数字音视频原理—1.1.ppt

1、数字音视频原理,2020/8/22,数字音视频原理,1,数字音视频基础,本课程包括两部分内容： 第一章音频基础 论述声学基础知识，涉及到声波的度量、声波传播的 基础现象及人耳听觉特性等内容。 第二章视频基础 论述人眼视觉特性、电视图像基本原理、模拟彩色电视 系统及图像数字化等内容。,2020/8/22,数字音视频原理,2,数字音视频原理,2020/8/22,数字音视频原理,3,音频基础,引言,作为扩声工程设计、调整以至操作人员，需要练就出 一副敏锐的“耳朵” 能对声音的强度，频带宽度以及失真迅速地做出正确的 判断，才能正确运用环境及设备，保证高质量的扩声效果。 正如厨师必须具有对味道的特殊敏感

2、才能烹制出上乘的 菜肴一样。,内容安排,1.1 声学基础 1.2听觉和听觉特性 1.3 电声系统简介 1.4 声音质量评价 1.5 声频信号的数字化,1.1 声学基础,概念 声波：其本质是机械振动（弹拨乐器弦发生的振动）或 气流扰动（例如双簧管的簧片用嘴吹动）引起周围 弹性媒质发生波动的现象。 声源：产生声波的物体（例如人的声带、乐器等）。 声场：声波所及的空间范围。 声音可以在固、液、气中传输，本节研究声音在空气媒介 中传输的特性。,声波的传播速度 声波在媒质中每秒钟传播的路程称为波的传播速度。 简称声速。常用C符号表示。 单位：米/秒（M/S） 声波在媒质中的传播速度与媒质的密度、弹性及温

3、度 有关。当媒质为空气，此时声速C与温度T的关系为： 温度0，空气中的声速即C0 ，等于331.4M/S。 室温15，空气中的声速等于340M/S。,1.1.1 声波的基本量,横波和纵波,声源产生的声波只有通过媒质中质点间的相互作用，才 能够由近及远地使波在媒质中向外传播，但质点并不随波前 进，而是在各自的位置附近振动。 质点的振动方向和波的传播方向不一定相同。 横波：质点的振动方向和波的传播方向相互垂直。 纵波：质点的振动方向和波的传播方向相互平行。 例子： 小提琴 由于小提琴摆位不同，可产生纵波或横波。因此在空气中传播的声波 将会是纵波，横波或是这两种波的综合。,波振面,声波从波源出发，在

4、媒质中向各方向传播，为了形象的 描述，借用了声波射线表示。 声波在某一时刻 t 振动，经过 tt时刻，传到波源周围 的一些点，这些点联成一个面，用此面观察波是如何传播的， 称此面为波振面。,波长决定,例子：扬声器 声源附近球面波 某距离后平面波,平面波 球面波,周期、频率及波长,周期：声源完成一次振动，空气中的气压形成一次疏密 变化所经历的时间称为一个周期。单位秒（S）。 频率f ：f= 1/T 表示一秒钟中声源振动的次数或空气中 气压疏密变化的次数。单位赫兹（Hz）。 声频：2020000 Hz 波长：声波振动一个周期，所传播的路程称为声波的 波长。单位米（m）。 C= f或=C/ f 相（

5、相位）：用来描述简谐振动（正弦振动或余弦振动） 在某一个瞬间的状态。,5.声压、声强及声功率,声波在空气媒质中以空气中分子振动形成疏密而传播。 它造成空气中的气压发生大小变化。 相当于在无声波下空气中的气压上，叠加一个变化的 压强，称叠加的压强为声压，记作P。 单位有帕斯卡（Pa）和微帕（bar）。 两者之间的数量关系为1Pa=l0bar,式中Pm表示瞬时声压最大值（或振幅），也可用Pm/ 有效值表示。,平面余弦波,声压振幅Pm为 式中： 是媒质密度，C是声速， 是声源角频率， A是声振动的幅度。 平面波，声压振幅Pm与距离无关。 球面波，声压振幅与距离声源的远近成反比。 可闻阈：引起人耳听到

