文/尚科臣

1.聲音的大小

1.1 聲音的產(chǎn)生

眾所周知，聲音是由于物體的振動(dòng)而產(chǎn)生。振動(dòng)的物體激發(fā)周?chē)橘|(zhì)，聲音因而可以進(jìn)行傳播。在真空中聲音是無(wú)法傳播的。聲音振動(dòng)的幅度大小稱(chēng)之為振幅，振幅大小影響著聲音的強(qiáng)度，聲音強(qiáng)度不同，因而響度不同。當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，聲源周?chē)諝馐苈曉凑駝?dòng)的影響，會(huì)產(chǎn)生壓力的變化，這個(gè)壓力稱(chēng)之為聲壓。

人耳對(duì)于聲音強(qiáng)度大小的感知，或聲壓大小的主觀感知，稱(chēng)之為響度。人的聽(tīng)力十分復(fù)雜，人耳對(duì)不同頻率，不同方位的聲音的強(qiáng)度感知是不同的，因此，為了更好的研究人耳對(duì)于聲音的感知，人們制定了一系列的方式方法去模擬人耳的聽(tīng)覺(jué)特性。而聲音的類(lèi)型、音色等同樣會(huì)影響人們對(duì)聲音響度的感知。

1.2 聲音的類(lèi)型

在日常生活中存在各種類(lèi)型的聲音，如交通噪音，講話(huà)聲，樂(lè)器聲等，而人耳能夠主觀感受到音調(diào)高低的聲音在物理上都被稱(chēng)之為復(fù)合音。感受不到的稱(chēng)之為噪音。一些明確定義的電噪聲信號(hào)就屬于這一類(lèi)信號(hào)。如粉噪、白噪、褐噪等。

還有一類(lèi)聲音是由單一波形按照特定周期振動(dòng)而產(chǎn)生的，并且只有一個(gè)頻率構(gòu)成，這樣的信號(hào)稱(chēng)之為純音。由于構(gòu)成純音的波形不同，因此主觀聽(tīng)感也不同。如正弦波構(gòu)成的純音純凈；三角波、鋸齒波構(gòu)成的純音較明亮；方波構(gòu)成的純音具有撕裂感、尖銳感等。在現(xiàn)實(shí)中純音幾乎都是由人工音頻信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的，極少數(shù)物體的振動(dòng)產(chǎn)生的聲音（如音叉）可近似看作是純音。

在廣播電視節(jié)目中，聲音既不能認(rèn)為是單一的噪聲，也不能認(rèn)為是純音或者復(fù)合音，由于構(gòu)成節(jié)目的聲音信號(hào)不同，廣播電視節(jié)目的聲音是十分復(fù)雜的。針對(duì)這些聲音進(jìn)行響度分析，就不能簡(jiǎn)單的套用已有的針對(duì)純音、復(fù)合音、或者噪音的分析方法，更要全面的分析各個(gè)因素，從而綜合考慮。

1.3 計(jì)量單位

在物理學(xué)中，由于物體振動(dòng)產(chǎn)生在聲音，并且在空氣中傳播時(shí)，大氣壓受到聲波擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化用聲壓來(lái)衡量。而壓力的大小一般用帕斯卡（Pa）來(lái)度量。人耳能分辨最微弱的聲音大約是20μPa，令人耳產(chǎn)生痛覺(jué)的聲壓大約是20Pa。這兩個(gè)數(shù)量級(jí)間相差了100萬(wàn)倍之多。而這就對(duì)計(jì)量產(chǎn)生很大的麻煩。因而人們普遍采用分貝制來(lái)簡(jiǎn)化這一過(guò)程。分貝的概念是兩個(gè)量間的比值取對(duì)數(shù)，這樣就可以用很小的數(shù)字來(lái)表示巨大的量。在聲壓的計(jì)量中，規(guī)定人耳能分辨最小的聲壓20μPa為標(biāo)準(zhǔn)量，用待測(cè)量比標(biāo)準(zhǔn)量后平方，再取對(duì)數(shù)值后乘以10，得到的結(jié)果便是聲壓級(jí)。聲壓級(jí)的大小一般用dB SPL來(lái)表示。SPL即聲壓級(jí)的英文縮寫(xiě)。0dB，表示被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量一致。

2.電視節(jié)目信號(hào)大小的計(jì)量單位

在聲音的產(chǎn)生過(guò)程中，是由發(fā)聲物體本身振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)可以通過(guò)揚(yáng)聲器紙盆的振動(dòng)模擬原始聲源來(lái)產(chǎn)生聲音。電視節(jié)目在電視中播出時(shí)無(wú)一例外都是通過(guò)揚(yáng)聲器來(lái)重放聲音的。而揚(yáng)聲器是由電能所驅(qū)動(dòng)的，研究聲音聲壓大小，用dB SPL來(lái)表示，而針對(duì)電信號(hào)的大小或者是數(shù)字音頻信號(hào)的大小又如何表示和計(jì)量呢？

