电子建声系统的设计

1、电子建声系统的设计关于电子建声系统的设计，是我们特意为大家整理的，希 望对大家有所帮助。对于电子建声系统的设计而言，主要的声学特性是清晰度、 可懂度和来自声源的亲切感，以下是小编搜集整理的一篇探究电 子建声系统设计的论文范文，欢迎阅读查看。1引言声音增强系统和声学增强系统之间的基本差别之一在于相 对声源近距离的传声器的使用。在声音增强系统中，通常需要近 距离提供相对环境声更高比率的直达声。在声学增强系统中，则 通常相反的情况才是所需结果。特别是布置在相距声源一定距离 的传声器拾取的是直达声和环境声的混合声。因为传声器与扬声 器相连接，这种可使这些系统与声学反馈相抗衡的方式对用于将 系统与环境相

2、结合的方法而言变得非常重要。可对传声器和扬声 器数量、可使其互连的方法、系统尺寸和成效、以及其在建筑声 学上的可靠性施加一定限制。已有众多技术论文和文章阐述了多种电声系统的成效之间 的差别.这里所描述的时变系统在反馈之前提供了增益上的绝对 优势，而这给在环境中布置传声器和扬声器提供了自由度而不会 受到设计上的限制。在使用这种空间技术时，对于声品质和经济 的系统整合两者而言还有哪些重要的因素呢？需要哪些种类的组 件?如何（为什么）放置这些组件？本文将简要介绍笔者在音乐声学和声品质方面研究的最新 进展，并展示其是如何成功地用在物理和电子建声的集成上的。2关于人类感知的研究近况之前的论文中指出声学描

3、述可分为四类-定位、空间感、可 懂度和混响感。弄清楚人类神经是如何分析声音事件的对于确定 声学状态应如何得到解释是非常重要的。以下所列的是声音感知 的关键流程，这在之前的文献中有提到，每一个流程依次工作在 更高级的神经学层面上。而低级的流程包括：在鼓膜处将入射声压分解成多个频段;(2)在独立频段对声 级快速增长进行检测-这是在对前景声音单元(phonesandnotes) 的开始和停止进行检测的第一步;(3)对在各频段的双耳时间差和 声级差的检测;(4)对双耳时间差和声级差的平均非确定性进行确 定。将声音分离为频段是低级功能的最基本的特征；同时伴随在 所有其他的神经学流程中该分离也会发生。更高

4、级的流程完成该 分离会占用一定时间。这些时间常数对获取房间声学的方式而言 非常重要。更高级别的流程包括：将声音分解成独立单元：phones和notes.确定单独的声音事件的方位和音色。将声音事件群组织成前景流。对于语音，将来自特别的 phones组织成短语和句子。对于乐音，则前景流由来自独立乐 器和片段的乐音系所组成。(4)当同时有几个说话人谈话时，将每一个人的声音单元组织 成单独的流。同样会有几个同步的前景声音流。流形成过程中使用所有可用的线索对独立的声音事件进 行组合，线索包括方位、音色和音调。因此特定的事件的方位角 可以帮助将其安排进流中。(6)“背景流的形成包括在前景流的各元素间获取的

5、声音。背 景流包括房间噪声、混响等。虽然可有几个前景流，但只有一个 背景流。声音流的形成对声音感知来说是非常重要的部分。当一系列 声音事件例如语音得以连接时;会强烈感知到位置、音色及混响。 这是因为人类神经在声音流的感知中使用了不同的流程。混响和 噪声被分离成背景流-除非他们需要受到注意。如果一个响亮的 声音事件在聆听谈话时发生，声音事件和其混响两者都会变成另 一个前景事件从而得到全面的神经分析，同时得到更高的神经优 先权。在流形成过程中或之后还有几个动作发生：(1)对多种前景流的含义分配。(2)将双耳声级差和时间差的波动要么解释成“房间印象，要 么解释成包围感。这种解释依赖于造成前述波动的声

