易分享 | Pat Brown如何簡(jiǎn)易快速地收集脈沖響應數據

　　聲學(xué)專(zhuān)家Pat Brown將給讀者講解如何在不使用電腦的情況下進(jìn)行聲學(xué)測量錄音，同時(shí)獲取更有效的數據。其中將對脈沖響應、卷積、可聽(tīng)化和反卷積等概念進(jìn)行講解。

　　我們很難用言語(yǔ)準確描述事物的聲效是怎樣的。聲效是含糊而主觀(guān)的事物，人們對聲效的評估往往各不相同。一方面，聲音和聽(tīng)覺(jué)直接掛鉤，人體的聽(tīng)覺(jué)處理是音頻技術(shù)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(shuō)明聲效的意義。因此，把人體聽(tīng)覺(jué)和外部測量工具結合起來(lái)，采二者之長(cháng)，對聲效評估工作來(lái)說(shuō)非常重要。

　　“卷積和可聽(tīng)化”過(guò)程讓人們通過(guò)耳朵聽(tīng)音來(lái)評估測量數據。我在進(jìn)行卷積和可聽(tīng)化處理時(shí)，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(dòng)把數據導出為wave文件。保存后，我在SoundForge™光盤(pán)鏡像軟件里對IR進(jìn)行后期處理，聽(tīng)聽(tīng)IR數據和音樂(lè )或語(yǔ)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(huà)筒，節目音源和錄音機。

　　當然，這些操作都需要先準備個(gè)人電腦?？扇绻獪y量不同的聽(tīng)音位置，使用個(gè)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(shí)間，還要準備很長(cháng)的電纜、接口箱等等。

　　說(shuō)起來(lái)好笑，因為個(gè)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(shù)文章將告訴大家，如何在不使用個(gè)人電腦的情況下收集系統IR信息，以及如何進(jìn)行數據的后期處理、評估和聽(tīng)音。

　　脈沖響應

　　脈沖響應(IR)無(wú)疑是最重要的聲學(xué)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(kāi)火聲等等。脈沖響應蘊含了很多聲音系統和聲學(xué)環(huán)境信息。原理很簡(jiǎn)單——房間對你的拍手聲產(chǎn)生的效用，同樣作用于你的聲音，或者同一個(gè)房間同一個(gè)地點(diǎn)演奏著(zhù)的樂(lè )器?？梢哉f(shuō)，IR就是房間對聲音產(chǎn)生的“獨特作用”。一旦采集到聽(tīng)音位置的IR數據，就可以分析得出房間的早期反射聲場(chǎng)、晚期反射聲場(chǎng)和散射聲場(chǎng)的信息。如果使用音響系統來(lái)激勵房間，那么IR還會(huì )包含揚聲器的響應和整體性能等信息，因為它與語(yǔ)音清晰度和音樂(lè )清晰度等因素相關(guān)。簡(jiǎn)而言之，房間中特定聽(tīng)音位置的IR包含了該位置可“聽(tīng)”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(gè)wave文件進(jìn)行卷積操作。所謂卷積，就是用一個(gè)文件(時(shí)間或頻率數據)對另一個(gè)文件(時(shí)間或頻率數據)進(jìn)行編碼，使之具有前者的特性。比方說(shuō)，有一個(gè)干聲節目音源素材，還有一個(gè)房間IR數據文件，那么進(jìn)行卷積操作后，我們就能得到該干聲節目音源加上現場(chǎng)特定聽(tīng)音位置的聲學(xué)特性之后的聽(tīng)音效果。對IR和干聲節目音源材料進(jìn)行卷積操作，然后聽(tīng)效果，這一整個(gè)過(guò)程被稱(chēng)作“可聽(tīng)化”。理想狀態(tài)下，IR應該是雙聲道(立體聲話(huà)筒的兩個(gè)通道)的文件。其中包含了很多位置信息，聽(tīng)音者根據已精準判斷聲音所處的三維空間位置?？陕?tīng)化具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

　　•無(wú)須對講話(huà)人或音樂(lè )家進(jìn)行實(shí)地錄音，就能評估語(yǔ)音或音樂(lè )效果。

　　•可以通過(guò)修改IR來(lái)模擬房間聲學(xué)變化?？陕?tīng)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(tīng)化會(huì )得到比實(shí)地錄音更低的底噪。

　　•IR是某個(gè)特定聽(tīng)音位置，房間/系統響應的完整記錄。因此，將來(lái)發(fā)展出更好的算法，還能再加工IR。

　　無(wú)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(shí)，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(tīng)化需要良好的信噪比。我要求至少90dB的動(dòng)態(tài)范圍，然后看著(zhù)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(gè)已知的激勵信號，然后對其引起的響應進(jìn)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(guò)程中，房間/系統對聲音產(chǎn)生的作用。獲取IR的其中一種方法是進(jìn)行復雜的反卷積數學(xué)運算。有不少軟件應用可以對兩個(gè)文件進(jìn)行反卷積操作。本例中使用的是SoundForge應用。雖然還有其它數學(xué)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(shí)際上，脈沖信號不是種好的選擇。掃頻正弦波倒具備幾個(gè)很大的優(yōu)勢：

　　•為房間輸送的能量大得多。因此能提供更大的信噪比優(yōu)勢。

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

　　•由于波形特性簡(jiǎn)單，因此可選擇幾乎所有的數字平臺進(jìn)行錄音。相比之下，復雜的波形會(huì )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(chǎn)生巨大的能量(因而才能提供更好的信噪比)，所以測試過(guò)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(chuàng )建了一個(gè)wave文件，其中包含了一個(gè)24秒的掃頻信號、一個(gè)48秒的掃頻信號，以及一個(gè)無(wú)回聲語(yǔ)音音軌?？倳r(shí)長(cháng)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(gè)播放器價(jià)格很低，放電池即可使用。這是個(gè)獨立的單元，所以不需要用長(cháng)電纜來(lái)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(gè)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(gè)人電腦就能進(jìn)行后期處理了。

　　系統播放wave文件，然后只要進(jìn)行錄音，就完成了數據收集工作。24秒的音軌用來(lái)設置電平，48秒的音軌才是后期需要處理的部分。語(yǔ)音文件用來(lái)提供參考，包括測量位置的聽(tīng)效參考;后期還可以用來(lái)比對可聽(tīng)化文件。每個(gè)聽(tīng)音位置大約耗時(shí)兩分鐘進(jìn)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(gè)人電腦。然后，在wave編輯器里打開(kāi)錄音，截取錄音的48秒掃頻信號部分來(lái)創(chuàng )建一個(gè)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(diǎn)擊“播放”即可收聽(tīng)脈沖。

　　不同的可能性

　　這是最有意思的部分!很多聲學(xué)軟件都能打開(kāi)IR，比如Smaart™ Acoustic Tools、WinMLS™或TEF-MLS™(它們都能打開(kāi)wave文件)，經(jīng)過(guò)處理以后，你會(huì )得到各種聲學(xué)指標?？梢岳肧oundForge、Cool Edit™或EASE™的EARS ™模塊里的干聲材料進(jìn)行可視化操作，自由靈活地發(fā)掘這些平臺(和自己的視聽(tīng)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(guò)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(huì )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(lái)記錄聲音系統改造前后的性能。它們還有很大的存檔價(jià)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(zhù)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(tīng)這間講演廳了。

　　IR測試不是什么新鮮事?，F在已經(jīng)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(jìn)行測量和聽(tīng)音工作，最終創(chuàng )建出更優(yōu)秀的聲音系統。