电声系统的声音质量及评价

!"! 声音的物理特性
声音的质量含有多种成分， 其中音调、 音色、 音 量及音品是决定音响效果的四大要素。音调由声波 的频谱决定， 表示声音频率的高低， 主要与声源每 秒钟振动的次数有关， 是人耳对音调高低的主观评 价尺度。 它的客观评价尺度是声波的频率。 音调低， 表示振动频率低， 声音显得深沉； 音调高， 表示振动 频率高， 声音就尖刺。音量由声波的振幅决定， 音量 是指声音的强度或响度， 标志声音的强弱程度。它 主要与声源振动幅度的大小有关，太弱了听不见， 太强了会使人受不了。人耳所能听到的声强在 $% 寂静的室内噪声约 为 !$ &’ ， 在白天室 "# &’ 之间， 内噪声可达 () &’。音色由声波的频谱决定， 音色是 指声音的色彩和特点。不同的人和不同的乐器都会 发出各具特色的声音，它与声源振动的频率有关。 如果说音调是单一频率的象征， 那么音色则是多种 频率所组成的复合频率的表现。而音品则由声波的 波形包络决定。乐音即音乐中使用的声音， 其谐波 组成和波形的包络，包括乐音起始和结束的瞬态， 确定了乐音的特征， 称为音品。任何声音都有一个 成长和衰变的过程， 这个过程决定声音的音品。声 音的成长和衰变过程不同，听音者的感觉也不相 同。所有这些都是声音信号的物理量， 是可以进行
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《电声技术》 !""! 年第 ## 期总第 !"$ 期
! !"#$%&"’ ( ") 式中， （正常人能听到的最弱声音约为 ") 为基准声压
； #*+$ !.） "’ 为待测声压。
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失真， 简称 389 失真。 847’)9:0;%.76:4 ） 交越与削波失真。交越失真是由于乙类推挽放 大管的起始导通非线性造成的； 削波失真是功放管 饱和时， 放大器输出信号不随输入信号的增大而增 大， 输出波形尖峰被削平。削波失真的听感是声音 模糊而且抖动， 特别是在小功率放大器中时常出现 这种情况。 混响与音质的关系 !"% 信号延迟、 在有电声系统的厅堂中， 自然声源与电声系统 发出的声音到达听音者处的强度与时间关系被称 为声音的时间结构； 不同的垂直入射角和水平入射 角与强度的关系称之为空间结构。这种声音的时间 与空间结构 （延 迟 ） 对声音的可懂度和自然度有很 大的影响， 表现在当两个语音信号在 +$</$ =5 之间 到达人耳时， 有利于语言可懂度的提高， 较长的延 时， 如 +$$ =5 以上， 则不利于语言清晰度。 当声源在闭室发声时，由于吸收与反射的作 用， 声场的建立需要有一个过程。当声源停止发声 后， 由于声场边界或声场中的反射体使声波在其间 多次反射或散射而产生声音延续的现象，称为混 响。混响也可以指由以上原因而产生延续的声音。 这个递减过程的长短主要决定于闭室的大小和对 声音的吸收情况。声学工程中， 某频率的混响时间 是室内声音达到稳定状态， 声源停止发声后， 残余 声音在房间内反复反射， 经吸声材料吸收， 平均声 能密度自原始值减到百万分之一即衰减 2$ 01 所需 的时间， 记为 #2$。闭室混响时间的长短对音质有着 重要的影响。混响时间长， 音质丰满， 使听音不清 晰。混响过程短有利于听音的清晰， 但混响过短， 又 使声音显得干涩和强度变弱， 造成听音吃力。因此 合理设计混响时间对音质至关重要。美国物理学家 赛宾 （>?@?A.B64’ ） 于 +C$$ 年提出了闭室混响时间
#2$"$?+2+ $ ( %! 式中， （=#） ； % 为室内表面总面积 ! 为房间内表面的平均吸声系数； $ 为闭室的容积。
由赛宾公式可见， 混响时间是与声源无关的表 示房间声音特点的一个客观物理量， 即混响时间仅 与房间容积、 内表面吸声量有关， 室内各处的混响 时间是相等。
!"& 噪声与音质的关系
声 频 工 程
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!"# 频响特性与音质评价关系
