衡器的基本原理 均衡器是通过改变频率特性来对信号进行加工处
理的，因此必须具有选频特性。可见多频段均衡器是 由许多个中心频率不同的选频电路组成的，而且均衡 器对相应频率点的信号电平既可以提升也可以衰减， 即幅度可调。如以前介绍的音调控制器就是一种简单 的可变幅度均衡器，所以这里所说的均衡器是有源均 衡器，其内部还设置有放大器电路。
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(3)电子分频器。这是一种有源分频器，其作用与 音箱中的分频器相似，它将宽频带音频信号分成高、 中、低等不同的频段，通过不同的音箱达到分频段扩 声的目的。
(4)延时器和混响器。通过机械或电子的方法来模 拟闭室内声音信号的延时和混响特性，使乐音更加丰 富和亲切，并可制造一些特殊的音响效果。利用延时 器和混响器并结合计算机技术，构成了具有多种特殊 效果的多效果处理器。
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按照处理设备的基本结构划分，可分为机械式信 号处理设备和电子式信号处理设备。前者如钢板混响 器、金箔混响器和弹簧混响器等。目前除少数有特殊 用途和特殊效果要求的处理设备外，各种信号处理设 备基本上都已实现了“电子化”，并且引入了电子计 算机控制技术，使处理设备的自动化程度大大提高。 最通常的划分方法是按照信号处理设备的用途来划分。 扩声系统中常用的有以下几类：
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1. LC型多频段均衡器 图6―1为LC型多频段均衡器原理图。由运算放大
器和多个不同中心频率的LC串联谐振回路(选频电路) 组成，其频响曲线为钟形，示于图6―2，其工作原理 如下所述。
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图6―1 L C型多频段均衡器原理电路
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信号处理设备是现代音响系统中必不可少的重要 组成部分，它充分体现出音响工作具有“艺术”与 “技术”相结合的综合性专业特点，给广大的调音师、 录音师等音响大师们提供了进行艺术创作的强有力的 技术手段，使他们能够在扩声、音乐制作等领域，把 主观能动性与客观的技术设备充分结合起来，导演出 更多更优美的音响作品，同时也给广大音响艺术和音 乐爱好者们提供了更加优美动听的欣赏条件。
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当前信号处理技术已成为现代音响技术中最活跃 的领域之一。国外各大音响公司都集中相当的力量进 行这方面的研究和开发，从模拟设备到数字设备，新 产品不断涌现。现代声学、电声学、心理声学、音乐 声学和电子技术、计算机技术等科学的发展，更促进 了信号处理技术的飞跃，甚至使人们在音响技术中的 许多传统观念受到很大冲击。例如，对“失真”的概 念就出现了很大的变化。传统的观点认为音响设备应 该是“高保真”的，就是要求有平坦的频率特性，使 重放的节目忠实的再现节目的原貌。
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在音响扩声系统中，对音频信号要进行很多方面 的加工处理，才能使重放的声音变得优美、悦耳、动 听，满足人们的聆听需要。均衡器(Equalizer,简称EQ)， 它是将音频信号分为多个不同频段，然后通过不同频 段中心频率对各频段信号电平按需要进行提升或衰减， 以期达到听觉上的频率平衡的频率处理设备，即它是 一个多频段的频响处理设备。均衡器是扩声系统中应 用最广泛的信号处理设备。
音频信号处理设备信号处理设备是现代音响系统中必不可少的重要组成部分它充分体现出音响工作具有艺术与技术相结合的综合性专业特点给广大的调音师录音师等音响大师们提供了进行艺术创作的强有力的技术手段使他们能够在扩声音乐制作等领域把主观能动性与客观的技术设备充分结合起来导演出更多更优美的音响作品同时也给广大音响艺术和音乐爱好者们提供了更加优美动听的欣赏条件
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4. 改善音响系统的频率响应 音响设备是由电子线路构成的，而一个音响系统 又是由许多音响设备组成的，音频信号在传输过程中 会造成某些频率成分的损失，通过均衡器可以对其进 行适当的弥补。均衡器还可以用来抑制某些频率的噪 声或干扰，例如衰减50Hz左右的信号，可以有效地抑 制市电交流干扰等。多频段均衡器具有许多用途，和 其它信号处理设备配合，会收到非常理想的效果，这 需要在实践中深刻体会。