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

　　深度探索前，關(guān)于聲音的話(huà)題：

　　聲學(xué)是研究聲音的學(xué)問(wèn)，也是復雜的較難掌握的科學(xué)。聲學(xué)的終極目標是要解決聲音整個(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(chǎng)形成的某幾個(gè)方面。

　　每天我們都要聽(tīng)到各種聲音，由于聲音不可視，需要專(zhuān)業(yè)的軟件進(jìn)行復雜的測量，而且測量指標受聲學(xué)環(huán)境影響極大，在不同測量的環(huán)境中得到的結果大相徑庭，解決不同的聲學(xué)環(huán)境問(wèn)題需要不同的信號處理工具，目前更多的還是基于復雜的均衡器的聲場(chǎng)調試，這又會(huì )帶來(lái)新的相位問(wèn)題，最終用戶(hù)只能接受主觀(guān)聽(tīng)覺(jué)的評價(jià)，由此聲學(xué)在這塊徹底失去了標準。

　　人類(lèi)是靠雙耳來(lái)分辨聲音的，聲音到達雙耳的時(shí)間快慢，是人的大腦從小到大逐漸適應了這種時(shí)間信息的分析，大腦可以根據一個(gè)聲音到達雙耳的細微時(shí)間差別來(lái)分辨發(fā)聲體的位置，也可以根據反射時(shí)間不一樣來(lái)判定空間的大小和屬性。大多數專(zhuān)業(yè)的音頻工程師把注意力放在頻率響應上，因為頻率響應的顯示相對直觀(guān)，而相位圖和群延時(shí)圖示相對來(lái)說(shuō)不容易提供聽(tīng)感直觀(guān)顯示，音頻工程師忽略了人類(lèi)對于聲音最為訓練有素的本能。

　　聲學(xué)還音的過(guò)程，是依靠揚聲器在特定空間中的播放實(shí)現聆聽(tīng)的，在這個(gè)過(guò)程中，音源播放，通過(guò)功率放大器到分頻器(大多數喇叭無(wú)法表達出20-20K人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍)，推到揚聲器震動(dòng)空氣，到達特定聲場(chǎng)的聽(tīng)眾耳朵里，在這個(gè)復雜的換能過(guò)程中，分頻器、房間的結構，聽(tīng)眾的位置都會(huì )大大的影響不同頻率的聲音到達人耳的時(shí)間，這種時(shí)間關(guān)系在聲學(xué)中表達為相位關(guān)系。而這種相位關(guān)系在主觀(guān)聽(tīng)覺(jué)中是一個(gè)至關(guān)重要的聲學(xué)指標，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(lái)頻率響應的不同變化，特別是在20-200Hz時(shí)，由于波長(cháng)相對較長(cháng)，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無(wú)力或多只低音音箱聲能抵消等現象，因此我們希望高低音同時(shí)到達我們的耳朵是一個(gè)理想值，這種理想值靠調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(lái)還原聲音的本形。

　　在聲場(chǎng)處理和控制領(lǐng)域，目前行業(yè)發(fā)展趨勢：

　　隨著(zhù)軟硬件技術(shù)的螺旋迭代式發(fā)展，我們對于聲場(chǎng)這種瞬變、干涉極為復雜，看似難以把控的聲場(chǎng)能量有序分布，也有越來(lái)越多的調控手段。從初級的EQ模式到高級的自適應模式，也呈現出明顯的迭代進(jìn)化特征：

　　首先是數字化和網(wǎng)絡(luò )化：隨著(zhù)數字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，聲場(chǎng)處理器和控制設備也越來(lái)越數字化和網(wǎng)絡(luò )化。數字信號處理技術(shù)的應用，使得聲場(chǎng)處理器可以更加精細地控制聲場(chǎng)構建的各種參數，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用，使得多個(gè)聲場(chǎng)處理器可以實(shí)現聯(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性：智能化和自適應性是聲場(chǎng)處理器和控制設備的發(fā)展方向之一。智能化技術(shù)的應用，使得聲場(chǎng)處理器可以自動(dòng)采集不同的聲音場(chǎng)景參數，并根據場(chǎng)景特點(diǎn)自適應地調整聲場(chǎng)參數，極大提高聲音處理的效率和質(zhì)量。這一點(diǎn)在聲場(chǎng)處理成為各類(lèi)應用場(chǎng)景所必需的一環(huán)，大量需求爆發(fā)式增長(cháng)當下，幾分鐘搞定一個(gè)聲場(chǎng)的調試，極具現實(shí)意義。