6、音事件结尾 和反射能量之间的时间延迟。将声音解析为独立的单元是更高级流程中最重要的环节。当 噪声或声学状况阻止了 phones结束和开始的可靠检测时，语音 可懂度迅速下降。语音中的phones在快速语音中每150ms即发 生，而phones间隔的一般值为50ms.因此，此时时间窗中的反 射能对语音可懂度及乐音清晰度是不利的。在150ms和400ms 之间发生的反射能对背景流起主要作用。活动混响(RR )的感知依 赖于在phones和notes之间的间隔、混响的绝对级别以及从前 景声音流中的间隔中可靠分离出信息的听觉机理能力。这种分离 流程需要一定时间-在声音事件结束之后必须要经历至少 100m

7、s,而这是在背景声的灵敏度最大化之前。当反射声干扰到识 别声音的开始和结束的能力时，会造成分离流程的不确定度的上 升-可懂度、清晰度和包围感知降低。笔者最近的研究表明声源亲切感的感知对声品质的感知是 非常重要的.亲切感是一种潜意识事件，其与声学距离的感知紧 密联系。人类在聆听任何发声体的声音时可以立刻感知其或近或 远，即使只用一只耳朵来听。人类生存依靠的是辨别声音事件是 否是近的-因此这就是被感知为近的声音往往需要被更多神 经所关注的原因。同样，较远的声音具有低的优先级，且经常被 描述成具有“浑浊的包围感。进一步的实验表明亲切感的感知与 声源的水平定位有很大关系。只有当听众获得直达声时才能获得

8、 快速的定位-即声音无干扰地从声源直接传播过来。这种情况下， 复合音的谐波的相位关系不会被反射所改变-从心理上声源被 感知为近的，独立于其物理距离。因此该声源被“亲切式地感知。 当反射扰乱了这些谐波的相位，关于定位的相对不确定性增加，人类神经的声学距离感知受到影响。声源不再被感知为熟悉的或亲切的，声品质的感知度则降低。当有机会严格按照乐音源的自然度来调整混响水平和时间 时，业余和专业听众都倾向于将混响比进行正向调节.自从数字 混响诞生以来在录音行业中该方法已被使用。好音质的共识为声 音是纯净并具有亲切感的，混响是可闻的、有支撑性的并具有包 围感的;同时不会被直达声的感知所干扰。因为人类的偏好不

9、尽 相同，所录制的音乐作品听起来也基本不同。然而，在世界上最好的音乐厅里，这并不会发生。混响的级 和时间两者都是与容积相关的物理产物，即与其建筑几何、表面 处理以及满座率相关。这些参量相互关联，其一改变则可能改变 声学结果。直混比在临界距离被反转-在这一点上直达声场和混 响声场具有相等能级。在这些音乐厅中，临界距离接近 20ft(1ft=30.48cm).这意味着多数座位具有负的直混比-6-10dB .典 型的声学测量关注于声音延迟(EDT,RT)/fi并不关心能量在最初 100ms的比率问题。这给鉴别这些场馆的声音特性相比混响延迟 而言带来更大的影响。这些空间对于大多数座位而言都具有 152

10、5ms的初始时间间隙.这意味着在反射能量起作用时会影响 到基频的谐波相位关系，之前直达声会得到清晰的定位（见图1）. 因此针对乐队中单独的乐器会得到精准的定位且不需要视觉线 索-即使在靠近厅堂后部也是这样。图1为波士顿交响音乐厅模 型的100ms激励下混响的建立和衰变。选择座位的标准是持续 激励下D/R比为-10dB.3厅堂不能进行声音性的度量随着厅堂尺寸减少，主要的自由路径变短。这意味着在最初 的100ms内会潜在出现更多的反射声能，初始时间间隙变短， 反射能的上升沿改变。混响时间降低，但反射能级升高。这些反 射会用于改变基频谐波的相位关系并落入人声共振峰的范围。这 种情况下，人类神经会影响

