1.1聲波、聲音與聲學(xué)的概念1.2聲音的參數(shù)與度量1.3室內(nèi)聲學(xué)基礎(chǔ)1.4人耳的聽覺特性

1.5聲音質(zhì)量的評價(jià)

第1章聲學(xué)基礎(chǔ)知識了解聲波、聲音與聲學(xué)的概念。熟悉聲音的特性及物理參量、聲音的主觀感覺及三要素。了解室內(nèi)聲的組成及混響時間的計(jì)算。熟悉人耳的聽覺范圍以及聽閾、痛閾的概念。重點(diǎn)掌握人耳的聽覺特性，包括包括聽覺掩蔽效應(yīng)、聽覺延時效應(yīng)（哈斯效應(yīng)）、雙耳效應(yīng)和德·波埃效應(yīng)。了解音質(zhì)主觀評價(jià)用語。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)當(dāng)聲源（機(jī)械振動源）振動時，振動體對周圍相鄰媒質(zhì)（氣體、液體、固體等）產(chǎn)生擾動，而被擾動的媒質(zhì)又會對它周圍的相鄰媒質(zhì)產(chǎn)生擾動，這種擾動的不斷傳遞就是聲波產(chǎn)生與傳播的基本原理。聲源：通過機(jī)械振動發(fā)出聲波的物體。聲波：聲源的振動所引起周圍媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)由近及遠(yuǎn)的波動。1.1聲波、聲音與聲學(xué)的概念聲波與水波都屬于行波。在波傳播過程中，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動方向與波傳播方向相垂直時，此波為橫波。如水波。在波傳播過程中，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動方向與波傳播方向相平行時，此波為縱波。揚(yáng)聲器發(fā)聲時，會引起周圍空氣的振動而產(chǎn)生聲波，其傳播方向與空氣質(zhì)點(diǎn)振動方向相同。因而，聲波是一種縱波。質(zhì)點(diǎn)自身并不隨著聲波一起向四周擴(kuò)散，而只是在原地附近進(jìn)行振動，并由存在于它們之間的彈性進(jìn)行能量傳遞。唯一不傳遞聲波的空間是真空。1.1聲波、聲音與聲學(xué)的概念聲波可以用一條連續(xù)的曲線來表示，它可以分解成一系列正弦波的線性疊加。1.1聲波、聲音與聲學(xué)的概念聲波的物理特性波長λ：聲源的某一振動狀態(tài)在一個周期內(nèi)所傳播的距離（m）頻率?

：單位時間內(nèi)聲源所完成的全振動的次數(shù)（Hz）周期T：聲源完成一次全振動所需要的時間（s）速度C：聲源某一振動狀態(tài)在單位時間內(nèi)所傳播的距離（m/s）λλλ振幅A相位Φ

空間距離d任何2個振動相位相同而又相鄰的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的距離就是波長λ

聲音與聲波是兩個有聯(lián)系、又有區(qū)別的概念。聲，有雙重的含義：(1)指彈性介質(zhì)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移和質(zhì)點(diǎn)速度等的變化；(2)指上述變化作用于人耳所引起的感覺。為了清楚起見，前者可稱為聲波；后者則稱為聲音。聲音：聲源振動引起的聲波傳播到聽覺器官所產(chǎn)生的感覺。聲音是由聲源振動、聲波傳播和聽覺感受3個環(huán)節(jié)所形成。1.1聲波、聲音與聲學(xué)的概念

老師的講課聲大家都能聽到，你想過沒有，為什么你能聽到我的講課聲呢？它應(yīng)具備什么樣的條件呢？

（1）要有聲源；（2）要有傳聲介質(zhì)；（3）人耳能感受聲音。

一些失去聽覺的人可以利用骨傳導(dǎo)來聽聲音。例如：音樂家貝多芬耳聾后，是用牙咬住木棒一端，另一端頂在鋼琴上來聽自己演奏的琴聲，從而繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)作。骨傳聲的過程聲源振動頭骨、頜骨聽覺神經(jīng)大腦骨傳導(dǎo)耳塞超聲波診斷儀(B超)檢查、治療疾病

超聲探查對人體沒有傷害。利用超聲波為孕婦做常規(guī)檢查，可以確定胎兒的發(fā)育狀況。超聲探傷儀——探測金屬內(nèi)部缺陷超聲波加濕器小型超聲波清洗機(jī)

超聲波碎石機(jī)主要適應(yīng)癥：腎結(jié)石、輸尿管結(jié)石、膀胱結(jié)石聽診器聲波點(diǎn)歌屏蝙蝠利用超聲波導(dǎo)航（回聲定位）人們受到啟示聲吶探測海深、海底暗礁等探測魚群、潛艇位置等繪水下數(shù)千米地形圖仿生學(xué)海豚利用聲波識別食物、敵人和它們周圍的環(huán)境。核潛艇利用海豚仿生制造了聲納系統(tǒng)，使自己知道與海岸的距離、獵物的行蹤、深度。美國海軍曾認(rèn)為是他們的核潛艇聲納系統(tǒng)干擾了海灘，在他們的演習(xí)范圍海域內(nèi)也出現(xiàn)了大規(guī)模海豚自殺現(xiàn)象。

科學(xué)家已經(jīng)通過錄像證明，海豚是靠聲波來攻擊并找到它們的捕獲物，他們發(fā)現(xiàn)海豚在靠近捕獲物時發(fā)出低沉的轟聲，其頻率足以破壞捕獲物的聽覺器官。海生哺乳動物受到驚嚇會快速由海下深處上浮。一般來說，潛艇在水下潛航時，需要借助聲吶系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。而聲吶產(chǎn)生的水底噪音會驚嚇鯨豚類哺乳動物，使它們異常加速浮上水面，進(jìn)而導(dǎo)致它們擱淺死亡。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位1.2.2聲壓及聲壓級1.2.3聲音的主觀感覺1.2聲音的參數(shù)與度量1.頻率次聲波音頻信號超聲波<20Hz20～20000Hz>20000Hz聲波的頻率范圍相當(dāng)寬，從10-4Hz~1012Hz。按照頻率范圍，可將聲波分為：1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位人狗貓蝙蝠海豚20Hz20kHz15Hz50kHz60Hz65kHz1000Hz120kHz150Hz150kHz人和一些動物的聽覺頻率范圍