　　▊技術(shù)發(fā)展趨勢

　　——突破性的思維路徑，解決空間響應均衡難題

　　通過(guò)應用先進(jìn)的數字信號處理技術(shù)來(lái)設計基于房間響應的一個(gè)或多個(gè)測量值的均衡器，從而改善房間中的聲音重現。在過(guò)去的40年中，各國的聲學(xué)研究者對這個(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(lái)解決房間問(wèn)題。

　　當一個(gè)或多個(gè)揚聲器再現聲音時(shí)，收聽(tīng)環(huán)境會(huì )改變所需聽(tīng)覺(jué)錯覺(jué)的感覺(jué)。在某種程度上，這可以看作是積極的，因為增加了空間和深度，但是環(huán)境和聲音再現系統也會(huì )引入不希望的“偽影”。聆聽(tīng)環(huán)境中的過(guò)多反射或共振可能會(huì )導致聽(tīng)覺(jué)錯覺(jué)的不良變化。非理想的再現系統甚至可能向原始聲音添加一些偽像(例如，頻段過(guò)多增益或衰減，非線(xiàn)性失真)。

　　我們的研發(fā)人員從理論上研究空間響應均衡方法，并在實(shí)踐中推出“APC-acoustic phase calibration” 的方法來(lái)改善聲音再現的質(zhì)量，這與空間環(huán)境和再現系統的不利影響形成了鮮明對比。在該系統中，測試得到聲音再現系統到收聽(tīng)者的路徑的空間傳遞函數(Room Tansfer Function), 利用以多種方式實(shí)現的適當設計的均衡器來(lái)均衡?；舅枷胧鞘褂名溈孙L(fēng)測量空間脈沖響應(RIR)，然后通過(guò)其反相獲得均衡器參數。在過(guò)去40年中聲學(xué)工程師們開(kāi)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(chēng)，例如“空間均衡”，“空間校正”，“房間補償”，“房間反轉”，“房間去混響”，“去混響”，“減少混響”等。本文中，我們應用“APC-acoustic phase calibration” 來(lái)解析RTF測量設計均衡器的大多數技術(shù)。

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

　　大多數著(zhù)名的音頻廠(chǎng)商由于DSP技術(shù)實(shí)現的原因，仍然從物理聲學(xué)上對低音相位進(jìn)行控制，對用戶(hù)在特定的房間中的校準，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)常使用的參數均衡器)進(jìn)行房間頻率補償，這會(huì )帶來(lái)兩種惡果，在補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，波峰的反向衰減對于特定位置非常敏感，移動(dòng)位置則效果相差很大，而對波谷的提升會(huì )極大的傷害系統的動(dòng)態(tài)范圍，造成很大的諧波失真。盡管這些逆濾波器系數是自動(dòng)計算的，極大的保障了頻響曲線(xiàn)的平坦，但相位曲線(xiàn)卻更加惡化。

　　——并行運算，實(shí)時(shí)的感知并精密處理復雜音頻信號中的最細微波動(dòng)

　　為此，我們建立了一套基于聲學(xué)空間測量結果的反饋相位修正系統，對各頻率產(chǎn)生的不同相位畸變進(jìn)行最小相位的修正，對于音箱從制造設計，空間中播放產(chǎn)生的諸多相位疊加或抵消進(jìn)行數據分析，并根據數據分析，產(chǎn)生獨特的FIR濾波器系數對系統進(jìn)行整體的修正。這套系統摒棄了基于串行計算的高速DSP，而采用并行式的FPGA處理系統，我們的FIR濾波器實(shí)時(shí)的對各頻段進(jìn)行超過(guò)2萬(wàn)階的實(shí)時(shí)處理，而花費的時(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。

　　自適應聲場(chǎng)處理器

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

　　它是新一代聲場(chǎng)校準處理工具，能夠通過(guò)極簡(jiǎn)的操作，迅速校準聲場(chǎng)響應情況，減少空間環(huán)境對聲場(chǎng)的各種負面影響，使各類(lèi)聲系統在苛刻的環(huán)境下均能發(fā)揮其最優(yōu)性能。

