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模擬音頻的起源在電話線路。至今很多標(biāo)準(zhǔn)里的一些數(shù)據(jù)，比如600歐姆阻抗等一些參數(shù)還是從電話線路設(shè)計(jì)中遺留下來(lái)的。趁著最近設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)音矩陣的項(xiàng)目，總結(jié)了下網(wǎng)上一些關(guān)于音頻方面的知識(shí)。
首先明確幾個(gè)DIY發(fā)燒友們老是提到的概念。之所以提這個(gè)，是因?yàn)轫?xiàng)目里用到的音頻是跟其他設(shè)備集成的。對(duì)于其他設(shè)備其電路特性無(wú)從可知，只能從指標(biāo)入手。還有就是傳統(tǒng)電話線路遺傳下來(lái)的在音響領(lǐng)域DIY設(shè)備時(shí)通常提到的平衡與非平衡傳輸?shù)膯?wèn)題。最后會(huì)從音頻線路阻抗匹配的角度入手，介紹一些常見的Line In/Out;Mic in/Out之間的關(guān)系，以及常見的DIY燒友關(guān)心的耳機(jī)的一些指標(biāo)，以及用什么樣的功放才能驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。
我們知道衡量聲音的最主要的一個(gè)參數(shù)聲音的響度。初中物理就學(xué)過(guò)，單位是dB。等等。。。如果我沒記錯(cuò)，上過(guò)大學(xué)的我記得db這個(gè)單位好像是放大倍數(shù)的意思，好像是個(gè)比值？而且好像基數(shù)有的時(shí)候是10倍，有的時(shí)候是20倍。既然是個(gè)比值，這個(gè)聲音的響度是怎么回事，是誰(shuí)跟誰(shuí)比??？讓我們回顧一下，大學(xué)書里面的db。如果沒記錯(cuò)，這個(gè)概念主要出現(xiàn)在兩個(gè)地方，一個(gè)地方是模電里放大電路那塊，電壓放大那塊，包括信號(hào)與系統(tǒng)里面信號(hào)的幅度響應(yīng)那塊，也是電壓，這塊的公式是：
dB = 20 * log （U1 / U2）；
另一個(gè)地方就是功放那塊，功率放大那塊，這塊的公式是：
dB = 10 * log （P1/ P2）。
發(fā)現(xiàn)規(guī)律了嗎？凡是跟功率有關(guān)系的都是20，跟壓強(qiáng)有關(guān)系的都是10倍基數(shù)。其實(shí)這兩個(gè)公式是統(tǒng)一的，因?yàn)闅W姆定律告訴我們，P=U2/R，利用這個(gè)式子上面2個(gè)公式就統(tǒng)一了。這樣說(shuō)并不是很難理解，難理解的是我們?cè)诳匆恍ヾatasheet時(shí)，一遇到很多參數(shù)單位都是db時(shí)，就容易忽略這個(gè)問(wèn)題，老是犯嘀咕。
既然這樣，那我們的聲音的dB又是什么呢？我們知道聲音的響度其實(shí)是個(gè)功率概念。但是要記得，這個(gè)聲音多么響是客觀的，但是人距離聲源的距離對(duì)人耳朵來(lái)說(shuō)感受是不一樣的，也就是說(shuō)準(zhǔn)確的將，響度是單位空間截面積上的功率。從能量的角度，響度 = 能量 / （時(shí)間*面積）=功率 / 面積。還有一個(gè)概念，大家肯定聽過(guò)叫聲壓。聲壓跟響度之間的關(guān)系類似于激勵(lì)跟響應(yīng)的關(guān)系。準(zhǔn)確地講，聲強(qiáng)（I）與聲壓（P）的關(guān)系為：
I=（P^2）/（ρv） （此時(shí)P為有效值，若P為幅值，則 I=（P^2）/（2ρv） ）其中ρ-介質(zhì)密度，v-聲速。
由于介質(zhì)密度跟聲速都是常數(shù)，因此聲壓跟聲強(qiáng)其實(shí)跟功率和電壓的關(guān)系類似。那么這里響應(yīng)的用聲壓（P）表示聲音強(qiáng)度時(shí)：
