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超低音音箱和全頻音箱之間如何校準(zhǔn)？

發(fā)布日期：2016-04-11

經(jīng)常聽(tīng)人問(wèn)起“如何對(duì)超低音音箱和全頻音箱之間進(jìn)行校準(zhǔn)？”。就這個(gè)問(wèn)題深入研究一下，看看能否得出一個(gè)滿(mǎn)意的答案。用超低音音箱來(lái)補(bǔ)充全頻系統(tǒng)的低頻下限，具體說(shuō)來(lái)有三個(gè)方面的主要因素。

．超低音和全頻系統(tǒng)的帶寬關(guān)系（分頻）

．超低音和全頻系統(tǒng)的輸出聲壓級(jí)關(guān)系（增益）

．超低音和全頻系統(tǒng)的信號(hào)到達(dá)時(shí)間關(guān)系（延遲）

最后一項(xiàng)可能是難度最大的，所以我們就先來(lái)研究一下。同時(shí)我們也要簡(jiǎn)單了解一下分頻方面的問(wèn)題，解決了這兩項(xiàng)，剩下的增益問(wèn)題就不是什么大問(wèn)題了。

音箱本身是一種帶通設(shè)備。因此，為了簡(jiǎn)化測(cè)量且便于觀(guān)察圖像，筆者將采用高通和低通濾波器來(lái)代替實(shí)際的音箱。這樣得到的結(jié)果也基本上貼合實(shí)際情況，只不過(guò)這樣的仿真測(cè)試中無(wú)法加入實(shí)際的測(cè)量話(huà)筒，因此也就無(wú)法仿真出話(huà)筒測(cè)試位置變化帶來(lái)的影響。但是考慮到測(cè)試話(huà)筒位置改變?cè)斐傻挠绊懼饕绊懙降氖且粝渲赶蛐员容^明顯的高頻部分，而音箱在低頻段表現(xiàn)出的基本上是全指向特性，測(cè)試話(huà)筒位置不同造成的影響不大，所以測(cè)試話(huà)筒位置的問(wèn)題就不足為慮了。

另外一個(gè)受測(cè)試話(huà)筒位置影響的因素是，不同話(huà)筒位置會(huì)導(dǎo)致兩組待測(cè)音箱（低音和全頻）的聲音到達(dá)測(cè)試話(huà)筒的距離發(fā)生改變。這樣以來(lái)，在某些位置測(cè)量的結(jié)果可能很好，但是換個(gè)測(cè)量位置的話(huà)，如果恰好兩音箱到話(huà)筒的距離差相當(dāng)于分頻點(diǎn)附近頻率的1.5倍波長(zhǎng)時(shí)，則總體響應(yīng)曲線(xiàn)上就會(huì)出現(xiàn)凹谷（干涉抵消）。因此，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的時(shí)候，建議將測(cè)試話(huà)筒放在聽(tīng)眾區(qū)里那些振幅和時(shí)間差都具有代表性的位置上。

我們假設(shè)有一個(gè)全頻音箱系統(tǒng)，可以良好地重放60Hz-14kHz的聲音。然后，在場(chǎng)地中另外一個(gè)位置再增加一只超低音音箱。超低音音箱的下限頻率可以達(dá)到30Hz。它們的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1所示?，F(xiàn)在我們想要以100Hz為分頻點(diǎn)，進(jìn)行4階Linkwitz-Riley分頻校正。

由于超低音音箱在該分頻點(diǎn)附近的響應(yīng)曲線(xiàn)比較平直，所以我們可以直接給它加一個(gè)100Hz的4階L-R低通濾波器。但是，鑒于全頻音箱組的頻響曲線(xiàn)在分頻點(diǎn)附近已經(jīng)出現(xiàn)了衰減我們需要采用低于4階的電子濾波器，從而使全頻音箱組的聲輸出與4階L-R濾波器的100Hz截止頻率fc相匹配。圖2所示的是這組全頻音箱本身的輸出曲線(xiàn)，以及4階L-R高通濾波的期望響應(yīng)曲線(xiàn)。為了達(dá)到該期望響應(yīng)曲線(xiàn)的要求，這里給全頻音箱加了一個(gè)115Hz的3階巴特沃斯高通濾波器。如果需要更加精確地匹配期望響應(yīng)曲線(xiàn)，可以適當(dāng)降低該巴特沃斯濾波器的截止頻率，然后再增加個(gè)參量均衡器進(jìn)行更精確的棱調(diào)?？傊?，要讓響應(yīng)曲線(xiàn)盡可能貼合我們的期望曲線(xiàn)。

圖3是將高低音音箱輸出合并后的響應(yīng)曲線(xiàn)。此時(shí)總體幅頻響應(yīng)完全不符合要求。很明顯其中存在抵消。我們知道兩組音箱的L-R聲學(xué)響應(yīng)應(yīng)當(dāng)疊加自平直的響應(yīng)曲線(xiàn)。但是這里沒(méi)有，也就是說(shuō)兩組音箱在時(shí)域上存在校準(zhǔn)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。通過(guò)觀(guān)察圖4中通帶內(nèi)的能量包絡(luò)曲線(xiàn)（ETC)，可以確認(rèn)兩者之間的確存在不同步的問(wèn)題。因此我們需要對(duì)全頻音箱組進(jìn)行延遲，但是延遲量要多大才合適呢？

