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                        EASE(中國)聲學設計與咨詢有限公司
                        EASE (China) Acoustic Design and Consulting Limited.
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                        高精度數據文件GLL在EASE軟件和FOCUS軟件中的應用
                        EASE (中國) 聲學設計與咨詢有限公司 - 隋星

                        摘要:隨著計算機運算速度和數據存儲技術的發展以及新類型揚聲器系統的出現,新一代高精度檢測數據文件GLL代替了不能精確全面表現揚聲器系統的SPK文件。GLL文件在EASE4.3及之后版本的EASE軟件中應用,需要注意的是GLL文件在EASE軟件中的調用與SPK文件在EASE軟件中的調用操作方法及表現形式不同。 FOCUS3軟件也需要調用GLL文件進行設計,文章特別介紹了在FOCUS3軟件中兩個新增加的設計功能:超低頻音箱陣列設計和基于FIR濾波器應用的FIRmaker聲音覆蓋優化設計。

                        關鍵詞:全向高精度檢測,GLL文件, EASE,FOCUS,超低頻音箱陣列,FIRmaker優化

                        Abstract: As the computer processor speed and storage capacity have evolved rapidly and more complex loudspeaker systems have appeared, more complete and higher resolution data format GLL has replaced the traditional SPK database, which is limiting the accuracy and completeness of characterizing loudspeaker systems. GLL files are applied in EASE from the version EASE 4.3. Gll files’ application in EASE is different from SPK files in the respect of operation steps and in the way of performance. GLLs are applied in FOCUS3 as well. Two new functionalities in FOCUS3 are especially introduced: subwoofer arrays and FIRmaker optimization.

                        Key Words: 3D High-Resolution Measurement, GLL File, EASE, FOCUS, Subwoofer Arrays, FIRmaker Optimization

                        *此文章在2016年第11期“電聲技術”雜志發表


                        高精度數據文件GLL

                          隨著計算機運算速度和數據存儲技術的飛速發展,揚聲器系統的高精度檢測和高精度的數據文件制作與存儲成為可能。在EASE4.2軟件及之前的EASE軟件版本中一直使用的表現揚聲器系統的數據文件是SPK文件,SPK文件是一款比較粗糙的數據文件,不論在表現揚聲器系統特性的精確性方面還是全面性方面都具有局限性。目前我們對于揚聲器系統指向性的檢測已經不滿足只使用轉盤進行簡單的二維檢測而是使用機器手對揚聲器系統進行全向檢測,而且隨著新類型的揚聲器系統的出現如我們現在已經常見到的線陣列揚聲器系統,都需要一種新的數據文件替代以前的SPK文件以更精確全面地表現揚聲器系統特性。因此德國AFMG公司在經過3年的努力之后于2007年推出了GLL文件(Generic Loudspeaker Library)概念。之后在2009年推出的EASE4.3軟件和2010年推出的FOCUS2軟件中都應用了GLL文件。

                          GLL文件不但能夠用來表現傳統點聲源揚聲器系統(Conventional Loudspeaker System),同時還可以用來表現更加復雜類型的揚聲器系統,如線陣列 (Line Array),這是以前的SPK文件所無法做到的。GLL文件不但兼顧揚聲器系統中聲源(Sound Source)的一系列電聲特性,同時兼顧音箱的幾何特性。聲源的電聲特性描述包括指向性球(Directivity Ballon), 頻率帶寬,阻抗,靈敏度等,以及濾波器組(Filter Groups)輸入。通過濾波器組輸入可具體描述揚聲器系統的內置分頻,或外置分頻,或數字分頻特性。如果編輯制作一款線陣列揚聲器系統的GLL文件,還需輸入線陣列音箱吊掛(Rigging Frame)的信息,包括:吊掛方式(空中懸吊還是坐地還是懸吊+坐地);音箱與音箱之間的可變夾角;音箱與吊掛件間的可變夾角;吊掛件上的吊點;音箱疊加的最大數量等。

                          獲得描述聲源電聲特性的指向性球需要對揚聲器系統進行高精度全向檢測,如果按照每5度一個方位進行脈沖響應拾取,就要生成2593個ETM文件,然后將所有ETM文件合并為一個指向性球數據文件。 通過指向性球我們可以看到對揚聲器系統指向性和覆蓋角度的描述,如聲束圖(見圖1),極性圖/POLARS(見圖2),覆蓋角度曲線圖(見圖3)。對于覆蓋角度的取值在GLL文件編輯中是取1kHz~4kHz平均值,具體計算公式為(1kHz~4kHz覆蓋角度平均值+2kHz~4kHz覆蓋角度平均值)/ 2。在覆蓋角度曲線圖中我們可以看到有3條不同顏色的曲線,分別代表-3dB,-6dB和-9dB覆蓋角度曲線,通常我們對于覆蓋角度的取值使用-6dB曲線。

