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技術帝:聲波疊加對家庭影院有什么影響

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人氣:-發表時間:2015-11-09 13:43【

  太川科技(www。bjtaichuan。com)導讀:大家購買上家庭影院設備后,一般經過使用會發一些問題,比如聲波疊加對于家庭影院的使用有哪些影響?原理是怎樣的?我們可以通過這篇文章來了解關于聲波疊加對家庭影院的影響。

  聲波疊加的效果,優劣就表現在最終完成的聲音上,尤其是在密閉的影音室是非常重要的,因為在這個空間多聲道系統發聲,在密閉空間中一定會有反射,而且是多次反射,音量的疊加及干涉就會產生,只要真正控制好器材系統的相對相位,就能產生好的聲波疊加。

  美國KSP全景聲系統就是在做這樣的事情,把器材系統的相對相位差,縮小到一個極限, 在密閉的影音室就不用太多的吸音(使用多的吸音就是把壞的疊加與干涉吸掉,是器材系統不到位產生的,而且這樣做是把很難確定吸收頻段的吸音材料,推上像后面所說,拉斯維加斯賭局賠率大的一面,因為不可控的因數太多)。

  這也是頂級HI—END 兩聲道系統要求多擴散,少吸音的原理,能看清美國KSP全景聲系統的價值了嗎?

  下面就是燒腦階段的聲波疊加原理說明:

  


  聲波疊加的定義

  當兩個或多個聲頻信號混合在一起時就會產生疊加,并且產生新的波形。疊加可能只是一個瞬間的事件,因此控制它的機會可能很少。但只要滿足某種條件,疊加就會穩定的,并且混合的結果是可預測和控制的。

  疊加的條件

  只有當信號保持恒定的幅度和相伴關系才能產生穩定的疊加。這并不是說信號必須是幅度和相位匹配,它們可以完全不匹配。但不論關系如何,它們必須是恒定的,穩定疊加的必要條件是匹配的信號源和疊加交匯點上存在持續的重疊時間。

  


fg美人捕鱼  疊加示意圖;輸入信號可以是簡諧信號也可以是復合信號,但信號必須在同一區間

  信號相加(混合)信號間的差異。對穩定疊加聽評估是基于指定的頻率。要想在某一頻率上產生穩定疊加,要求輸入信號在那一頻率上具有固定的微分。要想將其擴展到整個頻率范圍,則要求輸入信號在整個頻率范圍上具有穩定的微分,那么信號必須具有相關的波形,即信號必須是源于同一原始信號源的波形。從遺傳的意義上講,它們一定要是同一父母波形的后代。

  在聲頻系統中產生這種情況主要有兩種形式:電學復制和聲學復制。這些信號的復制處理遍布整個聲頻領域,調音臺(電學)、揚聲器陣列和反射(聲學)就是明顯的例證。如果相加是完全一樣的信源信號,那么疊加就如同簡單數學意義上的相加運算一樣。如果信號克隆得不成功,那么復制信號與原始信號的混合形式就復雜了,其結果就是穩定和可預期的,便不一定是相加混合。

  來自兩只不同位置揚聲器的單聲道信號能夠在房間的指定點上建立起穩態的疊加。這種疊加可能在每一頻率具有不同的響應,響應在時間上是穩定的。正因為如此,響應才是可以測量的,并有可能進行延時、均衡和其它校準處理。將貝多芬的《第九交響曲》與Black Sabbath的《lron Man》混合則會產生不穩定的疊加,因為信號是隨機的,信號源的匹配也只是瞬間出現的情況。在這兩種極端情形之間的就是立體聲了。

  來自兩只揚聲器的立體聲信號混合能夠產生穩定的響應,信號完全出現在一側通道的情況是不會出現的。由于兩個信號是不完全相關的,所以疊加響應會根據兩通道差異程度以一定的比例關系產生時間上的變化。因此這種系統疊加不能用均衡來處理,因為混合后的頻率響應是恒通量的。立體聲音樂的這種不穩定疊加屬性可以通過一個簡單的聽音實驗來加又說明:將調音的左右信號進行電學意義上的疊加。最終不穩定的電學疊加被音響系統重放出來,并且可能被空間的聲學疊加混淆。

  


  圖為:聲源匹配情況對疊加的影響。上圖:聲源產生的相關波形形成了穩定的疊加。下圖:不相關聲源的疊加關系是隨機的

  持續時間

  持續時間取決于兩個頻率共享同一位置的時間長度。這里研究一下來自像音樂或噪聲這樣的隨機信號源某一頻率的情形。該頻率下的信號幅度是隨機變化。如果該信號的兩個復制信號疊加在一起且同步,那么疊加的持續時間是無限的。它們一起升高和下降,始終維持一種匹配關系。如果兩個信號在時間上存在偏差,那么疊加的持續時間將被限制于兩個信號均存在的時間范圍內。第一個信號會一直在相遇點等第二個信號的到來。如果信號的持續時間足夠長,那么兩信號將會相遇并疊加產生一個穩定值。當聲源停止發聲時,先期的信號將會比后期的信號先離開相遇點。

