FIR現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲應(yīng)用系列采用FIR處理器進(jìn)行音箱相位優(yōu)化示例
FIR濾波器應(yīng)用的步驟
音響師們必須集齊以上的軟硬件設(shè)備，才能完成整個(gè)優(yōu)化過程，一直以來這一整套軟硬件的成本可能高達(dá)數(shù)萬元，而熟練掌握這些軟硬件的操作，也需要很高的學(xué)習(xí)時(shí)間成本。這讓很多人對(duì)FIR處理技術(shù)望而生畏。
好消息是，技術(shù)的發(fā)展讓FIR的應(yīng)用越來越便利，市面上越來越多的軟件和硬件能夠完成以上工作。本系列文章將會(huì)展示用不同的軟硬件做FIR優(yōu)化的應(yīng)用實(shí)例。
作為系列文章的第一篇，我們從較為簡單便捷的FIR實(shí)現(xiàn)方式開始——采用Marani LPP480F處理器做音箱的相位優(yōu)化。
Marani LPP480F處理器
Marani品牌的線性相位處理器LPP480F，是市面上少有的一款集軟硬件于一體的FIR處理方案，在經(jīng)濟(jì)成本和學(xué)習(xí)成本上大大降低了FIR技術(shù)應(yīng)用的門檻。其處理器配套的PC軟件內(nèi)置的FIR wizard（FIR向?qū)В┠K，將脈沖響應(yīng)測(cè)量、優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定和FIR卷積生成等步驟集成到一個(gè)軟件模塊，并通過步步引導(dǎo)的方式，幫助用戶完成整個(gè)FIR優(yōu)化過程。我們將使用LPP480F來給不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱做相位優(yōu)化處理。
現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)OH系統(tǒng)的主擴(kuò)音箱和補(bǔ)聲音箱的分頻結(jié)構(gòu)通常不一樣。比如戶外的大型擴(kuò)聲系統(tǒng)，主擴(kuò)系統(tǒng)常選用雙12寸或更大尺寸的三分頻系統(tǒng)，而常吊掛在主線陣下方，用作下補(bǔ)聲的音箱，或者放在舞臺(tái)口做近場(chǎng)補(bǔ)聲的音箱，通常是尺寸較小的兩分頻系統(tǒng)，比如雙8寸兩分頻音箱。
典型大型擴(kuò)聲系統(tǒng)示意圖
對(duì)于采用模擬無源分頻或者數(shù)字IIR分頻的系統(tǒng)，分頻器的相位偏移，大致決定了音箱相位響應(yīng)曲線。下圖是三分頻、兩分頻和單分頻的全頻音箱的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。
三款不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱的相位響應(yīng)曲線做過系統(tǒng)調(diào)試的工程師，應(yīng)該都深有體會(huì)，要將這幾種不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱做相位耦合，并不是簡單的事情，往往需要用到極性、延時(shí)、分頻設(shè)置以及全通濾波器等多個(gè)手段結(jié)合使用，才能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)部分頻段的相位耦合。對(duì)于理論不扎實(shí)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)不足的工程師，很難熟練應(yīng)用這些手段，而且演出現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量環(huán)境比較復(fù)雜，工程師做系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間也很緊張，這讓不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱之間的相位耦合變得非常困難。
FIR線性相位處理器，給了音響師們實(shí)現(xiàn)音箱相位優(yōu)化的可能，且技術(shù)流程上比IIR處理器的步驟更為簡便。
需要明確的概念是，本文所演示的相位優(yōu)化，是對(duì)音箱初始相位的優(yōu)化。具體來說，是指單只音箱在近距離測(cè)試時(shí)的相位響應(yīng)。
由于FIR處理的時(shí)滯（Latency）和頻率精度的限制，用FIR做音箱單元的分頻，并不是首選。更好的方式是，先采用IIR濾波器做好音箱的分頻設(shè)置，再用FIR濾波器，針對(duì)音箱的相位曲線做優(yōu)化，使其在FIR有效工作頻率以上的相位曲線全部變?yōu)槠街薄?/p>
我們分別將3組不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱，接入到LPP480F的3個(gè)獨(dú)立通道，因此每個(gè)通道可以做獨(dú)立的FIR數(shù)字處理。測(cè)試系統(tǒng)的連接圖如下：
