探尋數(shù)字聲學(xué)空間處理新路徑—深度探索音王集團(tuán)旗下品牌（CADAC、錄音大師、音王）自適應(yīng)聲場處理器技術(shù)

　　深度探索前，關(guān)于聲音的話題：

　　聲學(xué)是研究聲音的學(xué)問，也是復(fù)雜的較難掌握的科學(xué)。聲學(xué)的終極目標(biāo)是要解決聲音整個(gè)傳播鏈路的一致性、完整性。而我們本篇所要探索的只是其很小的一個(gè)領(lǐng)域，牽扯到聲場形成的某幾個(gè)方面。

　　每天我們都要聽到各種聲音，由于聲音不可視，需要專業(yè)的軟件進(jìn)行復(fù)雜的測量，而且測量指標(biāo)受聲學(xué)環(huán)境影響極大，在不同測量的環(huán)境中得到的結(jié)果大相徑庭，解決不同的聲學(xué)環(huán)境問題需要不同的信號(hào)處理工具，目前更多的還是基于復(fù)雜的均衡器的聲場調(diào)試，這又會(huì)帶來新的相位問題，最終用戶只能接受主觀聽覺的評(píng)價(jià)，由此聲學(xué)在這塊徹底失去了標(biāo)準(zhǔn)。

　　人類是靠雙耳來分辨聲音的，聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間快慢，是人的大腦從小到大逐漸適應(yīng)了這種時(shí)間信息的分析，大腦可以根據(jù)一個(gè)聲音到達(dá)雙耳的細(xì)微時(shí)間差別來分辨發(fā)聲體的位置，也可以根據(jù)反射時(shí)間不一樣來判定空間的大小和屬性。大多數(shù)專業(yè)的音頻工程師把注意力放在頻率響應(yīng)上，因?yàn)轭l率響應(yīng)的顯示相對(duì)直觀，而相位圖和群延時(shí)圖示相對(duì)來說不容易提供聽感直觀顯示，音頻工程師忽略了人類對(duì)于聲音最為訓(xùn)練有素的本能。

　　聲學(xué)還音的過程，是依靠揚(yáng)聲器在特定空間中的播放實(shí)現(xiàn)聆聽的，在這個(gè)過程中，音源播放，通過功率放大器到分頻器(大多數(shù)喇叭無法表達(dá)出20-20K人類聽覺范圍)，推到揚(yáng)聲器震動(dòng)空氣，到達(dá)特定聲場的聽眾耳朵里，在這個(gè)復(fù)雜的換能過程中，分頻器、房間的結(jié)構(gòu)，聽眾的位置都會(huì)大大的影響不同頻率的聲音到達(dá)人耳的時(shí)間，這種時(shí)間關(guān)系在聲學(xué)中表達(dá)為相位關(guān)系。而這種相位關(guān)系在主觀聽覺中是一個(gè)至關(guān)重要的聲學(xué)指標(biāo)，不同頻率在時(shí)間關(guān)系上的正向疊加和反向衰減會(huì)帶來頻率響應(yīng)的不同變化，特別是在20-200Hz時(shí)，由于波長相對(duì)較長，這種疊加和衰減更加容易發(fā)生，會(huì)發(fā)生房間駐波和低音區(qū)無力或多只低音音箱聲能抵消等現(xiàn)象，因此我們希望高低音同時(shí)到達(dá)我們的耳朵是一個(gè)理想值，這種理想值靠調(diào)整單只音箱的延遲時(shí)間是事倍功半的。我們需要從相位的理念上去糾正來還原聲音的本形。

　　在聲場處理和控制領(lǐng)域，目前行業(yè)發(fā)展趨勢：

　　隨著軟硬件技術(shù)的螺旋迭代式發(fā)展，我們對(duì)于聲場這種瞬變、干涉極為復(fù)雜，看似難以把控的聲場能量有序分布，也有越來越多的調(diào)控手段。從初級(jí)的EQ模式到高級(jí)的自適應(yīng)模式，也呈現(xiàn)出明顯的迭代進(jìn)化特征：

　　首先是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化：隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，聲場處理器和控制設(shè)備也越來越數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，使得聲場處理器可以更加精細(xì)地控制聲場構(gòu)建的各種參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使得多個(gè)聲場處理器可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制和協(xié)同工作，提高聲音處理的效率和精度。

