动态范围与动态阈的

1、Bvoadcastpvoduction2006.10.发表动态范I三围与动态阈的测量提要本文详细的分析了.各种声音（节目）信号 （乐器和人声）的动态范围定 义.计量方法及其特征,重点强调与简谐信号计量值的区别;而动态阈 是指电声系统和设备的最高允许准峰值电平与它们的噪声准峰值电 平之差。动态阈是对电声系统和设备的技术指标的要求显然动态范 围与动态阈是两个完全不同的概念而动态阈与信号噪声比也是不 同的，因此在动态范围与动态阈这两个向题上是不能混淆的 动态范围，动态阈,信号噪声比.声音（节目）信号的动态范围是指声音（节目）信号的最强声与声音（节目） 信号的最弱声的强度之差。一般用分贝表示。声音（节

2、目）信号的强度可以用好几种计量值表示，而且声音（节目）信号 的几种基本计量值之间的关系又不是固定不变的，所以使用不同的计量值来表示 声音信号的动态范围时，数值上就会有所不同，甚至于产生很大的差异。在广播、 电视和电声工程中更多的是使用声音（节目）的有效值和准平均值来表示声音（节 目）的动态范围，近年来，为了更准确地反映声音（节目）信号在广播、电视和 电声系统中的流程状态，使用声音（节目）信号的准峰值来计量声音（节目）信 号的动态范围占了绝大多数。声音信号强度的几种计量值在声音信号强度测量准中，为了能充分反映出声音信号的波形特点，前后出 现了五种计量值来表示声音信号地声压和电压的强弱，在将声压折

3、算成声压级以 及将电压折算成电平时，也会涉及这五种计量值。其中有三种是基本的计量值， 两个是导出的计量值。峰值：它是声音信号在一个完整周期内（周期信号）或一定长时间内（非 周期信号）的最大瞬间绝对值。声音信号电压的峰值表示为：Up = |u（t）Rx （- 七 +式中：UP 声音信号电压在-g 至+#时间内的峰值，脚注p为Peak 乙乙的缩写；U（t）声音信号电压的瞬时值；T计量周期。有效值（或称均方根值）有效值：它是指声音信号瞬时值平方平均值的平方根值，它等同于相同功率 的直流信号强度来代表数值。所以声音信号电压的有效值定义为：Urms =；J-羊 U（t） dt式中：Urns 声音信号电压

4、在-土至+i时间内的有效值，脚注rms 为root mean square的缩写；U（t） 声音信号电压的有效值；T 计量周 期。整流平均值（简称平均值）整流平均值：它是指声音信号瞬时绝对值的平均值，也就是将声音信号进行 全波整流（取绝对值）后的直流分量数值（取平均值）。声音信号的整流平均值电压的定义式如下：n u（t）dtUavg = 2t式中：U avg 声音信号电压在-土至+1的时间间隔内的整流平均值， 脚注avg为average的缩写；U（t） 声音信号电压的瞬时值；T 计量时 间区间。从上述的定义可以看出，声音信号的峰值、有效值和整流平均值都是用一个 直流信号与之相比较而得来的有关数

5、值。这三个基本计量值在广播、电视、音响系统的测量中得到广泛的应用。准峰值和准平均值是用声音信号的有关数值与简谐信号的有效值相比而导出 的计量值。准峰值:它是用与声音信号相同峰值的稳态简谐信号的有效值表示的数值。准峰值定义式为：Uq_pUp =0.707 Up式中：Uq-P声音信号电压的准峰值；脚注q-p为quasipeak的缩写。准平均值：它是用与声音信号相同平均值的稳态简谐信号的有效值表示的数值。准平均值定义式为：Uqa =“2： Uavg= 1.11 Uavg式中：Uqa声音信号电压的准平均值，脚注q-a为quasiaverage的缩写。综上所述，不难看出，简谐信号的五个计量值有其特有的固

