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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·2

1.4 校准补偿

各个领域内,任何能称为专业级或科研级的软件都不可能甫一安装就直接干活,正确的设备连接、走线、调试与软件中做了相关设置之后,才等于是基本完成了整个系统的前期架构和准备工作。具体到科研分析和专业测量这两大领域,正式开工前还必须进行所用器具的校准与标定,这个步骤绝对不能忽略。

•了解声卡

目前,绝大多数专业录音用的声卡(专业音频卡、音频接口)和高品质的多媒体声卡都可以做到非常平直和宽泛的粉噪信号倍频程幅频响应与相频响应。如果有小范围的波动或起伏,则记下波动的范围、峰值频点、相对电平等数据。
少数低端多媒体声卡或板载声音芯片,频响性能往往不佳。以1KHz的频响为例,如果该频点的dB值与原始信号相比,上下波动超过3dB,或者整条频响曲线波动太大、不够平稳,则不宜使用。

•校准声压级

DSSF3的声压级校准与下两个小节将提及的幅频补偿、反向滤波等功能非常强大和实用。已经设置和选用,系统在测量时将根据校准数据自动进行增益或补偿,以使结果更加精确。

点击实时检测系统FFT分析器模块右上的【校准】按钮,可打开校准数据(校准模板)选择对话框,点击该对话框右下的【编辑】按钮,进入校准设置对话框,该操作界面中,可以新建校准模板,也可以对已有的校准模板进行编辑修改或删除。

通常情况下,使用话筒、扬声器、分贝仪,配合系统发出的1KHz正弦波信号和RA主界面的峰值电平表等操作元素进行精确校准,将声音在测量现场的听觉响度与计算机音频领域广泛采用的零分贝满刻度电平(0dBFS)进行准确对应。其设置流程是:

1、按系统连接模式1(话筒箱拾)图示内容,将信号输入设备(话筒->话放)连接到声卡的输入端口1(左声道输入),将信号输出设备(功放->扬声器或有源音箱)连接声卡的输出端口1(左声道输出)。

2、分贝仪紧靠测量话筒固定好测量位置。打开分贝仪,不进行任何计权(对应DSSF3系统中的“平直化”),如果无法设置不计权计算,则选择A计权或C计权。

关于“计权”:电子、物理、声学测量和音频分析等专业领域,为了简化计算量并适应特定需要,经常采用计权平均法计算信号的振动幅度和频率响应情况。测量声音响度时,通常采用与人类听觉等响曲线基本吻合的A计权计算法,这种计权方法模拟再现了人耳对声音中低频和高频部分的不敏感效应。在进行科学测量和专业分析时,则广泛采用C计权或不计权算法。使用分贝仪等设备检测声音时,如果C计权的数值远高于A计权的数值,则往往暗示了测量环境中存在大量的低频噪音或驻波。

3、校准设置对话框中,模式选择为“单独”(分别设置两个输入声道,如果声卡的输入端口1连接话筒,输入端口2直接和声卡的输出端口2做环路连接,则只需进行输入端口1的校准),“频率计权”下拉列表中的选择和分贝仪测量的计权方式相一致。而后勾选“测试信号”选项,使系统发出一个1KHz的正弦波。此时,扬声器出声,话筒同时拾取到扬声器所发出的声音。记下分贝仪检测到的响度值。

4、调整话放增益或声卡软件控制台(Windows混音器)的输入音量,同时观察RA主界面的电平表,以输入通道的信号不超过-6dB为宜。

5、如图11所示,校准设置对话框中,调整“输入增益”音量推子(1),观察推子上方的文本框数值(2),使之与分贝仪统计的数据尽量一致。

图11:实时检测系统—校准设置—校准0dBFS与真实响度的对应

6、几乎所有的分贝仪都内嵌拾音器和放大器(相当于话筒+话放),而且有信号输出插口(小三芯),可以同时输出分贝仪内置话筒所拾取到的声音信号(接头的尖端通道)和与之对应的直流电波(接头上紧挨着尖端的环端通道)。因此,也可以使用分贝仪的该功能,将其直接连接到声卡的输入端口。这种模式,对声压级的校准将更加精确。

事实上,如果分贝仪的品质较高,则完全可以用来替代独立的声学话筒。但是,大多数民用领域的分贝仪频响较窄(30Hz~8KHz之间),动态范围也较小(一般不超过60dB),因此,如果要测量的声音频响较宽、动态较大,则不适合用分贝仪内嵌的拾音器来取代独立的声学话筒。

7、在“属性”文本区中输入话筒、话放和相关说明信息,而后点击下图所示的【新建】按钮,将本次设置保存为一个校准模板。已保存的校准模板可以进行再次编辑或删除(修改后需点击【覆写】按钮进行保存)。

8、使用上述办法,可以建立多套校准模板(用户预置),这些模板将在“校准模板列表”中分行显示,可根据实际情况随时调用(鼠标点击,使该模板高亮显示即为选中,不使用任何校准模板则【解除】之)。

•频响补偿

该项操作可以对幅频响应曲线不平直的话筒和话放进行校准,前提是用户手里有厂家提供的比较精确的幅频响应曲线。前面提到的了解声卡性能,如果其频响曲线不平,也可以在此结合话筒和话放的频响特性进行有针对性的增益和补偿,做集中设置。下面三幅对比图直观的说明了频响补偿前后测量结果的差异(图12-图14):