dB = 20 * log （U1 / U2）；
用聲強(qiáng)表示時(shí)則為：
dB = 10 * log （I1 / I2）
等等，我記得我們說(shuō)聲音，都是這么說(shuō)的，你說(shuō)話的分貝數(shù)太高了，一個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)飛過(guò)接近130dB的聲音。dB不是一個(gè)相對(duì)的放大倍數(shù)嗎？通常情況下，當(dāng)人們說(shuō)到“分貝”的時(shí)候，卻指的是壓強(qiáng)。畢竟是聲波的壓力壓迫我們的耳鼓膜來(lái)讓我們分辨出聲音究竟有多“響”的。所以，我們通常所談到的分貝應(yīng)該是dBSPL（Sound Pressure Levels）。我們說(shuō)的dB正是以聲壓作為單位時(shí)，是跟誰(shuí)相比放大的呢？這個(gè)數(shù)就是0.00002 Pa，即我們平時(shí)說(shuō)的
dB=20 * log （P1 / 0.00002Pa）
我們能忍受的最強(qiáng)的聲壓大約是20帕，你試試用分貝表示一下看看？應(yīng)該如下：20 * log （20 Pa / .00002 Pa） = 120 dB。怎樣，還記得物理課說(shuō)過(guò)的吧？超過(guò)120分貝的聲音，我們就無(wú)法忍受了，這個(gè)值就是這么算的。明白了這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)囍卮鹨韵聨讉€(gè)問(wèn)題：
1.20dB和60dB究竟差多少？（不要回答我60-20=40（dB），我抽你呀！你告訴我40dB究竟是多響，難道用手指在峰值表上測(cè)量距離嗎？）
2.72dB和66dB的聲音合在一起有多響？（停！看你的口型我就知道——138dB，對(duì)不對(duì)？拜托~這可相當(dāng)于一架噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)從你身邊一米處遠(yuǎn)的距離飛過(guò)??！Areyounuts？而我說(shuō)的兩個(gè)數(shù)值相當(dāng)于一個(gè)鼓手和一個(gè)吉他手在一起演奏而已，你認(rèn)為一個(gè)樂(lè)隊(duì)演出就像空軍基地里飛戰(zhàn)斗機(jī)那么吵么？）
3.經(jīng)常聽人說(shuō)一些設(shè)備的各種指標(biāo)，-10dBV和+4dBu，這個(gè)很熟悉吧？他們說(shuō)，+4dBu的設(shè)備屬于“專業(yè)級(jí)”，-10dBV屬于“民用級(jí)”，你知道這是為什么嗎？
4. 為什么有些文章說(shuō)數(shù)字設(shè)備不會(huì)超過(guò)0dB，而模擬設(shè)備就可以超過(guò)呢？
5. 16bit數(shù)字音頻的動(dòng)態(tài)范圍是多少？24bit呢？如果讓你說(shuō)出21bit的，你能說(shuō)出來(lái)嗎？
6. 100瓦的吉他音箱能比50瓦的吉他音箱響多少？
什么，還有這么多概念！不急，這些就都簡(jiǎn)單了。
dBu， dBv， dBV，dBm， dBVU， dBFS這些東東的意思到底指什么呢。不過(guò)有了以上的基礎(chǔ)，你明白這些小東西只是時(shí)間的問(wèn)題，讓我們先從原理開始：
