声音反馈与抑制的深入探讨.doc

声音反馈与抑制的深入探讨声反馈（也叫做拉森效果）一直是扩声系统中的一只拦路虎，基本上每个人都会有自己的办法来解决这个难题。运用数字信号处理的方法，为每个话筒设置一个独立的反馈补偿，这一个非常有创造性的解决方案。本文将详细分析声音反馈这一令人讨厌的现象，并介绍一些比较实用的基于DSP的工具。反馈的本质一个典型的扩声系统要有两种响应一种是话筒和喇叭相互隔开(断开的回路)的响应，另一种就是这两者在声学上构成了一个回路(闭合的回路)时的响应。图1：断开(平坦)/闭合(峰值)回路响应，延时=2ms，增益=0dB一套系统中，与输入相对应的输出响应叫做系统的传输能力。当输入的测试信号频率不断改变而系统所测得的开路响应保持恒定时，你就可以用延时和电平控制来模拟这个系统。通过观察简单的电平变化和延时对传输能力的影响，就可以预测声反馈在现实情况中的表现。图1中，上半部分的图表比较了两种响应。蓝色直线表示的是一个增益为0dB、有2ms延时的开路系统(没有反馈)。红色曲线表示了这个系统闭合以后产生了反馈之后的情况。在下半部分图表相位为0度的位置上，是这个闭合回路系统电平的峰值点。一个闭合回路相当于整个180度相位区域,反馈中同时包含了电平大小和相位的改变。尽管所有频率的增益在一个开路上都是相同的，可是当某些频率穿过回路得到加强时(几乎没有相位的变化)，就会表现得像反馈一样。图2：断开(平坦)/闭合(峰值)回路的响应，延时=10ms，增益=-3dB图2是把增益降低3个分贝，并把延时增大到10ms后的结果。注意闭合回路增益减小的程度多于开路减小的3dB可以看到潜在的反馈频率(0度相位的区域)之间变得更加接近。相位每变化360度，0度相位点就重复一次。对于一个线性相位传输，你可以通过延时时间来计算潜在的反馈频率之间的间隔。公式为：延时(sec) = -相位 / (频率 360)公式中的phase=360度(两个0度相位频率之间的相位差)时，公式就变为：频率 = 1 / 延时(sec) ，相位=360度。也就是说，潜在的反馈频率间隔=1/ 延时(单位：秒)下面表示了一些不同延时下的潜在反馈频率：1/0.002 sec. = 500Hz 间隔 (2ms延时)1/0.010 sec. = 100Hz 间隔 (10ms延时, 如上图)1/0.1 sec. = 10Hz 间隔 (100ms延时)我们可以看到增加延时会使潜在的反馈频率增多,也就是说因为频率之间靠的更近，所以就会有更多的反馈频率存在。实践经验还告诉我们，延时也影响着反馈增大和衰减的比率。如果在话筒和喇叭之间有10ms的延时，同时在潜在的反馈频率上有+0.5dB的传输增益，那么反馈就会以0.5dB/10ms或者+50dB/s的比率增大。如果延时增大到100ms，那么这个比率就减小为+5dB/s。还有另一个测试是关于增益和反馈之间的关系。对一个固定的延时，如果你知道开路系统在一个特定的反馈频率上超出单位增益多少，你已经可以算出这个反馈的增大比。这意味着如果你在一个地方听到反馈在增大，并且能估算出它增大的比率，你就可以粗略的算出这个系统超出了单位增益多少。例如，如果你估计反馈以6dB/s的比率增大，同时你也知道话筒和扬声器之间的距离为15英尺，那么你就知道目前的增益大概比单位增益大(60.015)也就是0.09dB。因此，你只需要把增益降低这么多就可以使系统稳定下来。当然，反馈衰减的比例也同样适用。如果你把增益降低0.09dB，反馈将停止增大。如果你降低了0.2dB，这个反馈频率将以与增大相同的比率进行衰减。如果你把增益降低了3dB（在单位的稳定点以下），那么衰减的比率就是200dB/s。注意，任何改变相位的动作同样会作用在反馈频率上。这些改变包括温度、所有的滤波以及延时的变化。如果你分析温度变化对音速的影响，把相应的延时和温度变化的因素考虑进去，你会得到一个很有趣的图表。图3：反馈频率变化和频率(对应于六种温度)图3表示了在只考虑温度变化对音速的影响后，反馈频率所产生的变化。有趣的是反馈频率在越高的频率中变化就越大，这些变化很有意义，提供了一些控制反馈的方法我们将在后面详细讨论。小结：* 反馈同时由大小和相位决定* 增大系统的延时将会增加潜在反馈频率的数量并减小频率之间的间隔* 延时也影响着反馈频率增大或衰减的比率* 要使反馈频率的电平不再增大，你只需要把它的电平降低到单位电平下。