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[技术教程] 家庭影院超低音布局和最佳WAVEFORMING性能指南分享

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发表于 2023年08月21日 14:16 4962 0 来源:家庭影院> 技术教程 回帖奖励 |倒序浏览 |

大雁南飞 帖主

2023-8-21 14:16

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理想的家庭影院音响系统必须确保整个聆听区域具有平坦且均匀的声学响应。实现这一目标的主要挑战在于控制超低频(低于 100Hz 左右)的声场。这些频率下的声场很大程度上受房间的模态行为支配,模态最大值和最小值,令整个听音区域的声压之间引入巨大差异。此外,这些房间模式的许多反射和较长的衰减时间,掩盖了原本可以体验和享受的大量动态和细节。
传统的无源解决方案需要大量吸收才能在低频下有效,不仅材料昂贵,而且占地面积较大且昂贵。其他方法(例如低音陷阱)通常仅在特定频率下有效,并且作为宽频解决方案是不切实际的。因此,传统的低频被动声学处理本身不足以满足家庭影院的需要。
针对这一现实,许多家庭影院专家除了被动处理之外,还采用了多个超低音布置。存在着各种旨在打破模式的安排。我们的研究表明,一些方法确实可以减轻房间模式的影响,但不能解决根本原因(波干扰),从而产生不必要的副作用,同时无法解决整个问题。
双低音阵列(DBA)是个例外。传统的DBA方法,顾名思义,使用两个超低音阵列:一个位于前墙上(发射阵列),另一个位于后墙上(吸收阵列)。发射阵列产生平面波,以减少房间内侧壁、天花板和地板反射的干扰量。然后,吸收阵列尝试用相同的信号消除后墙反射,通过反相并延迟声音在房间传播时所需的时间。
然而,这种方法仅在理想条件下才能提供良好的结果,而在实践中很难实现。很多时候,墙壁的反射率不足以产生良好的平面波。此外,到达后墙的声波在沿房间长度传播时发生了变化,因为墙壁不够坚硬或平行,无法正确引导声波……最后,声波遇到家具、立管、分层座椅时,其性质会发生变化,到达后墙的波与离开前墙的波不一样,并且不能被有效地抵消。如果不匹配,杂散能量就会被引入房间。
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Trinnov的WaveForming™克服了现有解决方案的局限性,为控制超低频声场提供了更有效、更通用的工具。

下面给出了WaveForming的关键理论以及充分利用该技术的指南和建议
波形是一种强大而灵活的工具。然而,无论信号处理的复杂程度,物理规则仍然适用。
具体来说,有两个因素决定了任何给定房间的建议超低音数量:
1、前后墙的尺寸,可以理解的是,较大的房间比较小的房间需要更多的超低音;
2. 您希望控制的最高频率,频率越高意味着波长越短,这反过来又需要超低音的间距更近,以保持对平面波形成的控制;
请注意,本文档讨论了超低音的数量及其建议的放置位置,以最大限度发挥波形的性能。它不包括有关要使用的超低音类型的建议,也不包括每个超低音的任何推荐技术规格。本文档也不包括根据每个超低音的能力计算WaveForming™系统声压级的方法。这些建议将在稍后以单独的实施文件形式提出。
现阶段最好的建议:
●  每个阵列中使用相同的超低音;
●  为前后阵列指定具有相同频宽的超低音;
●  后阵列可能包含功率处理能力低于前超低音的超低音。

二、使用WAVEFORMING™对低频声波进行高级控制
下图(图1)描述了WaveForming的工作原理,它包括两个主要步骤。
1、第一步,评估围绕和整个听音区域体积内的声场。此步骤的目标是检索有关房间模态行为的必要信息(以及房间中对象引入的任何变化),以便算法可以消除这些不必要的贡献。这是通过在整个听音区域的麦克风位置三维网格中对声场进行采样来实现的(图1中的蓝色虚线矩形)。
2、根据上一步中测量的声场,波形处理器计算要应用于系统每个超低音的滤波器,并应用这些滤波器来消除房间的模态特征。应用到发射器的滤波器可确保在聆听区域内生成紧密、均匀的波前,而应用到所有超低音(包括前超低音阵列和后超低音阵列)的滤波器共同吸收大部分房间反射和共振(模式)。
由于其复杂性和适应不同约束(例如不规则超低音布局)的能力,WaveForming的处理提供了前所未有的性能。
复杂:WaveForming结合了“声学重塑”“波前合成”“多源多控制器优化”等多种先进独特技术,为每个超低音合成特定的滤波器,使整个系统工作起来像一个理想化的超低音。波形最大限度地提高了整个聆听区域的时间、空间和频率上的均匀性。这些复杂的滤波器克服了简单增益和延迟滤波器的局限性。
适应性强:这些滤波器根据测量场计算得出,可适应每个房间的物理特性,包括每面墙壁以及房间内任何物体的确切形状和声学特性。它再次产生比简单增益和延迟滤波器更有效的滤波器,因为它们适应影响聆听区域性能的特定因素。即使在非理想房间几何形状等具有挑战性的条件下,这种强大的分析也能实现更稳健、更高效的声场控制。
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图1 DBA(左)与WaveForming(右)的工作原理

