音频系统（Audio Systems）必备基础知识

 在本文中，你将了解一下内容：

• 声音传播的基础知识

• 声波的频率和波长
• 谐波、分贝以及声音环境
• 这些基础知识如何应用于放大声音的电路路径
• 从始至终的电子音频信号链——从麦克风到扬声器
• 专业音频中常用的各种信号电平、所用电缆以及电路类型
  
  

      要理解声音，你应从了解自身听觉的工作原理入手。正如彩色插页中的图示所示，你的耳朵是复杂的器官，它们收集并传导来自环境的声音，将声波转化为机械运动，随后再将其转化为电信号，而你的大脑会把这些电信号解读为声音信息。这些部位中的任何一处受损，都可能削弱你感知声音的能力 。

      一种直观呈现这些声波的简单方法，是想象将一块石头扔进一滩水里会发生什么。石头会排开水分子，造成扰动 —— 压缩水分子，形成一个隆起的波，然后这个波会在水池里向外扩散。当波峰移动时，它会在身后留下一个呈波谷形式的稀疏区域，而这个波谷接着又会在身后留下一个压缩区域，依此类推。我们看到的是一系列由峰和谷（压缩区和稀疏区）组成的同心圆环，从石头撞击水面的点向外扩散。

我们将审视可用于描述波的两个属性。

• 波长或频率（二者直接相关）

• 振幅（高度）

      波长是一个周期内同一位置出现的两个点之间的距离。如果你在图 4 - 1 所示的波上选取任意一点，波长就是该点到下一个周期中相同点的距离。

      中间的水平线是零参考线或参考电平，代表分子处于静止位置。正弦波中参考电平以上的部分代表处于压缩状态的分子，而参考电平以下的部分代表处于稀疏状态（疏张）的分子。

      当分子从静止位置开始，经过压缩、然后是疏张，再回到静止位置时，就完成了一个完整的周期。

声波的波长取决于其在可压缩介质中的传播速度。对于空气，在海平面、温度为20℃（68°F）时，声速为343米每秒（m/s）（1125英尺每秒）。

频率（Frequency）
      频率是指每秒内发生的波周期数，即每秒周期数。用于测量每秒周期数的标准单位是赫兹（Hz）。图 4 - 2 说明了频率的概念。

      尽管你日常听到的声音是复杂的波形，但每一种声音都可以分解为一系列不同频率的单独简单正弦波。傅里叶分析是一种数学过程，用于计算波形的傅里叶级数分量，而对波形傅里叶级数分量的计算和数学处理是所有数字信号处理（DSP）应用的核心。

      在介质中，频率和波长通过传播速度相互关联。在图 4 - 3 中，你可以看到传播速度、波长和频率之间的数学关系。利用这些公式，你可以计算出大多数人能听到的频率范围（20Hz 到 20kHz）对应的波长。

20Hz 时的波长 = 343÷20 = 17.2 米（56.25 英尺 ）
20kHz 时的波长 = 343÷20000 = 17.2 毫米（0.67 英寸 ）

      从这些公式可以看出，波长和频率成反比，这意味着最低频率具有最长的波长，而最高频率具有最短的波长。

频段与倍频程（Bands and Octaves）
      我们所能听到的频率谱通常会依据频段间频率的倍乘关系划分成不同频段。这些频段被称为倍频程，这是一个源于西欧音乐音阶的音乐术语，在该音阶中，每个频段被划分为八个音级。“Octave（倍频程）” 一词源自拉丁语 “octavus”，意为 “八” （the Latin word for eight）。

      频率以这种方式划分频段，是因为人耳对频率的响应呈对数特性。对我们的耳朵而言，频率每翻倍（或减半），听起来的音程间隔相似。220Hz 的音与 440Hz 的音之间的音程，和 440Hz 的音与 880Hz 的音之间的音程，听起来是一样的，即便每个间隔都是频率的翻倍。

      在表 4 - 1 中，500Hz、1kHz、2kHz 和 4kHz 之间的音程，在我们听来都相同，尽管它们之间的带宽存在显著差异。

      在一般的音频应用中，人类听觉的频率范围（20Hz 至 20kHz）会被划分为 10 个频段，每个频段宽一个倍频程。每个频段通常由其中心频率来标识。在某些情况下，比如图形均衡器中，该频率谱可能会进一步细分为 1/3 倍频程的频段 。

谐波（Harmonics）
     复杂的音频波形通常包含频率互为倍数的音调。如果拨动一根弦发出音高为 A 的音符，其频率为 220Hz，这根弦还会产生 440Hz（220×2）、660Hz（220×3）、880Hz（220×4）、1100Hz（220×5）、1320Hz（220×6）、1540Hz（220×7）、1760Hz（220×8）等频率的振动。这些 220Hz 基音倍数频率的额外振动，被称为 220Hz 基频的谐波。这些谐波频率的相对比例，赋予了特定音符独特的声音或音色，让我们能够区分吉他、曼陀林、尤克里里、巴拉莱卡琴、低音提琴或班卓琴演奏同一音符时的差异。

     基频也被称为一次谐波频率。在前面的例子中，220Hz 是一次谐波，440Hz 是二次谐波，660Hz 是三次谐波，880Hz 是四次谐波，1100Hz 是五次谐波，1320Hz 是六次谐波，依此类推。

对数（Logarithms）
      一个数的对数（以 10 为底的对数，记为 log₁₀，更常用的简写是 log ），指的是 10 自身相乘多少次能得到这个数。例如，1000 的对数是 3，因为 1000 是 10 自乘 3 次（10×10×10 ），通常写成 10³ 。同理，100000000（1 亿 ）的对数是 8（10⁸ ），0.0001 的对数是 - 4（10⁻⁴ ）。从表 4 - 2 中可以看出，利用数的对数，我们能够以更简洁的形式表示大范围的值，无需写出所有开头和结尾的零。

      在标准直尺上，无论刻度标记位于直尺的哪个位置，每个刻度标记都代表一个单位。刻度上 3 到 6 之间的距离代表 3 个单位的差值，就如同 9 到 12 之间的距离也代表 3 个单位的差值一样。显示的单位和所代表的单位之间是一一对应的关系。这就是线性刻度。

      然而，如果我们制作一把对数刻度的直尺，直尺上的每个刻度标记所代表的对数值为 1，也就是到下一个刻度标记是 10 倍的关系。如果向右移动，每个刻度单位代表的数是前一个的 10 倍；如果向左移动，每个刻度代表的数是前一个的 1/10 。看一下图 4 - 4 中的图表，第一行代表线性刻度，第二行代表对数刻度。

     这为何重要呢？因为在从听觉阈值到声学疼痛起始点这一跨度约为 3000000:1 的范围内，人类对声压级差异的感知是对数式的，而非线性的。因此，我们会使用以 10 为底的对数刻度来测量、记录并讨论声级差异。

注意：不仅我们对声音强度的感知是对数式的，我们的其他感官也是如此。心理物理学定律（或称为韦伯 - 费希纳定律 ）描述了心理学中的这一普遍规律。该定律指出，感觉的强度与引发该感觉的刺激强度的对数值成正比。所以，我们的各种感觉（如视觉、听觉和触觉 ）与刺激之间的关系是对数式的。

分贝（Decibels）
      视听（AV）行业经常使用分贝测量，所以了解分贝是什么以及如何使用它们对你来说很重要。

      分贝（dB）是对相同物理量（如压力、功率或电压）的两个量之间对数比率的度量。作为一种对数刻度，它非常适合描述数值范围可能极大的比率。

      基本单位 “贝尔（Bel）” 是以电信先驱亚历山大・格雷厄姆・贝尔（Alexander Graham Bell）的名字命名的，但事实证明，贝尔对于大多数实际用途来说太大了，因此分贝（dB）是使用的标准单位（1dB = 0.1 Bel）。

