现代音响工程设计手册 第十五章

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1、第十五章 扩声系统的计算机辅助设计和系统调校、测试工具各类扩声音响系统的声场分布设计和声学特性计算一直是系统设计师最感困惑的事，既复杂又费时，与工程完成后的实测结果存在不小差距。扩声系统的传统设计方法都是根据扬声器系统的特性和布局，采用经典公式，用人工计算方法对典型的几个特殊位置进行直达声和混响声等参数计算，由于各扬声器声源存在相位差，靠经典公式计算很难得到多个声源叠加的准确公式。此外房间界面的吸收与反射也难以获得精确数据。如果系统最后的调试又未能达到最佳值，那么实际完成的声学特性与设计结果出现差距就不足为奇了。计算机辅助设计和系统测量、调校软件终于突破了系统设计和系统测试中的世界性难题。使优

2、秀性能的音响器材发挥出应有的优良特性，实现系统最佳调校。并能在工程实施之前就可预听到工程完成后现场任何位置的音响效果。采用计算机声学软件进行声系统设计现已成为各音响工程公司前期设计工作的主要手段。用计算机做声场数据分析报告（3D彩色图）、建声设计和最后音响效果的评估已成为音响工程投标过程中的重要技术依据。早在20世纪80年代初，尽管那时的计算机技术水平还是在昂贵的“386”时期。美国JBL专业扬声器公司根据系统发展的需要，率先开发了CADP（Complex Array Designer Program/复杂扬声器阵列设计师程序）的声系统设计应用软件。该软件在1986年5月为1988年汉城奥运会

3、主会场进行了系统声学设计，并取得了成功。随着计算机技术的飞跃发展，JBL公司又对这个应用软件升级为CADP2，它的设计内容更为丰富，数据库中不仅储存了JBL全部扬声器产品的数据模型，同时还提供了世界上著名品牌（如EV、ALTEC、EAW、TOA和COMMUNITY等）扬声器的部分数据模型，供系统设计时选用。CADP2提供的有限脉冲响应滤波器FIR（Finit Impulse Response filter）并以ASII文件形式输出，通过Hpersignal-Acoustic听觉信号软件作卷积运算，可模拟预听厅堂中任一位置的音响效果。美国BOSE公司在80年代初也开发了名为Modeler声学设计

4、软件和Auditioner模拟预听系统，如图15-1所示。图15-1 Bose的Modeler电脑设计软件和Auditioner预听系统(a)Modeler的声压分布图 (b)AuditionerII预听系统1984年春，德国ADA公司的声学工作者Rainer Feistel&Rostock在很多扬声器专业公司的大力支持下开发了在DOS环境下运行的EASE（Enhanced Acoustic Simulator for Engineers）高级声学工程模拟软件。90年代后期由原来的EASE 2.0版本发展到现在的WINDOWS操作系统下的EASE 4.0版本，并把高级反射模拟预听软件EARS（

5、Enhanced Auralization Reflectogram Simulator）合并在一起，使它具有更丰富的新特性和更易操作的界面。EASE/EARS 4.0采用开放式数据库结构，不但本身储存了各种著名品牌扬声器的数据模型和建声材料数据，而且还可输入任何扬声器的数据和任何建声材料数据，供系统设计时选用。同时还支持与其他专业公司同类软件的数据文件相互转换，如JBL的CADP2、EVI的Audio/Acousta CADD等。用EASE 4.0软件计算出来的各项声学评估参数与工程完成后的实际测试结果非常相似，误差可精确到2dB。因此被广泛采用。如果说良好的系统设计是系统音响效果的基础，那

6、么最佳的系统调校和测量是系统音响效果的保证。为获得精确的最优化的系统调校，充分发挥系统中各设备的潜力，1996年美国JBL公司与SIA软件公司联合开发了JBL Smaart 1.0现场测量、分析和系统优化控制的计算机软件模块。2000年经多次升级推出了功能更为强大的SIA Smaart Live 4.0版的应用软件，使它成为优化专业音响系统调校和测量必不可少的最先进的工具。本章将专门论述上面系统设计和系统调校工具两者的原理、功能和应用方法。15.1扩声系统的计算机辅助设计15.1.1计算机应用软件在系统设计中可解决哪些问题？1、选择扬声器和确定安装位置根据扩声系统的功能和需要达到的声学技术特性

7、指标，选择适宜的扬声器或扬声器组合以及它们的安装位置。2、声场设计计算计算扩声系统声音覆盖区内的最大声压级、声场分布不均匀度和传输频率特性，并用3D彩色图表达计算结果。3、计算各听众位置的直达声、直达声+混响声和直达声与混响声的声能比D/R。根据计算结果，可提出改进扬声器的布局和安装位置，或重新选择扬声器类型。4、计算房间混响时间RT60和优化建声设计混响时间RT60是听感效果的重要条件。过小时，声音变“干”，不丰满；过大时，会产生隆隆声，声音浑，听不清。不同用途的扩声系统都有最适宜的混响时间要求，通过计算，采取适当的建声技术措施，最终可达到满足要求的RT60。在软件设计中还可根据要求的RT6