6、定比例关系。如 图所示：图1简谐信号的五个计量值之间的固定比例关系但是，对声音（节目）信号来说是千变万化的，它们的五个计量值之间的比 例关系不再像简谐信号那样有固定的比例关系，而是因声音（节目）信号的频谱 成分或波形的不同而不同。如图2所示图2相同有效值的声音信号与简谐信号峰值的不同为相同有效值的声音（节目）信号与简谐信号峰值的不同，即一个简谐信号 的有效值和一个声音（节目）信号的有效值是相同的，从图2中不难看出，声音 （节目）信号的峰值与简谐信号的有效值却完全不同，声音（节目）信号（实线） 与简谐信号（虚线）的有效值是相同的，而它们的峰值却是完全不同的，此时， 声音（节目）信号的峰值与有效值

7、之间不再按简谐信号的Urms = Up/J； 的比 例关系了。当然，声音（节目）信号的峰值与其整流平均值之间也不再按简谐信 号的Uavg=2Up/兀 的固定比例关系了。经过大量的测量统计发现，有些声音（节目）信号声压（或对应的电压）波 形有特别高的峰尖，它们的峰值对其有效值之比，称峰值因数，有的可能高达 16-18分贝，而大多数常见的声音（节目）信号的峰值因数，一般在0 15分 贝，绝大多数在13分贝以下。从以上综述，不难得出：五个计量值之间的固定比例关系只适用于简谐信号； 而对于非正弦波形的实际声音（节目）信号就不再适用了。这一点对从事广播、 电视和电声行业的工作者应当特别加以区别，不可混为

8、一谈。自然界中声音的动态范围是很大的，用有效值声压级或电平表示时，自然界 声音信号的动态范围可高达80-100分贝，而交响乐、戏曲等声音信号的动态范 围可达60 80分贝，一般语言声音信号的动态范围也可达20 40分贝。如果采用准峰值计量声音信号的动态范围时，有些交响乐的动态范围可高达 100分贝以上或更高些。经测试得知，交响乐动态范围的上限准峰值声压级可高 达130分贝或更高些；而下限准峰值约30分贝，所以用准峰值来表示交响乐的 动态范围时，有可能高达100分贝以上。综上所述，在广播、电视、电影和音响系统中声音信号的动态范围经常被用 在说明声音信号（节目信号）的上限准峰值声压级（或准峰值电平

9、）与下限准峰 值声压级（或准峰值电平）之差。只有准确的了解各种声音信号（节目信号）的 动态范围，才能够进行高质量的录音与放音。从而保证广播、电视、电影的声音 信号进行高质量的传送、播出。见表1为单件乐器的最大峰值、有效值声压级以及峰值因数，表2为合奏乐 器的最大峰值、有效值声压级以及峰值因数，表3为人声的最大峰值、有效值声 压级以及峰值因数，表4为合唱的最大峰值、有效值声压级以及峰值因数。表1单件乐器的最大峰值和有效值声压级及峰值因数声源最大峰值 声压级/dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB声源最大峰值 声压级/dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB长号127.5114.013.5低音提琴1

10、07.5104.03.5圆号116.5107.09.5于风琴115.3110.54.8小号127.5114.513.0钢琴119.4111.08.4大号120.5111.59.0钢片琴115.5106.59.0单簧管105.5104.01.5木琴118.2106.512.2双簧管106.0103.03.0电子琴126.5117.29.3大管103.199.04.1竖琴106.598.53.0小提琴107.0103.04.0长笛105.0101.04.0中提琴110.0101.58.5短笛113.0108.54.5大提琴107.5104.03.5三角铁107.596.810.7注：测量时距声源距

11、离0.5米表2合奏乐器的最大峰值和有效值声压级及峰值因数声源最大峰值 声压级 /dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB声源最大峰值 声压级/dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB定音鼓1135.0123.012.0铃鼓116.5104.012.5定音鼓2136.3124.511.8短号112.0103.09.0定音鼓3140.5128.811.7短号（四把）121.0109.012.0定音鼓4140.0129.510.5次中音号115.5102.013.5大军鼓137.1129.08.6次中音号（四把）128.5111.517.0小军鼓132.5118.014.4口笛119.5114.05.5

