[转载]音频设备的电平表(马宁)
(2018-05-02 15:05:20)
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原文地址:音频设备的电平表(马宁)作者:青竹
任何电子设备都有个合适的工作电平范围,模拟磁记录更加如此。录音电平低,信噪比差,动态范围小。录音电平大,会产生严重失真。录音机和放大器都是如此。
因此音响设备需要有音频电平的指示表,用来显示音量电平。因为声音电平是始终波动变化的,所以音频的电平表必须是动态的指示表。也就是说,它是不能用非连续显示的数字万用表和反应非常迟钝的指针式万用表来代替的。音频设备的电平表主要分二类,包括具有惯性和线性运动的指针式音量表,以及具有对数显示特性并且几乎没有惯性的峰值音量表。
VU表
早期的音量表都是指针式的,叫做VU表,也就是英文Volume Unit的缩写。它是采用平均值检波器并按简谐信号的有效值确定的,因此是一种准平均值表。它的刻度用对数和百分数表示,并将参考电平(0VU,100%)定在满刻度以下的3dB处。由于音乐和语言的音量变化相对电平变化是不一一对应的(因为人耳感受到的,是音量的有效值,而非瞬态值),因此VU表就是按照人耳的这种特性和大量语言,音乐电平变化的统计平均值,将它的反应时间定为300mS。具体说VU表的指示动作特性(即时间特性)是这样规定的:当以稳态时达0VU(100%)的1kHz简谐信号突然加入VU表时,指针达到刻度上99%处所需的时间应为300±30ms,指针的过冲不得超过稳态值的1.5%,过冲的摆动不应超过一次;当信号突然消失后,指针从100%降到1%所需的时间也应是300±30ms。在这种时间特性下,绝大部分的节目源都可以做到VU表的指示摆动趋势与人耳朵的音量听感基本一致。也就是说VU表可以很好地显示声音的响度!
VU表是有标准的,说它快也好,慢也好,300mS就是标准,要快大家都快,要慢大家都慢。全世界的调音台,专业录音机等等,用VU表的就要一致,用PM表的也要一致,就连正规电脑音频软件(例如我的头像的那个截图的软件,当然拉圾软件,粗制滥造软件不算)模拟的电平表,也要按照标准来做。否则可以叫做电平表,不能叫做VU表。这些都有国际标准和国家标准。国际标准主要是IEC第268号文件第17段规定的,国标则遵从此标准。即使在现在,一个上海RS公司出售的小型VU表,单个定价仍然要135人民币,50个批量的定价还要121人民币,是属于仪器仪表的。
指针式VU表的反应速度决定因素
VU表的反应时间,是由表头机械系统的转动惯量和驱动电路的时间常数共同决定的,乃是录音时重要的参考依据。如果信号是一个信号源的稳定信号,随便用什么时间特性的电表都没大关系。如果是起伏不定的音乐信号的话,用不符合标准的VU表作为录音电平的参考,会让人找不到北,录音电平会有比较大的偏差。
表头的驱动力非常小,游丝系统的回转力也非常小,所以即使两个表头的电性能一样,但单单是表针的质量偏差,已经足以明显改变VU表的上升和下降时间了。VU表的问题不在其稳态的指示,用一个稳定信号输入,任何表都可以校准在相同的刻度。但对音乐信号的反应才是VU表最重要的。如果两个表头本身不一样的话,播放一段单声道的音乐磁带,两个声道表头的指示,以及其动态(运动状态)绝对是不一样的。但播放单声道的测试带,指示就会一样,问题就在这里了。
VU表的反应速度要求,决定者是表头本身。表头本身必须有适当的阻尼,欠阻尼的表头速度快,但到达指定地点后会过冲然后再退回,摇摆多次才能停稳。过阻尼的表头可以稳定停在指定地点,但整个过程拖泥带水速度很慢。这二者都不能作为VU表,因为VU表的意思是音量单位表,其表头的摆动特征,必须与人耳对音量的感觉吻合。反应慢跟不上音量起伏的变化,太快则因为不欠阻尼不稳定,表针的运动趋势与音量的起伏变化趋势不吻合,也不能作为VU表。真正的VU表是很讲究的,看看真正专业的开盘机上电平表是怎么摆动的,再看看一般卡座的就可以分辨出不同之处。就连用传统指针万用表测个电压电阻之类的,不同型号万用表的表现都有区别,有的动作很快但不稳定,有的慢腾腾。因此万用表不能作为VU表。其实专业VU表是有单独出售的,作为标准部件,里面只串一个校准电阻,因为专业设备的0VU对应的电平是全世界一致的。
