响度的频率范围

如题所述

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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