　　其次是智能化和自適應(yīng)性：智能化和自適應(yīng)性是聲場處理器和控制設(shè)備的發(fā)展方向之一。智能化技術(shù)的應(yīng)用，使得聲場處理器可以自動(dòng)采集不同的聲音場景參數(shù)，并根據(jù)場景特點(diǎn)自適應(yīng)地調(diào)整聲場參數(shù)，極大提高聲音處理的效率和質(zhì)量。這一點(diǎn)在聲場處理成為各類應(yīng)用場景所必需的一環(huán)，大量需求爆發(fā)式增長當(dāng)下，幾分鐘搞定一個(gè)聲場的調(diào)試，極具現(xiàn)實(shí)意義。

　　▊技術(shù)發(fā)展趨勢

　　——突破性的思維路徑，解決空間響應(yīng)均衡難題

　　通過應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來設(shè)計(jì)基于房間響應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)測量值的均衡器，從而改善房間中的聲音重現(xiàn)。在過去的40年中，各國的聲學(xué)研究者對(duì)這個(gè)主題進(jìn)行了深入的研究，從而產(chǎn)生了許多有效的技術(shù)從各個(gè)方面來解決房間問題。

　　當(dāng)一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器再現(xiàn)聲音時(shí)，收聽環(huán)境會(huì)改變所需聽覺錯(cuò)覺的感覺。在某種程度上，這可以看作是積極的，因?yàn)樵黾恿丝臻g和深度，但是環(huán)境和聲音再現(xiàn)系統(tǒng)也會(huì)引入不希望的“偽影”。聆聽環(huán)境中的過多反射或共振可能會(huì)導(dǎo)致聽覺錯(cuò)覺的不良變化。非理想的再現(xiàn)系統(tǒng)甚至可能向原始聲音添加一些偽像(例如，頻段過多增益或衰減，非線性失真)。

　　我們的研發(fā)人員從理論上研究空間響應(yīng)均衡方法，并在實(shí)踐中推出“APC-acoustic phase calibration” 的方法來改善聲音再現(xiàn)的質(zhì)量，這與空間環(huán)境和再現(xiàn)系統(tǒng)的不利影響形成了鮮明對(duì)比。在該系統(tǒng)中，測試得到聲音再現(xiàn)系統(tǒng)到收聽者的路徑的空間傳遞函數(shù)(Room Tansfer Function), 利用以多種方式實(shí)現(xiàn)的適當(dāng)設(shè)計(jì)的均衡器來均衡?；舅枷胧鞘褂名溈孙L(fēng)測量空間脈沖響應(yīng)(RIR)，然后通過其反相獲得均衡器參數(shù)。在過去40年中聲學(xué)工程師們開發(fā)了各種各樣的技術(shù)。在不同的技術(shù)文章中使用了許多不同的名稱，例如“空間均衡”，“空間校正”，“房間補(bǔ)償”，“房間反轉(zhuǎn)”，“房間去混響”，“去混響”，“減少混響”等。本文中，我們應(yīng)用“APC-acoustic phase calibration” 來解析RTF測量設(shè)計(jì)均衡器的大多數(shù)技術(shù)。

　　空間反向濾波器設(shè)計(jì)有多種替代方案的多維性。也可以考慮非參數(shù)方法(例如最小二乘法或頻率響應(yīng)的直接反算)來進(jìn)行FIR的反算，例如自回歸移動(dòng)平均值(ARMA)建模的參數(shù)方法或低頻時(shí)間衰減控制方法。但方法的分類之外，我們也可以根據(jù)濾波器應(yīng)用來分類，如APC分為最小相位或線性相位。前者僅針對(duì)RTF幅度的均衡，而后者除幅度處理外，也作用于相位RTF分量。

　　大多數(shù)著名的音頻廠商由于DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原因，仍然從物理聲學(xué)上對(duì)低音相位進(jìn)行控制，對(duì)用戶在特定的房間中的校準(zhǔn)，仍然采用關(guān)注頻域的方式，使用IIR濾波器(也就是我們經(jīng)常使用的參數(shù)均衡器)進(jìn)行房間頻率補(bǔ)償，這會(huì)帶來兩種惡果，在補(bǔ)償頻率上造成更大的相位畸變，在由于房間造成的頻率提升(波峰)和衰減(波谷)進(jìn)行反向操作，波峰的反向衰減對(duì)于特定位置非常敏感，移動(dòng)位置則效果相差很大，而對(duì)波谷的提升會(huì)極大的傷害系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，造成很大的諧波失真。盡管這些逆濾波器系數(shù)是自動(dòng)計(jì)算的，極大的保障了頻響曲線的平坦，但相位曲線卻更加惡化。