2.1 dB、dBu、dBV、dBFS 與 VU

不論物理聲音信號(hào)還是電信號(hào)，為方便計(jì)量，人們都采取分貝制來(lái)表示，“dB”遍是分貝制一個(gè)最明顯的標(biāo)志，任何采取分貝制計(jì)量的量，在后方均用“dB”表示，為防止混淆，常常在其后方加上字母，來(lái)區(qū)分不同的類(lèi)型。

VU，是音量單位的意思，表示聲音信號(hào)的大小。在模擬時(shí)代，電聲設(shè)備都是600Ω的阻抗，0VU時(shí)，電壓為1.228V，即產(chǎn)生+4dBm的功率所需的電壓。人們規(guī)定0VU作為設(shè)備間的基準(zhǔn)電平。如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)VU表盤(pán)的兩種刻度

在基準(zhǔn)值后，一般最大取到+3VU作為過(guò)沖余量。雖然VU表可以大致反映音頻信號(hào)的大小，但是總體誤差較大，分辨率較差，同時(shí)不能很好地表現(xiàn)峰值電平的大小。而后人們規(guī)定產(chǎn)生1mW功率所需的電壓0.775V為基準(zhǔn)值，表示為0dBu。后因0.775為一個(gè)小數(shù)，便采用1V作為基準(zhǔn)，因此產(chǎn)生dBV。進(jìn)入數(shù)字音頻年代，數(shù)字信號(hào)的最大值即計(jì)算機(jī)或者音頻設(shè)備能夠處理的最大數(shù)據(jù)定義為0dB，稱(chēng)之為dBFS，即分貝滿(mǎn)刻度電平。因此，一般在數(shù)字音頻中看到的分貝值都是負(fù)值，即原則上不會(huì)有高出滿(mǎn)刻度的信號(hào)（在引入浮點(diǎn)運(yùn)算技術(shù)的今天，許多數(shù)字音頻工作站采用32bit以上量化精度處理數(shù)字音頻信號(hào)時(shí)允許出現(xiàn)dBFS的正值）。

針對(duì)這些信號(hào)大小的計(jì)量方式，較早出現(xiàn)的是如前文所述的VU表，但是VU表僅僅能夠表現(xiàn)在一段時(shí)間內(nèi)的平均信號(hào)大小。同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較為緩慢，大致約為300ms，并不能反映某一時(shí)刻峰值信號(hào)的大小。根據(jù)需求PPM表便應(yīng)用而生，PPM指“峰值節(jié)目表”它可以反映一個(gè)瞬時(shí)電平的大小，而PPM表所需的積分時(shí)間僅僅是5ms，這樣就可以讀出短時(shí)間內(nèi)電平的大小。在數(shù)字音頻處理中，可以非常直觀地監(jiān)看時(shí)時(shí)信號(hào)的電平大小。

不論VU表還是PPM表，都只是反映節(jié)目信號(hào)的電平大小，而節(jié)目信號(hào)電平大小并不能完全表示節(jié)目的實(shí)際響度大小，正如前文所述，節(jié)目響度受頻率、人耳特性、持續(xù)時(shí)間等諸多因素影響，因此，上述兩種對(duì)信號(hào)電平大小進(jìn)行計(jì)量的方式并不適用于節(jié)目響度。

圖2 典型的PPM表外觀

2.2 基準(zhǔn)電平

在不同廠(chǎng)商、不同設(shè)備間，某一一定的數(shù)字音頻信號(hào)最終由數(shù)字設(shè)備輸出的電信號(hào)大小是不一致的，這就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)生的響度大小不一致。因此，現(xiàn)行有兩種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義這一量，即當(dāng)數(shù)字音頻設(shè)備滿(mǎn)載時(shí)，設(shè)備所能產(chǎn)生最大電信號(hào)的電平大小。在EBU R68的標(biāo)準(zhǔn)中，定義0dBFS時(shí)，設(shè)備對(duì)應(yīng)輸出+18dBu的電信號(hào)大?。辉谛盘?hào)大小為-18dBFS的時(shí)候，設(shè)備輸出電平為0dBu。定義這個(gè)值為測(cè)試電平，而在SMPTE RP155中規(guī)定為+24dBu。當(dāng)信號(hào)大小為-20dBFS的時(shí)候，設(shè)備輸出信號(hào)值為0VU，即+4dBu，此值為測(cè)試電平。在設(shè)備校準(zhǔn)或相互連接時(shí)，一般使用基準(zhǔn)電平對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)我們使用設(shè)備時(shí)應(yīng)分清楚設(shè)備采用的標(biāo)準(zhǔn)，以免在節(jié)目的制作中出現(xiàn)6dB的電平跳變，特別是在我國(guó)節(jié)目與歐美等進(jìn)行交換的時(shí)候。

