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低音优化丨中篇:设备优化

发布时间:2018-07-20 16:12
作者:铸声场

上篇我们着重介绍了如何通过改善房间环境来优化低音,今天我们将从音频设备的角度聊一聊如何实现最佳的低音管理。


全频还音


无论是家庭影院、高端音响还是录音棚的监听系统,都应该能够“全频段再现声音”,低音应该能够低于25Hz以下。


这是因为,要想很好地体验一部电影或一段音乐,我们至少需要听完整。很多“真实”乐器所演奏的低音可达25~30Hz左右,如钢琴和竖琴。而一些“非真实”音效的低频可能会下潜更深,如电影中的爆炸音效或是电子舞曲的低音效果。电影《明日边缘》主题曲中的低音就低至10Hz, 没有一台全频率还音的设备的话,就等于在原本制作精良的作品中无端地加上了音色失真的疵点。


用于全频还音的低音炮


在监听自己创作的作品时同样要听到所有录制的内容。一个很好的例子就是,使用60Hz低频书架式监听设备录制电子音乐时。由于地鼓频率一般在40Hz左右(在录音中加个声谱图),如果没有全频段的监听系统,就要边听边调节地鼓的电平和均衡。而在车里或是夜店重放时地鼓的声音又会大不相同。


实现全频还音最简单的办法是使用低音炮。市面上很多全频音箱的低频范围一般都在35-40Hz左右。一个不错的低音炮完全能够实现全频段的再现。


多个低音炮


尽管增加一台低音炮可以让低音降到20Hz以下,但响应曲线不见得会更平滑。让响应曲线更加平直的最好办法就是将多个低音炮摆放在特定的位置,来抵消低音驻波产生的共振。


 低频驻波 


低频驻波是声波在两个边界之间传播产生的相长干涉现象。在矩形房间,房间的第一轴向驻波可以通过如下波长公式得出:


第一轴向驻波 = 声速 /(2 x 边界间距)


轴向模式功率最大,也会引起较大的问题。这些驻波是在长宽高三个方向上两两平行的边界之间产生的驻波引起的。


举个例子:一个6米长的房间,它的第一轴向驻波为:每秒347.47m /(2 x 6.1m)= 28.5Hz。 如果采用高分辨率的声学测量方法来测量该房间,将会看到频响峰值和共振频率(28.5Hz)下的时域振荡。从音质的角度来说,听到的声音会不平坦,低音模糊,不够清澈,这是因为低音在传播过程中发生了衰减。


很多房间的问题区域体现为sub-100Hz区域,这些区域低频驻波频率分布稀疏,反映较强。我们实际测量过很多房间,结果都显示这一区域常常会出现15 dB以上的峰谷差值。


左音箱、右音箱及左右音箱的测量结果。这种响应在实际测量中较为常见,缺少全频范围的延伸,

低频驻波导致的波峰突出,波谷在第一和第二轴向长度之间


 低频驻波消除 


要想消除低频驻波,可以使用多个低音炮,实现更加平滑的低音。下面就来看看具体方法。


再举个例子说明如何使用低音炮来削弱第一轴向驻波的影响。如果我们在一间6.1米长的房间中发出一个28.5Hz正弦波,它的的声压级是如何随着房间长度的变化而变化的呢?请见下图:


第一轴向驻波延房间长度方向移动位置,其响度发生的变化


可以看到,离墙最近时响度最大,位于房间中心时响度最小,我们称响度最小是的点为“零”点。我们看到,“零”点左侧区域标有“+”号,右侧标有“-” 号。也就是说,“零”点两侧的声压呈现此消彼长的关系:一侧压力上升,另一侧就会下降。


低音炮对驻波的影响与其在房间中的摆放位置有关。如果我们把炮放在房间中央的“零”点,那么低音炮和驻波间的相互作用就会最小,产生的驻波也最小,这样频响曲线就不会有突兀的波峰,时域也不会出现振荡。


理论上讲,当相同信号的两个低音炮放置在驻波的不同极,低频驻波是可以消除的。消除低频驻波就意味着在我们刚刚的案例中,在28.5Hz下完全不会出现任何相位峰值或时域振动。


其实,很多放在矩形听音室的音响设备已经消除了部分低音驻波,这是因为左右音响已经位于第一轴向模式的两极。


上面对例子虽然简单,但足以说明配置多个低音炮对于消除低音驻波的优势。为了得到最佳的低音驻波消除效果,研究人员如Harman International公司的Todd Welti和Allan Devantier、GedLee公司的Earl Geddes 等对于低音炮的排布数量和最佳位置进行过大量研究。通过研究他们一致认为,增加三到四个低音炮的效果最佳。


Welti 和Devantier主要研究如何减弱家庭影院座椅与座椅之间的差异性,而Geddes则主攻如何进行声学测量校正来优化低音炮在房间中的最佳摆放位置。


有关低音炮数量的一些建议:


单听音位置:1~2个(2个为佳)

单排座椅:最少2个,最佳3到4个

多排座椅:最少4个,允许6个以上


对于矩形房间,我们推荐Room EQ Wizard声学测试软件内置的房间模拟工具,它可以预测多达四个低音炮和两个音箱的响应曲线。而对于那些非矩形的、天花板凹凸不平的、或是有多排座椅的房间,我们则推荐使用Boundary Element Modeling (BEM) 软件,它可以预测每排座椅处的声压级并模拟座椅间的变化。


