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响度

又称音量。人耳感受到的声音强弱,它是人对声音大小的一个主观感觉量。响度的大小决定于声音接收处的波幅,就同一声源来说,波幅传播的愈远,响度愈小;当传播距离一定时,声源振幅愈大,响度愈大。响度的大小与声强密切相关,但响度随声强的变化不是简单的线性关系,而是接近于对数关系。当声音的频率、声波的波形改变时,人对响度大小的感觉也将发生变化。

声音的强弱叫做响度。响度是感觉判断的声音强弱,即声音响亮的程度,根据它可以把声音排成由轻到响的序列。

响度的大小取决于音强、音高、音色、音长等条件。如果其他条件相同,元音听起来比辅音响。元音中,开口度大的低元音听起来比开口度小的高元音响;辅音中,浊音比清音响,送气音比不送气音响。

响度描述的是声音的响亮程度,表示人耳对声音的主观感受,其计量单位是宋,定义1kHz,声压级为40dB纯音的响度为1宋。

大多数人对信号声级突变3dB以下时是感觉不出来的,因此对音响系统常以3dB作为允许的频率响应曲线变化范围。

人耳对声音的感觉,不仅和声压有关,还和频率有关。声压级相同,频率不同的声音,听起来响亮程度也不同。如空压机与电锯,同是 100分贝声压级的噪声.听起来电锯声要响得多。按人耳对声音的感觉特性,依据声压和频率定出人对声音的主观音响感觉量,称为响度级,单位为方。

以频率为1000赫兹的纯音作为基准音,其他频率的声音听起来与基准音一样响,该声音的响度级就等于基准音的声压级,即响度级与声压级是一个概念。例如,某噪声的频率为100赫兹,强度为50分贝,其响度与频率为1000赫兹,强度为20分贝的声音响度相同,则该噪声的响度级为20方。人耳对于高频噪声是 1000~5000赫兹的声音敏感,对低频声音不敏感。例如,同是是40方的响度级,对1000赫兹声音来说,声压级是40分贝;4000赫兹的声音,声压级是37分贝;100赫兹的声音,声压级52分贝;30赫兹的声音,声压级是78分贝。也就是说,低频的80分贝的声音,听起来和高频的37分贝的声音感觉是一样的。但是声压级在80分贝以上时,各个频率的声压级与响度级的数值就比较接近了,这表明当声压级较高时,人耳对各个频率的声音的感觉基本是一样的。

怎么样在不让音轨失真的情况下让声响感到更大些?或者有没什么效果来增强音量的?

成音(final mixes)声响最大化是个比较有争议的话题,不同的专业工程师在这个问题上有一定的分歧。假设你的成音已经峰值达到0dBFS,再增加响度就会有点危险,因为不可避免地会在某种程度上改变所录制的波形。这种任何特别的音频处理所导致的折衷,和音响增加相比,哪个重要,你要好好思量一下。

最好的策略是,把你的成音放在DAW中,和你所选择的感觉较牛X的商业成音放在一起,然后处理你的混音,直到和标准感觉一致为止。您的监听设备越好,你的判断力才能够越好。(如果用普通的监听,声响上可能会做得过度,因为你无法精确分辨出信号品质到底降低到何地步)。

那么该尝试一下哪些处理呢?“毒性最小的”增加音量的方法我想应该是让混音通过截止频率非常低的高通滤波器。如果所录的音轨上有直流(0Hz)信号的话,这可以偏移整体音频波形,使其中的削波出现地比原先更早;而高通滤波器可以去除掉。你还可以用高通滤波器来截去你不想要的低频隆声,这样就可以给整体音轨电平更大的余量。

我们还要用下均衡器,值得一提的是,人耳其实对高频与低频都不是特别敏感,但对中频非常敏感。人们一般都会把较为明亮的声音从心里认为是较为响亮的声音。如果你可以在参考的标准音轨和你自己的音轨之间检测出音调的不同,我推荐轻微调节均衡器和参考轨的声音更象一些。