我們已經(jīng)明白了分貝的含義，應(yīng)當(dāng)特別注意的是：分貝表示的是兩個(gè)相同類型的數(shù)據(jù)之間的比（類型要相同，這一點(diǎn)很重要，你不能拿瓦特和伏特直接進(jìn)行比較）。在這兩個(gè)數(shù)據(jù)里，其中的一個(gè)我們把它叫做“參照數(shù)”，我們即是通過(guò)把測(cè)量到的數(shù)值和參照數(shù)代入公式進(jìn)行計(jì)算來(lái)得到相應(yīng)的分貝值的。比如之前我們已經(jīng)使用過(guò)聲壓作為測(cè)量單位，那是我們選取的參照數(shù)是0.00002帕斯卡。我們最后得到的分貝值，我們稱之為“dBSPL”。也就是說(shuō)，dB后面不同的字母指示的就是我們用什么作為測(cè)量單位來(lái)得到這個(gè)分貝值的。用聲壓，那么就是SPL（SoundPressure Levels）。這樣解釋應(yīng)該非常明確吧？如果你看懂了，那么我就來(lái)一個(gè)一個(gè)地解釋其他和dB有關(guān)的單位。
dBm 和 dBVU
我們已經(jīng)討論過(guò)用功率測(cè)量得到分貝值的方法，那時(shí)我們說(shuō)的是聲音的功率，單位是瓦特。不過(guò)我們知道，除了聲音之外，還有很多現(xiàn)象可以產(chǎn)生功率的，比如說(shuō)電。
很久以前，在發(fā)光二極管和液晶顯示屏尚未誕生的“古代”，工程師們依賴一種叫做VU表的設(shè)備來(lái)完成他們的工作。VU表看起來(lái)就像一個(gè)駕駛室里的速度表，用一個(gè)指針以順時(shí)針?lè)较蛑甘就ㄟ^(guò)此題的電流增量。VU是“VolumeUnit”的簡(jiǎn)寫，意即：音量計(jì)量單位。
VU表的問(wèn)題是每一個(gè)VU表都不一樣！直到上世紀(jì)30年代末，一群工程師們坐在一起決定統(tǒng)一一下VU表的計(jì)量規(guī)范，這個(gè)問(wèn)題才得以解決。他們確定的標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)電流的功率為1毫瓦（1mW），VU表指示0dB。換句話說(shuō)：0dBm =0dBVU。dB后面的m就代表毫瓦。dBm也是以功率為單位測(cè)量的，參照數(shù)是1mW。
dBm = 10 * log （功率 / 1mW）
這樣，我們就可以很容易得用dBm來(lái)表示電流功率的變化了。還記得么？當(dāng)測(cè)量值和參照物相等的時(shí)候，dB值總是為0嗎？所以了：
10 * log （1mW / 1mW） = 10 * log （1） = 0 dBm
當(dāng)VU表的指針指向+3dBm的時(shí)候，功率增加了一倍，怎么算的？這樣：
10 * log （2mW / 1mW） = 10 * log （2） = 3 dBm ----我說(shuō)過(guò)了，至少你要準(zhǔn)備一個(gè)科學(xué)計(jì)算器，對(duì)數(shù)是不好心算的。
那要是指向-6dBm呢？
10 * log （0.25mW / 1mW） = 10 * log （0.25） = -6 dBm
dBu（也叫做dBv）和dBV
再回憶一下高中物理吧。功率（P）還可以用電壓（V）和電阻（R）之間的關(guān)系來(lái)表示：
P = V^ / R ---- 電阻的單位是歐姆（Ω）
剛才討論dBm的時(shí)候，參照數(shù)是1mW。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是在上個(gè)世紀(jì)三十年代設(shè)立的。在那個(gè)時(shí)候，所有音頻設(shè)備的輸入阻抗都是600歐姆，磁帶錄音機(jī)，調(diào)音臺(tái)，前置功率放大器……只要有插頭，那么從火線到接地之間的電阻就是600歐姆。
那么，當(dāng)電阻為600歐姆的時(shí)候，需要多大的電壓才能產(chǎn)生1mW的功率呢？用剛才的公式計(jì)算一下：
P = V^ / R
0.001 W = V^ / 600 Ω［/B］
V2 = 0.001 W * 600 Ω
V = sqrt （0.001 W * 600 Ω） ----sqrt是開平方，我不知道怎么打這個(gè)符號(hào)。
V = 0.775 V
