方兴未艾的电声技术　

1　电声学

　　声学是物理学的一个分支，研究声波的产生、传播、接收和效应等。20世纪以来，随着电子学的出现和放大器的应用，应用声学得到迅速发展。近代声学根据研究的方法、对象和频率范围可以分成许多分支，如理论声学、电声学、建筑声学、心理声学、语言声学、水声学、超声学、分子声学、噪声学和音乐声学等。

　　电声学研究电声换能的原理、技术和应用，是电子学和声学的交叉学科。经典的电声学主要研究换能器的原理和设计，目前已扩展到包含制造声音、加工美化声音的新领域。新的换能原理也在不断发展。数字技术的发展对电声学提出了更高的要求。

　　电声学是声学中较年青的学科，又是一门综合性的学科，具有跨专业(力学、声学、电学、光学、心理学、音乐声学等)及技术和艺术相结合的特点。

　　电声技术是以电声学为基础的一门新技术领域。它涉及的知识面非常宽，除涉及声、光、电理论，还与机械加工、元器件研制、生产、无线电技术、电子测量、仪器制造、计算机技术、激光技术及音乐乐理、心理声学、生理声学等有极密切的关系。要录制一个好节目，实际是用科学技术使艺术表现更完美。要提高电声技术水平，不仅要学习掌握电学、声学方面知识，还要不断学习音乐知识，提高艺术修养和鉴赏能力。

2　电声技术三大任务
　　
(1)保真地保存声音

　　1877年秋天，爱迪生发明了世界上第一台留声机，使人类千百年来“愿声音长留人间”的梦想首次实现；1898年丹麦科学家波尔森发明了世界上第一台录音机，使保留声音的方法大为简便；1963年荷兰菲利浦公司研制出盒式录音机后，使人们实现上述愿望十分方便。短短30几年，录音机已遍布世界城市与农村。不仅出现了各类高档的磁带录音设备，密纹唱片等，还出现了激光唱机、激光电视唱机等。它们失真小，动态范围大，信噪比高。这些数字音响设备较之以往的模拟产品有一个很大的飞跃，使复制的声音更加逼真。
　　
(2)制造声音

　　长期以来，人们不仅使用自身的发音器官，还发明了很多乐器，如笛子、二胡、手风琴、圆号、单簧管、双簧管、钢琴、提琴等。这些乐器的演奏方法都不外乎吹、拉、弹。

　　电声技术的发展使乐音产生有了新的突破，电子乐器脱颖而出。电子乐器发出的声音是用仪器分析各类乐器的频谱，然后用人工的方法根据需要将不同强度、不同频率的振荡电压合成，产生优美动听的音乐。如C调“1”对应的频率为261.6赫，A调的“1”对应440赫，只要发出相应频率，就能产生对应的声音。电子琴就是根据这些原理制成的，除能发出钢琴、提琴、簧管、圆号等十多种乐器的声音外，还具有自动和弦、低音贝司伴奏、颤音、滑音等多种功能。电子乐器是无线电技术、声学理论和音乐艺术相结合的产物。
　　
(3)加工和美化声音

　　随着物质文化生活水平的提高，人们对音质有了越来越高的追求。人们已不满足于单纯地听，还希望在屏幕上看到形像。于是视频系统开始进入家庭，出现了卡拉OK“AV”系统。

　　现代音乐爱好者已不满足于前方几十度范围内音像的再现，而希望将声场扩展到整个房间，开始追求音乐厅那种临场感，那种逼真的感觉和烘托的气氛。于是相继出现了双声道立体声系统、四声道立体声系统和家庭影剧院系统等。

　　为更好地适应人的听觉，出现了均衡器和响度控制电路。为模拟厅堂音质效果，出现了延时器、混响器。为形成音乐高潮，出现了激励器。为适应不同年龄、不同性别、不同特点人的嗓音，出现了变调器。人们的欣赏水平逐步提高，音质加工设备也越来越先进。声频处理设备有调音台、伴唱机、放大器、均衡器、混响器、激励器、合成器、降调器等很多种，它们都是采用电路原理来实现声学要求，适应人耳听觉需要。这些设备需正确运用才能收到良好的声学效果，如不懂调整原则，随意乱调，再先进的设备也达不到美化声音的目的。比如人耳有谐振功能，对2－5千赫声音，尤其是3－4千赫声音更敏感，因此，在小声级重放的条件下，调整均衡器时建议在频带内调成“V”字型(也称马鞍型)，这样均衡器上2－5千赫的谷与人耳2－5千赫峰迭加才会形成一条平直的频响。又比如用延时混响器来模拟厅堂音色，首先要了解厅堂中各种声音的比例，进而用电子技术方法来重现厅堂音质效果，为此，混响和延时量的掌握是十分重要的，如此等等。上述例子说明要用好音质加工设备必须学习电声方面的基本理论，了解音乐知识，提高艺术修养，才得以把声音加工得尽善尽美，实现技术和艺术的统一。

