音频信号处理技术.ppt

第5章音频信号处理技术,4.1均衡4.2压缩/限幅4.3分频4.4效果4.5激励4.4其它,音频信号处理设备,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。在专业音响系统中，音频信号处理设备通常是围绕调音台连接的，简称周边设备(除调音台、功放、音箱外的其它设备都可以看成周边设备)。,作用：修饰，音色美化改进传输质量，弥补声缺陷,音频信号处理设备功能简介,均衡器。对不同频率信号分别进行提升、衰减或切除，达到加工美化音色(2)压缩/限幅器。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。(3)电子分频器。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。制造一些特殊的音响效果。(5)听觉激励器。使信号具有现场感和细腻感，更具穿透力。,4.1均衡,什么是均衡？对不同频率的声音进行不同的提升和衰减。,4.1.1频率均衡处理的意义1.改善声场的频率传输特性建筑结构、容积、形状各不相同，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；造成了频率传输特性的不均衡。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。,4.1.1频率均衡处理的意义,2.对声源的音色结构加工处理通过均衡器对声源的音色加以修饰。3.满足人们生理和心理上的听音要求通过均衡器有意识地提升或衰减某些频率的信号，取得满意聆听效果。4.改善音响系统的频率响应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。基本原理: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，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。,4.1.2多频段图示均衡器的基本原理,什么是图示均衡器？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，称为图示均衡器。,图示均衡器种类：单通道15段单通道31段双通道15段双通道31段图示均衡器分为LC型模拟电感型,双通道：两个通道的频率特性独立调整，互不影响,1.LC型多频段均衡器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。如下图所示：,运算放大器,结构：运算放大器LC串联谐振回路(选频电路)原理：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，使谐振频率信号有一定的调节范围。,LC型多频段均衡器原理图,选频电路,设计LC元件时的参数计算：由所调节的中心频率决定的。步骤如下：确定中心频率设定电容C值再计算电感L值,f0为中心频率(Hz),电容值可按下列经验数据选取：中心频率电容值2F40100Hz20.47F100500Hz0.470.1F5005kHz0.10.01F515kHz0.010.002F15kHz0.002F,2.模拟电感型多频段图示均衡器使用由晶体管或集成运算放大器组成的模拟电感来代替电感线圈。,模拟电感组成的谐振回路，具体分析如下：,图64运放构成的模拟电感,原理：由集成运算放大器组成的模拟电感来代替电感线圈。,“模拟电感”：把电容C2“转换”成一个电感。电感量：L0=R1R2C2改变R1,R2和C2的数值即可得到不同的电感量。,组成一个串联谐振回路（即选频网络），其谐振频率为:,图65晶体管构成的模拟电感,3.高、低通滤波器在均衡器设备，通常都设有高通或低通滤波器。常用二阶有源或高阶有源滤波器。,图48二阶有源滤波器(a)二阶高通有源滤波器；(b)二阶低通有源滤波器,4.均衡器的技术指标(1)频响。音频范围内各频率点处于平线位置(不提升也不衰减)时，均衡器的频率响应，此时的频响曲线越平坦越好。(2)频率中心点误差。各频率点实际中心频率与设定频率的相对偏移，通常用百分数表示，此值越小误差越小。,(3)输入阻抗输入阻抗是指均衡器输入端等效阻抗。为了满足与前级设备的跨接要求，均衡器输入阻抗很大，并且有平衡和不平衡两种输入方式。(4)最大输入电平最大输入电平是均衡器输入回路所能接受的最大信号电平(平衡/不平衡)。(5)输出阻抗输出阻抗是指均衡器输出端等效阻抗。为了满足与后级设备的跨接要求，均衡器输出阻抗很小，并且有平衡和不平衡两种输出方式。