6、声音时的声压 。 中声频1000Hz时，可闻阈为0.0002微帕。 痛阈： 称200微帕的声压为痛阈。 超过此值，会使人的耳膜感到疼痛 。,声强：声波的能流密度，声场中某点的声强为单位时间 内通过垂直于声波传播方向的单位面积内的声波 能量，单位为瓦/平方米（WM2 ）。 对于平面波，声强的计算公式为：,声强与声压的平方成正比，频率越高就愈容易获得较大的声压和声强。 在1000Hz频率，一般正常人听觉的最高声强是1WM-2， 最低声强是 10-12 WM-2。 通常把最低声强作为测定声强的 标准，用 I0 表示。,对于球面波，声强的计算公式为：,对于球面波，声强的计算公式为：,声功率表示声源的功

7、率 。 声功率表示能量关系，声压表示压力关系。 声功率存在范围：轻声时声功率仅有0.001微瓦，一般人讲话有 几十微瓦。 声压，声强及声功率三个客观物理量从不同侧面来表征 声波在传播过程中声波的强弱。实际分析空间中某点声波的 状态，常用声压或声强。 原因：人通过耳膜受声波的压迫把信息传到听觉神经，引起声音存在。,对于球面波，声强的计算公式为：,6.级与分贝（dB）,在无线电技术中常引用分贝（dB）来表征电压、电流、 功率或放大器的放大能力。 分贝是两个相同物理量的比值再取以10为底的对数的值。 分为Lv电压（dB）、 LI电流（dB）和 Lw功率（dB）。 Lv（dB） = 20 1g U2

8、/ U1 LI（dB） = 20 1g I2 / I1 Lw（dB） = 10 1g P2 / P1 在声学中引用分贝（dB）的原因： 人的听觉神经的刺激程度不与刺激量大小成正比， 而是按刺激量以10为底的对数来增减。,级：在声学中，一个物理量的级，是这个量与同类基准量 比的对数。 若对数为自然对数，底为e，单位为奈贝（NP）； 若对数的底为10，其单位是分贝（dB）。,主要声学物理量的级的基准量,声压强度及功率的基准值的选取： 主要是使常用声学量的级不致太大，也不致太小，大 约在几十或一百几十分贝范围内。 由于基准量的选用不同，因此需加注基准量，写成 LP=80 dB （0dB = 2 x1

9、0-4bar） L =80 dB （0dB=20bar） 依据声压基准量为210-4bar ，前面讲到人的可闻 阈和痛阈分别是 0.0002bar 和 200bar，此时声压级 为0120 dB。（ P0=210-4bar ）,有些物理量不太适用以上基准值或根据习惯用其它基准量。 例子：1. 扬声器 扬声器灵敏度的基准值常取每伏安（有时用1W表示）在轴向上1米 （体积大的扬声器的系统有时用10米）所产生的声压级。 2. 语言或音乐信号 在600欧姆电阻上供给1毫瓦的1000 Hz正弦波产生的电压有效值 做基准，这个电压值等于0.775伏（这个单位有时写作dBm）。它折算 为电压有效值可通过下式

10、实现： 6 dB=20 lg U/0.775 U=20.775=1.55伏 根据上式，可得出-6dBm相应的电压值为0.3875伏或387.5毫伏。,所列出的比值U2/U1与电压分贝值用于电压或声学中声压级的换算,比值P2/Pl与功率分贝值换算表 （功率分贝10logP2/P1),采用分贝（dB）的优点,1）能把很大或很小的数值简化。 如人耳的可闻阈为0.0002微帕（或2 x10-4微帕）。 采用声压级后可写为0dB。两个相同的物理量比值为10000 可写成80dB。无论书写或读出都可简化。 2）在计算上将乘除化为简单的加减法。 例如两个放大器的电压放大倍数分别为150和210，总 的放大倍

11、数可以用电压增益（dB）进行加法运算，即： 电压增益（dB） = 201g150 + 201g210 = 43.5 + 46.4 = 89.9,分贝（dB）的两种含义,表示两个相同物理量的相对关系。此时分贝（dB）均不带 下标，不规定基准量。 如电压增益40dB。它表示两个电压的倍数为100。 表示某物理量与基准量的相对关系。此时可计算出该物理 量的绝对数值。要规定基准量，分贝（dB）标有下标。,常用分贝(dB)下标符号,在声频设备技术参数中常看到动态范围这个技术名词。 动态范围是指最大声压级与最小声压级之间的差值。 每个声源的动态范围根据各自的特性有所不同。 如：人声语言动态范围：5060d