3　关于数字音响

　　70年代以前，声音信号的录制、传输和放大都采用模拟信号。在制造和传输过程中不可避免会失真，也易受到噪声干扰，尤其在信号较弱时，噪声影响更加明显。采用这种方式的音像设备的动态范围、信噪比等指标难以大幅度提高。数字音响技术是在解决模拟技术存在的问题中发展起来的先进技术。
　　
(1)数字音响技术中常用的一些概念和计算

　　模数转换：数字技术是将模拟信号分成一个个点并采用一系列数字代码表示。点取得越密，传真度越高，失真度越小。将模拟信号变成数字信号的过程叫模数转换，又称A/D转换。A/D转换过程由采样、保持、量化和编码四个步骤完成。

　　采样与采样频率：数字技术中，不可能也不需要对模拟信号的每个点都进行处理，只需等间隔地取若干点进行处理，这种取点方式称“采样”。采样是每隔一定时间把信号的瞬时值取出，成为一系列幅度有变化的脉冲信号的过程。采样值是按等时间间隔所取得的某一连续变量的离散值。采样的时间间隔用t表示，采样频率指单位时间内采样次数，采样频率fs=1/T。如每20微秒取一个点，则采样频率fs=1/(20×10－6)=50千赫。用这个公式，在已知采样频率数值的情况下，也可以算出采样的时间间隔。

　　采样频率值的选取要求是：按采样定理，一个最高频率为f的连续信号可用时间间隔相隔1/2f秒的一系列离散数值来表示。因此采样频率应该等于或大于信号最高频率f的两倍。实际电路中采样频率应尽可能取得高些，这样精度更准确。采样频率也是指数字化后每秒钟的切分点数。如激光唱机采样频率44.1千赫，即每秒钟将音频信号分为44100个点，每个点作为一个采样点被采样。

　　数模转换：数模转换即D/A转换，有时亦称译码，指将数字信号转换为连续变化的模拟信号。完整的转换系统包括数码器、数字存储、参考电压源、输出放大器等。按转换方式分为并行及串行数模转换器。

　　比特(bit)：比特指二进制数据或代码的数位，它是信息量的最小单位。数字化音响中用电子脉冲表达音频信号，1代表有脉冲，0代表脉冲间隔。如果波形上每个点用四位一组的代码表示(比如0011)称4比特(4bit)。16比特指用16位二进制代码表示一个点。二进制码中，n比特代表能区分2n个二进制状态的信息，即分辨率为1/2n。比特数越高，拾取模拟信号越精确，对音频信号还原能力越强。14比特指将信息分为214=16384个电平数，16比特将信号分为216=65536个电平数。16比特代表将一个信号分为6万多量化层，因而可以十分准确地拾取到极其微弱的信号。理论上16bit用于重放音乐中多声部的大型交响乐也是可以胜任的。随着比特数的增加，设备的控制系统的准确度将进一步增强，目前已有20比特，甚至32比特的CD唱机问世。

　　D/A转换器的比特数与信噪比之间有一定关系，S/N(信噪比)=6n＋1.8(n为比特数)。以常用的16比特的CD唱机为例，其信噪比约为6×16＋1.8=97.8分贝。

　　每秒钟脉冲量的计算：如某激光唱机16比特，采样频率44.1千赫，则每秒钟脉冲量为16×44100=705600，这每秒钟70多万次的脉冲在录制中要进行编码，重放时再按一定规律还原成模拟信号。
　　
(2)介绍几种数字化概念

　　模拟录音：用传统的模拟设备录制节目。其特点是音色优美、保真度好，但信噪比差。

　　数字录音：用数字设备录制节目。其特点是信噪比高，动态范围大，失真小，复制性能好，但音色较硬。

　　激光唱片录音方式有两大类，一类为数字录音，另一类为模拟录音。在CD唱片的片基和封装上都有标注录音方式的说明。国内常见的有3种(其中A代表模拟，D代表数字)。DDD表示数字录音、数字混音、数字制版，又简称“3D”唱片，适合录制大型交响乐。ADD表示模拟录音、数字混音、数字制版，音质略低于DDD录音方式，一般用于轻音乐录制。AAD表示模拟录音、模拟混音、数字制版，重放时噪声较前两种稍大，一般用于录歌曲、歌剧。另外还有DAD方式等。

　　数码录音机问世后，专用的数字录音带已开始生产。目前主要有以下两种数字录音带：

　　DAT带：数字音频磁带。16比特量化，采样频率48千赫。采用超微细金属磁粉，具有较高灵敏度和较低噪声，其放音特性已接近于激光唱片(动态范围大，信噪比高，失真小)。它的外型与目前录音带不同，类似录像磁带，采用全封闭式带盒，利于防尘和保护带基。但因其价格居高不下，又不能与现有录音机兼容，因此不如激光唱机那样被普及。

