音频电平与响度的前世今生

音频电平与响度的前世今生声音概述第2页,共45页，2024年2月25日，星期天声音概述从物理学的观点来说，声音是一种机械波，是机械振动在弹性媒质中的传播。人讲话发出的语言信号

从肺中呼出一股气流，经过声带进行调制成为振荡的气流，再经过咽腔、口腔、鼻腔等的共鸣作用，从口和鼻向周围空气传播复杂的振动信号。扬声器发出的声音

当扬声器被接通电信号后，音圈在磁场中产生与电信号相关的运动，然后推动振膜或纸锥产生振动，从而带动邻近的空气随之振动，并向周围传播。第3页,共45页，2024年2月25日，星期天声音概述人的可听声范围为：20HZ~20000HZ次声波：低于20HZ的振动超声波：高于20000HZ的振动第4页,共45页，2024年2月25日，星期天声音强弱声音强则声波振幅大，反之则振幅小第5页,共45页，2024年2月25日，星期天声音强弱声能：声音在运动中所表现出来的总量或者说是总体的能量通常

表

示为声能。声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的平均声

能，称为声强。声强用I表示，单位为瓦/平米。声强级：将声强进行对数运算，得出的与人耳听感相符的分贝值，

单位为dBSPL。（SPL为声强级SoundPressureLevel的英

文缩写）声压：有声波存在时，媒质中的压力与静压的差值。

单位是:帕（1Pa＝N/㎡)声压级：在某一点上，声波所表现出的有效压强。所代表的量被称

为声压级。第6页,共45页，2024年2月25日，星期天声音强弱听阈声压:刚能听到的声音的声压值为2×10-5Pa。痛阈声压:感到疼痛的声音的声压值为20Pa。第7页,共45页，2024年2月25日，星期天0分贝设定人体对人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10dB＝10logPa/P0该标度以「听觉阈」，即2x10-5Pa作为参考声压值P0，并定义此声压水平为0分贝(dB)。痛阀为：120dB第8页,共45页，2024年2月25日，星期天各种分贝的声音第9页,共45页，2024年2月25日，星期天各种分贝的声音第10页,共45页，2024年2月25日，星期天电声设备中声音的衡量第11页,共45页，2024年2月25日，星期天峰值、有效值、平均值峰值：它是指信号在一个完全周期内（周期信号）或一定长的时间内（非周期信号）的最大瞬时绝对值；有效值（或称方均根值）：它是信号瞬时值平方平均值的平方根值，也即它是用与声音信号相同功率的直流信号强度来代表的数值；平均值（也称整流平均值）：它指声音信号瞬时绝对值的平均值，也即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）。第12页,共45页，2024年2月25日，星期天峰值以信号电压为例，峰值定义为：Up=│u(t)│max(-T/2≤t≤+T/2)式中：Up——声音信号电压在-T/2到+T/2时间间隔内的峰值，

脚注P为PEAK的缩写；U(t)-——信号电压的瞬时值第13页,共45页，2024年2月25日，星期天有效值以信号电压为例，有效值定义为：Urms=[∫u2(t)dt/T]1/2式中:Urms——声音信号电压在-T/2到+T/2时间间隔内的有效值,脚注rms为rootmeansquare的缩写第14页,共45页，2024年2月25日，星期天平均值以电压为例定义如下：Uavg=∫∣u(t)∣dt/T式中：Uavg——声音信号电压在-T/2到+T/2时间间隔内的

整流平均值，脚注avg为average的缩写，其它同前。第15页,共45页，2024年2月25日，星期天准峰值、准平均值准峰值：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（用Uq-p表示）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（用Uq-a表示）第16页,共45页，2024年2月25日，星期天五种值的示意图从物理学的观点来说，声音是一种机械波，是机械振动在弹性媒质中的传播。人讲话发出的语言信号

从肺中呼出一股气流，经过声带进行调制成为振荡的气流，再经过咽腔、口腔、鼻腔等的共鸣作用，从口和鼻向周围空气传播复杂的振动信号。扬声器发出的声音

当扬声器被接通电信号后，音圈在磁场中产生与电信号相关的运动，然后推动振膜或纸锥产生振动，从而带动邻近的空气随之振动，并向周围传播。第17页,共45页，2024年2月25日，星期天五种值的示意图从物理学的观点来说，声音是一种机械波，是机械振动在弹性媒质中的传播。人讲话发出的语言信号

