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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·7

第4章 脉冲响应

脉冲响应是室内声学和建筑声学等方面中的一项重要指标和检测内容,可用来测量分析声音在某个特定环境中传播、反射、扩散、衰减等情况,从而得到该环境的混响时间、吸声特性、语音清晰度、频响特征、整体响度等方面的声学指标,以对该环境的声学特性进行评估和衡量。

在一个特定的环境中(比如房间),声源发出声音后,通过直线传播的方式被听众听到,这个声音称为“直达声”。除了被听众听到,房间的墙壁、天花板、地板也会陆续接收到直达声并将其反射回来,被听众听到的首次反射的声音称为“早反射”。被反射回来的声音继续被墙壁、天花板、地板接收和反射,于是听众在听到早反射的声音之后,又会陆续听到一连串的反射声,这部分声音称为混响。声音在传播、扩散和反射过程中,由于声能不断被消耗和吸收,导致听觉响度逐渐降低,直至听不到,从听到声音到听不到的这段时间,称为“混响时间”。由于人耳的灵敏度不同,环境噪声的响度也不同,因此,“听不到”这个说法太不严谨。为了规范和统一,混响时间的结束点定为原音量衰减20dB、30dB、60dB处,用T20、T30、T60来区别标记。通常所说的混响时间,一般为原音量衰减60dB。专指房间混响时间的参数,一般用RT来标记。比如:某房间各频段平均混响时间RT60=1.2秒(以上全部为A计权的响度测定)。

通常使用一个频响平直、时间非常短暂的大音量信号来进行混响时间的测定,这种类型的信号称为“脉冲信号”(数字模式下的脉冲响应测量,通常使用MLS或TSP信号),脉冲信号在环境中的表现,或者说房间对脉冲信号的反映情况,称为“脉冲响应”。因此,从很多方面来说,脉冲响应包含了一个特定环境在某个时间点的声学特性和重要信息。

测量、计算并分析房间的脉冲响应,使用传统的技术和模式非常困难,牵扯到大量的函数使用和复杂的公式运算,还需要有扎实的专业知识、丰富的实践经验、昂贵的硬件设备和不错的运气,普通用户几乎没有可能得到比较精确的测量结果与分析数据。DSSF3等声学测量软件出现后,改善了这种情形,即使用户没有接受过这方面的专门培训,只要有一只性能不错的声学话筒、话放和扬声器,加上一台电脑、质量不太差的声卡,就可以很顺利的完成这项复杂的测量工作。

DSSF3实时检测系统的脉冲响应模块,相比于其它同类软件,具有以下显著特性:

1、支持MLS(最大长度序列)和TSP(时域展缩脉冲)两种算法生成脉冲信号。

2、数据保存后,可利用自带的声学分析系统(SA)进行更加全面的统计分析和综合评价,比如延迟时间、混响时间、吸声与衰减特性、声场特性、IACC安藤参数、符合ISO 3382标准的各项室内声学参数、语音清晰度评估、混响频响特性等等。

IACC:双耳互相关函数,又称为“安藤参数”或“声场特性”。由日本神户大学安藤实验室创始人、声学专家安藤四一教授所提出。安藤四一在上世纪70年代做了一系列模拟双耳接收声音信号的“内耳互相关”研究,实验表明声音的音质与反射声的水平方向分布有关。80年代,安藤四一在德国哥廷根大学进行学术交流时引入了双耳评价标准(声场评价体系),即双耳听觉互相关函数(IACC)。该函数表示了人耳所接收的两个信号之间的相互关系,这种相互关系既是评价音质的根据,又是声音空间感(声场)的度量,同时还提示了环境中侧向反射的重要性。80年代中期美国加州桔县新建的一座音乐厅(Segerstrom Hall)就可谓该函数实际应用方面的杰出代表。IACC作为评价声音空间感的指标,开辟了音质研究的一个新途径,也使室内声学中的音质评价建立在更为科学的基础之上。但是,IACC本身也有一定的局限性和矛盾,还存在一些亟待解决的问题,例如话筒指向性的精确界定,声源信号的类型与选用等等。

