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磁石之南极:汽车音响“延时”之我见

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发表于 2017-12-20 16:22:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 磁石之南极 于 2020-4-1 10:56 编辑

磁石之南极:汽车音响“延时”之我见
本文作者:磁石之南极(车新活论坛总版主)

注明:此文发表在CARCAV中国汽车影音网2018年《CarCAV年刊》,由作者本人转载到本网站,分享给大家,如需转载请注明出处及作者。


前言:
常常有人问我:磁石(本人的网名简称),汽车音响怎样调延时啊?延时到底是什么?这问题要解释清楚,真有点费劲。于是,我一直想写关于汽车音响调音中“延时”这个部分,但是这个内容,要解释清楚,说得明白,还是比较费劲的。我习惯用自己的方式去解释一些复杂的东西,用更容易理解的语言去描述,希望这篇文章能够使大家更简单地理解汽车音响中“延时”这个功能,使用合适的方法调整延时,获取更佳的听感。以下使用到的名词、解释、术语、方法,都是我自己的表述方式,并非专业术语,有兴趣的朋友可以自己继续研究,或者跟我继续深入探讨。


目前市面上除了先锋、阿尔派等高端主机外,近两年各式各样的DSP(数字信号处理,英文:Digital Signal Processing)更是雨后春笋一般发展起来。这些功能型机器都有内置了电子分音、时间延时、EQ修正等功能。玩到一定阶段汽车音响改装,当使用了带主动分频的主机或者解码之后,大家就会对”延时”这个词不再陌生了。
下图展示了一些常见市售的带延时功能的机器



1.jpg
延时概念及作用:
在这里先做一个简单的介绍,延时又叫时间校准, 使用这个功能可以调节每个喇叭发出声音到达耳朵的时间。由于车上喇叭安装位置的限制,每个喇叭距离的聆听者的距离有的近有的远,当喇叭距离聆听者较近的时候,由于双耳效应,聆听者就会判断声音来自较近的喇叭,使得车上的声场(结像)会偏在距离较近的喇叭一则。


3.jpg

使用时间延时这个功能,通过机器的电子电路把近处喇叭声音延后一些发出,造成让聆听者觉得近处喇叭被拉远了一样的听感,这样声音的中心结像就能根据调整机器延时数值来影响声音结像位置变化,从而使得结像可以按需移动,通常是把它移动到声场的中间,或者说左右喇叭的中间。
合理地使用延时功能,能获得精准清晰的结像,初步获得结像后再细调,可还原音乐作品的声场,声音的分离度更好。延时调节不合理,会使声音恶化,结像扭曲,声场变形,峰谷不齐破坏声底平衡,因此延时功能也是一把双刃剑。


为什么车上更需要使用延时:
立体声原理是人会依靠双耳间的音量差、时间差、音色差、相位差、直达和边界反射差来判别声音方位的,声音强弱不同时、远近不同时、前后不同时等等,都可感受出声源与听音者之间的距离和方位。


4.jpg

由于车内坐位左右不对称,在安装位置是不能改变的情况下,怎么能让聆听者听到声音定位往右边移动呢?

2.jpg
根据“双耳效应”原理,主要有3个方法:
方法1:改变喇叭跟聆听者的距离,但是车上窄小拥挤的空间、不对称的坐位决定了喇叭安装的位置有限,无法改变左侧距离左侧的聆听者较近,右侧距离右侧的聆听者较近的局面,所以这个方法汽车环境基本行不通。


方法2:改变左右喇叭的音量大小,车上主机一般都有Balance(BAL)左右平衡的功能。通过这个功能,可以把左声道或者右声道的声音衰减,从而达到移动声音结像的效果。比如把Balance调到R那边比较多,意思就是衰减了左侧喇叭的声音,使得右侧喇叭相对左侧声音大些,让聆听者认为声音往右侧移动了。


方法3:改变喇叭发声的先后时间,这就是延时功能。大家都知道声音的一个特性就是声波在空气中传播速度是约 340m/s,延时功能就是通过电子电路依据声音传播速度,把较近的喇叭让它延缓出声,配合远处喇叭出声传输时间,使实际到耳时间一样。没有时间差、声压差的两个声音合成后,虽然聆听者偏在近处喇叭的一侧,但会认为声音发声点在两个喇叭的中间了,而不是在靠近聆听者所处的喇叭一侧了。


