动态处理器. 简介

1. 引言

我们经常需要以自动化的方式来控制音量(动态)。

我们可能会尝试避免使电平过大,过大的电平会使功率放大器产生削波,或者使听感不舒适,或者发生过大的冲程而损坏扬声器纸盆。或者我们可能只是想要在一个歌手时而高呼时而低语时控制他声音的电平。有时我们又想要消除无信号时的背景噪声(嘶嘶声)。

要完成所有那些功能,动态处理器可以帮到我们。在现场扩声和多轨录音中,这些处理器经常会被用到,然而对于被认为是罐装动态控制的预录的声音却不常使用。现今的数字混音台集成了动态处理,意味着现在动态处理经常使用。

2. 最典型的动态处理

动态处理器的概念实际上与通过移动混音台推子来改变音量没什么区别。例如,如果有一个歌手突然唱得太响或者离话筒太近,我们就需要降低那个声音通道的音量。那样的话我们是在进行压缩处理。而当歌手没有歌唱时,我们会将推子拉到最低以避免背景噪声漏到主输出,那样相当于噪声门的处理。这基本上是凭借某人聆听音量的变化并决定音量是否需要做变化。下图阐明了这一过程: 听觉系统发现音量变化,并由大脑根据信号的音量指挥手来做提升或衰减。

“人工”动态处理器

这个“人工动态处理器”有它的局限性。它只能控制一个通道,并且迟钝,而它做过的处理无法重现。我们可以使用带有机械手臂的机器人来移动混音台的推子。但实际上我们选择使用电子设备来实现相同的功能。电子版本与人类理性的观点并没太大区别,尽管它没有限制。

如下图所示,输入到动态处理器的信号被分成两路。其中一个信号的副本将被增益变化部件处理,它通常是一个电压控制放大器(VCA)或者一个数字等效电路。另一个信号副本则转到一个监测电路以控制VCA。为使音量变动平滑,则使用了一个包络发生器来使音量变化具有斜度,从而避免使听感变化唐突。斜坡的斜率可以修改,稍后我们将提到。我们经常可以选择性的将输入信号传递给监测器,或者可选择被称为“侧链”或“电钥”信号的外部信号。

电子动态处理器

电子动态处理器

好的动态处理器应该方便控制动态并不易察觉,避免出现任何不希望听到的“抽气”和“呼吸”效应。

3. 类型

常用的动态处理器有以下几种:

  • 压缩器/限幅器 衰减或限制信号以使其不超过预先设定的信号电平。另外有一种叫做“嘶声消除器”的特别版压缩器/限幅器,它用来控制会产生嘶嘶声的那部分频谱的电平。
    限幅器只是压缩器的一种形式。

  • 噪声门 哑音或衰减在预先设定的信号电平以下的信号。如果它允许选择衰减电平(而不仅仅只是提供完全衰减,即哑音),它通常被称为“向下扩展器”。

我们也可以谈及数字(处理数字信号)和模拟设备。实际上,(好的)数字设备可以像它们对应的模拟设备那样工作,尽管它们的处理能力通常被用来增强操控潜能。例如,对于录音和其他非实时的应用,我们可以使用一个“预见性”的缓冲器来压缩信号,基于将来的信号决定压缩/限幅的量,所以,例如我们可以在一个峰值信号要超过门限之前开始压缩,以避免出现在模拟压缩器上会发生的瞬时过冲,这样做的话,听觉上是感觉不到的。

4. 控制

不同的动态处理器会提供不同的控制和指示灯编排方式。一般来说,我们能在专用设备上找到的控制(集成的设备可能会省略一些控制)有如下几种:

  • 门限. 当信号超过或低于这个电平,处理始。
  • 启动时间. 它是对信号进行衰减/限幅/哑音/放大的触发时间。一般来说,对于低频信号较慢的启动时间较好,恰恰相反,对于高频信号则更快的启动时间会更好。当处理全频信号时,启动时间一般基于当前信号中的最低频率。有些产品可能会强制使用一个最小的启动时间以避免全频信号出现失真。
  • 释放时间. 它与启动时间正好相反,也就是说,这个时间是信号从被处理状态到不被处理之间的时间。释放时间通常比启动时间更长些。
  • 保持时间. 指定压缩器或噪声门对信号进行处理的最小时间。
  • 比率. 定义应用到信号上的衰减或提升的量。在噪声门上,它可能是预调的,所以它只是个哑音效果。
  • 立体声链接. 用来处理立体声信号,这样即使其中一个通道没有触发处理,两个通道仍然始终同时进行处理。这样就避免了当只有其中一个通道被压缩或噪声门处理后,声相从中间移到其中一边。
  • 自动模式. 用它来自动控制基于信号特征的一些参数变得越来越普遍,一般是自动控制启动时间和释放时间。如果有此功能,它会自动激活或撤销处理。
  • 旁路. 允许对原始信号和处理后的信号做对比。