8、0，通过内部运算可自动找出数据库内的吸声材料配置。5、消除反射回声通过Level-Time-Path（声压级-传播时间-传播途径）或声线法，可找出高于3次反射的强反射声的传播途径及其相应的反射面。利用这个特性可确认有害的回声现象，并通过更换反射面的吸声材料消除反射回声。此外，通过声音传播时间的计算，确定各声源（扬声器）需插入的延时量，使各声源的声音能“同步”到达观众区，提高声音的清晰度。6、声音清晰度计算为满足不同节目的清晰度要求，声学设计软件可用辅音清晰度损失Alcons%（Percentage Articulation Loss Of Consonanls）、快速说话传递指数RASTI（R

9、apid Speech Transmisson Index）和透明度C值（测量）等3种方法表达。7、声音预听在上述各项设计完成后，预听软件可在建立的模型中播放预先录制的节目。用户可通过计算机的监听扬声器或立体声耳机收听到扩声系统服务区内任何一个指定位置的声音效果。如果计算机内的虚拟模型建得非常精确，那么在工程实施之前预听到声音效果与工程完成后现场的声音效果非常接近。15.1.2 JBL-CADP2 系统设计软件CADP2是一种在Windows 95 系统版本以上操作系统运行的系统设计软件，它可完成RT60混响时间计算、直达声场计算、反射声场计算、直达声+反射声场计算、直达声+混响声场计算、直达

10、声与混响声声能比D/R计算、传输频率特性计算、LTP（声压级传播时间传播路径）计算和清晰度计算（Alcons%）等。1、 CADP2的三个基本功能设计程序（1）建立房间声学模型为什么要专门创建房间的声学模型呢？它与建筑设计图有何不同呢？这是因为： 建筑图通常提供的是两维空间的图形，它不能涉及全部声学空间。声学特性计算程序需要涉及全部声学空间的三维空间（3D）图形。 建筑图通常包含与声学特性不相关的信息；声学模型不需要包括比声波波长更小尺寸的物体。 声学模型要求房间的表面结构为平坦的表面，这是因为模仿声波传播只能限于平坦的表面，因此在声学模型中曲线的表面只能用一系列的小块平面近似表达。 声学模型

11、要求每个平面设有表面吸声的信息（吸声材料），建筑图就没有此信息。CADP2的房间声学模型由四个视图表示：第一象限为：斜轴测图（立体图），第二象限为顶视图（俯视图），第三象限为正面视图，第四象限为侧视图。如图15-2所示。图15-2 房间的四象限声学模型图通过键盘或鼠标输入建筑图中的房间三维尺寸。用FLIE目录下的NEW命令创建声学模型，单击TOOLSNEW PLANE 命令就可以作图了。（2）安装、定位和瞄准选定的扬声器组或扬声器阵列 根据扩声工程的使用功能、服务区的范围和供声方案选定扬声器组（或扬声器阵列），然后在房间声学模型中安装、定位和瞄准这些扬声器。CADP2可把多个扬声器箱叠积在一起

12、组成扬声器组或扬声器阵列，并把这些扬声器组或阵列可作为单个扬声器装置来处理，进行定位、瞄准，储存和检索。如图15-3所示。从软件数据库中取出相应扬声器产品的各项数据，输入到安装好的扬声器系统中，并赋予适当的驱动功率，即可开始各项声学参数的计算。图15-3 扬声器组的定位图15-4和图15-5是把扬声器装置的波束射线（简称声线）从房间的边到边和从房间的前到后进行扫描试验，初步决定扬声器的安装角和观众区的覆盖范围。图15-6是扬声器安装角的调整。图15-4 扬声器波束的前后覆盖范围图15-5 扬声器波束的左、右覆盖范围图15-6 扬声器安装角的调整（3）声学特性的计算和显示CADP2提供直达声、反

13、射声和混响声场的计算。采用功率相加或平均值相加法进行声源合成。用颜色表达房间各位置的声压级。用户可调整图面的分解度和参考刻度。并把多个扬声组成的扬声器组合可作为单个扬声器来处理，这里涉及多声源（扬声器）声功率的合成问题。 多声源功率的求和方法在声场设计中，首先遇到的是在房间中任何位置听到的声源是如何相加合成的。CADP2设计软件引入了两种声音功率合成方法。功率求和法（power Summation）功率求和法的前提是两个声源之间的距离大于10倍声波波长，此时各声波到达听众位置的相位是不相关的，可用均方根求和合成声功率： (15-1)式中：Pj为单个声源的声功率，单位为瓦（W）。从式中可看到，两

14、个相等声功率的声波，它们的合成功率比单个声源的声功率增加3dB（即增加一倍功率）。声压级增加6dB。功率求和法的特点是快捷、简单，但没有考虑复杂信号的合成结果。如果用同一个信号源驱动两个靠近的扬声器（其间距离为声波的分数波长），此时到达听众位置的信号应考虑是相关的。因此它只能完成声功率合成的近似结果。复杂信号的平均值求和（Average Complex Summateon）/ACSACS是一种采用全频段信息的处理方法。引入了听觉测试中可表达声音响度和音色的倍频程或1/3倍频的测量方法。对倍频程或1/3倍频程频带的信号进行真实有效值的复杂求和。 声学特性的计算和结果显示由于声学特性计算的项目很多

