和乐器

动态范围及动态余量解析

――编译自《YAMAHA扩声手册》

张仕佳

(音响系统工程师广州)

[摘要]介绍动态范围和动态余量的定义和作用，压缩器的应用

[关键词]动态范围；动态余量；压缩器；扩展器

DynamicRange&HeadRoom

GaryDavis&RalphJones

[Abstract]Prentationofdynamicrange&headroom,aboutapplicationofcompressor

[Keywords]

dynamicrange;headroom;compressor;expander

一、引言

在现代的扩声系统中，设备非常多，就算你手上有很昂贵，各方面性能都很优秀的设备，

能不能把这套设备用好变得尤为重要。技术的学习是没有捷径的，需要一点点积累，钻研，

最重要的是有上进心和努力学习的心态!在本文中介绍的动态范围和动态余量在扩声系统中

起着至关重要的作用，在这里分享给许多需要这方面知识的朋友。尽量用最简单的语言和实

例让大家都能读懂，有错误的地方，请读者们给与指正。

二、动态范围

2.1定义

信号峰值与最小值之间的电平差称为动态范围，用(dB)分贝表示。有时候，信号最小值

低于周围的环境噪声，这时，动态范围为信号峰值与基本噪声间的电平差。换句话说，动态

范围就是音频信号的最大变化量。这个概念也适用于扩声系统，扩声系统存在着固有的本底

噪声，即系统中的热噪声和元件额外噪声，这就是系统服贸协定 输出的最小电平值。扩声系统中，动

态范围定义为系统输出峰值与本底噪声之间的电平差。

2.2典型摇滚音乐会的动态范围

这里我们以一个音乐会为例来阐明，例如：在一场表演中，传到舞台麦克风的声压，可

能从40dBSPL（非常安静的瞬间传到麦克风的观众噪声、环境噪声等）到130dBSPL（歌手

和乐器正常演奏峰值时发出的声音），在这场音乐会里动态范围是多少呢？它等于峰值电平

减去本底噪声：

动态范围＝峰值电平－本底噪声

＝130dBSPL－40dBSPL

＝90dB

这场音乐会麦克风有90dB的动态范围。

注意：动态范围的单位为“dB”，而不是dBSPL。记住dB是一个比值，描述的是130dBSPL与40dBSPL

的关系，两者之差为90dB，与0.0002dynes／cm2下的90dBSPL声压毫无关系。动态范围的单位应该用dB

表示，不能用dBSPL，dBm，dBu或其它dB(x)形式表示。

2.3扩声系统中电气的动态范围

对于这样的音乐会扩声系统要求多大的动态范围呢？扩声系统中，信号电平（dBu）与

麦克风前的声压级（dBSPL）成正比。当然，实际电平还取决于麦克风的灵敏度，前级放大

器的增益，以及其他设备的灵敏度和增益。但灵敏度与增益值一旦设定，就保持恒定，因此

我们可以把它们看成是常数，电子设备上往往会有标称值，即电平是可以设置的。

所以，当麦克风前声压为130dBSPL时，调音台输出的最大电平可能会达到＋

24dBu(12.3V)，功放的最大输出功率可能达到250W（当然，可能会连接多台不同的功放，

每台峰值功率不一样,这里以一台250W为例）。同样，当声压降为40dBSPL时，最小的线电

平降为-66dBu(388mV),此时功放的输出功率为250nW(25010-9W)。

麦克风把声音转化为电信号，并从调音台输出时，动态范围有没有改变呢？

动态范围＝峰值电平-本底噪声

＝＋24dBu-（-66dBu）

＝90dB

由此可见答案是肯定的，调音台的动态范围跟麦克风一样大小，那么功放的输出呢？我们不

能直接通过250W减去250nW来得到功率比值dB，但是可以通过以下公式来计算：

dB=10log(P1/P0)

=10log(250/0.000000250)

=10log(1,000,000,000)

