赛因铸声场

自动校准线阵列系统丨第一章:线阵列自动校准系统介绍

发布时间:2018-06-27 11:24
作者:吴健

在过去的十五年里,音乐专辑唱片行业每况愈下,音乐行业商业盈利模式已经可复制的数字音乐销售到不可复制的现场表演,艺术家和经纪公司以提高音乐会的数量和质量来抵御互联网对音乐家音乐的复制,这样的大型音乐会需要接受更多的听众,这就需要更大声压级的演出音箱。大型公共广播如音乐演出、大型露天集会需要把声音传送到更远的地方。


第一章: 线阵列自动校准系统介绍


由此,线性阵列音箱应运而生,国外厂商如La-acoustic, D&B应用普通的喇叭单元,实现了让人惊叹的听感,而国内有技术设计能力的厂商则根据这些品牌的音箱为蓝本,制造出与之相差无几的线阵列箱体,但是在听感上却相去甚远,江湖上传闻这些品牌厂商在DSP的研发上能人所不能,其实这里也不是什么多高深的信号处理理论。我们专程在去年探访了现代声学理论的发源地,芬兰伊斯普大学信号处理声学系费尔南多. 瓦格纳教授为我们仔细讲解了如何自动化校准PA处理单元以及如何进行线阵列进行FIR调整,其实无非是延迟和幅度响应调整,以实现不同位置上放置扬声器的测量反馈,现在通常由音响工程师手动或FIR自动进行平坦的频率响应和延迟调整。调整获得使用到的音频信号的三个信号处理操作︰ 时间延迟调整、 分频器和曲线均衡设计。自动化是在不同的参数集的计算︰ 估计时间延迟、 适合分频点的选择和计算增益的三分之一倍频图形均衡器。这些自动的方法可以帮助音响工程师们减少时间和精力校准的线列阵扩音系统,只需要三次正弦波扫描必须通过音响系统播放,我们在 1:10 的消声室环境中进行了测量线阵列系统,以验证自动校准和均衡方法的运作规模信号处理模型。


咱们大多数音响工程师刚搞明白两只点声源喇叭,而这种创新的扬声器系统的声学改进,使计算机控制的实时DSP音频系统更为复杂。由于现场听众增多,需要更多高质量的听音面积,目前使用的音乐会(PA) 系统绝大多数使用挂线阵列,使现场声压分布更平均,增加声音的传输距离。这些扬声器阵列用于重放声音高于 100 Hz-150 Hz的中高频部份。低频覆盖则使用不同的低音炮配置使用,它通常放置在舞台前面的地板上。这些扬声器配置所需各种信号处理技术实现声压的平均度、频率的平坦度和各频率一致的时域响应。万变不离其宗,声音的校准基本上由三个操作组成︰ 应用分频器拆分音低音炮和线阵列的重放频率,调整时间延迟和整体均衡一套完整的重放系统,以达到平坦的频响特性。

图1. 到测量点的相对距离


图中我们用二维方式来描述一个近似的相位延迟问题, 低音炮和线阵列扬声器的同时域声音在不同到达时间在物理上的不同位置,这样就会引起相位阴影(phase shading),尤其在分频的频带中会引起频响的非平坦度。 由于不同线阵列音箱可以在不同的垂直截面中进行短距离或中长距离投射声音,所以我们在距离舞台不同距离的几个测量位置进行不同的系统调整。 在这里,为简单描述,我们先考虑一个测量点,测量远处的目标区域。


线阵列中的扬声器音箱之间也会出现类似的现象,可以用不同的DSP程序来处理这些问题[5],但阵列音箱之间的可调物理位置是有限的。国外厂商目前利用DSP和波场合成技术进行了许多改进,以控制线阵列的响应和方向性[6,7],但完整的系统调谐他们都把算法隐藏在用户界面背后,根据场地、舞台的特点和声学空间,可以将它们放置在非常不同的位置和进行不同的DSP配置。让大多数国内厂商无所适从。


市场上有几种自动化系统,尽管它们通常捆绑在具有预加载扬声器数据的特定品牌(如Meyer Sound's Galileo [8])上,或需要其他工具将其与系统处理器集成。其结果是除了图形均衡器之外,大多数中小型线阵列系统仍然使用PA处理单元手动调节。手动程序需要通过PA播放不同的激励信号,通常是伪随机的[9]粉红色频谱噪声,这增加了现场施工的难度和时间。因此,工程师必须在场地之前的几个小时开始EASERA [10]和Smaart [11]进行调整和配置。声音工程师会调整分频器和均衡器,不同扬声器和图形均衡器的延迟,由频谱和相位分析仪来测量。


基于FPGA的高效和SOC的功能,赛因于2017年发布自己的FPU(FPGA 处理单元),通过自动播放三组扫频信号,只需三步操作的调整方法,避免了所有的手动调整过程,即使现场有听众观众也可以完成,因为扫频信号分时扩散频谱能量,没伪随机噪声那样令人不安,因此更加节省时间和精力。


我们接下去将详细介绍我们在消声室中评估信号系统的方法,为获得更为精确的指标,我们选择在消声室进行测试。因此,将距离除以10,频率乘以10。为了能够使用标准音频测试,并避免由于声波在空气中的吸收和失真的增加而引起的问题,系统已经测试了频率为20 kHz。而实际应用中,不需要这么高的高频响应特性。在第二章中,我们会介绍了校准系统和测试设置。第三章描述信号处理操作的细节。(未完待续)







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