大型音响系统优化的演变

liudashun6868 · 发表于 2018-2-20 10:28:15

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1978年我第一次为巡回演唱会做扩声系统调音时，有两个步骤：1）听录音带上的音轨并调整倍频程图形EQ; 2）坐在舞台的前面，用舒尔SM545麦克风说“测试1-2”，然后调节倍频程图形EQ。唯一需要设置的变量是交叉级别和house均衡器。

到20世纪80年代初，这个过程已经扩展成了三个步骤：1）在混合点查看实时分析仪（RTA），通过眼睛来调节系统EQ，2）用耳机对系统进行EQ，在混音位置收听录音带; 3）通过舒尔SM58麦克风来重新调节系统。

和那时比，至少在某些方面，我们已经取得了很大的进展。让我们花点时间回顾一下当前时代的系统优化。

1980年的伯克利广场夜总会。作者使用示波器定制了一个原始的“分析系统”，可以通过开关箱（被放置在调音台的左边）监视系统中的任何放大器。均衡器是一个1/3倍频程的图形，使用租用的IE30 RTA进行设置（然后再通过人耳重置）。请注意卷盘到卷盘的回放，第一代Meyer Sound扬声器控制器和数字时钟。

为得到我们喜欢的声音，操作过程并不是仅仅调整均衡器上的一些旋钮。在最后的“品评测试”之前，必须进行大量的操作。

系统必须经过验证，确保所有接线正确。必须检查极性，并对不同型号之间的相位不相容进行补偿。覆盖不同范围的扬声器之间的声学交叉必须进行优化。

在信号路径中必须监测延迟，特别是在充满数字音频和网络系统的现代世界中。要明确最大控制声压级和本底噪声，以获得最佳的增益比来最大化动态范围。必须找到信号路径中的任何会造成压缩或失真的源头。

一旦完成了这些验证，我们需要做出校准的决定：扬声器的指向，张角，间隔，延迟时间，相对水平和均衡性。现在我们应该清楚，RTA的固有限制使其无法执行全套的优化操作。

但是，这些限制并没有阻止RTA成为当前的主导性工具。如前所述，它便宜，小巧，易于使用。这是一个简单的工具，但从许多方面来讲那个时代也是个简单的时代。在那时这个过程被简单地称为“均衡化”，这也是RTA唯一的作用。

随着音响系统本身的发展，分析仪也在不断发展，而且这一过程已经从“均衡化”转变为“优化”。正如我们将看到的，分析仪和音响系统将会一起成长，RTA将会消失殆尽。

演变到最佳

在这项工作的早期，优化所指的范围通常只需要执行一种操作:均衡。这是非常重要的，因为系统EQ是一个"适应口味"的参数。当我们将高分辨率的测量引入到FOH时，如何设置房间EQ又成为了另外一个主张。我们已经有了RTA，回放轨道，SM58以及乐队演奏的声音。

现代高速的傅立叶变换（FFT）分析仪可以添加超详细的频率和相位响应，但最终我们都在考虑房间EQ的设置。我把它称为"EQ拔河"，其特点是对耳朵与分析仪的优劣进行没完没了的讨论，这简直是个无法解决的问题。当我们的目标从简单的均衡转向为优化时，现代的分析仪就变得非常有用了:可以让声音在任何地方听起来都是一样的。

liudashun6868 · 发表于 2018-2-20 10:28:59

探索未知领域

现在我们知道了很多在八十年代还不可能知道的知识。从来没有人在舞台上用真正的乐队来测试整个舞台上音响系统的响应，并且能够将其与空旷场地的响应进行比较。

难道是扬声器对不同音高的歌曲的响应是不同的？不，扬声器根本不会在乎这些，甚至你跑不跑调它都不会管。对于安静的歌曲和响亮的歌曲，反应是不同的？不，除非系统是非线性的或者系统已经达到极限。演唱会期间音响系统是否产生拍频？不，拍频不在考虑中 - 我们在分析仪上没有看到他们。图形均衡器真的是调节音响系统的最佳工具吗？不，SIM诞生的第一天就证明了这一点。系统响应在空旷空间和狭窄空间会有不同么？是的，但这种不同没有简单而一致的趋势。