                        圖1 (a):水平面聲束圖



                        圖1 (b):垂直面聲束圖

                        圖2:極性圖

                         

                        圖3 (a):水平面覆蓋角度曲線圖

                        圖3 (b):垂直面覆蓋角度曲線圖

                        GLL文件在EASE軟件中的應用

                          EASE軟件從4.3版本開始使用GLL文件,也就是說從EASE4.3軟件開始可以在EASE軟件中進行線陣列揚聲器系統的編輯和模擬。目前EASE軟件版本已經升級到4.4.12。一些習慣使用EASE4.0,4.1或4.2版本的設計人員在剛開始使用EASE4.3或4.4,調用GLL文件進行揚聲器系統設置時,往往認為軟件或調用的數據文件出錯。如果調用的是SPK格式的揚聲器系統數據文件,設計人員會看到在揚聲器編輯窗口中,揚聲器系統在各頻段的聲壓級。但是如果調用的是GLL文件,在揚聲器編輯窗口中就看不到揚聲器系統的聲壓級了,此時需要點擊窗口右上角的“DLL/GLL Setup”鍵進入GLL設置窗口 (見圖4)。 在GLL設置窗口中(見圖5),我們可以對要進行模擬的線陣列揚聲器系統進行編輯。我們可以選擇吊掛方式,是空中懸吊還是坐地;選擇線陣列音箱的疊加數量;選擇音箱與吊架之間,音箱與音箱之間的可變角度;選擇每只音箱的增益等。需要注意的是,在EASE4.3和4.4軟件中,不顯示線陣列吊掛件上的吊點,吊掛件上的吊點在后面我們介紹的FOCUS軟件中才顯示。所以在EASE4.3或4.4軟件中,我們進行線陣列揚聲器系統設置時不必考慮吊掛件的吊點問題。

                        圖4:揚聲器編輯窗口

                        圖5:GLL設置窗口

                        GLL文件在FOCUS軟件中的應用

                          FOCUS軟件是德國AFMG公司開發的另一款電聲模擬軟件,與同樣作為電聲模擬軟件的EASE軟件不同。EASE軟件針對的是室內聲學設計,使用EASE軟件進行室內聲學設計首先要做3D建模,混響時間在室內聲學設計中是不可或缺的,EASE軟件計算提供的聲學參量除直達聲聲壓級(DIRECT SPL)外, 其他聲學參量都必須有混響時間的參與。使用FOCUS軟件設計不需要做3D建模,且計算不涉及混響時間,所以FOCUS軟件不提供有混響時間參與的聲學參量,而且FOCUS軟件更針對線陣列揚聲器系統的模擬,所以此軟件被眾多使用線陣列做戶外演出的系統工程師所喜愛。

                          FOCUS軟件已歷經三代:FOCUS1于2005被推出,FOCUS2于2010年被推出,FOCUS3于2016年被推出。FOCUS1還沒有使用全向高精度數據文件,軟件界面僅是二維,僅提供側視圖,主要功能是幫助所使用線陣列針對聽聲面計算出音箱與音箱之間的合適夾角以滿足聲音投射要求。FOCUS1軟件已在幾年前被AFMG公司所淘汰,公司不再對FOCUS1軟件提供服務。FOCUS2軟件開始使用GLL文件,軟件界面也改為了三維,說是三維,其實它只是二維+二維(俯視圖/Top View+側視圖/Side View), 并不是像在EASE軟件中可以全方位任意轉動的3D模型。雖然只是增加了一個二維圖示(增加了俯視圖),但是聽聲面的聲音投射和聲壓級的分布變得更加直觀清晰了。FOCUS3在FOCUS2的基礎上,又增加了兩個重要功能:1. 超低頻音箱陣列設計功能 (Subwoofer Arrays);2. 基于使用FIR數字濾波器的聲音覆蓋優化功能 (FIRmaker)。接下來我們就講一下GLL文件在FOCUS3中的應用。