Bel = log₁₀（quantity₁/ quantity₂）
dB= 10×log₁₀（quantity₁/ quantity₂）

分贝测量(Decibel Measurements)
      分贝用于量化电压、距离、功率或声压测量值之间的差异。它们常被用来将一个测量值与某个已知测量值（称为参考电平 ）进行比较。声压级（SPL）就是通过这种方式测量的，以人类听觉阈值（20 微帕（μPA）的压力 ）作为参考电平。这通常被称为 0 分贝声压级参考电平。

      帕斯卡（Pa）是压力的国际单位，1 帕斯卡等于每平方英寸 0.00015 磅。

      我们可以使用以下公式计算两个功率电平之间的分贝差值：

          dB = 10×log₁₀（P₁/P₂）
      如果我们将一个以瓦特为单位的功率电平（P₁）与另一个以瓦特为单位的功率电平（P₂）进行比较，这个公式会给出以分贝为单位的比率。

然而，在比较电流或电压时，由于功率与电压的平方或电流的平方相关（P=V2/R或P=I2×R），分贝的计算需要考虑这种二次方关系。公式如下： 

         dB=20 × log(V1/V2)

若我们将一个电压（V₁）与另一个电压（V₂）作比较，此公式能算出分贝差值。

      同理，当测量的物理量涉及场（比如无线电发射机的辐射功率，或是声源辐射的声压）时，场强与到声源距离的平方成正比，这就要求分贝计算时考虑这种二次方关系。举例来说，用以下公式：

        dB=20 × log（D₁/D₂）

      若对比声源在某一距离（D₁ ）处和声源在另一距离（D₂）处的声压级，该公式可算出分贝差值 。

      既然你已了解人类对数式感知声级差异，且分贝用于对数刻度，接下来我们进一步探究分贝的具体应用 。

使用分贝（Using the Decibel）
      你不仅可以将一个数值与另一个同类数值进行比较，还能将一个数值与已知参考电平作比较。比如，利用 20 倍对数的公式，你可以对比两个声压级之间的分贝差值。正如你之前所学，你也能把以分贝为单位的声压级测量值，和已知的以分贝为单位的声压参考电平进行比较。

      要让测得的 85 分贝声压级（SPL）有意义，它必须有参考标准，因为分贝是相对比较，而非绝对量的单位。没有参考的话，就好比说 “今天比昨天热 10 度”，但不知道昨天的温度，你就没法知晓今天的温度情况。同理，你得知道 85 分贝相对于什么才有意义。这个 85 分贝声压级测量值，是以 0 分贝声压级的听觉阈值为参考的声压。

      参考电平也用于其他测量。我们常用 0dBu（=775 毫伏）和 0dBV（=1.0 伏）表示电压电平，用 0dBm（=1 毫瓦）表示电功率电平。-20dBu 的电压低于 0dBu，但这不是说电压为负，而是指电压小于 775 毫伏。

       关于人类听觉，以下是一些公认的常规情况：

• 1 分贝的变化是能察觉到的最小变化。除非听得很仔细，不然大多数人察觉不出 1 分贝的变化。

• 要让人 “刚好注意到” 声音变大或变小，需要 3 分贝的变化（比如从 85 分贝声压级变到 88 分贝声压级）。
• 要让人主观上觉得声音响度变为之前的两倍或一半，需要 10 分贝的变化。（例如，从 85 分贝声压级变到 95 分贝声压级，会让人感觉响度变为之前的两倍 ）。

平方反比定律与声音（The Inverse Square Law and Sound）

      如前所述，声波会从发声源向外传播。再想象一下，把一块石头扔进水里，能量波会以同心圆的形式从分子扰动源向外扩散，这是因为能量传递到了附近的分子。用石头和水的例子来说，你会看到能量只在水面的水平面上扩散。然而，当产生声音时，能量会以球形向各个方向扩散。

      无论能量是水平传播还是球形传播，都可以用平方反比定律来描述其扩散情况。平方反比定律指出，声能与到声源距离的平方成反比。这是因为，每当与能量源的距离加倍时，能量就会扩散开来，覆盖的面积变为之前的四倍。

      例如，如果你距离能量源 5 米，然后将距离加倍到 10 米，此时能量覆盖的面积必须是 5 米距离时的四倍（面积 = 4πr² ）。换句话说，距离每加倍一次，球体的表面积就会增加到原来的四倍，球体上任意一点的能量就会减少到之前的四分之一。

      简单来说，每当与声源的距离加倍时，声压级会降低 6 分贝。相反，当与声源的距离减半时，声压级会增加 6 分贝。这通常被称为距离加倍 6 分贝规则。

NOTE

      平方反比定律不仅适用于声音。它适用于从一个源头向外辐射的所有事物，比如光、无线电波、引力、磁力和电场。

      在实际情况中，只有在近场（距离声源几个波长范围内 ）或自由场（声源没有反射的环境 ）环境下，距离每加倍时才会出现声压级实际降低 6 分贝的情况。这些术语描述的是声源周围不包含墙壁、天花板和地板等边界反射回能量的空间 。

      尽管视听（AV）系统中的大多数音频以声波的形式开始和结束其传播过程，但在通过系统的大部分路径中，它是以电子信号的形式传输的，这种电子信号既可以是与声波的振幅和频率相对应的模拟波形，也可以是该模拟波形的数字表示。

      如第 3 章所讨论的，模拟波形在通过音频系统传输时会受到信号衰减和系统噪声的影响，而该波形的数字表示则不受系统噪声和衰减的影响。

模拟音频的数字化（Digitizing Analog Audio）

        采用专用电路以固定的时间间隔对模拟音频波形进行采样，并将每个采样点的电压转换为一个数字，该数字表示采样时波形的振幅。采样次数（采样率）以及振幅数字表示的精度（位深）是决定原始模拟信号数字表示精度的因素。采样率越高、位深越大，数字表示就越精确，传输该信号所需的带宽也就越大。

计算数字音频信号所需带宽的公式如下：

带宽=采样率 × 位深 × 声道数

Bandwidth = Sample Rate × Bit Depth × Number of Channels

• 带宽的单位是比特每秒。

• 采样率的单位是采样率每秒赫兹（Hz）。

• 位深的单位是每采样比特数。

• Bandwidth is measured in bits per second.

• Sample rate is measured in samples per second(Hz).

• Bit depth is measured in bits per sample.

采样率（Sample Rate）

      如第 3 章所述，音频光盘的采样率在 1980 年由索尼和飞利浦联合发布的 “红皮书” 光盘数字音频（CD - DA）规范中被设定为 44.1kHz。该规范的大部分内容后来被采纳为国际电工委员会（IEC）标准。这个采样率是在当时光盘技术的限制与奈奎斯特 - 香农采样定理的最低要求之间做出的权衡，奈奎斯特 - 香农采样定理要求采样频率为所采样最高频率的两倍，在这种情况下，最高采样频率约为 20kHz。从那以后，44.1kHz 的采样率在商业音频重放领域一直表现良好，尽管如今公认它在捕捉一些微妙的谐波泛音方面存在不足，但在大多数商业或家庭聆听环境中，这个问题通常并不明显。

      随着信号采样率的技术限制逐步被克服，像录音、混音、后期制作和高保真现场制作等专业音频应用倾向于使用更高的采样率，以捕捉源信号中更多的泛音和细微的波形变化。这些系统通常以 48kHz（对应最高频率 24kHz ）、96kHz（对应最高频率 48kHz ）或 192kHz（对应最高频率 96kHz ）的采样率运行。

位深（Bit Depth）

      数字音频信号的位深，指的是在数字化过程中，可编码为离散数值的不同信号电平的数量。就 CD 音频而言，位深被设定为每采样 16 位，这使得数字化设备能够区分出 2¹⁶（65,535）种离散的声音电平，动态范围约为 96 分贝，涵盖了人类听觉的大部分范围。不过，由于所有数字化过程都需要将无限可变的模拟信号近似为有限范围的数字电平，因此会出现一些量化误差。CD 音频中的量化噪声水平较低，在大多数家庭和商业聆听环境中通常可以忽略不计，但在良好的聆听条件下，当多个数字音频信号混合并进行处理时，这种量化噪声就会变得更加明显。

