小房间家庭影院早期反射声和低频声学问题分析

　　很长 一段时间以来，传统的观点把大、小房间的声学视为一个整体，运用一样的处理方法。但是两者之间存在着根本性的差异，应以不同的方式加以处理。在大房间里，我们更关心的是扩散声场以及如何管理它们;而在小房间里，我们关心的是早期反射声及由共振/驻波主导的低频。随着频率的增加，我们看到声音从波行为(波动声学)到声线行为(几何声学)的转变。发生转换的频率我们称之为临界频率(或者转换频率)，小房间通常临界频率在250hz-300hz左右。临界频率以下声音由房间主导(低频)，临界频率以上的中高频则由扬声器的直达声主导。在电影院(大空间)，超过1000hz的直达声占主导地位。在大约250hz以上，所有重要的声学活动都发生在前50毫秒内，包括直达声和少量的早期反射声。声音效果如何取决于扬声器的指向性和室内的吸声效果。小房间和大房间之间就如何进行声学处理有很大的区别。 转自laowoniu.com

　　“传统的观点是吸收所有的早期反射声，但是对小房间声学的研究表明，情况并非如此。” https://www.hdav.com.cn/play-hometheater/4430.html

　　大部分声学专家将LEDE(声音的活跃端/死寂端)方法应用于小房间声学，通过这种方法，他们可以用吸收法来处理第一个反射点(侧墙和地板/天花板)，认为这是处理早期反射的正确方法。 hdav.com.cn

　　Dr. Floyd Toole(弗洛伊德·图尔博士)是第一个在他的著作《声音重放：扬声器和房间》里挑战这个概念的人。他把几个研究人员和他自己的研究结果汇总起来，得出的结论并不是非黑即白的(即不确定)。许多以娱乐为目的进行听音的人实际上更喜欢早期反射声，当音乐在活跃的房间里播放时，扬声器系统显示出均匀的轴向响应和受控的离轴分散。与单纯吸收早期反射(尤其是来自侧墙的反射)相比，保留离轴反射实际上增加了空间感，也增强了聆听作品中的方位信息。 https://www.hdav.com.cn/play-hometheater/4430.html

　　不同的聆听环境有何考量?

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　　根据FloydToole的说法，早期侧面反射的感知效果取决于你在做什么/听什么。从混音，到控制室内进行监听，再到以娱乐为目的进行聆听，收集的证据表明，反射声水平、占比可以逐步提高。这不仅仅是一个人的观点。最近的一篇AES论文表明，做监听的工程师比混音师更喜欢反射。监听工程师需要倾听他们的客户所听到的。一些非常著名的监听工程师在他们的起居室里使用消费级的扬声器进行混音监听工作(这都是立体声的)。

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　　对于家庭影院和电影来说，多声道音频是非常不同的——想象一下LEDE的电影院或家庭影院，Floyd老爷子的书里对于多声道有专门的描述，他说多声道下，包围感更多来自环绕音箱与主箱的配合。历史上，专业音频一直困于大型监听扬声器的糟糕的离轴响应性能，其中唯一的实际解决方案是吸收它 – 这也是为什么大家一直都认为侧墙的反射点应该尽量做吸收。现当今，这些情况得到了很大改善，很多监听音箱能提供很好的离轴响应。但是RFZ和LEDE的概念一致沿用了下来。LEDE的讨论在Folyd的那本书里是一个很重要的话题。但对于这个重要的话题，在他之前，几乎没有真正有人去进行相关的研究。

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　　“统计学上，没有发现声学处理产生的主要效果。” hdav.com.cn

　　在最近由RichardKing、Brett Leonard和Grzegorz Sikora撰写的题为《The Practical Effects of Lateral Energy inCritical Listening Environments》的AES论文中，由26名专业录音和混音工程师、编辑、制作人以及录音专业的学生组成的小组在小房间里进行了受控的听力测试(使用盲听测试)。研究的重点针对音频专业和音频制作环境，目的是确定这些专业人员是否对侧墙(相对于前扬声器的第一个侧壁反射点)的处理方法即吸收、扩散或反射之间有所偏好。