                        打開FOCUS3,界面分為4個部分:
                        1. 左邊:屬性(Properties)。包括項目屬性和添加物屬性,用于編輯聽聲區(Audience Zones), 揚聲器系統(Loudspeaker Systems),聽聲點(Receivers)等。
                        2. 上邊:俯視圖(Top View)。用于標示水平面聲音覆蓋。
                        3. 下邊:側視圖(Side View)。用于標示垂直面聲音覆蓋。
                        4. 右邊:線陣列吊掛信息(Rigging View)。

                          首先介紹FOCUS3軟件中“Auto Splay”功能。“Auto Splay”功能從FOCUS1時就已經有了,一直是FOCUS軟件的一個主要功能。它幫助系統工程師根據聽聲區迅速調整好線陣列揚聲器系統的設置,包括安裝位置,線陣列音箱疊加數量,吊點的選擇,音箱與音箱之間的夾角。見圖6,我們在聽聲區前設置了2組線陣列,每組線陣列由8只音箱疊加組成,線陣列懸吊高度為8米,線陣列安裝選擇的吊點為第3個吊點,此時線陣列音箱與音箱之間的夾角都為了0。點擊“Auto Splay”功能鍵后,音箱與音箱之間的夾角被迅速計算出,整個線陣列的形狀也隨之改變,線陣列聲音的投射覆蓋了所有聽聲區域。之后,我們模擬了1000Hz頻段的聽聲區直達聲的覆蓋。我們還可以看到聲壓級的柱狀分布圖,位于柱狀分布圖右側的聲壓級平均值等信息更加有利于系統工程師做出判斷, 見圖7。我們還可以加入聽聲點, 看到在聽聲點處的頻響曲線,見圖8。

                        圖6 (a):聽聲區前設置2組線陣列

                        圖6 (b):點擊“Auto Splay”功能鍵后,音箱與音箱之間的夾角被迅速計算出

                        圖7 (a):聽聲區聲音覆蓋俯視圖和側視圖

                        圖7 (b):聽聲區的聲壓級柱狀分布圖

                        圖8 (a):在聽聲區上加入了3個聽聲點

                        圖8(b):聽聲點處的頻響曲線圖

                          FOCUS3中新增加的超低頻音箱陣列設計功能為我們提供了針對設計超低頻音箱陣列十分便捷的計算,包括計算陣列的寬度(Array Width),陣列覆蓋角度(Coverage Angle),所能控制的大致頻率上限 (Approximate Frequency Limit),和每只音箱需加的合適延遲 (Delay)。舉例說明(見圖9):我們在聽聲區設置9只雙十八寸超低頻音箱按照等距對稱方式排列 (即以第5只音箱為中心參照點兩邊對稱擺放), 如果我們將間距(Spacing)設置為1米(注意:這里的間距是指2只挨著擺放的音箱中心點之間的距離),我們可以看到陣列寬度為8米,可控大致頻率上限為170Hz, 同時每只超低頻音箱的合適延遲也被計算出;如果我們將間距設置為1.5米,陣列寬度變為12米,可控大致頻率上限變為113Hz,每只超低頻音箱的合適延遲也同時改變;如果我們將間距設置為2米,陣列寬度變為16米,可控大致頻率上限變為85Hz,每只超低頻音箱的合適延遲也隨之改變。我們可以設置間距,讓FOCUS3計算陣列寬度;也可以設置陣列寬度,讓FOCUS3計算間距。間距或陣列寬度都直接影響到陣列可控的大致頻率上限,間距越小可控的頻率上限越高。覆蓋角度也可以設置,讓FOCUS3計算合適的延遲。覆蓋角度的下限與陣列的寬度有關,小的覆蓋角度則需要大的陣列寬度。那么如果我們需要一個窄的覆蓋角度并且可控頻率上限盡可能高一些的超低頻音箱陣列,我們就需要盡可能多一些數量的超低頻音箱并且緊湊地擺放在一起。

                          我們還可以使用FOCUS3設計心形指向(Cardioid)超低頻音箱陣列。見圖10,我們將3只超低頻音箱按照FBF方式垂直疊放,中間的音箱聲音投射方向與最上面和最下面的音箱聲音投射方向相反,并且極性反轉,并加入合適的延遲,形成心型指向效果。