  如果信號的持續時間短于兩信號到達相遇點的時差,則不會發生疊加。因此像回聲這樣的后到來信號,只有信號的持續時間長于時間偏差才會發生穩定的疊加。這似乎就意味著除了同步系統或者有像正弦波這樣的信號源之外就不會產生穩定的疊加,但實際并非如此。一般而言,音樂和語言的持續時間都遠長于獲得穩定響應所需的時間。為了讓耳朵能區分出音調,信號必須維持時間足夠長的時間。

  為了讓耳朵能區分出音調,信號必須維持足夠長的時間。要想改善對音調的感知,則持續時間要長于一個波長,而大多數音樂都遠遠超過該持續時間。因為聽感是與波長相關的,所以人們感知到單調變化所需的時間長度也是隨頻率而變化的。例如:對于4kHz而言,25ms是足夠長了,其長度相當于通過100個波長所用的時間;而對40Hz來說,25ms只相當1個波長所用的時間。感知低頻的音調要比感知高頻音調所用的時間長。大部分音樂的語言的持續時間都比單一波長的持續時間長,盡管缺少同步,我們還是可以在給定的頻率上有足夠長的時間來獲得穩定的疊加。

  


  如圖:如要形成穩定的增減形式疊加,信號在疊加點處的交疊區必須有足夠長持續時間

  除非有另外的說明,一般都是假定信號有足夠長的持續時間來產生穩定的疊加。如果走出了限定的條件則會加又說明。

  疊加的數量

  只要信號滿足前面所述的穩定疊加條件,那么參與疊加的信號數量并沒有限制,比如房間的反射實際上就是無限數量的單一信號疊加的例子。當反射的時間偏差超過了信號持續時間時就不再產生穩定的疊加。

  


  圖為:參與疊加的輸入是沒有數量限制的。輸出上的潛在增加會隨每個輸入而提高

  電與聲的疊加

  對于電學和聲學系統而言,大部分疊加屬性是一樣的,其主要的差別表現在疊加的空間位置上。電信號的疊加是沒有幾何空間的,而聲信號的疊加如果沒有幾何空間則無從談起。電信號的疊加發生在電路內部,并且結合成為具有全部新屬性的信號。當該信號變成聲信號時,電疊加信號就通過揚聲器重放出來,并傳遞到揚聲器覆蓋區的各個點。如果電信號存在1kHz抵消現象,那么在空間的任何位置都不會聽到1kHz的成分音。

  下面將它與聲信號疊加作一比較和對比。如果只是為聲學空間的一個點進行測量,那么會表現出和電疊加一樣的屬性。但是與電信號不同的是,在一個位置抵消的頻率可能會在另一個位置又重新顯現出來。聲信號彼此間有很大的互補干擾性,并形成空間每一點唯一的疊加結合。

fg美人捕鱼  下面的盒子就更清楚地說明這一問題:兩個同樣的電信號,只是極性相反,疊加的結果只是在某一個位置完全抵消,而有些位置抵消的程度低一些,有些位置還會出現完全地相加情況。當極性反轉時,聲能量并不變化,只是移至另一個地方。

  聲源的指向性

  聲信號疊加所包含的信號是由不同方向傳輸來的波動。每一聲波的方向性成分是空氣粒子運動的結果,也稱之為強度。對于聲學家而言,強度分量具有十分重要的價值和重要性,因為它是確定空間內特定反射源的潛在因素。但是我們的工作性質與聲學家不同。我們的問題是:強度信息與疊加的關系如何?疊加會因信號的空氣粒子方向性而改變嗎?

  對于給定的空間某一點:答案是否定的。就像上面提及的電信號一樣,疊加是由交匯點的信號相對幅度和相對相位決定的,但是聲源的方向將會對整個空間的疊加分布情況產生非常大的影響。聲源間的方向關系是決定空間疊加變化率的主要因素。疊加變化率轉變成了空間響應變化的程度。值得慶幸的是,我們并不需要設立強度檢測傳聲器來觀測這些,因為這種做法成本非常高,而且也不實用。我們可以用眼睛觀察到聲源方向在疊加過程中所起到的重要作用。這就是揚聲器和墻壁。

  


  如圖:來自不同方向的聲源疊加。在指定點上的空間疊加不受聲源方向的影響

  疊加的數學表達

  兩個最簡單形式的疊加信號間關系可以用如下的公式表達:

  1+1=(±1)*

  *取決于相對相位

  該公式表明了對兩個信號間相對相位的臨界依存性。疊加信號可以相加,使數值提高6dB,或者低到0(-∞dB)。當看數字時,疊加屬性表現為平衡,而當用對數(又dB形式)形式來看時,可以看到衰減的影響遠遠大于相加的影響。疊加是一種聲學上的賭博,這里相對的幅度是賭注,而相對相位則決定輸贏。當相對幅度與賭注相等時,輸贏最大。這里處處存在風險,我們可以又本金翻番,也可能血本無歸(-100dB)。隨著聲級差的加大,這種賭博的大小變小了,也就是說既不會贏很多,也不會輸很多。相對相伴就相當于拿到了牌,它會決定輸贏。

