今天，大多数的消费电子产品都可以传送、储存或者放大高品质的数字音频流。然而，受小扬声器本身声学特性的限制和嘈杂听音环境的影响，我们听到的由小扬声器发出的声音的质量却并未获得显著的改善。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。这些产品包括手提电话，液晶电视，手提电脑和便携式音响系统等。

当今数字产品的音频局限性

在过去的十年中，数字音频在录制、传送和放大等方面都取得了显著的进步，从而使几乎所有的设备都能够产生高品质的音频信号。然而受声学或音频传送链所限，这些进步并不是都能够真正的提高消费电子产品的音质。如图1所示，声学和感知在整个音频传输链条中占据了一半的位置，但十年间对他们的改善却停滞不前。如今在很多较小的、较簿的，需要更有效率的数字产品中，小扬声器对音质的限制变得比十年前更加严重。

如果要继续改善已经取得长足进步的数字音频的录制、压缩和放大，消费者需要花费几千美元去进一步提高音频电子设备，音箱和房间的声学特性。但结果可能收效甚微，即使有改善，在对喇叭尺寸和功耗都有较大限制的主流消费类音频产品中也几乎不可能体现出来。相反，声学上的限制才是影响小扬声器音质的瓶颈，因此通过改善音频传送链条来提高主流消费电子产品的音质会取得事倍功半的效果。

图1：音频传送链条上的局限性。

心理声学音频信号处理技术可以补偿在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公司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进行补偿的、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所受到的由频率响应，动态范围和声学环境带来的限制。Waves解决方案可使用在定制的、低成本的DSP产品中，也可使用在可向第三方DSP半导体器件授权的算法和针对微软Vista操作系统的音频处理结构中(APOs)。

听觉上的音频限制

1. 人类听觉系统的能力

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。如图2声音感知窗口显示。Fletcher-Munson等响度曲线也有同样的解释。虚线是绝对听觉极限(ATH)。在这条线以下灰色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。

图2：人类听觉的音频感知窗口。

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. 音频录制混录和母版制作

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色彩。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。

3. 电影院和高质量的还音环境

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。

图3：电影院的音频感知窗口。

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。

在音频感知窗口中的扬声器设计影响

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。这些限制包括：

a. 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；

b. 高频响应：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；

c. 最大信号强度：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

d. 最小可感知信号强度：受听音环境的环境和背景噪音的限制

图4：扬声器设计效果。

2. 液晶电视机的音频还原局限性

电视机往往会播放那些频响和动态范围都很广的电影或者其他音频内容。但是，除非使用者外接一个高品质家庭影院,不然是不可能达到近似电影院的音效。令人惋惜的是，现在市场的趋势是趋向于昂贵的高清电视机(HDTV)，但是其音频还原能力并没有很大的改善。

实际上，如今广受欢迎的平板液晶电视机对频率响应和动态范围的限制比传统的模拟制式的CRT电视机更厉害。例如：CRT电视机通常能播放至少比同样大小的液晶电视机低一个倍频程的音频。这些电视机接收和解码数字音频信号的能力并不能解决其音频还原的最基本问题。

图5显示的是典型的液晶电视的频率响应和动态范围。其主要的局限性表现在:当声音经由内置的电视扬声器发出时，最低频而且是包含最多情感因素的内容将无法听到。较窄的动态范围意味着无法在嘈杂的背景声中听到安静的对话，而同时，最大的对话会太响，尤其是在晚上。

图5：液晶电视机的可闻音频窗口。

3. 无线手持电话喇叭的音频还原的限制

另一种有趣的产品就是当今使用的无线手持电话或手机中的扬声器。虽然这些扬声器是为免提通话而使用的，但是这些微小的扬声器越来越被要求能再现不同的音源，包括个性化的音乐铃声，视频会议，网上冲浪甚至是电影内容。

通过这种系统来听这些动态范围宽广内容，可以在声音削波和几乎听不见任何东西之间考验用户的耐性。产生这些问题的原因可以在图6中显示，而其中的音频窗口已经被极大的缩小了。

图6：无线手持电话喇叭的音频感知窗口。频率响应：600Hz至3.2kHz，动态范围：60dB至40dB(办公室的环境噪音)。

作为DSP对小扬声器的补偿算法一文的第一部分，上文探究了为什么小扬声器会制约消费类电子产品音质的改善。在本刊的下一期中，我们将刊登该文的第二部分，其中将告诉大家如何通过Waves公司的频率响应和动态范围补偿技术来显著的改善小扬声器系统的音频质量。

作者：Meir Shashoua

首席技术官

Paul Bundschuh

消费品电子销售副总裁

Waves Audio公司