3.電視節(jié)目中響度的測(cè)量

3.1 電視節(jié)目信號(hào)特性

在電視節(jié)目中，節(jié)目類(lèi)型風(fēng)格各異，例如語(yǔ)言類(lèi)、音樂(lè)類(lèi)、電影、電視劇、綜藝、實(shí)況轉(zhuǎn)播等，不同節(jié)目對(duì)聲音的動(dòng)態(tài)需求是不一樣的，例如，在流行音樂(lè)中，信號(hào)經(jīng)常維持在一個(gè)較高的水平；而類(lèi)似電影的轉(zhuǎn)播，既有非常安靜的語(yǔ)音對(duì)白段落，又有激烈的戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)面等。對(duì)于一些實(shí)況轉(zhuǎn)播、臺(tái)球比賽，或者野生動(dòng)物紀(jì)錄片，本身節(jié)目源的信號(hào)大小非常有限，人耳在客觀世界中對(duì)這類(lèi)事件主觀感受的響度也不是很大。因此，在電視節(jié)目聲音的制作中，可謂困難重重。在這些風(fēng)格各異、要求不同的節(jié)目中，對(duì)節(jié)目信號(hào)的響度進(jìn)行計(jì)量是一個(gè)任務(wù)，針對(duì)不同節(jié)目制定不同標(biāo)準(zhǔn)或統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)又是另一任務(wù)。

3.2 頻率加權(quán)

人耳在聽(tīng)不同頻率同一聲壓的純音信號(hào)時(shí)，主觀聽(tīng)感是不相同的，根據(jù)這一特點(diǎn)，人們提出了“等響曲線(xiàn)”這一概念，等響曲線(xiàn)的表述為，在不同的聲壓級(jí)下，人耳對(duì)曲線(xiàn)上各個(gè)點(diǎn)感知的響度是相同的。

圖3 等響曲線(xiàn)

既然人耳對(duì)不同頻率聲音的響度感知是不同的，因此在進(jìn)行響度分析時(shí)勢(shì)必要考慮節(jié)目中頻率特性對(duì)整體節(jié)目響度的影響。通過(guò)等響曲線(xiàn)可知，人耳對(duì)于低頻聲音的感知能力較差，在中高頻段2-5KHz處較為敏感。因此，一般制定出的加權(quán)濾波算法中，都是在低頻段進(jìn)行抑制，同時(shí)在高頻段進(jìn)行些許提升。這就意味著節(jié)目中較低頻段的聲音對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不會(huì)太大，而較高頻率的聲音對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。

目前常用的頻率加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)是由IEC提出的，一般有IEC A、B、C等算法。A加權(quán)更多的被應(yīng)用在較低聲壓的噪音測(cè)量上，C加權(quán)用于機(jī)械噪聲、影院音響校準(zhǔn)等較高聲壓級(jí)的評(píng)估方面，B加權(quán)次之。

圖4 幾種常見(jiàn)的加權(quán)函數(shù)

在廣播電視節(jié)目的還音過(guò)程中一般是使用電視揚(yáng)聲器還原信號(hào)，因此，ITU以B加權(quán)曲線(xiàn)為基準(zhǔn)進(jìn)行修飾，以達(dá)到適合電視節(jié)目響度測(cè)量而使用的專(zhuān)有加權(quán)曲線(xiàn)，稱(chēng)之為ITU-R BS.1770 加權(quán)曲線(xiàn)，或稱(chēng)為K加權(quán)曲線(xiàn)。以加權(quán)后的響度表述為L(zhǎng)K ，即K加權(quán)響度大小，單位相當(dāng)于dB。

在觀眾收看電視節(jié)目時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮人頭對(duì)于聲音信號(hào)的影響因素，因而在建議書(shū)中對(duì)2KHz以上的頻率進(jìn)行提升4dB的處理。

在上述這些操作中，無(wú)一例外都是盡可能接近受眾的真實(shí)聽(tīng)音情況，針對(duì)不同節(jié)目源進(jìn)行頻率問(wèn)題的考慮而得出的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 時(shí)間積分