但是，反馈频率电平的衰减比取决于降低的大小和延时的时间* 温度变化或者是任何能够改变相位的因素，都会对反馈频率产生影响但是，了解反馈是一回事,如何处理这个问题又是另一回事目前的制造商在他们生产的设备中主要使用三种方法来控制反馈。自适应滤波模型法（类似于声学回音消除的方法）、频移法、自动陷波法。我们在这里主要讨论的是自动陷波法，因为这是运用最多的一种方法。自适应滤波模型法这种方法类似于在电话会议系统中使用的声学回音消除的运算法则。原理是精确的模拟扬声器话筒之间的传输情况，运用这个模型把扬声器发出的音频部分从话筒信号中全部除去。图4：声学回音消除中使用的自适应滤波器图4表示的是在电话会议中的一个应用。扬声器放的是远端发出的语言声，把这个声音在本地话筒中消除掉，否则远端的讲话人就会听到一个像自己讲话的回音一样的声音。远端讲话的声音被用作建模时的整形信号。这个模型是一个实时处理器，因为模型需要不断地与声音信号进行比照。在建模过程中，因为会引起模型的分歧，所以把所有本地的话语都认为是噪声。如果模型不再精确，那么远端的话语就不能被充分移除。事实上，与其在不准确的模型中加入噪声还不如不做回音消除。因此在任何一个语言周期都要尽量小心以避免模型路径上的分歧。 图5：反馈抑制中使用的自适应滤波器图5表示了在扩声系统中的一种应用，这里没有远端语言可以用来建模。本地的语言被送往扬声器，同时也是唯一可以利用的整形信号。事实上，整形信号和本地语言是相互关联的（可以看作是整形处理中的噪声），这对基于自适应滤波的模型提出了一个关键性的难题。如果要维持一个精确的宽频带模型，这个问题就特别突出。为了解决这个难题，人们提出了一些去相关的形式(比如移频)。虽然解决了宽带模型处理中的问题，但又使信号产生了失真。在电话会议中，如果模型不精确，那么就会产生更多的失真信号，使得这种方法在许多场所并不实用。这类反馈抑制器的优点是在反馈之前可增加的增益比较高，通常超过10dB。频移法早在20世纪60年代，频移就在公共广播系统中被用来控制反馈。反馈产生于传输过程中增益高于0dB的那一部分。在房间中测量扬声器话筒的传输能力时，在电平的大小上会出现波峰和波谷。在移频时，一个信号的所有频率会向上或向下移动几赫兹。移频器的原理是如果反馈在一个区域中得到加强，那么就会在另外一个区域得到衰减。移频器在传输过程中不断的移动产生反馈的频率，直到某一个部分有效的削弱反馈为止。移频的效果取决于系统的传输能力。值得指出的是，这种移动绝不是“悦耳的”，因为信号的谐波比例在移频过程中没有被保留下来。频率移动的数量越多，人的语言声就会变得越生硬。虽然“可闻失真”取决于听音者的经验，但大家认为频移最好小于12Hz。在反馈前有多少可增加的增益？简单的答案是只有几个分贝。艾伯哈特哈斯勒和杰哈德夏米特（在他们的著作声学回声和噪声控制）评论了一些研究结果，指出实际增加的电平依赖于混响时间，以及频移的大小。如果频移范围在6Hz到12Hz内，一个短混响时间的演说大厅可以提升2dB。而同样的频移，一个混响时间大于1s的房间可以提升6dB。数字信号处理使得频移技术在大量的软件中得到运用。与其他方法共同使用，像前面提到的自适应滤波建模，还可以提供更大的增益。但是，在需要自然声的领域是很少使用频移设备的。音乐家们对频移非常敏感，所以如果出售给他们移频器，也尽量不要接入到监听喇叭通道中。自动陷波法最迟从20世纪70年代开始，人们就用自动陷波器来控制反馈了（滤波器在反馈消除系统中的全面应用，Roland-Borg, 1978, U.S.Patent #4,088,835)）。数字信号处理大大加强了频率检测的适应性，也加强了频率辨别的能力和陷波器配置的方法。相对于其他方法，因为自动陷波法在控制失真上更为简单，所以在专业音频领域的应用也更为广泛。自动陷波的功能主要由三个部分组成频率识别、反馈鉴别、陷波配置。频率识别频率识别主要是通过使用傅立叶变换或者自适应陷波器来完成的。这两种识别方法都能够精确的识别潜在的反馈频率。傅立叶变换是连续的频率检测，而自适应陷波器同样可以通过分析自适应滤波的数值来测定频率。但是，两种方法在识别低频(低于100Hz)上都存在一定问题。傅立叶分析需要一个长的分析窗口来精确的测定低频，而自适应陷波器需要更高的精度。反馈辨别把反馈从其他声音中分辨出来有两种主要的方法。第一种方法把精力集中在比较谐波的相对强度上。原理是当音乐和语言在谐波上是充足的话，那么就没有反馈。注意，任何一种频率识别法（傅立叶变换或者自适应滤波器）都可以用来测定谐波相对强度。