15、，每个项目又有不同频段的计算，为使这些计算不产生混乱，计算层的管理显得十分重要。CADP2保持现代软件设计的理念，允许用户在数据输入和操作中使用透明层管理概念。CADP2采用三种层面类型工作：房间声学模型、扬声器组和特性计算。每个层面可形成一张透明胶片的概念，并且总是可以相互调整，在任何时间都可删除，修改和上下移动。任何层面可以被隐匿，以显示其他层面上被遮蔽的细节。计算结果以彩色等级在各视图中显示。2、 声学特性计算（1）混响时间RT60计算房间混响时间是影响听觉效果的重要参数。CADP2可对已有表面装饰设计的房间进行混响时间计算，也可根据房间用途要求的混响时间，输入房间各表面吸声材料的吸声数

16、据，然后计算RT60，计算结果由图15-7所示的曲线显示。混响时间可根据吸声面积的大小和房间的容积等数据，根据平均吸声系数的大小，可选用赛宾（Sabine）费兹罗伊/赛宾（Filzoy/Sabine）、诺斯-埃林（Norris-Eyring）和赛宾/诺斯-埃林（Sabine/Norris-Eyring）等4个常用公式计算。计算结果由图15-7所示的曲线显示。图中各条曲线由上到下依次是：目标值、Filzroy（s）、Sabine、Filzroy（NE）和Norris-Eyring公式计算的结果。图15-7 混响RT60的计算结果显示（2）直达声场计算直达声场是指只计算各声源的直达声参数，不计算各

17、种反射声。计算频带范围从125HZ8KHZ倍频程范围内选择。通常选择计算125HZ、500HZ、1000HZ、2KHZ、4KHZ和8KHZ等多个倍频程的直达声场，并由此也可获得系统传输频率特性的数据和声场不均匀度数据。图15-8 直达声场的计算结果显示（3）反射声场计算反射声场是声学领域极其重要的研究课题。近次反射声可增加直达声的强度、明亮度和丰满度。但延长时间超过50ms的多次反射声会给我们带来很多麻烦，产生回声，影响声音清晰度和出现声反馈啸叫等。通过反射声场的计算，可发现房间中声波反射最强烈的表面和影响声音清晰度的因素，从而可改进建声和电声设计方案。反射声场的计算要比直达声场复杂的多。首先

18、要输入房间各表面选用的吸声材料的吸声数据，然后确定需计算反射声的反射次数。一般3次反射范围内的反射声场计算较快（近次反射声），但更多次的反射声计算需要很长时间，甚至超过8个小时，因此往往让计算机在整个晚上自动计算，第二天就可以看到结果（这样可不影响白天的工作）。（4）直达声+近次反射声、直达声+混响声和直达声与混响声的声能比（D/R）计算比直达声晚到50ms以内的反射声称为近次反射声或早期反射声，近次反射声对声音清晰度、丰满度和声压级等有很大贡献，人耳又难以把它与直达声区分（但计算机可把它们区分），因此在声场设计中一般都把直达声+近次反射声合并在一起考虑。混响声是比直达声晚到50ms以后的各次

19、反射声。它的贡献是使声音浑厚和声场均匀。但它并不传播声音信息，还可掩蔽直达声，影响声音清晰度。直达声与混响声声能比（D/R）的计算结果，可作为音质评价的参考依据。（5）辅音清晰度损失计算辅音清晰度损失百分率Alcons%的计算结果可直接指示语言清晰度指数AI（Articulation Index）或语言可懂度指标。语言清晰度与混响时间RT60、直达声与混响声的声能比（D/R）、背景噪声电平和声压级大小等因素有关。CADP2可根据房间的实际情况选择NC15NC65等11种背景噪声环境之一，并在2KHZ倍频程带宽内自动计算Alcons%或AI值。服务区内各位置的计算结果用颜色表达：辅音清晰度损失范

20、围在03%时，用红色显示，清晰度为优秀。Alcons%= 37%为蓝色，清晰度为良好。Alcons%= 715%为绿色，清晰度为一般。Alcons%= 1530%为黄色，清晰度为差。Alcons%30%为紫色，清晰度为无法接受。图15-9是语言清晰度指数计算的输入参数选择菜单。除可选择房间的背景噪声曲线、噪声电平测量的倍频程中心频率外，还可选择直达声+近次反射声的截止时间（Cut off time），即直达声与混响声的分隔时间。图15-9 语言清晰度指数计算的输入参数选择菜单（6）声压级传播时间传播路径LTP（LevelTimePath）计算CADP2的LTP是利用声音射线（简称声线）方法计算

21、声源（扬声器）到达听众位置的直达声，近次反射声和多次反射声的声压级、传播路径和到达听众位置的时间等参数。这是调整扬声器安装位置、指向、插入延时、分析房间声学特性和计算反馈前的系统增益等非常有用的工具。图15-10是LTP计算的一个图例。中间是LTP的参数输入菜单和计算结果。菜单窗口中的Level Summary（声压级摘要）的Partition Time（分隔时间）是输入直达声（包括早期反射声）与混响声（后期反射声）的分隔时间，软件默认的分隔时间为7ms，相当EASE软件中C7测量（讲话清晰度）。当然也可输入50ms或80ms的分隔时间（相当于EASE中的C50和C80），这是用来测定音乐节目

