EASE(中国)声学设计与咨询有限公司
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高精度数据文件GLL在EASE软件和FOCUS软件中的应用
EASE (中国) 声学设计与咨询有限公司 - 隋星

摘要:随着计算机运算速度和数据存储技术的发展以及新类型扬声器系统的出现,新一代高精度检测数据文件GLL代替了不能精确全面表现扬声器系统的SPK文件。GLL文件在EASE4.3及之后版本的EASE软件中应用,需要注意的是GLL文件在EASE软件中的调用与SPK文件在EASE软件中的调用操作方法及表现形式不同。 FOCUS3软件也需要调用GLL文件进行设计,文章特别介绍了在FOCUS3软件中两个新增加的设计功能:超低频音箱阵列设计和基于FIR滤波器应用的FIRmaker声音覆盖优化设计。

关键词:全向高精度检测,GLL文件, EASE,FOCUS,超低频音箱阵列,FIRmaker优化

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“电声技术”杂志发表


高精度数据文件GLL

  随着计算机运算速度和数据存储技术的飞速发展,扬声器系统的高精度检测和高精度的数据文件制作与存储成为可能。在EASE4.2软件及之前的EASE软件版本中一直使用的表现扬声器系统的数据文件是SPK文件,SPK文件是一款比较粗糙的数据文件,不论在表现扬声器系统特性的精确性方面还是全面性方面都具有局限性。目前我们对于扬声器系统指向性的检测已经不满足只使用转盘进行简单的二维检测而是使用机器手对扬声器系统进行全向检测,而且随着新类型的扬声器系统的出现如我们现在已经常见到的线阵列扬声器系统,都需要一种新的数据文件替代以前的SPK文件以更精确全面地表现扬声器系统特性。因此德国AFMG公司在经过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软件和2010年推出的FOCUS2软件中都应用了GLL文件。

  GLL文件不但能够用来表现传统点声源扬声器系统(Conventional Loudspeaker System),同时还可以用来表现更加复杂类型的扬声器系统,如线阵列 (Line Array),这是以前的SPK文件所无法做到的。GLL文件不但兼顾扬声器系统中声源(Sound Source)的一系列电声特性,同时兼顾音箱的几何特性。声源的电声特性描述包括指向性球(Directivity Ballon), 频率带宽,阻抗,灵敏度等,以及滤波器组(Filter Groups)输入。通过滤波器组输入可具体描述扬声器系统的内置分频,或外置分频,或数字分频特性。如果编辑制作一款线阵列扬声器系统的GLL文件,还需输入线阵列音箱吊挂(Rigging Frame)的信息,包括:吊挂方式(空中悬吊还是坐地还是悬吊+坐地);音箱与音箱之间的可变夹角;音箱与吊挂件间的可变夹角;吊挂件上的吊点;音箱叠加的最大数量等。

  获得描述声源电声特性的指向性球需要对扬声器系统进行高精度全向检测,如果按照每5度一个方位进行脉冲响应拾取,就要生成2593个ETM文件,然后将所有ETM文件合并为一个指向性球数据文件。 通过指向性球我们可以看到对扬声器系统指向性和覆盖角度的描述,如声束图(见图1),极性图/POLARS(见图2),覆盖角度曲线图(见图3)。对于覆盖角度的取值在GLL文件编辑中是取1kHz~4kHz平均值,具体计算公式为(1kHz~4kHz覆盖角度平均值+2kHz~4kHz覆盖角度平均值)/ 2。在覆盖角度曲线图中我们可以看到有3条不同颜色的曲线,分别代表-3dB,-6dB和-9dB覆盖角度曲线,通常我们对于覆盖角度的取值使用-6dB曲线。

图1 (a):水平面声束图



图1 (b):垂直面声束图

图2:极性图

 

图3 (a):水平面覆盖角度曲线图

图3 (b):垂直面覆盖角度曲线图

GLL文件在EASE软件中的应用

  EASE软件从4.3版本开始使用GLL文件,也就是说从EASE4.3软件开始可以在EASE软件中进行线阵列扬声器系统的编辑和模拟。目前EASE软件版本已经升级到4.4.12。一些习惯使用EASE4.0,4.1或4.2版本的设计人员在刚开始使用EASE4.3或4.4,调用GLL文件进行扬声器系统设置时,往往认为软件或调用的数据文件出错。如果调用的是SPK格式的扬声器系统数据文件,设计人员会看到在扬声器编辑窗口中,扬声器系统在各频段的声压级。但是如果调用的是GLL文件,在扬声器编辑窗口中就看不到扬声器系统的声压级了,此时需要点击窗口右上角的“DLL/GLL Setup”键进入GLL设置窗口 (见图4)。 在GLL设置窗口中(见图5),我们可以对要进行模拟的线阵列扬声器系统进行编辑。我们可以选择吊挂方式,是空中悬吊还是坐地;选择线阵列音箱的叠加数量;选择音箱与吊架之间,音箱与音箱之间的可变角度;选择每只音箱的增益等。需要注意的是,在EASE4.3和4.4软件中,不显示线阵列吊挂件上的吊点,吊挂件上的吊点在后面我们介绍的FOCUS软件中才显示。所以在EASE4.3或4.4软件中,我们进行线阵列扬声器系统设置时不必考虑吊挂件的吊点问题。

