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[低音炮] 分享正确管理家庭影院低音的必要性

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发表于 2024年12月24日 23:04 2208 3 来源:家庭影院音频> 低音炮 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |

香蕉巴拉 帖主

2024-12-24 23:04

虽然这篇文章很快就变得技术性很强,但它面向的是音频爱好者和专业人士。它试图回答什么是低音管理,为什么它有用,描述了常见问题和陷阱,以及它如何与其他音频再现方面相互联系,以及未来如何改进。

低音管理的必要性
当涉及到忠实的低频再现时,99%的音箱都无法胜任这项任务,即使是非常昂贵的音箱。什么?!不幸的是,这是残酷的事实,原因是物理学和我们的听觉工作原理。
即使是CD时代的老研究也发现,录音包含低至12.5赫兹的低频[1]。如今,低频内容无处不在。为了再现这些内容,它需要比听觉阈值更响亮。在低频下,这个阈值非常高。例如,一个10赫兹的音调需要在大约100分贝声压级(SPL)下播放才能被听到。有人以100分贝对你大喊大叫,会让你想要捂住耳朵。这种差异的原因是我们的听觉非线性行为。
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图1 在混响场条件下纯音的听觉阈值

那么这对一个真正的音箱意味着什么呢?Fielder/Benjamin为20赫兹的100分贝峰值水平能力做了计算[1]。注意,这比电影参考水平的105分贝SPL(声压级)要求低5分贝。他们发现一个12英寸的驱动器需要在不产生可听失真的情况下移动13.5毫米。这是很多的。
谈到电影参考水平,LFE频道的峰值水平甚至比其他频道高10分贝(因为在混音过程中,LFE频道比其他频道监控得更响10分贝)。这转化为115分贝SPL峰值水平能力。即使在过去几十年中音箱驱动器设计取得了相当大的进步,这也使得大多数音箱无法提供那种性能。
在家中的听音水平通常比电影参考水平低10分贝或更多,但这并不一定降低了音箱的性能要求,因为补偿等响度需要在低频处大幅度提升,房间均衡也是如此。
解决这个问题的一个方法是使用一个专门建造的音箱,它可以处理低频再现的性能要求。“低音炮”的概念诞生了。
现在我们如何将所有低频重定向到那个低音炮,以便主音箱不再需要那么辛苦地工作呢?所有频道的低频内容需要被剥离并汇总到一个单一的频道,即低音炮频道。这可以通过使用分频器来实现,即分割一个频道的信号,应用低通和高通滤波器,并将结果发送到相应的输出,主音箱和低音炮。
通常,环绕声处理器(SSP)提供将音箱设置为“大”或“小”的选项。“小”简单地意味着“分频器开启”,而“大”意味着“分频器关闭”。
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图2 基本低音管理方案

心理声学研究表明,我们的听觉无法在声学小房间中定位低频声源[2]。这对大约60-80赫兹以下的频率来说是正确的。首先,这消除了立体声低音炮的需要,其次,它允许我们在房间里的任何地方放置低音炮。但我们为什么要这么做呢?原因是“模态共鸣”。
在房间里,声波相互叠加,导致固定位置的音量增加,而在其他位置音量减少。虽然在更高频率下有成千上万的模式,但在低频下模式较少,它们在频率上的间隔也更远。根据你坐的位置,一些低频听起来更响,衰减更慢,而在其他频率下低音似乎缺失。
通过在正确的位置放置低音炮,可以大大减少模态共鸣的不利影响[3]。

但为什么要止步于此,只使用一个低音炮,当低音管理的单声道低音炮信号可以发送到多个低音炮时?这确实是一个好主意,因为将多个低音炮放置在正确的位置可以平滑响应,减少在更大听音区域内的座位间差异,并增加SPL能力[4]。对于有多个座位的家庭影院来说,这是非常有益的。