11、声学距离的感知，并且声源会被视为 噪声（见图2）.笔者发现声学协会里的许多人都认为壳体会改善这 种情况。然而，当反射能级已经很高的时候，多余的反射能只会 使更多的能量聚图2降低了一个或两个因素维度的波士顿交响 音乐厅100ms激励下混响的建立和衰变集到最初的100ms并且 增加上升沿。混响时间会保持较短，房间的空间印象会变成主 导。如果一个具有这些声学属性的声学增强系统用在厅堂中，混 响级及延迟时间都会增强。结果，所有的关于厅堂的问题还是会存在，房间的空间印象会变为主导，同时伴随多余的混响延迟时 间。选择座位的标准是使持续激励下D/R比为-10dB.该音乐厅具有1s以内的混响时间，但声音浑浊没

12、有亲切感。在小的厅堂中使用电子建声建立起最佳的声品质需要充分 降低反射能量的幅度，以至于建筑声学在容积上和电子建声的融 合上保持大声学容积的感知度，这需要使用吸声处理来实现。可 能也需要在舞台细致地布置吸声材料来改善清晰度、定位和亲切 感（见图3）.而厅堂的尺寸增加了相反情况的发生概率。主要的自 由路径增加，在最初100ms内的反射数量减少，最初100ms内 能量的上升沿上升更加平缓，初始时间间隙也会随着几何尺寸而 增加。反射能幅度降低，且混响时间增加。保持住直达声的影响 对较大厅堂而言是种挑战，因为其声压级随距离每翻一倍而降低 6dB,因此D/R比在厅堂后部面临挑战。在声源附近使用电子声反射

13、器以保持声直达性，而来自内侧 阵列的多余直达声能会帮助降低声源的距离感知。使用统一布置 的吸声体来降低混响，使用电子建声来增加环境声场的幅度会帮 助重建亲切感知。图3为某250座厅堂的照片，舞台表面布置吸声，电子建声 扬声器隐蔽阵列构建包围感的混响场，而无需构建减少清晰度和 亲切感的反射。4系统组件声学增强系统只能为厅堂增加能量。他们不能解决声学问题 例如噪声侵扰、机械噪声、灯光噪声等等。有很多例子，目的是 要么增加环境声幅度或混响场，要么增加混响时间延迟，或两者 皆有。为了在低噪声环境和场合下功能最佳，电子组件必须具备高 品质，其本噪要足够低以不能增加环境的底噪为好。因为这些系 统利用了多个

14、输出通路，这些通路连接到多个扬声器，这对系统 透明度的感知而言非常重要。4.1扬声器商业化的扬声器主要分为两类-用于商业和专业场合的，以 及那些用于消费领域的。专业扬声器通常更适合覆盖某些频率段 并具有特别指向性-也就是术语指向性控制”这种扬声器一般 用来关注到达听众的声音，同时避免声音输出从环境表面反射。 虽然这对声音增强应用有好处，但对于电子建声而言性能不佳。 构建了指向性控制的波导带来了非统一性的功率响应。因此当听 众改变了位置获得的输出会随幅度而改变。相反，混响场的功率 响应大多数时候非常稳定。用于消费类Hi-Fi的扬声器通常不具 备指向性控制功能-然而，整个功率响应通常更趋向于轴向的

15、功 率响应。虽然这对其主要的应用有意义，而轴向和非轴向的功率 响应是不同的，要考虑到许多扬声器用于电子建声中。在扬声器 轴向上的听众同时会偏离相当大的设备阵列的轴向。因此，设备 偏离轴向的偏差对声音增强或消费类Hi-Fi应用可能不会带来麻 烦，却对电子建声影响很大。另一重要的因素是不存在万能的设 备，功率统一设计常常会带来灵敏度、尺寸和功率控制的牺牲。高天花板需要更大的输出功率，这需要设计用于功率统一传输的 大规格设备来提供。该需求对电子建声而言基本上是独特的。同 样对于挑台天花下部而言需要增加声能密度。在这里，操作设备 的同时保持低功率需求的能力对成本效益和功率效益系统而言 是关键。有例子表