振動會發(fā)出聲波，為什么我們聽不到蝴蝶翅膀振動發(fā)出的聲音，卻能聽到蜜蜂、蚊子的聲音？蝴蝶蜜蜂動物發(fā)出聲音和聽覺的頻率范圍

蜜蜂和蚊子翅膀的振動頻率在人的聽覺范圍內(nèi)，而蝴蝶翅膀振動頻率不在人的聽覺范圍內(nèi)。提示：蝴蝶翅膀的振動頻率小于10Hz，而蚊子的翅膀振動頻率為500—600Hz。動物發(fā)出聲音和聽覺的頻率范圍動物發(fā)出聲音和聽覺的頻率范圍大象的耳朵之大可謂諸多動物之最。大象可以發(fā)出和收聽到次聲波，對于大象之間相互傳遞信號大有裨益：次聲波衰減較慢，因此可以傳遞到更遠(yuǎn)的地方。海豚可謂超聲波歌唱家，發(fā)出的“海豚音”名副其實(shí)。人類聽到的所謂“海豚音”只不過是對于“音調(diào)極高”的歌聲的形容而已。動物發(fā)出聲音和聽覺的頻率范圍動物發(fā)出聲音和聽覺的頻率范圍蝙蝠，偽雷達(dá)？提到超聲波，人們總會想到蝙蝠，繼而將之比喻為夜空中的雷達(dá)。女性語音150Hz～10000Hz電話語音200Hz～3400Hz調(diào)幅廣播(AM)50Hz～7000Hz調(diào)頻廣播(FM)20Hz～15000Hz高保真音響10Hz～20000Hz男性語音100Hz～9000Hz聲音的質(zhì)量與它所占用的頻帶寬度有關(guān)。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位聲音按頻率成分組成來分，可分為：純音：由單一頻率的振動形成的聲音復(fù)合音：由多個頻率的復(fù)合振動形成的聲音基音：復(fù)合音中頻率最低的成分（分音）諧音：復(fù)合音中頻率與基音成整數(shù)倍的分音除音叉等外，大多數(shù)聲源發(fā)出的聲音一般都不是單一頻率的純音，而是由由多個頻率成分組合而成的復(fù)合音。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位2.頻譜在復(fù)合音中，不同頻率成分的聲音具有不同的能量，這種頻率成分與能量分布的關(guān)系稱為聲音的頻譜。聲音（復(fù)合音）的頻譜結(jié)構(gòu)是用基音、諧音數(shù)目、各諧音幅度大小及相位關(guān)系來描述的。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位波形圖f(Hz)

p1000頻譜圖012345

t(ms)051015

t(ms)f(Hz)200400600p這個復(fù)音實(shí)際上是由200Hz、400Hz、600Hz三個復(fù)合振動形成的1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位2.頻譜聲音的音色就是由其頻譜成分決定的。不同的樂器演奏相同的一個音名，其基頻相同，但其諧波分量不同，造成了音色不同。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位040080012001600200024005101520040080012001600200024005101520鋼琴黑管SPL（dB）SPL（dB）?（Hz）?（Hz）線狀譜3.頻程基頻決定音調(diào)，頻率每升高一倍（稱為1個“倍頻程—oct”），音階升高8度。所以，聲譜的頻率軸刻度不是“線性”的，而是按“倍頻程”劃分的。例如，下圖所示的聲譜圖頻率軸是按1個倍頻程刻度。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位聲壓級dB1009080706050-

631252505001k2k4k8k16k頻率（Hz）20Hz20kHz倍頻程數(shù)下限頻率上限頻率倍頻程數(shù)（可整數(shù)，可分?jǐn)?shù)）3.頻程：人們把20~20000Hz的頻率范圍分為若干個頻段，被劃分的每一個具有一定頻率范圍的頻段（頻帶）稱為一個頻程。

4.相位聲波的相位是用來描述簡諧振動（正弦振動或余弦振動）在某一個瞬間的狀態(tài)的。相位用相位角表示。理解相位的物理概念，對于理解聲波的疊加、干涉，以及電聲設(shè)備（如揚(yáng)聲器等）的正確連接都有重要意義。1.2.1頻率、頻譜、頻程及相位密度/壓強(qiáng)波長λ相位（度）0o相+90o相-90o相180o相對于空氣介質(zhì)，當(dāng)沒有聲波時，空氣處在平衡狀態(tài)，其靜壓強(qiáng)一般等于大氣壓。當(dāng)有聲波傳播時，介質(zhì)各部分能產(chǎn)生壓縮和膨脹的周期性變化。壓縮時壓強(qiáng)增加，大于靜壓強(qiáng)，這時壓強(qiáng)差為正；膨脹時壓強(qiáng)減小，小于靜壓強(qiáng)，這時壓強(qiáng)差為負(fù)。1.聲壓1.2.2聲壓及聲壓級聲壓是指聲波傳播時介質(zhì)中心的壓強(qiáng)與無聲波傳播時的靜壓強(qiáng)之差。一般用P表示，單位是帕（Pa）。聲壓的大小反映了聲音振動的強(qiáng)弱，同時也決定了聲波的幅度大小。聲壓與大氣壓相比是極其微弱的，正常人能聽到的最弱聲音約為2×10-5Pa，稱為參考聲壓。1.聲壓1.2.2聲壓及聲壓級人耳主觀感受的響度并不是正比于聲壓的絕對值，而是大體上正比于聲壓的對數(shù)值。在聲學(xué)中還用聲壓級（或聲強(qiáng)）來描述聲波的強(qiáng)弱。聲壓級用符號SPL表示，單位為dB(分貝)，定義如下:

式中，P為聲壓有效值；Pref為參考聲壓，一般取Pa，這個數(shù)值是人耳所能聽到的1kHz聲音的最低聲壓值，低于這一聲壓，人耳就無法覺察出聲波的存在了。2.聲壓級