5. 电平表和指示灯

以下列出了在动态处理器上最常见的视觉指示装置。你的设备上可能不一定都有,或者你的设备上可能会有更多:

  • 增益或衰减电平表. 它通常由一排发光二极管组成,指示衰减或提升增益的量,让我们可以直观地判断是否正处于处理状态。在噪声门上我们一般只能看到一个状态激活指示灯。
  • 状态激活发光二极管. 当处理进行时显示。

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扬声器额定功率

在专业音频行业中有很多容易混淆的问题,其中之一便是扬声器的额定功率。一方面,制造厂商使用例如峰值、RMS、平均或者节目功率等多种多样的术语。另一方面,测量扬声器系统或组件的额定功率存在多种方法,从而会出现不同的测量结果。以下我们将尝试来阐明这个主题。

  1. 功率

功率是能量与时间的比值。它的单位是瓦特。由功放传递到负载(扬声器)的功率通常被认为是电压(V)的平方与电阻(Z)的商:

 

Power =

—–

Z

功率测量的结果取决于我们使用的电压。如果使用的是峰值电压,那么结果就是峰值功率。如果使用的是RMS电压,那么获得的便是平均功率(经常被错误的称为“RMS”)。RMS(均方根)仅仅是一个用于提取交流信号平均值的数学方法(负值也看作为正值)。

 

2. 功率测试

为了确定扬声器的额定功率,我们则需要对其进行功率测试。这包括给扬声器输入一个测试信号,通常是某种特定动态的噪声信号,运行一段特定的时间,通常是2到100小时。

测试信号通常是某种形式的粉红噪声。粉红噪声是一个在所有频段具有相同能量的随机信号。该信号在时间上并不恒定,但是拥有某种程度的动态。粉红噪声可以使我们完成扬声器在温度和机械上的强度测试。

信号的动态通常以峰值系数来表达。这是由峰值(波峰)和信号平均电平的比值决定的。下图显示的是一个有6dB峰值系数的信号,也就是说它的峰值电平比平均电平高6dB。这相当于峰值电压与RMS电压的比值是2:1,由于功率计算基于电压的平方,所以对应的峰值功率与平均(”RMS”)功率的比值为4:1。这6dB的峰值系数通常被指定为国际标准。

2.a. AES2-1984 标准

这是由音频工程学会针对扬声器组件指定的一份标准。它很常用,尽管用于组件,它也经常被用于个人(乐队)有源系统。它指定一个6dB峰值系数的粉红噪声,使用跨度为十倍数的频带宽度。例如,低音扬声器可以使用50-500Hz的频带,而高频扬声器可以使用1000-10000Hz的频带。下面的插图显示了这两个例子的频谱。测试持续的时间为2小时,在此之后该组件不应出现明显的损坏。

不同功率测试信号在恒定比率频宽(RTA型)分析仪上的频谱对比
(粉红噪声显示为一条平整线)

2.b. IEC268-5 (1978) 标准

这个标准是国际电工委员会于1978年制定的,并在八十年代再次修订。它指定一个6dB峰值系数的粉红噪声信号,并在此之上加载IEC程序化滤波。这一程序化频谱试图接近真实音乐的频谱,因此在低频和高频做了衰减。插图中将此频谱与AES的频谱做了对比。这一标准中也提出了“额定噪声功率”和“功率处理能力”这两个专业术语。

测试持续的时间为100小时,在此之后扬声器不应出现明显的损坏。

注:容易混淆的是,有另一份1972年制定268-5标准,它指定了完全不同的信号频谱和时间,但这一标准很少使用。

2.c. EIA RS-426-A (1980) 标准

这一标准是由美国电子工业协会制定的。测试持续的时间为8小时,在此之后扬声器不应出现明显的损坏。使用的测试信号同样是6dB峰值系数的粉红噪声,但是使用的程序化滤波与IEC标准的不同,在之前的插图上也可以看到。