设计注意事项
1、直到今天,SSP实现的高通和低通滤波器有不同的斜率。卫星音箱上的高通通常是12分贝/八度的滤波器,而低通是一个更陡的24分贝/八度滤波器。理由是卫星音箱自然在12分贝/八度处滚降,因此低音管理滤波器的额外12分贝/八度使其达到24分贝/八度,并与低音炮的24分贝/八度低通滤波器相匹配。
这里有两个问题。首先,真正的音箱并不足够接近滚降假设(尽管过去的THX认证音箱确实如此)。其次,我们在低频听到的不是音箱的消声响应,而主要是房间的响应。差异非常明显。
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图3 音箱低频驱动器的近场(准消声)响应(红色)与聆听位置(距离扬声器 4 米)整个扬声器的室内响应(蓝色),1/24 平滑
通常使用巴特沃斯滤波器。这里的问题是,这些滤波器不会叠加成平坦,而是在交叉频率附近产生3分贝的凸起。更好的选择是4阶林克维茨-莱利滤波器(LR-4),它们是通过级联两个巴特沃斯滤波器创建的。它们具有平坦的总和,尽管低通部分被延迟了360度。
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图4 100Hz 分频器与 24dB/倍频程 Butterworth(上曲线)和 24dB/倍频程 Linkwitz-Riley(下曲线)的汇总

2、通常在多通道配置中使用不同的音箱型号。根据它们在房间中的位置,滚降频率可能差异很大。因此,大多数SSP提供每个音箱对的可变分频频率。这产生了两个问题。首先,相邻音箱通道之间的相位关系被扰乱。这导致在这两个音箱之间平移声音时产生幅度响应失真。其次,改变的相位响应导致在交叉区域用类似内容驱动时,低音炮通道出现梳状滤波效应。
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图5 60赫兹和120赫兹LR-4交叉的相邻音箱通道之间的幅度响应失真

当所有音箱使用相同的分频频率时,可以避免这些梳状滤波问题。为了达到这个目的,可能需要付出相当大的努力来找到合适的音箱和音箱位置。它可能还需要声学处理,这些处理在低频下相当笨重,甚至是墙壁结构的一部分。

3、低音管理通常允许大型和小型音箱的混合。这意味着小型音箱信号的相位被改变,但大型音箱信号的相位没有改变。当组合时,会在总信号响应中产生抵消效应。
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图6 大型和小型音箱通道之间的幅度响应失真,应用了120赫兹LR-4高通

4、将所有通道的低频部分混音到一个低音炮通道,并与10分贝更响的LFE通道结合,可能会对SSP的信噪比(SNR)产生巨大影响。
假设一个7.1系统。这里最坏的情况是所有7个通道和LFE包含一个相干的全量程信号。应用于每个卫星音箱通道的105分贝SPL电影参考水平和115分贝SPL的LFE通道,结果是125分贝SPL(7 x 105分贝 + 115分贝)。为了满足这个余量要求,所有进入低音炮通道的低音信号水平需要在DAC中减少高达20分贝。虽然这是很多,但SNR的损失并没有像低音炮在更高频率下的响应显著滚降那样对听觉影响大,这降低了DAC和模拟输出阶段的噪声地板中的嘶嘶声。此外,由于听觉灵敏度较低,我们在低频下听到噪声的能力降低了,如图1所示。

5、因为低音管理“断开”了一个频道的高和低频率,所以在信号流中额外处理步骤的执行点变得重要。许多错误的实现已经进入了SSP。以下是一些例子。
在低音管理上游应用音箱距离设置:
来自非等距音箱的声音到达主听音位置的时间不同。这导致了成像问题。通过延迟更近的音箱,可以消除到达时间的差异。正确的成像得以恢复。
如果这个延迟在低音管理上游应用,它将导致进入低音炮的重定向低频信号产生强烈的抵消效应。通过将音箱延迟放在低音管理下游,可以避免这个问题。
音调控制在低频管理中的应用:
录音中的音调平衡可能存在较大差异,尤其是在低频方面。这主要是由于混音室低频房间响应的不一致性所致。此外,由于我们的听觉是非线性的,当整体音量降低时,低频的感知水平下降速度比高频更快。通过简单调整低频音量即可恢复音调平衡,因此,具备随时调整低音音调的控制是一个很好的设计。
将这种控制应用于低频管理的下游会影响仅进入卫星扬声器的信号,而不会影响到低音炮通道。因此,音调控制应该应用于低音管理的上游。
在低频管理下游应用的声道音量控制:
有时前置扬声器和环绕声扬声器之间存在不平衡,或者中央声道中的音频太低。在这种情况下,扬声器音量控制就非常有用。
几乎每个环绕声处理器(SSP)都提供了扬声器声道微调功能,用于处理这种情况。不幸的是,这会导致重定向到低音炮的低频内容不受影响。
正确的操作方法是在低音管理的上游应用独立的声道音量控制,而不是在下游。
总的来说,所有与单个声道相关的处理都应该在低音管理的上游进行。而所有与单个扬声器相关的处理则应在低音管理的下游进行。