1.2.2聲壓及聲壓級

人對聲音的感知有響度、音調(diào)和音色三個主觀聽感要素。響度：與聲波振動的幅度有關(guān)音調(diào)：取決于聲波的基音頻率音色：由聲波的的頻譜成分決定1.2.3聲音的主觀感覺1.響度：是人耳對聲音強(qiáng)弱的主觀感覺程度。在客觀的度量中，聲音的強(qiáng)弱是由聲波的振幅（聲壓）決定的。但響度與聲波的振幅并不完全一致。響度不僅取決于振幅的大小，還取決于頻率的高低。響度用符號N表示，單位是宋(sone)。國際上規(guī)定，頻率為1kHz的純音在聲壓級為40dB時的響度為1宋（sone）。大量統(tǒng)計(jì)表明，一般人耳對聲壓的變化感覺是，聲壓級每增加10dB，響度增加1倍，所以，響度與聲壓級有如下關(guān)系：1.2.3聲音的主觀感覺2.響度級：人耳對聲音強(qiáng)弱的主觀感覺還可以用響度級來表示。響度級的單位為方（phon）。響度／sone1248163264128256聲壓級／dB405060708090100110120響度級／phon405060708090100110120表1-1聲壓級與響度、響度級的關(guān)系1.2.3聲音的主觀感覺規(guī)定1kHz純音聲壓級的分貝數(shù)定義為響度級的數(shù)值。響度級為40方時，響度為1宋，響度級每增加10方，響度增加1倍。3.音調(diào)音調(diào)也稱音高，表示人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感受。聲音越低沉，音調(diào)越低；聲音越尖細(xì)，音調(diào)越高。音調(diào)的高低是由發(fā)聲體振動的頻率決定的，頻率越高，音調(diào)越高；頻率越低，音調(diào)越低。物體的振動頻率與發(fā)聲體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般而言，大而長的物體振動頻率低，小而短的物體振動頻率高；物體繃得越緊，振動頻率越高；物體越薄、越細(xì)，振動頻率越高。音調(diào)單位是“美（Mel）”。頻率為1kHz、聲壓級為40dB的純音所產(chǎn)生的音調(diào)就定義為1Mel。音調(diào)大體上與頻率的對數(shù)成正比。1.2.3聲音的主觀感覺在樂音中，用音律來表示音高。不同的樂器，演奏相同的音符，那么他們的基準(zhǔn)頻率應(yīng)該相同。4.音色各種發(fā)聲物體或樂器在發(fā)出同一音調(diào)的聲音時，所發(fā)出的聲音之所以不同，就在于雖然基波相同，但諧波的多少不同，并且各次諧波的幅度各異，因而具有各自的聲音特色。音色主要是由聲音的頻譜結(jié)構(gòu)決定的。聽聲辨人、辨動物、辨樂器等主要是根據(jù)音色的不同來判斷的。1.2.3聲音的主觀感覺1.2.3聲音的主觀感覺

不同發(fā)聲體的材料、結(jié)構(gòu)不同，發(fā)出聲音的音色就不同。1.3.1室內(nèi)聲的組成1.3.2混響時間1.3室內(nèi)聲學(xué)基礎(chǔ)

聲源在閉室內(nèi)發(fā)聲時，所發(fā)出的聲波在室內(nèi)空間形成復(fù)雜的聲場。聲場中的某一位置上聽到的聲音是由三部分組成：直達(dá)聲、近次反射聲、混響聲。1.3.1室內(nèi)聲的組成直達(dá)聲由聲源直接傳播到聽者的聲音。直達(dá)聲不夠，將影響聲音的親切感。近次反射聲在直達(dá)聲之后相對延遲50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲。近次反射聲影響聲音的清晰度?；祉懧曉诮畏瓷渎暫?，經(jīng)過多次反射后分布很密、方向較散、陸續(xù)到達(dá)聽者的反射聲。混響聲影響聲音的豐滿度。1.3.1室內(nèi)聲的組成如何分配直達(dá)聲和混響聲分量的比例？

完全直達(dá)聲而沒有混響聲輸出，就不能起到改善和美化聲音的作用，通常只用于開會發(fā)言或朗誦的場合。適當(dāng)加大混響聲成分的比例，可使聲音豐滿動聽，增加聽眾的現(xiàn)場立體感。

完全混響聲而無直達(dá)聲分量輸出，則會使聲音產(chǎn)生“染色”現(xiàn)象，造成嚴(yán)重失真，就像在浴室，澡堂內(nèi)聽到的聲音那樣含混不清.在無特殊要求下，直達(dá)聲分量與混響聲分量比例為1:1，這樣，聲音不但不會產(chǎn)生失真，又有一定的混響效果。1.3.1室內(nèi)聲的組成室內(nèi)聲場分布理想的室內(nèi)聲場分布應(yīng)該是均勻的，其中包括房間的長寬高的最佳比例，還有墻體的形狀。房間中不能有太多的立柱，墻壁應(yīng)避免有圈套的弧形。1.3.1室內(nèi)聲的組成混響時間當(dāng)室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，令聲源停止發(fā)聲，房間內(nèi)聲壓級衰減60dB所需的時間，記為T601.3.2混響時間聲壓級時間（s）0dB-60dB混響時間0直達(dá)聲T60混響時間當(dāng)室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，令聲源停止發(fā)聲，房間內(nèi)聲壓級衰減60dB所需的時間，記為T60賽賓（Sabine

）公式室內(nèi)表面總面積室內(nèi)表面平均吸聲系數(shù)閉室容積1.3.2混響時間

混響通常決定了余音的長度，對聲音的色彩和清晰度有直接的影響?；祉憰r間與聲源無關(guān)，與頻率有關(guān)。

一般情況下，男低音演唱時，可將混響時間調(diào)得短一些，以提高聲音的清晰度；如果是女高音演唱，可適當(dāng)延長混響時間，以增加聲音的色彩。T60過短，聲音發(fā)干；過長，聲音拖尾。

對于演唱場所來說，如果房間四周墻壁是木板材料構(gòu)成的，應(yīng)將混響時間調(diào)小一些，以免聲音模糊不清；如果房間掛有絨布窗簾等吸聲材料，應(yīng)將混響時間調(diào)大一些，以免聲音干澀。另外觀眾的服裝也有很大的吸聲作用。1.4.1人耳的聽覺范圍1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)1.4.3聽覺延時效應(yīng)（哈斯效應(yīng)）1.4.4雙耳效應(yīng)1.4.4德·波埃效應(yīng)1.4人耳的聽覺特性1.4.1人耳的聽覺范圍由于響度是指人耳對聲音強(qiáng)弱的一種主觀感覺，因此，當(dāng)聽到其他任何頻率的純音同聲壓級為40dB的1kHz的純音一樣響時，雖然其他頻率的聲壓級不是40dB，但也定義為40phon。

