創(chuàng)諾WaveForming技術(shù)白皮書，超低音布局和最佳性能指南
理想的家庭影院音響系統(tǒng)必須確保整個(gè)聆聽區(qū)域具有平坦且均勻的聲學(xué)響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要挑戰(zhàn)在于控制超低頻（低于 100Hz 左右）的聲場。這些頻率下的聲場很大程度上受房間的模態(tài)行為支配，模態(tài)最大值和最小值，令整個(gè)聽音區(qū)域的聲壓之間引入巨大差異。此外，這些房間模式的許多反射和較長的衰減時(shí)間，掩蓋了原本可以體驗(yàn)和享受的大量動(dòng)態(tài)和細(xì)節(jié)。阿強(qiáng)家庭影院歡迎您！
傳統(tǒng)的無源解決方案需要大量吸收才能在低頻下有效，不僅材料昂貴，而且占地面積較大且昂貴。其他方法（例如低音陷阱）通常僅在特定頻率下有效，并且作為寬頻解決方案是不切實(shí)際的。因此，傳統(tǒng)的低頻被動(dòng)聲學(xué)處理本身不足以滿足家庭影院的需要。
針對這一現(xiàn)實(shí)，許多家庭影院專家除了被動(dòng)處理之外，還采用了多個(gè)超低音布置。存在著各種旨在打破模式的安排。我們的研究表明，一些方法確實(shí)可以減輕房間模式的影響，但不能解決根本原因（波干擾），從而產(chǎn)生不必要的副作用，同時(shí)無法解決整個(gè)問題。
雙低音陣列（DBA）是個(gè)例外。傳統(tǒng)的DBA方法，顧名思義，使用兩個(gè)超低音陣列：一個(gè)位于前墻上（發(fā)射陣列），另一個(gè)位于后墻上（吸收陣列）。發(fā)射陣列產(chǎn)生平面波，以減少房間內(nèi)側(cè)壁、天花板和地板反射的干擾量。然后，吸收陣列嘗試用相同的信號消除后墻反射，通過反相并延遲聲音在房間傳播時(shí)所需的時(shí)間。
然而，這種方法僅在理想條件下才能提供良好的結(jié)果，而在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)。很多時(shí)候，墻壁的反射率不足以產(chǎn)生良好的平面波。此外，到達(dá)后墻的聲波在沿房間長度傳播時(shí)發(fā)生了變化，因?yàn)閴Ρ诓粔驁?jiān)硬或平行，無法正確引導(dǎo)聲波……最后，聲波遇到家具、立管、分層座椅時(shí)，其性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，到達(dá)后墻的波與離開前墻的波不一樣，并且不能被有效地抵消。如果不匹配，雜散能量就會(huì)被引入房間。
Trinnov的WaveForming™克服了現(xiàn)有解決方案的局限性，為控制超低頻聲場提供了更有效、更通用的工具。下面給出了WaveForming的關(guān)鍵理論以及充分利用該技術(shù)的指南和建議。
波形是一種強(qiáng)大而靈活的工具。然而，無論信號處理的復(fù)雜程度，物理規(guī)則仍然適用。
具體來說，有兩個(gè)因素決定了任何給定房間的建議超低音數(shù)量：1、前后墻的尺寸，可以理解的是，較大的房間比較小的房間需要更多的超低音；2. 您希望控制的最高頻率，頻率越高意味著波長越短，這反過來又需要超低音的間距更近，以保持對平面波形成的控制。
請注意，本文檔討論了超低音的數(shù)量及其建議的放置位置，以最大限度發(fā)揮波形的性能。它不包括有關(guān)要使用的超低音類型的建議，也不包括每個(gè)超低音的任何推薦技術(shù)規(guī)格。本文檔也不包括根據(jù)每個(gè)超低音的能力計(jì)算WaveForming™系統(tǒng)聲壓級的方法。這些建議將在稍后以單獨(dú)的實(shí)施文件形式提出。
現(xiàn)階段最好的建議：● 每個(gè)陣列中使用相同的超低音；● 為前后陣列指定具有相同頻寬的超低音；● 后陣列可能包含功率處理能力低于前超低音的超低音。
二、使用WAVEFORMING™對低頻聲波進(jìn)行高級控制
下圖（圖1）描述了WaveForming的工作原理，它包括兩個(gè)主要步驟。
1、第一步，評估圍繞和整個(gè)聽音區(qū)域體積內(nèi)的聲場。此步驟的目標(biāo)是檢索有關(guān)房間模態(tài)行為的必要信息（以及房間中對象引入的任何變化），以便算法可以消除這些不必要的貢獻(xiàn)。這是通過在整個(gè)聽音區(qū)域的麥克風(fēng)位置三維網(wǎng)格中對聲場進(jìn)行采樣來實(shí)現(xiàn)的（圖1中的藍(lán)色虛線矩形）。
