VU是Volume Unit的縮寫,為國際間通用的音量單位。可是很矛盾的,VU通常只用在一種表示電平高低的表頭上,成為VU表,而未嘗針正被使用於實際音量的表示。
音量計量法
實際音量大小的量度,有幾種不同的單位,就科學的量度而言,聲音有強度水平、速度水平和壓力水平,均可用分貝表示,它們之間各有零分貝的參考點:
以上三項常用者為強度水平或稱聲強水平(Soune Intensity level)及壓力水平或稱聲壓水平(Sound Pressure level簡作SPL),而此三者間的關係為:
另外在感覺量度上,音量的單位為「風」(Phon)。因為人耳對科學量度中,同樣音量的聲音,因頻率的不同會感覺到不一樣「響」,所以特定1,000Hz為基準,在1,000Hz時所有聽到的音量均依科學量度定值,0分貝為0風,20分貝為20風,90分貝為90風。但在1,000Hz以外的頻率就不一樣了,例如在30Hz時,80分貝的音壓水平,只有40風。
所以平常講「音量」,實在是很含糊其詞的,正如同我們講電很「強」一樣,根本無從確定它是電壓高?電流大?還是功率強或麻手麻得很厲害(麻手的感覺和頻率有關)。
不僅如此,更莫名其妙的是VU表上的VU,竟然被稱作音量單位表。此當然是由於對一些非工程人員,無以名之故名之的作法。今天,我們既是工程人員,就不能有音量表是表是音量的錯誤,因為最起碼到現在為止,並無「標準效率喇叭」出現,更沒有聽音響一定要距離喇叭一公尺的國際規定。所以,我們當知道,VU表所表示的乃是一種參考(或比較)量而已。而且電力參考量不是聲壓或響度參考量。
那麼,什麼是VU表的參考量呢?那就是在600Ω內阻的表頭上,加給0.775伏的電壓於是表頭上便有1mW的功率被消耗,此時表針的偏轉稱為0VU(其實是0dB,因為外行人不懂dB的意義,所以特別叫它做VU聽起來順些,這好像是外行人買燈泡說60支光──不是燭光──和60瓦的意義一樣)。但表板上的刻度是有一定的,最好的方式當然是零分貝定在最大偏轉處,可是為了實際上的需要,譬如表針的慣性可能會擺過了頭,或者在一瞬間音量容許比最大值稍大一些等理由(下有詳述),所以我們預留了此最大值以上有三分貝的寬容度,算是警示區或危險區,無論如何再也不能逾越這三分貝了。
至於表針偏轉低值的這邊,原則上表針毫無動靜的位置,就是完全沒有聲音的時候,距離零分貝當然是無限大,所以無法標示。
由於表針偏轉的特性(指動圈式的表頭),乃是和電壓或電流成線性關係的,換句話說,如果表針作最大偏轉時是2V,那麼在1V時,表針之位置必在正中央,又由於表頭的內阻是固定的,所以電壓高一倍,電流也必然大一倍,因此功率就大四倍了,所以如果表針在正中央時為1W,那麼最大值時必為4W。因此偏轉角就和功率值的平方根成關係。
這些關係,如果畫成表板,便如圖一:
我們已經知道,分貝值和電力值的關係是:
設使100瓦的最大偏轉點是+3分貝,那麼便可以找出50瓦處為0分貝,依此陸續求出+1及+2分貝的位置,也求出-1 -2......到-∞(表針不動)每一相對位置的分貝值,即成圖二的VU表刻度。
由圖上可以看出,越接近左端刻度越密,由-1到-7勉強還可以標出,7以下就只能標-10 -20了,至於-20以下,當然還有-40 -60 -100......到-∞,只是那麼小的空間根本沒有辦法標出來,即使標出來了,刻度太密,表針也無法指示,毫無意意。
這就是VU表的非線性,也就是VU表的第一個致命處。
為什麼非線性偏轉是VU表的致命呢?因為VU乃依據dB而來,dB則是依據人類感覺意識(級進的同量增加觀念,例如你有100元,再給你一點點,那一點點是25元,如果你以經有1000元,再給你一點點,那一點點必是250元才會和只有100元時的25元相等量,由100元到125元和由1000元到1250元我們同樣叫它做1分貝)排列出來的「線量」,現在卻由視覺的非線性完全將它摧毀,這不是致命是什麼?
當然,有人會說,表針的偏轉角和刻度關係雖是非線性,但是上面所標的數字和分貝卻是線性關係呀!