低音管理方案:
1、没有低音炮
在这种设置中,低频效果(LFE)被引导至左右扬声器。这并非理想的设置,因为左右扬声器可能无法提供所需的低频响应。此外,这些扬声器通常放置在优化成像效果的位置,而非获得最佳低频响应的位置。由于响应取决于哪个或哪些扬声器再现低频声音,因此会出现较大差异。这完全取决于录音本身。
这种方案允许将其他扬声器设置为小,这会导致来自这些扬声器的所有低频内容都被传送至左右扬声器,可能会使它们负担过重。尽管这减少了独立的低频源数量,但低频响应仍会因内容而异。声音可能出现在左声道、右声道或它们的任何组合中,包括任何已设置为大的扬声器。此外,未经滤波通道与经过低通/高通滤波的通道相加会产生相互抵消的效果,这是不可取的。
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图:无低音炮的低音管理

2、配备低音炮的大型设备
当所有扬声器音量调至最大时,低音炮只接收低频效果(LFE)信号。这种设置符合电影混音和监控的标准方式。虽然有人可能认为这样更接近原始声音,但大多数电影内容在分发到广播、互联网流媒体或蓝光之前都经过了低音管理混音,因此并非直接从电影院传输到家庭影院。
这种方案通常允许将左右扬声器以外的其他扬声器设置为小,即这些扬声器的所有低频内容都被传送至低音炮。尽管现在可以对这些通道进行优化,但仍然存在信号只在一个设置为大的扬声器中、或在任何一个大扬声器组合中的情况。与前文相似,这完全取决于录音内容,因此低频响应将变得难以预测。此外,未经过滤通道与经过低通/高通滤波通道相加会产生相消效果。
许多环绕声处理器(SSP)都具有一种功能,称为“低音提琴”、“LFE + 主扬声器”或类似功能。通过这种功能,来自设置为小的扬声器的低频内容不仅被传送至低音炮,还会被传送至左右扬声器。尽管后续将会看到,混合重定向的低频内容回到扬声器通道实际上可能是有用的,但在这种情况下会导致左右扬声器过载,并根据录制内容产生无法预测的低频响应。这是不可取的。
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图:低音管理,配备低音炮和设置为大的扬声器

3、所有小型设备均配备低音炮
这是最理想的配置。低音炮可以自由放置以获得最佳性能。此外,低频性能与录制内容无关。无论哪个通道或通道组合包含低频信号,低音炮信号都将得到优化。
将未滤通和经低通/高通滤波的通道相加不会产生相消效果。如果所有扬声器都能保持相同的交叉频率,那么就不会出现相位问题。
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图:配备小型低音炮和设置为小的扬声器的低音管理

4、小型设备配备虚拟低音炮
部分扬声器配备有大型低音扬声器,甚至内置低音炮。它们可能具备所需的性能,但它们的位置设置是为了获得最佳成像,而非最佳低频再现。然而,如果房间中有5个、7个甚至更多这样的扬声器,并且经过适当优化,可能会显著改善低频性能。
要实现这一点,所有扬声器都需要像单个低音炮一样运作,即它们需要同时接收单声道低音炮信号。这可以通过应用通常的“所有扬声器配备低音炮”方案来实现。但与前述不同的是,此次低音炮信号并非被传送至独立的低音炮,而是会混合回各个扬声器信号中。
不幸的是,目前市场上还没有环绕声处理器能够支持这种处理。
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图:使用虚拟低音炮和设置为小的扬声器的低音管理
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虫马虫义sjz 2

2024-12-25 09:25

滤波器的选择那有点启发
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cqcyganzj 3

2024-12-25 12:18

太专业,整不太明白
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小落叶 4

2024-12-25 22:22

虫马虫义sjz 发表于 2024-12-25 09:25
滤波器的选择那有点启发

同有感悟,有啥想法
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