图4:扬声器编辑窗口

图5:GLL设置窗口

GLL文件在FOCUS软件中的应用

  FOCUS软件是德国AFMG公司开发的另一款电声模拟软件,与同样作为电声模拟软件的EASE软件不同。EASE软件针对的是室内声学设计,使用EASE软件进行室内声学设计首先要做3D建模,混响时间在室内声学设计中是不可或缺的,EASE软件计算提供的声学参量除直达声声压级(DIRECT SPL)外, 其他声学参量都必须有混响时间的参与。使用FOCUS软件设计不需要做3D建模,且计算不涉及混响时间,所以FOCUS软件不提供有混响时间参与的声学参量,而且FOCUS软件更针对线阵列扬声器系统的模拟,所以此软件被众多使用线阵列做户外演出的系统工程师所喜爱。

  FOCUS软件已历经三代:FOCUS1于2005被推出,FOCUS2于2010年被推出,FOCUS3于2016年被推出。FOCUS1还没有使用全向高精度数据文件,软件界面仅是二维,仅提供侧视图,主要功能是帮助所使用线阵列针对听声面计算出音箱与音箱之间的合适夹角以满足声音投射要求。FOCUS1软件已在几年前被AFMG公司所淘汰,公司不再对FOCUS1软件提供服务。FOCUS2软件开始使用GLL文件,软件界面也改为了三维,说是三维,其实它只是二维+二维(俯视图/Top View+侧视图/Side View), 并不是像在EASE软件中可以全方位任意转动的3D模型。虽然只是增加了一个二维图示(增加了俯视图),但是听声面的声音投射和声压级的分布变得更加直观清晰了。FOCUS3在FOCUS2的基础上,又增加了两个重要功能:1. 超低频音箱阵列设计功能 (Subwoofer Arrays);2. 基于使用FIR数字滤波器的声音覆盖优化功能 (FIRmaker)。接下来我们就讲一下GLL文件在FOCUS3中的应用。

打开FOCUS3,界面分为4个部分:
1. 左边:属性(Properties)。包括项目属性和添加物属性,用于编辑听声区(Audience Zones), 扬声器系统(Loudspeaker Systems),听声点(Receivers)等。
2. 上边:俯视图(Top View)。用于标示水平面声音覆盖。
3. 下边:侧视图(Side View)。用于标示垂直面声音覆盖。
4. 右边:线阵列吊挂信息(Rigging View)。

  首先介绍FOCUS3软件中“Auto Splay”功能。“Auto Splay”功能从FOCUS1时就已经有了,一直是FOCUS软件的一个主要功能。它帮助系统工程师根据听声区迅速调整好线阵列扬声器系统的设置,包括安装位置,线阵列音箱叠加数量,吊点的选择,音箱与音箱之间的夹角。见图6,我们在听声区前设置了2组线阵列,每组线阵列由8只音箱叠加组成,线阵列悬吊高度为8米,线阵列安装选择的吊点为第3个吊点,此时线阵列音箱与音箱之间的夹角都为了0。点击“Auto Splay”功能键后,音箱与音箱之间的夹角被迅速计算出,整个线阵列的形状也随之改变,线阵列声音的投射覆盖了所有听声区域。之后,我们模拟了1000Hz频段的听声区直达声的覆盖。我们还可以看到声压级的柱状分布图,位于柱状分布图右侧的声压级平均值等信息更加有利于系统工程师做出判断, 见图7。我们还可以加入听声点, 看到在听声点处的频响曲线,见图8。