測(cè)量系統(tǒng)連接示意圖我們從三分頻音箱開始做優(yōu)化，打開第一通道的FIR Wizard(FIR 向?qū)?，根據(jù)提示連接好聲卡和測(cè)試話筒，在此之前，音箱已經(jīng)做好了基本的分頻、均衡調(diào)整以及各頻段之間的相位耦合。我們是在音箱出廠預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相位優(yōu)化！ 為了測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確，測(cè)量當(dāng)然最好是在消聲室環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)然這個(gè)條件對(duì)于絕大部分應(yīng)用工程師來說是不具備的。在沒有消聲室的情況下，有兩個(gè)比較實(shí)際的選擇：一是擺放測(cè)試話筒采用近場(chǎng)測(cè)量，話筒和被測(cè)音箱都盡可能遠(yuǎn)離地面、天花和墻面等反射面，比如在空曠的場(chǎng)地，將音箱和測(cè)試話筒都盡可能架高一點(diǎn)；二是采用界面法，將測(cè)試話筒和待測(cè)音箱都置于強(qiáng)反射的地面上，同時(shí)音箱和話筒都盡可能遠(yuǎn)離地面以外的其它反射面（如墻面）。通過這兩種方法，測(cè)試話筒拾取的信號(hào)直達(dá)聲比例較高，而反射聲較低，意味著測(cè)量信噪比較高。
另外，應(yīng)該注意，這里所說的“近場(chǎng)測(cè)試”并不是提倡測(cè)試話筒離音箱越近越好，也不一定是某些參數(shù)指標(biāo)測(cè)量時(shí)要求的1m的距離。實(shí)際操作中，測(cè)試話筒建議放在音箱最大尺寸的3倍距離左右的軸線上，如果受到反射界面的影響，可以適當(dāng)將話筒擺近。
LPP480 FIR-wizard 脈沖響應(yīng)測(cè)量界面
首先測(cè)量三分頻音箱的脈沖響應(yīng)，獲取脈沖響應(yīng)后，選擇時(shí)間窗的長度，時(shí)間窗的長度設(shè)置也會(huì)影響到FIR處理的頻率下限。我們這里設(shè)定為5ms，然后設(shè)定優(yōu)化的對(duì)象，由于我們只是做相位優(yōu)化，所有這里勾選Phase Only，選擇優(yōu)化頻率為250Hz - 20000Hz，點(diǎn)擊Calculate FIR，生成FIR 卷積文件，然后保存FIR文件至處理器；
LPP480 FIR-wizard FIR卷積生成界面
做過相位優(yōu)化后的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)
由于FIR Wizard測(cè)量的曲線圖的X/Y軸的標(biāo)尺及曲線平滑選項(xiàng)和平時(shí)較為習(xí)慣的Smaart軟件有些差別，因此我們用Smaart 軟件再次測(cè)量驗(yàn)證，并做優(yōu)化前后的對(duì)比，方便觀察。
三分頻音箱FIR優(yōu)化前后頻率響應(yīng)對(duì)比
兩分頻音箱FIR優(yōu)化前后頻率相應(yīng)對(duì)比
單分頻音箱FIR優(yōu)化前后頻率相應(yīng)對(duì)比
按照同樣的步驟和方法，我們?cè)賹?duì)三分頻、兩分頻和單分頻的音箱都做好相位優(yōu)化，3款音箱經(jīng)過優(yōu)化后的頻率響應(yīng)圖如下：
三款音箱做FIR優(yōu)化前和優(yōu)化后的頻率響應(yīng)對(duì)比
可以看到，在FIR的設(shè)定處理頻率之上，即250Hz-20000Hz，三款音箱的相位幾乎是在0°附近的一條直線，在250Hz之下的頻段，相位響應(yīng)有少許差別，經(jīng)過調(diào)整分頻點(diǎn)濾波器的參數(shù)（濾波器類型和斜率）后，使得幾款音箱在低頻的相位盡可能接近。經(jīng)過優(yōu)化后，三款不同分頻結(jié)構(gòu)的音箱的相位響應(yīng)在全頻段幾乎一致，相差在30°之內(nèi)。由于我們沒有對(duì)幅度響應(yīng)作優(yōu)化，因此優(yōu)化前后幅度響應(yīng)沒有變化。
關(guān)于FIR處理的時(shí)滯，LPP480F的采樣率為96kHz，F(xiàn)IR的Taps為1024，根據(jù)時(shí)滯計(jì)算公式可得
L=N/fs/2=10.66/2=5.33 ms，實(shí)測(cè)的時(shí)滯為約5.4ms，這對(duì)于主擴(kuò)聲系統(tǒng)來說是可以接受的。
經(jīng)過初始相位優(yōu)化之后的幾款音箱，具有一致的相位響應(yīng)，當(dāng)在同一個(gè)大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中同時(shí)用到這幾款音箱時(shí)，一般只需要通過對(duì)齊延時(shí)這一種方式，就可快速實(shí)現(xiàn)全頻段的相位耦合。這對(duì)于擴(kuò)聲系統(tǒng)調(diào)試來說，無疑提供了巨大的便利。