  在拉斯韋加斯由于經濟法的原因,猜奇偶是很受歡迎的賭博游戲。由于物理規律的原因,在這里奇數可以突然變成偶數(能量不可能創生或消失)。這種游戲是非常不對等的。我們的獲得很小,而且要在很大的范圍上均攤;而虧損卻很大,并局限于很小的范圍內。職業的賭博者研究了游戲的各種可能的結果,所以他們了解其規律。因此我們也應該這么做,我們不能改變規則,但是我們可以將賭注押在贏面最大的一方。

fg美人捕鱼  上面的公式可以整理成如下的形式:

  疊加=(相對幅度限制系數)×(相對相位的乘積系數)

  這兩個系數共同影響混合的結果,但是卻是分別起作用的。因此,對其要單獨進行分析。首先,我們要研究相對幅度的范圍設定,然后再去考慮相對相位在該限制中的最終地位。

  疊加的幅度

  兩個在時間上同步的匹配聲源的疊加為:

  疊加=20lg(S1+S2)/S1

  這里的S1 是其中較強的信號,而S2 是等于或小于S1 的信號。

  從中我們可以看到,最大的相加量發生在兩信號相等的情況,隨著兩信號電平差電平異的加大,疊加后的信號會減小。當兩者間的幅度差大于12dB時,較弱信號的影響幾乎可以忽略不計,信號幅度與強信號基本一樣。關于最大疊加公式的結果示于圖。

  如圖:疊加后的信號電平取決于兩個輸入信號間的相對電平。匹配的信號具有最大的潛能。該表中的數值表示出了以兩個信號疊加為例的最大限制,這只在兩個信號的相位響應完全匹配時才會發生。

  


  相加的限制并不只局限于兩個聲源,而是取決于預算。多個聲源的相加開啟了進一步相加的可能性大門。聲源數量每增加一倍,響應在電平上會有6dB的潛在增量。在電信號疊加的情況,最大的增量很容易得到,它相當于電壓增益提高6dB。通過對多個聲源疊加的推理,可以將聲壓級提高到想要的值。之前我們開始點算音箱數目,結果是聲壓級馬上就達到了170dB,實際上這里要考慮一些限制因素。為了得到6dB的增量,系統必須像電信號那樣疊加,即信號必須是電平和相位上完全一樣。聲信號必須是百分之百地產生聲學交疊。

  聲學疊加的空間屬性表明:除非在非常小的空間點上,否則是根本不可能發生像電學一樣的情況的。就像后面要討論到的,最大的相加情況的產生是要有代價的,既要又空間上的聲壓起伏為代價。在大多數應用中,我們會發現:隨著頻率的提高,最好是交疊最小,而只保留在低頻端的聲壓級的大量提升。

  


fg美人捕鱼  如圖:隨著輸入數量的增加,疊加電平也會提高。輸入數量每增加一倍,輸出會提高6dB

  疊加的相位

  相對相位試題的是彼此分離的兩個信號間在一個波長內相差的分數,并又度來表示其差距。如果兩信號相差的間隔是零波長,則相應的相對相位就是0°;相差半個波長,則為 180°。我們可能還記得相對幅度的范圍是0dB至無或減小的準確量值是不能單獨通過相位周期圓得到的。當相對幅度接近1時,相位輪的作用加強了。但是在任何情況下影響是不對稱的,增加的區域總是要比減小的區域寬,這總是可以通過幅度的減小始終大于增加這一事實加又平衡。相位輪固有的這種非對稱在疊加控制方法中是關鍵的因素。

fg美人捕鱼  下面研究在最極端的情況下相位輪的作用,即相等幅度的兩個信號疊加。在這種情況下會發生最大增減量的疊加。圖2.8和圖2.9所示的就是兩個信號單位增益疊加的幅度值結果。增加的不對稱性可以通過觀察產生6dB變化所需的相移量的差異反映出來。增加變化的范圍延伸至120°,相對而言減小的范圍只有30°。

  當相位響應正好相反時,產生最大增加量所要求的幅度匹配條件也能導致最大減量發生。因此相對幅度產生了如圖2.10所示的上下限。在單位增益疊加時兩個限制值達到其最大值,并且當幅度存在差異時,限制值降低。

  增加和減小的影響是個連續函數,即它并不是人們所認為的那樣,要么有,要么無的。由于關于“同相”和“反相”的論述存在很多誤解,所以還是有必要對此作一些解釋。同相和反相一般是指信號的極性,它具有二元性的特點。對于我們的工作而言,“同相”可以視為是相對相位小于120°的疊加,是一種增加的混合。相位輪的相減區也就是疊加公式的反相區。

  圖2.8用相位周期變化輻射圖的形式表示疊加時相對相位的影響。每種顏色形態代表3dB的電平變化

  


  圖2.9通過坐標的電平與相位差關系,表示疊加時相對相位的影響

  


fg美人捕鱼  圖2.10不同電平差的信號疊加的極端情形,最大疊加(同相)和抵消(反相)。相位差在此兩種情形之間時,電平在此最大和最小值間變化

  


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