不錯,但是前面我們已經說過: VU表乃是內行人在無可奈何的情況下,定給外行人看的表(否則斷不會稱它為音量單位表,它和音量僅有一點點風馬牛的關係),想想外行人,除了感覺到表針擺動得厲害不厲害,超不超過紅線之外,誰去辨識-10分貝以下的刻度是多少個VU?不僅外行人如此,內行人對VU在無意識的情況之下一樣含糊。
此VU表之所以為表莫名奇怪之二。
標準VU表規範
不過話又說回來了,VU表從制定到現在,也被用了數十年了,數十年的沿用而不被淘汰,除去莫名其妙之外,自然還有一些道理,這些道理或者僅僅是使用「須知」,姑且讓我們須知須知罷!
VU表的靜特性:
前面我們提到VU表上的0VU是指在600Ω的線路上,有0.775伏的電壓,如果此電壓再加於600Ω的負載上,就會有1mW的功率損耗,如以dBm表示,則正好為0dBm。所以我們知道,0VU如以電力水平計量,就是1mW或0dBm的電力。
但為什麼要用600Ω呢?主要是因為在廣播或錄音設備中,多用600Ω的特性阻抗作為機與機之間的信號傳輸,此時若VU表之基準阻抗值(不是內阻)為600Ω時,不管VU表備跨到任何一條輸送線上,所計量的結果都有固定的參考量。
但是切切請記住,所謂基準阻抗值,並不就是表頭內阻,為什麼呢?因為輸送阻抗既為600歐姆,那麼訊源內阻之允許最高阻抗是可以高到600歐姆的,此時如果接上600歐姆內阻的VU表,則全部功率將被VU表所消耗,再接其他負載時,便會產生過載而無法到達額定的輸送值。
如果你修過儀表學,你當知道任何儀表當跨或串接在電路內時,都會損耗電路功率,損耗功率愈小的表,靈敏度就愈高。就跨接型表而言,靈敏度高,就需使其內阻大。由此可知600Ω內阻的表,接到600Ω的線路上,如果線路有全負載時,600Ω表頭的顯示值可能僅50%而已。
但VU表的基準阻抗值究竟是怎樣設定的呢?圖三是 IRE、BTS及JIS共同採用的VU標標準電路:
圖內分三個部份,最右邊是表頭內部,採用200uA的直流表頭,及氧化銅整流器(導通電壓低,低刻度範圍準確)並有簡單的電阻分流網路,以修正表頭內阻。
中間部份是一個T形衰減網路,此網路的作用有二,其一是校調0VU刻度之用,另一為校調基準阻抗值用的。務使網路反應之總阻為3.9KΩ。
用以校正此電表電路的訊源是一具有600歐姆輸出阻抗(反應內阻為300歐姆)的信號產生器,當此信號產生器產生1.28伏的電壓時,便有+4dBm的電力水平。此4dBm的電力經由反應內阻及串接之3.6KΩ電阻之輸送至網路時,已衰減了-6dB,固此處所需之電壓僅為0.614伏,輸入阻抗為3.9KΩ,實際所需之電力則僅-10dBm即0.01mW而已。
以上是標準VU表的靜特性,也即是電表內阻實際為3.9K歐姆,而有0.614伏的電壓,就可以有0VU的顯示。其中插入衰減網路的主要用意在使VU表阻抗不因頻率而有所變化。
VU表動特性:
以上的靜特性,是指加給VU表一個穩定的正弦電壓的特性而言,可是VU表在實際運用上並不是用來計測穩定電壓,而是用來計量隨音量大小而變化的變動電壓,所以就必須考慮到電表本身的動態特性。
你也許用過三用表,不過你可能沒有用過3最壞的三用表。什麼是最壞的三用表呢?比方說用交流電壓表量取110V的市電電壓,在測試棒接觸後,表針即刻往右擺動到140或150伏然後擺回來到70或80伏,又上升到120~130伏,再擺回,這樣總要擺個三、五次之後才能穩定在110V的指數上面。測穩定的交流電壓,有足夠的時間去等表針靜止下來,如果用來測音量信號,問題可就大了,那簡直比一波未平一波又來更難形容。假定一波一波的擺動頻率正好和表針諧振時,所顯示的數字更會出奇的大。
這是頂壞的表,那麼什麼是好表呢?好表是擺動得比較慢ㄧ些,第一次稍稍超過定值後就穩定在穩定值上。但這也算不得真好,因為它由零上升到定值要相當長的時間,這樣對鋼琴、吉他或其他敲打樂器的音量,永遠無法顯示正確的數值。其原因是一個強烈的擊打聲,表針還來不及擺過去,聲音已消失了,表針自然只好退回來。