      为了减少量化误差，在许多专业录音、混音、后期制作以及高保真现场演出应用中，会采用 24 位（约 144 分贝动态范围 ）和 32 位（约 192 分贝动态范围 ）的位深。以更高位深进行数字化处理，或许能在处理过程中减少量化失真，但当信号最终被下采样到 16 位深，以便在 CD 音质系统中重放时，这些失真并不能被完全消除。

数字音频压缩（Digital Audio Compression）

      大多数需要高质量音频的专业视听应用，会以未压缩的形式传输和存储数字音频，因为这样可以消除与信号编码和解码相关的处理开销以及可能出现的信号延迟。

      常见的未压缩音频数据格式包括脉冲编码调制（PCM）格式，如 CD 音频、音频交换文件格式（AIFF）、运动图像专家组（MPEG）音频、HDMI 音频、AES3（也称为音频工程协会 / 欧洲广播联盟（AES/EBU） ）以及波形音频文件（WAV） 。

      当传输音频流的可用带宽有限，或者用于存储音频流以便后续重放的空间有限时，可能就需要进行数字音频压缩。数字音频压缩有两种类型：无损压缩和有损压缩 。

无损音频压缩（Lossless Audio Compression）

      无损压缩保留原始数字化波形的所有音频质量，借助数学运算将数字音频流的大小减少 50% 到 70%。无损压缩与解压缩过程需要大量处理能力，若用于现场制作，可能会引入明显的延迟。不过，它适用于高质量录音和远程流媒体应用。

      常见的开源无损压缩格式包括自由无损音频编解码器（FLAC）、双文件的 WavPack 系统、Monkey’s Audio（猴子音频）以及 Apple 无损音频（ALAC 或 ALE）。

有损音频压缩（Lossy Audio Compression）

      有损音频压缩能大幅减小文件和流的大小，但会降低原始数字音频信号再现的准确性。压缩算法基于心理声学分析进行设计，舍弃原始波形中听众最不易察觉的元素，以此将数据丢失的影响降至最低。目标聆听环境（比如汽车或公共场所等高环境噪声环境 ）也让压缩过程可以在不对听众产生显著影响的情况下，降低压缩信号的动态范围。

       有损音频压缩适用于对音频质量要求不高的场景，包括高环境噪声环境、低音量背景音乐系统、纯语音广播系统，以及重放系统无法实现全范围音频再现的应用。

       常用的有损压缩格式有 MPEG - 2 音频层 III（MP3，最流行的格式 ）和高级音频编码（AAC）。即便码率为 320kbps 的 MP3 流，相较于 CD 音频 1.4Mbps 的码率，带宽也降低了约 75% 。更常用的 160kbps MP3 流，相比未压缩的 CD 音质音频，带宽降低了 90% 。

数字音频网络协议（Digital Audio Network Protocols）

       数字音频信号可通过标准网络从一个源传输到多个端点。多年来，开发出了许多专有协议，如 CobraNet 和 EtherSound，用于直接通过以太网（而非 TCP/IP ）传输音频，其中一些协议得到了相当广泛的采用。不过，AES67 互操作性标准的推出简化了网络音频所用设备和协议的选择。以下是一些较流行的网络音频协议：

• Audio Video Bridging（AVB）：AVB 是一种 IEEE 标准协议，利用以太网帧，可实时传输未压缩视频以及多达 200 通道的 48kHz/24 位音频，外加嵌入式控制和监控功能。它需要专门的、成本相对较高的支持 AVB 的交换机和网络组件，但无需单独的网络基础设施或专用带宽。

• Dante：Dante 在 TCP/IP 网络上运行，不依赖于底层以太网网络。在千兆以太网（1Gbps ）环境下，Dante 可传输多达 1024 通道的 48kHz/24 位音频；或 512 通道的 96kHz/24 位音频；也可传输包含 8 通道音频的 HDMI 视频。在 100Mbps 以太网环境下，它可传输多达 96 通道的 48kHz/24 位音频，或 48 通道的 96kHz/24 位音频。Dante 可使用标准以太网交换机、路由器及其他组件在 IP 网络上完全路由，无需单独的基础设施。

• 单播流传输（Unicast streaming）：单播流传输是发送视听数据的流服务器与收听该流的客户端设备之间的一对一连接。每个客户端都与服务器直接关联。客户端向服务器发送请求，服务器则向客户端发送流作为响应。由于服务器要为每个客户端单独发送一条流，每增加一个客户端，就会占用更多带宽。以 100kbps 的速率向三个客户端传输流媒体，实际会占用 300kbps 的带宽。单播流可在网络间传输，但总会存在一定的缓冲。

• 多播流传输（Multicast streaming）：多播流传输是一种一对多的传输方式：一台服务器发送单个流，多个客户端可访问该流。D 类 IP 地址（224.0.0.0 至 239.255.255.255 ）被预留用于多播传输。在多播流传输中：
• 服务器将流发送到指定的 D 类 IP 地址，称为主机地址。
• 客户端订阅该主机地址。
• 路由器将流发送给所有订阅该主机地址的客户端

      声学是一门专注于研究声波性质和特征的科学分支。正如你可能想到的，声学研究涵盖众多主题。它远不止是在墙上挂些织物来解决 “声学问题” 这么简单。

声学研究包括以下内容：

• 声音是如何产生的

• 声能如何在空气及其他介质（如混凝土、钢铁和水）中传播
• 表面的尺寸和形状如何影响声音在环境中的传播特性
• 如何通过隔墙或隔振措施阻止声能进出某个空间
• 声能遇到边界（介质发生变化）时会发生什么
• 你的耳朵和大脑如何处理并感知声音
  

      那么，由扩声系统或其他声源产生的能量会发生什么变化呢？能量守恒定律告诉我们，在任何过程中，总能量既不会增加也不会减少。能量可以从一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体，但能量的总量保持不变。这意味着，当辐射的声能遇到表面或房间边界时，会发生以下三种情况的组合。

• 声音被反射。随着声能从声源向外传播，部分声能会从各类表面反射回来。反射可分为镜面反射（定向反射）或漫反射（散射）。无论哪种情况，能量总量都留存于该空间内。
• 声音被吸收，可能是在空气中（除了在极大空间内，通常不是大问题 ），或是被空间内的材料吸收（声能转化为低水平的热能 ）。
• 声音被透射。也就是说，能量实际上通过隔墙或其他屏障从一个空间传递到了另一个空间。

反射声能（Reflected Sound Energy）

声音反射有两种类型：

• 镜面反射（Direct reflection）：也被称为 “规则反射” 或 “硬反射” 。这种反射类似镜子反射；大部分能量会连贯地从表面的每个点沿单一方向反射回去。和光一样，反射声能的方向由入射角度决定，入射角等于反射角。

• 漫反射（Diffuse reflection）：这类反射会将能量向多个方向散射回去。这与漫射型投影屏幕的特性类似。

混响（Reverberation）

       当一个场所存在许多坚硬、具反射性的表面时，每次声音反射的能量水平会保持相当高的状态。随着能量在房间周围更多表面上反射，听众开始从各个方向接收到反射能量。当能量水平维持在较高状态，且反射彼此间变得密集时，这就被称为混响。混响其实就是对大量持续反射现象的一种描述。

       真正的混响是在拥有众多坚硬、反射性表面的较大空间中出现的现象。虽然典型的会议室可能存在令人困扰的反射问题，但不太可能出现真正的混响。

吸声（Absorption）

     场馆建造和装修所用材料（墙面、天花板、地面、家具、窗帘、窗户、座椅等 ），以及人员自身，都会影响声能的吸收量。

     你可能熟悉的一种吸声体是多孔吸声板。当被扰动的空气分子穿过多孔吸声材料时，分子与吸声材料间的摩擦力会使分子减速。常见的多孔吸声材料有地毯、吸声砖、吸声泡沫、窗帘、软包家具，以及人员（衣物 ）。图 4 - 5 展示了吸声砖的应用示例。