或许你还想看一下诸如Logic的Match EQ和TC Works的Assimilator,或是独立的工具软件Harbal。这些都可以用来比较参考轨的频率内容和你自己音轨的频率内容,然后会给出建议的均衡曲线,以自动匹配两个音轨。只要确定建议的均衡曲线可能会“加点盐”,因为自动处理不可能十全十美。

精细的磁带、电子管或变压器失真处理也是增加主观响度有意思的一种方法,但实际并没有增加多少计量电平。如果这样的话,这里的软件选项就比较多了,比如Silverspike的免费软件Rubytube 或是内置入Cubase SX2的 Magneto插件。有些不错的硬件如内置入TC Electronic机架处理器的DRG,或是Drawmer的DC2476 Masterflow设备里的有趣的多段电子管处理。

压缩在声响上的增加绝对明显,特别是对于低比率(低于1.3:1)和低门阈(大致在-30dBFS与-50dBFS之间)设置来说。完全波段的呀在这个角色上音调更明显,但多短类型的压缩器则相对带来的假声更少。

对于摇滚与舞曲音乐风格,全波段的较高门阈及比率设置的压缩,经过压缩效果后响度够劲。如果你想试验一下的话,从2:1比率开始,1ms的起音时间,100ms的释音时间。然后再设置门阈电平,这样压缩器主要减少的是鼓击的增益,你会听到压缩器处理的效果,然后再调节比率及释音时间来调整力度。

如果你发现压缩器的效果,对底鼓的低频部分有所伤害的话,那么就增加压缩器的起音时间,让更多声音在压缩器削减前经过。另外还可以使用高通滤波器处理压缩器的旁链来减少低频增益衰减的因素。

限制器有时也用来增加响度,在正常情况下可以增加几个分贝而无何损失。2013年的全波段和多段型号都有,但有一个旁侧效果这些都没有,就是这些效果感觉让音轨中的重击鼓声好像被吸到混音中一样。如果打击素材少的还行,这个可以作个折中,主要看限制器的释音时间如何设置,不过也要注意限制器处理的副效果(pumping)和低音失真。

如果上面几种方法都试了感觉还不行,那么就该放大一下参考音轨的波形,看一下它们是否有限幅(clipping)现象。尽管很多工程师不太赞成限幅现象,但实际上的情况是,商业发行里经常存在,这是个事实。所以,你需要考虑一下限幅的立场。限幅的坏处之一是,它是一种失真,本身并不音乐化。不过许多工程师认为某种程度的限幅在某种情况下也可以被巧妙掩盖,主要是为了获得考究的声响。

第一种主要的情形是,当声音本身就模糊失真时(fuzzy),比如失真的电吉他,那么限幅还是很容易混合的。最为典型的例子是The Darkness的《Growing On Me》,Chemical Brothers的《Block Rocking Beats》,以及Pink的《Feel Good Time》。

另外一种限幅的风格是那种鼓机非常重的音乐,比如摇滚和嘻哈,不过一般限幅的也只是鼓拍。除非你搞得很过分,一般的限幅处理人耳感觉就是鼓的音调有点变化而已,而不是失真的感觉,所以很多音乐人都乐于用这种方式来处理。举个例子,Dr Dre在2001的专辑中就在底鼓上有超过100个连续采样上频繁使用限幅,而这种限幅处理方式商业音乐风格绝不是完全拒绝。

可听声对人产生的总的效果除了声压、声频率之外,还有声音持续时间、听音人的主观情况等,人的耳朵对高频声波敏感,对低频声波迟钝。为了把客观存在的物理量与人耳的感觉统一起来,引入一个综合的声音强度的量度响度、响度级。

纯音的等响曲线、响度及响度级

听阈和痛阈的数值都是定义在1000Hz纯音条件下的量,当声音的频率发生变化时,听阈和痛阈的数值也将随着变化。为使在任何频率条件下主客观量都能统一,就需要在各种频率条件下对人的听力进行试验,即选取1000Hz纯音作为基准音,其噪音听起来与基准纯音一样响,则噪声的响度级就等于这个纯音的声压级(分贝数),试验得出的曲线称为等响曲线。经过大量实验测得纯音的等响度曲线如图 等响曲线-听阈曲线所示。