Room EQ Wizard房间模拟器生成的图形,下文会与BEM的图形进行对比


值得注意的是,有些人认为有了多个低音炮就能解决所有的低音问题, 这种观点显然是错的。道理很简单,因为低音驻波影响较大的区域会延伸到至少250Hz左右的过度频率区域。你的低音炮也要加上80Hz以下的分频,才能避免低音炮的局域性。   


 接口式低音炮vs密闭式低音炮 


对于两通道重放系统,我们建议使用密闭式低音炮。接口式低音炮的主要优点是在40Hz以下区域能够显著提高输出。对于家庭影院来说这种输出非常有效,因为家庭影院要求低音炮通道在主听音位置应能够承受115dB的高声压级。


一个设计合理的接口式低音炮听起来应该和密封低音一样出色,低频时输出更大。但接口式低音炮有一个缺点就是机箱较大。


峰值声压、SVS SB13和PB13的差异


 低音炮制造商 


市面上生产低音炮的厂商林林总总,和普通音响一样,入行门槛较低。买个驱动和plate amp装到机箱中就算大功告成。但想设计一款出色的低音炮却并非易事。       

很多低音炮设计拙劣,机箱振动产生的噪音导致声音听起来含糊不清,接口或驱动噪音也很大。频繁的试错也没能对限制方案进行设置。限制器可以管理输出偏移,保证出色的音质,保护低音炮。如果低音炮中没有限制器,或是限制器品质不行,那在播放高声压信号是时可能会崩掉。


一般会向低音炮输入一个经过低音管理的线路电平信号,这样可以切断低音炮的低通滤波,在这个配置中我们并不需要它。低音炮上最有用的控制是电平和相位。相位控制应是持续可变的。如果你没有数字延迟,可以调节相位把低音炮编入阵列或与其他扬声器连接,只极性控制是远远不够的。


我们不建议在没有分频的情况下将低音炮和扬声器“并联”,因为这样可能会无法预测低频驻波的消除。如果不需要使用低音炮自带的低音管理功能的话,一般不需要扬声器电平输入。



有些低音炮本身装有分频器,需要时可以用于两通道系统来取代低音管理分频。这种低音炮还可提供可配置的高/低通滤波器,可独立调整扬声器和低音炮的电平和延迟。


在一套音响设备中,即便是一个品质较高的低音炮,也不如两个或多个低档炮。不过凡事也有例外,对于单听音位置的系统,只用一个低音炮和EQ也能得到很好的效果,因此还要视房间的具体情况而定。


信号处理:低音管理


低音管理负责将低于分频点(通常为80Hz)的频率送往低音炮。低音管理分两种,包括立体声道和单声道:


● 立体声低音管理可将分频点以下的左/右声道频率送往对应的左/右低音炮;

● 单声道将分频点以下的左右(对于家庭影院而言则为中心和四周)低音整合为电子信号后再送至低音炮。在家庭影院中,扬声器的低音管理信息通常会与低频效果通道结合。但无论低音数量多少,最终都会输入同样的“单声道”信号。



为了更好预测低频驻波,所有低音炮都应输入相同信号。也就是说,扬声器的频响不应和低音炮的重叠。因为扬声器和低音炮并联会导致结果无法预测。在低音区中,每个扬声器信号都略有不同,因此低频驻波的消除也很难预测。


所有AVR和pre-pro都配有低音管理。进行低音管理前先将扬声器调小,再选择分频点。低通滤波器一般为24dB每频程,高通滤波器为12dB每频程。


两通道发烧友需要在加一个分频。最好的办法是用一个线路电平分频,在功放前将音频信号一分为二,一部分输入低音炮,一个输入主放大器。


信号处理:电平&延迟


如果需要将低音炮编成阵列,再接入扬声器,则需要进行信号处理。


理想状态是可以调节每个低音炮的电平和延迟。如果是多个低音炮对称排布,比如两个在前,两个在后,就要将前面两个放在一个通道,后面两个放在另一个通道。现在的很多AVR和pre-pro都拥有带独立电平和延迟调节的双低音输出。


如果房间中需要摆放奇数个或者6个以上的低音炮,就需要一个独立的DSP。低音炮由AVR端输出至DSP,再将每个低音炮接入DSP通道。多低音炮阵列的电平和延迟调节要在外置DSP中进行,阵列和音箱之间的电平和延迟调节在AVR中进行。


录音棚监听系统和高端音频设备的电平和延迟调节往往不能满足需要,很多低音炮也只有简单的极性转换开关,这对于一个成功的阵列来说远远不够,至少要有一个连续变量的相位控制功能。要是有数字延迟就更好了,有些低音炮就有这一功能。


连接低音阵列和音箱需要低音管理和电平和延迟调节。通常要延迟扬声器,便于在分频点附近更好地连入低音炮阵列。这是因为声音从低音炮输出的时间要比从扬声器输出的时间长一些(技术上称之为群延迟)。


很多两通道设备不具备数字延迟主扬声器的功能,还有很多设备是通过电脑软件进行测量计算,但需要手动输出结果。目前,只有SineMedia的APC相位校准处理器拥有较好的解决方案,其自动相位补偿功能效果出色,而且易于操作。




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标签:驻波低音管理低音炮全频再现

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