　　结果表明，强烈的侧方反射能量的存在，起初会降低受试者在正常误差范围内完成任务的能力，但很快受试者就会适应，能快速恢复到原来正常的制作速度和准确性。

　　该论文的结论是：统计上，“没有发现声学处理的主要影响”。这些经验丰富的音频专业人员表达的个人偏好中，11人投了保持反射(即什么都不处理)，8人投了扩散(使用扩散板)，7人投了吸收(使用全频吸收)。这一证据告诉我们，即使不同的处理情况产生了可闻的变化，专业人士也很快适应了不同的情况。虽然有个人偏好，但他们却表示这与混音任务能否更好更快地完成并无直接关系。

　　早期反射&声学处理基础：不要简单地把吸音材料弄到墙上。首先，你需要选择性能良好的扬声器，它们应该有平坦的轴上响应和控制良好的离轴响应以保持关键的早期反射，这些有益于增加扬声器在房间中重现、描绘良好的声音场景(增加舞台宽度)。你应该注意如何处理侧墙的反射声，或者应将注意力集中在房间的其他区域。无论做了什么，都要小心不要让事情变得更糟(过度吸收或者不均匀吸收)。如果你的选择是吸收声音，尽可能地做全频吸收，使用8-10cm厚度的全频吸收模块。不要只用2cm的材料吸收只吸收高频。

　　Floyd老爷子的书里有一个视听室中高频的处理实例，他建议侧墙的第一反射点留空，可以在将来聆听测试时候再选择你认为合适的处理方式，可以是吸音(全频吸音)，扩散或者是什么都不做(光墙反射)。我在我的那篇声学设计文章中建议使用吸音扩散模块也是这个考虑，模块化会方便在后期进行调整、增减。

　　

 

　　小房间里的低频：需要做低频陷阱吗?

　　“低频陷阱将机械能转化为热能。”

　　如果你能控制低频，小房间将是一个很好的再现声音的环境。因为房间的尺寸通常与低频的物理尺寸(即20Hz=17.2m)相当，房间产生的驻波会破坏每个听者在房间里听到的低频质量。为了解决这个问题，传统的方法关注的是被动的吸收即做低频陷阱。低频陷阱本身并不捕捉低频。相反，他们把机械能(低频)转换成热能。用作低频吸收的低频陷阱通常又大又笨重，你需要很多陷阱才能有效地吸收到很低的频率(低频陷阱通常对于40hz以下无效)。使用低频陷阱，可以改善驻波的堆积问题，但也降低了系统效率。你必须提高低频输出声压，才能达到未经处理的房间中相同的声压。

　　低频陷阱种类

　　低频陷阱是由它们的功能来定义的：声阻型(多孔结构)，机械震动型(薄板型)或声学(亥姆霍兹)共振器。

　　基于速度的低频陷阱-低频陷阱通常是基于多孔吸收材料的大面板。这包括但不限于：玻璃纤维、矿物棉、声学泡沫和类似材料。它们也被称为宽带低频陷阱，比调谐陷阱覆盖更宽的频率范围。

　　基于压力的低频陷阱-专门设计用于以更紧凑的形式处理低频问题。这类低频有许多不同类型，如密封面板低频陷阱、亥姆霍兹谐振器和薄膜低频陷阱。基于压力的低频陷阱通常也称为调谐陷阱、密封陷阱、共振低频陷阱或窄带吸收低频陷阱。

　　目前市场上在售的被动低频陷阱，比较有名的是这些：

　　威巨声的低频陷阱

　　

 

　　

 

　　

 

　　GIK的低频陷阱，有T30(据说可以吸收到30hz，很牛)，柱型和三角型(可以到40-50hz)

　　

 

　　

 

　　RPG的低频陷阱，最牛逼的是这个RPGModex Plate，在40hz有接近0.94的吸音系数。

　　

 

　　

 

　　

 

　　当然你也可以自己DIY。

　　关于声阻型/速度型低频陷阱的说明：

　　纤维或泡沫吸声材料的声学效果非常相似。高密度玻璃纤维板并不比低密度“绒毛”更有效。真正重要的因素是材料的厚度。记住，低频波长很长，需要1/4波长的波长才能有效。(即60Hz=4.7英尺深!)厚度较薄的材料仍会吸收一些低频，但效果很差。

　　我应该把低频陷阱放在哪里?