=10log(1109)

=109

=90dB

dBSPL与dBu，dBm，dBW的对应关系贯穿整个扩声系统，从麦克风音源，至音频设备，

到音箱输出。重要的是要理解dB就是dB。如果声压变化了90dB，那么功率也变化了90dB。

看起来有点不可思议，因为他它们的计算公式是不同的，前者为20log(V1/V0)，后者为

10log(P1/P0)，但是当用dB表示同一个物理交叉分类法 量的比值时20log和10log里的值是没有单位的。

在音频信号的线性放大中（假设没有电平压缩，均衡，限幅，削波等），两个声压级之间的

比值dB直接与功率比dBm和电平比dBu相对应。

在其他扩音系统存在着类似的关系，如录音棚，娱乐厅，广播系统。

2.4扩声系统中声音的动态范围

我们刚才描述了麦克风，调音台，功辽宁的简称 放的动态范围。但是从音箱发出来的声音动态范

围是怎出纳员岗位职责 么计算的呢？可能你已经猜到了，其动态范围是一样的。当然，如果音箱不能重放那

么大的动态范围，就会产生峰值失真甚至单元烧坏或者可能是音箱不能重放最小值的电平信

号，结果就会丢失细节。

那么实际重放声压需要多大呢？这完全取决于音箱与观众的距离，和想要产生多大的

声压级。多大的声压级为最佳呢？首先要避免震耳欲聋的声音，避免在主歌手吼出最大声音

时让观众觉得耳朵痛苦，一般人耳可接受的最高声压级是120dBSPL.假设在特定的环境下，

音箱发出130dBSPL峰值声压，最弱音为40dBSPL声压,那么音箱的声音动态范围就为90dB。

当然我们知道声音在到达人耳之前会被空气衰减，假如声压随距离而衰减10dBSPL，

最高声压级从130dBSPL降为120dBSPL，最弱音40dBSPL声压同样会被衰减。当40dBSPL

声压降为30dBSPL时，最弱音声压比本底噪声低，也就是说，本底噪声将会掩盖掉音乐，

观众将听不到弱音部分的音乐细节。

这就是为什么音频设备需要给出动态范围参数的原因，值得注意的是，压缩最强音（信

号峰值）我们可以提升电平，从而使最弱音声压增大。

三、动态余量

3.1定义

在上节中描述的音乐会扩声系统，演出过程中其“电子平均线电平”为+4dBu(1.23V)，

相应的麦克风平均声级为110dBSPL，这个声压级常被称为标称声压级。设备中标称声压级

与最高声压级的差就是动态余量。以麦克风声压为例，我们计算一下前面所描述的音乐会扩

声系统有多大的动态余量：

动态余量=最高声压级-标称声压级

=130dBSPL-110dBSPL

=20dB

再强调一遍,动态余量的单位为dB,因为它描述的只是一个比值,而不是一个绝对的物理量.

余量为20dB,不是20dBSPL.同样,电气余量也是20dB,计算公式如下:

动态余量=最大线电平-平均线电平

=+24dBu-(+4dBu)

=20dB

同样,余量是20dB,而不是20dBu。假设功放在不失真条件下峰值功率为250W,额定功率为

2.5W,那它的余量也为20dB。为什么?让我们用公式计算一下就知道了。

dB＝10log(P1/P0)

＝10log(250/2.5W)

＝10log(100)

