既提高系统稳定性(不啸叫),又提升传声增益(话筒音量)的4大实用手段.

兰格电子有限公司2018-10-29 19:35:20

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文章来源于: 奇正设计顾问

在扩声系统中,传声增益(即话筒音量)和声场稳定性(不啸叫)是一对永恒的话题,它们之间就像矛和盾的关系。特别是现在的声学工程实践经验不多的施工调试人员。


通常客户的需求“不高”——只要声音大点,清晰点就够了。而实际上,面对一个复杂的声学环境和设计功底不足导致功能不全的电声系统,音量与稳定性之间最终只能有所取舍,得到一个折中点。这个折中点,通常都是声场稳定性向传声增益妥协。


今天就技术手段做一个分析,看看有没有办法可以把这个折中点提升,既提高稳定性,又提升传声增益。


什么是“传声增益”?

在此之前,有个概念必须要先解释一下。传声增益是指传声增益是指扩声系统处于最佳(高)可用增益时,观众席上的稳态声压级与话筒处的声压级之差。说简单点,就是系统在不啸叫状态下,对话筒的放大量。


而反馈的原因是话筒的声音经过系统放大后,从音箱放大出来后,通过空间直接或反射后间接回到了话筒,重新进行放大再从系统中扩声出来的循环过程。由此得知,要想控制反馈,就必须切断其反馈的过程。


另外,需要说明的是:反馈是一种物理状态,啸叫是一种声学现象,其内涵概念不完全一致。


电子线路中常通过负反馈电路来增加稳定性,而啸叫肯定是一种正反馈的结果。反馈也不一定就是话筒啸叫,比如调音台或系统矩阵设置不当,Aux出去的信号又返回到线路输入,并再次输出到Aux通道,就是一个反馈的情况。若同时它又送到了主扩输出,从音箱上扩声出来了,就会听到“啸叫”的声音。但这种状态只能叫反馈而不能叫啸叫。


本文讨论的就是声反馈,即啸叫的电声处理手段。



啸叫的电声处理手段

从声音的本质和传播特征可以给出不同的方案来提升传声增益。通常来说,优选是工程设计本身进行空间声场处理。


音频信号要想周而复始的在系统中循环(反馈),它必须维持几个要素:


1、能量不能衰减;

2、其本身的性状不能改变。


关于第1点,实际上信号是一直存在空间衰减(等比平方定律可知)的,而系统一直是在对输入信号进行放大的。衰减和放大之间是平衡状态时,啸叫的音量就相对恒定;若放大远大于衰减时,啸叫音量就会迅速的变大。


而第2点的条件若改变了就不是原来的信号了,其稳定性就会破坏,就不能形成反馈了。要想改变声啸叫现象,就是对以上两点进行改变。


从电声手段上抑制反馈主要有移频、移相、陷波、比对等四类办法。前三类属于比较成熟的办法了,比对法是目前最新的技术。为了能够区别它的特点,在此也一同介绍一下其它几种方法。


1

移频法

我们知道,需要通过电声手段处理的反馈多数情况不是全频段的现象,如果出现了非常多的频段反馈,就需要在声学工程(包括建声和电声布局)上进行处理了。当出现局部频率啸叫时,一般来说是由于建筑结构的声聚焦形成的。


而这种啸叫的频点往往是因为空间结构的尺寸而对特定波长的增强。我们知道,波长与频率成反比关系。而空间关系,也就是波长是相对固定的。因此,当音箱和话筒位置相对固定时,反馈的频率也就相对固定了。


我们知道频率与波长的换算:频率=波速/波长、波长=波速/频率


比如,500Hz的反馈频率波长就是340m/s/500Hz=0.68m。只要反射物体点距离话筒拾音头0.68米这个物理环境不变,系统对500Hz的放大就会一直保持。那么这个反射就不会消失。那么当扩声系统放大后的信号改变了它的频率,让原来输入的频率不再回到这个谐震状态,反馈就不存在了。


移频法就是改变输出的声音的频率。常见的设备叫做移频器。


移频法可以很好的提升传声增益。但问题很明显的是,人的听觉系统对频率非常敏感。特别是移频后仍然有反馈逐渐减小但仍然保留一部分在稳定边缘时存在的类似“镶边”的效果时(镶边:一种声学效果),非常难以接受。我本人大概在二十多年前接触到移频器,当时的主要音响扩声市场就是娱乐演唱,就是由于这种镶边的效果,对歌手的声音有非常大的破坏作用,因此很快就被社会抵制了。


但是现在,音响扩声的主要市场转移到了以语音扩声为主的会议市场,而语音类业务对此有很好的容忍度,因此,移频器得到了广泛的应用。再加上现在的DSP算法更先进,对声音的处理也非常人性化了,在kalaOK前级上,也大量使用了移频技术。