2.c. EIA RS-426-B (1998) 标准

426-B意味着与426-A有很大的偏差。测试的结果不再是“额定功率”而是“最佳放大功率”,即测试产品在承受范围内可接受的最大输入功率,整个测试由三个项目组成:循环播放40-10kHz快速变化的正弦波扫频信号测试功率压缩,失真度测试和在一半的额定最佳放大功率上使用6dB峰值系数粉红噪声信号进行8小时“加速老化测试”,上面的插图也显示了此频谱。以上所有的测试都不应使产品有明显损坏或变化。这一标准的测试步骤有时相当的复杂、乏味和主观;目前它并未被扩声工业广泛接受,我也很怀疑它将来会不会被接受,可能除了加速老化测试及更宽的频谱,它与426-A并没有太大的区别。

3. 扬声器功率指标类型

3.a. 平均功率. 由于它来自RMS电压读数,所以经常被错误地称为”RMS”功率。RMS(均方根)仅在有负值和正值的变量才有意义。因为功率只是正向的(从功率放大器至扬声器,而不是反过来),所以在RMS进程中不需要“开根号”和“平方”(只需要从数字中提取信号),只需要计算“平均值”。使用RMS电压计算得出的功率,平均功率才是正确的专业称谓。

3.b. 节目功率. 这是一个古老的专业术语,源自过去使用正弦波扫频信号测试功率。如今,它并没有实际的意义。大多数厂商只是简单地对平均功率加倍,然另一些厂商可能会使用不同的比率,而不是2:1。它可以作为选择放大器功率的参考。例如,一个扬声器的平均功率为300W,节目功率为600W(2x300W),可以选择600W输出的功率放大器。这适用于控制较为小心的情况;对于平常的一些容易产生误操作的应用来说,那台功放就太大了。

3.c. 峰值功率. 相当基于峰值电压计算得出的功率。对于6dB峰值系数的信号来说,峰值功率即为平均功率的四倍。

从所有以上几点,我们可以得出一个结论,对于使用6dB峰值系数的功率测试信号,这三种类型功率之间的比率如下:

 

功率

比率

举例

平均

1

300W

节目

2

600W

峰值

4

(不一定!)

1200W

 

3.d.连续功率. 仅说明始终加载功率信号,而有一些标准指定使用间歇信号。

4. 引起扬声器故障的原因

引起扬声器故障的原因可能是过热或者机械故障。

引起过热故障的原因:

  • 过多的输入功率
  • 信号在扬声器频带范围之外(无线电频率、次音速频率、超低频)。能量没有转化为声音而变为热量
  • 功率放大器削波,最常见的引起过热故障的原因
  • 功率放大器输出直流电,尽管对于当今的功率放大器来说非常罕见
  • 过多的均衡,主要是高频,因为这些频率使换能器效率变低并产生大量热能

为了防止过热而产生故障,应避免功率放大器削波,并保证扬声器只接收在其频率范围之内的频率,使用高通和低通滤波器来限制输送到扬声器的频率范围。

引起机械故障的原因总是与过多的振膜(纸盆)位移有关。当频率下降时,扬声器表现出更大的偏移(向后与向前的位移)。因此当一个信号有足够低的频率并有足够大的电平,可能会造成音圈脱落,导致线圈碰擦,并可能产生短路或路。最糟糕的情况是当线圈管触及底部的磁极片(降到最低点)并发生变形。为了防止机械故障,应避免使用低于扬声器频率范围的信号,并使用有适当的功率输出的放大器。

 

5. 选择放大器功率

一般来说,放大器的功率需要大于扬声器的额定功率。这是因为功率放大器只通过正弦波信号传递它的额定输出功率,而传递具有动态的真实信号则更少。对于一般的设计方针来说,建议放大器的输出功率比扬声器的平均(“RMS”)功率要大50%。例如,对于平均功率为450W的扬声器,可使用输出功率为700W的放大器。如果使用较小的功率放大器,将达不到足够的电平,也得不到好的听感,如此,信号将趋向于削波来补偿,因而会危及到扬声器的完好性。

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