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而產(chǎn)生。振動的物體激發(fā)周圍介質(zhì)，聲音因而可以進行傳播。在真空中聲音是無法傳播的。聲音振動的幅度大小稱之為振幅，振幅大小影響著聲音的強度，聲音強度不同，因而響度不同。當(dāng)聲音在空氣中傳播時，聲源周圍空氣受聲源振動的影響，會產(chǎn)生壓力的變化，這個壓力稱之為聲壓。

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

1.2 聲音的類型

在日常生活中存在各種類型的聲音，如交通噪音，講話聲，樂器聲等，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之為復(fù)合音。感受不到的稱之為噪音。一些明確定義的電噪聲信號就屬于這一類信號。如粉噪、白噪、褐噪等。

還有一類聲音是由單一波形按照特定周期振動而產(chǎn)生的，并且只有一個頻率構(gòu)成，這樣的信號稱之為純音。由于構(gòu)成純音的波形不同，因此主觀聽感也不同。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)實中純音幾乎都是由人工音頻信號發(fā)生器所產(chǎn)生的，極少數(shù)物體的振動產(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)目的聲音信號不同，廣播電視節(jié)目的聲音是十分復(fù)雜的。針對這些聲音進行響度分析，就不能簡單的套用已有的針對純音、復(fù)合音、或者噪音的分析方法，更要全面的分析各個因素，從而綜合考慮。

1.3 計量單位

在物理學(xué)中，由于物體振動產(chǎn)生在聲音，并且在空氣中傳播時，大氣壓受到聲波擾動后產(chǎn)生的變化用聲壓來衡量。而壓力的大小一般用帕斯卡（Pa）來度量。人耳能分辨最微弱的聲音大約是20μPa，令人耳產(chǎn)生痛覺的聲壓大約是20Pa。這兩個數(shù)量級間相差了100萬倍之多。而這就對計量產(chǎn)生很大的麻煩。因而人們普遍采用分貝制來簡化這一過程。分貝的概念是兩個量間的比值取對數(shù)，這樣就可以用很小的數(shù)字來表示巨大的量。在聲壓的計量中，規(guī)定人耳能分辨最小的聲壓20μPa為標(biāo)準(zhǔn)量，用待測量比標(biāo)準(zhǔn)量后平方，再取對數(shù)值后乘以10，得到的結(jié)果便是聲壓級。聲壓級的大小一般用dB SPL來表示。SPL即聲壓級的英文縮寫。0dB，表示被測量與標(biāo)準(zhǔn)量一致。

2.電視節(jié)目信號大小的計量單位

在聲音的產(chǎn)生過程中，是由發(fā)聲物體本身振動所產(chǎn)生的聲音。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類可以通過揚聲器紙盆的振動模擬原始聲源來產(chǎn)生聲音。電視節(jié)目在電視中播出時無一例外都是通過揚聲器來重放聲音的。而揚聲器是由電能所驅(qū)動的，研究聲音聲壓大小，用dB SPL來表示，而針對電信號的大小或者是數(shù)字音頻信號的大小又如何表示和計量呢？

2.1 dB、dBu、dBV、dBFS 與 VU

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

VU，是音量單位的意思，表示聲音信號的大小。在模擬時代，電聲設(shè)備都是600Ω的阻抗，0VU時，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VU表盤的兩種刻度

在基準(zhǔn)值后，一般最大取到+3VU作為過沖余量。雖然VU表可以大致反映音頻信號的大小，但是總體誤差較大，分辨率較差，同時不能很好地表現(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為一個小數(shù)，便采用1V作為基準(zhǔn)，因此產(chǎn)生dBV。進入數(shù)字音頻年代，數(shù)字信號的最大值即計算機或者音頻設(shè)備能夠處理的最大數(shù)據(jù)定義為0dB，稱之為dBFS，即分貝滿刻度電平。因此，一般在數(shù)字音頻中看到的分貝值都是負(fù)值，即原則上不會有高出滿刻度的信號（在引入浮點運算技術(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)字音頻信號時允許出現(xiàn)dBFS的正值）。