=102

=20dB

图一中阐明了典型扩声系统的动态余量和动态范围这两个电声术语的概念。图中信噪比表

示标称电平与本底噪声的比值。从图中可以看出它与动态余量和动态范围的关系。然而,三

者之间有一个很微妙的关系：你不能单纯把信噪比和余量相加，就得到系统的动态范围。

图一：动态范围和动态余量

上面的陈述看上去与定义相矛盾，如果细心分析体会其意义就会发现其实并不矛盾。动

态范围是信号峰值与最小值之间的电平差。这个信号可能是正弦波，也有可能是人发出的声

音或可识别音乐信号。这些信号电平比扩声系统本底噪声低几个dB的时候，细节还能够被

听出来。毕竟本底噪声是非常随机的宽带信号，而信号是结构化的，相对来说窄带的信号。

另一方面，噪声信号是随机变化的，电平值变化很大。比环境噪声低多少个dB以内细节才

不会被掩盖，这是一个难题，这主要取决于音源类别，噪声性质和收听者。比较安全而非常

容易的做法是，按照文章开头的类似做法，把环境噪声作为动态范围的下限值。虽然不能测

得准确值，但可以通过多次测量取平均值。

3.2为什么动态余量很重要

作为一个技术参数，动态余量体现了扩声系统处理信号峰值的能力。假设两个扩声系

统工作于同一额定电平，余量大的系统能处理更大的不失真峰值信号。动态余量应根据音频

设备属性和扩声系统应用目的而设定。

在嘈杂的工厂使用传呼扩声系统，需要很大的额定声压（盖过机器噪音），但是只需

要很小的余量，最多6dB就够了。因为它只用作呼叫和报警，声压被控制在一个恒定的范围

内。事实上，传呼系统一般工作于110dBSPL额定声压，保留6dB的余量则需116dBSPL

最高声压，此声压离令耳朵痛苦的声压只有几个dB的差值。如果像前面提及的音乐会音响

系统那样保留20dB的动态余量，那么最高声压将达130dBSPL，还没呼叫完一句话，工人

就会因听力损伤而集体起诉。另一方面，应用于交响乐团音乐会的音响系统应留有20dB以

上的动态余量。因为管弦乐的平均声压比较小，大概为90dBSPL，然而定音鼓或小提琴，

或其它乐器的最高声压能达到120dBSPL（只是瞬间产生）。也就是说需要30dB余量，如

果只有20dB余量，峰值电平会产生失真。在人群密集，嘈杂的要摇滚音乐会可以接受这种

失真，但是经常训练的专业人士就能听出因瞬间失真产生的声音不自然，表演者，导演，观

众可能会拒绝使用这套音响系统。

那么如果是这样就意味着用于交响音乐会的功放和音箱的功率需要比摇滚音乐会的

大吗？完全不是。一样数量的设备，或可能更少，就足够了，能产生比摇滚音乐会大10dB

的余量。

记住，10dB相当于功率增大10倍，那你怎样在同一个扩声系统中提升10dB的余量

呢？好了，如果你有认真阅读前面的内容，你就会知道我们要求峰值SPL大小要相同，例如

120dB。我们只是要更多的余量。既然我们不改变最高声压级，那就可以下降额定声压级。

我们把额定声压100dBSPL降至90dBSPL，这样余量就提升了10dB。实际上，我们毫不

怀疑，优秀的音响系统，在峰值声压只有117dBSPL（27dB余量）的情况下，重放管弦乐

队的声音仍然优美，这就可以拆除一半的功放和音箱了（减少3dB相当于减小1倍的功率）。

四、动态范围在实际音响系统中的处理方法

在一个特定的扩声系统性能中，没有能显示系统动态范围与余量的程序使系统能确切匹

配好。好的音响系统设计需要将典型音乐会的要求考虑进去。但是根据实际情况和资金问题，

有时候要作出恰当的妥协。怎样作出恰当的妥协呢？这是经常遇到的问题，所以要经过详细

的计划，结果会好很多。

4.1为什么动态范围不能过大