　　——并行運(yùn)算，實(shí)時(shí)的感知并精密處理復(fù)雜音頻信號(hào)中的最細(xì)微波動(dòng)

　　為此，我們建立了一套基于聲學(xué)空間測量結(jié)果的反饋相位修正系統(tǒng)，對(duì)各頻率產(chǎn)生的不同相位畸變進(jìn)行最小相位的修正，對(duì)于音箱從制造設(shè)計(jì)，空間中播放產(chǎn)生的諸多相位疊加或抵消進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生獨(dú)特的FIR濾波器系數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的修正。這套系統(tǒng)摒棄了基于串行計(jì)算的高速DSP，而采用并行式的FPGA處理系統(tǒng)，我們的FIR濾波器實(shí)時(shí)的對(duì)各頻段進(jìn)行超過2萬階的實(shí)時(shí)處理，而花費(fèi)的時(shí)間只有DSP的百分之一。這樣我們保證了我們在處理中不會(huì)造成新的相位畸變。

　　自適應(yīng)聲場處理器

　　自適應(yīng)聲場處理器是一款高端的自適應(yīng)聲場處理器，它采用了高速并行處理的全FPGA技術(shù)平臺(tái)和先進(jìn)的算法，能夠自動(dòng)調(diào)整聲場能量分布，使音樂表現(xiàn)更加層次分明、通透和真實(shí)。

　　它是新一代聲場校準(zhǔn)處理工具，能夠通過極簡的操作，迅速校準(zhǔn)聲場響應(yīng)情況，減少空間環(huán)境對(duì)聲場的各種負(fù)面影響，使各類聲系統(tǒng)在苛刻的環(huán)境下均能發(fā)揮其最優(yōu)性能。

　　一經(jīng)問世便獲得業(yè)內(nèi)高度關(guān)注和廣泛認(rèn)可，其優(yōu)異性能離不開突破性的創(chuàng)新路徑和成果。

　　▊?cè)蚴讋?chuàng)全FPGA架構(gòu)空間聲場處理器

　　全球首臺(tái)全FPGA架構(gòu)的全FIR濾波器聲學(xué)空間相位修正系統(tǒng)。通過測量話筒對(duì)空間進(jìn)行單點(diǎn)或多點(diǎn)的聲學(xué)測量取樣后，針對(duì)音箱在空間中播放由于聲波反射而產(chǎn)生的各種相位疊加或抵消進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并生成獨(dú)特的FIR濾波器系數(shù)，然后對(duì)聲音相位進(jìn)整體的修正。最大的特點(diǎn)是采用超大規(guī)模并行算法的高速FPGA處理平臺(tái)，對(duì)FIR濾波器對(duì)各頻率相位進(jìn)行高達(dá)8196階的處理，而花費(fèi)的時(shí)間僅在微秒級(jí)，從而保證了在數(shù)字運(yùn)算處理中不會(huì)造成新的相位畸變。

　　▊每聲道4096階逐點(diǎn)精準(zhǔn)全FIR修正

　　人們在聽音區(qū)域聽到聲音是“直達(dá)聲”和“反射聲”的集合， 但由于反射聲的不總是和直達(dá)聲同一時(shí)間到到你的耳朵，因此直達(dá)聲和各種反射聲之間就會(huì)由于時(shí)間差而造成聲相位干涉，同相的聲音會(huì)產(chǎn)生疊加，相位相反的聲音會(huì)產(chǎn)生抵消，這些疊加和抵消就會(huì)把原來平直的頻響特性扭曲。

　　通過特別的聲學(xué)算法，對(duì)話筒取樣回來的聲相位數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，并由每聲409點(diǎn)的最小相位FIR濾波器(Minmum phase FIR filters),對(duì) 20-20KHz頻段的相位和頻率特性進(jìn)行精確的修正，從而確保聽音區(qū)域可以獲得正確平直的頻響和相位特性，提高直達(dá)聲的清晰度，將空間反射聲的干擾減到最低，為你擺脫不可控的房間聲學(xué)缺陷干擾，還你一個(gè)準(zhǔn)確、真實(shí)、清晰有力的低頻，處理后的立體聲音場定位更加精準(zhǔn)，舞臺(tái)空間感更加寬闊、深邃。