　　DCC带：数字盒式磁带。其动态范围高达105分贝，信噪比大于92分贝，可传输最大码率为768kb/s(768千字节/秒)。该磁带是近年来菲利浦公司推出的新产品。将新老录音技术有机结合，采用数字技术，可接近激光唱片的音质，最大优点是可以和传统的模拟式录音磁带兼容。在DCC录音机上既可使用DCC磁带，又可使用普通磁带，为拥有大量普通磁带的家庭带来了便利。据预测，DCC技术很可能成为录音磁带的主流。
　　
(3)数字音响技术的优势

　　由于采用了先进的数字技术，数字化音响设备的各项电声指标远远高于模拟音响设备。

　　动态范围大，至少可做到80分贝。一般模拟电声设备不可避免有噪声，而数字设备可将节目交接处处理得十分干净，比较激光唱片节目间隙和广播电台节目间隙处的噪声就会有明显的感受。当信噪比为80分贝时，信号是噪声幅值的1万倍。模拟音响设备要达到这个水平十分困难，而数字音响设备还可以达到比80分贝高得多的水平。

　　失真度和抖晃率均极低。数字技术中每秒钟的取样脉冲达几十万个，可无限趋近于信号原形，使失真度和抖晃率非常低，甚至达到现有仪器难以测量的程度。

　　目前常见的数字化音响设备是激光唱机和激光电视唱机。近年来，数字式录音机、数字式混响器和采用数字技术的音视(AV)放大器不断问世，数字式音响已开始自成系统，成为音响技术发展的方向。
　　
(4)数字技术的前景

　　纵观最近几年世界各地音响展，发觉一大特点是计算机、激光等高科技融入电路中，使设备功能多样化，而操作十分简单。另一特点是音像结合，且音、像的指标不断提高，图像的高清晰度和声音的高保真的完美结合，使人们得到美好的享受。

　　目前，世界范围的新技术革命迅猛发展，各国政府都在以促进科技经济一体化为目标，不失时机地调整发展战略，增强竞争力。在广播电视方面，数字音频广播、高清晰度电视及多媒体技术将使传统方式大为改观。在微波、卫星和光纤通讯中，数字传输比重将进一步加大。可以预计，在整个广播电视技术系统中，除了发端的传感器和收端的扬声器、显示器及其附属电路外，全面实现数字化用不了太久了。数字化是方向，它终将取代现存的模拟设备。

　　数字音频广播(DAB)：DAB采用数字音频技术，用先进的源编码和讯道编码及掩蔽技术进行声音广播，是一种新的优秀的声音广播方式。接收这种广播信号受周围环境影响小，不管在家中还是在路上，只要电磁波能到达的地方，均可听到CD唱片那样音质的广播。

　　DAB亦称DSB，将是21世纪声音广播的革命性转变。不仅使声音具有CD片的质量及满足移动接收的要求，而且可大幅度地节省发射机功率。它采用地面和卫星传输相结合的方式，不仅在音质上可使调幅(AM)广播接近调频(FM)水平，而且在调幅广播中将同时兼容传送附加信息，提供交通信息、天气预报等服务，称为AM－RDS系统。

　　未来家庭的音像系统：数字化音像设备将进入家庭，可在听到优美音乐的同时看到高清晰度图像，并能与计算机相连，使音像重放智能化。

　　多媒体：多媒体终端开始萌芽。计算机能兼看电视及兼容电信联络的初级产品已上市。由于终端内部由计算机统一管理，可省去多余的功能模块，这是一种很合理的新体制，大有发展前途。它的出现涉及到广播电视、计算机应用和电信三大技术，是超出广播电视系统在更大范围内的综合利用，能更充分有效地发挥各种资源的效益。这种网络建成时，用户利用共用数字出入通道，经切换中心，可以取得各种广播电视节目的音像资料，进行计算机数据交换和通信联络。

　　PC机发展很快，中心处理器CPU不断更新换代，同时开发出一系列软件硬件接口，如声音板、活动图像接口、解码器、传真卡、鼠标、编辑控制器、动画控制器等，使PC机成为现代化多媒体的强有力工具。与此同时，微处理器进入了许多设备内部，如摄像机、视频混合器、特殊效果产生器等，近年来又开发了磁带库、新闻交换系统与图形工作站等。美国已通过综合业务数据网(ISDN在PC机间进行了首次数字声音广播，配上图形和调谐接口卡的PC机已上市，可以直接当电视接收机用。在这种PC机上，使用“捕捉”软件，可“冻结”图像，加以处理，能即时印刷出来。

　　电信和广播技术将日益趋同。电信传输质量将提高到满足广播的高质量水平水准，不仅能传输语言，而且能将声音和图像直接传到用户。除地面广播信道外，卫星广播信道和光缆网络等大容量传输技术，特别是多媒体信息的数字化技术的迅速发展，将各种不同信息综合在一起形成统一数据流。综合业务数据网和综合业务数字广播(ISDB)能传送图像、声音、数据及其他图形业务(如传真报纸等)。用户可经通信网选择所需广播、电视或其他服务。

(北京广播学院)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《广播电视信息》2000.8