扬声器和麦克风测试中的回声消除

房间内的声反射,会以混响的形式,显著影响声音的特性。在对扬声器和麦克风进行声学品质测试时,这些反射就会让结果不精确,必须要尽可能的消除。测量结果应该能被重现且不被房间的声学特性干扰。好消息是:除了建造大型消声室之外,还有一个可行的替代方案。测试可以在有混响的房间内进行,且混响可以从测量结果中排除。处理的过程,涉及到通过时间窗过滤脉冲响应。

在某些情况下,我们需要混响。众所周知,音乐厅的“好声音”就是人们对声学元素善加利用创造出的,即通过引导乐器发出的声波经不同传播路径到达听众耳朵来实现。在交流环境,比如教室内,人们也尝试着减少但又不完全消除混响,从而达到提高语言清晰度的目的。

但在对麦克风或扬声器进行声学品质测试时,我们却想完全消除反射,因为只有待测体的属性需要考察 – 不参杂待测体所置空间的因素。一个可行的方案就是,在内衬吸声材料的低反射房间内进行测量。而所需吸声层的厚度或多空楔的长度往往意味着这样一个房间是巨大又昂贵的,不是人人都有条件使用。实践中,麦克风和扬声器品质测试一般都在较小的测量室内 – 这也意味着,测量结果很大程度上受到环境影响。现代信号处理方案则提供了新思路。

Anechoic room
消声室

脉冲响应

要将房间反射从测量结果中消除,首先要能在测量中检测并看到反射。这可以通过传输一个快速,幅度较大的脉冲来实现。测量结果会显示多个脉冲:第一个脉冲代表由扬声器传至测量麦克风的直达声,而之后的脉冲侧由测量环境反射而来。

上图:带反射声的脉冲响应 下图:带反射声的频率响应

滑频

滑频信号是已经在现代音频测量技术中使用多年的测试信号。在滑频信号中,信号频率连续增加。它的起始和终止频率,以及持续时长都可以设置。在线性时不变系统中(LTI 系统)- 扬声器就是这样一个系统,脉冲响应也可由滑频信号激发从而检测。脉冲响应是对测量结果进行各类计算的基石,如频率响应或失真。一个典型的滑频测量步骤如下:

  1. 使用滑频信号激发待测体;
  2. 采集模拟输出信号并将其数字化;
  3. 通过激励信号和数字化的信号计算脉冲响应;
  4. 通过脉冲响应计算所需的测量结果。

时间窗过滤脉冲响应

要将反射从测量结果中滤除,可以在脉冲响应计算完成后添加一个时间窗。时间窗确保了只有脉冲响应的主脉冲(直达声)被用于后续计算。主脉冲之后到达的反射声都被过滤。这就需要在信号处理中插入一个环节:

  1. 使用滑频信号激发待测体;
  2. 采集模拟输出信号并将其数字化;
  3. 通过激励信号和数字化的信号计算脉冲响应;
  4. 通过时间窗过滤脉冲响应;
  5. 通过脉冲响应计算所需的测量结果。
上图:添加时间窗的脉冲响应 下图:消除反射后的频率响应

时间窗的影响

一旦测量结果的计算中不再有反射声,曲线扰动便会消失且频率响应曲线连续变化。然而,将脉冲响应从第一个反射声前切断也会同时将用于完整描述 LTI 系统的信息抹掉。时间窗的一个影响就是,截断频率 f(g) 以下的结果不再完全可靠。这些频率表现为频率响应中的“不确定频率”。f(g) 通过时间窗的时间位置 t(f) 计算:

上面的示例中,t(f) 约为 210 ms。计算得到频率 f(g) 约为 5 Hz,这对结果并没有什么影响。如果是更小的房间,反射到达更快,如 t(f) 为 20 ms 时,限制频率就达到了 50 Hz。从这一点也能看出,在测试时,扬声器和麦克风必须尽可能远离反射面。

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