　　▊RealTime — 低至0.25毫秒

　　由于傳統(tǒng)DSP芯片串行算法架構(gòu)對(duì)于高階數(shù)FIR相位修正處理有巨大的延遲， 多數(shù)基于DSP架構(gòu)的音頻處理器仍然采用IIR+低階數(shù)FIR濾波器的處理方式，特別是對(duì)于100Hz以下低頻段的處理，相位畸變?nèi)匀皇志薮蟆＾饤塂SP架構(gòu)，采用基于并行算法的高速FPGA平臺(tái)，8千多個(gè)邏輯門同時(shí)執(zhí)行FIR處理，相當(dāng)于512個(gè)DSP芯片同時(shí)工作，處理速度只有傳統(tǒng)DSP音頻處理器的百分之一，避免了在處理過程中由于高延遲而帶來新的時(shí)鐘失真和相位畸變。

　　其主要延遲來自AD/DA環(huán)節(jié)，F(xiàn)PGA處理只有0.07ms，加上系統(tǒng)其它硬件延遲，總延遲只有0.25ms, 100Hz以下相位延遲不超過35°。

　　▊極簡操作

　　傳統(tǒng)的聲學(xué)空間問題的解決手段相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，系統(tǒng)工程師需要運(yùn)用不同的測量和處理工具來解決不同的問題，例如，房間中多個(gè)超重低音的擺放，通過多次測量，調(diào)整擺放位置，設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間，使重低音能夠同相播放，同時(shí)又要顧及重低音與全頻的時(shí)間關(guān)系，這樣復(fù)雜的設(shè)置，往往顧此失彼，無法得到相對(duì)正確的結(jié)果。同時(shí)房間和喇叭需要顧及的不只是低音，在中低音區(qū)發(fā)生的房間駐波，中音區(qū)的分頻相位失真，高頻在房間中的早期反射，使系統(tǒng)工程師身心疲憊，在花費(fèi)大量的時(shí)間調(diào)試以后，只能把一個(gè)千瘡百孔的音響系統(tǒng)交給調(diào)音師，調(diào)音師只能根據(jù)有缺陷的系統(tǒng)在調(diào)音中反復(fù)解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，根本沒有時(shí)間進(jìn)行音樂的平衡。

　　當(dāng)其通過網(wǎng)線接入路由器后，筆記本電腦即可通過無線局域網(wǎng)與其進(jìn)行無線控制，軟件無需復(fù)雜的安裝程序，直接點(diǎn)擊開啟，簡潔的單頁操作界面，用戶只需擺放好測量話筒，在軟件界面上點(diǎn)擊幾個(gè)簡單的步驟即可完成測量操作和優(yōu)化處理，沒有復(fù)雜的設(shè)置過程，也無需額外的專業(yè)測量設(shè)備輔助和接受專業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)，普通用家也可以熟練掌握，讓專業(yè)的聲學(xué)校準(zhǔn)變得更加簡單和智能。

　　其獨(dú)特算法只需要對(duì)房間中一個(gè)點(diǎn)或大型空間中的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行話筒測量，每個(gè)測量點(diǎn)的時(shí)間只需要三秒鐘，對(duì)于空間中的噪聲有極大的容忍度，然后算法會(huì)花十秒鐘來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的相位問題，自動(dòng)將問題的處理參數(shù)發(fā)送給FPGA，這系列過程中，無需人的干預(yù)，只需要支上話筒，按下測量鍵就可以了。調(diào)音師在10秒鐘后就能夠得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)空間，在這個(gè)空間里，沒有多個(gè)重低音音箱的抵消造成的低音不足，也不會(huì)低頻共振，沒有煩人的反饋嘯叫。因?yàn)槲覀兊闹悄芩惴ㄒ呀?jīng)對(duì)聲場了如指掌，調(diào)音師甚至可以通過我們的頻響曲線設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)音樂頻響的整體風(fēng)格。

　　▊Hi-END級(jí)的聲音表現(xiàn)

