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均衡器(Equalizer)是一種可以分别調節各種頻率成分電信号放大量的電子裝置。
原先在錄音環境不好的時候,均衡器常用于糾正音頻的缺陷,使得輸出信号盡可能接近輸入信号。但現在随着錄音裝置以及錄音水準的提高,均衡器常用于改善聲音,使現有聲音變得更完美、或更有特點。
前文介紹了在Cubase中進行EQ調節的操作,其中有幾個重點:
Type(模式)、Freq(頻點)、Gain(增益)、Q(影響範圍)。那麼今天來介紹一下Q值的原理與使用。
1. Q值與帶寬Q值是EQ調節的一個重要内容,它會使得對信号的處理更加細緻。
Q是用來定義受到提升影響的頻率範圍的寬窄的,其描述了提升或者衰減的頻率範圍,其實就是帶寬。那麼,
帶寬是什麼,Q值又是怎麼得來的呢?圖1
參考圖1,圖1為一張頻率特性圖,它展示了聲音頻率與幅值之間的關系。
帶寬是指從中心頻率兩邊受到的提升或者衰減的影響,剛好比中心頻率對應的幅值少變化3dB的兩個頻率之差。什麼意思呢?
從圖1中能看出對于中心頻率為100Hz的兩條曲線,一條寬一點,一條窄一點,其中寬一點的曲線,其帶寬,也就是幅值衰減了3dB的頻率點對應為78Hz和128Hz,是以其帶寬為50Hz。
對于窄一點的曲線,同樣在幅值衰減了3dB時的頻率對應為95Hz和105Hz,是以其帶寬為10Hz。
你或許會問,
究竟為什麼要規定距離中心頻率幅值變化3dB的時候的頻率差為帶寬呢?在前文講過,頻率特性圖(頻率與幅值的關系曲線)的縱坐标代表20lg|A|(A為振幅)。
前文指路:
默裡:音樂中頻率特性圖的數學原理——倍頻程、分貝、聲音的性質以及橫縱坐标的劃分原理zhuanlan.zhihu.com
在了解了聲音的聲強級、聲功率級以及聲壓級的各種計算與性質之後,我們得出一個結論:
聲強是一種功率密度,而聲壓類似于電壓、電流、振幅等場量,能夠表現聲波大小。
總之,聲強與聲壓的平方成正比,這類似于電功率與電壓的平方成正比。
聲強級:
聲壓級:
又因為:
其中Zs為聲阻抗率,相當于電阻類的阻抗量。
從:
可以推導出聲壓級的公式的系數是聲強級的2倍,即20。
而頻率響應圖的縱坐标就是以聲壓、電壓、振幅等這類場量的計算公式來劃分的,是以縱坐标取為20lg|A|。
如果,我們定義帶寬是當
聲音的功率衰減到峰值的1/2倍時所對應的頻率之差,那麼我們可以知道,換算成聲壓,應該是對應着
聲音的振幅是峰值的時所對應的頻率之差,因為:
而在頻率特性圖中,縱坐标是20lg|A|,也就是
是以,我們現在可以了解,-3dB指的是聲音的幅值減小到峰值的
(0.707)倍,或者聲音的功率減小到峰值的1/2倍。
而Q值的含義,就是
中心頻率/帶寬。從圖1中可以看出,Q值越大,曲線越窄,影響範圍越小;Q值越小,曲線越寬,影響範圍越大。是以我們可以看出,
Q值的設定正是為了展現某一頻率點收到提升或衰減影響的頻率的範圍寬窄。比如,我們在下圖的中心頻率為462Hz處提升了8.5dB,此時沒有改變Q值,Q值為1。
改變Q值為2,看到下圖中曲線的波形明顯變窄,也就是你所調節的範圍變窄。
在均衡器中我們常用到
高通(低切)和低通(高切)濾波器。濾波器對于處理信号頻譜來講也是至關重要的,濾波器常用電阻、電感、電容等元器件組成,使得輸出信号比輸入信号減少了某些頻段。
高切就是用來切掉一定頻率外的高頻信号,允許低頻通過;低切就是用來切掉一定頻率以下的低頻信号,允許高頻通過。
濾波器主要類型有:
高通、低通、帶通、帶阻、全通五種。
1). 低通濾波器低通濾波器顧名思義就是允許低頻信号通過的濾波器,濾波器的原理其實很簡單,其最簡單的形式隻使用電阻和電容即可以實作,如下圖所示。
%% 可以忽略的推導過程:假設回路中電流為I,則有:
對上兩式進行拉氏變換得到:
整理得輸出與輸入之比(傳遞函數)為
其圖像大緻為下圖所示,轉折點為
即可以通過控制電容C和電阻R來控制濾波器的轉折點,也就是開始被切掉的高頻點。
1/RC後的頻率幅值開始被衰減。
下圖為二階低通濾波器。
在一定條件下,階數越高,濾波的效果越好。
經過低通濾波器後的頻率特性在均衡器中基本如下圖所示。
上圖是斜率為6dB/oct斜率下的低通,其中綠色部分代表被過濾掉的頻率信号,可以看出,低通濾波器在一定程度上阻礙了高頻信号的通過。可以通過改變低通的斜率來改變切掉高頻的程度。下圖是斜率為24dB/oct斜率下的低通,高頻信号被更“迅速”地切掉了。
能夠使高頻信号通過并阻止低頻信号通過的叫做高通濾波器,原理與低通濾波器類似。将低通濾波器中的電容和電阻換個位置,就有截然不同的效果。
其系統傳遞函數為:
轉折點為w=1/RC,其頻率特性圖像大緻為:
可以看到,從1/RC前的頻率段的幅值逐漸衰減,高于1/RC的頻率幅值基本不變。
二階高通濾波器如下圖所示。
經過高通濾波器後的頻率特性在均衡器中基本如下圖所示。
上圖是斜率為6dB/oct斜率下的高通,可以看出,低通濾波器在一定程度上阻礙了低頻信号的通過。可以通過改變高通的斜率來改變切掉低頻的程度。比如下圖是斜率為24dB/oct斜率下的高通,低頻信号被更“迅速”地切掉了。
帶通濾波器是指能通過某一頻率範圍内的頻率分量、但将其他範圍的頻率分量衰減到極低水準的濾波器。
注意:該曲線是将兩邊的頻率衰減,而不是将中間的頻率提升。所有濾波器都是隻能做衰減處理,不能對信号進行提升。
4).帶阻濾波器與帶通濾波器的概念相反,是指能通過大多數頻率分量、但将某些範圍的頻率分量衰減到極低水準的濾波器,如下圖所示。用于切除某一小段特性的頻率範圍或頻率點。
,比如帶通濾波器的形狀也是由Q值來決定的,Q=中心頻率/帶寬,帶寬依舊是聲音幅值衰減到0.707倍的最大幅值時所對應的頻率差。
5). 全通濾波器全通濾波器并不改變輸入信号的頻率特性,但它會改變輸入信号的相位。利用這個特性,全通濾波器可以用做延時器、延遲均衡等。