22、清晰度的指标。图15-10 LTP计算图输入分隔时间后，就可计算出Early Total早期反射声（包括直达声）和后期反射声Late Total的声压级及早期反射声与后期反射声的声压级比值（Early：Late）的计算结果。在菜单的声线路径选项中（Selected Path），可输入声线反射次数（Reflection），然后即可计算出声源到达指定听众位置的时间Arrived Time及相应声压级的计算结果。右下角是各反射声到达听众区的时间（横坐标，刻度为秒）和相应的声压级（纵坐标，刻度为dB）。在模型的三个视图中还显示各声线在房间中的实际路径。计算非常方便。图15-11是LTP Echogra

23、m的计算窗口，此窗口可用来计算反馈前的系统增盖（相当于我国标准的传声增盖）。在CADP2的系统增盖计算中，规定讲话人的嘴口位于话筒后面2英尺（0.68公尺）的地方，这个距离通常是实际使用中最差的位置，大多数讲话人都在这个距离之内。讲话人嘴口的高度为5英尺（1.52公尺）。讲话人在话筒处产生的平均声压级为77.3dB。此时的声反馈还没有满足系统振荡（啸叫）条件。给系统增加驱动电平，使扬声器声源在话筒点产生的声压级提高到与讲话人在话筒点产生相同的声压极，此时系统处于临界振荡（啸叫）状态，此状态是无法实际应用的，因为他处于振荡的边缘，工作极不稳定，音质极差。为此必须再减小6dB的驱动功率，使系统具有

24、稳定工作的余量。此时可开始计算听众区不同位置的系统增盖了。图15-11 LTP Echogram 计算系统增盖(a)话筒处声压级的计算 (b)听众位置的声压级计算用LTP计算出讲话者不用扩声系统（系统关闭）时听众位置的声压级为55.1dB，以及开通扩声系统时扬声器系统在同一听众位置的声压级为75.3dB，由此可得到那个听众位置的系统增盖为75.3dB-55.1dB=20.2dB。（7）系统声音预听运用计算机软件进行系统设计可优化系统设计结果。但在设计中还存在太多的模糊函数，例如房间中的多个共振频率和声聚焦的存在、声波多次反射的不确定性及其引起的时间延迟难以确切计算、多声源之间的相互作用和影响、

25、舞台上声源对观众区声音的影响等。为此CADP2又进一步开发了在系统设计完成后，实际工程尚未开始之前就可试听房间内任何位置的音质效果的计算机软件。如果对某些位置的听觉效果不满意，可对系统进行调整，直至满意为止。模拟试听软件不仅可作为系统设计结果的补充，同时又可给看不懂系统设计结果报告的工程业主提供既能看到试听位置又能听到系统的预示结果。15.1.3 EASE系统设计软件1998年德国ADA（Acoustic Design Ahnert）公司把运行在DDS操作平台上的EASE2.12版本的系统设计软件升级到在Windows 98操作平台上运行的EASE3.0版本。2001年又升级到EASE4.0版

26、本。新版EASE3.0/EASE 4.0包括了原有DOS版本的全部功能，又增加了许多新特性，使它成为被广泛采用的系统设计的标准软件。采用32bit的数字结构，远远超过了其他类似的系统设计软件。32bit的数据结构扩展了软件模块内部可实现的细节、缩短了系统分析计算时间和预听结果的处理时间。EASE3.0/4.0版本已把EASE（设计模块）和EARS（预听播放模块）两种功能集合在一起，可让你在系统设计完成后立即选择任何一个收听位置，几秒钟后即可从PC机的监听扬声器或监听耳机中直接听到那个位置的真实声音。如果声学模型建立精确，那么EASE3.0/4.0的工程计算结果与工程完工后的实测结果非相似，误差

27、可精确到2dB。EASE的基本功能设计程序和CADP2一样，包括建立房间声学模型、安装定位并瞄准扬声器和声学特性计算及显示部分。1、 建立房间模型（简称建摸）EASE 的房间模型与CADP2一样，包括全向视图、侧视图、顶视图和正视图。房间建摸还包括在房间各表面上贴入吸声材料，以便开始后面各项声学特性的计算。EASE中储存的墙面材料（Ease Wall）都是美国的吸声材料，在选用时应尽量选择与国内接近的吸声材料或者用Ease Wall建立自己国内的吸声材料库。EASE所有模拟的结果都是针对听众范围而言的，所以即使模型建好了，扬声器也加入了，其他条件都具备了，如果没有加入听众区域，EASE是不会进

