给房间做均衡的真正含义是什么？

chunwen · 发表于 2020-3-3 19:45:37

给房间做均衡的真正含义是什么？

“我要给这个房间做均衡”。我们经常会听到这种说法，但却几乎从没想过这句话的字面意思。

我们都明白，这句话实际的意思是要对均衡器进行调整，从而让房间内的声音听上去符合你的口味。你可以通过使用高科技设备，或者什么黑魔法，或者只是简单地将声音调整到“听起来是对的”的程度。

但是话说回来，如此一来，我们真是如字面所说，是在“给房间做均衡”吗？我们究竟在做什么？

关于这个问题，其实有很多不同的看法和分歧，但是大家都认可的一点是：无论你怎么调整均衡器，都无法调整整个房间的结构。

均衡器究竟是怎么“均衡”的？

我们先来假设我们的扩声系统具有平坦的（或者其他理想的）自由场频率响应。也就是说，系统本身并不需要进一步的均衡处理。导致频率响应发生变化，或者说变得“不均衡”的原因，往往有三种。

第一种，是来自扬声器之间的相互影响。

当扬声器从一个变成了两个，从而成为一个“扬声器组合”的时候，几乎在任何地方都会导致频率响应发生变化。

不管制造厂商吹得多么天花乱坠，这都是任何扬声器、扬声器线阵列之间会存在的现实问题。

两个频率响应相互结合，会导致在不同位置的频率响应出现不同的变化，这取决于两个扬声器之间的相对到达时间和相对电平差。随着扬声器数量的不断增加，响应的变化也会按比例增加。

第二种，则是扬声器和房间之间的相互影响。

这一类通常被称为耦合、反射或者反射声。这种机制和刚才提到的扬声器之间的影响类似，取决于相对到达时间和直达声与反射声之间的电平差。

刚刚提到的这两种，都是多个声源之间（扬声器与扬声器之间、扬声器和反射声之间）相互影响造成的。因此这些问题的解决方法也和多声源之间的影响紧密相关。

而第三种，则是温度、湿度以及吸声指数等等动态条件的变化产生的影响。

然而，和刚才提到的两种原因相比，这个原因所造成的后果是微乎其微的，因此在接下来的文章中，我们对这一点就不做展开讨论了。

使用均衡器，可以解决我刚才提到的这几个问题吗？答案当然是“可以的”。

通过使用均衡器，可以有效减少上述问题的严重程度，并且在恢复原始的理想频率响应这一点上，也可以取得实质性的进展。

毕竟如果均衡器没什么用的话，我们也不会在过去的35年里一直把这东西装在我们的机架上了。

不过，从实际意义上来说，均衡器只有在和其他技术相互结合使用时才能充分发挥均衡频率响应的作用，比如合理的建筑声学装修、精确合理的扬声器摆位，合理的延迟和电平设置等等。

那么，扬声器和房间之间的相互影响，在多大程度上是可以通过均衡来调整的呢？

这个问题已经被争论了15年之久了。尤其是一些声学测量系统的倡导者们，早已开始在这些问题上下功夫了。

那么，为什么在这一点上会产生争议呢？这还要追溯到均衡器和分析仪的历史关系上。接下来就让我们做上时光机，一起看看当年究竟发生了什么吧。

在很久以前（二十世纪七十年代），声音系统的校准系统，是围绕着一种被称为实时分析仪（RTA）的简陋设备，以及其配套的解决装置——图示均衡器所展开的。

分析仪会以1/3倍频程的分辨率显示振幅的变化，从而不断调整均衡器，直到产生足够平坦的频率响应。

而图示均衡器的使用也非常简单，几乎没有什么技术门槛，只要会旋转按钮，直到RTA上所有的LED都在一个水平线上为止，就可以了。

尽管这些工具在当时来说是业界标杆，但是依旧具有非常大的局限性。而这些局限性可能导致对扬声器与扬声器以及扬声器与房间之间的相互影响产生非常严重的误解，从而导致可选的调整方式越来越少。

导致这些局限性产生的原因，一部分是因为RTA缺乏对于系统频率响应的时间方面的信息。此外，也没有系统的相位信息以及麦克风的能量抵达的先后顺序的信息。

RTA无法做到从添加过混响的声音中分辨出直达声来，也无法做到表明响应变化是由扬声器之间的相互影响造成的，还是扬声器和房间之间的相互影响造成的。

因此，RTA在关键的扬声器定位、延迟设置乃至建筑声音处理上，无法提供任何帮助。

其次，RTA无法说明，麦克风的响应与进入扬声器的信号之间的相互关系。RTA可以给出麦克风的声能状态的报告，但是却没有关于响应峰值以及波谷出现的原因的参考。

这些波峰和波谷可能是由于早期室内反射声或者扬声器之间的相互作用产生的，这些相互作用可以对均衡器做出积极反应。然而，这些响应的不规则形可能来自后期反射，来自升降器的噪声，或者来自扬声器前方的钢梁的反射声。

均衡器无法去除升降器的噪音以及钢梁的发射声，但是RTA却无法让你意识到这些原因造成的影响。RTA就是这样：它让你以为你已经对系统做了清晰的分析，一切已经尽在你掌握之中，但是实际上并没有。