需要注意的是,若环境的反射面形成的波长宽度较宽时,改变几个Hz仅能改变非常微小的波长变化,比如502Hz与500Hz的波长相差不过3mm。


2

移相法

与移频的原理类似,改变信号的品质内容之一——相位,那么原来的反馈平衡就破坏了。反馈就不存在了。但遗憾的是,相位是一个不稳定的变量。当话筒与反馈信号源(音箱或反射面)之间的距离改变时,相位就改变了。


移相器几乎与移频器同时诞生了,但是由于诞生之初,市场上的主要扩声用途大都集中在演出市场。话筒都是没有固定的,因此,在此类应用中移相法几乎不可行。


与移频不同的一点是,声音相位的改变对听觉系统是没有影响的。(正弦与余弦体现是相位差,也可以理解为时间差。有些人号称可以听出相位区别,只能是在多只音箱组合的情况下,听出不和谐和梳妆滤波效应,单只音箱时是不可能的事情。)


现代的一个特殊场所,移相法却有着不可替代的应用。这个就是在kalaOK市场。当话筒在一个声场中获得一个固定的扩声系统及环境中的增益常量adB时,当两只话筒的拾音头放在一个点附近时,系统获得的总增益量是a+3dB。这增加的3dB就有可能破坏掉整个声场的稳定状态,出现声啸叫现象。


此时,若将其中一只话筒的输入信号相位反转180度,那么,两只话筒头放在同一个点时,它们是不可能获得额外+3dB的增益的。因此,这种啸叫的现象就得到了遏制。


同时,由于它们独立工作时,相位的改变时不会对音质有任何的影响的。最终,就是在兼顾品质的同时对特定条件的声场的稳定性获得了提高。


3

陷波法

当移频和移相都不能满足系统声反馈的抑制需求时。就只能在声反馈的第1个条件下下功夫了。我们减小系统的放大量,比如将音量推子下拉到一定的程度,啸叫自然就不存在了(放大量小于反馈量)。但这自然不是我们能接受的最佳效果。


前面讲过,啸叫有可能只是某一个或某几个固定的反射面形成的声聚焦(反射是一种镜面状态,只有聚焦才会形成某个啸叫点),而由于以上原因,啸叫也只会是莫一个或几个频率的事(当然,反馈严重时,它的谐波也会积极参与进来)。因此,我们需要找到啸叫的具体频率,将这个频率进行降低就可以了。此时,所使用的手段就是陷波法。


常见的陷波技术就是均衡器。主要使用参量均衡器。二十多年前出现独立的参量均衡器时,由于社会上除了dbx出过频率检测器以外,大家都很难获得频率及幅度的检测手段,因此,参量均衡器没有得到流行。


需要说明一下图示均衡器(也叫房间均衡器)和调音台上的参量均衡也可以对某些频点进行调整。但它们原始设计在系统中的作用不是做这个用途的。调音台上的均衡器是用来修饰它所对应的输入信号的美化的。而图示均衡器是为了调整房间的频幅特性,由于其Q值不可调,因此,用它来做陷波是会对整个频谱有一定破坏的。


由于使用陷波法进行反馈抑制的复杂性以及反馈信号自身有一定的规律性,市场上出现了专门使用此类技术的自动化设备,我们称为“反馈抑制器”。(也有人把移频器称为反馈抑制器,有点鱼目混珠的感觉)


4

比对法

比对法是目前最先进的技术。其前身是用于远程电视电话会议中的AEC(自动回声抑制)电路。说得再远一点,就是武装直升机驾驶员用来屏蔽环境干扰,提升通话识别度的一种技术。简单说就是将外部信号采样,并将其反相后送入话筒,叠加后使信号抵消,让话筒不再输出外部噪声(此处的噪声定义为不需要的声音)。


具有AEC算法的技术是不能直接用于本地扩声的。现在有一种比对法,就是将输入话筒的第一次出现的信号进行采样,并保存在寄存器中,然后与下一个计算周期短信号进行比对,若出现相同的内容,则将其与原始信号反相、整形后抵消,从而只保留新的输入信号输出。由于人耳可闻声音的频率高达20000Hz,为了确保采样到的信号高保真,CD级的采样使用44.1kHz,DVD以上级别采用48kHz,而我们的系统采用更高的96kHz进行采样。

 


比对法需要很高的算法技术,需要能够识别什么是原始声、什么是有效的人声和不需要的环境噪声。因此,是非常具有难度的。得益于现代的DSP技术,只需要算法而不需要过渡依赖复杂的硬件就可以达成此目标了。


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