1.等響度曲線2.聽閾與痛閾聽閾：當(dāng)聲音減弱到人耳剛剛可以聽見時，此時的聲音強(qiáng)度稱為最小可聽閾值，簡稱為“聽閾”或“聞閾”。一般以1kHz純音為準(zhǔn)進(jìn)行測量，人耳剛能聽到的聲壓級為0dB（通常大于0.3dB即有感受）。痛閾：當(dāng)聲音增強(qiáng)到使人耳感到疼痛時，這個聽覺閾值稱為“痛閾”。仍以1kHz純音為準(zhǔn)來進(jìn)行測量，使人耳感到疼痛時的聲壓級約達(dá)到130~140dB左右。1.4.1人耳的聽覺范圍1.4.1人耳的聽覺范圍一個較強(qiáng)聲音(掩蔽音)的存在掩蔽了另一個較弱聲音(被掩蔽音)的現(xiàn)象。掩蔽程度與兩個聲音的相關(guān)性有密切聯(lián)系。分為頻域掩蔽效應(yīng)和時域掩蔽效應(yīng)。較弱的聽不見的聲音可以舍棄！而不必進(jìn)行編碼,這是數(shù)字音頻壓縮編碼的生理基礎(chǔ)之一。1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)圖1-7頻率域掩蔽示意圖

1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)被掩蔽音單獨(dú)存在時的聽閾分貝值，或者說在安靜環(huán)境中能被人耳聽到的純音的最小值稱為絕對聽閾。在掩蔽情況下，提高被掩蔽音的強(qiáng)度，使人耳能夠聽見時的聽閾稱為掩蔽閾值(或稱掩蔽門限)，被掩蔽音必須提高的分貝值稱為掩蔽量(或稱閾移)。

1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)頻域掩蔽(Frequeneydomainmaskingeffect)同時發(fā)出的兩個聲音，一個較弱的信號被另一個相近頻率的較強(qiáng)信號的聲音所掩蔽。又稱同時掩蔽。兩個聲音頻率相同時，掩蔽效應(yīng)最明顯在高頻端，隨著兩者頻率偏離，掩蔽效果緩慢減弱在低頻端，隨著兩者頻率偏離，掩蔽效應(yīng)急劇減小1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)時域掩蔽效應(yīng)(Temporalmaskingeffect)：在時間上相鄰的聲音之間存在的掩蔽現(xiàn)象。也稱異時掩蔽。前掩蔽：掩蔽效應(yīng)發(fā)生在掩蔽音開始之前的某段時間后掩蔽:掩蔽效應(yīng)發(fā)生在掩蔽音結(jié)束之后的某段時間1.4.2聽覺掩蔽效應(yīng)當(dāng)兩個強(qiáng)度相同的聲音在時間上先后到達(dá)人耳時，聽覺對先后到達(dá)的聲音的延時做出分辨的特性，稱為聽覺延時效應(yīng)，即哈斯（Hass）效應(yīng)。哈斯通過實(shí)驗(yàn)表明：

若一個聲音比另一個聲音先到達(dá)5~30ms，會咸覺到其是一個延長了的聲音，它來自先到達(dá)的那個聲音的方向，遲到的聲音好像并不存在。即使后到的聲音壓級提高10dB,仍然是這種感覺。如果兩個先后到達(dá)的聲音有30~50ms的時間差，聽音者便會感覺到存在兩個聲音，但聲音的方向仍然決定于先到達(dá)的那個聲音的方向。若兩個聲音先后到達(dá)的時間差等于或超過50ms，人耳能清楚地區(qū)分兩個聲音來自不同的方位。1.4.3聽覺延時效應(yīng)（哈斯效應(yīng)）

哈斯通過大量主觀性評價(jià)實(shí)驗(yàn)，提出了反射聲延遲時間與感覺到回聲百分率值的關(guān)系02040608010012014016020406080100感覺到回聲的百分?jǐn)?shù)％延遲時間/ms哈斯效應(yīng)曲線直達(dá)聲與一次反射聲的聲級差/dB0dB10dB－3dB－6dB－10dB1.4.3聽覺延時效應(yīng)（哈斯效應(yīng)）

由于人耳分布于頭部兩側(cè)（約20cm），因此當(dāng)聲源偏離聽者頭部的中軸線時，由于聲音到達(dá)兩耳的距離不同，因此會產(chǎn)生微小的聲壓級差、時間差和相位差，人們就能以此來辨別聲音的方向，確定聲源的位置，這就是雙耳效應(yīng)。

1.4.4雙耳效應(yīng)

人耳的聽覺定位特性

自然界一切聲源有確定的空間位置，聲音有確定的方向來源當(dāng)人耳直接聽到空間中的聲音時，除了能感受到聲音的強(qiáng)度、音調(diào)和音色外，還能感受到各個聲源在空間的方位和層次的位置分布狀況

→聽覺辨別聲源方位的能力

聽覺辨別聲源方位的能力

聲音組成中的直達(dá)聲、反射聲、混響聲利用聽覺的空間、方向、層次感受效果形成聲音的臨場透視感

實(shí)驗(yàn)表明，人耳對于水平方向聲源位置的分辨能力要比垂直方向強(qiáng)的多，通常可以達(dá)到15

甚至于5

而在垂直方向有時甚至于要達(dá)到60

才能分辨出來。正是由于雙耳效應(yīng)，人們才能在嘈雜的環(huán)境中分辨出來自于某個方向的聲音，而單耳卻不具備這種能力。雙耳效應(yīng)與哈斯效應(yīng)都是立體聲的生理學(xué)基礎(chǔ)。1.4.4雙耳效應(yīng)立體聲系統(tǒng)定向的另一基礎(chǔ)。

兩個發(fā)聲源饋入相同的信號，即聲級差ΔL=0，時間差Δt=0，此時只感覺到一個聲音，且來自兩個發(fā)聲源的對稱線上；兩個發(fā)聲源的聲級差ΔL不為0，此時聽覺感受聲音偏向較響的一個發(fā)聲源，如果聲級差ΔL大于等于15dB，此時感覺聲音完全來自較響的那一個發(fā)聲源；兩個發(fā)聲源的聲級差ΔL=0，但兩個發(fā)聲源的時間差Δt不為0，聲音向超前的那個聲源方向移動，如果時間差Δt