频率响应是电压 （或声压） 随频率变化的特性。 在某频率范围内最大值与最小值之差称为不均匀 度。满足允许不均匀度的频率范围称为工作频率范 围。因此， 描述频率响应要指明工作频率范围和不 均匀度。理想的频率响应是在通频带内非常平直。 频响通常用增益下降 /01 以内的频率范围来表示。 如果音响系统的频响不够宽， 放音时会感到声 音干硬， 甚至一些音色相近的乐器齐奏时就会分辨 不出来， 即代表它们特色的泛音被削弱了。 （畸变） 与音质关系 !"$ 信号失真 信号失真分谐波失真、 互调失真、 相位失真、 瞬 态失真、 瞬态互调失真、 交越与削波失真等 2 种。 谐波失真是重放信号中新产生谐波分量的有 效值与原来信号有效值之比， 以百分数表示。当谐 波失真严重时， 声音听起来会有发酸的感觉。 互调失真。当两个或两个以上不同频率的信号 输入放大器后， 由于放大器的非线性， 输出信号中 除原输入信号外， 还产生了输入信号的和信号与差 信号， 这新生的两种谐波分量即构成了互调失真。 相位失真。声频系统输出信号与输入信号之间 一般是存在相位差的， 尽管量值较小， 但它与瞬态 响应、 瞬态互调失真指标有密切关系。 瞬态失真。瞬态失真是指放大器对瞬态信号的 跟随能力。打击乐器、 弹拨乐器都能产生猝发声脉 冲即瞬源自文库信号。当瞬态信号输入放大器时， 如果放 大器瞬态响应差， 放大器的输出就跟不上瞬态信号 的变化， 猝发信号的包络将产生失真， 这就是瞬态 失真。它主要影响跳跃式短促音符的清晰度。 瞬态互调失真。瞬态互调失真是晶体管电路或 集成功放电路特有的。众所周知， 在晶体管电路中 往往都加有深度负反馈， 而这个深度负反馈又会带 来寄生振荡， 于是在激励级与集基极之间加入一个 小电容作为滞后补偿， 以便能在高频时增加相位滞 后来抑制寄生振荡。所以当放大器输入脉冲信号 时， 由于这个补偿电容充电需要一定的时间， 因而 放大器的输出端不能立即得到应有的负反馈电压， 从而使输入级瞬时过载。而且由于负反馈很深， 这 种过载电压有时比额定值高几十倍甚至几百倍， 因 而输出信号被削顶，这就是瞬态互调 （ 3).456’47
!"$ 声音的动态范围
对信号源来说， 动态范围是指信号中可能出现 的最高电压与最低电压之比； 放声系统的动态范围 通常是指它的最大不失真输出电压与无信号时的 输出电压之比。
!"% 声压级的大小与音质的关系
媒体中有声波传播时， 媒体各部分会产生压缩 与膨胀的周期性变化。压缩时压强增加， 膨胀时压 强减少。变化部分的压强， 即总压强与静压强的差 值称为声压。人们对声音强弱的感觉并不是与声压 的大小成正比， 而是与声压有效值 （或声强有效值） 的对数成比例。为适应人类听觉的这一特性， 同时 也为了计量方便， 常把声压有效值与声强有效值取 对数来表示声音的强弱。这种表示声音强弱的数值 叫声压级， 单位 &’ ， 用 ! 0 表示
声 频 工 程
电声系统的声音质量及评价
张迪扬 （绍兴人民广播电台，浙江 绍兴 !"#$$$ ）
・ 基础知识 ・
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音质的主观评价
音质主观评价是一项相当复杂的过程， 涉及到
客观技术测量的。
!"# 人耳的听觉特性
听觉的感受性。人类听觉感受的动态范围 （"） 很宽， 能感受 到 的 最 小 声 压 级 为 $ &’ ， 能感受的最 大声压级可达 "($ &’； 人耳能听到的纯音最低可达 最高为 #$ ,*+； 声音要达到一定声级才能听 #$ *+， 到， 最小可听声级称为绝对阈限， 是听觉绝对感受 性的表征量。人耳对不同参量的两个声音最小听觉 它是听觉差别感受性的表征量。 差称为差别 -.， （# ） 听觉灵敏度是指人耳对声压、 频率及方位 的微小变化的判断能力。当声压发生变化时， 人们 听到的响度会有变化。同样当频率发生变化时， 人 们听到音调会有变化。 （! ） 听觉的掩蔽效应是指同一环境中的其它声 音会使聆听者降低对某一声音的听力或一个声音 的听阈，实验证明，一个音源低于另一个音源 (/ 就无法听到 响 度 低 的 声 源 ； 低频声波易于掩蔽 &’， 高频声波， 两声波频率越接近掩蔽效应越明显。 （(） 听觉延时 （哈斯） 效应是指当几个内容相同 的声音相继到达听者处时， 听音者不一定能分辨出 是那几个先后来到的声音， 就是说， 人的听觉对延 时声的分辨能力是有限的。