     尽管吸声材料可应用于房间，但有效吸声仅会在有限的频率范围内发生。吸声有效频段之上或之下的能量，将会被反射或透射。

透射（Transmission）

       未被反射或吸收的声能会通过隔墙（墙壁、窗户、地板和天花板 ）透射至另一个空间，或通过结构传声的振动进行传播。隔墙透射或反射声能的能力受多种因素限制，比如隔墙的重量（质量 ）、隔墙材料的硬度、空气间隙、隔墙的设计以及隔墙的内部结构。

环境噪声（Ambient Noise）

       噪声通常被定义为所需信号之外的任何声音。电子音响系统会通过其电子元件固有地产生噪声，而房间本身也存在噪声特征。

      在房间内，除扩声系统发出的目标信号外，其他听到的声音都被视为背景噪声或环境噪声。这可能包括设备风扇噪声、办公设备噪声、电话铃声、采暖通风与空气调节（HVAC）系统噪声，以及房间内人员产生的噪声。噪声也可能从房间外透过隔墙或窗户传入，外部声源可能有车辆交通声、天气相关声音、相邻走廊的声音，或通过结构传递的振动声。

      理想情况下，由于过高的噪声水平会干扰信息传递，声学专家、视听顾问或设计师应根据房间类型及其用途，明确背景噪声水平限值。实际中，体育馆和会议室的背景噪声水平标准及限值会有很大差异。确定这些限值后，项目的部分内容（比如 HVAC 系统、隔墙以及必要的声学处理 ）可通过设计和实施，确保不超过背景噪声水平标准。

      房间的声学特性（包括反射情况，以及允许的声透射类型和程度 ）与背景噪声水平，对音响系统的整体效果起着重要作用。

  声音采集（Sound Capture）

      你已了解声音传播、声波频率与波长、谐波、分贝以及声学环境的基础知识。这些基础知识如何应用于视听（AV）行业呢？它们有助于你理解用于放大声音的电信号路径。

      从最基础的形式来看，完整的音频信号路径会获取声能并将其转换为电能，以便进行路由、处理、进一步放大，随后再转换回声能，具体步骤如下：

1. 声源在空气中产生声波振动。

2. 麦克风拾取这些振动。

3. 麦克风将振动转换为电信号。

4. 对电信号进行处理。

5. 信号最终传输至输出设备（如耳机或扬声器 ）。

6. 输出设备将电信号转换回声波。
   

      这种能量从一种形式到另一种形式的转换被称为 “换能（transduction）” 。麦克风是一种换能器 —— 它将声能转换为电能。扬声器也是一种换能器 —— 它将电能转换回声能。这意味着在电声信号路径的两端都可以有换能器。    
   麦克风（Microphones）    
          了解麦克风的构造、预期用途，及其指向性、灵敏度、频率响应和阻抗特性，有助于你针对不同情况挑选合适的麦克风。

          麦克风有多种类型、尺寸和构造。碳粒麦克风曾广泛应用于电话。此外，还有陶瓷麦克风、光纤麦克风、激光麦克风、压电麦克风、铝带麦克风、动圈麦克风、微机电系统（MEMS）麦克风、电容麦克风和驻极体麦克风，每种类型都有其特定的应用场景和特性。  

  动圈式麦克风（Dynamic Microphones）    
          在动圈式麦克风（话筒）中，你会发现有一个线圈（导体）连接在振膜上，并置于永久磁场中。声压波会使振膜前后运动，从而带动与之相连的线圈运动。  

         当振膜和线圈组件运动时，会切割穿过线圈的磁力线，在线圈中感应出电压。感应出的电压与声压成正比，进而产生电音频信号。该信号的强度很小，被称为 “话筒电平信号” 。

          动圈式麦克风用于许多场景，因为它们经济实惠且耐用，能够承受高声压级。而且，由于它们不需要电源，用途非常广泛。    
   电容式麦克风（Condenser Microphones）    
          在电学研究中，若有两个带相反电荷（极化）的导体被绝缘体隔开，两个导体之间会存在电场。存储在两个导体之间的电位电荷（电压）数量，会根据导体间的距离、导体的表面积，以及两个导体间绝缘材料的介电强度而变化。利用这一原理的电子元件被称为电容器。   

        电容式麦克风（示例见图 4 - 6 ）包含一个导电振膜和一个导电背板。空气作为绝缘体，将振膜和背板隔开。需要用电极来施加正负电荷，从而在振膜和背板之间产生电场。    

       声压波使振膜前后运动，进而改变振膜与背板之间的距离（间距 ）。随着距离改变，存储在振膜与背板之间的电荷数量（即电容 ）也会改变。这种电容的变化会产生电信号。    

       电容式麦克风输出的信号强度，不如典型动圈式麦克风输出的话筒电平信号强。为增强信号，电容式麦克风内置了一个前置放大器，由用于给麦克风极板充电的同一电源供电。该前置放大器会将电容式麦克风内的信号放大到话筒电平，但不要与调音台中的麦克风前置放大器混淆。           为电容器元件充电并驱动前置放大器的电源，可以是麦克风本体内置的电池、外接的市电供电设备，也可以来自外部的幻象电源系统。

          由于电容式麦克风所用的振膜质量通常比其他类型麦克风的振膜质量小，所以电容式麦克风往往比其他类型更灵敏，对高频声音响应更佳，整体频率响应范围也更宽。  

 驻极体麦克风（Electret Microphone）    
          驻极体麦克风是电容式麦克风的一种。它的名称源于应用在麦克风振膜或背板上的预极化材料，即 “驻极体” 。           驻极体为电容器结构的一侧提供永久、固定的电荷。这种永久电荷省去了为典型电容式麦克风供电所需的较高电压。这使得驻极体麦克风可用小型电池或常规幻象电源供电。驻极体麦克风体积小巧，适用于多种用途，覆盖不同质量等级。    

微机电系统（MENS）麦克风（MEMS Microphone）    
          微机电系统（MEMS）麦克风属于一类机械装置，可直接构建在硅芯片上，采用的沉积和蚀刻工艺与制造微处理器及存储系统的工艺相同。它们是微型机械装置，能直接与芯片的纯电子电路集成。在视听（AV）领域，最知名的此类装置是用于数字光处理（DLP）投影仪中进行光切换的数字微镜器件（DMD） 。目前，许多其他 MEMS 装置已得到广泛商用，如加速度计、气压传感器、陀螺仪、光开关、喷墨泵，甚至还有麦克风。           采用 MEMS 技术制造的麦克风，一般是电容式麦克风或压电式麦克风（电信号由晶体的机械运动产生 ）的变体。尽管其极小的尺寸意味着 MEMS 麦克风的灵敏度并非特别高，尤其是在低频段，但 MEMS 麦克风的巨大优势在于可构建成阵列以提高灵敏度，并且能够与负责增益和频率补偿管理的放大器及信号处理器集成在同一芯片上。芯片上的处理过程可包含模数转换，从而制造出具备直接数字输出的麦克风。此外，在专门的 MEMS 麦克风、智能手机、智能音箱、平板电脑、虚拟现实头戴设备以及可穿戴设备中，都可能集成包含麦克风、加速度计和陀螺仪等一系列 MEMS 装置及其相关处理电路的芯片。

   定义幻象电源（Defining Phantom Power）    
          幻象电源是用于为包括电容式麦克风在内的各类音频设备供电的远程电源，通常为 12V 至 48V 直流，48V 最为常见。正电压会均匀施加到平衡音频电路的两根信号导线上，电源电路则通过电流经线缆屏蔽层返回完成闭合。由于电压均匀施加在两根信号导线上，所以不会对传输的音频信号产生影响，也不会损坏动圈式麦克风。 

          幻象电源通常可从音频调音台获取，可在单个麦克风输入处开关，可为多组麦克风通道启用，也可通过调音台上的单个开关，实现所有麦克风输入的幻象电源启用。若音频调音台无法提供幻象电源，可使用与麦克风串联的独立幻象电源。 

   麦克风的物理设计与布置（Microphone Physical Design and Placement）    
   无论是动圈式、电容式、驻极体式还是其他类型的麦克风，都有多种构造形式以满足不同用途，以下是一些常见的麦克风构造类型：    
   手持式（Handheld）：主要用于语音或歌唱。由于会频繁移动，手持式麦克风内置防震装置以减少操作噪声。 