3、测量并记录时,有“自动电平”、“自动重试”和“脉冲叠加”等实用功能(根据声卡输入端口所接收到的信号,对自身所发出的脉冲信号进行调整和重复激发、叠加混合),配合系统内置的反向滤波功能,可使用户在尽量少调整或不调整外部硬件设备的基础上一次性得到符合要求的理想信号,以大大提高工作效率和测量结果的精确度。

注:声学专家布朗(M.Barron)对不同方向、强度、延时的反射声进行了长达20年的研究,得到实验结论:超高声压级和超短延时的反射声会产生声像漂移或声染色现象,这与哈斯效应的理论基础相一致。但过长的延时又会产生回声干扰。只有大约5~80ms延时的反射声,并且有足够的侧向反射声能量才会使人有“空间印象”的听觉感受。这一点在进行脉冲响应测量和室内声学设计中,已经被广泛采纳。

4、DSSF3 5.0以上的版本支持96KHz采样率和32Bit采样精度。即使用户的声卡不支持这么高的采样率和采样精度,依然可以加载并分析基于这种采样格式的音频数据。

4.1 准备工作

使用脉冲响应功能来测量房间的声学特性,通常采取系统连接模式1(话筒箱拾)。注意,音箱务必要连接到声卡的左通道输出端口(DSSF3只将脉冲信号发送给声卡的一个输出通道),无需使用两只音箱。有条件的用户,也可以同时使用两只品牌、型号与性能完全一致的声学话筒,一左一右分开放置到仿真人头模型中,进行立体声拾音。这样能更好的测量和分析房间声学参数中的IACC声场特性。如果只有一只话筒,也可以使用相同的设置测量两次,而且两次测量时的音箱位置绝对不变,而话筒摆放位置则有所不同(间隔20-30公分左右,以模拟人耳的相对位置。或者分别放置在房间中的不同听音区域,以测量不同区域声学特性的差异情况),而后将数据分别保存为独立的音频文件,在其它多轨录音和混缩类软件中进行混缩,变成一左一右两个信号的立体声音频。

理论上,室内声学测量需要精确到房间中的每一个点,而后汇总统计,但是要做到这一点是不可能的,也没必要。所以通常只需在听音区内选择一些有代表性的位置,分别测量后得出一组或多组数据,而后进行汇总分析。

4.2 设置条件

回到DSSF3实时检测系统的脉冲响应模块,按图1所示步骤,进行测量前的必要设置(即激发和记录脉冲响应的最佳条件。其中,测量时间和叠加次数必须根据实际情况来进行设置,其它则为选择性设置):

图1:实时检测系统—脉冲响应—测量前的必要设置

1、设置A/D转换(模拟信号转为数字信号)的采样率。由数字音频的原理与机制可知,采样率越高,数据记录的越接近真实。建议设置为48KHz或96KHz(前提是声卡支持)。

2、选择测量时间(单位:秒),通常设置为房间实际混响时间的2倍左右。值太小,无法完成正常的检测计算,得到错误的结果;而值太大,则容易记录到多余的噪音和环境杂音,增大系统的负荷与数据量。此处要根据经验和现场情况,先大概估计一下房间的混响时间。面积为40㎡左右,四壁光滑,且未经过声学处理和设计装修的普通规则空房间,在门窗紧闭的情况下,混响时间通常在1.5-2秒左右。如果经验不够丰富,可以点击右侧的【调整】按钮,让软件自动检测一下,给出相应的提示。这项操作在下一小节中会讲到。

3、设置脉冲信号的重复叠加数量。相当于重复激发脉冲信号,而后将所记录的数据进行叠加。DSSF3脉冲响应模块采用了比较独特的先进算法,在重复激发的脉冲信号进行叠加混缩时,不会增加背景噪声的音量,只对发出的脉冲信号进行增益,以大幅度提高信噪比和测量的精确度。注意:大多数房间都未做过专业的声学设计与装修,隔声性能也较差,在测量时,环境噪声的因素必须要考虑,特别是不稳定的环境噪声。