28、行模拟计算的。如果场地复杂，整个场地可分解为若干个听众区，一种称为格栅的特别功能，可立刻把座位填满观众区。用声源可检查观众区与声反射表面的相互作用。2、 安装、定位和瞄准扬声建摸结束后，可根据系统用途和供声方案选定扬声器并在房间模型相应的位置摆放和瞄准扬声器。EASE声源数据库中储存了很多世界各大品牌扬声器的详细数据，供计算时选用。为适应选用其他没有储存的扬声器产品，可输入这些新颖扬声器的数据。EASE声源数据库扬声器的频率分解度均为1/3倍频程，指向性均用5度精度的扬声器极坐标数据输入。扬声器信息包括用户自己规定的分频器和均衡器。可把单个扬声器组合为扬声器陈列，开发一种复杂扬声器陈列，这种复

29、杂扬声器陈列可包括驱动器延时的调整和波束控制等。一种新的球型显示特征还可详细检查扬声器阵列中的声波干扰图，可从任何角度在球形内部任何地方观察扬声器组的远声场3D图。声源干扰的计算可选择复杂功率相加或Ureda相加或简单均方根相加法的任一种。3、 声学特性计算EASE可完成CADP2同样的全部声学特性指标的计算和结果显示。详细方法可查阅EASE3.0用户手册和指导（EASE 3.0 Users Manual & Tutorial，已有中文译文）。这里仅对三种清晰度指标的计算作进一步说明。（1）辅音清晰度损失Alcons%EASE 2.12采用1971年提出的Peutz Short Form公式计

30、算结果，EASE 3.0/4.0采用后来提出的Peutz Long Form计算方法。两种Alcons%标准的对照如表（15-1）所示。Peutz Long Form辅音清晰度损失计算公式为：Alcons= (15-2)式中：A=-0.32lg B=-0.32lg C=0.5lg把上述数据代入式（15-2）可得到：Alcons=0.9 (15-3)式中：Pdiff为分隔时间后的声能Pdir为分隔时间前的声能表15-1 Alcons%辅音清晰度损失Alcons值EASE 2.12EASE 3.0Excellent优秀03%07%Good良好37%711%Fair一般711%1115%Poor劣质

31、1115%1518%采用计算公式Peutz Short FormPeutz Short Form（2）快速语言传递指数RASTI快递语言传递指数RASTI的计算公式为：RASTI=0.9482-0.1845ln（Alcons%） （15-4）对应两种辅音清晰度损失标准将产生两种快速语言传递指数标准，如表（15-2）所示。表 15-2 快速语言传递指数 RASTIRASTI值EASE 2.12EASE 3.0Excellent 优秀0.75 10.61Good良好0.60.750.450.6Fair一般0.450.60.30.45Poor劣质0.30.450.250.3Unacceptable不

32、能接受00.300.25（3）C测量清晰度指数（Clarity Measures）上述两项清晰度指数是表明语言节目的清晰度标准，语言清晰度要求分隔时间可短些。但对音乐节目来说，它要求有足够的后期反射声，因此要求的分隔时间长一些。C测量清晰度指数根据分隔时间的长短可分别表达语言节目的清晰度和音乐节目的清晰度。它的计算公式如下： (15-5)式中：Csplit是不同分隔时间的C值，有C7、C50 和C80三档数值； P（t）dt是声能随时间的变化函数。C7、C50 和C80是在分隔时间7ms、50ms、80ms前后的声能比，C7、是以7ms分隔时间为声能划分点，它前后的声能比D/R大于-15dB的

33、听众区表示声音良好的区域，越靠近0dB数值的区域，声音清晰度越好。C50是以50ms分隔时间为声能划分点，它前后的声能比D/R大于0dB以上的任何区域代表有良好的清晰度，类似于Alcons 50ms的数值。在具有较大混响时间的房间中，大于-5dB的C50任何值都可认为有良好清晰度。C80是以80ms分隔时间为声能划分点，它前后的声能比D/R在8dB以内的任何区域都有良好的音乐演出效果。C80的数据可反映房间是否适合于音乐厅、歌舞厅还是剧场使用。4、EARS收听模拟模拟收听的声音是把EASE产生的声学和电声数据转变为供主观评价的音频信号，由LAKE有限技术公司发明的LAKE Convolutio

34、n或EASE（Electronically Auralized Room Simulaction）软件来完成。EARS和EARS RT是一种双耳听感程序，这个程序考虑了房间的声学特性和人头听感特性两种特性的结合，双耳听感特性比单耳听感特性更符合人类的听音特性。EARS RT是一种在线听感程序，用LAKE卷积滤波器软件可产生一种连续收听的信号，可实时（Real Time）听到结果。模拟收听从EASE创建的反射图开始到收听体验评价为结束，需要完成下列5个步骤：第一步：创建反射图。反射图代表选择听音点的房间声学特征。第二步：在反射图中增加反射声的尾部。反射图的尾部延伸是增加现实的听感色彩。第三步：把

35、反射图的声学特性与人类的听觉特性相结合，在最后的卷积计算中创建双耳听感特性的信号。第四步：最后的卷积。把建立的.bir双耳听感特性的信号送到有限脉冲响应滤波器FIR（Finite Impulse Response-filter）与节目信号合并在一起处理，软件会自动调节波形文件（WAV File）的信号电平和房间不同位置上听觉响度的强弱变化。最后卷积的输出既可选择LAKE的输出，也可选择EARS的输出，详见图15-12的方框图。第五步：可在房间的建声模型中选择任何一个听音位置收听现场的听觉感受，作为音质主观评价的依据。图15-12 EARS模拟收听系统信号处理原理图图15-12是上述五个步骤归纳