   表面安装或边界式（Surface mount or boundary）：这类麦克风设计为直接安装在坚硬的边界或表面上，如会议桌、舞台地板、墙壁，有时也安装在天花板上。安装表面的声学反射特性会影响麦克风的性能。通常，将麦克风安装在天花板上效果最差，因为声源距离预期声源（如参会人员 ）更远，且更靠近其他噪声源（如天花板安装的投影仪和暖通空调通风口 ）。 

   鹅颈式（Gooseneck）：最常用于讲台，有时也用于会议桌，这种麦克风连接在可弯曲的杆上。杆的长度各异。有防震装置可将麦克风与桌子或讲台的振动隔离开。   

 枪式（强指向性）（Shotgun）：因外形及长而窄的指向性图案得名，最常用于电影、电视和现场制作工作。可将枪式麦克风连接到长吊杆（钓竿式吊杆 ）、由吊杆操作员操作的演播室吊杆，或摄像机顶部。  

  乐器麦克风（Instrument）：这类麦克风用于拾取乐器的声音，可直接拾取原声乐器，也可从放大乐器的扬声器箱体拾取。其类型通常为电容式或动圈式，取决于乐器发出声音的响度、动态范围和频率。有些专用乐器换能器采用直接机械或磁性拾音方式。

   领夹式和头戴式麦克风（Lavalier and headmic）：这类麦克风由用户佩戴，常见于电视和戏剧制作。领夹式麦克风（也叫 “lav” 或 “lapel mic” ）通常直接夹在衣物上，如领带或翻领。头戴式麦克风则通过细短杆固定在耳部周围。由于尺寸、外观和颜色至关重要，领夹式和头戴式麦克风多为驻极体麦克风。    波束形成阵列麦克风（Beamforming array）：波束形成阵列包含多个麦克风单元，通常是电容式麦克风振膜或 MEMS 麦克风。这些单元以不同形状排列成阵列，通过数字信号处理系统连接，形成可电子调控的窄波束图案，能在拾取目标声音的同时抑制环境噪声。阵列麦克风可方便地安装在墙面、桌面或天花板（如图 4 - 7 所示 ），主要用于会议室、会议空间、桌面和讲台。       

 麦克风指向性图案（Microphone Polar Patterns）          挑选麦克风时需关注的特性之一是其指向性图案（polar pattern） 。指向性图案描述了麦克风的指向能力，即麦克风在特定方向拾取目标声音，同时抑制其他方向无关声音的能力。           指向性图案由麦克风最灵敏的方向范围来界定。这些图案有助于你确定针对特定用途应选用哪种麦克风类型。有时你希望麦克风能拾取来自各个方向的声音（如采访场景 ），有时则不希望拾取麦克风周围其他声源的声音（如人们的交谈声或纸张的沙沙声 ）。指向性图案也被称为拾音图案或麦克风的指向性（directionality） 。  

 当麦克风抑制来自非目标方向的声音时，也有助于减少音响系统中潜在的反馈。以下是常见的指向性图案：  

  全向型（Omnidirectional）：在所有方向上均匀拾音。

   心形（单向）型（Cardioid（unidirectional））：主要从麦克风前方（心形图案的一个方向 ）拾音。会抑制侧面传来的声音，对麦克风后方声音的抑制效果最明显。“cardioid（心形 ）” 一词源于其心形的指向性图案。

   超心形型（Hypercardioid）：是心形的一种变体，比常规心形指向性更强，因为它更多地抑制侧面声音。但代价是会直接拾取到麦克风后方的部分声音。  

  超心形（Supercardioid）：这种类型比超心形指向性更好，对侧面声音的抑制更出色，同时比超心形拾取更多后方声音。  

  双向型（Bidirectional）：在相反方向上拾音效果相同，侧面拾音很少或几乎没有。由于其指向性图案形状，有时也被称为 8 字形图案（figure-eight pattern）。    图 4 - 8 展示了各类麦克风指向性图案。    
   麦克风灵敏度（Microphone Sensitivity） 

          衡量麦克风性能的一项指标是其灵敏度规格。它定义了在给定参考声音输入电平下，麦克风的电输出信号电平。简单来说，灵敏度体现了麦克风将声能转换为电能的效率。

          若将两种不同类型的麦克风置于相同声压级环境中，灵敏度更高的麦克风会输出更高的电信号，而灵敏度较低的麦克风输出则更低。一般而言，电容式麦克风的灵敏度高于动圈式麦克风。 

          这是否意味着灵敏度低的麦克风质量较差呢？并非如此。麦克风是为特定用途设计和选用的。例如，专业歌手通常近距离使用麦克风，会产生很高的声压级。相比之下，站在讲台后、距离麦克风一两英尺的演讲者产生的声压级要低得多。对于歌手，动圈式麦克风可能是最佳选择，因为它通常能处理更高的声压级而不失真，同时还能提供足够的电输出。而演讲者使用的麦克风距离比歌手远，使用更灵敏的麦克风无疑会更受益。 

          以下是一个灵敏度规格示例：           -54.5dBV/Pa           1 帕（Pa）的压力相当于 94 分贝声压级（SPL）。在此示例中，若向麦克风输入 94dB SPL 的声音，会得到 - 54.5dBV 的电输出信号。           尽管大多数制造商以 94dB SPL 作为参考输入电平，但你也可能会看到以 74dB SPL（0.1Pa）作为参考的情况。使用不同的输入参考电平，显然会产生不同的输出电平。  

  麦克风频率响应（Microphone Frequency Response）          衡量麦克风性能的另一项重要指标是其频率响应。它定义了麦克风在可听频谱范围内的电输出电平，进而有助于确定单个麦克风的声音表现。          麦克风的频率响应给出了它能够转换的频率范围，从最低到最高。它常以电输出随频率变化的二维图表形式呈现，如图 4 - 9 所示。展示麦克风指向性和频率响应特性的图形表示被称为极坐标图（polar plot） 。    

         对于指向性麦克风，整体频率响应在轴向上（直接朝向麦克风正面 ）表现最佳。当使用指向性麦克风偏离轴向时，不仅声音会减弱，频率响应也会发生变化。    麦克风阻抗（Microphone Impedance）          若要让麦克风发挥作用，必须将其连接到其他设备上。如何判断麦克风与所连接的设备是否兼容呢？          你必须考虑的另一项麦克风规格是其输出阻抗。阻抗是对交流（AC）电路中电子流动的阻碍作用（音频信号属于交流电路 ）。电阻则是对直流（单向 ）电路中电流流动的阻碍作用。阻抗和电阻的度量单位都是欧姆（Ω） 。          在电话和真空管早期，为实现最大功率传输，需使输出阻抗与输入阻抗匹配。现代音频系统采用最大电压传输，为此，设备输出阻抗应是所连接设备输入阻抗的十分之一或更小。如专业麦克风输出阻抗应≤200Ω ，与之适配的输入设备输入阻抗需≥2kΩ 。    麦克风以输出阻抗分两类：

• 低阻抗：≤200Ω（部分达 600Ω ）

• 高阻抗：＞25kΩ

专业麦克风属低阻抗，低阻抗麦克风抗噪性强，相较高阻抗麦克风，可支持更长电缆传输。   

 无线麦克风（Wireless Microphones）          无线麦克风有时也叫 “无线电麦克风（radio mics）” ，它用射频（RF）传输替代麦克风线缆，与音频系统的其他部分连接，部分无线系统则采用红外（IR）传输。          对于手持式麦克风，标准麦克风外壳常与发射器顶部集成，麦克风外壳和发射器制成一个整体。有时，也会将小型插头式发射器插入普通手持式麦克风的输出接口。         在免提应用中，领夹式或头戴式麦克风会插入腰包式发射器（如图 4 - 10 所示 ）。腰包式发射器可夹在皮带上，或放在口袋、 pouch（小袋 ）里。射频传输的另一端是调至发射器特定频率的接收器。          大多数射频（RF）无线麦克风允许你从一系列可用频率中进行选择，以避免来自外部源的干扰，以及来自其他可能正在使用的无线设备的串扰或互调失真。一些射频系统采用扩频、跳频技术，以最大程度减少发射器之间的串扰并防止被窃听。数字无线链路的使用越来越多，用于确保隐私并消除射频信号噪声    