这就是为什么带延时功能的主机能把声音定位调整到想要的位置的原因。


方法2(声压差)和方法3(时间差),都能让聆听者觉得声音定位发生改变了,但是方法2是利用衰减一侧的声音达到改变声音定位的目的,由于改变了左右耳朵的声压平衡,这种方法对合成后声音会减少了被衰减那侧喇叭的声音的细节,声场感觉是歪斜着的偏向未衰减侧,不自然,所以,方法3比方法2更有优势。


延时的具现化---搬音箱
把这个功能具现化地表达出来,可以比喻为“搬音箱”。通过把距离聆听者近的音箱延迟发声后,相当于把离聆听者距离近的音箱往远处搬开,使得左右音箱到达聆听者的距离一致,从而实现听感上使聆听者认为声音是从两个音箱中间发出的。声音结像由C1“移动”到C。延时就是利用的这种原理。



5.jpg

这里还需要解释一点,延时功能的作用,只是使得发生点的发声时间延迟,这个延迟表现出来是以发生点与聆听者两点一直线的延伸方向的(如上图),并不能改变发声点的横向距离,因此我们要正确理解延时功能的作用,不能想当然地认为延时可以把发生点往其他方向移动(如下图)。


6.jpg

搬分频箱子、移喇叭
上面提到使用延时功能,改变两个音箱中心结像位置的情况,仅仅是属于理想状态下使用延时功能,没有考虑高音和中音喇叭的安装情况,利用延时把声音结像拉到声场的中间(音箱的中间)。但是,由于车上一般使用的是分频喇叭,而且高音和中低音喇叭的安装位置相距很远,安装不规则,角度不一致,因此,搬箱子的动作就会变成“搬分频箱子”,如下图中所示:



7.jpg

在上图中看到,对于聆听者而言, 使用延时“搬箱子”并不是只把左边一个音箱远离聆听者,而是要使左边几个音箱(分频喇叭)跟右边的喇叭到达聆听者的距离一致。由于是分频喇叭,加上喇叭安装的位置各异,搬音箱需要理解为同时搬动若干个分频喇叭箱子,使得这些箱子都能同时到达聆听者,形成一个一体的完整的音箱状态后,才能达到最佳聆听效果。


当我们使用延时把分频箱子“搬”到大概的位置时,用形象的方式去表达,就是把左右两侧的各个分频箱子放置到聆听者的前方,摆成左右两个音箱。这个时候,就可以初现出立体声的虚像。
要达到这个效果,可以用2种方法,一种是单边延迟靠近聆听者的箱子的发声时间,这种简单的方式,我管它叫“傻瓜延时”。这种方法只要一边更改数值,一边聆听结像位置的变化,就能快速简单的把人声结像移动到两侧音箱的中间,不需要测量实际距离。另一种方法是“实际距离延时”,是按照每一个分频箱子的实际距离,计算每一个分频箱子到达聆听者的距离差,然后按照这个距离差设置延迟各个分频箱子的发声时间数据。
目前带延时功能的机器基本分为“输入距离数据”和“输入时间数据”的输入方式。使用输入距离的方式的机器,其内部已经把距离换算成延迟发声的时间了。输入时间的机器,可以利用声音在空气中传播的速度,把测量的距离换算成时间,就能得到数值。实际距离延时这种方法,相对傻瓜延时,数值更准,但是也只是属于粗调的方法。
下图,表示2种延时数值的搬箱子情况,上是傻瓜延时,下是实际距离延时。
   

8.jpg

用我上面表述的方法,搬分频箱子粗调延时,结像还比较模糊,分离度尚不足。在搬箱子之后,我们要达到最佳的听感,还需要“移喇叭”。当箱子的位置摆好之后,我们需要打造一个好音箱,还需要对喇叭的位置进行移动,微调每个喇叭之间的相对位置,以达到最佳的相位。使得每个喇叭出来的声音能够在最合适的时机重放,达到最佳听感。调节延时解决这个相位问题,才是延时最难同时也是最重要影响听感的。这个层面上来看,这一步是对“拉延时就是拉结像位置”这个做法的升华、精细化利用。这里说的调节延时最重要的目的是解决相位差问题。即使在家庭音响中的音箱,也会利用喇叭前后位置来调节相位差,设计出更好的效果。