三、空间采样指南
当使用麦克风对声场进行采样时,以下准则对于获得良好的性能至关重要。
前端阵列与测量区域之间的距离应至少为2m。
测量区域与其余墙壁和天花板之间的距离应至少为1m。
测量网格应至少有2个水平面,第一个平面距地板1m(典型聆听者耳朵高度)。
任何两个相邻麦克风位置之间的最大距离应为1m,以便声场在100Hz左右的频率下具有明确特征。
在测量过程中,这些麦克风的放置精度非常重要,因为波形算法需要对整个聆听区域的三维场有清晰的“理解”。当波沿着房间的长度传播时,房间中的物体甚至房间本身都会引起波的变化。这些变化需要记录下来。

四、确定超低音的数量和位置
在考虑将WaveForming融入房间设计时,每个人首先想到的问题是:
1、  我需要多少个超低音?
2、  我如何将它们放置在房间里?
答案很大程度上取决于两个参数:
您房间的大小(特别是前墙和后墙的尺寸);
您希望(或需要)控制的最高频率。
相当直观的是,较大的房间可能需要更多的超低音。但墙上超低音的密度决定了可以创建干净、平面波前的最高频率。在做出明智的决定之前,必须先确定这两个参数。
我们将以相反的顺序解决这两个问题。我们相信,一旦您更好地了解不同的可能布局以及我们在超低音放置方面的灵活性,您会发现更容易了解超低音的必要数量。

五、超低音布局指南
本节提供了最佳超低音定位的建议。这些建议源自涉及数值模拟、实验和理论分析的广泛研究。所有实验数据都是使用特定的麦克风阵列开发的,该阵列遵循先前描述的声场空间采样指南。以下有关超低音定位的建议源自这些数据和空间采样指南。
这些布局采用N_f-N_r形式的命名法,表示前发射阵列中超低音的数量和后吸音阵列中超低音的数量。
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图2 4-4常规布局(左、顶视图)和发射器墙及其图像源(右、前视图)

A、常规布局:常规位置
如上图(图 2)所示,超低音的理想间距是这样划分的:超低音与相邻房间表面(墙壁、天花板或地板)之间的空间是其与相邻超低音之间空间的一半。这种间距确保了这些房间表面引起的反射能量充当“虚拟超低音”,与相邻的实际超低音之间的间距相等。理想情况下,该间距在水平和垂直方向上都适用。墙的宽度(“a”)除以沿房间宽度方向的超低音数量,墙的高度(“b”)除以沿房间高度方向的超低音数量(在不同的房间中,您可能有一个水平和垂直的3×2 阵列,需要“a/3”和“b/2”作为间距),我们称之为“常规布局”
因此,在常规布局中,超低音的水平和垂直间距都保持一致(包括那些充当“虚拟”超低音的反射)。因此,阵列边缘的超低音与相邻墙壁之间的距离必须是两个相邻超低音阵列之间距离的一半。同样,“边缘”超低音与相邻天花板或地板之间的距离必须是相邻两排超低音之间距离的一半。
因此,如果房间宽度为A,并且有C列超低音,则相邻两列之间的距离为a/C,侧超低音到相邻墙壁的距离为a/2C。同样,对于高度为b和R的行,相邻两行之间的距离为b/R,下/上行到地板/天花板的距离为b/2R。
请注意,使用WaveForming时,前发射超低音的数量不必等于后吸音超低音的数量。两个阵列具有相同尺寸和超低音数量的特殊布局称为双低音阵列(DBA)。图2显示了宽度为a、高度为b的房间内具有2×2阵列的4-4规则布局。