答案是0.775伏特。那么，當(dāng)所有的設(shè)備的輸入阻抗還是600歐姆的那個(gè)年代，計(jì)算dBu時(shí)所用到的參照數(shù)就是0.775V，也就是說(shuō)，dBu就是以電壓為測(cè)量單位是計(jì)算出的分貝值。不過(guò)我們又注意到，剛才的公式里電壓是平方數(shù)的哦。根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，我們知道怎么處理這個(gè)問(wèn)題：
dBu = 20 * log （被測(cè)電壓 / 0.775 V）
如果你很仔細(xì)的話，大概你會(huì)覺得奇怪：為什么是dBu而不是dBv呢？其實(shí)呀，很早以前人們是直接用dBv來(lái)表示的，只不過(guò)后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)dBv和dBV太容易讓人混淆了，于是就用小寫字母“u”來(lái)代替小寫字母“v”了。如果你還能看到dBv，那么它的意思就是我們今天講到的dBu——除非寫dBv的人搞不清楚他到底想說(shuō)什么！
很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們所用到的音頻設(shè)備都是輸入阻抗為600歐姆的，到了今天我們才會(huì)遇見一些更高阻抗的設(shè)備，比如說(shuō)10000Ω。電阻越高，電路耗費(fèi)的功率就越低。（根據(jù)上面的公式，我們知道功率和電阻成反比）還記得dBu使用的參照數(shù)是0.775V吧？很多工程師認(rèn)為這個(gè)數(shù)字實(shí)在是太麻煩了，但因?yàn)槟菚r(shí)候所有的設(shè)備都是固定的輸入阻抗，因此使用0.775V作為參照數(shù)也就順理成章了。設(shè)備不改進(jìn)，這個(gè)參照數(shù)也就不能變，但是為了使用方便，一個(gè)新的參照數(shù)還是很快發(fā)展了出來(lái)——順帶產(chǎn)生了新的分貝單位dBV。這個(gè)參照數(shù)是1V：
dBV = 20 * log （被測(cè)電壓 / 1V）
其實(shí)dBV和dBu非常相似，只是參照數(shù)不同罷了。
現(xiàn)在順便說(shuō)說(shuō)所謂“專業(yè)級(jí)”和“用戶級(jí)”設(shè)備之間的差別。你可能早就知道了，專業(yè)級(jí)設(shè)備是+4dBu而用戶級(jí)設(shè)備是-10dBV，當(dāng)然這其實(shí)是很荒謬的，哈哈。我們剛才已經(jīng)看到了dBu和dBV都是通過(guò)比較電壓來(lái)計(jì)算分貝值的，除了參照數(shù)不同，它們沒有任何區(qū)別。所謂專業(yè)級(jí)，是指這些設(shè)備的使用者多是一些“大叔”（因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)早嘛，使用的人當(dāng)然大多數(shù)“資格”也都比較老）。事實(shí)上，僅憑這兩個(gè)參數(shù)就斷定設(shè)備的“級(jí)別”未免太過(guò)武斷了，在任何場(chǎng)合這兩種規(guī)格的設(shè)備都可以很好地完成工作要求。我覺得吧，在這方面我們應(yīng)當(dāng)多多發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。設(shè)備之間的硬性差別我們心中有數(shù)就可以了，但如何使用我們掌握的知識(shí)讓你手中的設(shè)備發(fā)揮最大的潛能才是我們應(yīng)該追求的境界。設(shè)備不好是個(gè)錢的問(wèn)題，有了好設(shè)備做不好音樂(lè)那就是人的問(wèn)題了，錢的問(wèn)題可以解決，人的問(wèn)題不好解決呀！在我們海峽對(duì)面有個(gè)小島，上面的人雖然不多，但是搞音樂(lè)的卻不少，我們承認(rèn)他們的音樂(lè)發(fā)展得不錯(cuò)，但并代表他們搞音樂(lè)的人水平就都很高，在他們那里有個(gè)鳥論壇，上面就有些鳥人大言不慚的就“專業(yè)”和“用戶”設(shè)備的差別大放狗——那個(gè)什么氣！