9.jpg
从上面这个总图可以清楚地表示延时调节的过程。
先是通过使用延时“搬分频箱子”,把每个分频箱子“搬动”到大概对称的位置,实现拉结像定位置的作用,也就是图中红色线框着的部分。这个时候,立体声虚像基本形成,但是只是粗调步骤,未能达到最佳延时阶段,还存着较大的相位差。
接下来通过“移喇叭”,微调延时数值,使得各个分频喇叭同步,相位差减少,精细化利用延时达到最佳的听音效果,形似把各个不规则的分频箱子打造成一个完整的成品音箱。
对我而言,汽车音响改装主动分频,可以理解为,在汽车特定的环境内,根据聆听者的特定坐姿,把喇叭安装在汽车上,通过对喇叭安装位置、角度、背波处理、环境反射和吸收的考虑,以及使用音频处理器,利用分频点、斜率、电平、延时、EQ等手段,对每个喇叭进行协调处理,最终以达到设计出一对虚拟的音箱的过程。当这对虚拟的音箱做好之后,更换不同的音源、线材、功放,使用不同的搭配,可以搭配出各种风格的系统。不过前提就是要把这对虚拟的音箱做好,尽可能还原出音箱正确的声音。


10.jpg

延时功能正是在实现这个虚拟的箱子的过程中起着重要的作用。
同时,这里也要补充和强调一点,我们不能过分夸大延时功的作用。由于安装问题引起的问题,只能从改善安装工艺去解决。主动分频调音除了延时这个步骤之外,还有分频、斜率、电平、EQ等步骤,每个步骤相互关系。比如改变了斜率,延时值也要做出相应的调整,因为斜率的改变使得相位发生了改变,都是迁一发而动全身环环相扣的。因此,我们在讨论调音的时候,要综合各种因素。


怎样判断延时的最佳数值呢?是否有客观可循的依据呢?
对于粗调延时,我们只需要用尺子把各个喇叭到聆听者头部的距离测量出来就可以了。
重点和难点是在判断最佳数值(微调延时),下面是我研究的情况:
最初在研究延时调节的方法的时候,大概是9年前,当时调延时的方法,我使用的是用音乐和人声去判断声音的融合,但是这种方法调试的准确性不高,判断的依据很主观。因此我就尝试使用其他办法去改善这个调延时的方法。
于是我就分析:调节延时是各个喇叭相对发声时间的改变,也就是说喇叭发声过程中,不同喇叭播放的声波会发生叠加、干涉等情况,那么我要怎样用客观的容易判断的方法去分辨这个过程,来判断喇叭在调节延时的过程的叠加、干涉的状态呢?我考虑的思路是两分频喇叭,高音和中低音喇叭的分频衔接的地方,改变延时数值的时候两个喇叭的声波发出来的相同正弦波变化的情况,应该是最容易判断出变化的。
声波具有周期性,固定频率的正弦波表现出来如下图,



12.jpg
当两个声波的发声时间改变时(延时数值改变),就会出现以下的情况:
一组喇叭的前后出声不一致,同频率时每个喇叭的声波就会不同步,就会产生相位问题。
声波会叠加和抵消。当声波叠加时,声音就会增强。当声波抵消时,声音就会减弱。


11.jpg

因此,我尝试使用2.5k正弦波作为判断高音喇叭和中低喇叭延时变化的判断依据。当高音喇叭和中低喇叭同时播放2.5k正弦波的时候,不改变延时值得情况下,喇叭由于固有的安装位置,就会出现一个特定的叠加情况,然后当我们在固定一个喇叭的延时值不变时,改变另一个喇叭的延时值,这个2.5k的正弦波就会发生叠加和抵消周期变化的规律。这个现象的出现,使得我更加确信这个思路是正确的,利用客观的信号去判断主观的声音变化,是有效的和标准的。
同样地,在判断其他喇叭的延时的时候,同样可以使用喇叭衔接区附近的单音正弦波作为依据,根据声波的叠加和抵消的现象就能判断出延时合适的数值。
在发现了这个正弦波叠加和抵消现象之后,我在车上不断的重复听这正弦波单音信号,目的在于归纳出究竟这个叠加和抵消周期出现的规律。怎样才能把它标准化,研究出一个更简单方便的方法去判断。就这样一听,就是3个月,只要一有时间,我就会呆在车上去听,不停的变换延时的数值,去发现规律。最后总结出来的规律是:根据不同机器的延时步进精度不同,固定某个喇叭的延时值不变的情况下,改变另一个与之衔接的喇叭的延时值,声波的响度会发生周期性的变化,从强到弱,周而复始地出现。


