粉红噪声：测试声场频率的标准信号源

jiangnanyu · 发表于 2005-8-30 11:07

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粉红噪声：测试声场频率的标准信号源（转载） 
什么是粉红噪声？它到底有何用？与正弦波纯音信号到底有何区别？ 
粉红噪声。既然是噪声就绝对不是单纯的纯音，它是一种频率覆盖范围很宽的声音。低频能下降到接近0Hz(不包括0Hz)高频端能上到二十几千赫，而且它在等比例带宽内的能量是相等的(误差只不过0.1dB左右)。比如用1/3oct带通滤波器去计算分析，我们会发现，它的每个频带的电平值都是相等的(2/3oct、1/6oct、1/12oct也是一样)，这就是为什么在测试声场频率特性中要用粉红噪声作为标准信号源的原因。试想一下，把每个频带能量都相等的标准信号源扩到待测声场中。再用话筒把声场中的声音记录下来和原来的标准信号一比较，不就知道声场的频率特性了吗？接着在串着的均衡器小把声场的缺阳调下即可。工程中RTA实时频谱分析仪的工作原理就是如此。 
另外。日常工程测试小提到的改变频率125Hz、250Hz、500Hz……等，都是指以上向这些频率为中心频率的频带，而绝不是拉某个频点。频带是由无数个频点组成的。达一点如果弄错，其结果可想而知。人家知道500Hz的纯音听起来就像是拿起电话还未拨号之前的那个声音。而以500Hz为中心的粉红噪声听起来就像是刮风声。从FFT傅立叶分析仪上看，它们各自的频谱特性纯音信号电平值很稳定，图形就像是一个峰尖；而粉红噪声的谱线是像波浪一样不断跳动的，电平值也是在一定范围内不停变化着的(正是因为它在不停的变化，所以专业RAT测试中为了得到准确具体的数据、必须采用平均响应显示或慢响应显示，如下图所示。 
另外在工程测试中，如果没有RTA自动频谱分析仪，我们要想得到每一个频段的电平数据，还必须要加入带通滤波器。滤波器的很多数据都是可调的，比如带宽、增益、衰减范围、FFT宙函数类型、窗函数尺寸等等。如果我们的均衡器是31段的话，那么就可选用1/3倍频程滤波器。 
关于Cool Edit Pro 
软件——Cool Edit Pro。 
它具备脉冲信号、粉红噪声信号、白噪声信号、纯音信号发生功能。另外具备很专业的各种类型滤波器，这一点很宝贵，前面提到滤波器的各种参数它都具备，当然可调参数比这还要更多。 
正常运行此软件只需一台32M内存的奔腾100即可，但要准确稳定高效地进行测量则必须使用P II 266，64M内存(赛扬CPU也可以)。因为我们在测试中要同时运行两个Cool Edit Pro程序界面，第一个用于生成并播放粉红噪声信号，第二个用于拾取声场中的粉红噪声。所以系统内存越大越稳定。同时，高质量的声卡也是必备的，因为好的声卡的A/D、D/A转换比特率是很高的，失真度也极低。笔者的配置是CPU：P III 800EB，内存128M；声卡：创新SB Live！数码版。 
我们如何进行系统的连接呢？ 
我们把高品质无方向性的电容话筒放入待测声场中一个适当的待测点上。离地面1.5米左右。另一端插入调音台、打开幻象电源。此话筒通路的均衡器旁路，同时把这一路的辅助输出(最好是前置PRE)发送到声传的线路输入。把电脑声卡的线路输出接入调音台的线路输入。旁路调音台此路的均衡。接下来打开所行设备，31段均衡器、反馈抑制器和激励器旁路、其他设备处于正常匹配工作状态。 
打开Cool Edit Pro，点击图标弹出文件格式对话框。选44.1kHz，16bit,声道模式(由于生成的立体声信号两个卢道并不完全一样，再加上我们是两个声道先后进行测试，所以选单声模式)，点OK。又弹出噪声对话框，选PINK(粉红噪声)单声道，其他默认。点OK。再打开Cool Bdit Pro一遍，点击新建图标，文件格式同上。让两个图形界面纵向平铺，如下图所示。 