我们都知道，当观众进场之后，场内的声音就会改变。但是，这种变化是在全范围（例如，大部分是250Hz）还是只在局部产生（例如，有些在250Hz以上，有些250Hz以下）？这个问题直到1987年我们才有了答案，我们进入多声道设备的时代，在音乐会期间可以在八个地点进行测量，同时比较空的场地和满的场地。顺便说一下，上面问题的答案是局部 - 每个区域都以自己的方式产生变化。）

所有这一切现在看起来都很古怪，但是在我们做这些测试之前，这根本是不可证明也不会被了解的。

例如我们的生活中经常发生的事情的背后意义，我们可能在几年后才能认识到。但这不是其中之一，约翰·梅耶和我在第一场音乐会上都知道，这种开创性的测量形式将成为主流。只是时间比我们预期的要长了20年。

早期的演唱会

在二十世纪八十年代早期，我们用SIM（"源独立测量"的简称）测量的第一个系统，是用在运动场举办的摇滚演唱会中的。它们有最小的信号复杂性，简单的左/右系统，并且没有信号细分。

因此，我们没有单独的EQ用于侧面和前面补声等等。只有左边和右边的分别，剩下的就没了。除了EQ我们没有什么可以调节的，除了混音位置我们也没什么其他地方可以测量。如果你不打算对侧面区域做调整，为什么要测量侧面区域呢？我们甚至不被允许在放大器或任何细分点上关闭系统的某些部分。

在这个早期阶段，我们学会了如何平衡系统，但这已经是我们能做的最多的了。优化对于主流摇滚乐的吸引力有限，因为它没有做到摇滚乐中最重要的事情:使声音更响亮。它唯一可以保证的是让整个房间的响应更加均匀，甚至可以使混响位置的响度变小。谁需要这个？

在不久之后的1984年，我们开始和意大利歌剧男高音帕瓦罗蒂（Luciano Pavarotti）一起做舞台的表演。主办方会出售体育馆内的所有座位，包括侧面和后面，这导致了复杂的系统设计和系统优化第一次被真正的应用。该系统有四个主要的集群（中心，两个侧面和后面），每个在垂直平面上又有多个部分。

一共有10个子系统，每个都有自己的均衡器和电平调节。没有数字延迟，这一点十分有利，或者说或足够有利，所以我们不得不把吊装点排好来确保时间的一致性。没有更多的"EQ拔河"。

任务:使声音在哪听起来都一样，并通过工具的开发来做到这一点。我们建造了一个可以自定义的多通道切换器，可以为所有系统均衡器提供接入点。我们可以测量系统中的每个EQ，同时检测某个麦克风的响应，是的，某个麦克风，单数 - 仍然只有一个麦克风在整个大厅中移动。

额外关注

我们制定了一个包含每一步过程的程序，包括每个子系统的单独测量及其添加到复合整体中的测量。还设计了麦克风放置策略，为此还进行了个别子系统EQ及其相对能量的设定。第二阶段包括组合系统的均衡。最后阶段是在演唱会进行中同步优化。由于只有一个麦克风，你可以猜到它的放置位置。

设置EQ的过程比想象中要复杂得多。回想一下，我们在七个线性段中使用了三个传递函数（Room / EQ / Result）来观察频率响应。 EQ的序列遵循以下模式A）发现问题; B）解决问题; C）验证结果。为了找到原始的响应，我们查看了空间传输函数，如果我们发现一个峰值，我们会存储它，并调用响应。

接下来，我们切换到EQ响应，并将其与内存中的Room响应进行比较。我们转动EQ旋钮，直到我们完成峰值的下降。实际上，我们是把EQ翻转过来，使得对两条轨迹进行补码能够和匹配一样容易，让这两条线看起来是相反的，调节起来更容易也更准确。然后我们切换到Result响应，由于EQ的下滑，这个峰值已经被降低了。

liudashun6868 · 发表于 2018-2-20 10:30:40

工程师必须通过有条不紊的解决方案来适应现场情况，而这些解决方案往往需要的不仅仅是转动均衡器上的旋钮。这次我们就遇到了特殊情况，需要通过物理方案来调节系统，因为后台的天花板漏水。（作者照片于2013年的卡内基音乐厅。）