　　一經(jīng)問(wèn)世便獲得業(yè)內高度關(guān)注和廣泛認可，其優(yōu)異性能離不開(kāi)突破性的創(chuàng )新路徑和成果。

　　▊全球首創(chuàng )全FPGA架構空間聲場(chǎng)處理器

　　全球首臺全FPGA架構的全FIR濾波器聲學(xué)空間相位修正系統。通過(guò)測量話(huà)筒對空間進(jìn)行單點(diǎn)或多點(diǎn)的聲學(xué)測量取樣后，針對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)行數據分析，并生成獨特的FIR濾波器系數，然后對聲音相位進(jìn)整體的修正。最大的特點(diǎn)是采用超大規模并行算法的高速FPGA處理平臺，對FIR濾波器對各頻率相位進(jìn)行高達8196階的處理，而花費的時(shí)間僅在微秒級，從而保證了在數字運算處理中不會(huì )造成新的相位畸變。

　　▊每聲道4096階逐點(diǎn)精準全FIR修正

　　人們在聽(tīng)音區域聽(tīng)到聲音是“直達聲”和“反射聲”的集合， 但由于反射聲的不總是和直達聲同一時(shí)間到到你的耳朵，因此直達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(lái)平直的頻響特性扭曲。

　　通過(guò)特別的聲學(xué)算法，對話(huà)筒取樣回來(lái)的聲相位數據進(jìn)行運算分析，并由每聲409點(diǎn)的最小相位FIR濾波器(Minmum phase FIR filters),對 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(tīng)音區域可以獲得正確平直的頻響和相位特性，提高直達聲的清晰度，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)準確、真實(shí)、清晰有力的低頻，處理后的立體聲音場(chǎng)定位更加精準，舞臺空間感更加寬闊、深邃。

　　▊RealTime — 低至0.25毫秒

　　由于傳統DSP芯片串行算法架構對于高階數FIR相位修正處理有巨大的延遲， 多數基于DSP架構的音頻處理器仍然采用IIR+低階數FIR濾波器的處理方式，特別是對于100Hz以下低頻段的處理，相位畸變仍然十分巨大。摒棄DSP架構，采用基于并行算法的高速FPGA平臺，8千多個(gè)邏輯門(mén)同時(shí)執行FIR處理，相當于512個(gè)DSP芯片同時(shí)工作，處理速度只有傳統DSP音頻處理器的百分之一，避免了在處理過(guò)程中由于高延遲而帶來(lái)新的時(shí)鐘失真和相位畸變。

　　其主要延遲來(lái)自AD/DA環(huán)節，FPGA處理只有0.07ms，加上系統其它硬件延遲，總延遲只有0.25ms, 100Hz以下相位延遲不超過(guò)35°。

　　▊極簡(jiǎn)操作

　　傳統的聲學(xué)空間問(wèn)題的解決手段相當的復雜，系統工程師需要運用不同的測量和處理工具來(lái)解決不同的問(wèn)題，例如，房間中多個(gè)超重低音的擺放，通過(guò)多次測量，調整擺放位置，設置不同的延時(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，這樣復雜的設置，往往顧此失彼，無(wú)法得到相對正確的結果。同時(shí)房間和喇叭需要顧及的不只是低音，在中低音區發(fā)生的房間駐波，中音區的分頻相位失真，高頻在房間中的早期反射，使系統工程師身心疲憊，在花費大量的時(shí)間調試以后，只能把一個(gè)千瘡百孔的音響系統交給調音師，調音師只能根據有缺陷的系統在調音中反復解決系統中出現的問(wèn)題，根本沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行音樂(lè )的平衡。

　　當其通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)接入路由器后，筆記本電腦即可通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與其進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制，軟件無(wú)需復雜的安裝程序，直接點(diǎn)擊開(kāi)啟，簡(jiǎn)潔的單頁(yè)操作界面，用戶(hù)只需擺放好測量話(huà)筒，在軟件界面上點(diǎn)擊幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟即可完成測量操作和優(yōu)化處理，沒(méi)有復雜的設置過(guò)程，也無(wú)需額外的專(zhuān)業(yè)測量設備輔助和接受專(zhuān)業(yè)知識的培訓，普通用家也可以熟練掌握，讓專(zhuān)業(yè)的聲學(xué)校準變得更加簡(jiǎn)單和智能。