,(6)最大输出电平最大输出电平是均衡器输出端能够输出的最大信号电平(平衡/不平衡)。(7)总谐波失真均衡器电路的非线性会使传输的音频信号产生谐波失真，总谐波失真越小越好。(8)信噪比信噪比用于衡量均衡器的噪声性能，信噪比越大，说明均衡器噪声影响越小。,图610“DOD231”前面板结构图,频率点电平调节电位器,输入电平调节电位器,低频切除滤波器开关,均衡器切入/切出开关,输入信号电平显示,4.1.3均衡器在扩声系统中的应用校正频率失真，获得平坦响应改善室内声场抑制声反馈提高语言清晰度衰减噪声频带以改善系统信噪比,图411自然频率特性及均衡器调节曲线,“声场均衡器”或“房间均衡器”作用：对各频率点只作衰减处理，不提升改善环境声场，使其频响曲线趋于平坦。,声音的频响特性：150500Hz频段：影响语音的清晰度24kHz频段：影响人声的明亮度（敏感频段）低频段衰减：丰满度下降高频8kHz衰减：影响音色的明亮度125Hz以下和8kHz以上对音色的影响不大：人耳难以分辨，但对高层次的音乐有要求：125Hz以下不足：音质欠丰满8kHz以上缺乏：欠缺色彩与细腻的魅力,提高音质、改善音色,在扩声系统中串接入多频段均衡器，将音频分为几个主要部分进行调整。(1)2040Hz之间的低频声：使人感到很响给音乐以强有力的感觉但过多地提升会造成清晰度不佳,提高音质、改善音色,(2)40250Hz之间的频段：包含节奏声部的基础音；可以改善音乐的平衡，使其丰满；过高地提升此频段，会产生“隆隆”；强之则音色丰满弱之则音色单薄过强则产生隆隆声,提高音质、改善音色,(3)250Hz2kHz：包含大多数乐器的低次谐波，提升过高，会导致音乐像在电话中听到的那种音质，失掉或掩盖了富有特色的高频泛音。提升500Hz1kHz频段时，会使乐器的声音变成喇叭似的声音；提升12kHz频段时，则会出现像铁皮发出的声音。这段频率输出过量时，还会造成人的听觉疲劳。,提高音质、改善音色,(4)24kHz频段：提高：会掩蔽说话的重要识别音，导致声音口齿不清，并使唇音“m,b,v”难以辨别。尤其是3kHz处提升过高，会引起听觉疲劳。,提高音质、改善音色,(5)44kHz之间：具有临场感的频段，影响语言和乐器等声音的清晰度。提升，使人感觉声源与听者的距离显得稍近一些；衰减混合声中的5kHz分量会使声音的距离感变远；如果在5kHz左右提升4dB，则会使混合声的能量好像增加了3dB。,提高音质、改善音色,(6)414kHz频段：声音的明亮度、宏亮度和清晰度提升过量，会使语言产生齿音、s音，使声音产生“毛刺”。(7)提升14kHz以上频段：容易出现声反馈而产生啸叫。,提高音质、改善音色,(1)选择各频率点要有针对性和目的性；(2)高低音频率的调节要有限度；(3)两个相邻频率点之间的提升和衰减不要出现大幅度的峰谷交错，一般不超过3dB为宜；(4)各扩声通道不要按同一频响特性均衡，否则很容易引起其频谱的不平衡，也无法表现不同声源的特点；(5)要注意恰当使用低切滤波器。,使用均衡器注意以下几点：,4.2压缩/限幅器,压缩限幅器简称压限器4.2.1压限器的功能抑制信号幅度，保护扩声系统产生特殊的音响效果使音量变化平稳,4.2压缩/限幅器,原因：节目源信号的动态范围很宽（130dB）,而音频系统设备的动态范围很小（不大于80dB）,为防止信号失真，需对音频信号进行压缩或限幅。,4.2.2压缩/限幅器的基本原理压缩器实际上是一个自动音量控制器，由带有自动增益控制(AGC)的放大电路组成的。,当压限器的压缩比超过10：1，就可看作限幅器。,限幅器特点：大多数限幅器都有101或201的比率，有的比率甚至可高达1001。大都用在录音系统，以避免信号的瞬间峰值达到的满振幅,4.3电子分频器,4.3.1电子分频器的功能将中高音频和低音频进行分离放大和传输，用不同的功率放大器分别带动纯低音和中高音扬声器系统，增强声音的清晰度、分离度和层次感，增加音色表现力。,4.3.2电子分频器的基本原理1、种类：二分频、三分频和四分频电子分频器。2、结构：由高阶低通、高通或带通及晶体管或集成运放构成的有源滤波器组成。,图419电子分频原理电路,1.二分频电子分频器结构：由一个高通和一个低通滤波器组成的。原理：它将音频信号分为低音和高音两个频段，设有一个低频和高频交叉的频率点，称为分频点，也就是二分频的分频器只有一个分频点，其频响特性如图：,与周边设备连线方法：主要用于二分频音箱或中高音音箱和纯低音音箱的组合，其连接方法如图所示：,二分频电子分频器与音箱的连接,2.三分频电子分频器结构：由一个高通、一个带通和一个低通滤波器组成的。原理：将信号分为低音、中音和高音三个频段，设有低/中和中/高两个分频点，其频响特性如图所示。