双击任务栏上的小喇叭图标，在弹出的“播放控制台”中让“线路输入”这一项处于静音状态、否则将影响测试，且系统内部易发生自激。接着点击控制台中的“选项”菜单、选属性中的录音选项，点确定。在弹出的录音控制台中关闭其他音量滑杆，把线路输入的滑杆推到最大。 
让左边的窗口进行放音，调整接声卡输出的此路增益到最大不过载位置，同时注意声场中的声压级不要太大，以免损伤音箱。声压级大于背景噪声35dB即可。此时调整话筒通路增益到适当位置，调好后再调整发送到声卡输入端的辅助输出电平、单击右边窗口的图标并观察线路输入电平，最好在-6dB~0dB以内。 
下面正式开始录音。点击左边窗口的图标，让其处于循环放音状态，再点击右边窗口的录音键，系统开始一边放音一边录音。我们让其录音30秒，然后停止录放音。此时右边窗口里，我们便得到了声场的粉红噪声信号数据。 
我们来对此记录的粉红噪声信号进行滤波分析，就知道哪一频率的具体吸收情况，从而可以以此来调节均衡器。点击右边窗口里的图标，弹出科学型滤波器窗口。点Butterworth选项卡，选Band Pass带通型，如下图。 
由于我们的均衡器是31段的，则必须以1/3倍频程衰减特性进行滤波。在此以100Hz中心频率为例：它的带宽是89.1Hz~112Hz(于1/3倍频程滤波器中每个频带的带宽的具体数据在《音响技术》1999年增刊中有详细说明)。那么对照图中我们在Cutoff中填89.1，在Hight Cutoff中填112。在Order(滤波器的斜率当然越陡峭越好)中填最大40。选中Extended Range(滤波器的衰减范围)前的复选框，Master Gain为0。然后我们把这一数据作为一个预值保存起来，在Prester中点Add，弹出的对话框中为其取名为100Hz，点OK。同样地，把其他30个频点也如此填入带宽值并保存在Prester中，取上相应的频率名，如下图所示。 
现在，我们在如图所示31个预设值选中一项，点OK。则粉红噪声被选中的预设值滤波出来了。再点工具栏中图标，开放计算，其计算结果包括很多项，我信只选Average RMS Power（平均功率）的数据，如下图。 
记下这一数据。然后关闭此窗口。 
点击撤消图标，撤消刚才的操作，则又恢复到我们刚开始所录的原始素材界面下。继续点击Presets中其他预设值，再进行滤波并计算其电平值，记下此数据，再撤消……依此类推把其他所有的频带的电平都统计下来，则待测声场的频率特性就出来了。接下来的工作就简单了：针对刚才的31个频段的统计数据把均衡器调好就行了。 
其实还有一种测试方法，就是在左边的窗口里打开滤波器窗口，选取预先设置好的那31个频带从低频到高频依次进行预览播放，同时右窗口进行录音。这样我们对所录的信号从低频到高频选取相应频段计算各自电平，也可以达到同样的测量结果。注意每个频带的记录时间最好保持一样长，比如30秒。如果不一样，也没有关系，只要时间长度相差不是太远。其误差很小，一般在0.1~0.2dB左右。另外，右边窗门可以连续的记录左边31个预览信号，也可以建立31个文件分别记录都可以。 
均衡器调好一个声道后，再调另一个。两个声道都调好后，再参照话筒的频响曲线，找出话筒频口向的峰和谷，在均衡器上作适当提升和衰减。比如：话筒在500Hz处有一峰，则在均衡器上此点应作适当提升。这一点也不能忽略。 
最后调整反馈抑制器和激励器。 
至此，两种方法都介绍完了，笔者曾经用RTA实时分析仪检验过此方法，结果几乎一样。由此可以证明完全可以在没有专业测量仪器的情况下运用此方法来测量声场频率特性。 
 
中低频驻波不可怕 
 
 
