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易分享 | Pat Brown如何简易快速地收集脉冲响应数据

来源:数字音视工程网       编辑:钟诗倩    2018-11-08 10:30:06

声学专家Pat Brown将给读者讲解如何在不使用电脑的情况下进行声学测量录音,同时获取更有效的数据。其中将对脉冲响应、卷积、可听化和反卷积等概念进行讲解。

  声学专家Pat Brown将给读者讲解如何在不使用电脑的情况下进行声学测量录音,同时获取更有效的数据。其中将对脉冲响应、卷积、可听化和反卷积等概念进行讲解。

  我们很难用言语准确描述事物的声效是怎样的。声效是含糊而主观的事物,人们对声效的评估往往各不相同。一方面,声音和听觉直接挂钩,人体的听觉处理是音频技术人员最强有力的工具。另一方面,各种测量系统能提供大量诊断数据,但是干巴巴的数据很难直接说明声效的意义。因此,把人体听觉和外部测量工具结合起来,采二者之长,对声效评估工作来说非常重要。

  “卷积和可听化”过程让人们通过耳朵听音来评估测量数据。我在进行卷积和可听化处理时,要先把系统脉冲响应(IR)保存为.wav格式的文件。有些测量应用默认使用wave格式的文件,即使不是,一般都能手动把数据导出为wave文件。保存后,我在SoundForge™光盘镜像软件里对IR进行后期处理,听听IR数据和音乐或语音揉合之后的效果。

  

 

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

  需要的工具:立体声话筒,节目音源和录音机

  当然,这些操作都需要先准备个人电脑。可如果要测量不同的听音位置,使用个人电脑操作就很麻烦了。电脑测量不但需要耗费大量设置时间,还要准备很长的电缆、接口箱等等。

  说起来好笑,因为个人电脑功能太强大,收集系统IR数据反而不是非用电脑不可。本篇技术文章将告诉大家,如何在不使用个人电脑的情况下收集系统IR信息,以及如何进行数据的后期处理、评估和听音。

  脉冲响应

  脉冲响应(IR)无疑是最重要的声学测量方法了。它也是最古老的一种方法,具体包括拍手声、充气气球爆破声、手枪开火声等等。脉冲响应蕴含了很多声音系统和声学环境信息。原理很简单——房间对你的拍手声产生的效用,同样作用于你的声音,或者同一个房间同一个地点演奏着的乐器。可以说,IR就是房间对声音产生的“独特作用”。一旦采集到听音位置的IR数据,就可以分析得出房间的早期反射声场、晚期反射声场和散射声场的信息。如果使用音响系统来激励房间,那么IR还会包含扬声器的响应和整体性能等信息,因为它与语音清晰度和音乐清晰度等因素相关。简而言之,房间中特定听音位置的IR包含了该位置可“听”到的大多数系统/房间特性。

  图1 – 测量链路图

  很多编辑器(比如SoundForge™和Cool Edit™)都能对两个wave文件进行卷积操作。所谓卷积,就是用一个文件(时间或频率数据)对另一个文件(时间或频率数据)进行编码,使之具有前者的特性。比方说,有一个干声节目音源素材,还有一个房间IR数据文件,那么进行卷积操作后,我们就能得到该干声节目音源加上现场特定听音位置的声学特性之后的听音效果。对IR和干声节目音源材料进行卷积操作,然后听效果,这一整个过程被称作“可听化”。理想状态下,IR应该是双声道(立体声话筒的两个通道)的文件。其中包含了很多位置信息,听音者根据已精准判断声音所处的三维空间位置。可听化具有以下突出优点:

  •无须对讲话人或音乐家进行实地录音,就能评估语音或音乐效果。

  •可以通过修改IR来模拟房间声学变化。可听化能模拟这种变化引起的效果。

  •比录音拥有更好的信噪比。如果IR收集不受噪声干扰,可听化会得到比实地录音更低的底噪。

  •IR是某个特定听音位置,房间/系统响应的完整记录。因此,将来发展出更好的算法,还能再加工IR。

  无论使用什么测量平台,采集恰当的IR应该具备如下特征:

  •1. 以dB为纵坐标展示时,数据应该从左上角到右下角填充屏幕

  •2. 必须测量系统的完全衰减,所以不可截断衰减拖尾。

  •3. 可听化需要良好的信噪比。我要求至少90dB的动态范围,然后看着衰减能量从高到低衰减到-80至-90 dBFS的本底噪声(如下图所示)。

  

 

  不使用电脑收集IR数据

  反卷积是卷积的反向操作。首先在房间播放某个已知的激励信号,然后对其引起的响应进行录音。这两份文件之间的差别即为IR(脉冲响应),即声音从音源传递到接收器的过程中,房间/系统对声音产生的作用。获取IR的其中一种方法是进行复杂的反卷积数学运算。有不少软件应用可以对两个文件进行反卷积操作。本例中使用的是SoundForge应用。虽然还有其它数学处理可以得到同样的结果,但是它们原则是一样的。

  在房间中播放的系统激励信号不必为脉冲信号。实际上,脉冲信号不是种好的选择。扫频正弦波倒具备几个很大的优势:

  •为房间输送的能量大得多。因此能提供更大的信噪比优势。

  •更能避免录音器过载,因为正弦波的电平稳定,不会像噪音或脉冲信号一样忽高忽低。

  •由于波形特性简单,因此可选择几乎所有的数字平台进行录音。相比之下,复杂的波形会被某些压缩程序大幅更改。

  •相对容易设置录音电平。

  请注意,因为正弦波能产生巨大的能量(因而才能提供更好的信噪比),所以测试过程中须谨防烧毁扬声器。

  所需设备

  可选择的设备有很多。我的设置使用的都是手头上已有的设备。我创建了一个wave文件,其中包含了一个24秒的扫频信号、一个48秒的扫频信号,以及一个无回声语音音轨。总时长大约两分钟。我使用了一台MiniDisc播放器把信号传送到系统。这个播放器价格很低,放电池即可使用。这是个独立的单元,所以不需要用长电缆来连接系统。文件记录在另一台MiniDisc播放器/录音器。这台设备好一些,带XLR输入和幻象电源,还有SPDIF输出,所以记录的文件可以直接传送到个人电脑,不需要事先转换模拟。闪存卡或CD媒体比我的设备要好些,直接插到个人电脑就能进行后期处理了。

  系统播放wave文件,然后只要进行录音,就完成了数据收集工作。24秒的音轨用来设置电平,48秒的音轨才是后期需要处理的部分。语音文件用来提供参考,包括测量位置的听效参考;后期还可以用来比对可听化文件。每个听音位置大约耗时两分钟进行测量。

  后期处理

  SoundForge能够很好地从录音里重现IR。首先,把录音传送到个人电脑。然后,在wave编辑器里打开录音,截取录音的48秒扫频信号部分来创建一个新的音轨。再分别标注出源文件和录音文件,并选择“重现脉冲”,几秒以后,即可得出包含了IR的新文件。点击“播放”即可收听脉冲。

  不同的可能性

  这是最有意思的部分!很多声学软件都能打开IR,比如Smaart™ Acoustic Tools、WinMLS™或TEF-MLS™(它们都能打开wave文件),经过处理以后,你会得到各种声学指标。可以利用SoundForge、Cool Edit™或EASE™的EARS ™模块里的干声材料进行可视化操作,自由灵活地发掘这些平台(和自己的视听器官系统)的数据分析功能。还可以轻松地对比出测量平台算法之间的区别。通过这些操作,很快你就能找出自己喜欢的、符合你对声音的理解的工具,这些工具会帮助你有效利用数据。你可以和同事交换交流这些文件,还可以用来记录声音系统改造前后的性能。它们还有很大的存档价值。给你一份Fogg讲演厅的IR文件如何?赛宾曾在那里推导出了著名的赛宾公式。有了这份IR文件,你就能就置声其中,和其他人一样聆听这间讲演厅了。

  IR测试不是什么新鲜事。现在已经出现了好几种新工具,能更好地利用数据。这些工具帮助我们进行测量和听音工作,最终创建出更优秀的声音系统。

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