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声学均衡及相关应用

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均衡起源

均衡器最初是为诸如音乐厅和室外区域之类的物理场所开发的,因为这些场所在设计时并未考虑声学因素。均衡器的目的是“均衡”所有声音的频率。例如,某些音乐厅在初建的时候没有考虑声学特性,对高音频率的响应较差,因此可以利用均衡的方法补偿高频响应。

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随着音频电子技术的发展,消费端的需求也在日益增长,我们常说的均衡已经不仅仅是单纯地针对声学频响缺陷进行调整,还有审美的原因。比如不同的音乐均衡器能够突出不同音乐类型的特色,得到不同听众的喜爱,尽管该均衡器的目标不是把目标频响拉平。均衡也是一些场景改进声重放效果的解决方案。例如,在汽车中,除了扬声器的平衡和衰减之外,我们无法真正改变声音的传播方式,也不能将扬声器移到更好的位置或更改座椅的布局。在这种情况下,可以使用均衡器来“削减”和“增强”特定的频率范围。

在本文中,我们将简单介绍几种均衡的应用场景。

音乐均衡

音乐均衡从指标上来看已经摆脱了均衡的初心——“把频响拉平,使系统的频响更平坦”。音乐均衡的原因更多是出于美学和听众个性化的考虑。广播和录音棚中使用的复杂的均衡器,能够进行精度非常高的均衡,可以消除不需要的声音或使某些乐器或声音更加突出。音乐中的均衡是通过改变音频信号中不同频率的分量来凸显不同的音乐元素。

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可以发现,在我们调节不同的均衡模式时,音乐的频率成分在改变。这种改变得益于均衡滤波器,均衡滤波器正是通过过滤不同的频率,调节不同频率的增益,从而产生不同的听感,满足不同的听众需求。比如喜欢低音的听众,可以选择“重低音模式”,喜欢乐器声音的听众可以选择“高音模式”等。并且不同的音乐类型,也有偏好的音乐模式。

扬声器均衡

均衡器也常用于校正或修改扬声器系统的频率响应,而不是将扬声器本身设计为具有所需的响应。从开发效率来看,前者要高于后者。例如,Bose 901扬声器系统不使用单独的较大和较小的驱动器来覆盖低音和高音频率。相反,它使用了9个直径相同的4英寸驱动器。但同时为扬声器系统开发了有源均衡器,以便最终发送到扬声器的放大信号在这些驱动器的响应下降的频率下其响应增加,从而产生预期的响应。

 

由于扬声器出厂之后的频响是可以测量的,所以关于扬声器的均衡是可以方便且高效地实现的。下图是某个扬声器均衡前后的频响。

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某扬声器均衡前后的频响

可以看出,均衡之后的频响曲线较均衡之前的频响曲线平坦度更高,这样可以极大地提高声重放的效果。

房间均衡

相比于扬声器均衡,房间均衡就更为复杂了。原因在于房间等特定的物理环境会影响声场,使得我们在设计均衡滤波器的时候,要把声场的特性考虑进去。从消费端来看,同一款设备在不同消费者那里面临的环境是不一样,这也使得房间均衡产品落地较为困难

不同的房间,或者同一房间的不同位置,其脉冲响应都不一样,差别可能巨大。只有引导消费者进行设置,从而把房间脉冲响应测量出来,才能做到房间的自适应均衡。已经有较多的相关专利得到了申请。下图描述的是苹果公司于2016年申请的一项专利[1],在用户端利用手持设备进行信号采集并分析,然后在扬声器端进行房间的自适应均衡。

 

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车均衡

车内的声学均衡与房间均衡类似,要考虑到车内的声场环境。相比于房间,车内的空间更为狭小,并且车内材料的声学特性不尽相同,例如座椅会吸收部分声音,而车窗玻璃会反射声音。另一方面由于车内喇叭的安装位置比较特殊,并不是正对听音者,一般在车门下侧和汽车A柱、衣帽架等位置,因此车内声场更加复杂。并且,车内一般同时存在多个听音者(例如驾驶员和乘客),如果仅对某个位置点进行均衡(例如驾驶员位置),有可能会损坏其他位置的音质,因此同时对多个位置进行均衡对于车内音响更有实际意义

 

针对车内均衡的研究相比于房间中的均衡研究较少。在国内,中科上声的团队在车内均衡的方案上做了较多的工作,取得了一定的效果。“一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法和系统”是于2021年1月21日公开的中科上声团队的发明专利 [2]。该发明公开了一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法,其采用鲁棒性控制策略,适合大规模量产使用。

下图是该方法的硬件示意图:

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一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法和系统

可以看出,该方法的一大优点是采用IIR结构,可以有效节省资源,降低硬件成本,这对于量产来说是至关重要的。

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文章名称:声学均衡及相关应用
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