36、起来的模拟收听系统的信号处理原理图。首先使用EASE建模中扬声器系统产生的直达声和反射声图，这是整个信号处理过程的基础，反射声图代表座位区任何一位置的声学特征。然后再在反射声的尾部增加尾部。这个具有完整声学特性的房间模型可根据输入点坐标随时可调用该点由指定扬声器产生的直达声和反射声的详细数据。但在EASE软件进行计算之前，还需输入声线的倍频程频率、反射次数、反射持续时间（一般为300ms）和声线衰减的截止值（通常为-60dB）等数据。由于声音的听感还与人耳的听觉特性有关，因此还需把房间的声学特性通过EARS中的快速富里哀转换FFT（Fast Fourier Transform）与人头的听觉特性

37、相结合成为能反映临场真实听感的双耳听感特性。实时在线（Online）收听的节目源既可采用由LAKE技术公司发明的视窗信号，也可采用EASE中的男声波形文件（WAV File）信号或外接CD信号源。被选的收听信号与双耳听感特性在有限脉冲响应滤波器FIR中混合后形成LAKE和EARS两种输出，通过FFT转换进行LAKE卷积或EARS卷积计算，最后由计算机声卡完成数字/模拟转换后成为模拟试听信号。EASE已成为建声工程师、电声工程师和工程业主在扩声音响工程完工前需要了解工程效果必不可少的先进工具。要了解更多EASE信息，可通过网站http:/www.ada-acousticdesign.de查阅。1

38、5.2精确测量和优化系统调试软件SIA Smaart Live 4.0良好的系统设计只能说完成了工程的一半，只有通过最佳的系统调校才能实现最佳效果。因此在计算机系统设计软件问世后不久，系统精确测量和优化系统调试软件应运而生了。美国JBL公司在推出CADP2系统设计软件后不久，1996年又首创推出了JBL-Smaart系统精确测量和优化系统的调试软件。JBL-Smaart软件由实时测量模块和基本分析模块两部分组成。在一台装有立体声声卡的手提电脑上运行，可对扩声系统的各种声学特性进行精确测量和评估，根据测量结果便可对系统进行最优化的调校。最终可达到正确的声音平衡、宽阔平坦的传输频率特性、精确的时间

39、基准和获得更高的反馈前系统增益。1999年美国EAW公司将JBL-Smaart升级为功能更强大的SIA-Smaart Pro软件。2001年美国SIA软件公司又推出了优化和控制扩声系统软件SIA-Smaart Live 4.0。此软件已被世界同行广泛采用，并称为是EASE系统设计软件的姐妹篇。15.2.1 SIA Smaart Live 4.0的基本功能1、RTA（Real-Time Analyzer）实时频谱分析仪SIA-Smaart Live可提供一台双通道的实时频谱仪。它可以1、1/3或1/16倍频程的窄带分辨率显示数据。如图15-13所示。实时频谱分析仪只能指示扩声系统频率特性的结果和

40、它与房间混响声能量的相互作用，但它没有时间分辨能力。因此必须用传递函数测量方法给房间的声学特性和系统频率响应特性之间的相互作用注入更多的鉴别能力。图15-13 双通道RTA实时频谱仪2、传递函数测量传递函数测量是对一个系统或一个装置（如均衡器）的输入信号和输出信号进行比较。它既可在时域范围内比较，也可在频域范围内比较。测量比较的参数包括信号传递过程中的相移和延时、频率响应特性、两个信号之间的相关性和声压级测量等等。从比较结果中可找出产生问题的原因，通过系统调校解决问题，达到最佳结果。这是系统调校中非常有效的一种工具。图15-14传递函数测量的基本配置图。用Smaart软件运行的计算机有两个输入

41、口，一个称为基准信号（#0），来自被测系统的输入信号源，另一个为测量信号（#1），来自被测系统的输出端。这样可读出整个被测系统的信号传输特性（即传递函数特性）。图15-14 传递函数测量的基本配置为能进一步区分整个系统传输特性中电声系统和房间系统（建声系统）两个分系统各自的传输特性，可采用图15-15所示的系统配置图。图15-15 可区分电声系统和建声系统传递函数测量配置图基准信号（A）既可与电声系统的输出信号（B）比较，也可与测量话筒的输出信号（C）进行比较。这样既可看到均衡调节对系统性能的影响，又可听到扬声器发出的声音变化。基准信号（A）通过测量调音台的一个主输出送到计算机声卡的一个输入端

42、（#0）；均衡器的输出信号和测量话筒的输出信号通过测量调音台的选择由它的辅助输出（AUX）送到计算机声卡的另一个输入端（#1）。这样的安排既可对被测信号（B）或（C）进行切换，还可在测量调音台上对它们进行电平匹配的控制。大多数扩声系统中都设有一台调音台，因此也可利用此调音台中没有使用的输入通道和AUX输出作为测量系统输入信号的切换和调节，可省去一台测量调音台。传递函数测量的测试信号源可用一台CD播放机或噪声信号源作为外接信号源使用。测量和计算结果采用便于理解的频域方法显示或储存，如图15-16所示。图15-16 传递函数测量和计算结果的实时显示为能精确地比较，传递函数计算时，两个信号在时间上必