　　低频陷阱必须位于空气分子速度大或高声压的地方(这取决于何种驻波模式)，不是放置在任何地方都能起作用。

　　基于压力的低频陷阱，通常将其放置在有最大声压的房间角落或者轴向墙面上，这些是声压最大的地方。天花板和侧墙的交界也是可能的区域。

　　对于基于速度的低频陷阱，它们理想地放置在空气分子速度最大的(压力最小)的地方。这通常位于房间尺寸的1/4处。显然，这在非常低的频率下是不实际的，这就是为什么这些材料几乎只用于中高频。

　　关于低频陷阱的注意事项：毫无疑问，被动吸收的声学处理方法能改善小房间的低频情况。有一个小问题是，他们是宽带吸收的，即会吸收好的频率也会吸收坏的频率(驻波)，甚至薄板共振类型的也不能提供高Q值的吸收。对于驻波(高Q值的峰)它们并不能有效地解决。

　　对于低频，是否有被动处理(吸收)的替代方案?

　　“改善低频的频域特性也可以改善其时域响应。”

　　有!最新的研究表明，通过部署多炮+EQ，您可以有效地完成与低频被动处理(即使用低频陷阱)相同的目标。正确放置的多个炮将抑制房间模式并使它们分布更加均匀，为炮提供更好的座位到座位一致性。然后，可以使用全局EQ来减少多余的峰，这将对几个座位都起作用即可以同时改善几个座位的低频表现。因为扬声器和房间(低频驻波)都是最小相位，使用傅立叶分析，人们可以互换地将频域和时域行为联系起来。即通过EQ在频域中减少的任何多余的峰值也将改善其时域行为(改善IR或者是瀑布图)!

　　关于最小相位系统的说明

　　扬声器-低频扬声器，中频和高音扬声器-是最小相位系统。低频的驻波是一种最小相位现象。当我们在室内进行测量时，我们可以在低频的频率响应中找到驻波共振点，并用匹配的参数滤波器来EQ它们。这种均衡只在测量点或几个位置起作用，会有较大的座对座变化。这就是为什么被动低频陷阱(低频陷阱)对于抑制共振是有用的——如果你的房间装修能接受的话。不过使用多炮提供了另一种选择。一旦座位到座位的变化降低了，那么EQ将对房间里更多的听众产生更良好的效果。

　　由于房间模式是最小相位现象，频率响应包含了所有基本信息。这不是臆想，而是物理问题。如果用任何方法使曲线更平滑，相应就会改善驻波在频域和时域的表现。

　　

 

　　

 

　　

 

　　关于最小相位下频域和时域的问题，见上面的英文解释(来自我在199论坛的文章)，如果你看不明白(我相信很多人大学根本没学过傅里叶变换或者忘记差不多了)，记住结论即可：EQ点(具有最小相位，和驻波的峰值对应的Q值和Gain值，但是相位反相)可以在削峰的同时，也改善时域的表现，加快瀑布图的消散，前提是有精确的测量，再配以精确的EQ点。

　　一个EQ在削峰的同时，也加快消散时间的例子：

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　EQ前后的瀑布图、曲线和火焰图，我们只看23hz(这是长度方向的第一次驻波-他家房间6m多7m不到)。EQ前，波峰对应的声压是114dB，300ms后衰减到96.7dB，衰减17.3dB。EQ后，最高声压106dB，300ms衰减到65dB，衰减了39dB。同样的300ms时间，EQ后衰减速度是EQ前的2倍。

　　REW的帮助里也有最小相位系统的解释，有兴趣的同学可以去看看。

　　注意，EQ对于提升谷是无效的。频率上的谷与听音位和炮位息息相关。这就是为什么在使用EQ之前，对多炮布局和座位进行优化至关重要。

　　炮分频点以上的低频如何处理?