任何節(jié)目中的聲音響度大小，除了跟頻率相關(guān)以外，還跟持續(xù)的時(shí)間密切相關(guān)。如在一部電視劇中，即使采用如上文所述的頻率加權(quán)算法來(lái)檢測(cè)響度，但在節(jié)目中會(huì)出現(xiàn)短而急促的峰值信號(hào)（如槍聲、拍桌子等）。較多的瞬時(shí)電平若考慮在整個(gè)節(jié)目響度的計(jì)算當(dāng)中，勢(shì)必會(huì)造成節(jié)目整體測(cè)量響度與觀眾主觀感知的響度不相符的狀況。針對(duì)這一狀況，ITU在1770建議書(shū)中并沒(méi)有給出明確建議，針對(duì)節(jié)目響度的測(cè)量只是基于全部節(jié)目時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，因此，EBU在EBU R 128推薦書(shū)中給出了更為詳盡的建議。其中，在EBU 技術(shù)文件3342中定義了“響度范圍（LRA）”這一概念，它的主要內(nèi)容是定義在節(jié)目中單一較短的響度突變對(duì)整體響度測(cè)量的影響，其中，在以長(zhǎng)度為3s的分析窗進(jìn)行分析時(shí)，低過(guò)10%與高過(guò)95%的突變信號(hào)不予計(jì)算，而在其之內(nèi)的信號(hào)差則是當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)的響度范圍，這樣就可以更好更直觀地得出整個(gè)作品內(nèi)響度的分布情況[5]。

3.4 針對(duì)不同節(jié)目類(lèi)型的門(mén)處理

ITU在1770建議書(shū)中僅僅給出了長(zhǎng)期或者連續(xù)響度的監(jiān)測(cè)方式，而針對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間低響度的節(jié)目，正如前文所述的臺(tái)球比賽，或者野外野生動(dòng)物拍攝的紀(jì)錄片等此類(lèi)節(jié)目考慮進(jìn)去，而旁白的解說(shuō)之間只有野外或者動(dòng)物發(fā)出的輕微聲響，若按照標(biāo)準(zhǔn)的響度處理結(jié)果去做的話(huà)，經(jīng)過(guò)電平響度平衡后的結(jié)果可能是整個(gè)節(jié)目平均的響度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但是旁白的解說(shuō)部分可能會(huì)異常的大，并且在播出的時(shí)候，安靜段落觀眾的主觀聽(tīng)感可能會(huì)感覺(jué)太響。

EBU在對(duì)ITU的算法進(jìn)行評(píng)估過(guò)后，將LKFS以L(fǎng)UFS加以區(qū)分，即滿(mǎn)刻度響度單位。除此之外，針對(duì)上述問(wèn)題，EBU引入了門(mén)處理的方式，只要當(dāng)前節(jié)目響度低于目標(biāo)響度以下8LU，該門(mén)函數(shù)終止工作，以此來(lái)避免較低電平對(duì)整體節(jié)目響度的影響。

測(cè)量時(shí)，瞬時(shí)節(jié)目響度使用400ms的矩形窗進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)模式下不使用門(mén)處理。短期響度使用3s矩形窗，不使用門(mén)處理，此實(shí)況儀表的刷新速率不應(yīng)低于10Hz。積分響度的測(cè)量，使用標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BS.1770方法，并加上門(mén)處理，此實(shí)況儀表刷新速率不應(yīng)低于1Hz。在EBU的標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定-23LUFS為基準(zhǔn)響度，響度表可以以-23LUFS=0LU的方式加以換算。我國(guó)規(guī)定-24LUFS為基準(zhǔn)響度，進(jìn)而確定不同節(jié)目最大容許的響度差異。

結(jié)語(yǔ)

電視節(jié)目響度的計(jì)量是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，從人類(lèi)的心理聲學(xué)、物理聲學(xué)、電聲學(xué)等方面，人們做出了很多的努力。正如前文所述，目前針對(duì)響度的計(jì)量雖然國(guó)際上有了一些標(biāo)準(zhǔn)與方法，但在國(guó)內(nèi)尤其是省級(jí)以下電視臺(tái)、影視制作機(jī)構(gòu)中，并沒(méi)有加以推廣使用，同時(shí)針對(duì)不同節(jié)目并沒(méi)有很多響度控制標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)可循。這就要求廣大影視工作者不斷實(shí)踐與運(yùn)用，總結(jié)出屬于我們自己的寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)國(guó)情制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)與方法。相信有一天觀眾不再抱怨電視劇中突然出現(xiàn)“震耳欲聾”的廣告聲了。

參考文獻(xiàn)

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[4]IEC.聲壓計(jì)（獨(dú)立模式）IEC 60651[S].日內(nèi)瓦：IEC，1979：1-4.

[5]EBU.響度范圍：一種對(duì)EBU R.128響度標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)充的描述：EBUTech 3342[S].日內(nèi)瓦：EBU，2010：1-4.

[6]全國(guó)廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).數(shù)字電視節(jié)目平均響度和真峰值音頻電平技術(shù)要求：GY/T 282-2014[S].北京：全國(guó)廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2014：1-2.