图12:频响补偿对比图—原始信号的幅频曲线

图13:进行补偿之前的幅频曲线

图14:进行补偿之后的幅频曲线

注意:频响补偿式校准并非适合于所有类型的声音测量。对粉噪、白噪或稳定的信号进行测试时,这种校准比较实用。但是,在测量语音、音乐、自然界音效等复杂、不稳定的信号时,做了频响补偿之后的某些声学指标反而会有更大的误差率。同时,这种补偿也仅仅只能提高频幅和响度等方面的测量精度,对相频方面的测量结果则没有任何改善,甚至还会有影响。

设置频响补偿的操作比较简单,在图15所示的校准设置对话框中,首先确定频点,输入该频点的电平增益(提升或衰减的dB值),而后点击【设置】按钮使之生效。此时,左侧的频响曲线图产生变化。如果对该频点的设置不满意,可点击【删除】按钮,重新输入正确的。重复此操作,不断对比修正,使之与话筒厂家提供的频响曲线基本一致。

图15:实时检测系统—校准设置—设置频响补偿

设置完成,输入话筒、话放的有关信息和备注说明,点击【新建】按钮,将校准模板保存下来,以供今后测量时调用。

校准对话框中,最多可设置20个频点的增益。继续新增,系统将弹出错误提示。绝大多数情况下,对20个之内的频点进行增益修正已经足够了。

如果不打算使用任何校准模板,或者在已经选用模板的情况下建立新模板,则首先点击【解除】按钮,而后再进行下一步的操作。

在使用系统连接模式3(设备路由)和模式4(直接环路)测量音频设备和声卡性能时,切记不要选用任何校准模板,原因不言而喻。

•反向滤波

如前所述,由于话筒、话放、音箱、信号线、接插件等环节的性能问题,加上环境噪声、室电不稳和设备底噪等方面的影响,即使在最完美的理想环境中播放和采集信号,所得到的结果肯定还是和系统发出的原始信号有所差别,或者将包括更多无用的信息。为了消除负面影响,最大限度提高所采集信号的纯净度和测量的精确度,DSSF3的开发者在脉冲响应模块中设计了一个基于幅频、相位、电平、噪声过滤等方面的弥补校正功能,笔者斟酌再三,决定称之为“反向滤波”。这一点类似于前两个小节所讲的FFT分析器中的频响补偿和灵敏度校准,但比之更加强大,也更加灵活。由此也可看出,DSSF3能在众多同类软件中脱颖而出,绝非徒有其表,确确实实有真才实料和必杀绝技的。

反向滤波并不是必需的,如果对测量结果没有太大帮助,或者环境底噪很小,则完全可以不使用该功能。

脉冲响应模块反向滤波功能的原理与运行机制是:首先,话筒近距离对准音箱,进行基于MLS或TSP制式的脉冲响应测量(这两个重要术语后面会讲到),采集到一个相对比较理想的波形(该波形的长度由用户设置的测量时间来决定)。DSSF3以这段波形为分析蓝本,自动切除其中的最有用信号(直达声),这样一来,剩下的波形就全部是房间反射声和对测量没任何帮助的无用信号了,比如环境噪声、设备底噪、电流底噪等等。而后,自动分析这些剩余的无用信号,将其中的某些特性保存下来,设置为一个滤波函数。正式测量的时候,对同样环境和条件下所采集到的波形套用刚才的滤波函数进行计算处理,等于是只保留有用的信息,而过滤掉无用的信息,以使待测的脉冲响应信号更加纯净、提高其信噪比、增加测量的精确度。这种处理模式就称之为“反向滤波”。

很多方面来说,这种技术类似于Audition和Samplitude等音频软件中FFT采样降噪器的处理思路,但是比它们更加复杂。

明白了原理,操作起来就简单了。摆放好话筒和音箱后,点击图16所示的脉冲响应模块主界面右上方的【开始】按钮,先采集一个比较理想的信号(1),而后点击下图所示的【保存】按钮(2),在弹出的对话框中确定要切除的脉冲信号直达声(3)(软件已经自动进行了选择,通常无需改动。如果改变直达声的选择范围,则用鼠标左键拖拉选区的垂直边界线)。接着设置反向过滤后无用信号最多衰减多少个dB(4)(通常设置为30dB。衰减的太多,可能会影响到有用信号;衰减太少,则不足以消除无用信号,发挥不了反向滤波的功效),根据信号的实际情况确定是否自动修正相位(5)(如果不清楚信号的相位是否正常,可在采集的时候打开FFT分析器,切换到“相位”标签项,时间分辨率设置的低一些,做实时观察和分析),最后输入标题和备注说明(6),点击【保存】(7)。这样,一个反向滤波模板就建立并可以使用了。

图16:实时检测系统—脉冲响应模块—建立反向滤波模板

可建立多个反向滤波模板,进行脉冲响应测量的时候随时选用。选用已有的反向滤波模板,或者对其进行编辑、删除等操作,均通过点击【设置】按钮来进行。点击该按钮后弹出“设置滤波器”对话框,选中模板,点击【确定】按钮即可调用。正在使用的反向滤波模板,其标题将出现在“修正”区域的下方。如需修改,则选中模板后在对话框的下半部分进行编辑,修改完毕点击【覆写】按钮。点击【删除】按钮可将当前选中的模板删除掉。

本章结束。下一章讲解DSSF3的实时检测模块。