大于等于3ms，聲音完全來自超前的聲源方向。1.4.5德·波埃效應(yīng)兩個發(fā)聲源饋入的信號時間差與聲壓差的綜合作用

不同程度改變輸送給兩個聲源的的聲壓或者兩個信號的時間差，聲像將在y1、y2間移動，在聲像定位時，聲級差ΔL與時間差Δt的作用類似，大致對應(yīng)關(guān)系5dB=1ms德·波埃效應(yīng)與哈斯效應(yīng)的差異哈斯效應(yīng)是討論一個聲源產(chǎn)生的聲音到達(dá)兩耳所引起的差別對聲定位的影響，德·波埃效應(yīng)則是討論當(dāng)人耳同時傾聽兩個聲源時，兩個聲源所發(fā)出聲音的原始差別對人耳。1.4.5德·波埃效應(yīng)1.5.1音質(zhì)主觀評價(jià)用語1.5.2音質(zhì)的主觀評價(jià)用語與客觀技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系1.5聲音質(zhì)量的評價(jià)

音質(zhì)的評價(jià)是對聲音本質(zhì)的評價(jià),但對聲音本質(zhì)的評價(jià)是通過人對聲音的主觀評價(jià)而得出的。主觀評價(jià)難免牽涉到諸多因素,如個人愛好、傳統(tǒng)習(xí)慣、文化層次、音樂修養(yǎng)、專業(yè)特長、素質(zhì)高低等。音質(zhì)評價(jià)是較為復(fù)雜的。《廳堂音質(zhì)主觀評價(jià)方法的建議》，它選取了六個主要的評價(jià)參量，并將它們分成了五個等級（優(yōu)、良、中、較差、很差）。音響系統(tǒng)的客觀技術(shù)指標(biāo)與音質(zhì)有著直接的關(guān)系，也直接影響著主觀評價(jià)的各種參量。

（1）清晰度。觀眾廳和舞廳的混響時間要合適?；祉憰r間過長就會出現(xiàn)浴室效應(yīng)，一片嗡嗡聲，使聲音變得渾濁、模糊，聽不清任何細(xì)節(jié)，嚴(yán)重影響清晰度；傳輸頻率特性的好壞直接影響聲音的清晰度，缺乏中、高音會使聲音的明亮度、清晰度下降，低頻過多就會使聲音變得渾濁不清。同時還應(yīng)減小音響系統(tǒng)的失真，失真過大就會產(chǎn)生大量諧波，使聲音發(fā)糙，不清晰。下面我們通過六個評價(jià)用語來分析主觀評價(jià)與客觀技術(shù)指標(biāo)（頻率特性、諧波畸變、互調(diào)畸變、指向性、瞬態(tài)特性、混響、響度、瞬態(tài)互調(diào)畸變）的關(guān)系，混響和傳輸頻率特性是兩個主要的技術(shù)指標(biāo)。（2）豐滿度。聲音厚實(shí)、圓潤，聲功率較大，有一定的響度，中高頻充足，亮度較好，特別是中低頻能量充足，瞬態(tài)相應(yīng)好。如果觀眾廳或舞廳的混響時間偏短，尤其是低頻段的混響時間比中頻段還要短，在這樣的房間聽音，豐滿度不太好。當(dāng)然如果音響系統(tǒng)的傳輸頻率特性差，缺乏中低音，聲音就會變得干癟、很飄，也談不上音質(zhì)的豐滿。如果低頻段的聲壓級不足，或低頻的延伸不夠，聲音也會發(fā)硬，發(fā)緊，也實(shí)現(xiàn)不了音質(zhì)的豐滿。（3）親切感。響度合適，清晰度高，混響聲適量，音域?qū)拸V，失真小，且噪聲水平低。使人感到是在音響條件好的音樂廳、劇場、錄音棚直接聆聽樂隊(duì)的演奏，當(dāng)面同人說話，感到自然親切。如果傳輸頻率特性差，中頻不足，就會使聲音像蒙上了一層霧，聲音發(fā)灰，發(fā)悶，親切感不足。而且其中高音不足，會使聲音缺乏正常人聲發(fā)出的高頻部分，使人感到缺乏在身邊發(fā)聲的感覺，沒有交流感。另外，觀眾廳和舞廳的混響時間太長容易使聲音發(fā)干。低頻的混響時間相對于中頻段要長一些，這樣廳內(nèi)會有一定的回蕩，語言清晰、親切。（4）平衡感。左右揚(yáng)聲器，主揚(yáng)聲器和輔助揚(yáng)聲器之間的輸出功率關(guān)系要合適，相位要正確，否則會破壞平衡感。如果采用高、中、低音箱，就要注意各種音箱的安裝、布置，不要使聲音的各頻段在不同的位置發(fā)聲，否則會破壞點(diǎn)和線聲源，從而破壞了聲像的平衡。平衡感與特定的廳室環(huán)境，即建筑特性密切不可分割，這種平衡主要指室內(nèi)自然平衡。如果室內(nèi)自然平衡有欠缺，可以在拾音過程中用技術(shù)手段彌補(bǔ)自然平衡中的不足，使作品達(dá)到平衡，和諧。（5）環(huán)境感。聲場結(jié)構(gòu)、混響時間和早期發(fā)射聲都會影響聲音的環(huán)境感。混響時間太短，聲音太干，沒有空間感；混響時間太長，聲音混成一團(tuán)，也沒有良好的空間感。同時，揚(yáng)聲器的布置及聲功率的均勻分配對聲音的環(huán)境感都有影響。（6）響度。音響系統(tǒng)重放應(yīng)有合適的聲壓級，交際舞廳一般在80～85dB左右，人少時還可低一些。聲壓級太大、聲音太響會使人感到煩躁，缺乏美的感受；太小會使人聽得吃力。但DISCO舞廳內(nèi)要有足夠的聲壓級，低頻要有足夠的能量，有震撼感，不過中高頻要控制，否則人耳受不了。同時聲場的均勻度要良好，否則有的地方太響，有的地方太輕。失真度也應(yīng)當(dāng)比較小，因?yàn)樵诤线m的聲壓級下才有良好的效果。2.1音頻信號的數(shù)字化