从肺中呼出一股气流，经过声带进行调制成为振荡的气流，再经过咽腔、口腔、鼻腔等的共鸣作用，从口和鼻向周围空气传播复杂的振动信号。扬声器发出的声音

当扬声器被接通电信号后，音圈在磁场中产生与电信号相关的运动，然后推动振膜或纸锥产生振动，从而带动邻近的空气随之振动，并向周围传播。第18页,共45页，2024年2月25日，星期天五种值的大小比例关系up/urms≈(1~5)

或20lgup/urms≈(0~+14)dBup/uavg≈(1~4.4)

或20lgup/uavg≈(0~+13)dBuq-p=1/1.414up≈0.707upuq-a=1.414/4πuavg≈1.11uavguq-p/urms≈（0.7~3.5）或20lguq-p/urms≈（-3~+11）dBuq-p/uq-a≈10.84~2.8

或20lguq-p/uq-a≈（-4~+9）dB第19页,共45页，2024年2月25日，星期天五种计量表峰值计量表：峰值检波器，按简谐信号的峰值确定刻度；准峰值计量表：峰值检波器，按简谐信号的有效值确定刻度，也即它的刻度值比信号的峰值低1.414倍（低3dB）；-如PPM表有效值计量表：平方律检波器，按简谐信号的有效值确定刻度；平均值计量表：平均值检波器，按简谐信号的平均值确定刻度；准平均值计量表：平均值检波器，按简谐信号的有效值确定刻度，也即它的刻度值比信号实际的平均值高1.414/4π倍（约高0.9dB，粗略计算高1dB）。-如VU表第20页,共45页，2024年2月25日，星期天计量单位功率电平LP（powerlevel）：

某一功率P与一基准功率Pr相比求常用对数乘以10表示的值为功率P的功率电平，即LP=10lgP/Pr（dB）

在电声工程领域内，基准功率Pr通常取为10-3W（1mW），这时功率电平的单位可记为dBm。第21页,共45页，2024年2月25日，星期天计量单位电压电平Lv（voltagelevel）：

某一电压U与一基准电压Ur相比求常用对数乘以20表示的值为电压U的电压电平，即Lv=20lgU/Ur（dB）由于基准电压Ur的取值不同，常用单位有下列三种：

dBm：在特定的600Ω阻抗条件下，由于1mW电功率在600Ω阻抗上

的电压可算得为0.775V，所以Ur等于0.775V为基准电压所

求得的电压电平值，单位为dBm。

dBu：

不考虑阻抗是否为600Ω，以Ur等于0.775V为基准电压时

所求得的电压电平值，单位为dBu。

dBv：

以Ur等于1V为基准电压时所求得的电压电平值，单位为

dBv。第22页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–VU表VU表（由英文VolumeUnit缩写而来，也叫音量单位表）VU表是一种准平均值计量表

基准参考电平值以0VU表示，标准VU表的0VU相当于信号的准平均值1.228伏，并以0VU对应100%的刻度，从0VU至满刻度有3dB的红色警示区域，在0VU之下至指针的起点的范围，有从-20VU~0VU（dB）的指示刻度。第23页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–VU表时间特性

VU表的时间特性规定为：当稳态时达0VU的1kHz简谐信号突然加入VU表时（信号源的等效内阻为600欧姆），指针达到刻度的99%处所需的时间应为300±30ms，指针的过冲不超过稳态值的1.5%，过冲的摆动不超过一次；当信号突然消失后，指针从100%降到1%所需的时间也是300±30ms。第24页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–VU表用途

VU表不能反映出声音信号的峰值变化，它基本上反映出声音信号的听感强度（所以叫音量单位表），所以在扩音、电台的广播中运用较多，但VU值有时也与听感强度有误差。第25页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–VU表VU表的缺点：跟不上信号的实际准平均值电平（dB值）的变化，不能将VU值与dB值相混淆。不能完全反映出声音信号的听感响度（需要更短的积分时间）不能反映了声音信号的幅摆峰尖情况（声音信号峰平比随其波形的不同而异）第26页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–PPM表PPM表是英文PeakProgramMeter缩写而来，也叫峰值节目表。PPM表实际上是准峰值电平表，因为它是采用峰值检波器而按简谐信号的有效值确定刻度的（也用电平值标示）标准PPM表0dB相当于1.55伏的声音信号准峰值，从0dB至满刻度有5dB的余量，以红色作为警示，从指示的起点至0dB一般有50dB的有效指示刻度，比VU表可指示更大的动态变化。第27页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–PPM表时间特性PPM表的时间特性规定为：其指示值的上升时间是1~10ms，非常短，可以准确地反映出突来的强信号包络变化；其下降时间为1.5s（信号下跌20dB所需的时间），相当长，以便于眼睛的观测。第28页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–PPM表用途