在谐波方面，如果使用傅立叶变换，那么就很容易理解，但是正如可以通过分析共性来确定频率，我们也可以通过分析设备共性之间的关系来鉴别谐波。使用谐波来鉴别反馈有一些缺陷。首先，反馈会在变换器中不断变化的，而变换器是非线性的。这就意味着反馈也会有谐波，尤其是在削波的情况下。同样的，反馈并不只是发生在一个频率上。如果你还记得关于反馈特征的讨论的话，那么在扬声器到话筒之间的区域中如果有相位是0度位置的话，就有可能产生反馈。对于一个25ms的延时系统(大约25英尺)，每40Hz发生一次，随着延时的增加，相位为0度的频率位置越来越接近。不可能保证同时发生的这些反馈频率之间不会产生谐波关系。要权衡潜在反馈频率的稳定谐波与一些非反馈声（各种乐器，比如长笛）的不稳定谐波，这就模糊了这一区域中精确鉴别的能力。另一种鉴别反馈的方法是分析反馈更多的独特性。这种方法可以不用分析谐波成分。例如，可以在潜在的反馈频率上作一个临时的陷波。反馈是唯一与所做陷波一致并在不断衰减（相对于上游滤波器）的信号。但是，因为这个临时的陷波器是插入的，所以在用临时陷波确认之前需要一些其他的装置来鉴别潜在的反馈频率。这里就要用到反馈的一个特征：反馈频率振幅的增长与时间的相关性是恒定的。这个恒定变化的频率，结合大小的增长，可以用于临时陷波之前的检验。陷波配置在自动陷波运算的最终部分是配置陷波。绝大部分自动陷波反馈抑制器实际上都允许用户把滤波器设成固定的(静态的)或是不固定的(动态的)。如果需要的话，可以指派算法循环使用滤波器。如果一个反馈频率被鉴别出来，算法会先寻找在这个频率上有没有配置好的陷波，如果找到的话，陷波会适当的加深。如果没有找到，就会配置一个新的滤波器（静态滤波器先于动态滤波器被配置）。如果所有滤波器都已经被分配掉了，那么最先的动态滤波器会被重置，并在新的频率上重新进行配置。另一个有用的特点是由用户决定要不要在算法中使用宽带增益(用一个可编程的斜坡下降时间)，就不用在所有滤波器都用完后再循环使用动态滤波器了。调整宽带增益不会增加增益余量，但一旦所有滤波器都用光后，它却可以提供一个安全措施。配置陷波器时需要特别小心用来控制反馈频率的陷波的深度和宽度。为了使反馈频率稳定下来，只需要把系统的开路传输增益降到这个频率的单位增益以下。我们要求传输功能在关键频率的传输上保持峰值的平坦。用来控制反馈频率的陷波深度不能大于相关的引起反馈的区域再加上一些安全余量的范围。这就是说陷波一般都是几个分贝，而不是几十个分贝。如果自动陷波算法配置了一个20dB甚至更多的陷波，就意味着某些环节存在错误,就需要检查一下所使用陷波的带宽。这些算法倾向于尝试并使用尽可能窄的陷波，错误的相信这样累积的响应比较不容易被察觉。我们常常发生把几个窄陷波配置为20dB或更多的效果还不及在大范围内降低 2dB到3dB。而且，高Q值(窄)陷波在环境变化(像前面提到的温度因素)时控制反馈的效果也不及低Q值(宽)的浅陷波。也就是说如果你使用低Q值、浅陷波，那么配置的陷波在起作用的同时，也不会过多的削弱你在频率响应上所作的艰苦工作。大部分自动陷波算法允许你选择所用陷波的预设宽度和最大深度。在自动陷波控制反馈之前有多少附加的增益？如果你有一个非常平坦的频率响应，自动陷波算法就不会增加任何增益余量。算法所能做到最好的结果就是在有限的范围内降低增益。如果你有一些峰值，自动陷波增加的余量就取决于峰值超出剩余响应多少。典型的自动陷波在反馈之前只提供了几个分贝的附加增益。尽管缺乏大的附加增益的余量，在系统中使用自动陷波仍然还有两个重要的原因。首先，当声音系统第一次建立时，可以使用自动陷波这个简单的工具来帮助鉴别出现问题的响应范围。其次，它提供了一个可以适当稳定的安全网络来处理不断变化的声音通道不需要附加的反映、增益改变等等。结论声学反馈是一个大小和相位的问题。同样的，对系统相位改变的响应，比如由于延时、滤波、或者温度的改变，都会影响潜在的反馈频率。如果用陷波器来控制反馈，要把它放在所有对系统相位响应有影响的其它改变之后以确保它起作用。陷波也要足够宽，不管在反馈通道上有什么变化以确保它们的有效性。为了使失控的频率重新稳定下来，只需要把电平大小降低到单位增益以下，再加上安全余量的几个分贝。在最初的安装完成之后，除了一些扩展的增益余量之外，自动陷波工具连同留下的安全网络提供了一个简单的方法来使房间清晰。除了自动陷波算法外，合适的滤波模型和频移算法同样提供了抑制反馈和增大系统增益的有用的方法。一个合适的滤波模型类反馈抑制器依赖于一个精确的扬声器到话筒的声学通道模型，以便从一个接受话筒中移除反馈。如果