圖四是現行通用的VU表動態特性標準(IRE、BTS和JIS均採用)。
圖中所顯示的是,假定一開始便有0VU的正弦電力水平(參考靜特性)送入VU表,標準的表是要在0.3秒±0.03秒時,到達0VU的99%顯示值。隨後擺動的超過值應再1~1.5%以內。圖中另有兩條虛線,分別表示反應太快及反應太慢的表針擺動情形。
那麼為什麼訂定0.3秒為標準呢?據說是因為人耳的響應是在聲音發出後0.3秒時感覺到最響。這個據說可以信不信由你。站在探討VU表的立場,此種顧慮和遷就是無稽的,因為VU表的主要用途不在聽而在看,已看到的數值去確定錄進錄音帶的信號強度夠不夠,或者確定發射機會不會過調變(Over Modulation),錄音頭和發射機中的調變器如果像耳朵那樣遲鈍,就糟糕透了。
那麼還有什麼理由訂下了0.3秒的標準呢?真實的原因是這樣的: 當你敲擊一個物體時,想像中,應該是敲擊後的瞬間音量最大,其實不然,因為它要預振時間,雖然預振時間很短,不會長達0.3秒。但請記住: 任何一個房間都有一定的交混迴響時間(Reverberaton time),一般所知的交混迴響時間的定義,是指音源停止發聲之後,音量降低到原有的百萬分之一(-60dB)所需的時間,其實也可以反過來說是自聲源發聲後,因為迴響的關係,實際聽到的音量逐漸上升的,一直上升到最強(或穩定)的這段時間,是為交混迴響時間。
一般播音室理想的交混迴響時間,大約是後0.3~0.4秒之間(視大小而定),音樂演奏室則由0.6~1.7秒,大音樂廳可能超過2秒以上。
VU表一開使既然是訂給錄音室或播音室用的,那麼0.3秒的響應時間,不是正好足夠發音室的要求嗎?
不過,話又要再說回來一次: 上面我們所談的都是音量,也就是聲音的大小。我們必須知道聲音乃由一連串的「波」所形成,音量感則由此一連串的平均量所造成,我們可以說VU表的擺動和實際聽到的音量,應當是極為接近的──這就是VU表之所以為VU表最強有力的一個理由。
然而跟著來的問題是: 音量有多大,聽就聽出來了,何必勞駕VU表來顯示呢?VU表真正的用途,是用以監視錄音帶是否錄進了最適切的電平?廣播發射機有無過調變?而這兩個功能,VU表顯然是無能為力的。何以說呢?
請看圖五: 那是不規則的一種聲音信號,可能是連續地敲擊鋼琴的某一個鍵,也可能是連續撥動吉他上的同一根弦。我們在示波器上可以看到如圖的波形,其中每一次敲擊,總有一個波最高,稱之為瞬間最大峯值,所有的機器(錄音機、廣播發射機或擴大機),必使瞬間最大峯值不被切掉,才不會產生失真,可是從圖上,你可以看出,VU表根本無法顯示此瞬間最大峯值。設使我們相信VU表的顯示,把0VU調為100%調變,那麼所有的瞬間最大峯值就會毫無疑問地被截頭去尾了。
怎麼辦呢?這簡直是一點辦法也沒有事情。前面我們不只一次提過,VU表是內行人做給外行人,約束外行人用的。因為在國外(當然指電子音響傳播事業發達的國家),廣播和錄音,根本是節目製作人、導播或助理導播的事,與工程人員毫不相干,工程人員只要把機器弄好,就可以到一邊涼快去。所有控制音量的,操作Mixer的都可以是毫無電路概念的外行人。於是工程師們便無可奈何地弄出了VU表這個東西來,告訴錄音師或播音員(錄音師或播音員不一定要懂電路),說話或演奏的聲音不要超過0VU,萬一超過一點,無論如何也不要逾越+3dB。於是工程人員只要鑽到機器底下,把機器調到0dB正好是全部動態範圍的中點(60dB就是30dB),便可以萬無一失,隨他去搞了。
VU表的校準
為什麼這樣說呢?上面,在圖五中,我們已經瞭解VU表的反應遲鈍,根本無法顯示「瞬間最大峯值」。那麼此最大瞬間峯值,可能是顯示值的多少倍就成為我們所關心的重點,假定是顯示值的兩倍,那就是6dB。既然是6dB,那麼在0dB以上,預留6dB不就可以了嗎?這問題要從一般聲源及傳播錄音工具的動態和操作人的習慣兩方面來探討。