标准的VU表,显示的最小电平是-20VU。最大是+3VU。有些VU表的显示范围大于此数。
PPM峰值表
因为VU表虽然其摆动趋势与人耳听感接近,但反应速度太慢(很多音乐,语言和自然环境的声音,其上升沿都非常快速,在毫秒级甚至以下),VU表不能正确反应出来,容易造成过载失真,因此峰值表就出现了。峰值表(简写PPM)是专门为显示瞬态信号电平的,它的时间特性定义是上升时间非常短,一般为10ms;而它的下降时间却相当长,一般为1.5s左右。PPM表可以很好地显示瞬态电平,确保任何情况下都不过载。但它的指示趋势与响度(也就是耳朵的听感)并不一致。稍微观察就会发现,PPM显示上升沿好像触电一样弹上来,跟着又赖着不肯下去。PPM表指示飞速上升的时候并没感觉声音随之变得响亮,而当声音已经快消失完了,电平表还显示着一定的数值。因此PPM的缺点也是很明显的,它的指示和听感相当的不一致。有兴趣者,可以下载WinAMP播放软件的插件,里面有指针式的峰值表。
随着技术发展,采用发光元件作为电平显示逐渐普遍了。大部分发光元件(LED,VDF荧光管等)的反应速度都是毫秒以下的。实际LED是达到微秒以下。因此显示的滞后就不再是问题了,几乎可以要多快有多快。因此发光元件电平表首先是作为PPM表用途。当然作为PPM表的话,还得用电路把它的上升时间延缓到10mS,下降时间延迟到1.5S,因为这是标准。如果多段式电平表没有电路处理,让电平表严格根据信号显示的话,没人能盯着看超过一分钟,因为其高速的上升下降让人头晕眼花。
PPM峰值表的最低显示电平,标准的是从-50开始,最大+5。
指针表与发光表,VU表与峰值表
由于VU表自从出现就是指针式的,所以有些人就以为指针的就是VU表,发光显示的就是峰值表。其实不然,很早以前在没有发光元件电平表的时候,就有了指针式的峰值表。很多专业的调音台都采用指针式峰值表。卡座方面著名的AIWA AD-F80就同时具备指针VU表与PPM表。而发光显示电平表方面,其显示时间特性完全由驱动电路决定,可以做成VU的,也可以做成PPM的,既可以做成带峰值保存的VU表,还可以随心所欲做成四不像电平表。
卡座的电平表
早期卡座的电平表都是指针式VU表,后来有些卡座也采用了指针式PPM表。为防止峰值过载,有些卡座还加了LED的峰值电平指示作为辅助。到VDF和LED被广泛采用以后,卡座逐渐采用了发光式电平表。发光式电平表是可以做成PPM的,但考虑到卡座的用户大部分并非专业人士,峰值表的显示与听感很不统一,难以习惯,所以绝大部分卡座的发光电平表最终做成了以PPM速度上升,以VU表速度下降这样的四不像电平表。这样它可以准确反应信号高电平以防过载,又可以较快下降以便符合听感。
此外,很多卡座的电平表还增加了峰值保持功能(很多专业的电平表也有此功能),让显示最高电平的那个发光单元(最右或者最高的那个)多亮一会,直至达到预定时间自动消失或者被更高的电平所取代,这样就容易看清楚刚才电平曾经有多高。
还有些卡座采用额外的数字显示,直接显示高于某特定值以后(例如零以上)电平的数字。
DAT的电平表
DAT是数字设备,其电平是绝对不可以超过最高量化位的。因此DAT(以及其他数字音频设备也一样)的电平表,其刻度的最大值是0,不容许也不可能有0以上的数值。这是数字设备电平表与模拟设备电平表最大的区别。因为数字设备的动态范围一般比较大,所以数字音频设备的标准电平参考点一般是在-18~-12dB左右,总之在任何情况下最大也只能是0。
绝大部分DAT的电平表,也是峰值上,VU落,带峰值保留和数字式峰值显示的。
发光式电平表的分辨率
发光电平表的分辨率取决于采用多少个发光元件,因此涉及到成本的问题。专业PPM表可以超过四五十段,而卡座的则普遍在12-16段居多,有些电平表最低电平那一位(最左面)是永远亮着的,因此不能算作一位。此外,还有的电平表把一位显示单元做成两段甚至三四段,看起来显示很精密,其实一亮就是几段,其分辨率根本没提高。