如果我們選擇將全頻的峰值到達(dá)時(shí)間和超低的峰值到達(dá)時(shí)間對(duì)齊，則需要將全頻遲14.7ms。或者我們也可以讓全頻的到達(dá)時(shí)間貼近超低ETC曲線(xiàn)中的前沿部分。這樣全頻的延遲時(shí)間大概是10ms。圖5和圖6分別給出了這兩種情況下的時(shí)域和頻域圖像但這兩者的幅頻曲線(xiàn)看起來(lái)都不符合（相對(duì)平直的）要求而從時(shí)域圖像中看，延遲時(shí)間較短的結(jié)果比延遲時(shí)間較長(zhǎng)的更理想些。如果沒(méi)有其它辦法的話(huà)，那么接下來(lái)我們還要繼續(xù)嘗試猜測(cè)不同的延遲時(shí)間，以便找出一個(gè)能讓時(shí)域和頻域特性都比較理想的結(jié)果。不過(guò)，幸好我們還有更好的辦法。

根本問(wèn)題，在于我們目前只有超低音輸出的低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)。在公式△t=l/△f中，△t是時(shí)間分辨率，△f是頻率分辨率：從中我們可以看出更高的頻率分辨率（更小的△f值）會(huì)導(dǎo)致更低的時(shí)間分辨率（更大的△t值）。因此，我們需要讓超低音輸出更高頻率的信號(hào)（相當(dāng)于△f值更高，也就是讓頻率分辨率更低），來(lái)提高時(shí)間分辨率，從而更準(zhǔn)確地判斷出全頻需要的延遲時(shí)間?？赡艿脑?huà)，我們可以將超低的低通濾波器旁通，從而獲得更多高頻輸出信號(hào)。這樣有助于更精確地判斷超低音的能量到達(dá)時(shí)間。假設(shè)我們現(xiàn)在無(wú)法旁通該濾波器，或者即使旁通之后仍然無(wú)法得到足夠精確的時(shí)間分辨率。

此時(shí)，我們需要不借助高頻信號(hào)，就能獲得精確的時(shí)間信息。這看似一個(gè)不可能完成的任務(wù)。的確，單純?cè)跁r(shí)域內(nèi)要做到這點(diǎn)是不可能的。但是在頻域中，有一種方法可以讓我們相當(dāng)精確地獲得時(shí)間信息，那就是群延遲。群延遲的數(shù)學(xué)定義是相位關(guān)于頻率的負(fù)導(dǎo)數(shù)。

τg=-dφ/dω

圖3和圖4顯示的是同一測(cè)量過(guò)程中音箱各自通帶內(nèi)的不同（域）視圖。如果我們來(lái)看一看同一數(shù)據(jù)的群延遲圖像，就能得到一些有價(jià)值的信息。圖中曲線(xiàn)高頻部分的平直區(qū)域表示的是該音箱組的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。從圖中可以看出，全頻部分的到達(dá)時(shí)間大約是3.3ms，這跟圖4中的ETC曲線(xiàn)非常吻合。

不要被超低音曲線(xiàn)中的高頻部分所困擾。那些起伏是因?yàn)闇y(cè)量到的400Hz以上數(shù)據(jù)信噪比過(guò)低造成的。參考圖3，超低音音箱的輸出在200Hz處下降了24dB，而且我們用的是4階的濾波器，因此，到400Hz處音箱輸出會(huì)低于-48dB且急速衰喊。這就難怪高頻部分信噪比這么差了。

我們可以看一下超低群延遲曲線(xiàn)上300Hz左右位置，得出其群延遲的高頻時(shí)限。圖中對(duì)應(yīng)的大約是11.0ms。而全頻音箱在這個(gè)頻率上的群延遲大約是3.9ms。這跟全頻音箱在高頻上的3.3ms略有差異。這種差異是由于高通濾波器帶來(lái)的相移、以及音箱本身的高通特性造成的。超低所用的濾波器也會(huì)帶來(lái)類(lèi)似的相移，如果我們有足夠的測(cè)量信噪比，也能測(cè)得出來(lái)。

用11.0ms減去3.9ms，就得到了7.1ms的一個(gè)延遲值。按這個(gè)值給全頻設(shè)置延遲，所得結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。這基本上就是我們想要的效果了。圖中在150Hz附近有個(gè)小于0.5dB的偏差。這是因?yàn)楦哳l音箱組的輸出沒(méi)有嚴(yán)格貼合L-R響應(yīng)曲線(xiàn)（參見(jiàn)圖2）的緣故。

還有一點(diǎn)我覺(jué)得會(huì)有助于了解貌似低通濾波器對(duì)到達(dá)時(shí)間的影響的因素。之所以說(shuō)是“貌似”是因?yàn)檫@種情況只有在到達(dá)時(shí)間發(fā)生變化的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)。圖10和圖11中分別給出了一個(gè)4階巴特沃斯低通濾波器的ETC和脈沖響應(yīng)圖像。這些曲線(xiàn)中的唯區(qū)別在于濾波器的轉(zhuǎn)折頻率（-3dB）處。這些濾波器曲線(xiàn)的真實(shí)到達(dá)時(shí)間都是5ms。圖中一個(gè)具有5ms到達(dá)時(shí)間的互補(bǔ)型高通濾波器會(huì)和與之互補(bǔ)的低通濾波器相疊合。如果對(duì)該高通濾波器設(shè)置延遲，使之到達(dá)時(shí)間超過(guò)5ms，那么濾波器疊加后的曲線(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生如同圖5和圖6中的問(wèn)題。

綜上，我們已經(jīng)看到了，一個(gè)電子濾波器的響應(yīng)會(huì)與音箱的響應(yīng)疊加，從而獲得所期望的輸出響應(yīng)（校準(zhǔn)）。我們也了解到為什么低通設(shè)備會(huì)使到速時(shí)間表現(xiàn)得比實(shí)際值要晚。我們還論證了如何利用群延遲來(lái)準(zhǔn)確校準(zhǔn)輸出頻率上限受限的設(shè)備的延遲時(shí)間。希望上述內(nèi)容能對(duì)某些人起到一些幫助。

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