DSP 对小扬声器的补偿算法
Meir Shashoua
CTO
Waves Audio Ltd., 特拉维夫，以列 Meir@waves
概述
今天，大多数的消费电子产品可以传送、储存或者放大高品质的数字音频流。然而，因为小扬声器的声学限制和糙杂的听音环境，这些技术的发展并不都能够显著改善我们听到的声音的质量。最新的心理声学喇叭补偿算法通过对频率响应和动态范围缺陷的补偿可以显著地改善主流消费类电子产品的声音质量，例如：手提电话，液晶电视，手提电脑和便携式音响系统。 1. 当今数字产品的音频局限性
氨分解制氢在过去的十年中，数字音频在录制、传送、放大过程中有了显著的改善，它能够令几乎在所有设备都产生高品质的音频信号。然而，
因为声学或音频传送链中的限制这些发展并不是都能提高消费电子的音质。如图1所示，声学和感知这个在整个音频传输链条中占据一半位置的部分几乎毫无改善。如今，在很多较小的，较簿的，更有效率的数字产品中，小扬声器对音质的限制比过去的十年更为严重. 如果要继续改善音频传送链条中第一部分的录制、压缩、放大部分，消费者需要花费几千美元去投资于音频电子设备，音箱，房间的声学特性。但是结果可能收获甚微。即使有改善，在喇叭尺寸和功耗方面极其有限的主流消费类音频产品中几乎也不可能体现出来。相反，既然声学上的限制是小扬声器音质的瓶颈，从这方便着手去改善音频传送链条能显著地改善主流消费电子产品的音质。
图1 音频传送音频传送链条上链条上链条上的局限性的局限性
音频音频链条链条 音质音质限制限制
自动折边机
晶振封装录制 麦克风，模数转换，混音 传输&储存 数字压缩算法伐地考昔
转换&放大 数模转换，放大器
发声系统 扬声器尺寸，材料，功效 听音环境 环境噪音，响度限制
过去十年取得明显的改进 过去十年
取得微乎
其微的改进
热敏打印机芯
人类听觉非线性感知
心理声学音频信号处理技术可以用于补偿声学和音频传送链条中占一半地位的感知的限制。作为世界领先的专业音频信号处理软件开发者，Waves Audio
Ltd.提供一整套对扬声器的声学限制，高背景噪音和非线性人类感知做补偿的，完整的DSP算法.
这些技术运用在DSP算法中，补偿了音频信号在还原系统中因为频率响应，动态范围和声学环境所受到的限制。Waves解决方案存在于定制的，低成本的DSP产品，可向第三方DSP半导体器件授权的算法以及针对微软Vista操作系统的音频处理结构中（APOs）。
2. 听觉上的音频限制
三相电机保护器2.1 人类听觉系统人类听觉系统的的能力
音频传送链最后一个环节是人类的听觉。很多研究显示，决定听到的声音质量的两个主要因素是频率响应和动态范围。人耳可听到很广的声音频率和动态范围.如下图2声音感知窗口显示:
图2. 人类人类听觉的音频听觉的音频听觉的音频感知窗口感知窗口
频率响应20赫兹到20,000赫兹，动态范围(ATH)至120分贝
频率低于20赫兹或高于20000赫兹以上的为超出人类可听到的范围，用灰显示.
Fletcher-
Munson 等响度曲线也有同样的解释。虚线是绝对听觉极限（ATH ）。在这条线
以下灰部分显示的是人耳不能听到的频率。人类听觉系统一个主要的限制是由于在低频范围内有快速的滚降而不能听到更低、更轻微的声音。
人类本身对最大可感知的音量的是无限制的。但是，长时间的高音量环境则会损坏人类的听觉。120分贝的声压级（SPL ）被普遍认为短期内不会损坏听力的最大的音量。
2.2 音频录制，混录和混录和母母版制作制作。。
考虑了听觉系统频响和动态限制之后，自然要考虑音频传送链的第一个环节。专业音响人士在电影，音乐，视频游戏的内容创作上是如何利用频响和动态范围的呢?专业人士在音频内容创作和录制上针对预期的听音环境来优化频响和动态范围。这个优化音频内容的过程称为母版制作（Mastering ）
电影音乐是为大型的、高质量的电影院而做的优化。大部分的流行音乐是针对汽车音响和舞厅而优化的。
Soundelux 的总监Scott
Gershin 说：“在电影声轨的母版制作中一个最重要的目的是给听众在音乐和效果中提供更多的彩。通过使用现今影院环境中的全部的频率和动态范围，我们可以使听众最大限度的沉浸其中并得到共鸣。相同的电影声轨通常被编辑后也被电视传输和DVD 所使用。不幸的是，大多数的消费产品不能够匹配影院的频率和动态范围，其结果就是造成了感知到的音频质量的巨大损失。”
Soundelux 成立于1982年，是一家领先的声音后期制作公司。它已经和好莱坞几乎所有的电影公司合作，给内容制作提供全面综合的专业音频制作和服务。
2.3 电影院和高质电影院和高质量的量的量的还还音环境
除了在顶级音乐厅听交响乐，如今大部分的电影院为消费者提供了最佳的声音系统。高级的电影院使用整套大型的扬声器，包括低音炮阵列和一个精心设计的房间声学环境。这样可以提供宽阔的频响和很高的声压级（SPL ）。这些电影院还有很好的隔音，吸音设计，使得非常安静的片断也可以被清晰的听到而不是被背景噪声所掩蔽。
音乐厅，大型电影院和高端的家庭影院系统的声音还原往往有令人满意的效果。他们可以表现宽广的频响和动态范围，可以把音频内容的创作者想要的音质和情感冲击带给听众。
因此，电影声轨和高品质电影院就是为传送覆盖几乎整个人类可感知的频响和动态范围的内容而设计的。如图3所示。
电影院的音频感知窗口
感知窗口
图3.电影院的音频
频响30Hz到20000Hz，动态范围15到110dB
但是，要表现到这样的效果需要在扬声器，电器设备和房间声学上花费数千美元。这些在广泛的主流音频应用领域，例如手提电话，液晶电视机，手提电脑或者便携音响中是不切实际的。
3. 在音频感知窗口中的在音频感知窗口中的扬声器设计扬声器设计扬声器设计影响影响
3.1 设计限制
在消费类电子产品中有几个影响传送频响和动态范围的因素。这些限制密切影响音频感知的每一个层面。如图4.这些问题严重制约了频响和动态范围，影响了可感知的音频质量。
图4. 扬声器设计效果
低频响应
受扬声器尺寸，箱体容积，设计，喇叭效率，功放功率等因素限制
高频响高频响应应
受传感器的重量和灵敏度的限制，通常在没有高音头的单一单元的系统中有这样的问题。
最大最大信号强度信号强度
受功放的最大功率，扬声器效率，扬声器漂移和用户音量控制等因素的限制
最小最小可感知可感知可感知信号强度信号强度 受听音环境的环境和背景噪音的限制
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