43、须精确对准。可以用Smaart内部的延时定位器及其内部的信号延时特性来完成。3、脉冲响应测量脉冲响应是描述基准信号通过系统传播后信号产生的变化，它包含大量的房间声学信息，这些信息包括声音到达听众位置（测量话筒位置）的时间和混响声场的衰减信息等；寻找扬声器和话筒之间的精确延时以及两个声源到达听众位置的延时差等，以便系统调校时在有关声源中插入适当的延时补偿。脉冲响应测量的基本配置同图15-14传递函数测量的配置。图15-17(a)是一个小房间的脉冲响应图。横坐标是声音传播的时间，纵坐标是测量位置的相对声压级(dB)，可以看到比基准信号晚6ms处有一个明显的尖峰信号，这个第一大峰代表“第一个到达”的

44、直达声，峰值位置的时间就是基准信号通过系统的精确延迟时间。图15-17(b)是在峰值信号附近把时间刻度放大的脉冲响应图，以便提高测量精度。其他用途的测量方法与延迟测量相同。测量结果除可在时域中显示外，还可通过FFT转换在频域中显示。图15-17 脉冲响应的时域图(a)一个小房间的典型脉冲响应图 (b)时间刻度放大的脉冲响应图4、延迟定位器在传递函数测量中，为能精确比较两个信号，必须用延迟定位器校正两个信号的起始时间。在脉冲响应测量中，延迟定位器还有下述用途：（1） 寻找两个信号之间的延时扬声器和话筒位置之间的精确延迟时间，设置扬声器之间的延时。（2） 测试房间的声学特性信息，包括反射声的到达时

45、间和混响声的衰减等，以便为精确分析提供依据。（3） 延迟定位器可自动计算延迟时间，然后自动设定延时值。最大内部延时为250ms。5、SIA Smaart Live测试结果的显示方法SIA Smaart Live测试结果的显示除大家熟悉的用倍频程（或分数倍频程）显示系统传输频率特性（RTA）外，还有如图15-18(a)的时域数据显示（振幅时间特性）；图15-18(b)声波信号的衰减率显示（利用振幅时间特性自动计算信号的衰减率）和如图15-18(c)所示的3D彩虹图谱，即在同一屏幕上可同时显示时间（X轴）、频率（Y轴）和信号振幅（以256个色彩等级显示）三者之间的关系。可自动算出房间的混响时间，并

46、为识别房间中的声波衰减、反射和设置延时提供依据。6、内部信号发生器SIA Smaart Live的内部信号发生器可提供系统测试用的基准信号源。它可产生正弦波、双正弦波、粉红噪声和用户规定的无限循环的声音文件等四种信号。粉红噪声信号是传递函数测量、脉冲响应测量和延时定位器等使用的一种极好的激励信号源。15.2.2测量和优化扩声系统应用实践SIA Smaart Live是由声学顾问、系统设计师、安装工程师和调音师们组成的工作小组设计、并经多次改进和完善得出的一种测量和优化扩声系统的非常有用的工具。在系统调校中又如何应用呢？1、测量什么？为什么？系统测试（测量和调试）前，首先要问自己“测量什么？为什

47、么？”扩声系统的性能，无论是固定安装系统、流动演出系统还是两者兼有的混合系统，可以有很多测量方法，定性的或定量的。在评价一个系统的性能时，列出了一些最重要的问题：（1）系统传输频率特性：系统传送声音的频率范围是否在预期的设计偏差范围内？（2）系统的功率处理能力：在不超过规定的失真和发生损坏的条件下，系统可处理的总功率是多少？（3）声场覆盖范围：在全部传输频率范围内，系统能否提供有足够声压级和声均匀度要求的覆盖区域？（4）主观音质感受：这是最重要的判据。听众/自己/表演者/操作者期望的音质感觉和声像一致性感觉如何？（5）系统稳定性/传声增益：系统可调到多大的有用电平？打开使用多个话筒时，系统的传

48、声增益有多大？如果系统仅作音乐重放（如舞厅），这个参数就不重要了。（6）交流哼声和噪声：系统中有交流哼声、噪声或其他不必要的噪声吗？（7）系统配置和信号途径：你了解系统配置和信号途径吗？均衡器、延时器、压限器、电子分频器或媒体矩阵、系统控制器等的分布位置及数量。（8）系统工作状态：系统全部组件都工作正常吗？没有任何一种硬件和软件（即使是SIA Smaart Live）能够正确回答这些问题。调校一个扩声系统要懂得硬件设备的特性、精确的测量结果、有辨别能力的耳朵、专门的训练和处理复杂系统问题的方法。每个系统都可能遇到许多各不相同的复杂问题。然而，在测量和优化扩声系统中，以下几个步骤是必不可少的。2

