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易分享 | Pat Brown如何簡易快速地收集脈沖響應數據

來源:數字音視工程網       編輯:鐘詩倩    2018-11-08 10:30:06

聲學專家Pat Brown將給讀者講解如何在不使用電腦的情況下進行聲學測量錄音,同時獲取更有效的數據。其中將對脈沖響應、卷積、可聽化和反卷積等概念進行講解。

  聲學專家Pat Brown將給讀者講解如何在不使用電腦的情況下進行聲學測量錄音,同時獲取更有效的數據。其中將對脈沖響應、卷積、可聽化和反卷積等概念進行講解。

  我們很難用言語準確描述事物的聲效是怎樣的。聲效是含糊而主觀的事物,人們對聲效的評估往往各不相同。一方面,聲音和聽覺直接掛鉤,人體的聽覺處理是音頻技術人員最強有力的工具。另一方面,各種測量系統能提供大量診斷數據,但是干巴巴的數據很難直接說明聲效的意義。因此,把人體聽覺和外部測量工具結合起來,采二者之長,對聲效評估工作來說非常重要。

  “卷積和可聽化”過程讓人們通過耳朵聽音來評估測量數據。我在進行卷積和可聽化處理時,要先把系統脈沖響應(IR)保存為.wav格式的文件。有些測量應用默認使用wave格式的文件,即使不是,一般都能手動把數據導出為wave文件。保存后,我在SoundForge™光盤鏡像軟件里對IR進行后期處理,聽聽IR數據和音樂或語音揉合之后的效果。

  

 

  Required tools are a stereo mic, a program source and a recorder.

  需要的工具:立體聲話筒,節目音源和錄音機

  當然,這些操作都需要先準備個人電腦。可如果要測量不同的聽音位置,使用個人電腦操作就很麻煩了。電腦測量不但需要耗費大量設置時間,還要準備很長的電纜、接口箱等等。

  說起來好笑,因為個人電腦功能太強大,收集系統IR數據反而不是非用電腦不可。本篇技術文章將告訴大家,如何在不使用個人電腦的情況下收集系統IR信息,以及如何進行數據的后期處理、評估和聽音。

  脈沖響應

  脈沖響應(IR)無疑是最重要的聲學測量方法了。它也是最古老的一種方法,具體包括拍手聲、充氣氣球爆破聲、手槍開火聲等等。脈沖響應蘊含了很多聲音系統和聲學環境信息。原理很簡單——房間對你的拍手聲產生的效用,同樣作用于你的聲音,或者同一個房間同一個地點演奏著的樂器。可以說,IR就是房間對聲音產生的“獨特作用”。一旦采集到聽音位置的IR數據,就可以分析得出房間的早期反射聲場、晚期反射聲場和散射聲場的信息。如果使用音響系統來激勵房間,那么IR還會包含揚聲器的響應和整體性能等信息,因為它與語音清晰度和音樂清晰度等因素相關。簡而言之,房間中特定聽音位置的IR包含了該位置可“聽”到的大多數系統/房間特性。

  圖1 – 測量鏈路圖

  很多編輯器(比如SoundForge™和Cool Edit™)都能對兩個wave文件進行卷積操作。所謂卷積,就是用一個文件(時間或頻率數據)對另一個文件(時間或頻率數據)進行編碼,使之具有前者的特性。比方說,有一個干聲節目音源素材,還有一個房間IR數據文件,那么進行卷積操作后,我們就能得到該干聲節目音源加上現場特定聽音位置的聲學特性之后的聽音效果。對IR和干聲節目音源材料進行卷積操作,然后聽效果,這一整個過程被稱作“可聽化”。理想狀態下,IR應該是雙聲道(立體聲話筒的兩個通道)的文件。其中包含了很多位置信息,聽音者根據已精準判斷聲音所處的三維空間位置。可聽化具有以下突出優點:

  •無須對講話人或音樂家進行實地錄音,就能評估語音或音樂效果。

  •可以通過修改IR來模擬房間聲學變化。可聽化能模擬這種變化引起的效果。

  •比錄音擁有更好的信噪比。如果IR收集不受噪聲干擾,可聽化會得到比實地錄音更低的底噪。

  •IR是某個特定聽音位置,房間/系統響應的完整記錄。因此,將來發展出更好的算法,還能再加工IR。

  無論使用什么測量平臺,采集恰當的IR應該具備如下特征:

  •1. 以dB為縱坐標展示時,數據應該從左上角到右下角填充屏幕

  •2. 必須測量系統的完全衰減,所以不可截斷衰減拖尾。

  •3. 可聽化需要良好的信噪比。我要求至少90dB的動態范圍,然后看著衰減能量從高到低衰減到-80至-90 dBFS的本底噪聲(如下圖所示)。

  

 

  不使用電腦收集IR數據

  反卷積是卷積的反向操作。首先在房間播放某個已知的激勵信號,然后對其引起的響應進行錄音。這兩份文件之間的差別即為IR(脈沖響應),即聲音從音源傳遞到接收器的過程中,房間/系統對聲音產生的作用。獲取IR的其中一種方法是進行復雜的反卷積數學運算。有不少軟件應用可以對兩個文件進行反卷積操作。本例中使用的是SoundForge應用。雖然還有其它數學處理可以得到同樣的結果,但是它們原則是一樣的。

  在房間中播放的系統激勵信號不必為脈沖信號。實際上,脈沖信號不是種好的選擇。掃頻正弦波倒具備幾個很大的優勢:

  •為房間輸送的能量大得多。因此能提供更大的信噪比優勢。

  •更能避免錄音器過載,因為正弦波的電平穩定,不會像噪音或脈沖信號一樣忽高忽低。

  •由于波形特性簡單,因此可選擇幾乎所有的數字平臺進行錄音。相比之下,復雜的波形會被某些壓縮程序大幅更改。

  •相對容易設置錄音電平。

  請注意,因為正弦波能產生巨大的能量(因而才能提供更好的信噪比),所以測試過程中須謹防燒毀揚聲器。

  所需設備

  可選擇的設備有很多。我的設置使用的都是手頭上已有的設備。我創建了一個wave文件,其中包含了一個24秒的掃頻信號、一個48秒的掃頻信號,以及一個無回聲語音音軌。總時長大約兩分鐘。我使用了一臺MiniDisc播放器把信號傳送到系統。這個播放器價格很低,放電池即可使用。這是個獨立的單元,所以不需要用長電纜來連接系統。文件記錄在另一臺MiniDisc播放器/錄音器。這臺設備好一些,帶XLR輸入和幻象電源,還有SPDIF輸出,所以記錄的文件可以直接傳送到個人電腦,不需要事先轉換模擬。閃存卡或CD媒體比我的設備要好些,直接插到個人電腦就能進行后期處理了。

  系統播放wave文件,然后只要進行錄音,就完成了數據收集工作。24秒的音軌用來設置電平,48秒的音軌才是后期需要處理的部分。語音文件用來提供參考,包括測量位置的聽效參考;后期還可以用來比對可聽化文件。每個聽音位置大約耗時兩分鐘進行測量。

  后期處理

  SoundForge能夠很好地從錄音里重現IR。首先,把錄音傳送到個人電腦。然后,在wave編輯器里打開錄音,截取錄音的48秒掃頻信號部分來創建一個新的音軌。再分別標注出源文件和錄音文件,并選擇“重現脈沖”,幾秒以后,即可得出包含了IR的新文件。點擊“播放”即可收聽脈沖。

  不同的可能性

  這是最有意思的部分!很多聲學軟件都能打開IR,比如Smaart™ Acoustic Tools、WinMLS™或TEF-MLS™(它們都能打開wave文件),經過處理以后,你會得到各種聲學指標。可以利用SoundForge、Cool Edit™或EASE™的EARS ™模塊里的干聲材料進行可視化操作,自由靈活地發掘這些平臺(和自己的視聽器官系統)的數據分析功能。還可以輕松地對比出測量平臺算法之間的區別。通過這些操作,很快你就能找出自己喜歡的、符合你對聲音的理解的工具,這些工具會幫助你有效利用數據。你可以和同事交換交流這些文件,還可以用來記錄聲音系統改造前后的性能。它們還有很大的存檔價值。給你一份Fogg講演廳的IR文件如何?賽賓曾在那里推導出了著名的賽賓公式。有了這份IR文件,你就能就置聲其中,和其他人一樣聆聽這間講演廳了。

  IR測試不是什么新鮮事。現在已經出現了好幾種新工具,能更好地利用數據。這些工具幫助我們進行測量和聽音工作,最終創建出更優秀的聲音系統。

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