即便最优质的无线麦克风链路，在可靠性和抗噪声能力方面，也不及标准麦克风线缆。

   频谱管理（Spectrum Management）          协调分配给无线麦克风系统、无线耳内监听系统、通信系统以及视听安装和运营中涉及的众多其他无线技术的频率，至关重要。全频谱频率分配计划是任何视听安装或制作的重要组成部分。该计划必须考虑当地频率分配法规，如第 10 章 “无线电频率分配” 部分所述 。

   麦克风线缆与连接器（Microphone Cables and Connectors）          麦克风及其他输入设备通过线缆和连接器与音频调音台相连。专业麦克风线缆采用屏蔽双绞线，包含以下部分：

• 一对细规格、绝缘、多股绞合的铜线（导体），绞合以实现共模噪声抑制。

• 包裹绞合导体的铝箔或编织铜屏蔽层。

• 包裹双绞线和屏蔽层的保护性绝缘护套。

      通常，屏蔽双绞线的两端采用行业标准的三芯 XLR 连接器端接，麦克风端为插座（母连接器），处理端为插头（公连接器）。  

        当同一位置间需要多个音频电路（如演示点与调音台之间 ），会使用多芯双绞线（常称 “蛇形线缆” ）。音频多芯线缆可在每个麦克风电路的独立 XLR 插头和插座端接，也可用集成所有电路的多针连接器，或在含面板安装连接器的出线盒端接，每个电路对应一个连接器。

   音频信号电平（Audio Signal Levels）     

     你已学会如何选择合适的麦克风并进行连接，接下来该做什么呢？首先，了解一些与音频信号相关的术语。

• 话筒电平（Mic level）

  ：无论何种类型的麦克风，都会产生一种低电平信号，即话筒电平。话筒电平仅为几毫伏（mV）。

• 麦克风前置放大器（Microphone preamplifier）

  ：由于话筒电平信号较弱，易受干扰和系统噪声影响，在进一步处理前，需通过麦克风前置放大电路（常称为 “话放（preamp）” ）将其放大为更强劲的线路电平信号。话放通常集成在音频处理设备的麦克风输入通道中，不过也有独立的麦克风话放设备。

• 专业线路电平（Line level, professional）

  ：专业音频系统中，线路电平约为 1V 。电压测量常以 1kHz 下 600Ω 阻抗电路为参考。线路电平是进行所有信号路由和处理的电平。

• 消费级线路电平（Line level, consumer）

  ：消费类设备中的线路电平低于专业环境，仅为 316mV 。电压测量常以 1kHz 下 10kΩ 阻抗电路为参考。消费级线路电平常用 3.5mm（1/8 英寸）立体声插孔插头或 RCA（唱机）连接器识别。

• 扬声器电平（Loudspeaker level）

  ：信号经路由和处理后，会送至功率放大器进行最终放大，达到扬声器电平。扬声器将放大后的电信号转换为声能。大型场馆系统的扬声器馈电电路，电流可达数十安，电压为数十伏 。

   信号电平兼容性（Signal Level Compatibility）          搭建系统时，需确保系统组件相互兼容。比如，把麦克风直接插入功率放大器输入，声音小，因话筒电平信号弱；功率放大器输出接期望话筒 / 线路电平的设备，会损坏组件。          麦克风直插有源音箱呢？有些公司生产有源音箱，集成立即设置、便携性好。有源音箱内置之前提到的信号处理电路，若有麦克风输入，就有话放，内部处理为线路电平，还内置功率放大器驱动音箱 。    信号电平调整（Signal Level Adjustments）          处理信号电平时，可能需改变电平，以提供更高电压信号，或避免因信号电压过高导致失真。以下是信号电平调整相关术语：

• 增大信号电平叫 “增加增益（adding gain）”，指对信号施加的放大程度。

• 减小信号电平叫 “衰减（attenuation）” 。

• 对信号电平的调整叫 “增益调整（gain adjustments）” 。

• “增益控制（gain control）” 指调整信号电平的总体能力。

• 对信号既不增益也不衰减，叫 “单位增益（unity gain）”，即信号通过音频系统时电平无变化 。

   音频设备（Audio Devices）

   我们已回顾了声音捕捉的基础知识，接下来将了解用于处理音频信号的设备。这些设备种类繁多，涵盖从均衡器到功率放大器等各类器材 。

   音频混音器（Audio Mixers）

        从最基本形式看，音频系统一端有声音源，另一端是声音的接收端。几乎在所有情况下，声源都不止一个。 

         音频技术人员要处理多样且多变的声源。比如音乐会中多个演奏乐器的乐手；播放设备如 CD、DVD、MP3 播放器或媒体服务器；会议中的多名参与者；戏剧表演里的多位演员。所有这些信号都汇聚到音频调音台。

         所有音频混音器的作用相同：合并、控制、路由，还可能处理来自多个输入的音频信号，再输出到多个端。通常，输入数量多于输出数量。  

         音频混音器常以可用输入和输出数量来区分。比如，8 进 2 出的调音台有 8 个输入和 2 个输出。每个输入的话筒或线路电平信号进入各自通道。许多调音台通过主母线或辅助母线，提供单个通道的均衡调整以及多种信号路由功能。           音频混音器也常被称为混音控制台、音频控制台或调音桌。 

          无论大小和复杂程度如何，只要混音器接收话筒电平输入，就会有话筒前置放大器。一旦话筒电平被话放放大到线路电平，就能被调音台的其他部分处理。 

         在输入和输出之间，典型的音频混音器有多个增益调节级，用于调整。这些调整让控制台操作员能平衡或混合音频源，为听众营造合适的声音平衡。

          有些音频混音器能自动打开和关闭话筒通道，像开关一样，这类叫门控自动调音台。还有些会提升正在使用的话筒通道音量，衰减（或静音）未使用的通道，类似音量旋钮，这类叫增益共享自动调音台。用于自动混音的通道应仅用于语音。其他声源如音乐，不应设为自动混音。大多数应用，尤其是音乐，需要现场操作员干预才能实现可接受的混音。

   音频处理器（Audio Processors）

         有多种类型的处理器可优化音频信号，需根据使用目的和听音环境来确定所需类型。常见的处理器包括限制器、压缩器、扩展器、噪声门和滤波器 。这些都是音频领域中用于对音频信号进行特定处理，以改善音质、控制动态范围等的专业设备 ，比如压缩器可压缩音频信号的动态范围，让大声部分变小、小声部分变大，使整体音量更均匀 。

         压缩器、限制器和扩展器都属于动态处理器，它们会改变信号的整体动态范围（动态范围指信号最响和最安静电平的差值，信号高低电平差异大则动态范围宽 ）。压缩器和限制器原理相近但用途不同。