　　多炮的好处只能在炮的工作频率范围内实现。典型的炮设置是分频80hz，回放Sub信号，LFE通道120hz。80hz或者120hz以上是炮的频率上限，如何处理这些频率，传统的低频陷阱是很好的方式。另外将扬声器放在靠近墙面的地方会产生边界效应，从而导致频率畸变(形成峰/谷)。处理边界效应，EQ(Low Shelf EQ)也是一个比较好的方法。你可以利用任何工具和方法，希望不要死盯一种。

　　低频吸收材料参数规格的说明：当购买声学材料或设备时，尤其是那些声称对吸收低频有用的材料、设备，一定要注意看它们能否在困扰你的频率(驻波频率)上提供比较高的吸声系数。一些广告上称为“低频陷阱”的产品只对低频的上沿即80hz-250hz起作用，在80hz以下(这部分确更恼人)完全无效或者效果甚微。如果你找不到数据，请报以怀疑的态度多看看。

　　为了进一步了解，建议看看Dr. Floyd Toole书里《声音重放：扬声器和房间》第13章：炮与房间，它展示了一个炮与多炮之前/之后的大量多座位测量结果。也包含无EQ与带信号处理和EQ(称为SFM)的多炮与无EQ的多炮的对比测量结果。

　　Toole在图13.21中贴了一个瀑布图，显示削峰之后，驻波的能量减少了，时域上的共振也改善了。使用声场管理SFM可以产生几乎平直的低频曲线，并且在多个位置曲线几乎一致。这就是人们听到的——深沉、紧密、无驻波的低频，通过关闭和打开SFM可以清晰的对比出差距。

　　

 

　　图13.21(Toole，2008)-两种EQ的稳态频率响应(a)和(b)以及瀑布图(c)和(d)的比较

　　在Floyd的书和其他地方中的任何SFM前后的结果都表明，在SFM之后会发生两件事：(1)所有座位的低频非常相似(即声场已均衡)和(2)所有座位的曲线都是非常平滑/平直的，没有驻波造成的音染(即驻波/房间共振已经减弱)。

　　

 

　　改善小房间低频体验有两种根本不同的方法：被动吸收和多炮+EQ策略。如果做得好，他们都能工作。如果你的房间里有现场音乐表演(或者你在做录音)，你没有选择，你必须使用被动低频陷阱。如果你是通过扬声器重放声音，你可以有不同的选择。如果它是一个专用的房间，并且大型声学处理是可以接受的，被动式的低频处理(低频陷阱)可以满足目标(通常也需要一定的EQ)。如果没有，接受多炮+EQ方式吧，它可以使你大大减少对低频陷阱/被动吸收的依赖。非对称房间有挑战性一些，需要一点点去尝试和勘误，配以精确的声学测量，才能确定最佳的炮位置和EQ/延时/EQ设置，当然被动吸收/低频陷阱也会有帮助。总之，有选择是件好事!

　　“对于小房间低频的重现来说，多炮和EQ是一个伟大的可以替代被动低频处理(低频陷阱)的方法。”

　　结论:小房间的声学的处理方法与传统的认知有所不同。选择良好的扬声器及保持早期反射声对于小房间再现准确和愉快的声音至关重要。通过部署多炮，对低频频率进行适当的模态/驻波控制，可以大大改善低频座椅到座椅之间的一致性，使每个人都能听到好的低频。低频在音乐和电影中拥有30%的音效体验，因此这一点不容忽视。虽然被动式的低频陷阱有其用武之地，但不能过度依赖它们。