　　它是一臺(tái)精密的聲場校正的“儀器”，因此對(duì)它的性能要求是苛刻的。得益于我們長期研究Hi-END模擬音頻設(shè)備的豐富經(jīng)驗(yàn)，在其數(shù)字處理技術(shù)上， 我們比傳統(tǒng)DSP處理方式更注重輸出輸入的延退特性，這個(gè)特性是以時(shí)間相位度數(shù)(phase degree)為準(zhǔn)而非傳統(tǒng)的時(shí)間ms(毫秒), 我們通過采樣精度、采樣頻率、相位精度這三個(gè)維度的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)來再現(xiàn)真實(shí)的聲音本質(zhì)，在算法和延退之間不做妥協(xié)。

　　D/A模擬輸出部分采用全平衡線路，輸出聲道均采用總諧波失真低至0.00003%以下的音頻專用頂級(jí)發(fā)燒運(yùn)放，通過反復(fù)對(duì)比測試，選定對(duì)聲音產(chǎn)生關(guān)鍵影響的元器件，并量身定制了低噪音高精度，模擬、數(shù)字獨(dú)立的電源供應(yīng)系統(tǒng)，極致手段打造發(fā)燒級(jí)的聲音，絕不向任何影響音質(zhì)的因素妥協(xié)。

　　九大優(yōu)勢：

　　快捷——測量操作極致簡便，分秒內(nèi)解決最苛刻聲場難題

　　精確——高達(dá)4096 Tap逐點(diǎn)校正FIR

　　準(zhǔn)確——一切基于高精度測量話筒與算法，避免主觀因素的偏差和干擾

　　實(shí)時(shí)——高性能FPGA并行運(yùn)算帶來近乎零的延時(shí)

　　Hi END——極致聲音表現(xiàn)，近似模擬的音質(zhì)

　　世界領(lǐng)先的脈沖校正技術(shù)，提升音箱的聚能特性

　　不犧牲音箱的相位響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精確靈活的音箱頻響曲線設(shè)計(jì)

　　全球獨(dú)步的高階FIR濾波器在零延時(shí)的狀況下提升低頻性能，使低音更緊致

　　大幅提升系統(tǒng)的直達(dá)反射聲比率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場混響聲的精確控制

　　自適應(yīng)聲場處理器的誕生和應(yīng)用，將使原有的音頻系統(tǒng)可獲得最佳的聲場效果，發(fā)揮國際上行業(yè)內(nèi)其他音響處理器所無法替代的聲場處理能力，是一個(gè)名副其實(shí)的人工智能調(diào)音師。為保證音頻系統(tǒng)工程的優(yōu)質(zhì)和聲場控制能穩(wěn)定發(fā)揮著一個(gè)調(diào)音師的現(xiàn)場守護(hù)與自動(dòng)運(yùn)維功能，該產(chǎn)品應(yīng)用到現(xiàn)有的巨大存量音頻工程系統(tǒng)改造，必將有效的改變原有系統(tǒng)的音響效果，提高觀眾的優(yōu)良聽感，也由此給終端用戶帶來重新的、前所未有的最佳音響效果。因此，我們有理由相信，這個(gè)技術(shù)的發(fā)明與產(chǎn)品在工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用，將成為廣大音頻工作者的最佳伙伴和隨身工具，成為現(xiàn)在和將來所有音頻系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的必有之選。

 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　適用于主題公園、演出租賃、體育場館、大劇院、LIVE HOUSE、會(huì)議廳、多功能廳、電影院、電視臺(tái)演播室等場所使用。

　　主題公園 演出租賃 大劇院

　　會(huì)議廳 多功能廳 電視臺(tái)演播室

　　音王集團(tuán)旗下品牌(CADAC、錄音大師、音王)自適應(yīng)聲場處理器具備世界先進(jìn)的脈沖校正技術(shù)和高階FIR濾波器，可以提升聲場能量分布均衡、低頻性能和直達(dá)反射聲比率，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)處理的精確控制?？旖荨⒕_、準(zhǔn)確的測量和精準(zhǔn)算法可以幫助用戶快速解決最苛刻的聲場難題，提高操作效率和準(zhǔn)確度。它對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)聲場精確調(diào)試，尤其是快速調(diào)試的各類PA應(yīng)用場景，如流動(dòng)演出、劇場劇院、錄音棚等是一個(gè)必備利器。它就像一個(gè)智能AI調(diào)音師，可以取代大部分調(diào)音師的基礎(chǔ)聲場調(diào)試工作，而讓調(diào)音師真正的沉浸于聲音的藝術(shù)創(chuàng)作過程，因此市場潛力巨大。