2022年2月26日 星期六

利用FIR修正喇叭系統輸出--第二篇 現場測試

 為了進一步測試FIR處理應用在現場系統上,筆者使用兩支DXR8與一支DXS15超低音,中間過一個Core110f Crossover在90Hz做分頻。讓系統更複雜化些,並讓測試更貼近現場實際使用。


首先量測兩支DXR8原本的狀態(綠色曲線),再量測過Crossover的情形(紅色曲線)。




加上單獨DXS過Crossover的量測(淺綠色),可以看到頻率交集的Mandatory區域,兩者的Phase offset平均有220° 到260° 左右,並無法獲致完全的能量累加。


90Hz處誤差226°,甚至會帶來-2.1dB的負能量累加。


套疊上兩者加總的Mag曲線(藍色曲線),能夠看出能量並未完整累加。




經計算後,在DXR8上加7ms delay進行Main/Sub的Alignment,進一步量測後,在90Hz分頻點左右(下圖十字標記)的能量整個復原回歸(橘色曲線是加7ms的兩者累加,對比藍色原本的累加)。


以Phase Alignment後的曲線匯進Re-Phase,進行修正。


Mag部分,僅修正50Hz到100Hz間的大凹陷,Re-Phase可以模擬多種的Filter運算法,這邊採用類似Lake上的Raised Cosine法則來補償。



Phase的部分進行多段修正,也顧慮到輸出 IR delay的控制,因此設定4000 tags,讓IR delay在41.667ms,讓Core110f也可以充裕運算。運算成果如下圖:



輸出運算結果成.csv檔案,傳送給Core110f的FIR Custome Filter執行。下圖是筆者在Core110f設計用來執行這次實驗的系統規劃。


量測FIR前後的曲線,粉紅曲線為FIR修正後的現場實際量測。



在Core110f使用FIR的運算修正,可以很清楚看到直接用單一元件便可把phase與mag同時修正,而且結果非常明顯,實在很令人驚艷。


實際播放音樂來做聆聽測試。也同時做了進一步實驗如果僅修正phase、讓mag維持不動(下圖紫色曲線為運算後實際量測結果),來比對如果僅修正phase是否對聲音聆聽也有影響。


如果不太能理解上圖phase曲線的顯示,我們用phase展開的顯示法來進一步觀察這兩條曲線。橘色是修正前原本的phase,由於信號經過傳統的分頻處理、加上喇叭本身內建的被動式分頻迴路,處理的頻率帶產生延遲,訊號傳達時間一路變慢,一直到2kHz左右才趨緩、持平,就像下圖的橘色曲線,越左上方代表較快到達的頻率訊號、右下代表較慢到達的頻率訊號。

FIR的修正法,用下圖紫色曲線與橘色曲線對比,就能看出端倪來。基本上就是把左上較快的整段頻率帶訊號都拉慢下來、等待慢到的訊號、盡可能讓所有的頻率到達時間都接近。這也是為何FIR運算會有附帶的Latency時間差。


各位可能還會有一個疑問,如下圖FIR修正前後的比對,修正前後兩者其實Mag曲線幾乎相同,代表頻率響應能量幾乎相同,那聽覺上會有差異嗎?是否是錯覺?


各位不曉得有沒有聽過量子力學中有一個海森堡測不準法則?簡言之,量測時粒子位置與動量無法同時被精確量測,如果標定粒子的位置,將使它的動量不確定性增加;反之亦然。在這裡Audio的量測也有類似的情形。


我們使用的量測軟體多是運用Fast FFT快速傅立葉轉換、來將量測訊號的能量在頻率軸與時間軸做詮釋的轉換。但在定義這兩個軸線的精度時,往往會顧此失彼。譬如,在量測Mag,我們使用較長的時間的Average(好比這個例子使用1秒長)來提高量測的S/N比、也讓差異曲線能較平實地代表系統的響應頻率。而時間軸量測,我們又通常會希望時間單位更精確,好比下圖,精確到0.1ms,以便能判斷IR的鋒值位置。或是像上圖的Phase量測,我們需要能判斷每個頻率到達時間誤差能精準到多少度數。因此,Mag曲線上看到的頻率響應,並不能詮釋出phase曲線上在2.8kHz以下的頻率其實有相位誤差、各頻率到達時間是不一致的。



頻率軸詮釋的這個Mag曲線量測是一段時間的平均值、並非訊號的即時反應。因此在音樂聆聽測試時,刻意找了幾段有明顯attack較短樂器(如大鼓)的樂句、反覆切換FIR修正前後來比對(也可說是2.8kHz以下頻率到達時間不一致或一致的兩種結果比對)。


個人實際聆聽的感覺就是到達時間一致時(FIR修正後)、在低頻段聽覺感受較紮實。筆者覺得由於低頻的phase趨於線性,對低音的紮實度與延展性都有幫助的關係。以往筆者在修正phase Shift時,僅能利用處理器內的All Pass Filter,主要也是因為這是手邊的Yamaha DME或是MTX/MRX系列處理器僅有的工具,而處理器內一階/二階的All Pass Filter老實說能做的真的很有限。現在可以利用FIR Filter來進一步“雕塑”出想要的輸出phase,實在是太棒了!而這個處理能夠帶來輸出系統較紮實的低頻表現、並且不需花心思去修EQ,只要求取頻率到達一致性、讓Audio訊號忠實表現自己原本應有的特性吧!




Humphrey T


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