因为卡座是一般民用消费类电子设备,因此卡座是没有固定的参考输出电平的。不同厂家的卡座,以及同一个厂家不同型号的卡座,其0dB对应的输出和输入电平都没有一定。一般我见过的卡座的0dB输出电平,最低者只有70mV左右,最高者则在数百mV,高于500mV者甚少。
因此音响设备需要有音频电平的指示表,用来显示音量电平。因为声音电平是始终波动变化的,所以音频的电平表必须是动态的指示表。也就是说,它是不能用非连续显示的数字万用表和反应非常迟钝的指针式万用表来代替的。音频设备的电平表主要分二类,包括具有惯性和线性运动的指针式音量表,以及具有对数显示特性并且几乎没有惯性的峰值音量表。
早期的音量表都是指针式的,叫做VU表,也就是英文Volume Unit的缩写。它是采用平均值检波器并按简谐信号的有效值确定的,因此是一种准平均值表。它的刻度用对数和百分数表示,并将参考电平(0VU,100%)定在满刻度以下的3dB处。由于音乐和语言的音量变化相对电平变化是不一一对应的(因为人耳感受到的,是音量的有效值,而非瞬态值),因此VU表就是按照人耳的这种特性和大量语言,音乐电平变化的统计平均值,将它的反应时间定为300mS。具体说VU表的指示动作特性(即时间特性)是这样规定的:当以稳态时达0VU(100%)的1kHz简谐信号突然加入VU表时,指针达到刻度上99%处所需的时间应为300±30ms,指针的过冲不得超过稳态值的1.5%,过冲的摆动不应超过一次;当信号突然消失后,指针从100%降到1%所需的时间也应是300±30ms。在这种时间特性下,绝大部分的节目源都可以做到VU表的指示摆动趋势与人耳朵的音量听感基本一致。也就是说VU表可以很好地显示声音的响度!
VU表是有标准的,说它快也好,慢也好,300mS就是标准,要快大家都快,要慢大家都慢。全世界的调音台,专业录音机等等,用VU表的就要一致,用PM表的也要一致,就连正规电脑音频软件(例如我的头像的那个截图的软件,当然拉圾软件,粗制滥造软件不算)模拟的电平表,也要按照标准来做。否则可以叫做电平表,不能叫做VU表。这些都有国际标准和国家标准。国际标准主要是IEC第268号文件第17段规定的,国标则遵从此标准。即使在现在,一个上海RS公司出售的小型VU表,单个定价仍然要135人民币,50个批量的定价还要121人民币,是属于仪器仪表的。
VU表的反应时间,是由表头机械系统的转动惯量和驱动电路的时间常数共同决定的,乃是录音时重要的参考依据。如果信号是一个信号源的稳定信号,随便用什么时间特性的电表都没大关系。如果是起伏不定的音乐信号的话,用不符合标准的VU表作为录音电平的参考,会让人找不到北,录音电平会有比较大的偏差。
表头的驱动力非常小,游丝系统的回转力也非常小,所以即使两个表头的电性能一样,但单单是表针的质量偏差,已经足以明显改变VU表的上升和下降时间了。VU表的问题不在其稳态的指示,用一个稳定信号输入,任何表都可以校准在相同的刻度。但对音乐信号的反应才是VU表最重要的。如果两个表头本身不一样的话,播放一段单声道的音乐磁带,两个声道表头的指示,以及其动态(运动状态)绝对是不一样的。但播放单声道的测试带,指示就会一样,问题就在这里了。
VU表的反应速度要求,决定者是表头本身。表头本身必须有适当的阻尼,欠阻尼的表头速度快,但到达指定地点后会过冲然后再退回,摇摆多次才能停稳。过阻尼的表头可以稳定停在指定地点,但整个过程拖泥带水速度很慢。这二者都不能作为VU表,因为VU表的意思是音量单位表,其表头的摆动特征,必须与人耳对音量的感觉吻合。反应慢跟不上音量起伏的变化,太快则因为不欠阻尼不稳定,表针的运动趋势与音量的起伏变化趋势不吻合,也不能作为VU表。真正的VU表是很讲究的,看看真正专业的开盘机上电平表是怎么摆动的,再看看一般卡座的就可以分辨出不同之处。就连用传统指针万用表测个电压电阻之类的,不同型号万用表的表现都有区别,有的动作很快但不稳定,有的慢腾腾。因此万用表不能作为VU表。其实专业VU表是有单独出售的,作为标准部件,里面只串一个校准电阻,因为专业设备的0VU对应的电平是全世界一致的。