B、理想布局:理想的超低音数量
超低音之间的间距决定了可以作为平面波有效控制的频率上限。这是因为较高的频率具有较短的波长,并且在该波长的特定部分内发射的超低音彼此之间存在距离,以便平面波形成良好地工作(不存在可以欺骗物理定律的行为)。
理想的布局是规则布局,其中阵列具有相同的尺寸。在这种布局中,超低音行和列的位置分别由房间的高度和宽度决定。此外,两个超低音之间的距离决定了优化的频宽。因此,对于任何给定大小的房间,行数和列数决定了受控频宽的上限。
图3和下面的计算器给出了给定宽度和高度、典型频宽高达100Hz理想布局下的行数和列数。请注意,由于我们建议对连续输入(墙壁的尺寸)使用离散输出(超低音的数量),因此房间尺寸的所有组合频宽都不相同。因此,当至少一个尺寸在限制的15cm范围内时,计算器会发出警告,如图3中的灰色区域所示。
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图3 房间宽度和高度方面的推荐布局
“理想”的布局赋予了WaveForming的最佳性能。也就是说,具有建议数量的超低音(请参阅第4章节)以及相同数量的前后超低音,并且全部位于常规位置(请参阅第5章节)。然而,如前所述,WaveForming的复杂性和适应性使其能够支持多种布局,同时保持高水平的性能。简而言之,它容忍与“理想”布局的偏离。

减少超低音数量:如果需要,可以减少理想布局的超低音数量,特别是后部超低音(仅吸音器)。虽然这可能会影响结果,但在所有情况下都有望获得良好的性能。最好减少后部超低音的数量,而不是减少前阵列中超低音的数量,因为性能损失最小。

支持非对称阵列:使用波形技术,前后阵列不需要匹配,只要它们保持规则即可。在这种情况下,首选场景是后阵列的超低音数量少于前阵列。使用较少的后超低音不会显著改变整体性能,而使用较少的前置超低音则会显著改变整体性能。这是前置超低音更重要这一事实的一个简单结果:它们除了是吸收器之外,还是发射器。后置超低音较少的非对称阵列有两种用途:首先,它是在保持高水平性能的同时减少超低音数量的有效方法;其次,这是让给定数量的超低音获得最佳性能的好方法。例如,有6个超低音,4-2布局通常比3-3布局提供更高的整体性能。对于8个超低音,6-2布局通常会比4-4布局提供更高的性能。这是一个更普遍的趋势,而不是绝对规则,因为每种情况都取决于具体的房间比例。

支持不规则布局:阵列内一定量的超低音位移是可以容忍的,有时甚至是推荐的,例如将3个超低音放置在不规则的三角形布局中。当超低音放置选项受到物理限制(例如必须在屏幕扬声器周围工作)时,这种“回旋空间”非常有价值。(有关位移建议,请参阅D章节。)
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图1b DBA(左)与具有不对称、不规则布局WaveForming(右)的工作原理

C、减少超低音数量和性能
回想一下,任何给定房间超低音的最佳数量由两个因素决定:房间的大小和您希望控制的上限频率。可以理解的是,较大的房间需要更多的超低音来进行控制和输出。但是,对于任何给定的房间大小,超低音之间的间距决定了Waveforming创建平面波能力的上限。
以下部分提供了减少和/或更换超低音的一般准则以及相应的性能水平。
深绿色对应最大性能。
较浅的绿色表示性能可能会有所下降。
最浅的绿色是推荐的最低WaveForming实施方式。
然而,所有列出的布局都保证了最低的满意阈值。
2-2理想布局
这是两个1×2阵列的常规布局(例如,每面墙上一排两个超低音)。由于它已经是最少数量的超低音了,所以无法再减少。
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3-3理想布局
这是两个1×3阵列的常规布局(例如,每面墙上一排三个超低音)。它允许将超低音的数量减少一个。
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为了简化布局,超低音放置在常规位置(参见4章节)。
4-4理想布局
这是两个2×2阵列的常规布局(例如,每面墙上有两行两列,各有两个子阵列)。它允许将超低音数量减少两个。
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对于简化布局,超低音应放置在常规位置(参见4章节)。如果天花板太高而只放置一排超低音,而房间又太窄无法放置三列超低音时,则减少到4-2比减少到3-3更可取。
6-6理想布局
这是两个2×3阵列的常规布局(例如,每面墙上有两行三个子阵列和两列两个子阵列)。它允许将超低音的数量从12个减少到8个。
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在情况6-4和5-4中,四个吸收器应放置在常规位置(见4章节)。然而,房间足够宽,需要三排超低音,而天花板又足够低,无法保证良好的处理性能,这种情况并不常见。因此,当一面墙上需要放置3或5个超低音时,我们建议按如下方式放置它们(见图4).
3个超低音(不规则三角形布局):1个超低音位于宽度的1/2和高度的1/4(距离地板),另外两个位于宽度的1/6和5/6以及高度的3/4高度(距离地板)。
5个超低音(不规则梯形布局):2个超低音,分别位于宽度的1/4和3/4、高度的1/4(距离地板)以及3个超低音,分别位于高度的1/6、1/2和5/6宽度和高度(从地板算起)的3/4。
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图4 3个超低音和5个超低音的不规则布局