就我們所知,錄音機、唱片和廣播的動態範圍大約在50~60dB之間。這好比一條有一定寬度的通路,不管什麼車輛通過時,只能比這窄,而不能比這寬。可是VU表所能顯示的寬度只有23dB。在20dB以下,簡直看不到表針在擺動。任何一個廣播或錄音操作員(即使他很理智),在下意識中,總希望在最低音量時,表針也能稍稍動一點,這動一點,就是-20dB,換句話說,他在無意識中,已經把最低電平定在-20dB的地方。那麼音樂或說話,如果有20dB的動態,最高電平就是0dB,如果說話或音樂有50dB的時候,最高電平豈不是超過0dB到30dB了嗎?正是如此,所以你不必以為超過0dB就會Over了,遠得很呢?只是+3dB以上表針擺不上去罷了。不過請你記住,是不是真的這樣,那就要看工程人員怎樣在機器底下去設定這個基準值了。而如果你就是工程人員,我們且建議你,把0dB調到最大量的四分之一就可以了,但這最大的四分之一是以電力計量的。舉例來說100瓦的擴大機,只要調到25瓦(100瓦的-6分貝)0dB便可以了。這是比較通用的標準如果調到100瓦,0dB,那麼不是一般音量時VU表根本不動,就是已經接近0dB時,其實早就過荷了。擴大機還是可以聽到聲音的機器,錄音機和發射機的情況就完全不一樣了。如果沒有精確的實用的校調,眼看著VU表跳動,還不如沒有這個VU表。
VU表多贗品
上面所談的都是標準的、正規的VU表,其實現在在市面上所看到的錄音機中(儘管是盤式、最貴的、專業用的)一百部也看不到有一部使用標準VU表的,因為標準VU表實在太貴了,大概只有極具規模的發音室中的主副控制室才用得起。不過,在此較昂貴的,或標榜為專業用的錄音座中,所用的VU表雖非正規品,特性確也相當接近正規品了。倒是一些手提錄音機,或廉價卡座所用的VU表,多為調諧指示表所改裝,這種調諧指示表,本身的限性已有問題,只適於作一點校正之用,當成表來使用,當然只是聊勝於無了,它唯一的功能只是通過0VU這點是正確的,這也是技術校調必須注意的地方。
LED顯示器
關於VU表,我們已經談得夠哆了,現在我們想來談談另外一種表,這種表套一句俗話就是電子表,因為它用電子的速度在工作。
在正式談到電子表的線路和工作之前,我們想再重覆一下所謂「音量量度儀表」的困難:
第一、是反應速度的問題,它要能正確跟蹤聲波(不只是音量)的振幅才行,但表頭做不到。
第二、顯示的幅度問題: 音量的變化率高達百萬倍以上,沒有哪種表可以在不換檔的情況下,顯示這麼大的變量。有人覺得用示波器監視,應該是很理想了,但卻有一個無法解決的問題,就是幅度。一百萬倍的電壓顯示是一千倍,示波器是無法在同一檔上既能辨識1,000伏也可以讀出1伏。
第三、線性的問題: 之所有dB的同感增量單位,是我們好不容易弄出來的,我們就該好好地利用它,使它和人的感覺結合。表針的擺動和示波幕的跳動都是電壓性的,難免發生「覺得它動一點點其實已經動了很多」(例如VU表由-00到-20分貝)或「動了很多其實只有一點點」(例如示波器由1伏到10伏)的錯覺。
所以,現在我們要研究一種範應很快,顯示的範圍很大,而且每一顯示刻度都是一倍一倍上去的顯示裝置才行。
符合這種要求的顯示器,目前常用的只有LED顯示器。但LED只是一種發光體,要從LED能擔任顯示的作用,必須有一套線路。
現在的LED顯示器多只被用於功率擴大機這或者是使用上具有危險性,也可能是由於功率擴大機的面板上太空了。但不管怎麼樣,我們總覺得以此來作音量或電平的指示,比起電表式的VU表合理多了,因為地一它反應快; 第二量程寬──幾乎沒有限制; 第三、其線性可以隨意設計或調整。這三個特點幾乎已完全克服表頭的缺陷。
以下我們就介紹兩種實用的線路,供大家試試:
哈曼卡頓線路
第一種來自Harman/Kardon Citaion 16。這個線路一共用了8個LED分成二組,上面一組五個,每一個發亮時所顯示的差距為3分貝,下面一組三個則為6分貝。加上兩組間差距為6分貝。如此一共合計便可顯示30分貝的範圍。