音响系统可以通过提升最高大声压级或降低环境噪声来增大动态范围。有时候，可以用

吸音处理，这对音乐厅来说是一个很好的方法，既可以增大动态范围，还可以消除过度的混

响。在其它场合，特别是流动演出，实际上很少有可行的办法降低环境噪音，那就只能提升

最高声压级了。

提升最大声压级将会大大增加音响系统的成本（呈指数型增长）。因为每增加3dB，功

放和音箱的功率就要增加一倍。用相同的功放和用更高灵敏度的音箱，想怎么吹口琴 法不错，不过可能

系统中已经使用了高灵敏度音箱了，另外，很多情况下高灵敏度音箱体积大，成本高，可能

没有足够的实际空间来安装或运输音箱。有一种方法是可行的，就是用指向性强的音箱（例

如有较窄覆盖角的音箱），使功率集中在更小的区域，这样该区域能得到更高的声压，并且

同时要用更多数量或更大功率的功放。

在大型扩声系统中1dB的余量提升，需要花费几千美元换得。正是这种原因，想方设法

降低动态范围的要求变得尤为重要。除了小音响系统提升3dB可能只要增加一台功放和一只

音箱就行了，其他的音响系统的话，与实际需要相比，增大动态范围的成本太高了，不值得。

4.2扩声系统配置不合理会怎么样？

如果音频设备的动态范围超过扩声系统的承受能力，就会可能发生以下一些问题：

ａ）峰值节目信号导致系统削波，进而烧坏音箱。

ｂ）听不见最弱音的信号细节，因为其声压低于电气或环境的本底噪声。

让我们来研究一下实际情况，如上一节中讲到音乐会系统。在那个音乐会里，演奏者发

出的声音传到麦克风，声压范围从40dBSPL至130dBSPL，也就是说有90dB动态范围。

相应的调音台输出范围为-66dBu(388V)至+24dBu(12.3V)，动态范围也是90dB。最后，

功放功率输出范围从0.25W到250W，动态范围也是90dB。

如果用两辆货车装载刚才所说的音乐会音响系统，其中一辆在高速公路上抛锚了，但演

出要开始了，最后关键时刻只能租用了当地的音箱较少的音响系统。租用的音响系统中，麦

克风前级放大器电路噪音更大，调音台输出电压比我们原来的要差。我们幸运地租到同样功

率的功放，我们还有自己的音箱。测量租用的设备电气性能，发现其电气本底噪声为-56dBu

（1.23mV），峰值输出电平为+18dBu(6.16V)。那么这套新装配系统的动态范围是多少呢？

其解是：

1）以最弱的环节来计算动态范围。在这里，电子电路是最弱的环节。

动态范围=峰值电平-本底噪声

=+18dBu-（-56dBu）

=74dB

此系统的动态范围只有74dB。

2）如同图1所示，因为声音没有改变，音乐应该仍有90dB声音动态范围。显然，这里

扩声系统“丢失”了16dB信号（90dB-74dB=16dB）。

16dB信号是怎么丢失的呢？可能性有两个，一是峰值信号严重削波了，调音台不能输

出与峰值信号相应的足够高的电平；二是与最低电平信号对应的弱音被噪音掩盖掉了。该系

统同时以这两种途径减小了16dB动态范围同。这就是为什么对于高质量，高声压扩声系统

或音乐重放系统，要求音响系统有足够低的噪声电平与足够高的输出能力。

4.3怎样在有限的动态范围里合理设置音响系统的信号阀值

目前为止，我们已经讲述了线性电平的规律，即，输入每变化2dB，输出也变化2dB。

但情况并非总是如此。假设输入每变化2dB，输出只变化1dB，会发生什么情况呢？这时动

态范围就会减小一半，如图2所示，90dB动态范围变为45dB。

图二:90dB2：1压宿

实事上，用一个简单信号处理设备压缩器就可以做到。设置压缩比为2:1，输入每变

化1dB，输出就会变化0.5dB。除了苛刻的音乐重放外，这种压缩一般是可以容忍的，而实

