赛因铸声场

突破数字音频极限的声学空间处理器

发布时间:2018-06-27 11:02
作者:吴健

声学是一门复杂的学科,但每天我们都要听到各种声音,由于声学的可视性极差,需要专业的软件进行复杂的测量,而且测量指标受声学环境影响极大,在不同测量的环境中得到的结果大相径庭,解决不同的声学环境问题需要不同的信号处理工具,所以大多数产品还是进行多种复杂的均衡器调试,这种调试又会带来新的相位问题,最终用户只能接受主观听觉的评价,由此声学彻底失去了标准。


人类是靠双耳来分辨声音的,声音到达双耳的时间快慢,是人的大脑从小到大逐渐适应了这种时间信息的分析,大脑可以根据一个声音到达双耳的细微时间差别来分辨发声体的位置,也可以根据反射时间不一样来判定空间的大小和属性。大多数专业的音频工程师把注意力放在频率响应上,因为频率响应的显示相对直观,而相位图和群延时图示相对来说不容易提供听感直观显示,音频工程师忽略了人类对于声音最为训练有素的本能。


声学还音的过程,是依靠扬声器在特定空间中的播放实现聆听的,在这个过程中,音源播放,通过功率放大器到分频器(大多数喇叭无法表达出20-20K人类听觉范围),推到扬声器震动空气,到达特定声场的听众耳朵里,在这个复杂的换能过程中,分频器、房间的结构,听众的位置都会大大的影响不同频率的声音到达人耳的时间,这种时间关系在声学中表达为相位关系。


相位关系在主观听觉中是一个至关重要的声学指标,不同频率在时间关系上的正向叠加和反向衰减会带来频率响应的不同变化,特别是在20-200Hz时,由于波长相对较长,这种叠加和衰减更加容易发生,会发生房间驻波和低音区无力或多只低音音箱音量抵消等现象,因此我们希望高低音同时到达我们的耳朵是一个理想值,这种理想值靠调整单只音箱的延迟时间是事倍功半的。我们需要从相位的理念上去纠正来还原声音的本形。


大多数著名的音频厂商由于DSP技术实现的原因,仍然从物理声学上对低音相位进行控制,对用户在特定的房间中的校准,仍然采用关注频域的方式,使用IIR滤波器(也就是我们经常使用的参数均衡器)进行房间频率补偿,这会带来两种恶果,在补偿频率上造成更大的相位畸变,在由于房间造成的频率提升(波峰)和衰减(波谷)进行反向操作,波峰的反向衰减对于特定位置非常敏感,移动位置则效果相差很大,而对波谷的提升会极大的伤害系统的动态范围,造成很大的谐波失真。尽管这些逆滤波器系数是自动计算的,极大的保障了频响曲线的平坦,但相位曲线却更加恶化。


为此,我们建立了一套基于声学空间测量结果的反馈相位修正系统,对各频率产生的不同相位畸变进行最小相位的修正,对于音箱从制造设计,空间中播放产生的诸多相位叠加或抵消进行数据分析,并根据数据分析,产生独特的FIR滤波器系数对系统进行整体的修正。这套系统摒弃了基于串行计算的高速DSP,而采用并行式的FPGA处理系统,我们的FIR滤波器实时的对各频段进行超过2万阶的实时处理,而花费的时间只有DSP的百分之一。这样我们保证了我们在处理中不会造成新的相位畸变。


实时的声学处理器


系统实时的框图以及在各阶段花费的时间,由图中可以看出,我们系统中的延时主要由于AD/DA环节产生,在FPGA处理中,只有0.07ms的处理时间,只花费了2-3个采样点延时。加上系统其它的硬件延时,在20hz,相位只延时了7度,在100hz延时为35度以内,这就是系统的最大相延。超出部份被FIR滤波器作出最小相位的的调整。图2显示在100hz时,相延仅15度。



处理前后对比


以下测试所得出的最小相位FIR算法滤波器展示了SineMedia APC 处理前后所产生的相位变化。为了便于用户观察,此处我们未采用真实信号。


256阶最小相位FIR滤波器(多数允许DSP处理器支持):


均衡传递函数:


512阶最小相位FIR滤波器(多数允许DSP处理器支持):


均衡传递函数:


1024阶最小相位FIR滤波器(多数允许DSP处理器支持):


均衡传递函数:


2048阶最小相位FIR滤波器(SineMedia APC处理器支持):


均衡传递函数:



4096阶最小相位FIR滤波器(仅由SineMedia APC处理器支持):


均衡传递函数:









标签:FIR滤波器声学处理器相位修正

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