2.2A/D轉(zhuǎn)換器2.3D/A轉(zhuǎn)換器2.4過采樣△-∑調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器第2章音頻信號的數(shù)字化熟悉音頻信號數(shù)字化的過程，掌握均勻量化的原理。理解“量化”是數(shù)字音頻信號產(chǎn)生失真的主要根源，掌握量化信噪比SNR（用分貝表示）與量化比特?cái)?shù)n之間的關(guān)系。熟悉常見的音頻信號采樣頻率及量化精度。了解模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器的工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)。了解過采樣、△-∑調(diào)制和噪聲整形的原理。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1.1采樣及采樣頻率2.1.2量化及量化誤差2.1.3編碼2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)2.1音頻信號的數(shù)字化聲源聲波傳聲器模擬電信號數(shù)字聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換2.1音頻信號的數(shù)字化聲音信號是典型的連續(xù)信號，不僅在時間上是連續(xù)的，而且在幅度上也是連續(xù)的。數(shù)字化實(shí)際上就是對模擬信號進(jìn)行采樣、量化和編碼。模/數(shù)轉(zhuǎn)換1101110011001101把聲音(模擬量)按照固定時間間隔，轉(zhuǎn)換成有限個數(shù)字表示的離散序列2.1音頻信號的數(shù)字化011010100111111101010模擬語音信源采樣量化編碼數(shù)字交換傳輸系統(tǒng)解碼重建時間連續(xù)信號模擬語音信宿模擬信號數(shù)字化的三個步驟：采樣、量化、編碼2.1音頻信號的數(shù)字化采樣－－時間離散化x(t)(V)t(s)2.1.1采樣及采樣頻率x(t)(V)t(s)采樣－－時間離散化2.1.1采樣及采樣頻率x(t)(V)t(s)采樣：每隔一定時間間隔不停地間斷性地在模擬音頻的波形上采取一個幅度值。2.1.1采樣及采樣頻率采樣（Sampling）：每隔一定的時間間隔，抽取信號的一個瞬時幅度值（樣本值），即在時間上將模擬信號進(jìn)行離散化。采樣后所得到的一系列在時間上離散的樣本值稱為樣值序列。奈奎斯特（Nyquist）采樣定理：只要采樣頻率大于或等于聲音信號最高頻率的兩倍（fs≥2fmax

），就可以通過理想低通濾波器，從樣值序列中無失真地恢復(fù)原始模擬信號。也就是說，在滿足奈奎斯特采樣定理的條件下，在時間上離散的樣值序列包含有采樣前模擬信號的全部信息。常用音頻采樣頻率：8kHz、11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz2.1.1采樣及采樣頻率TT=1/2fH采樣——原始信號重建采樣——討論最小采樣頻率：最大采樣時間間隔：單位時間內(nèi)最小采樣數(shù)目：采樣信號頻譜：調(diào)制信號原始譜S(f)

在頻率位置

δ(f-nfs)的復(fù)制。特點(diǎn)：當(dāng)采樣頻率fs≥2fH時，無頻譜交疊，信號可以無失真恢復(fù)。量化（Quantization）：對每個樣值的連續(xù)幅度進(jìn)行離散化，即用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。均勻量化（線性量化）：量化器的每個量化間隔都相等，量化電平取各量化區(qū)間的中間值。非均勻量化（非線性量化）：量化器的各個量化間隔是不相等的。2.1.2量化及量化誤差2.1.2量化及量化誤差均勻量化：設(shè)輸入信號范圍為[a,b]，量化級數(shù)為Mm3m4m5m2m1m0m6

量化間隔：

第i

個量化區(qū)間的終點(diǎn)：

第i個量化區(qū)間的量化電平：ba2.1.2量化及量化誤差量化信噪比與量化比特?cái)?shù)的關(guān)系設(shè)A為信號幅度，△為量化間隔，M為量化級數(shù)

采用二進(jìn)制編碼，所需比特?cái)?shù)為n

M=2n

均勻量化時的量化噪聲功率為Nq聲音信號(雙極性信號)量化信噪比

設(shè)聲音信號的最大幅度為A，它是從+A到﹣A范圍內(nèi)變化。對它均勻量化成M級，有：2A=M·△=2n·△，則正弦或余弦信號在單位電阻上的平均功率為量化信噪比:

用分貝表示:

結(jié)論：

問題：對小信號不利，動態(tài)范圍受限。

解決措施：減小均勻量化的量化間隔Δ——大信號信噪比過大，造成資源浪費(fèi)保證總體傳輸質(zhì)量，減小小信號的量化間隔Δ——非均勻量化

非均勻量化：小信號減小量化間隔，改善其信噪比；大信號增大量化間隔，提高傳輸效率；2.1.2量化及量化誤差非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法非線性變換——壓縮；均勻量化（用于分析）非線性壓縮均勻量化x(t)y(t)量化信號輸入x：0~1；輸出y：0~1；對y進(jìn)行均勻量化對應(yīng)的x實(shí)現(xiàn)非均勻量化——壓縮曲線要求：大x信號Δv大，小x信號Δv??；則，壓縮特性曲線y=f(x)——上凸2.1.2量化及量化誤差編碼（Encoding）：采樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。具體說來，就是用n比特二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的樣值，每個二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一個量化電平，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。模/數(shù)轉(zhuǎn)換1101110011001101把聲音(模擬量)按照固定時間間隔，轉(zhuǎn)換成有限個數(shù)字表示的離散序列2.1.3編碼音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)采樣頻率：每秒鐘采集的樣本數(shù)常見的音頻采樣頻率：8kHz，11.025kHz，22.05kHz，32kHz，44.1kHz，48kHz，96kHz量化精度：每個樣本的量化比特?cái)?shù)音頻信號的量化精度：8bit、16bit和24bit。

聲道數(shù)：一次采樣所記錄產(chǎn)生的聲音波形個數(shù)。單聲道雙聲道(立體聲)5.1聲道7.1聲道2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)DolbyDigitalAC-35.1聲道系統(tǒng)

5.1聲道：5指5個主聲道（中心聲道C、左聲道L、右聲道R、左環(huán)繞Ls、右環(huán)繞Rs）0.1指低頻效果聲道（LFE）2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)以上是一套5.1聲道家庭影院的組合7.1聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)例:一段持續(xù)1分鐘的雙聲道聲音文件，若采樣頻率為44.1kHz，量化精度為16bit，數(shù)字化后需要的存儲容量為多少？未經(jīng)壓縮的數(shù)字音頻文件的存儲容量計(jì)算公式：2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)質(zhì)量等級采樣頻率/kHz量化精度/bit聲道數(shù)數(shù)碼率/kbit/s頻帶/Hz電話話音88單聲道64200~3400AM11.0258單聲道88.250~7000FM22.0516雙聲道705.620~15000CD44.116雙聲道1411.220~20000DAT4816雙聲道153620~20000聲音質(zhì)量與數(shù)碼率的關(guān)系2.1.4音頻信號數(shù)字化的主要技術(shù)參數(shù)2.1音頻信號的數(shù)字化