每一個LED分別由一個電晶體所驅動,其中Q2~Q5及Q7 Q8必須使用達靈頓連接晶體,且Hfe力求其高,否則將影響其準確性。從線路常數(R9~R13及R17~R20)推算,零件誤差不計,本身就非十分精確的設計,除非使用元場所採用的Q2~Q9,恐怕很難做到如原機一般的理想。
原機在LED顯示的驅動輸入中,設有一六段開關,以分別適應擴大機在不同電力輸出時變更顯示基準,除此,並設有一+12伏的校準電壓,不過很奇怪的事是在整個顯示器中,並無靈敏度的校準處。附圖除了線路外,也附刊了該機左右聲道呈V字型排列的印刷電路板圖樣,俾便讀者試製時參考。又該線路板乃放大了150%後印刷的,照做時,要縮小成66%才行。
運算放大器比較電路
第二種線路,在理論上是比較精密的電路,它用一連串的OP Amp.當成比較器。每一個OP Amp.驅動一個LED發光。
在OP Amp得正相輸入上,所安排的電壓乃是依據一定的比率上升的,假如你希望第二個LED發亮時正好為第一個發亮時增加6個分貝,則此電阻可依二倍增加,亦即100、200、400、800、1.6K......如果希望它只有3分貝的差距,那麼便可依據√2倍數增加,例如100、140、200、280、400、560、800......其精確的數字很容易用一個一千多塊錢的電算機打出來。其中最底下和最上面的一個電阻值,可以不必依照一定比例而視基本工作電壓和最高工作電壓而定,變更R1甚至還可以改變靈敏度,其關係是這樣的:
R13要使IC1的正相輸入點正好維持在起始工作電壓之上,一般的OP Amp(如741)其電壓大約距離負電源(此處為接地)1.5伏。
R1要使IC12的正相輸入低於正電源之起始工作電壓,最好安排在大約½~⅔電源電壓上。
當你調整R1時,R1愈小,豈量的靈敏度也愈低; R1域大,靈敏度愈高,但大到一定程度時,IC12的正相輸入電壓便會低於1.5伏,而致下面幾個LED會一齊亮起來,中間沒有了差距。
裝配本線路時,宜特別注意:
①所選IC特性必須非常均勻,筆者試裝時,總共買了50個747從其中挑出了12個來用,尚稱滿意,如果不經仔細挑選,可能發生上面的LED已亮,下面卻位量的毛病,由此可證實,那每間隔3或6分貝有問題,由其是在低電平的幾個LED上。
②附圖及PC板圖,只是一參考架構而已,它被用到30瓦以上的功率擴大機,堪稱可用,唯是除了精選IC之外,那些精密電阻的獲得,可能需要頗費一番功夫。我們當然希望音響技術讀者服務中心能供應,即使成本高一些,羊毛出在羊身上,這點服務也該做的。如果萬一沒有辦法,只好自己找近似值,接上三用電表仔細地用銼刀去磨它一番了。不過在此奉勸諸位: 只要弄出二位數便可以了,三位數的電阻一枚不幾十塊比IC還貴才怪呢?最近唐老編正設法將此顯示器納入LED等化器中,我們姑且拭目以待吧!
VU表伸冤
前面,我們把VU表臭罵了一頓,主要是希望你嚐試一下LED表的製作。現在,你做過了,可能會發現,LED表未必見得好多少,這主要還是零件的選擇、校準和成本有關。你知道一個正規的LED表要多少錢嗎?如果有那樣的價錢,LED表一定會比VU表做得好。
VU表雖有許多缺陷,但不是一無是處,也就是即令我們把最壞的VU表,拿做一點校正或一點顯示,可靠性仍然相當高的。什麼是一點校正及顯示呢?比方說,我們開車過橋,只要橋夠寬,那麼只要對左前方的輪胎便行了,這就是一點校正。還有,在打靶時,我們也不只是瞄準靶心嗎?除了靶心外,還有幾個圈圈都可以得分,雖不中,不遠矣。最主要的,還是表尺,表尺不歸零,任你瞄哪裡,全沒用。
轉載音響技術第19期 JULY.1977 從莫名其妙的VU表談到LED電平指示器/陶 宛
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