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FIR現場擴聲應用系列采用FIR處理器進行音箱相位優化示例



  • FIR濾波器應用的步驟


        音響師們必須集齊以上的軟硬件設備,才能完成整個優化過程,一直以來這一整套軟硬件的成本可能高達數萬元,而熟練掌握這些軟硬件的操作,也需要很高的學習時間成本。這讓很多人對FIR處理技術望而生畏。

    好消息是,技術的發展讓FIR的應用越來越便利,市面上越來越多的軟件和硬件能夠完成以上工作。本系列文章將會展示用不同的軟硬件做FIR優化的應用實例。

    作為系列文章的第一篇,我們從較為簡單便捷的FIR實現方式開始——采用Marani LPP480F處理器做音箱的相位優化。

    Marani LPP480F處理器


      Marani品牌的線性相位處理器LPP480F,是市面上少有的一款集軟硬件于一體的FIR處理方案,在經濟成本和學習成本上大大降低了FIR技術應用的門檻。其處理器配套的PC軟件內置的FIR wizard(FIR向導)模塊,將脈沖響應測量、優化目標設定和FIR卷積生成等步驟集成到一個軟件模塊,并通過步步引導的方式,幫助用戶完成整個FIR優化過程。我們將使用LPP480F來給不同分頻結構的音箱做相位優化處理。

    現實的擴聲系統設計中,FOH系統的主擴音箱和補聲音箱的分頻結構通常不一樣。比如戶外的大型擴聲系統,主擴系統常選用雙12寸或更大尺寸的三分頻系統,而常吊掛在主線陣下方,用作下補聲的音箱,或者放在舞臺口做近場補聲的音箱,通常是尺寸較小的兩分頻系統,比如雙8寸兩分頻音箱。

    典型大型擴聲系統示意圖

       對于采用模擬無源分頻或者數字IIR分頻的系統,分頻器的相位偏移,大致決定了音箱相位響應曲線。下圖是三分頻、兩分頻和單分頻的全頻音箱的幅度響應和相位響應。

    三款不同分頻結構的音箱的相位響應曲線


        做過系統調試的工程師,應該都深有體會,要將這幾種不同分頻結構的音箱做相位耦合,并不是簡單的事情,往往需要用到極性、延時、分頻設置以及全通濾波器等多個手段結合使用,才能勉強實現部分頻段的相位耦合。對于理論不扎實或實踐經驗不足的工程師,很難熟練應用這些手段,而且演出現場的測量環境比較復雜,工程師做系統調試的時間也很緊張,這讓不同分頻結構的音箱之間的相位耦合變得非常困難。

    FIR線性相位處理器,給了音響師們實現音箱相位優化的可能,且技術流程上比IIR處理器的步驟更為簡便。

        需要明確的概念是,本文所演示的相位優化,是對音箱初始相位的優化。具體來說,是指單只音箱在近距離測試時的相位響應。

        由于FIR處理的時滯(Latency)和頻率精度的限制,用FIR做音箱單元的分頻,并不是首選。更好的方式是,先采用IIR濾波器做好音箱的分頻設置,再用FIR濾波器,針對音箱的相位曲線做優化,使其在FIR有效工作頻率以上的相位曲線全部變為平直。

    我們分別將3組不同分頻結構的音箱,接入到LPP480F的3個獨立通道,因此每個通道可以做獨立的FIR數字處理。測試系統的連接圖如下:

    測量系統連接示意圖


       我們從三分頻音箱開始做優化,打開第一通道的FIR Wizard(FIR 向導),根據提示連接好聲卡和測試話筒,在此之前,音箱已經做好了基本的分頻、均衡調整以及各頻段之間的相位耦合。我們是在音箱出廠預設的基礎上進行相位優化! 為了測量結果盡量準確,測量當然最好是在消聲室環境下進行,當然這個條件對于絕大部分應用工程師來說是不具備的。在沒有消聲室的情況下,有兩個比較實際的選擇:一是擺放測試話筒采用近場測量,話筒和被測音箱都盡可能遠離地面、天花和墻面等反射面,比如在空曠的場地,將音箱和測試話筒都盡可能架高一點;二是采用界面法,將測試話筒和待測音箱都置于強反射的地面上,同時音箱和話筒都盡可能遠離地面以外的其它反射面(如墻面)。通過這兩種方法,測試話筒拾取的信號直達聲比例較高,而反射聲較低,意味著測量信噪比較高。

    另外,應該注意,這里所說的“近場測試”并不是提倡測試話筒離音箱越近越好,也不一定是某些參數指標測量時要求的1m的距離。實際操作中,測試話筒建議放在音箱最大尺寸的3倍距離左右的軸線上,如果受到反射界面的影響,可以適當將話筒擺近。

    LPP480 FIR-wizard 脈沖響應測量界面

       首先測量三分頻音箱的脈沖響應,獲取脈沖響應后,選擇時間窗的長度,時間窗的長度設置也會影響到FIR處理的頻率下限。我們這里設定為5ms,然后設定優化的對象,由于我們只是做相位優化,所有這里勾選Phase Only,選擇優化頻率為250Hz - 20000Hz,點擊Calculate FIR,生成FIR 卷積文件,然后保存FIR文件至處理器;

    LPP480 FIR-wizard FIR卷積生成界面


    做過相位優化后的幅度響應和相位響應

       由于FIR Wizard測量的曲線圖的X/Y軸的標尺及曲線平滑選項和平時較為習慣的Smaart軟件有些差別,因此我們用Smaart 軟件再次測量驗證,并做優化前后的對比,方便觀察。

    三分頻音箱FIR優化前后頻率響應對比

    兩分頻音箱FIR優化前后頻率相應對比

    單分頻音箱FIR優化前后頻率相應對比

        按照同樣的步驟和方法,我們再對三分頻、兩分頻和單分頻的音箱都做好相位優化,3款音箱經過優化后的頻率響應圖如下:

    三款音箱做FIR優化前和優化后的頻率響應對比

        可以看到,在FIR的設定處理頻率之上,即250Hz-20000Hz,三款音箱的相位幾乎是在0°附近的一條直線,在250Hz之下的頻段,相位響應有少許差別,經過調整分頻點濾波器的參數(濾波器類型和斜率)后,使得幾款音箱在低頻的相位盡可能接近。經過優化后,三款不同分頻結構的音箱的相位響應在全頻段幾乎一致,相差在30°之內。由于我們沒有對幅度響應作優化,因此優化前后幅度響應沒有變化。

    關于FIR處理的時滯,LPP480F的采樣率為96kHz,FIR的Taps為1024,根據時滯計算公式可得

    L=N/fs/2=10.66/2=5.33 ms,實測的時滯為約5.4ms,這對于主擴聲系統來說是可以接受的。

    經過初始相位優化之后的幾款音箱,具有一致的相位響應,當在同一個大型擴聲系統中同時用到這幾款音箱時,一般只需要通過對齊延時這一種方式,就可快速實現全頻段的相位耦合。這對于擴聲系統調試來說,無疑提供了巨大的便利。