讓我這個(gè)海峽另外一邊的菜鳥（順便說(shuō)一句，那里有很多人都認(rèn)為海峽這邊的人比他們差的遠(yuǎn)了）都有些看不下去了……本是同根生啊~但誰(shuí)讓現(xiàn)在是這么個(gè)形勢(shì)呢？為了讓海峽這邊的同志不要也像他們一樣看起來(lái)“專業(yè)”，其實(shí)很“操蛋”，所以我才寫下這一段話——應(yīng)該說(shuō)，促成我寫這篇文章，有很大的原因也是為了這個(gè)！
好了好了，話題扯遠(yuǎn)了，我們來(lái)看看+4dBu和-10dBV到底有什么區(qū)別吧：
+ 4 dBu = 20 * log （被測(cè)電壓 / 0.775 V）
被測(cè)電壓 = 1.228 V
- 10 dBV = 20 * log （被測(cè)電壓 / 1 V）
被測(cè)電壓 = 0.3162 V
20 * log （1.228 V / 0.3162 V） = 11.79 dB
如果你有這兩種設(shè)備，你可以做一個(gè)檢測(cè)：連接-10dBV的輸出到+4dBu的輸入，然后讀一下+4dBU的VU表，是不是11.79dBVU？
dBFS
最后我們來(lái)看看和我們聯(lián)系最密切的dBFS。dBFS的全稱是“Decibels FullScale”（全分貝刻度）——是一種為數(shù)字音頻設(shè)備創(chuàng)立的分貝值表示方法。
這個(gè)家伙和其他幾個(gè)弟兄不太一樣了，它的參照數(shù)不是最小的一個(gè)，也不是中間的某一個(gè)，而是最大的一個(gè)！也就是說(shuō)“0dBFS”是數(shù)字設(shè)備能夠到達(dá)的最高響度水平。此外所有的值都會(huì)小于這個(gè)數(shù)值——都是負(fù)數(shù)。這就是為什么我們?cè)?a target="_blank">電腦上看到的峰值表的最高刻度都是“0”，并且指針永遠(yuǎn)不會(huì)讀出更高的數(shù)字。
但是，為什么會(huì)這樣呢？要解釋這個(gè)問(wèn)題，我們要簡(jiǎn)單說(shuō)一下數(shù)字音頻的存儲(chǔ)原理。我們用16bit的數(shù)字音頻為例：“16bit”的意思是，采樣信號(hào)以16位二進(jìn)制數(shù)字來(lái)存儲(chǔ)。二進(jìn)制數(shù)字就兩個(gè)：“0”和“1”。所以，最大的值就是11111111 1111 1111（二進(jìn)制，換算成十進(jìn)制是65536），因此，計(jì)算dBFS的公式就是：
dBFS = 20 * log （采樣信號(hào) / 1111 1111 11111111）
這樣就很容易解釋為什么不能超過(guò)“0”了，因?yàn)閐BFS的參照數(shù)是最大值，所以：
20 * log （1111 1111 1111 1111 / 1111 1111 1111 1111） = 0dBFS
那么最小的呢？除了0之外，16位二進(jìn)制最小的數(shù)字是：0000 0000 0000 0001，那么：
20 * log （0000 0000 0000 0001 / 1111 1111 1111 1111） = -96dBFS
知道為什么你看見的峰值表都是從0 dB到-96dB了吧？接下來(lái)，你可以自己算出24bit，32bit數(shù)字音頻的動(dòng)態(tài)范圍了，我告訴你一個(gè)，24bit數(shù)字音頻的動(dòng)態(tài)范圍是144dB。還是你自己試試吧？（別忘了要先把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，我可不會(huì)用二進(jìn)制算對(duì)數(shù)！^^）
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