人的心理学、 生理学和专业人员的经验素养等。音 质主观评价是直接与人耳的听觉感受联系在一起 的， 在听音过程中， 评价人员根据自己主观的听音 感觉， 用一些特定的专用词汇来形象化地表达自己 听后的感觉。因此， 对听评人员来说要做好音质的 主观评价工作， 必须掌握以下十方面的知识： !声 音的物理特性； "人 耳 的 听 觉 特 性 ； #声 音 的 动 态 范围； $声 压 级 的 大 小 与 音 质 的 关 系 ； %频 率 响 应 特 性 与 音 质 评 价 的 关 系 ；&信 号 畸 变 与 音 质 的 关 系； 混响与音质的关系； ’ 信号延迟、 ( 噪声与音质 的关系； )音质评价术语； *综合评价。
噪声对正常听音产生干扰和掩蔽作用， 所以要 将其限制在一定声级水平以下。从人们的心理反应
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声 频 工 程
来量度噪声的感觉称为噪声的主观评价。它与所处 的环境、 噪声性质、 心理状态有关， 而且因人而异。 一般地说， 噪声越大影响放声质量也越严重。此外， 高音调的噪声比响度相同的低音调噪声更使人烦 恼。完全消除电声系统内的噪声是不可能的。根据 掩蔽效应， 人们对于那些不需要的声音的觉察程度 与这个声音的相对强度有关， 只要这个声音的强度 比有用声音的强度足够弱， 人们也就觉察不出它有 多大害处了， 即有用声掩蔽了不需要的声音。据此， 电声设备中的那些不可避免的本底噪声 （热噪声、 交流 “哼 ” 声等） 电平究竟应该多低， 就取决于测量 点需要有用信号的电平值。即根据有用信号的强度 来规定允许的最大噪声强度。这就是电声技术标准 中的 “信号噪声比” 指标的来源。信噪比通常用分贝 来计量。信噪比高意味着听音 “干净” ， 特别是在信 号间隙时会感到非常寂静。听音时感到 “动态范围 大” 、 “ 音质清晰” 、 “ 干净” 、 “ 细致” 时， 信噪比大约要 超过 !" #$。如果信噪比在 %" #$ 以下， 听音时恐怕 就能明显听到 “沙沙” 声了。不同信噪比条件下， 对 噪声的主观感觉如表 &。
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音质的评价方法
音质评价有直接评分法和对比法两种。直接评
分法由于各人给分的标准不统一， 故使评价结果分 散。对比法则是将音质评价参数配合成不同的组 合， 各对出现的次序用抽签方法确定。试听者听两 种轮流出现的组合，判断哪一种更好给予评分， 评 价结果用统计方法分析并给出置信度。 电声设备的音质评价是在具有规定声学特性 的试听室内进行。 试听室的混响时间， -./ 建议 *"" 不得有低频嗡嗡声 01 频率的混响时间为 "2)3"2% 4。 和高频咝咝声。环境噪声要低于 )" #$5 。试听室容 积应在 &’"3&*" 6( 之间， 长、 宽、 高的比例应为 &2!7 包括不同性别、 不同年 &2)7&2"。试听人员至少 + 人， 龄。试听人员应当有录音导演或录音师、 声学工作 者、 播音员及其相关人员， 这些人通常要经过听力 测试的筛选及试听培训。试听节目要有代表性， 具 有语言、 戏曲和音乐的特征； 对音质优劣较易觉察， 选择的节目应该是既无很大吸引力又不会令人感 到厌倦。对于电声器件或电声设备的主观评价用同 一套高质量放声系统，改变其中某个部件进行比 较。 总之， 电声系统的音质评价涉及到技术与艺术 等许多领域， 对声音质量的评价除了要求符合一定 技术指标外，还应当通过人的听感得出主观的评 价。这不仅是由于客观测量所得到的物理量还不足 以反映电声系统的真实质量， 还由于声音最终是为 了让人们聆听的。因此， 客观测量是音响效果评价 的基础， 主观评价是听觉感官的最后结果， 两者之
氛围感。气 置恰如其分， 总体流畅、 自如、 亲切。 （’ ） 势、 格调、 动态范围等与作品相符。 （( ） 整体感。 音质 与立体效果协调、 统一。 （) ） 单声兼容性。立体声节 目作单声重放时， 音质、 平衡、 层次、 空间感等良好。 音质的总体评价包括： 清晰度、 平衡度、 丰满 度、 力度、 圆满度、 明亮度、 柔和度、 融合度、 真实度 及 特 殊 听 感 等 &" 项 ， 其 中 特 殊 听 感 是 指 齿 音 、 沙 哑、 发破、 金属声、 复印效应及其它杂音 （交流声、 打 火声、 磁感声、 卜卜声、 接头声等） 。立体效果评价内 容有立体感、 空间感和临场感等三项。音质总体评 价内容为自然感、 氛围感、 整体感和单声兼容性。 如果是语音，则音质的评价内容只需包括： 清 晰度与可懂度、 平衡度、 丰满度、 圆润度、 明亮度、 真 实度和特殊听感等 + 项。