,三分频频响特性,与周边设备连线方法：主要用于三分频音箱或中高音二分频音箱和纯低音音箱的组合，其连接方法分别如图所示：,三分频电子分频器与音箱的连接,3.四分频电子分频器结构：由一个高通滤波器，两个不同中心频率的带通滤波器和一个低通滤波器组成的。原理：将信号分为低音、低中音、高中音和高音四个频段，设有低/低中，低中/高中和高中/高三个分频点，其频响特性如图所示：,四分频频响特性,四分频电子分频器与音箱的连接,与周边设备连线方法：用于三分频音箱和纯低音音箱的组合或四分频音箱连接方法如图所示:,4.3.3电子分频器的选型小型歌舞厅，KTV：为了降低投资成本，选用二分频电子分频器。音乐厅、剧院和大型高档歌舞厅：主扩声通道采用二分频或三分频音箱再配以纯低音音箱；需选用三分频或四分频电子分频器；DISCO舞厅：要增加震撼力和节奏感，通常要使用较多的纯低音音箱，除主扩声通道外，辅助扩声通道也要增加纯低音音箱，这样就应选用不止一台的电子分频器。,4.4效果处理器,4.4.1概述专门用来对信号进行各种效果处理的设备，例如延时器、混响器等，在专业上通常将这类设备称为效果处理器。,对于特定的音乐节目，混响时间最佳值。此值在1.82.2s之间。室内声音包括三种：未经延时的直达声短时延时的前期反射声延时较长的混响声混响时间的长短直接影响听音效果：混响时间太短，声音发“干”不动听；混响时间太长，声音混浊不清，破坏了音乐的层次感和清晰度。,设备简介：1.延时器：是一种人为地将音响系统中传输的音频信号延迟一定的时间后再送入声场的设备，是一种人工延时装置，还可产生回声等效果。电子延时器：两种：BBD延时器：结构简单，价格低廉，主要用于卡拉OK机等业余设备；数字延时器：专业上用。,2.混响器：在音响系统中用来对信号实施混响处理，以模拟声场中的混响声效果，给发“干”的声音加“湿”，或者人为地增加混响时间，以弥补声场混响时间的不足。混响器有两类：机械混响器：功能比较单一，音质也不很理想，且存在因固有振动频率而引起的“染色失真”现象。电子混响器：具有动态范围宽、频响特性好、音质优良等优点，主要用于专业音响系统。,4.4.2数字延时器数字延时不仅是数字混响器的核心部件，在专业音响中还有专门对信号进行延时处理的数字延时器设备。1.数字延时器,工作过程：低通滤波器：限制信号中的高频分量模数(A/D)转换：得到数字信号通过多个相互串联的移位寄存器：使每个数字信号在采样时间间隔内移到下一级，直到经过所希望的延时时间从寄存器中取出信号经数模(D/A)转换低通滤波器，还原为模拟信号送出。,2.延时器的应用大型音乐厅，影剧院和高档次大型歌舞厅等，扩声通道多个，使用较多音箱，其位置是前后左右错落有序的，如图：,扩声通道的延时处理,不加延时器：音箱-听众席声音在时间上会出现先后差异，造成回声干扰由于人耳对声音有先入为主的特点，感到声音来自距离自己近的音箱，从而造成听觉与视觉上的不一致！调整延时时间：对各扩声通道信号分别进行适当延时，使各音箱发出的声音几乎同时到达听众席！,乐队演出的延时处理,原理：1.利用话筒拾音时，调音台的声像定位功能可使左右排位的乐器产生左右立体方位感；2.但是前后排位的乐器从音箱中送出的声音没有前后层次，失去了前后立体方位感。3.采用延时器，对后排的木管、铜管的拾音话筒适当加以延时，将这些声音推向深远处4.整个乐队具有左右立体方位感，而且有前后立体方位感，也就是有了所谓全方位立体感，从而得到理想的聆听效果。,4.4.4多效果处理器的应用主要作用是模拟各种闭室的混响声效果。,4.5听觉激励器,听觉激励器(简称激励器)是近年来出现的音频信号处理设备。它依据“心理声学”理论，在音频信号中加入特定的谐波(泛音)成分，增加重放声音的透明度和细腻感等，从而获得更动听的效果。,4.5.1基本原理设计思想：在原来的音频信号的中频区域加入适当的谐波成分，以改善声音的泛音结构。,听觉激励器由两部分组成：一部分使信号不经处理直接送入输出放大电路得到直接信号；一部分设有专门的“激励”电路，产生丰富可调的谐波(泛音)，在输出放大电路中与直接信号混合。,听觉激励器电路结构,4.5.3激励器在扩声系统中的应用提高声音的表现力增加立体感改善高频特性改善声音的音色结构,(1)在剧院、会场、广场、Disco舞厅和歌厅等场合使用激励器可以提高声音的穿透力。虽然拥挤的人群有很强的吸音效果并产生很大的噪音，但激励器能帮助声音渗透到所有空间，并使歌声和讲话清晰。(2)现场效应：在现场扩声时使用听觉激励器，能使音响效果较均匀地分布到室内每一个角落。由于它可以扩大声响而不增加电平，适用于监听系统，可以听清楚自己的声音信号而不必担心回授问题。,(3)有