标准的VU表,显示的最小电平是-20VU。最大是+3VU。有些VU表的显示范围大于此数。
因为VU表虽然其摆动趋势与人耳听感接近,但反应速度太慢(很多音乐,语言和自然环境的声音,其上升沿都非常快速,在毫秒级甚至以下),VU表不能正确反应出来,容易造成过载失真,因此峰值表就出现了。峰值表(简写PPM)是专门为显示瞬态信号电平的,它的时间特性定义是上升时间非常短,一般为10ms;而它的下降时间却相当长,一般为1.5s左右。PPM表可以很好地显示瞬态电平,确保任何情况下都不过载。但它的指示趋势与响度(也就是耳朵的听感)并不一致。稍微观察就会发现,PPM显示上升沿好像触电一样弹上来,跟着又赖着不肯下去。PPM表指示飞速上升的时候并没感觉声音随之变得响亮,而当声音已经快消失完了,电平表还显示着一定的数值。因此PPM的缺点也是很明显的,它的指示和听感相当的不一致。有兴趣者,可以下载WinAMP播放软件的插件,里面有指针式的峰值表。
随着技术发展,采用发光元件作为电平显示逐渐普遍了。大部分发光元件(LED,VDF荧光管等)的反应速度都是毫秒以下的。实际LED是达到微秒以下。因此显示的滞后就不再是问题了,几乎可以要多快有多快。因此发光元件电平表首先是作为PPM表用途。当然作为PPM表的话,还得用电路把它的上升时间延缓到10mS,下降时间延迟到1.5S,因为这是标准。如果多段式电平表没有电路处理,让电平表严格根据信号显示的话,没人能盯着看超过一分钟,因为其高速的上升下降让人头晕眼花。
PPM峰值表的最低显示电平,标准的是从-50开始,最大+5。
由于VU表自从出现就是指针式的,所以有些人就以为指针的就是VU表,发光显示的就是峰值表。其实不然,很早以前在没有发光元件电平表的时候,就有了指针式的峰值表。很多专业的调音台都采用指针式峰值表。卡座方面著名的AIWA
早期卡座的电平表都是指针式VU表,后来有些卡座也采用了指针式PPM表。为防止峰值过载,有些卡座还加了LED的峰值电平指示作为辅助。到VDF和LED被广泛采用以后,卡座逐渐采用了发光式电平表。发光式电平表是可以做成PPM的,但考虑到卡座的用户大部分并非专业人士,峰值表的显示与听感很不统一,难以习惯,所以绝大部分卡座的发光电平表最终做成了以PPM速度上升,以VU表速度下降这样的四不像电平表。这样它可以准确反应信号高电平以防过载,又可以较快下降以便符合听感。
此外,很多卡座的电平表还增加了峰值保持功能(很多专业的电平表也有此功能),让显示最高电平的那个发光单元(最右或者最高的那个)多亮一会,直至达到预定时间自动消失或者被更高的电平所取代,这样就容易看清楚刚才电平曾经有多高。
还有些卡座采用额外的数字显示,直接显示高于某特定值以后(例如零以上)电平的数字。
DAT是数字设备,其电平是绝对不可以超过最高量化位的。因此DAT(以及其他数字音频设备也一样)的电平表,其刻度的最大值是0,不容许也不可能有0以上的数值。这是数字设备电平表与模拟设备电平表最大的区别。因为数字设备的动态范围一般比较大,所以数字音频设备的标准电平参考点一般是在-18~-12dB左右,总之在任何情况下最大也只能是0。
绝大部分DAT的电平表,也是峰值上,VU落,带峰值保留和数字式峰值显示的。
发光电平表的分辨率取决于采用多少个发光元件,因此涉及到成本的问题。专业PPM表可以超过四五十段,而卡座的则普遍在12-16段居多,有些电平表最低电平那一位(最左面)是永远亮着的,因此不能算作一位。此外,还有的电平表把一位显示单元做成两段甚至三四段,看起来显示很精密,其实一亮就是几段,其分辨率根本没提高。
因为卡座是一般民用消费类电子设备,因此卡座是没有固定的参考输出电平的。不同厂家的卡座,以及同一个厂家不同型号的卡座,其0dB对应的输出和输入电平都没有一定。一般我见过的卡座的0dB输出电平,最低者只有70mV左右,最高者则在数百mV,高于500mV者甚少。
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