响度级是一个相对量,有时需要用绝对值来表示,故引出响度单位宋的概念。响度级和响度间的对应关系如图方-宋关系。

宽带噪声的响度

对纯音可以通过测量它的声压级和频率,按等响曲线来确定它的响度级,然后根据方-宋关系确定它的响度。但是,绝大多数的噪声是宽带声音,评价它的响度比较复杂,或者计算求得,或者通过计权网络由仪器直接测定。就声级计而言,设立了A、B、C三种计权网络。

等效连续声级与噪声评价标准

如果考虑噪声对人们的危害程度,则除了要注意噪声的强度和频率之外,还要注意作用的时间。反映这三者作用效果的噪声量度叫做等效连续声级。

20世纪末,为了减少噪声的危害,提出了保护听力、保障生活和工作环境安静的噪声允许标准。

(1)取一个连接音响或收录音机的喇叭(功率愈高愈好),开口朝上平放在桌上。

(2)撒一些保丽龙屑在喇叭上(最好能直接撒在喇叭的鼓膜上)

(3)打开音响使喇叭发出声音,注意保丽龙屑有没有跳动。

(4)调整音量大小,并比较保丽龙屑跳动的情形。

对微小的声音,只要响度稍有增加人耳即可感觉到,但是当声音响度增大到某一值后,即使再有较大的增加,人耳的感觉却无明显变化。我们把人耳对声音响度的这种听觉特性称为“对数式”特性。另外人耳对不同频率的声音,听觉响度也不相同。例如我们播放一个从20Hz逐步递增到20kHz增益相同的正弦交流信号,就会发现虽然各频段增益一样,但我们听觉所感受到的声音响度却不相同。在20Hz~20kHz整个可听声频率范围内,上下限频率共10个倍频程。如表所示:

倍频程 频率范围(Hz)

1   20~40

2 40~80

3 80~160

4 160~320

5 320~640

6 640~1280

7 1280~2500

8 2500~5000

9 5000~10000

10 10000~20000

我们把可听声按倍频关系分为3份,确定低、中、高音频段。

即:

低音频段20Hz~160Hz(3倍频)

中音频段160Hz~2500Hz(4倍频)

高音频段2500Hz~20000Hz(3倍频)

人耳对中音频段感受到的声音响度较大,且较平坦。高音频段感受到的声音响度随频率的升高逐渐减弱,为一斜线。低音频段在80Hz以下急剧减弱,斜线陡率较大。我们把低音频段的急剧减弱称为低频“迟钝”现象。

图1 人耳听觉特性曲线

如果我们在某声强级倒置这些等响曲线,就会得出人耳在此曲线上整个频率范围内全部声音的相对频响图。较低曲线倒置,说明在低声强,人耳频响缺乏。相反,倒置较高声强的上部曲线,可达到更平坦的频响。通常把1000Hz曲线作为参考点,对高频和低频而言,人耳的听觉响应在低声强时始终不足。但是人耳对300~6000Hz左右的频段特别敏感。这恰巧是包含大部分人讲话模式的声音以及婴儿啼哭的音调的频率范围。

图2 频响曲线

每条等响曲线被确认为以响度单位“方”表示的声级。在与等响标准音符进行比较时,由于响度等于以分贝表示的声压级,因此“方”是一个响度单位。标准音符是一个1000Hz纯音或中心频率在1000Hz的窄带噪声。要指出的是,只有在图上1000Hz的标准参考点,用“方”表示的声级与以分贝表示的声压级才一致。因此40方等响曲线表示1000Hz处的40dB SPL,但在其它大部分频率上,SPL是不同的。基本上,每个“方”等响曲线代表一个10dB音级,测量值增加3dB,表示声音功率增加2倍。

图2底部的红色虚线表示自由场中人耳听觉灵敏度的最低可闻声级。

这些曲线的使用效果说明,如果我们在校准系统或对音质进行数值评价时,想合成人耳的正常听力表现,某种形式的滤波是需要的。声压级(SPL)表大多用于设置音频系统的听力声级,SPL表包括修正其标度的可选滤波器,因此它可估测出在某一声压级范围内人耳的响应。最常用的滤波器设置是A加权和C加权。它们是什么?与我们的听觉反应有何关系?