　　其獨特算法只需要對房間中一個(gè)點(diǎn)或大型空間中的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行話(huà)筒測量，每個(gè)測量點(diǎn)的時(shí)間只需要三秒鐘，對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(lái)發(fā)現系統中存在的相位問(wèn)題，自動(dòng)將問(wèn)題的處理參數發(fā)送給FPGA，這系列過(guò)程中，無(wú)需人的干預，只需要支上話(huà)筒，按下測量鍵就可以了。調音師在10秒鐘后就能夠得到一個(gè)標準的聲學(xué)空間，在這個(gè)空間里，沒(méi)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(méi)有煩人的反饋嘯叫。因為我們的智能算法已經(jīng)對聲場(chǎng)了如指掌，調音師甚至可以通過(guò)我們的頻響曲線(xiàn)設計來(lái)設計音樂(lè )頻響的整體風(fēng)格。

　　▊Hi-END級的聲音表現

　　它是一臺精密的聲場(chǎng)校正的“儀器”，因此對它的性能要求是苛刻的。得益于我們長(cháng)期研究Hi-END模擬音頻設備的豐富經(jīng)驗，在其數字處理技術(shù)上， 我們比傳統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(phase degree)為準而非傳統的時(shí)間ms(毫秒), 我們通過(guò)采樣精度、采樣頻率、相位精度這三個(gè)維度的數字標準來(lái)再現真實(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(xiàn)路，輸出聲道均采用總諧波失真低至0.00003%以下的音頻專(zhuān)用頂級發(fā)燒運放，通過(guò)反復對比測試，選定對聲音產(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、數字獨立的電源供應系統，極致手段打造發(fā)燒級的聲音，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(jiǎn)便，分秒內解決最苛刻聲場(chǎng)難題

　　精確——高達4096 Tap逐點(diǎn)校正FIR

　　準確——一切基于高精度測量話(huà)筒與算法，避免主觀(guān)因素的偏差和干擾

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

　　Hi END——極致聲音表現，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，實(shí)現精確靈活的音箱頻響曲線(xiàn)設計

　　全球獨步的高階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

　　大幅提升系統的直達反射聲比率，實(shí)現現場(chǎng)混響聲的精確控制

　　自適應聲場(chǎng)處理器的誕生和應用，將使原有的音頻系統可獲得最佳的聲場(chǎng)效果，發(fā)揮國際上行業(yè)內其他音響處理器所無(wú)法替代的聲場(chǎng)處理能力，是一個(gè)名副其實(shí)的人工智能調音師。為保證音頻系統工程的優(yōu)質(zhì)和聲場(chǎng)控制能穩定發(fā)揮著(zhù)一個(gè)調音師的現場(chǎng)守護與自動(dòng)運維功能，該產(chǎn)品應用到現有的巨大存量音頻工程系統改造，必將有效的改變原有系統的音響效果，提高觀(guān)眾的優(yōu)良聽(tīng)感，也由此給終端用戶(hù)帶來(lái)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)品在工程設計的應用，將成為廣大音頻工作者的最佳伙伴和隨身工具，成為現在和將來(lái)所有音頻系統工程設計中的必有之選。

 系統拓撲圖

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

　　主題公園 演出租賃 大劇院

　　會(huì )議廳 多功能廳 電視臺演播室

　　音王集團旗下品牌(CADAC、錄音大師、音王)自適應聲場(chǎng)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(chǎng)能量分布均衡、低頻性能和直達反射聲比率，從而實(shí)現音頻信號處理的精確控制?？旖?、精確、準確的測量和精準算法可以幫助用戶(hù)快速解決最苛刻的聲場(chǎng)難題，提高操作效率和準確度。它對于需要實(shí)現聲場(chǎng)精確調試，尤其是快速調試的各類(lèi)PA應用場(chǎng)景，如流動(dòng)演出、劇場(chǎng)劇院、錄音棚等是一個(gè)必備利器。它就像一個(gè)智能AI調音師，可以取代大部分調音師的基礎聲場(chǎng)調試工作，而讓調音師真正的沉浸于聲音的藝術(shù)創(chuàng )作過(guò)程，因此市場(chǎng)潛力巨大。