中低频驻波可怕吗?事实上每一个房间都有驻波产生，只是频率分布得不一样而已，越大的空间产生驻波的机会越低，影响也就越小。那么怎样才知道房间的驻波频率呢?魏珏经验是：以房间最长边的队离去除声波每秒钟行进的速度340公尺就可以了。例如房间长了5米340/5＝68，以半波计算。在32Hz处就会有一个比较大的突起。而且驻波不是只有单一频率，32H2的倍数像60Hz、128Hz等也都有较弱的驻波。还个仅如此，一个密闭空间有三组相对的墙面，所以会有三组个同的驻波产生。即使一对在无响室中频率口向应测量起来是±0dB的超级音箱、放到普通空间里面，频谱分析仪看起来低频段仍然是高高低低、主要原因也就在这里。 
只要巧妙处理或运用低频驻波，他们并不是想象中那么可怕。魏珏告诉我们，他曾经听过一对美国Legacy的越小型音箱，在30多平方米的空间内固然可以体会出它有超过体积的低频延伸，不过相对也付出大功率放大器的代价。后来同样一对小台箱在另一展示间里，竟然一下“长大”了，鼓声低沉有劲，低音提琴拉起来让人麻酥酥的，而用的放大器反而功率更小。听过的人都不相信小音箱，可以有这样的声音，甚至怀疑是不是偷偷接了超低音音箱。魏珏的推测是空间帮了大忙，适量的中、低频驻波使得音乐更为浓郁厚重了。 
可惜不是每个人都这么幸运，空间小产生的驻波频率不一定是你所需要的。当驻波能量集中在100Hz左右时，鼓点与随后的鼓声共鸣会太过膨胀，甚至糊在一起只有轰的一声。同时有贝斯与鼓声出现时，两者也容易混在一起而无法有清晰的旋律线。这时候人声通常也带着一些鼻音，好象感冒没吃药似的，根本谈不上透明度与细节。万—这个驻波能量太强。音响根本就无法开大声听，否则只怕窗子、柜子都会跟着一起震动。在普通的居家空间里，最常出现的恼人驻波大约是50Hz左右，找一张测试片来试试就知道了，通常在这附近正弦波信号会震得满属于子嘎嘎响。要避免的最好方法当然是设计专用音响空间，例如按1：1.25：1.6与1:1.6:2.5的黄金比例兴建音响室，IEC国际电工委员会也是这么建议的，不过一般人根本不可能圆梦。所以就别提了。你也以从选择大小合适的音箱着手，避免贪心过头，别想在1O多平方米大的空间里硬要挤进超低音。另外就是得用一些道具来克服。 
以个人的经验来说，对付中低频驻波，扩散要比吸收来得有效。在专业录音室、小型演奏厅里，他们对付驻波另有一套方法。也就是量身建造的低频空箱。这种空箱的制造有一套公式可以计算，材料以MDF板为主．里面再塞进坡璃纤维棉。它的主要作用是吸收某一特定范围频率，当声波进入空箱后会因能量转换作用被衰减、吸收。需要计算的理由则是每个空间的条件都不问，需要衰减的频率与能量多少也不一样，所以这种东西无法大量生产。录音室的控制间里顶多不过18平方米大，却能完整而平直的听到20Hz极低频，主要秘诀就在这里。 
那么家中也如法炮制不就行了？不行。市面上的吸音材料如防火的Sonex，最厚的一种吸收频率不过到500Hz左右，滥用这种吸音材料，说不定低频驻波没解决，反而连宝贵的中频通通牺牲掉了。在水泥墙上另外加上木材隔板是个方法，不过一则工程较浩大，二来你无法确知会吸收掉什么频率(绝少有单一频率的吸收材料)。制造大曲面的圆弧也是方式之一。不过要改变100Hz的声波路径，所需要的曲面是1.7米，你的房间能做几个?比较实用的方式是在房间的角落摆一些空箱、木柜，或者摆一些质量大的物体，像是装满书的盒子、实木做的椅子等。这些道具都具有吸收，或者打散驻波的效用，但是着力点是在哪一个频率，影响的程度有多少。都必须你自己试过才知道。以坚固材料制做的木柜相当好用，它可以说就是录音室里低频空箱的翻版。不论里面用来关空气或放置唱片，都蛮理想的。要注意的是木柜需要一个个搬进去尝试。大而无当会有副作用。另外，摆几个大型沙发也有部份效果。 