加权概念是指滤波器响应的相对整形,因而模仿在某一响度级的人耳。A、B、C和D四种被用来简化并加到等响曲线区域上,这些区域对描述人耳对真实世界应用的频响最有意义。下面的讨论请参照图3。A加权规定滤波器(和人耳响应)在低声压级的波形,即40方等响曲线。以分贝表示的与A加权相关的声级测量值用dB(A)单位表示。此曲线整形意味着测量设备中低频被衰减,而语音频率被放大。B加权描述一个约70方曲线的中等声级。要注意的是此时人耳响应开始平坦。C加权利用100方曲线,它描述人耳对高声级几乎平坦的响应。对典型的家庭影院聆听声级及评估系统的平坦频响特性来说,C加权响应最有用。D加权曲线是一种特例,它是为测试飞机飞行噪声而开发的,它使高频恶化。同样,相对于这些加权曲线的声级测量值被分别记录为dB(B)、dB(C)和dB(D)。A和C加权最常用,因为前者与日常的正常声压级有关,后者与较高听音音量有关(此时人耳响应几乎平坦)。

我们已讲述了某种有意义的背景,但是它们与音频系统响度控制特性都有何关系?了解人耳如何感知与频率相对应的声强可直接引导我们理解响度特性。响度控制就是打算在低声级聆听的时候明显地提升低频和高频,使人耳感知到较平坦的总声压级。换言之,如果在低音量级无法实施等响曲线控制,就显得缺少低音和高音。这种效果相当于前述的A加权情况(这种情况下低和高频都要求额外的放大,使声音动听)。

由于人耳的频响在高声级相对平坦,不需要等响曲线控制的补偿效果。响度特性是一种均衡功能,理想情况下,它应该进行自身调节,以便在低声压级具有较大的补偿效果,而随着声压级增加,补偿效果也越来越小。

从图4可以看出,补偿低频所需的功率量(LA{{A为下角标}}曲线界定的绿色阴影区)很大。因此,在家庭影院音频系统设计中,仅对低频声道使用相当大的分离放大,并不罕见。高频范围内的阴影区表明在某一较低的音量级时这部分频谱所需的相对补偿。在高响度级,人耳的反应接近平坦,补偿需求几乎降到零,如LC{{C为下角标}}曲线所示。

问题在于,执行响度控制功能是像那些过于简单的设计一样,仅使用一个固定设置提升高频和低频,还是动态的,能根据音量控制设置修正均衡量?

从历史上看,大部分响度控制都是模拟实现,使用分立的电阻电容甚至电感逼近A加权函数的补偿曲线(图4中的曲线LA{{}})。大部分是围绕着音量控制而设计的。图5说明一种使用音量控制的简单可行的方案,此方案采用一个旋转半程的第四抽头。阻容网络切入音量控制电路时,提供幅度补偿。对于真正的低成本电路,可能只有低端频率被提升,或许中音域被“切掉”使其听起来较像低端声级。毫无疑问,模拟实现响度功能,特点是五花入门。完全补偿A加权响应需要相对复杂的补偿网络。

图5电路的基本方案是:(1)使用C1提升高频,当响度开关接通时C1与音量控制的上半部并联;(2)选择C2的电容值,使其电抗在高频和中频时较低;(3)选择R使高中频得以衰减;但随着频率下降,C2的电抗会升高,降低低频衰减。这是一种彻头彻尾的性能折衷的简便而低成本的设计方案。

响度均衡电路的现代实现自然而然地落入数字信号处理,即DSP的范畴。在数字处理可实现的众多可能性之中,形成能够模拟接近精确补偿响应的滤波器不仅是可能的,而且一般都是直截了当的。基于DSP的算法实现连续自适应函数,它们随着声压级在其正常变化范围内变化将实时补偿。

各种形式的高速数字信号处理为当今复杂的音频系统最佳实现等响补偿提供各种途径。有了这类工具,工程师们必须回过头来研究Fletcher 和Munson 等人开发的基础知识,吐故纳新,确保我们有最好的机会开发最接近于原始概念的基于数字的产品。但无论如何,我们大家真正关心的都应该是,在我们按下响度钮时,系统应该“优美动听”。

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