图6 (a):听声区前设置2组线阵列

图6 (b):点击“Auto Splay”功能键后,音箱与音箱之间的夹角被迅速计算出

图7 (a):听声区声音覆盖俯视图和侧视图

图7 (b):听声区的声压级柱状分布图

图8 (a):在听声区上加入了3个听声点

图8(b):听声点处的频响曲线图

  FOCUS3中新增加的超低频音箱阵列设计功能为我们提供了针对设计超低频音箱阵列十分便捷的计算,包括计算阵列的宽度(Array Width),阵列覆盖角度(Coverage Angle),所能控制的大致频率上限 (Approximate Frequency Limit),和每只音箱需加的合适延迟 (Delay)。举例说明(见图9):我们在听声区设置9只双十八寸超低频音箱按照等距对称方式排列 (即以第5只音箱为中心参照点两边对称摆放), 如果我们将间距(Spacing)设置为1米(注意:这里的间距是指2只挨着摆放的音箱中心点之间的距离),我们可以看到阵列宽度为8米,可控大致频率上限为170Hz, 同时每只超低频音箱的合适延迟也被计算出;如果我们将间距设置为1.5米,阵列宽度变为12米,可控大致频率上限变为113Hz,每只超低频音箱的合适延迟也同时改变;如果我们将间距设置为2米,阵列宽度变为16米,可控大致频率上限变为85Hz,每只超低频音箱的合适延迟也随之改变。我们可以设置间距,让FOCUS3计算阵列宽度;也可以设置阵列宽度,让FOCUS3计算间距。间距或阵列宽度都直接影响到阵列可控的大致频率上限,间距越小可控的频率上限越高。覆盖角度也可以设置,让FOCUS3计算合适的延迟。覆盖角度的下限与阵列的宽度有关,小的覆盖角度则需要大的阵列宽度。那么如果我们需要一个窄的覆盖角度并且可控频率上限尽可能高一些的超低频音箱阵列,我们就需要尽可能多一些数量的超低频音箱并且紧凑地摆放在一起。

  我们还可以使用FOCUS3设计心形指向(Cardioid)超低频音箱阵列。见图10,我们将3只超低频音箱按照FBF方式垂直叠放,中间的音箱声音投射方向与最上面和最下面的音箱声音投射方向相反,并且极性反转,并加入合适的延迟,形成心型指向效果。

图9 (a):Spacing设置为1米,9只超低频音箱对称方式摆放组成阵列,覆盖角设置为60度,100Hz声音覆盖图

图9 (b):Spacing设置为1.5米,9只超低频音箱对称方式摆放组成阵列,覆盖角设置为60度,100Hz声音覆盖图

图9 (c):Spacing设置为2米,9只超低频音箱对称方式摆放组成阵列,覆盖角设置为60度,80Hz声音覆盖图

图10:3只超低频音箱FBF方式垂直叠放组成心形指向阵列

  德国AFMG公司于2013年推出将电声模拟与系统调制和DSP控制相结合的FIRmaker声音覆盖优化技术。目前越来越多的专业音响生产厂商在扬声器系统中使用FIR滤波器构建的数字分频器进行电子分频和相位校正。FIR数字滤波器相对于传统的模拟电子分频器具有显著的优点,如:线性相位,实现砖墙(Brick Wall)的滤波斜率等。AFMG公司力图通过FIRmaker声音覆盖优化技术为下一代扬声器系统铺设一座桥梁。

  如果用一句最简单的话来概述FIRmaker的作用,那就是:将声音投射到它应该去的地方(Put your sound where it belongs)。具体来说,基于厅堂几何数据信息的输入和运用全向高精度检测扬声器数据文件GLL,FIRmaker将实现以下目标:最大限度提高声压级;让厅堂获得均匀覆盖的声音;让所有听声点获得平坦的频率响应;避免将声音投射到厅堂中不需要声音的地方,例如反射面,舞台;提高信噪比(SNR),提高语言清晰度,最终达到提高音质的效果。 FIRmaker功能被并入到FOCUS3中,系统工程师可以通过在FOCUS3软件中的操作对应用FIR滤波器的线阵列扬声器系统进行快速设置,然后将设置好的参数储存成相关格式的文件,然后导入可支持的DSP控制平台或软件中。

  在FIRmaker设置窗口中我们可以看到一些选项,见图11。这是由8只线阵列音箱组成的线阵列,每一只音箱拥有一个FIR滤波器通道。其中“优化先决条件”(Optimization Priorities) 选项中的“平衡”(Balance),“听众区上的声压级分布” (Level Distribution over Audience) 选项中的“均匀声压级分布”(Constant SPL),自动均衡(Automatic Equalization For)选项中的“平坦频率响应”(Flat Response With Roll-Off), 都是默认设置。“Flat Response With Roll-Off”指的是使用在125Hz四阶巴特沃茨高通滤波和在8kHz八阶巴特沃茨低通滤波的平坦频率响应曲线。在图12中分别对线阵列声音投射在500, 1000, 2000Hz频段优化前和优化后进行了比较。可以看到优化后声音更加集中于听声区,声压级覆盖十分均匀,从听声区第一排直到最后一排声压级几乎没有什么变化,对于0.2dB的声压级变化听众是感觉不到的。

图11:FIRmaker设置窗口

图12 (a):优化前与优化后声音投射比较500Hz侧视图

图12 (b):优化前与优化后声音投射比较1000Hz侧视图

图12 (c):优化前与优化后声音投射比较2000Hz侧视图

结论:由于计算机运算速度和数据存储技术的发展以及新类型扬声器系统的应用,代表扬声器系统全向高精度检测技术的GLL数据文件的诞生是必要的,而且已经逐步取代了过去的对扬声器系统二维检测的简单粗糙的SPK文件。GLL文件被运用到EASE软件4.3版本及之后的版本中,以及被运用到FOCUS2和FOCUS3软件中。在FOCUS3软件中新增加的两个重要功能:超低频音箱阵列设计和FIRmaker声音覆盖优化,都需要扬声器系统的全向高精度检测GLL文件。

参考文献:
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.