                        圖9 (a):Spacing設置為1米,9只超低頻音箱對稱方式擺放組成陣列,覆蓋角設置為60度,100Hz聲音覆蓋圖

                        圖9 (b):Spacing設置為1.5米,9只超低頻音箱對稱方式擺放組成陣列,覆蓋角設置為60度,100Hz聲音覆蓋圖

                        圖9 (c):Spacing設置為2米,9只超低頻音箱對稱方式擺放組成陣列,覆蓋角設置為60度,80Hz聲音覆蓋圖

                        圖10:3只超低頻音箱FBF方式垂直疊放組成心形指向陣列

                          德國AFMG公司于2013年推出將電聲模擬與系統調制和DSP控制相結合的FIRmaker聲音覆蓋優化技術。目前越來越多的專業音響生產廠商在揚聲器系統中使用FIR濾波器構建的數字分頻器進行電子分頻和相位校正。FIR數字濾波器相對于傳統的模擬電子分頻器具有顯著的優點,如:線性相位,實現磚墻(Brick Wall)的濾波斜率等。AFMG公司力圖通過FIRmaker聲音覆蓋優化技術為下一代揚聲器系統鋪設一座橋梁。

                          如果用一句最簡單的話來概述FIRmaker的作用,那就是:將聲音投射到它應該去的地方(Put your sound where it belongs)。具體來說,基于廳堂幾何數據信息的輸入和運用全向高精度檢測揚聲器數據文件GLL,FIRmaker將實現以下目標:最大限度提高聲壓級;讓廳堂獲得均勻覆蓋的聲音;讓所有聽聲點獲得平坦的頻率響應;避免將聲音投射到廳堂中不需要聲音的地方,例如反射面,舞臺;提高信噪比(SNR),提高語言清晰度,最終達到提高音質的效果。 FIRmaker功能被并入到FOCUS3中,系統工程師可以通過在FOCUS3軟件中的操作對應用FIR濾波器的線陣列揚聲器系統進行快速設置,然后將設置好的參數儲存成相關格式的文件,然后導入可支持的DSP控制平臺或軟件中。

                          在FIRmaker設置窗口中我們可以看到一些選項,見圖11。這是由8只線陣列音箱組成的線陣列,每一只音箱擁有一個FIR濾波器通道。其中“優化先決條件”(Optimization Priorities) 選項中的“平衡”(Balance),“聽眾區上的聲壓級分布” (Level Distribution over Audience) 選項中的“均勻聲壓級分布”(Constant SPL),自動均衡(Automatic Equalization For)選項中的“平坦頻率響應”(Flat Response With Roll-Off), 都是默認設置。“Flat Response With Roll-Off”指的是使用在125Hz四階巴特沃茨高通濾波和在8kHz八階巴特沃茨低通濾波的平坦頻率響應曲線。在圖12中分別對線陣列聲音投射在500, 1000, 2000Hz頻段優化前和優化后進行了比較。可以看到優化后聲音更加集中于聽聲區,聲壓級覆蓋十分均勻,從聽聲區第一排直到最后一排聲壓級幾乎沒有什么變化,對于0.2dB的聲壓級變化聽眾是感覺不到的。

                        圖11:FIRmaker設置窗口

                        圖12 (a):優化前與優化后聲音投射比較500Hz側視圖

                        圖12 (b):優化前與優化后聲音投射比較1000Hz側視圖

                        圖12 (c):優化前與優化后聲音投射比較2000Hz側視圖

                        結論:由于計算機運算速度和數據存儲技術的發展以及新類型揚聲器系統的應用,代表揚聲器系統全向高精度檢測技術的GLL數據文件的誕生是必要的,而且已經逐步取代了過去的對揚聲器系統二維檢測的簡單粗糙的SPK文件。GLL文件被運用到EASE軟件4.3版本及之后的版本中,以及被運用到FOCUS2和FOCUS3軟件中。在FOCUS3軟件中新增加的兩個重要功能:超低頻音箱陣列設計和FIRmaker聲音覆蓋優化,都需要揚聲器系統的全向高精度檢測GLL文件。

                        參考文獻:
                        1. Ahnert Feistel Media Group. GLL - A New Standard for Measuring and Storing Loudspeaker Performance Data (White Paper). Berlin, Germany. October 2007. http://ease.afmg.eu/index.php/documents.html
                        2. Renkus-Heinz Inc. EASE4.3 User’s Guide and Tutorial. CA, USA. October 2009. http://ease.afmg.eu/index.php/documents.html
                        3. Ahnert Feistel Media Group. FIRmaker Put Your Sound Where It Belongs! (White Paper).Berlin,Germany.2013. http://firmaker.afmg.eu/index.php/downloads.html
                        4. Ahnert Feistel Media Group. FOCUS3 User’s Guide. Berlin, Germany. May 2016.

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