有了这个依据,当时我就是使用这个方法去调节最佳延时,调试出效果不错的汽车音响系统,不仅仅是自己的车上应用,更多是帮助其他车友去调整延时。在帮助其他车友的过程中不断的反复验证这个方法的可行性。


标准化调音的可行性和愿景
上述这个方法是可行的,也能客观能判断延时是否合适。但是这个方法有个最大的问题,就是反复听正弦波的单音信号,对耳朵伤害很大,有时候由于指向离轴角度较大,对判断的正确性会有较大的影响,需要反复判断。因此我也继续的探索其他更加有效的以及容易辨别的方法。后来我使用了粉红噪声作为判断的信号,粉红噪声相对于单音正弦波有一个最大的优势,就是粉红噪声对耳朵的伤害没有那么大,听起来没有那么难受。不过粉红噪音越是低的频段,人耳的判断力就越低,有的时候很难判断出是否最佳,这样也并非很好的方法,但是至少这是相对容易找到的信号,也是能标准化的一个方法。


在研究汽车音响调音的过程中,我一直研究并实践着标准化的调音方式,就是用客观的、容易判断的方法去代替人耳作为调音基准的方式。前提条件是标准化的安装工艺要先做好,然后利用手机或者专业仪器把汽车音响调音达到一定的声音基础上,再用人耳去调音,达到更佳的听感和美感等主观感受。在手机使用越来越普遍的情况下,还可以利用手机app测量响度、测量频响情况的方式来代替耳朵的判断。这也是标准化调音可实现的一大贡献。在车新活论坛里,有一些骨灰级的玩家也分享了如何利用标准化的方式去调节汽车音响,有兴趣的朋友可以一起研究。在这些玩家和店家的共同研究和努力下,我相信汽车音响能达到更好的音响效果,打造出真正的移动音乐厅,使我们的汽车生活更加愉快。


13.jpg

最近这3年,我运用了新的信号去作为判断依据,效率和准确率高了不少,同时也相对易于辨认,操作性强,限于篇幅,就不在这里详写了。日后有机会再整理出来,大家共同探讨吧。


喜欢音乐,追求音质,广交烧友,分享经验。快乐并痛苦着追求自己心中的好声音。。anson_lgx。。

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发表于 2017-12-21 11:02:57 | 显示全部楼层
先顶了,再慢慢看。

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没想到占到了一楼

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难得的石版长文  慢慢消化

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形象,生动,实用!磁石又一大作,汽车音响的福音!这几年来,正弦波调法,人声听音法,粉红噪音法,我都实践过,最后总结了一套自己的延时调法,就是先用粉红噪音调好后,用人声进行微调,这样觉得会精准很多!

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发表于 2017-12-21 11:36:07 | 显示全部楼层
极?好文,等你这篇延时的文章好久了,感谢分享心得。
曾经和几个号称大师级的交流过,但是这个延时的调法,基本都是作为他们的秘技,而不分享心得调法的。当然这是别人混饭吃的技能,无可厚非,但是我们此等想钻研自己调配的当然想挖空心思去了解清楚原理、匹配过程以及各种调法的优劣。

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发表于 2017-12-21 11:43:55 来自手机 | 显示全部楼层
苦等一年半

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磁石总是用最通俗的语言,最易懂的方法,传递最强大的信息量,指导车友一路好音乐...
我只想说...你是我们的雷锋~

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发表于 2017-12-21 12:01:10 来自手机 | 显示全部楼层
磁石真的是无私奉献,感谢分享出这么好的帖,主要是通俗易懂,也感谢老法哥哥的默默付出!我感觉好些人又要开始疯起来了!
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