很好，现在我们已经完成了高达250Hz的EQ过程。还有六轮就能到达频谱的顶峰。总计需要对21处进行测量，这将需要大约四分钟才能得到63个trace。我们还需要记住当我们向观众席后排走时，trace在哪个位置处于最低点 - 因为不能失去我们的参考点。

其他有趣的部分是确保从记忆中找出正确的trace。避免将250 Hz的room响应与500 Hz EQ响应进行比较。分析仪不在乎。一旦它被存储，它只是一条绿线。你必须保证它正确的工作。我们很快就添加了原始计算机来存储数据，将其标记并发送回分析仪（Hewlett-Packard HP 3582）。计算机是管理63个trace的库，并对他们进行整理排序。没有它，我们每15秒就把工作擦掉，从头开始。完成所有这些之后，现在是时候将话筒移动到10个子系统中的下一个。

音乐剧场

我们的下一个重大突破是音乐剧，与音效设计师Abe Jacob和Andrew Bruce合作。那是，已经有极端的系统划分:左，右，内，外，上，下，音乐，声乐，环绕，FX等等。对这些子系统中的每一个都需要单个关注，并且要求他们能够彼此无缝的结合成一个整体。

现在的工作范围包括云台控制，单独EQ，电平设置，延迟设置，展开角度，间距和EQ的组合。我们已经在桌面上进行了所有现代方式的优化，但是没有一个分析系统可以处理它们:我们仍然只有一个麦克风，管理多通道数据的能力非常有限。

1986年的London production of Chess对我来说是一个转折点。我夜以继日地在爱德华王子剧院的三层之间不断的上上下下进进出出地移动麦克风。每当我们改变某个地方的东西时，它就会改变其他一些别的东西。

要成功的优化音乐剧院复杂的交互式多声道系统，需要四个关键因素:接入多个均衡器，多个话筒，用于管理数据的计算机内存以及系统化的方法。

夸大这项工作记忆的重要性是不可能的。我们只能从分析仪上的一组数据中学到有限的数量。屏幕上会显示我们在这里所得到的内容/数据，但缺乏何时何地这样的相关背景。除非我们能够把它和房间里的其他地点的trace联系起来，否则即便是世界上最完美的trace也是没有任何意义的。

优化是对空间的追求。如果我们没有可以比较的某个空间周围的数据，我们怎么能说声音在这个空间周围听起来是一样的？

多个麦克风

如前所述，SIM 1为我们提供了多个话筒，并且无需重新插接即可使用所有的EQ。我们现在可以自由的探索系统，大大扩展我们的知识和能力。

回想一下我用一个麦克风在伦敦的房间里上下乱窜的经历。这种事情永远不会再发生了。当我改变了一些设置的时候，我可以在剧院的各个层面上放置话筒，看看各处受到了什么影响。反复试验的周期缩短了很多。

SIM 1的首批用户之一是1987年Yuming Matsutoya巡回演唱会上的Soundcraft。这是一个很新奇的经历，我在把设备运送到日本的前一天晚上，先把部件焊接到了PC板上。

这是一个非常重要的应用程序。我们现在可以在表演期间与观众一起在整个空间里进行测量。当场地空了的时候，我们可以存储在每个位置的响应。然后，当空间填满时，我们可以比较他们的响应差别。三年来，我们只是在表演中对混音位置进行了测量，所以我们并不知道在其他位置上发生了什么变化。

举一个现代的优化的例子，在佛罗里达州克利尔沃特的Ruth Eckerd Hall，从前到后排列着八个话筒。匹配的麦克风使我们能够看到从前到后的响应差异，并根据需要进行调整。在这个案例中，后面的话筒要调整到和中间及前方的话筒成一条直线的位置。接下来是EQ调整和最近排小幅度的调整。