压缩器特性（Compressors）

• 降低可调阈值以上信号的电平，避免大声信号过响。

• 阈值以上的衰减量由可调比率决定。

• 减小信号最高与最低电平的变化，压缩动态范围。

• 可用于防止信号失真。

极端压缩就是限制，限制器特点如下：

限幅器特性（Limiters）

• 限制可调阈值以上信号的电平，阻止高振幅信号通过。

• 用于防止扬声器等组件损坏。

• 由音频信号中的峰值（如麦克风掉落）触发，快速反应切断信号，避免超阈值。

• 阈值以上的限制量，比率比压缩器更激进。

• 限制信号最高与最低电平的变化，限制动态范围。
  

图 4 - 11 展示了使用限制器后对信号的影响 。 （这些是音频处理中控制信号动态范围的关键设备，用于优化音质、保护设备等 ）    

扩展器（更准确说是向下扩展器 ）（Expanders）

扩展器特性如下：

• 降低可调阈值以下信号的电平。

• 阈值以下的衰减量由可调比率决定。

• 信号电平衰减会增大最高与最低信号电平的差异，扩大动态范围。

• 用于减少不必要的背景噪声 。

噪声门（Gates）特性

• 可视为极端的向下扩展器。

• 静音处理可调阈值以下的所有信号电平。

• 信号电平必须超过阈值设置，才允许通过。

• 可用于自动关闭未使用的麦克风。
  

图 4 - 12 展示了应用噪声门对信号的影响 。

滤波器（Filters）

滤波器特性如下：

• 对信号中的特定频率进行滤波（衰减 ）。

• 陷波滤波器（notch filter）衰减特定窄频率范围。

• 低通滤波器（low - pass filters）让信号低频成分通过，衰减高频范围。

• 高通滤波器（high - pass filters）让信号高频成分通过，衰减低频范围。
  

图 4 - 13 展示低通和高通滤波器的工作效果 。

均衡器（Equalizers）

    均衡器（EQs）是频率控制设备，可提升（增加增益）或衰减（削减）特定频率范围。最简单的均衡器是家用立体声音响或环绕声接收器上的低音和高音 tone 控制。基础音频调音台输入通道的均衡器，可能提供简单的高、中、低频控制。

      在视听领域，常见两种音响系统均衡器：

     图形均衡器（Graphic equalizer）：常见的是 1/3 倍频程均衡器，有 30 或 31 个滑块调节，对应特定固定频率和固定带宽，频率以每 1/3 倍频程为中心。众多调节点可塑造系统整体频率响应，实现所需效果。因调节控件能大致直观呈现频率调整，故叫图形均衡器。

     参数均衡器（Parametric equalizer）：如图 4 - 14 所示，比图形均衡器更灵活。不仅能像图形均衡器那样提升和衰减，还可调节中心频率和滤波器带宽（常称滤波器 Q 值 ）。许多音频调音台输入端有简单参数均衡器。          均衡器类型多样，从简单音色控制到全参数均衡器。有些调音台结合固定和半参数控制。图形和参数均衡器用于系统级调整，可作为独立组件、内建于音频调音台，或集成在数字信号处理器（DSP）单元中 。    

延时器（Delays）

      电子延时在扩声应用中常用。比如礼堂有楼座下方区域，正坐楼座下的观众，主扬声器覆盖差，会装辅助扬声器覆盖。

      主扬声器和楼座下辅助扬声器的电子音频信号几乎同时到达，但声音从两个位置传到楼座下观众处时间不同，会有回声。因声音传播速度约 343 米 / 秒（1125 英尺 / 秒 ），远慢于电子音频信号的约 150,000 千米 / 秒（90,000 英里 / 秒 ）。

      这种情况下，对送往楼座下扬声器的音频信号用电子延时，调整延时量，让主扬声器和辅助扬声器的声音同时到达观众处 。

数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）

      音频数字信号处理器是基于微处理器的设备，分析输入的数字音频流，对信号进行数学运算和转换，实现多种功能，包括：混音、自动电平控制、滤波、均衡、限制、压缩 / 扩展、延时、变调、回声消除、反馈抑制、时间处理、矩阵路由与混音、扬声器处理 。

      DSP 可集成到调音台，也可作为独立设备。独立 DSP 有模拟输入输出，可衔接模拟设备，一个 DSP 能替代多个处理设备。部分 DSP 功能少，由前端面板控制；多数是多功能设备，需连外部控制系统配置编程 。

      编程配置 DSP 常需外部计算机运行专有软件，通过串口、USB 或以太网连接，也有 DSP 带网页界面，可通过浏览器配置。音频 DSP 编程技能是视听技术人员的宝贵资产 。

      信号处理需时间，DSP 会给信号路径引入延时（ latency ），用毫秒表示输入输出间隔。选 DSP 要考虑可能引入的信号延时 。

功率放大器（Power Amplifiers）

      功率放大器是信号到达扬声器前的最后一环设备，用于充分放大电子音频信号，驱动扬声器。通过提升信号增益（电压和功率），将线路电平（约1V）提升到扬声器电平，不同系统的扬声器电平要求：

• 典型音箱系统：4V以上

• 分布式音箱系统：最高70V或100V

• 超大型场馆：超100V

      有些基础放大器只有电源开关和输入灵敏度控制，如今很多集成数字信号器、扬声器保护逻辑及网络监控控制功能。理论上，放大器功率越大，信号放大越强，扬声器发声越响。

      功率放大器与扬声器用比话筒或线路电平更粗的多股线连接，线径取决于放大器到扬声器的距离及所需电流，扬声器线缆无屏蔽，可能绞合也可能不绞合。

      扬声器线缆常用的连接器是Speakon连接器，专用于专业扬声器连接。因坚固、耐用、可锁定且易用，被广泛应用。

扬声器（Loudspeakers）

      扩声中，扬声器是电信号路径的末端。麦克风转成电能、经音频系统处理的声能，再由扬声器转回声能。多数扬声器有共性：声学驱动器装在封闭空间内。扬声器适用性取决于用途，包括：

• 通信：简单公共广播、内部通话、疏散及警报系统、无线电通信。

• 扩声：讲座、演示、音乐表演、音乐会、戏剧制作、艺人返听。

• 声音重放：预录素材（如音乐、影视原声带）播放。

扬声器可设计为便携或固定安装型。

分频器（Crossovers）

      音频频谱涵盖很宽的频率范围，无法制造单个声学驱动器，精准且高效重放整个频率范围。解决方法是构建多驱动器的扬声器系统（如图4-15），扬声器箱含多个驱动器，每个覆盖不同频率范围。

      为让每个驱动器仅处理能精准转换的频率，会用叫“分频器”的电子分频设备。分频器可置于放大级前，为对应驱动器提供合适信号；也可接放大器输入，连至多驱动器扬声器箱。很多低功率扬声器箱会集成分频器，无功率（被动）分频网络，可分割输入信号频率，传至合适驱动器。

不同驱动器及对应频率范围示例：

• 高音扬声器（Tweeters）：高频

• 号角扬声器（Horns）：中高频

• 锥形/中频扬声器（Cone or midrange）：中频

• 低音扬声器（Woofers）：低频

• 超低频扬声器（Subwoofers）：超低频

扬声器灵敏度（Loudspeaker Sensitivity）

      扬声器的效率评级基于其将电能转换为声能的能力，类似麦克风，这一评级叫“灵敏度”，指特定参考输入电平下，扬声器的声输出信号电平。相同参考信号驱动时，灵敏度高的扬声器，声能输出比灵敏度低的高。

      尽管扬声器声学效率差异大，但灵敏度并非衡量其声学准确性的指标。扬声器特定标准设计选用，应用场景包括应急通知、寻呼、语音扩声、录音室、体育场馆、返听、巡演音乐会、广播、系统监听、音视频会议、宗教场所、音乐重放等。在视听系统中，难有其他设备像扬声器这般，有多样配置、价格，适配不同用途。

示例：扬声器灵敏度规格“88dB/1W@1m”，意为输入1瓦功率时，距扬声器1米处，声压级（SPL）为88分贝。

扬声器频率响应与极性模式（Loudspeaker Frequency Response and Polar Patterns）

      对于扬声器，和指向性麦克风类似，整体频率响应在轴上（正前方）最佳。偏离轴线时，不仅声级降低，频率响应也会改变。

      标记“标称扩散（覆盖）模式”的扬声器，该模式仅在有限的中高频范围有效。因低频波长长得多，扩散快，控制低频扩散模式需超大波导和箱体。

      用图形表示扬声器指向性与频率响应关系的是“极坐标图（polar plot）”，图4-16展示了扬声器极坐标图示例。

扬声器阻抗（Loudspeaker Impedance） 

          扬声器有标称阻抗评级，但阻抗随频率变化，该标称值并非在整个频率范围都准确，多数扬声器额定为4、8或16欧姆。           连接扬声器时，需知晓接功放输出端负载的总阻抗，了解总阻抗有助于：