針對這些信號大小的計量方式，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)在一段時間內(nèi)的平均信號大小。同時，反應(yīng)時間較為緩慢，大致約為300ms，并不能反映某一時刻峰值信號的大小。根據(jù)需求PPM表便應(yīng)用而生，PPM指“峰值節(jié)目表”它可以反映一個瞬時電平的大小，而PPM表所需的積分時間僅僅是5ms，這樣就可以讀出短時間內(nèi)電平的大小。在數(shù)字音頻處理中，可以非常直觀地監(jiān)看時時信號的電平大小。

不論VU表還是PPM表，都只是反映節(jié)目信號的電平大小，而節(jié)目信號電平大小并不能完全表示節(jié)目的實際響度大小，正如前文所述，節(jié)目響度受頻率、人耳特性、持續(xù)時間等諸多因素影響，因此，上述兩種對信號電平大小進行計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

在不同廠商、不同設(shè)備間，某一一定的數(shù)字音頻信號最終由數(shù)字設(shè)備輸出的電信號大小是不一致的，這就會導(dǎo)致實際產(chǎn)生的響度大小不一致。因此，現(xiàn)行有兩種標(biāo)準(zhǔn)來定義這一量，即當(dāng)數(shù)字音頻設(shè)備滿載時，設(shè)備所能產(chǎn)生最大電信號的電平大小。在EBU R68的標(biāo)準(zhǔn)中，定義0dBFS時，設(shè)備對應(yīng)輸出+18dBu的電信號大小；在信號大小為-18dBFS的時候，設(shè)備輸出電平為0dBu。定義這個值為測試電平，而在SMPTE RP155中規(guī)定為+24dBu。當(dāng)信號大小為-20dBFS的時候，設(shè)備輸出信號值為0VU，即+4dBu，此值為測試電平。在設(shè)備校準(zhǔn)或相互連接時，一般使用基準(zhǔn)電平對設(shè)備進行校準(zhǔn)。當(dāng)我們使用設(shè)備時應(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，特別是在我國節(jié)目與歐美等進行交換的時候。

3.電視節(jié)目中響度的測量

3.1 電視節(jié)目信號特性

在電視節(jié)目中，節(jié)目類型風(fēng)格各異，例如語言類、音樂類、電影、電視劇、綜藝、實況轉(zhuǎn)播等，不同節(jié)目對聲音的動態(tài)需求是不一樣的，例如，在流行音樂中，信號經(jīng)常維持在一個較高的水平；而類似電影的轉(zhuǎn)播，既有非常安靜的語音對白段落，又有激烈的戰(zhàn)爭場面等。對于一些實況轉(zhuǎn)播、臺球比賽，或者野生動物紀(jì)錄片，本身節(jié)目源的信號大小非常有限，人耳在客觀世界中對這類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，對節(jié)目信號的響度進行計量是一個任務(wù)，針對不同節(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)

人耳在聽不同頻率同一聲壓的純音信號時，主觀聽感是不相同的，根據(jù)這一特點，人們提出了“等響曲線”這一概念，等響曲線的表述為，在不同的聲壓級下，人耳對曲線上各個點感知的響度是相同的。

圖3 等響曲線

既然人耳對不同頻率聲音的響度感知是不同的，因此在進行響度分析時勢必要考慮節(jié)目中頻率特性對整體節(jié)目響度的影響。通過等響曲線可知，人耳對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，都是在低頻段進行抑制，同時在高頻段進行些許提升。這就意味著節(jié)目中較低頻段的聲音對測試結(jié)果的影響不會太大，而較高頻率的聲音對測量結(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量上，C加權(quán)用于機械噪聲、影院音響校準(zhǔn)等較高聲壓級的評估方面，B加權(quán)次之。

圖4 幾種常見的加權(quán)函數(shù)