12、大军镲135.7124.011.7曲笛107.5104.03.5大锣130.5119.411.1梆笛115.5110.55.0排鼓129.1118.610.5萨克斯110.5101.09.5手鼓127.5119.87.7萨克斯（四把）112.5104.08.5注：测量时声源在指挥后2米（高2米）表3人声的最大峰值和有效值声压级及峰值因数声源最大峰值 声压级/dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB声源最大峰值 声压级/dB有效值声压级/dB峰值因数 /dB女高音1122.8115.27.6女朗诵2121.5110.511.0女高音2112.5105.07.5女朗诵3126.7116.010.7花

13、腔女高 音125.0121.01.0男朗诵1126.5117.49.1女中音118.5115.03.5男朗诵2124.1114.010.1男高音1118.8108.010.8男朗诵3126.2115.410.8男高音2123.3115.08.3男朗诵4125.7115.89.9男中音127.1116.810.3男朗诵5122.5115.07.5男低音116.3106.010.3男朗诵6123.0113.010.0男四重唱117.3110.07.3男朗诵7121.5112.68.9女朗诵1126.3114.611.7注：测量时距声源距离0.3米表4合唱的最大峰值和有效值声压级及峰值因数声源最大峰

14、值声压级/dB有效值声压级/dB峰值因 数/dB声源最大峰值声压级/dB有效值声压级/dB峰值因 数/dB大合唱（80人）115.0103.012.0“低音”声部107.596.011.5“第一高音” 声部116.0104.012.0弦乐队（50人）103.595.08.5“第二高音” 声部122.0109.612.1管乐队（53人）118.5107.011.5“中音”声部114.0101.013.0管弦乐队（80 人）117.0110.07.0注：测量时距声源距离3米（高2米）对应于声音信号（节目信号）的动态范围，广播、电视、电影的电声系统和 设备就有一个动态阈的要求:优良的电声系统和设备应

15、保障声音信号（节目信号） 高峰时不产生过荷失真；低谷时的弱信号又不被它们产生的噪声所淹没。可见电 声系统和设备的动态阈上限受到它们非线性畸变的限制；下限又由它们的噪声电 平所决定。动态阈是指电声系统和设备的最高允许准峰值电平与它们的噪声准峰值电平 之差。动态阈一般也用对数的形式一一分贝表示。若用准平均值表示的动态称作 “信号噪声比”。信号噪声比是指信号最高准平均值电平与噪声准平均值电平之差。这里的信 号最高准平均值电平是指信号最高准峰值电平减去一个“电平储备量”，这个电 平储备量是根据声音信号的峰值因数而定，一般取峰值因数为9-12分贝，这是 因为，电声系统和设备的非线性畸变常用简谐信号的谐波

16、失真系数来表示，若用 最高准平均值电平来表示动态的上限电平时，此时，最高准平均值电平将比最高 准峰值电平低一个准峰平比数值和声音信号（节目信号）动态范围一样，电声系统和设备的动态阈在用不同 的计量值表示时其数值也会是不同的，通常用准峰值电平表的电声系统和设备动 态称作“动态阈”，而把用准平均值电平表示的动态称作“信号噪声比”。动态阈下限的噪声，它的准峰值电平约比其准平均值电平高6dB左右，（这是 因为电声系统和设备产生的噪声，通常是“高斯噪声”，它的准峰值电平比准平 均值电平高6dB）于是可知，电声系统和设备的“动态阈”与“信号噪声比”是 不同的，不可混淆，在查验电声指标时应注意加以区别。通常声音信号（节目信号）的动态范围从上述表中可以查到，这时就能较为 容易的确定电声系统和设备应有的动态阈。高质量的电声系统和设备最好有不小 于100分贝左右的动态阈。但是由于录制时，声音信号的动态范围常被录音师们 艺术性的压缩，这时电声系统和设备的动态阈要求就可以降低。换言之，用动态 阈较小的电声系统和设备，经艺术性压缩，把动态范围较大的声音信号，较好的 记录下来。在一个完整电声系统中，各环节（设备）之间也有一个动态阈上、下 限的绝对数值相衔接的过程，如果前后不能合理的衔接，尽管各环节的动态阈很 大，但整个电声系统的动态阈也不一定是很大的，这就要求把各环节的上、下限 电平合理的