2.2A/D轉(zhuǎn)換器

2.3D/A轉(zhuǎn)換器2.4過采樣△-∑調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器第2章音頻信號的數(shù)字化2.2.1

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理2.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器2.2.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器2.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器2.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

2.2A/D轉(zhuǎn)換器模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換：指將在時間和幅度都是連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵跁r間和幅度兩方面都離散化的“數(shù)字”信號。完成從模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的電路稱為模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC）原理上講，ADC包括采樣器和量化器兩個部分完整說來，應(yīng)當(dāng)包括采樣、保持、量化和編碼四個步驟2.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位2.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。

保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI

(t)S采樣-保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量模擬開關(guān)采樣是將時間上的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上斷續(xù)（離散）的模擬量。即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量2.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理將采樣電路每次采樣取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為給后續(xù)的量化過程提供一個穩(wěn)定值，因此在采樣電路之后須加保持電路，將每次取得的模擬信號保持一段時間。電路組成：

輸入放大器（A1）輸出放大器（A2）保持電容（CH）開關(guān)驅(qū)動電路SVi(t)采樣-保持電路原理示意圖

Vo(t)A1A2開關(guān)驅(qū)動采樣-保持控制電路CH1.采樣-保持電路t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。1.采樣-保持電路電路特點(diǎn)：A1、A2設(shè)均要求為高輸入阻抗，低輸出阻抗，且一般有：A1×A2=1工作原理：設(shè)開關(guān)S為理想開關(guān)，閉合時電阻極小，斷開時電阻無窮大

t0→t1:采樣階段，開關(guān)S閉合，輸出電壓跟隨輸入電壓充電常數(shù)τ＝RC<<tw

t1→t2:保持階段，開關(guān)S斷開，輸出電壓保持在t1時刻的電壓值……SVi(t)采樣-保持電路原理示意圖

Vo(t)A1A2開關(guān)驅(qū)動采樣-保持控制電路CHViVottVi,Vot0t1t2t3t4t5t6t7t80采樣-保持電路波形圖

twt1.采樣-保持電路

數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。用二進(jìn)制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。

2.量化與編碼2.量化與編碼舍尾取整法常用ADC的類型并聯(lián)比較型：轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型：精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型：速度較快、精度較高、價(jià)格適中2.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI

6VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=1UI

7VR/8時，輸出=0UI

6VR/8時，輸出=0電壓比較器D鎖存器編碼器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0輸入模擬電壓精密參考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個電阻）輸出數(shù)字量CPUI

VR/8時，輸出=1UI

VR/8時，輸出=0并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表

UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D0

6VR/8

>UI>5VR/8

0011111101

5VR/8

>UI>4VR/8

0001111100

7VR/8

>UI>6VR/8

0111111110VR>UI>7VR/8

1111111111

4VR/8

>UI>3VR/8

0000111011

3VR/8

>UI>2VR/8

0000011010

2VR/8

>UI>VR/8

0000001001

VR/8

>UI>

0

0000000000特點(diǎn)：輸入電壓UI每增加VR/8

，輸出數(shù)字量增加1優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn)是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出?；驹恚簩斎肽M電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測出此時間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。

2.2.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

2.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，故保留砝碼總重>待測重量Wx

，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，故保留暫時結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效

逐一添加比較，凡砝碼總質(zhì)量小于物體質(zhì)量的砝碼留下，否則舍去。有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量保留的砝碼為8g+4g+1g=13g相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7~D0=00001101逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器被保留的電壓相當(dāng)于天平所稱的物體質(zhì)量，而所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量相當(dāng)于在天平上逐次添加砝碼所保留下來的砝碼質(zhì)量。G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效

2.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器電路組成：

取樣/保持電路(SHA)高速比較器（Comparator）逐次漸進(jìn)寄存器（SAR）高速數(shù)字/模擬變換器（DAC）控制和定時邏輯工作原理：

將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使變換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值特點(diǎn)：n位ADC完成一次變換需要n個時鐘周期（100KSPS～10MSPS

）低功耗，低成本8～16位分辨

2.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

2.2.4逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器例：一個待轉(zhuǎn)換的模擬電壓VI=163mV,逐位逼近寄存器的數(shù)字量為八位，整個比較過程如下：步驟寄存器設(shè)定碼十進(jìn)制數(shù)比較判別結(jié)果1286432168421110000000128留211000000192去310100000160留410110000176去510101000168去610100100164去710100010162留810100011163留結(jié)果節(jié)拍脈沖3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時，uc=0。第二個CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過門G6、G7、G8送出。3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理1.分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位就越小，對輸入信號的分辨能力也就越高。例如，輸入模擬電壓滿量程為10V，若用8位ADC轉(zhuǎn)換時，其分辨率為10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC為2.44mV。

2.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出。轉(zhuǎn)換誤差也叫相對精度或相對誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如某ADC的相對精度為±(1/2)LSB，這說明理論上應(yīng)輸出的數(shù)字量與實(shí)際輸出的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位為１的一半。

2.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3.轉(zhuǎn)換速度（轉(zhuǎn)換時間）

轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從它接到轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時間在幾十毫秒至幾百毫秒之間；逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間大都在10～50μs之間；并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)10ns。

2.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.1音頻信號的數(shù)字化

2.2A/D轉(zhuǎn)換器2.3D/A轉(zhuǎn)換器2.4過采樣△-∑調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器第2章音頻信號的數(shù)字化2.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理2.3.2權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器2.3.3R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器2.3.4R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器2.3.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

2.3D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。完成從數(shù)字信號到模擬信號轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（Digital-AnalogConverter，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）。2.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理◆構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器的思想方法：一個n位二進(jìn)制數(shù)

其權(quán)展開式表示為：D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字量，輸出是模擬量。輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間應(yīng)有這樣的關(guān)系：數(shù)字量大，輸出的模擬量也大；數(shù)字量小，輸出的模擬量也小，即模擬量和輸出量之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：A=kDn。2.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理◆D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)：

D/A轉(zhuǎn)換就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與它成正比的模擬量。

數(shù)字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2

＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10模擬量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K為比例系數(shù))DAC轉(zhuǎn)換特性000000110110100111001111di◎兩個相鄰數(shù)碼轉(zhuǎn)換出的電壓值之間的差值，是信息所能分辨的最小量(1LSB)；◎最大輸入數(shù)字量對應(yīng)的輸出電壓值(絕對值)用FSR表示。1