49、、传递函数测量SIA Smaart Live的核心是系统传递函数的计算。传递函数可在每个时间（时域）或频域中显示和比较被测系统的输入信号和输出信号之间的差异。计算机声卡的两个输入信号必须在时间上对准，此项工作可用时间定位器和它内部的信号延迟特性来完成。测量结果可存储在计算机内，随时可调用比较。3、系统调校步骤：第一步：初步试听和评估测量前首先试听音质，并回答前面列出的问题。环绕听众区走动收听，尤其是声音覆盖区的边缘区域，检查那里各扬声器组（或单元）的声场覆盖情况，还可关掉部分扬声器组进行试验。花一点时间试验、了解系统设计的意图和各组件之间的相互关系十分必要。第二步：鉴别潜在问题开始测量前，首先

50、要解决明显存在的问题，如交流哼声、接地回路问题以及没有固定好连接线形成的时断时通的问题，各扬声器声音的相位一致性问题等。注意：测量前，系统必须是稳定的，应该花些时间查明和清理这些潜在问题。第三步：选择测量点和测量位置选择测量点是系统调校的关键步骤。测量点有两类电声设备测量点和声学系统测量点，电声设备的测量点用于对被测装置的输出和输入端进行取样。电声系统测量必须包括一个测量话筒，测量话筒应是高质量的，具有最平坦的频率响应特性。在选择测量话筒位置时，要问两个问题：“这是测量的有用位置吗”和“在此位置的话筒拾取的其他信号会影响测量吗？”，测量话筒边上和后面的反射信号会降低测量精度。注意：从一些较大表

51、面反射的声波能量可在测量信号中产生“梳状滤波器”效应的频率特性。在频谱特性显示中，如果频率轴（X轴）选择线性刻度时，可看到频率特性的谷值，这些谷值是无法用频率均衡器补偿抵消的，只有通过增大反射面的吸声量才可解决。第四步：测量位置的比较在开始对系统进行测量时，把测量话筒绕场移动并观察频率响应特性的变化。在频率响应变化较大的位置，可在扬声器声源和测量话筒之间某个地面位置上铺上一些吸声材料，减小地面反射信号对测量信号的影响。第五步：调整均衡器和延时器系统均衡器和延时器的调整须花费很多时间，需进行粗调和细调两种处理才能达到满意结果。粗调是较大范围地调节EQ和延时，使系统达到粗略的正确，有时这些调节范围

52、可能会很大，但是只要音质良好都可确认。细调是在系统接近正确状态时进行。在一个频率位置上改动几个dB可以使声音变得更好，系统更加稳定。均衡器细调后，还要走到听众区去听听实际的效果，确认调节的正确性。注意，在SIA Smaart Live屏幕上看到良好平坦的特性，并不一定意味着是完全正确，耳朵的听感结果才是系统评估的最终依据。注意：延时器的调节通常是在精调均衡器之前。均衡器细调和延时器细调都会影响系统特性。因此可能需要反复多次。调整延时器和均衡器可以帮助改进一些劣质设计的系统。但不能把全部希望都寄托在系统的正确调校上。 第六步：试听和评价这是扩声系统的综合评价。播放你熟悉的CD节目源。在前排和后排

53、及楼厅后排各廉价座位处收听。低电平（低音量）试验、高电平（高音量）试验和关掉节目源安静收听，确认房间中的本底噪声足够低，不会影响系统的动态范围。第七步：稳定性试验扩声系统的稳定性是指多话筒使用时发生声反馈前的系统增益或传声增益。这是一个重要的实用性指标。在没有话筒的声音重放扩声系统中（如歌舞厅）是没有这个要求的。系统稳定性要求是在满足覆盖区声压级要求的前提下，保证需要达到的声音清晰度和传输频率特性，还要有一定的安全余量（6dB）时的反馈前的最大系统增益（或传声增益）。影响系统稳定性的主要原因是扬声器系统的偏轴响应和话筒的偏轴响应重叠在一起后相互作用造成的。其他可能产生的原因是房间的声学特性缺陷

54、（混响时间过长，共振频率和声聚焦等）和信号处理设备，特别是扩声系统中使用的混响效果器。解决扩声系统稳定性的基本方法是用均衡器或反馈抑制器中的窄带吸收滤波器吸收产生声反馈频率的能量。SIA Smaart Live可帮助你很快识别有问题的频率，并能用很高的精度施加均衡（吸收），实现提高系统增益的目的。当若干个话筒同时打开使用时，系统稳定性会下降，为保持原有单个话筒使用时的稳定性（传声增益或系统增益），可在系统中设置一台话筒自动管理装置（又称自动调音台，例如Shure SCM810 8路自动调音台），可同时输入8路打开使用的话筒。利用讲话的高电平输出信号打开自动调音台的混音输入通道。其他没有接收到声音的话筒，由于只有很低的噪声电平输出，不能打开对应的混音输入通道。因此，尽管同时有8个话筒被打开使用，但实际上只有一个正在使用的话筒才被接通。保持了单个话筒使用时的系统增益。优化扩声系统常常是一个渐进过程，为获得最好的性能效果，通常须花很多时间反复多次才能达到满意结果。更详细的信息可到网站查找。- 19 -