动态范围：动态余量和噪声

1.动态范围：动态余量和噪声

电影和电视节目制作设备面临的一个难题，就是典型的录音棚中从最弱音到最强音的很宽的音量范围。背景噪音大概在20dB的声压级，而演员的喊叫可以很轻易地达到120dB的声压级。超过100dB的声音对录音来说是一个挑战。在整个音频处理环节中，再现从最弱到最强的音量存在两个局限，即在音量范围的最低端的本底噪声和在最高端的失真区。

在传声器、放大器、磁带、模数和数模转换过程以及辅助电子设备的使用中，噪声是不可避免的。它源自于构成信号传输机制的电子的随机性。甚至最简单的不包含电子的动圈传声器（下一章将介绍），在一个真空的环境里也会产生噪声（noise）。在室温下，由音圈和传声器接线组成的导体中的电子布朗运动（Brownian）将导致产生噪声。唯一能消除噪声的方法是将传声器冷却到绝对零度。在此温度时所有的运动都停止了，因而，常温下，通常要在传声器的位置设定一个噪声门限（noise floor）。在噪声门限以下，那些需要的信号都被隐藏起来。因而，实现最小噪声的方法就是用高灵敏度的传声器靠近声源来拾取大量的信号。

遗憾的是，如果使用高灵敏度的传声器靠近声源的话可能会导致动态范围（dynamic range）的上限出现问题。当声源声音很大时，拾取到的信号过大极容易导致严重的过载或者削波，或使磁带饱和并引起严重的失真。术语“削波”（clipping）的意思是信号的峰值完全被电子器件所截除。这样严重地改变了信号的波形，并很可能产生可听闻的失真。

在录音棚里为工作电平选择一个基准电平或者选择磁带的录音电平，就像在摄影中使用灰片一样：以灰片为基准进行曝光，将中等亮度的色调设在图像最好的区域上。同样的，音频的基准电平用来表示相当于平均“曝光量”（exposure）的录音电平。依据这个基准电平可以测定出动态范围的上下限。从基准电平到本底噪声（比如磁带的“嘶嘶声”）的动态范围被称作信噪比［signal-to-noise ratio（s/n）］。从基准电平到最大不失真电平的动态范围被称作动态余量（headroom）。将以dB形式表示的动态余量加上同样以dB形式表示的信噪比，其结果就是设备或载体的整体动态范围。这当然是设备性能最重要的参数之一。

之所以命名为信噪比，是因为它是以dB的形式表示基准电平（信号）和噪声的关系。如果测量设备对所有频率的响应是一样的，那么信噪比是非计权（unweighted）的；如果测量设备对信号的响应可以被设计成类似于听众的反应，即对人耳最敏感的频率带的反应加强，而削弱人耳不太敏感的频率带的灵敏度，那么，则是可计权（weighted）的。

动态余量是在基准电平之上的动态范围。系统能在此范围内工作而不会引起严重的失真。在音频频谱中的任何位置时的频率成分，在同一电平上均会过载的情况下，动态余量则与频率的关系可以是平直的（flat）。在频率到达极限时经常首先出现过载或者削波的情况下，动态余量则不会与频率保持平直的关系。

举一个例子，将录音棚内以15英寸/秒的速度运转的开盘式磁带录音机，与以17/8英寸/秒的速度运行的盒式录音机相比较。虽然，盒式录音机在大多数情况下工作较为可靠，但是在录制高频率的高电平信号时就有问题了：开盘式录音机有更高的高频动态余量（high frequency headroom）。因而将几乎全由高频组成的铙钹的撞击声录制在开盘式录音机上而不会失真，而在盒式录音机上则会失真。

在电影和电视制作中，听觉失真是比诸如磁带“嘶嘶声”之类的噪声更为常见的一个问题。这是因为出现在大部分设备中相对较高的声学噪声电平彻底掩盖了技术噪声（但它在十分安静的录音环境中可能会变得很重要）。那就使失真成为在大多数情况下的动态范围问题中最突出问题。

在一个音频处理环节中有许多的信号点。在这些点上，信号有可能变得过大以至出现削波或者失真：

·传声器，尤其是那些内部装备有电子器件的传声器。

·传声器前置放大器。

·模拟磁带，或是在为了数字式录音而进行模数转换过程中。

·其后为“改进”声音质量而进行的信号处理。

·当多个声源在一个混音调音台中被混合在一起时：也许一个音源的信号并非很高，但是许多信号叠加起来以后就有可能使电平变得很高。

·录音的任何一个中间环节。

·在录制到发行媒介上的最后一个录音环节。

混录师要对每一个阶段进行优化，以便能在失真和信噪比的增益设置（gain staging）之间找到最佳的平衡点。在整个环节中的任何阶段的信号电平都应得到优化，以保持最宽动态范围。这就像对胶卷进行最有效的曝光一样，不仅底片，而且还有接下来的翻正片、翻底片以及发行拷贝等，以使需要的画面“信号”在影片制作的各个环节都不会出现曝光不足或曝光过度的问题。

任何一个环节上累加的失真在后续的制作阶段基本上是无法消除掉的。因而，要使最后的声音结果不至于失真，在每个阶段保持低失真是很重要的。同样，噪声在各环节之间也在不断地累积。所以，缩减录音的程序（under-recording）也并不是解决失真的最好办法。