第三点，实际上，1/3倍频程的分辨率，完全无法支撑关键的校准决策。此外还存在一种误解，就是分析仪和滤波器的分辨率是必须要相互匹配的，而实际上并不是这样。

chunwen · 发表于 2020-3-3 19:46:22

分析仪的分辨率应该是滤波器的三倍才合适，这样才能提供足够的可见数据，以便检测中心频率、带宽以及响应的偏差。

1/3倍频程的RTA仅仅可以做到确定八度音程或者更高的带宽，它实际上要比显示出的1/3倍频程的峰值要更窄。而看上去是2/3倍频程的峰值，实际上可能只是位于1/3倍频程刻度之间的一个更窄的峰值。如果这样的话，再使用图示均衡器调整，后果会是什么，不言而喻。

遗憾的是，由于人们认准了均衡是系统校准的唯一关键参数，缺乏对于其他关键信息的认知，会使得许多使用者陷入自满情绪中。在很多情况下，均衡器会被人们用来纠正他们无法解决的问题，但是后果往往都会变得更糟。

图示均衡器不可能创建一个房间与扬声器之间相互影响的响应曲线的反响曲线。

因此，使用音频分析仪所做出来的效果并不理想，这也导致了分析仪风评很差。许多工程师也因此得出了结论：用自己的耳朵配合常识来调整，会比用分析仪要靠谱得多。

因此，尽管RTA这个词经常会出现在大众视野，但是也只是会在展会出展的时候，才会受到一点关注。

技术进步导致了80年代早期两种分析技术的开发和普及：时间延迟频谱（TDS）和双通道FFT分析。

这两种系统都有着全新的功能，比如相位响应测量、识别反射声声波以及分辨率的提高等等。

如此一来，在使用分析时，就不会再像以前那样，不论是小白还是专业人士看上去都像模像样的情况出现了。这些分析仪非常复杂，需要真正训练有素的、技术娴熟的从业人员才能让它发挥出真正的作用。

这两种技术的推广人员都强调工程师需要利用系统中的所有工具来对频响曲线进行修复，而不是单单只依靠均衡器。应该尽可能地利用延迟调整、扬声器摆位、交叉优化和架构的解决方案。

但是，在“均衡房间”这个问题上，又出现了分歧。所有人几乎都认可，扬声器和扬声器之间的相互影响是可以通过均衡器来调整的。而分歧的关键在于，扬声器和房间之间相互影响造成的响应变化，究竟能不能通过均衡器来修整。

TDS技术阵营是主张，扬声器和房间之间相互影响造成的相应变化是不可调整的，因此，测量系统应该筛选掉扬声器和房间的相互影响，只在分析仪的屏幕上留下扬声器系统的可均衡部分。然后通过均衡器，生成这些数据的反向数据，来对系统的响应曲线进行调整。

TDS系统的设计，是通过正弦频率扫描和延迟追踪滤波机制，来筛选出房间可调整的频率响应曲线，并生成该曲线的反向曲线，从而模拟出理想的响应曲线。量化出的结果可以清楚地显示出一连串扬声器与扬声器之间的相互影响并提供有效的优化参考数据。

这种方法在中频和高频范围内是非常有效的，而且即使是在高速扫描的前提下，它也可以保持极高的分辨率，但是在低频范围内效率会相对较低。

低频的波长很长，以至于如果不花费很长的时间来记录，将整个房间都纳入测量范围，就很难获得高分辨率的数据。

举个例子，如果想要达到1/12倍频程的分辨率，用西洋调式音阶来类比，必须要有一个比问题周期长12倍的记录时间才行。

而在30Hz处，则是需要360毫秒（12x30ms）。如果想要通过快速扫描以便从测量数据中筛选出反射声声波，那么低频数据的分辨率是无法支撑实际应用的。

而双通道FFT分析仪，则是利用不同的时间来记录波长的。在波长周期较短的高频范围内，这个记录时间非常短，而随着频率的不断降低，记录波长所花费的时间也在增加，从而创建出了一个近似恒定的频率分辨率。

测量结果会显示出直达声和早期反射声的恒定比例。而这也是音响系统中，人为感知声音质量优劣与否的最关键的区域。

最为流行的FFT系统通常是1/24倍频程的分辨率，这意味着测量会限于24个波长时间周期内的直达声和反射声。

这是一个非常实用的分辨率，这使得我们可以在1/8倍频程附近进行更加准确的均衡调整。

使用FFT的方法，随着频率的降低，会有越来越多的房间因素被计算到响应曲线之中。这也是个好事，因为在低频的区间，房间和扬声器之间的相互影响造成的响应变化也是可以通过均衡来调节的。

举个例子，竞技场的计分板，它的反射声要比直达声信号晚150毫秒。在10kHz的时候，来自反射声的峰值和波谷之间的间隔大概是1/1500倍频程。在30Hz的时候，这个间隔却只有1/3倍频程。因此，计分板和高音单元相比处于更远的地方，使用均衡器来抵消它的影响，是不切实际的。