D、更换超低音指南
所有布局的通用准则:
1、通常,将超低音移开比让它们彼此靠近更可取,最糟糕的情况是所有超低音都相邻(相当于只有一个声源);
2、我们建议至少尊重一个常规位置坐标,换句话说,从常规位置的位移应该在水平或垂直方向上执行,但优选地不同时在两个方向上执行。
※  在本节的其余部分中,水平位移以房间宽度的百分比形式给出,垂直位移以房间高度的百分比形式给出。
2-2布局的特殊情况
●  应避免在水平方向同时移动发射器和吸收器。当发射器或吸收器保持在其常规水平位置时,可以获得最佳性能。
●  发射器和吸收器可在垂直方向同时位移,但位移不超过10%。
3-3布局的特殊情况
如果仅移动中心发射器:
●  水平:15%(图5)
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图5 水平移动中心发射器
●  垂直:30%(图6)
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图6 垂直移动中心发射器
形成三角形或对角线比将所有子垂直移动相同的量更好。
●  如果所有发射器垂直移动:
如果所有超低音向上或向下移动,则为+/- 5%(图 7)
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图7 垂直移动所有3个发射器
●  如果它们形成三角形,则为+/-15%(图 8)
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图8 垂直移动所有3个发射器(三角形布局)
●  如果它们形成对角线,则为 +/- 20%(图 9)
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图9 垂直移动侧面发射器(对角线布局)
●  如果所有吸收器都垂直移动,则限制更加灵活。
如果所有超低音向上或向下移动,则为+/-10%
如果它们形成三角形,则为+/- 30%
如果它们形成对角线,则为+/- 30%

3-2布局的特殊情况
●  如果仅移动中心发射器:
水平:+/-15%
垂直:+/-30%
●  如果所有发射器垂直移动:
如果所有超低音向上或向下移动,则为+/- 15%
如果它们形成三角形,则为+/- 20%
如果它们形成对角线,则为+/- 20%
●  如果两个吸收器垂直移动:
如果所有超低音向上或向下移动,则为+/- 10%
如果它们形成对角线,则为+/- 20%

4-4布局的特殊情况
●  如果发射器移动(水平或垂直):+/-10%(图10和11)
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图10 水平移动所有4个发射器

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图11 垂直移动所有4个发射器
●  如果吸收器移动(水平或垂直):+/-15%
优选的是,将超低音移动得彼此远离,而不是使它们彼此靠近或将它们全部沿一个方向移动。
●  如果聆听区域距离天花板足够远(换句话说,如果采样区距离地板比距离天花板更近),则首选将超低音移至梯形布局。※(图 12)
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图12 水平移动所有4个发射器(梯形布局)
※  也就是说,将顶部超低音移开,使底部超低音相互靠近,反之亦然。

六、结论
Trinnov于20年前成立,致力于对人类如何感知复杂的三维声场进行基础研究。许多早期研究都围绕着在音乐会场地等场所捕获此类声场的可能性,着眼于在更小的房间(如您家中)再现相同的声场。事实上,我们的优化器技术是早期研究的直接结果。
然而,关于低频及其与这些小房间(即住宅大小的房间,而不是音乐厅或体育场馆)的相互作用,还有很多东西需要学习。尽管许多科学家和工程师都在研究这个问题,但大部分工作都找到了缓解这些频率下发现问题的方法。
我们着手了解是否有办法消除这些同样的担忧。
在我们的研究过程中,我们深入了解了小房间中低频的复杂工作原理。我们预计可能需要五年甚至十年的时间才能实施该研究产生的技术。简而言之,还有更多的事情要做。
然而,我们期望我们所学的最高、最好的实现总是与传统的双低音阵列(DBA)有一些相似之处。WaveForming通过在其复杂算法中引入大量嵌入式“智能”,使此类设计变得更加灵活和有效。因此,我们决定首先引入WaveForming的最佳实施方式:我们希望通过这个长达数年的研究项目来展示现在的可能性。
这只是WaveForming技术发布的开始。我们计划扩大我们所学到的功能范围,包括适用于这些前置和后置低音阵列以及其他要求较低的系统设计的新功能。我们独特的硬件平台使强大的、基于PC的信号处理成为可能,使我们能够通过简单的软件更新来开发和向客户提供这些功能,从而验证了我们多年前决定走少有人走的路。
我们希望您发现这份简短的白皮书既有趣又具有教育意义。我们期待帮助人们发现低频动态和细节的世界,当您消除低音反射的刺耳声音以及由此产生的、通常主导家庭低频再现的模态问题时,就会发现这些细节。

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