你大概发现到了，上面所说的几个方法都有不确定因素，有些人使用后发现改善明显，有些人可能却无动于衷。不确定的因素包括了房间大小、使用器材、环境结构等坐数，谁也无法提供你任何答案。反而是处理中高频会比较简单一些。市面上以保丽龙制造的扩散板或各种PRG都很有用。希望兼顾美观的人，则可以在音箱后面，侧墙第一次反射区附近摆设人造盆景，最好是选用叶子比较宽大的假树，高度与人齐就可以了。有没有比较科学化。有数据可参考的道具供选购呢?市面上的保丽龙扩散板只对中高频有效，而无论进口或国产制造的木板RPG，也都是以1000Hz为基准设计出来的。他们对低频通通没办法。 
当一部大卡车载来四个扩散板时，可真是把人吓一大跳！这么大的东西怎么摆?低频用的扩散板有多大呢?高约120cm，长宽各为60cm，全部使用MDF板钉制，必须要两名壮汉才能抬得起来。不过既然借来了，只好硬头皮请进家里。这扩散板是根据德国哥登堡数学教授Manfred Richard Schroeder所提出的二次余数声音扩散理论制作的，不过计算方式改成1/4波长，否则一个100Hz的扩散板做起长宽都会超过1米，更没有人摆得下了。以制作品质来说，这次MDF板喷上黑色平光漆的外观，已经比第一次见到的贴木皮成品要进步许多。 
走进魏珏的家，他的大聆听室约有40平方米，天花板与音箱后墙、两侧墙都使用了一些PRG扩散板处理，聆听位置后面则是一壁毯，另外还有沙发、木柜、地毯等摆设。原来在125Hz左右有一个凹陷、加上两个超低音后以频谱分析仪调整，200Hz以下大致都能保持±2dB以内的理想状态。这四个巨无霸，当然只有这么大的空间摆起来才不会有咄咄逼人的压迫感。魏珏把它们分置在房间的四个角落。希望对低频的分辨率有更进一步的提高。过去我们在墙角处以圆弧或斜板处理、通常都能对中高频产生效用、摆放Room Trop或Roon Tune也都是针对中高频进行吸收使其不至有过度密集的能量。它们对低频都束手无策。尽管如此，使用这些方法后对音场后排的扩展与清晰度已经有明显的帮助。要是扩散板能连低频一并对付，岂不妙哉！ 
据魏珏说，总共一个多月的时间里，他前后挪移、左右晃动、进行了前所未有的体力劳动。由于扩散板实在太大了，常常换个位置连器材都要跟着搬家，而这些后级放大器动不动五、六十公斤以上，幸好天气还算凉爽，要不然一定中暑。在他的聆听室内，扩散板并没有带来惊天动地的改变，应该说是原来这个空间中就没有什么严重的低频驻波，所以无法让它发挥实力。不过仔细比较，仍然会发现，从中频以下的声音整个轻松起来了，Dorian的圣桑“管风琴”交响曲依然极低频造成的空气波动，但能量平均扩散开了；RR的“Beachcomber”大鼓打下去同样会摇动地板，但令人作呕的刺激感减少了；Telarc的“星舰历险记”特殊效果声势吓人。但汹涌的震波比较不会让内脏六腑翻滚了。 
不久，魏珏又想到这些扩散板放任小房间中效果可能会更显著，于是又动手移到18平方米左右的聆听室中。这里两边侧墙摆满了唱片，也刻意制造出凹凸不平的扩散面、聆听位置后面又是一墙壁的书。至于音箱后面是加了窗帘的落地窗。经过大量的扩散处理后。中高频相当平顺灵活、但50Hz以下仍有一些起伏较大的低频驻波。好不容易把四个低频扩散器“塞”到四个墙角，视觉上的压力增加不少，这是有兴趣购买者必须要特别考虑的。 
果然，低频扩散器在这里发挥了作用，MartinLogan The Aerius静电喇叭经由Conrad—Johnson前后级挤出来的低频结实有力，控制力紧密而透明感绝佳。不过在这个空间里电贝斯最下段容易出现一个低频峰值，听一些国语歌曲也容易有轰轰的不舒服声音。经过扩散处理后，低频峰值不见了，轰轰的感觉也没有了，这对静电喇叭终于可以在这里高声歌唱，发出非常自然通透的音响。要注意的是低频量感并非减少，而是平均扩散开来，当音量开大时没有特别聚集的能量，听感上就舒适许多。 
越小的房间，就越能体会到房间好象不见了!虽然低频扩散器相当有效，但因体积庞大的关系，魏珏提出了善意的忠告：在这里要叮嘱各位发烧友先量量看自己的空间，不要买回家才吓一跳。