际使用中经常设置为更高的压缩率。

在4.2节的例子中，我们只需要把信号动态范围90dB下降为74dB，减小16dB动态范

围，这时压缩器压缩率设置为1.21:1,就会将90dB压缩为74dB，可能还需要调整一下设备

的增益，如图3所示。把压缩器压缩率设置为1.21:1比2:1要好多了，因为在满足音响系

统约束条件下，可以尽量保留音乐的自然声音和效果。

图三:90dB节目信号的压宿

可是我们不想要任何压缩，毕竟它有副作用，例如使呼吸声听起来很大声，有时产生

类似抽气声，或者产生低频信号失真和不能接受的峰值失真，我们可以用另一种方法来解决：

给压缩设定阀值，在给定信号电平内，压缩器不工作。如果阀值设置为信号额定电平，能确

保音乐听起来非常自然。不管压缩多少，压缩后电平都要大于阀值，以避免削波。

如图4所示，设置阀值为+4dBu，压缩比为1.43:1，它只对阀值以上的信号起作用，

压缩后电平大于阀值+4dBu，这种方法会降低系统的动态余量，但对音乐的弱音部分没帮助，

你可以看到实际上动态范围减小到只有84dB；仍有10dB信号丢失在噪音里。如果阀值设置

为更低，或者压缩率设置为更高，动态范围会更小，这时你可以提高压缩器的输出电平，使

所有输出信号电平高于调音台本底噪声电平。

图四:超出阀值信号的压宿

有些设备允许压缩比很高（从8:1到20:1甚至无穷大:1），这些设备称为限幅器，用

于限幅，这个术语很贴切，不管输入信号怎样上升，无限压缩限制输出电平值。举个例子，

假设阀值为+15dBu自动英语 ，压缩率为10:1，只要输入压缩器的电平低于+15dBu，那么限幅器的输

出电平就不压缩，与它的输入相对应；如果输入大于+15dBu，输出变化很小。多小呢？正如

压缩率为10:1，输入变化10dB，输出就变化1dB。也就是说输入信号为+25dBu，限幅器输

出为+16dBu，输出只提升了1dB。我们几乎不会输入+25dBu这样大的电平给限幅器，所以它

们的输出不会高于+16dBu的，很多设备既可用于压缩又可用于限幅，我们把这种设备称为

压缩限幅器。

有个特例，就是压缩和相反的扩展，它们用于调整音响系统某个部分的有限动态范围。

音频模拟磁带录音机就是个例子，其动态范围常常被本底噪声和由于磁带氧化引起的失真所

限制，而不是电子。磁带磁饱和加上嘶嘶声会导致信号的损失，避免这种损失常用的办法是，

使用噪音抑制系统，也叫压缩扩展器，很多专业的用户磁带录音机都会配套压缩扩展器。

通过录音和重放程序，在信号进入磁带前压缩信号动态，把从磁带出来的信号动态进

行扩展以补偿压缩，压缩扩展器噪音抑制系统可以保持最初的信号动态范围，见图5所示。

A-典型音乐节目的动态范围（大约100dB）

B-用2：1压缩比压缩节目信号，得到一半的动态范围（50dB）

C-用1：2扩展器扩展节目信号，得到原来的动态范围（100dB）

图五:噪音抑制系统的工作原理

4.4多大的动态余量才合适？

让我们回顾一下，动态余量是信号平均（额定）电平到峰值之间的电平差。余量大小

取决于音频设备材料种类，应用场合，以及功放的预算。对于音乐重放，高保真是最基本的

要求，需要15精子细胞 dB至20dB的余量。对于大多数扩声系统，特别是使用大量功放的系统，考虑

经济因素，通常10dB余量是最合适。在这些应用中，压缩器或限幅器可以根据想要的余量

控制信号峰值，从此避免削波。在恶劣的环境里，如工厂，背景音乐和传呼要掩盖持续的高

分贝噪声，而最大电平又受高声压危险的限制，余量低至5dB或6dB并不奇怪。要得到这么

低的余量，需要大量压缩或（和）限幅，这会导致声音听起来有点不自然。

2009-2-21