现在我们准备找出这些影响了。在Yuming的演唱会上，我们能够清楚地证明，响应在发生局部变化，在房间的每个部分都独特地变化着，而不是全局性变化（例如所有空间在250Hz处都达到峰值）。我们本希望得到一个简单的答案，但现在我们知道我们所面对的是什么了。

Yuming演出的另一个重要方面是，通过它我们重返了摇滚演唱会的世界。多个麦克风显示了声音从前到后和从中间到侧面的差异。Soundcraft的工程师已经准备使用我们在SIM实验阶段所学到的细分原理。

上部系统，下部系统，侧面补声都是与各处的话筒分开进行分析和均衡调整。然后我们再将它们组合在一起进行电平和延迟调整，并调节整体均衡来完成这整个过程。

1987年，现代化的程序正在形成。由于每个频率响应是七段，所以需要更多的时间和专业知识，延迟必须从相位解码，并且我们仍然只有非常有限的内存量。

即使如此，回过头来看，我还是把这看作系统优化的最关键的学习阶段之一。一旦你能够通过多个话筒在空间里看到一个系统，就不会选择回头了。

liudashun6868 · 发表于 2018-2-20 10:32:10

现代方法

随着SIM II在1991年的引入，开始了新的纪元。获得全频率响应所需的21个操作（和那4分钟的时间）现在缩短到了只需要13秒。

延迟设置不再需要相位解码，我们可以直接在脉冲响应中读取时间。原来的SIM 1有多个麦克风，但移动它们并获得新的响应仍然是一个非常耗时的过程。

现在我们可以充分利用更快的速度和易用性，移动多个话筒。

在同轴位置（当时称为"初级"）用于EQ和电平设置，而离轴位置（称为"次级"）则指示扬声器与同轴响应的关系。

解决优化面临的挑战有很多种方法，但是必须有一套方法论。下面是一个策略性的麦克风放置的示例，以及在两个阵列单元之间找到最佳splay所需的预期trace。

创造了以标准方式使用多个话筒的程序，罗杰·甘斯（Roger Gans）率先推出了"星形技术"（star technique），该技术能够通过将同轴麦克风向上，向下，向两边移动到足够远的地方，以观察数据的差异并制定出在空间上平均的EQ。这四个位置的获取比SIM 1中的单个响应更快，我们可以一次查看所有四个颜色的trace！

另一个重要的进步是用于诸如主音和向下填充，侧填充，前填充等系统的组合技术。SIM II允许我们在所有三个关键位置放置话筒:与主音充同轴，与填充同轴，以及他们之间的交叉点。我们学会了如何获得最佳的展开角度，相对电平和延迟，以在这三个位置之间提供无缝过渡。

在使用SIM 1的四年期间，只提供了一个培训课程，但事情即将改变。

系统优化需要经过一系列的步骤，包括定位，展开角度，空间，电平，均衡和延迟等。需要单独的关注每个扬声器，与其子系统相关的设置，以及最终与其它部分进行组合时的相关设置。该方法包括了设计好的操作顺序，文章里已经给出了例子。

现在发生了两件事情:trace是可以理解的，系统也变得如此之快速:1）我们学得非常快，因为我们有一直想了解的东西，但却没有工具; 2）我们已经准备好向别人传授我们所知道的知识（即使我们一周前才刚刚知道）。 25多年过去了，我还在学习，并且还在教我刚学到的东西。

所有这些都对音响系统的设计产生了重大的影响。我亲身了解了系统设计的大部分内容，能够深入分析其他设计人员的优缺点。音效设计师在设计中增加系统复杂度也变得更容易，因为他们发现系统的整合变得更快，更有效了。

由于该工具可用于研究实验室，生产线以及现场，因此SIM II对扬声器产品的开发也产生了重大影响。

随着我们的调谐技术的进步，工程师们还能够提供有关该领域发现的反馈，这些反馈可以在实验室的公共平台上看到。

他们也可以为扬声器系统质量的提升提供有价值的信息，提供最佳的优化结果。同样，随着扬声器的改进，我们的技术也得到了改进。

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