16、明放大后的扬声器对该应用有意义-但这些非常 稀少，而且这些厅堂通常具有敞开的框架天花，且需要从根本上 一次又一次地重构系统阵列。然而在众多应用中，扬声器会永远 安装并隐藏于视线之外。在许多厅堂中，扬声器会先于永久性座 椅前安装在高的天花板上，很可能会使得后期接入变得困难。因 此，将功率放大器沿着必要的功率传输线加入永久性安装的扬声 器，以及在扬声器处会产生热量，这都不是好主意。在笔者一直 从事系统集成的二十五年多以来，见证了数量庞大的放大器类型 的兴衰。放置一个失败的放大器在机架上显然要比找个梯子从天 花板上拆除它容易得多。优秀的工程实践、高品质装备以及熟练 的套路能确保扬声器的长寿命。4.2

17、功率放大器笔者在可靠的开关模式功率供应器和D类功放出现之前就 已经开始做系统集成项目了。几乎所有早期使用了高质量专业级 功率放大器的系统仍然在使用那些设备。开关放大器的出现降低 了每通道的成本，减少了所需的机架空间，且减少了整个系统的 热量。对这些放大器进行功率评级通常是基于在所要评级功率点 的短期操作。笔者已经注意到当长期使用在功率水平下会带来功 率供应缺损，这样会大大低于要评级的峰值输出，输出会变得非 线性而没有出问题的征兆。这并不是对特定的一个或多个品牌的 指控，而是对该技术大致情况的观察-特别是当在一个单独箱体 中的多个放大通道由一个单独的功率供给器所供给时。使用具有 更高评级的功率放

18、大器通常会克服这个问题。4.3扬声器密度与声音增强系统不同，声学增强系统必须能够产生全频带信号且具 有全动态范围，这样会避免任何形式动态处理的使用。对那些具 有足够上部空间的系统而言，扬声器阵列必须能够获得比某一点 稍高的声级，在该点上直达声能量的释放不会掩蔽空间中的混响 声能。当该测量依赖于以下因素：如音乐形式和乐手数量时，实 验表明针对听众的增强系统应提供对所定义的覆盖面积的直达 声信号6dB以内的能量。例如，一般的厅堂，整个乐队在指挥处 可能产生120dB的声压级。在临界距离附近座位的最前面几排处， 反平方的直达声会跌落至接近108dB的声压级，减去掩蔽因子- 这超过所需要的102dB声

19、压级。如果扬声器阵列产生的声学信号 在2030ft高，这需要合适的功率来满足需求.扬声器阵列必须具有足够宽带的功率加和均匀度以将每个 设备变成非可定位性的直达声源。从实验中发现这需要阵列提供 宽带功率加和均匀度至少1.5dB.这比典型的声音增强应用的需 求更加严格。低天花板会获得更高的阵列密度，一般会产生更高 的功率需求。4.4传声器提到时变系统，不需要在传声器和扬声器之间对通道配置或 者空间，因此传声器会放置在非常靠近扬声器的位置而不会产生 由声学反馈造成的声染色。然而，在人类神经感知方面的研究证明了优先于直达声而降 低反射声会增强感知的声品质。笔者也开发了一款新的声学算法， 可产生具有优秀

20、声音清晰度的混响。结果是混响的更高比率使用 起来不会产生亲近感的感知。因此，最好是将传声器放置在离混 合声源足够近的位置。这不影响在祷告集会时使用传声器，或者 将传声器放置在体育场中的观众上方。反过来说，系统对于传声 器的摆放和类型提供了实质上无限的灵活性，以及应如何使用。 具有紧密配合的轴向和非轴向响应的指向性传声器的使用是另 一需要重点考虑的问题。这些传声器通常必须拾取宽敞空间的声 源而不会造成声染色。4.5系统集成近期最显着的进步之一是新处理平台的开发和应用于声学 算法和系统信息处理。另外，新的声学算法是基于笔者近期对声 音品质的人类感知研究而一步步开发出来的。该新系统 (E-Architecture)最多支持1024个音频通道，可被配置为点到点的 形式。这差不多是