设置叠加将延长测量时间,而且有可能导致发出的信号电平太大而损毁设备,或者所记录到的最终信号电平值过大而出现过载失真,这样就得不偿失了。如果系统连接和前期进行的信号电平检测没有问题,而且话筒、话放和声卡的性能良好(设备本身的底噪较低),环境噪声也比较稳定、音量较小,则完全无需设置此值。即使测量现场的情况不太理想,也要注意不要设置的过大,通常2—4即可。

4、设置数据的声道格式,如果测量时只使用了一只话筒,那么选择单声道即可。如果采取了双话筒立体声测量,则选择双声道。声道选择将决定所记录数据的音频格式。

5、设置脉冲信号的生成算法,MLS(最大长度序列)或者TSP(时域展缩脉冲)。这两种是周期性脉冲信号生成的基本算法,前者基于线性时不变的离散采样频域序列,后者基于离散采样序列的声能在时域轴线上的扩展或压缩。为了防止信号过大出现过载失真等现象和环境噪声较大导致信噪比不高的现象,建议将脉冲生成的算法设置为TSP(基于时域展缩类型的脉冲序列),而不使用MLS(基于频域的最大长度序列)。

在测量脉冲响应的时候,如果直接使用真实的脉冲信号,因为环境噪声的因素,信噪比会较低。因此专业领域一般采用TSP类型的脉冲信号进行测量。该信号将脉冲的能量平均分散到时间轴上,系统发出TSP信号并回收到其响应之后,再将分散的能量还原,重新构成与实际情况完全相同的真实脉冲响应。能量分散的规则为:脉冲信号的相位和频率的平方成正比。重构脉冲响应的时候,只需将系统的TSP信号与逆TSP信号进行卷积运算即可,计算在频域进行。其特性为:

H(k) = exp(j*4*pi*M*k^2/N^2) 0<=k<=N/2;H(k) = H(N-k) N/2。

逆TSP的频域特性为:G(k) = 1/H(k)。其中N为TSP信号的长度,M为TSP实际数据长度的2倍(整数)。由于M为整数,很容易看到当k=N/2的时候,H(k)是一个实数,并且频域上有共轭对称的关系,所以对H(k)进行FFT逆运算之后将得到一组实数,这就是TSP信号。

6、设置脉冲响应测量时是否使用“自动电平”和“自动重试”功能。自动电平:系统根据输入信号的电平大小自动调整脉冲信号的输出电平,在提高信噪比的同时避免出现输入信号电平过载的问题。自动调整之后的信号输出电平最大可达满刻度(0dBFS)的70%。自动重试:系统根据输入信号的电平大小,重复进行测量,直至接收到电平理想、最利于检测分析的输入信号。通常情况下,复选这两项设置。

4.3 提示调整

如果测量顺利,信号正常,没有出现问题,则无需运行调整这项功能。否则,点击脉冲响应模块右上方条件区域中的【调整】按钮,打开图2所示的对话框:

图2:实时检测系统—脉冲响应—调整对话框

该对话框具有分析和评估待检信号是否正常的功能,并给出具体的提示。如果情况不佳,将提示用户进行调整。分析和评估的内容主要有三项:信号进出电平、话筒位置、测量时间。分别点击上方的【开始】按钮(Start),如果设置合理,情况正常,将给出绿色“OK”字样(正常),反之则给出蓝色或红色的“NG”字样(Not Good,不佳。蓝色为不足、欠缺,红色为超过、太大)。点击【Stop】停止检测。在未显示OK的情况下,需做以下调整:

•输入输出电平:调整话放的增益旋钮,或者在声卡的软件控制台(Windows混音器)中调整信号输出的电平,使两者达到正常范围。

•话筒位置:可检查两个声道的输入信号。这项检查在用户使用双话筒进行AB制式或仿真人头制式的立体声测量时比较有用。如果两只话筒的位置不对,间隔太远或太近,与声源的距离不相等,都会造成一定程度上的测量误差。可在此处进行检测,而后根据提示作精细调整,使两个输入通道的信号基本一致。

•测量时间:点击【开始】按钮后,软件自动对混响时间做大概的估算,如果信号正常,此估算将非常接近实际,由此便于用户在脉冲响应操作界面中合理设置测量时间。