12、B,在声频及声频设备中，常用dB（与0dBm相同）表示声频电压的基准。即0dB=0.775伏。 如声频设备的输入电平为-24dB 。 （0dB = 0.775伏）,动态范围,乐器（下面数值仅针对西乐而言） 木管乐（长笛，双簧管等） 30dB 弦乐（提琴类） 50dB 铜管乐 60dB 打击乐 60dB 乐队： 一般乐队 4060dB 大型乐队（交响乐） 100dB,关于动态范围的例子,常见声源声压级,某些扩声所需设备的动态范围,7.声阻抗,媒质在一定表面上的声阻抗是该表面上的平均有效声压 p对通过该表面上的有效体积速度U的比值，即,声阻抗的实数部分为声阻，虚数部分为声抗。而声阻抗 也可以用力阻

13、抗表示，等于力阻抗除以有关面积的平方。 声阻抗率：媒质中某一点的有效声压对该点有效质点速度 的比值。,特性阻抗：在一自由平面声波中，某点的有效声压 p 对 该点的有效质点速度 v 的比值称为特性阻抗， 它等于媒质密度0和媒质中声速c的乘积：,在温度为20和标准大气压时，空气的特性阻抗大约 为400Pa s/m。,8.声谱,声音的频谱（简称声谱）是把各分量的幅值按照频率 排列的图形。 根据声音的不同特性，声谱可能是线状谱、连续谱或 两者的混合。 线状谱是频率离散分量所组成的频谱，也称离散谱； 连续谱是由频率在一定范围内连续变化的分量所组成 的频谱。,图（a）： 正弦信号的频谱，它在频谱图上是频率

14、f处幅值为A的直线； 图（b）： 直流分量为零的复杂周期波和它的频谱，是一种线谱。 图（c）： 矩形波的波形和频谱。 图（d）： 典型的随机信号的波形和频谱。,声信号及其频谱图,1.1.2 声波的传输,主要内容 声波的叠加及波的干涉 声波的反射和折射及吸收 声波的绕射及散射 声波的指向性和覆盖面积 平面声波和球面声波的传播 声波的室内、室外传播,1.声波的叠加及波的干涉,几个声源产生的声波，同时在空气媒质中传播。这几个 声波在空间某点相遇，则相遇处空气中的分子振动将是每个 波所引起的分振动的合成，而每一个声波仍将独立地保持本 身原有的特性。 声波的叠加：声波传播过程中出现的各分振动独立地参与

15、叠加的现象称为声波的叠加。 例子： 当管弦乐队合奏或几个人同时讲话时，人耳能够辨别出 各种乐器或每个人的声音 。,（a）同频率，不同幅值的两个波的叠加。 （b）频率比为2：1：4的三个不同幅值的声波叠加。 （c）频率比2：1的两个等幅波的叠加。 （d）频率比为2：1的两个等幅叠加，但与（c）有不同相位。 （e）一个高频波和一个低频波的叠加。 （f）频率相近的两个等幅声波的叠加。,两个（或两个以上）振动方向相同的同方向传播声波的叠加,从上图看出二个或三个声波的叠加均为同相位。在声波传播过程中几个声波来自不同位置的声源，于是几个声波的相位会发生差异，叠加的情况可见下图。,两个频率相同，振动方向相同

16、，相位相同或相位差恒定 的声波在空间中的叠加： 对于空间内不同点，两个声波的相位差会逐点不同，这 使得在空间某些点，叠加结果会使声波合成幅值始终加强， 而在另一些点处，声波合成幅值始终减弱或完全抵消，形成 死点。称这种现象为声波的干涉现象。 产生干涉现象的声波称为相干波。 相应的声源为相干波源。 例子： 在厅堂内，管弦乐队合奏时，会发现厅堂中各处的声音 并不是一样响，这就是声波干涉现象造成的结果。,扬声器的使用： 在功率放大器输出串接或并接两只扬声器时，通常要判断 两个扬声器的极性。 在扩声设备中所使用的扬声器，尤其是在中低频率的范围 内，绝大多数采用纸盆式扬声器。 扬声器必须安装在障板上使用