PPM表可以准确地反映出那些突来的强信号包络变化（上升快），而且又便于眼睛的观察（下降慢），能及时地反映出声音信号的过载失真情况。第29页,共45页，2024年2月25日，星期天典型计量表–PPM表PPM表缺点

不能直接反映出信号给人的听觉强弱感，因此PPM表的指示值不能表示信号的响度。第30页,共45页，2024年2月25日，星期天计量单位–DBFSdBFS(dBFullScale)是数字音频信号电平单位，简称满度相对电平满刻度电平0dBFS就是设备在正常设置下达到削波时所对应的模拟信号电平值第31页,共45页，2024年2月25日，星期天VU、PPM、DBFS的关系在广播模拟播出系统中，电平值选择为0VU=+4dBu，即当音量单位表（VU表）指示为0VU值时，所对应的电平值为+4dBu根据国家广电总局发布的《数字音频设备的满度电平》行业标准，满刻度电平0dBFS对应+24dBu，即峰值储备量选择为20dB第32页,共45页，2024年2月25日，星期天VU、PPM、DBFS的关系我台现在遵循的标准：-20dBFS=0VU=+4dBu第33页,共45页，2024年2月25日，星期天响度人耳对声音强弱的主观感受称为响度决定响度的因素主要是作用在人耳的声压或声强的大小，但两者并不成正比，并且同样的声压在不同频率时，感觉的响度也不同大量统计表明：声压级每增加10dB，响度增加1倍第34页,共45页，2024年2月25日，星期天响度影响人耳对响度感知的两个因素：

信号持续时间：

通常，人对于一个声信号响度级的识别以200ms为界，当信号的持续

时间低于200ms的时候，持续时间越短，信号的响度越低。

临界带宽频率控制：

相同声强的两个声音，频率越丰富的，人耳感觉到的响度越大。第35页,共45页，2024年2月25日，星期天响度标准缘起长期以来，人们对声音响度这一主观感知量的测量一直是以纯音为基础的基本定义，通过对不同声压级和不同频率的对比测量而得到；传统的响度单位(非国际单位)“Sone”和“Phon”就是根据人对稳态1kHz纯音声压级的主观感知来定义的；大家熟知的等响曲线（见下图）也是对稳态的纯音利用对比试听的心理声学的研究方式获得的；等响曲线表明了主观感知的响度与声压级以及频率之间的关系；现实生活中的声音大多数时候是由复合音构成的，是瞬态的。第36页,共45页，2024年2月25日，星期天等响度曲线第37页,共45页，2024年2月25日，星期天等响度曲线由等响度曲线得出的响度系统性：

频率在3KHZ到5KHZ左右的响度曲线处在最低的位置，说明人耳对这一频段最为敏感

高声压级时，等响度曲线较为平坦，说明在高声压时，各频率的听感等响基本相同

在低频段声压级的微小变化会导致响度的巨大变化第38页,共45页，2024年2月25日，星期天VU表、PPM表在响度衡量上的不足人耳感知响度所需的积分时间（100-200ms）；VU表能够比较好的帮助制作人员判断节目响度变化，但VU表本身的设计中并没有采用任何与主观响度感知相关的频率加权技术；PPM表能帮助制作人员更好地判断信号的最大值，保护信号不被削波。但由于积分时间太短，不足以达到人感知响度所需时长，依靠峰值表基本无法判断节目的响度；同时，使用峰值电平作为节目信号的标准化依据，也在一定程度上导致了今天我们所热议的“响度竞争（LoudnessWar）”。第39页,共45页，2024年2月25日，星期天ITU-RBS.1770ITU在2006年颁布了ITU-RBS.1770标准，全名是“音频节目响度和真实峰值的测量算法”；兼容了从单声道到5.0在内不同格式伴音的响度测量，由两级滤波器、积分以及声道加权组成整个计权网络；pre-filter：模拟人头效应RLBfilter：响度主观感受的计权

声道加权