这种问题还可以通过挂窗帘等等建筑声学处理的方式来解决。但是对于超低音扬声器来说，计分板是一个近场边界，并且更容易受到滤波器的支配，而这种支配产生的影响，甚至需要整整50吨的吸声材料才能抑制住。

很多年前，FFT技术阵营大胆地表示：通过均衡调整可以抑制房间内的反射声。然而不幸的是，由于这些表述并没有加上限定参数，话说得过于绝对，从而给人留下的这样的印象：FFT系统的倡导者认为，通过均衡来消除反射声带来的所有的影响，这一点是可行的。

虽然从理论角度上来说，可以证明单个反射声对频率响应产生的影响可以被完全补偿掉，但是这并不意味着这个操作是可行的或者说是足够理想的。

只有当反射声的相对电平不等于或者不超过直达声的电平，并且没有其他特殊情况的前提下，才有可能成功实现对频率响应的调整（过度延迟会导致“非最小相位”出现偏差，不过这不在本文的讨论范围之内，故不展开说了）。

如果直达声的电平和反射声的电平相等，则两者相互干涉产生的波谷是无限深的，因而对应消除这个影响所需要的电平峰值便是无限大的。而我们都看过科幻电影，所以应该也知道：当无穷大碰上无穷小，一定会发生一些不好的事情。

补偿频率响应曲线需要一个可调整带宽的滤波器，让其能够产生和每个梳状滤波器峰值相反的波谷，并将响应曲线补偿回理想的平直状态。而随着反射声数量的不断增加，所需要的狭窄的滤波器的数量也在不断增多。

矫正一个一毫秒的20kHz处的反射声，大概需要40个滤波器才能做到，因为会有20个波峰和20个波谷，带宽从1-0.25个倍频程不等。而一个10毫秒的反射声，则需要整整400个带宽低至1/400倍频程的滤波器。

显然，试图将一个礼堂中每一个位置上产生的影响都抵消掉那是不可能的。而在现实世界中，我们也没必要抵消掉每一个细微的波峰和波谷，只要达到波形尽可能平滑即可。而同样的，滤波器越窄，它的实用价值就越小，因为响应在每个不同的位置上都会产生细微变化。

通过均衡来抑制一部分由于扬声器与扬声器之间、扬声器与房间之间的相互影响而产生的频率响应变化，这是确实是可行且使用的。

而说到实际的意义或者实际的效果，我们的目标其实只有一个：切实可行的、可能达到我们的目标的方法是什么。

chunwen · 发表于 2020-3-3 19:46:52

由扬声器与扬声器之间、扬声器与房间之间的相互影响而引起的频响曲线的变化，始终都随着位置的变化而变化。

一旦看到了某几个特定位置的高分辨率的数据，就不会再回过头来排查其他的地方，而是想当然地以为已经解决了整个房间的均衡问题。

在一个音响系统中，如果能将上述的那些影响控制在最先，再能使得整个听音环境都具有良好的平衡性，如此一来，才能保证从均衡处理中获得最大的利益。如果在每个座位上，听到的声音差距都非常大的话，那咱就干脆关了调音台，去吃饭吧。

为了最大限度地减少扬声器与扬声器之间的相互影响，我们需要重新调整扬声器的摆位，需要仔细调试不同的位置和线阵列的设置。

在扬声器覆盖区域产生重叠的地方，时间延迟和电平控制将会使得重合区域的恶劣影响被控制在最低。

而为了最大限度减少扬声器与房间之间的相互影响，比较合理的解决方案是对整个建筑进行声学改造（比如拉个窗帘），此外还可以搭配定向控制元件使用，更加合理地调整扬声器摆位。

最后，开始考虑做均衡。为了配合均衡系统中的各个子系统，你需要在房间的各个地方，在尽可能多的地方来使用麦克风测试不同位置上的频率响应，并查看其中的规律和趋势。

需要特别注意的一点是，要记得围绕扬声器的中央覆盖区域进行测量。离那些影响非常大的区域远一点，那些区域中，每一英寸的距离所产生的变换都是巨大的。

这方面的例子，包括线阵列音箱中两个音箱之间的接缝太窄，或者整个音箱距离墙的距离过近。每个位置都是独一无二的，但是如果您把滤波器用在前四个或者前六个有问题的区间上，基本就可以有效抵消该区域出现的频率响应问题。

现代分析仪可以显示出令人眼花缭乱的频谱数据。但是如果我们继续采用RTA时代的过时的方法，那么所获得的收益是非常小的。为了让均衡器能够充分发挥作用，我们必须要充分理解那些对于“不均衡”进行分析识别的系统的机制。

利用这些现代工具，我们可以分析响应曲线，从而分别提取和查看扬声器系统中的那些相互影响的因素。这使得工程师们可以根据这些技术所分析的数据，准备好合理的应对方式，从而成功地减少各个元素之间的相互作用产生的影响，增加系统声音的一致性。

“使房间变得均衡”将继续会是建筑声学领域的主要课题，但是借助先进的工具和技术，可以让我们更好地平衡房间内的音响系统。

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