17、。,驻波：两个幅值相同的相干波，在同一直线上，沿相反方向 传播叠加时的情形。,2声波的反射和折射及吸收,当声波从一种媒质传到另一种媒质时，在两种媒质的分 界面上，声波传播方向发生变化，产生声波的反射和折射。,例如厅堂内声源发出的声波向周围传播，碰到尺寸比声 波波长大得多的障碍物时，如：墙面、天花板等障碍物。,声波反射后的状态与障碍物的形状有关。 障碍物为平面，声波经平面反射，反射波仍保持声波原有 的状态。 当障碍物为凹面或凸面时会产生不同的状态，见下图。,图（a）：凹面使反射波聚于某一区域，出现聚焦点，形成声源的虚拟点。 常发生于屋顶为半圆型的厅堂。当扩声时应避免扬声器发出的声波指向圆屋顶，否

18、则会造成厅堂内声压极不均匀。 图（b）：对于凸面，反射波会有明显的散射，它将有助于厅堂内声压的均匀性。,关于反射,关于折射,折射到障碍物内部的声波有一部分被障碍物的媒质所 耗损，这部分声波的耗损称为声波的吸收。 所剩下来的声波将会穿过障碍物传播，此部分声波用 障碍物的隔声大小表示。 它们之间的关系为： E=Er+Eo+Ea 式中： E：入射到障碍物声波总能量； Er：反射波声能； Eo：透过障碍物声能； Ea：障碍物媒质吸收的声能。,声反射系数：r= Er/E 声透射系数: =E0/E 声吸收系数：a= Ea/E,吸收系数a表示障碍物媒质的吸声量。其大小取决于： 1.障碍物的媒质材料类型与厚度

19、； 2.障碍物表面光滑程度或有无孔状; 3.不同的声波频率吸收量有所差异。 媒质厚度增加，低频吸声大而对高频影响不大。,a=0表示入射的能量全部反射。 a=1表示入射的能量全部被障碍物媒质吸收。,三者的关系为：,常用媒质材料（国产）的吸声系数,常用媒质材料（国产）的吸声系数,合理地选用吸声材料（即吸声系数的选择）及不同吸声材料的搭配作为墙面的附着物，可以改善厅堂或房间内声波传播，满足扩声需求。,3.声波的绕射及散射,声波的绕射（声衍射）：声波在传播路程中遇到障碍物， 能够绕过障碍物的边缘前进的现象。 发生声绕射取决于声波波长与障碍物尺寸的比值。 大于10倍以上则绕射明显。若波长大于障碍物尺寸，

20、但在10倍以下， 会在障碍处产生声散射。障碍物化为两个声源向四周辐射。 散射与衍射的分界线10倍比值并不是一个严格的分界线。 根据上述理论分析：多频率组成的复合声波 例子：1.厅堂：即使听众席位设在一个水平面上，后排的听众也会听到 低频声波的音声，而高频声波却不然。 2.人耳：当声源处于人的背后，对低频感觉要灵敏于高频成分。,研究反射、绕射及散射的意义,2. 可以把厅堂内的墙面或天花板处理为不同形状。 如设计成平面或凸起的结合。 3. 可以在墙上铺设不同吸声系数的材料。,有实用价值。可在室内室外获得均匀的声压级，这是 扩音系统所要达到的基本条件。,4.声波的指向性和覆盖面积,高频声音的指向性很强，覆盖 角度窄小、射程远、穿透力强； 中频声音有一定指向性，覆盖 面积比较容易控制； 低频声音的指向性 不明显，向四面辐射、 声功能损失大、传播 距离近。,不同频率声波的指向性和覆盖面积也有不同，一般说来：,5.平面声波和球面声波的传播,平面声波：声压与质点速度的比值，即空气的特性阻抗是常数。 球面声波：媒质的声阻抗率是复数，当球面声波的半径很大时，纯抗分量可以忽略。,6.声波的室内、室外传播,室内声场 可以看作自由空间的直达声和由许多反射声形成的混 响声的叠加。 由于直达声和混响声不相干，它们