LSBLeastSignificantBitFSRFullScaleRangevO/k10357911131522.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理從轉(zhuǎn)換特性表達(dá)式可看出，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的組成部分如下：1）求和運(yùn)算放大器：實(shí)現(xiàn)求和。通常接成反相比例求和。2）模擬開關(guān)：控制d=0或d=1時，求和電路的項(xiàng)數(shù)。3）位權(quán)網(wǎng)絡(luò)：用來實(shí)現(xiàn)2n-1,…,21,20。4）基準(zhǔn)電源：保證系數(shù)k的一致性，要求精度高。2.3.1D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理常見DAC的類型權(quán)電阻式DACR-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)式DACR-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)式DAC

權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC2.3.2權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器

當(dāng)輸入二進(jìn)制數(shù)碼中某一位Di=1時，開關(guān)Si接至基準(zhǔn)電壓UR，這時在相應(yīng)的電阻Ri支路上產(chǎn)生電流。當(dāng)Bi=0時，開關(guān)Si接地，電流ii=0,因此電流表達(dá)式應(yīng)為根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為2.3.2權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器通過集成運(yùn)算放大器，輸出電壓為將代入則得

例如，UR=8V,輸入八位二進(jìn)制數(shù)碼為11001011，則輸出電壓為2.3.2權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:電子開關(guān)D=0,S接地D=1,S接VREF位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3基準(zhǔn)電壓D0D1D2D3++-3R3R/2UO和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，T形電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的類型少，只有R、2R兩種，電路構(gòu)成比較方便。2.3.3R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)式權(quán)電阻式VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=0000時,S3S2S1S0都倒向地UO=0V當(dāng)D3D2D1D0=0000時UO3R2R++-3R/2R等效電路3R0000AV=-1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=1000時,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2當(dāng)D3D2D1D0=1000時0001AV=-13RVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=0100時,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF當(dāng)D3D2D1D0=0100時UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推導(dǎo)，當(dāng)D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8

當(dāng)D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/16D3D2D1D0=1000時，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100時，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010時，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001時，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根據(jù)疊加原理:

UO=–(D3VREF/21+

D2VREF/22+

D1VREF/23+

D0VREF/24)=–(D3/21+

D2/22+

D1/23+

D0/24)VREF

=

–(VREF/24)

(23D3

+

22D2+

21D1

+

20D0)此式表明:D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個求和運(yùn)算放大器組成。模擬開關(guān)Si

打向“1”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：2.3.4R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)式權(quán)電阻式II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見，支路電流值Ii

正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1

時，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii

輸出；Di=0時，開關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n

位DAC將參考電壓VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。調(diào)節(jié)VREF

可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

1.分辨率

DAC的最小輸出電壓變化量，也即DAC的最小輸出電壓值

表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

UFSR=uO|D=11

1=(2n–1)ULSBn位均為1例如，一個10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。2.3.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。

2.

轉(zhuǎn)換精度

指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。3.

轉(zhuǎn)換時間指DAC在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號達(dá)到穩(wěn)定值所需的時間。轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高?！?/2LSB

tset

tset2.1音頻信號的數(shù)字化

2.2A/D轉(zhuǎn)換器2.3D/A轉(zhuǎn)換器2.4過采樣△-∑調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器第2章音頻信號的數(shù)字化2.4.1過采樣2.4.2△-∑調(diào)制和噪聲整形2.4.31比特A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器2.4過采樣△-∑調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)換器需要進(jìn)行抗混疊濾波2.4.1過采樣1.降低對抗混疊濾波器的要求2.4.1過采樣2.減少基帶內(nèi)的量化噪聲

量化噪聲散布區(qū)域增大帶內(nèi)量化噪聲減小2.4.1過采樣2.4.2△-∑調(diào)制和噪聲整形根據(jù)Z域模型可以得到傳輸函數(shù)：Y(Z)=X(Z)+(1-Z-1)E(Z)對量化噪聲形成高通形式。噪聲整形后的噪聲分布2.4.2△-∑調(diào)制和噪聲整形L階∑△調(diào)制器的量化信噪比：

N：量化位數(shù)

L：調(diào)制器階數(shù)

OSR：過采樣比高采樣率可把噪聲趨向更高的頻率。但受到工作頻率和濾波器性能的制約。增加調(diào)制器階數(shù)是提量化信噪比的最有效途徑。但當(dāng)階數(shù)較高以后，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得十分困難。同樣的精度條件下，采用多位量化器可以降低采樣頻率。但多位量化器的非線性會增加系統(tǒng)對元件匹配精度的要求。用MATLABsimulink實(shí)現(xiàn)的一個簡單二階∑△調(diào)制器的仿真模型：從圖中可以看到，噪聲基本被趨向高頻段。這樣，通過一個低通濾波器即可以有效地將噪聲基本濾除。1713.1數(shù)字音頻編碼概述3.2常用數(shù)字音頻編碼技術(shù)3.3MPEG-1音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)3.4MPEG-2音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)3.5MPEG-4音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)3.6EnhancedaacPlus編碼技術(shù)3.7中國制定的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)3.8新一代環(huán)繞多聲道音頻編碼格式

第3章數(shù)字音頻壓縮編碼熟悉數(shù)字音頻壓縮編碼的機(jī)理。了解音頻編解碼器的性能指標(biāo)和重建音頻質(zhì)量的評價(jià)方法。熟悉數(shù)字音頻編碼的基本方法及分類。掌握感知音頻編碼的基本原理，理解子帶編碼的基本思想。重點(diǎn)掌握MPEG-1、MPEG-2AAC的音頻編解碼原理。了解AVS音頻立體聲編解碼的原理和DRA多聲道數(shù)字音頻編解碼的原理。了解新一代環(huán)繞多聲道音頻編碼格式。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)3.1.1音頻信號的分類3.1.2數(shù)字音頻壓縮編碼的機(jī)理3.1.3音頻編解碼器的性能指標(biāo)3.1.4數(shù)字音頻編碼技術(shù)的分類3.1.5數(shù)字音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)概述3.1數(shù)字音頻編碼概述聲音信號按頻率劃分：次聲波音頻信號超聲波<20Hz20～20000Hz>20000Hz3.1.1音頻信號的分類女性語音150Hz～10000Hz電話語音200Hz～3400Hz調(diào)幅廣播(AM)50Hz～7000Hz調(diào)頻廣播(FM)20Hz～15000Hz高保真音響10Hz