• 实现系统最佳音量

• 避免功率浪费

• 防止功放过载损坏

• 保护扬声器

• 减少失真和噪声

• 避免声音分布不均

   音频信号电平监测（Audio Signal-Level Monitoring）   

       你已了解整个音频信号路径及涉及的信号电平（话筒、线路、扬声器电平），现在需检测并调整系统不同节点的信号电平确保其不过低或过高。   

 检查信号电平（Checking Signal Levels）          开启系统功率放大器前，要检查所有待使用的音频调音台通道，确保信号干净。调整话筒前置放大器及调音台、其他音频设备中所有增益级电平，直至功率放大器，同时验证无信号失真。           通常，借助调音台内置电平指示器检查信号电平，并用耳机确认。    注意：任何单个增益级都别调制最大，这样能减少信号路径引入的电子噪声和失真，是良好操作习惯。

1. 设置好增益级后，按以下步骤：

2. 将功率放大器输入调节调至最低。

3. 开启功率放大器

4. 缓慢调高功率放大器输入调节，直到扬声器达到所需声压级。

聆听系统并监测信号，确认无信号失真。    这些操作有助于避免信号电平过低（导致信噪比差）和过高（导致失真）。    模拟计量系统中，线路电平信号通常保持在0dBu（775mV）左右，正常使用时偶尔会超0dBu。    数字信号计量中，电平绝不能超0dBFS（数字信号满刻度），否则信号会被削波、失真。    设备常至少有一个LED指示灯显示信号电平状态，部分LED灯随信号接近/进入失真变色。标签可能有

• Signal present（信号存在）

• Overload（过载）

• Clip（削波）

   注意：读设备手册，助于正确操作、理解指示灯含义，红闪LED常表示信号失真，务必读手册。    平衡与非平衡电路（Balanced and Unbalanced Circuits）    所有电路及连接线缆会产生电磁场，与其他电路、线缆（含视听电路）相互干扰，噪声会降低信号质量，音频系统中可能引入哼声、嗡嗡声、噼啪声等。    平衡电路    用主动平衡电路（图4-17）可降噪，信号经两根相同平行线传输，称平衡信号。接收端合并信号，增强强度且抵消双导线拾取的外部信号（共模抑制）。音频中尽可能用平衡电路，尽管成本高。音频线中，两信号导体常绞合，外裹接电地的屏蔽层，即屏蔽双绞线（图4-18）。    

  非平衡电路    低成本非平衡电路（图4-19）中，信号经单导线传输，无反向信号抵消外部干扰，线缆拾取的外部信号会出现在输出。非平衡线缆的单导体外有屏蔽层，兼作回路，也叫单端电路。

   无论平衡与否，线缆越长，受噪声影响越大。非平衡线路传输距离和传可用信号能力极有限。         判断设备平衡/非平衡，看输出/输入，非平衡音频设备和线缆通常有非平衡电路的连接器，每个信号仅对应一个插脚或部分，加一个返回连接器。常见的有RCA（唱机插头）和3.5mm（1/8英寸）插孔插头。广泛用于便携设备和电脑的三段式3.5mm（TRS）插孔插头，仅用于非平衡电路，实际传输两个独立非平衡信号（立体声信号的左右声道），加一条公共信号返回线。         平衡线路系统最常用的连接器是三芯XLR。这些常见连接器类型见（图4-20）。  

反馈（Feedback）

         声反馈是音频系统中有 时出现的啸叫或轰鸣音，由系统输出反馈回输入产生。通常是扬声器输出被麦克风拾取，经反复放大形成反馈环路，使系统不稳定。麦克风距扬声器过近，或系统某处增益（音量）过高。都会引发反馈。         避免反馈的方法之一是合理放置麦克风和扬声器，控制反馈的最佳实践包括：

• 每个麦克风尽量靠近声源。

• 扬声器置于麦克风前方，且实际可行的最大距离。

• 选指向性适配使用需求的麦克风。

• 选覆盖范围仅含观众区的扬声器。

• 所有增益调至系统最佳效能所需的最低水平。

   音频系统应用示例（Examples of Audio System Applications）

         我们已完整回顾音频信号链（从麦克风到扬声器），你也了解了各类信号电平、所用线缆，及音频专业人士偏爱的电路类型（平衡电路）。现在要介绍几种常见音频系统应用。

    扩声或公共广播（Sound Reinforcement or PA）

     若无法以足够声学电平（未放大时 ）听到声音，就用麦克风、音频调音台、信号处理器、功率放大器和扬声器，电子放大声源，让你听到并传给更大 / 更远的受众。

     一般来说，扩声分音乐扩声和语音扩声两类。现场制作中，扩声系统常被称为 PA（公共广播 ）系统，最初指简单语音扩声系统。依音乐内容，音乐扩声系统可能需覆盖大部分可听频谱，故多为全带宽系统，能重放宽频率范围和高声压级。语音扩声系统用于受众无法听清未放大演讲者的场景，因人类语音带宽有限，这类系统无需设计成全带宽。

减混响（Mix-Minus）

     “减混响” 系统是一种特殊扩声系统，会刻意省略完整混音中的某些元素。当扬声器和麦克风距离过近，极可能引发系统反馈时，常使用该系统。比如会议中，参会者和演讲者的声音需被听到，麦克风与各组扬声器需精心分配、混音，这给系统稳定运行带来挑战 —— 若 live 麦克风靠近放大其信号的扬声器，就会产生反馈。对于需要本地 “返听” 扬声器的音乐家和歌手而言，用减混响馈送也很常见，能让他们听到自己及部分其他乐手的声音。

     做法是为每个扬声器或扬声器组（称 “扬声器区” ）创建独立声音子系统。“减混响” 即每个子系统混音时，减去（或排除 ）可能引发本地回声或反馈的麦克风信号。

内部通话与寻呼系统（Intercom and Paging System）

内部通话系统（Intercoms）

      内部通话系统是用于人员或房间间通信的音响系统，通常（非绝对 ）用于同一建筑或建筑群内。一般包含带本地（个人 ）站的中央单元，也可含多个卫星或远程站，提供类似电话的双向通信。

   寻呼系统（Paging systems）

        寻呼系统仅用于单向通信，常向大量受众传递信息。可简单如超市临时广播，也可复杂如生命威胁场景的应急通知系统，重点是覆盖范围和可懂度。

   播放系统（Playback Systems）

         播放系统类似音乐扩声系统，但不用麦克风，仅播放预录素材和数据流的音频部分。设计良好的单个音频系统，常用于语音扩声、音乐扩声和播放功能。

   音频会议和视频会议音频系统（Audioconferencing and Audio for Videoconferencing）

         会议，尤其是音频会议，是不同地点的人群之间开展的沟通。根据参会群体的规模，多麦克风音频会议模块可放置在参会者之间的桌面上，也可悬挂在他们头顶的天花板上。大型参会群体可能需要在桌面上安装多个独立麦克风，作为更庞大的集成视听系统的一部分。音频会议系统通常包含基于数字信号处理（DSP）的声学回声消除、噪声门和电平压缩技术。这类系统还可能具备语音增强、辅助信号源输入、流媒体传输和播放功能。          视频会议音频系统通常是为支持视频会议而设计的音频会议系统的一种形式，主要区别在于麦克风的布置更为隐蔽。

   声音掩蔽（Sound Masking）

         在几乎所有其他类型的音频系统中，尽量降低背景噪声都很重要。而对于声音掩蔽（也叫语音隐私）系统而言，会刻意将背景噪声引入环境，以此降低远处对话的可懂度，进而助力实现语音隐私。该声音掩蔽系统还有助于减少由其他噪声（比如机械系统产生的噪声以及外部交通噪声）引发的干扰。

   章节回顾（Chapter Review）

      在本章中，你学习了声音传播的基础知识、声波的频率和波长、谐波、分贝以及声学环境。以这些知识为基础，你了解了如何将声音的基本原理应用到用于放大语音、音乐和其他音频的电路路径中。

      电声信号链，从始至终，涵盖了从麦克风到调音台、处理器再到扬声器的所有设备。音频系统中的每个设备都有不同的特性和特点，视听专业人员会根据客户需求进行选择。