在廣播電視節(jié)目的還音過程中一般是使用電視揚聲器還原信號，因此，ITU以B加權(quán)曲線為基準(zhǔn)進行修飾，以達到適合電視節(jié)目響度測量而使用的專有加權(quán)曲線，稱之為ITU-R BS.1770 加權(quán)曲線，或稱為K加權(quán)曲線。以加權(quán)后的響度表述為LK ，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，還應(yīng)當(dāng)考慮人頭對于聲音信號的影響因素，因而在建議書中對2KHz以上的頻率進行提升4dB的處理。

在上述這些操作中，無一例外都是盡可能接近受眾的真實聽音情況，針對不同節(jié)目源進行頻率問題的考慮而得出的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 時間積分

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)算法來檢測響度，但在節(jié)目中會出現(xiàn)短而急促的峰值信號（如槍聲、拍桌子等）。較多的瞬時電平若考慮在整個節(jié)目響度的計算當(dāng)中，勢必會造成節(jié)目整體測量響度與觀眾主觀感知的響度不相符的狀況。針對這一狀況，ITU在1770建議書中并沒有給出明確建議，針對節(jié)目響度的測量只是基于全部節(jié)目時長進行統(tǒng)計的，因此，EBU在EBU R 128推薦書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整體響度測量的影響，其中，在以長度為3s的分析窗進行分析時，低過10%與高過95%的突變信號不予計算，而在其之內(nèi)的信號差則是當(dāng)前時刻內(nèi)的響度范圍，這樣就可以更好更直觀地得出整個作品內(nèi)響度的分布情況[5]。

3.4 針對不同節(jié)目類型的門處理

ITU在1770建議書中僅僅給出了長期或者連續(xù)響度的監(jiān)測方式，而針對較長時間低響度的節(jié)目，正如前文所述的臺球比賽，或者野外野生動物拍攝的紀(jì)錄片等此類節(jié)目考慮進去，而旁白的解說之間只有野外或者動物發(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，經(jīng)過電平響度平衡后的結(jié)果可能是整個節(jié)目平均的響度達到標(biāo)準(zhǔn)，但是旁白的解說部分可能會異常的大，并且在播出的時候，安靜段落觀眾的主觀聽感可能會感覺太響。

EBU在對ITU的算法進行評估過后，將LKFS以LUFS加以區(qū)分，即滿刻度響度單位。除此之外，針對上述問題，EBU引入了門處理的方式，只要當(dāng)前節(jié)目響度低于目標(biāo)響度以下8LU，該門函數(shù)終止工作，以此來避免較低電平對整體節(jié)目響度的影響。

測量時，瞬時節(jié)目響度使用400ms的矩形窗進行測量，這個模式下不使用門處理。短期響度使用3s矩形窗，不使用門處理，此實況儀表的刷新速率不應(yīng)低于10Hz。積分響度的測量，使用標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BS.1770方法，并加上門處理，此實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。我國規(guī)定-24LUFS為基準(zhǔn)響度，進而確定不同節(jié)目最大容許的響度差異。

結(jié)語

電視節(jié)目響度的計量是一個漫長而復(fù)雜的過程，從人類的心理聲學(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，目前針對響度的計量雖然國際上有了一些標(biāo)準(zhǔn)與方法，但在國內(nèi)尤其是省級以下電視臺、影視制作機構(gòu)中，并沒有加以推廣使用，同時針對不同節(jié)目并沒有很多響度控制標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗可循。這就要求廣大影視工作者不斷實踐與運用，總結(jié)出屬于我們自己的寶貴經(jīng)驗，同時根據(jù)國情制定一系列的標(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

[1]Eddy B?gh Brixen.聲頻信號的儀表計量[M].北京：人民郵電出版社，2012：40-82.

[2]ITU.測量音頻節(jié)目響度和實際峰值音頻電平的算法：ITU-RBS.1770[S].日內(nèi)瓦：ITU，2006：1-4.

[3]EBU.響度標(biāo)準(zhǔn)化和允許最大音量電平等級： EBUR.128[S].日內(nèi)瓦：EBU，2010：1-3.

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

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

[6]全國廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.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：全國廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2014：1-2.