2、根據(jù)上一步中測量的聲場，波形處理器計(jì)算要應(yīng)用于系統(tǒng)每個(gè)超低音的濾波器，并應(yīng)用這些濾波器來消除房間的模態(tài)特征。應(yīng)用到發(fā)射器的濾波器可確保在聆聽區(qū)域內(nèi)生成緊密、均勻的波前，而應(yīng)用到所有超低音（包括前超低音陣列和后超低音陣列）的濾波器共同吸收大部分房間反射和共振（模式）。
由于其復(fù)雜性和適應(yīng)不同約束（例如不規(guī)則超低音布局）的能力，WaveForming的處理提供了前所未有的性能。
復(fù)雜：WaveForming結(jié)合了“聲學(xué)重塑”“波前合成”“多源多控制器優(yōu)化”等多種先進(jìn)獨(dú)特技術(shù)，為每個(gè)超低音合成特定的濾波器，使整個(gè)系統(tǒng)工作起來像一個(gè)理想化的超低音。波形最大限度地提高了整個(gè)聆聽區(qū)域的時(shí)間、空間和頻率上的均勻性。這些復(fù)雜的濾波器克服了簡單增益和延遲濾波器的局限性。阿強(qiáng)家庭影院歡迎您！
適應(yīng)性強(qiáng)：這些濾波器根據(jù)測量場計(jì)算得出，可適應(yīng)每個(gè)房間的物理特性，包括每面墻壁以及房間內(nèi)任何物體的確切形狀和聲學(xué)特性。它再次產(chǎn)生比簡單增益和延遲濾波器更有效的濾波器，因?yàn)樗鼈冞m應(yīng)影響聆聽區(qū)域性能的特定因素。即使在非理想房間幾何形狀等具有挑戰(zhàn)性的條件下，這種強(qiáng)大的分析也能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健、更高效的聲場控制。
圖1 DBA（左）與WaveForming（右）的工作原理
三、空間采樣指南
當(dāng)使用麥克風(fēng)對聲場進(jìn)行采樣時(shí)，以下準(zhǔn)則對于獲得良好的性能至關(guān)重要。
前端陣列與測量區(qū)域之間的距離應(yīng)至少為2m。測量區(qū)域與其余墻壁和天花板之間的距離應(yīng)至少為1m。測量網(wǎng)格應(yīng)至少有2個(gè)水平面，第一個(gè)平面距地板1m（典型聆聽者耳朵高度）。任何兩個(gè)相鄰麥克風(fēng)位置之間的最大距離應(yīng)為1m，以便聲場在100Hz左右的頻率下具有明確特征。
在測量過程中，這些麥克風(fēng)的放置精度非常重要，因?yàn)椴ㄐ嗡惴ㄐ枰獙φ麄�(gè)聆聽區(qū)域的三維場有清晰的“理解”。當(dāng)波沿著房間的長度傳播時(shí)，房間中的物體甚至房間本身都會(huì)引起波的變化。這些變化需要記錄下來。
四、確定超低音的數(shù)量和位置
在考慮將WaveForming融入房間設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)人首先想到的問題是：1、 我需要多少個(gè)超低音？2、 我如何將它們放置在房間里？
答案很大程度上取決于兩個(gè)參數(shù)：您房間的大�。ㄌ貏e是前墻和后墻的尺寸）；您希望（或需要）控制的最高頻率。
相當(dāng)直觀的是，較大的房間可能需要更多的超低音。但墻上超低音的密度決定了可以創(chuàng)建干凈、平面波前的最高頻率。在做出明智的決定之前，必須先確定這兩個(gè)參數(shù)。
我們將以相反的順序解決這兩個(gè)問題。我們相信，一旦您更好地了解不同的可能布局以及我們在超低音放置方面的靈活性，您會(huì)發(fā)現(xiàn)更容易了解超低音的必要數(shù)量。
五、超低音布局指南
本節(jié)提供了最佳超低音定位的建議。這些建議源自涉及數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和理論分析的廣泛研究。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是使用特定的麥克風(fēng)陣列開發(fā)的，該陣列遵循先前描述的聲場空間采樣指南。以下有關(guān)超低音定位的建議源自這些數(shù)據(jù)和空間采樣指南。這些布局采用N_f-N_r形式的命名法，表示前發(fā)射陣列中超低音的數(shù)量和后吸音陣列中超低音的數(shù)量。
圖2 4-4常規(guī)布局（左、頂視圖）和發(fā)射器墻及其圖像源（右、前視圖）
A、常規(guī)布局：常規(guī)位置
如上圖（圖 2）所示，超低音的理想間距是這樣劃分的：超低音與相鄰房間表面（墻壁、天花板或地板）之間的空間是其與相鄰超低音之間空間的一半。這種間距確保了這些房間表面引起的反射能量充當(dāng)“虛擬超低音”，與相鄰的實(shí)際超低音之間的間距相等。理想情況下，該間距在水平和垂直方向上都適用。墻的寬度（“a”）除以沿房間寬度方向的超低音數(shù)量，墻的高度（“b”）除以沿房間高度方向的超低音數(shù)量（在不同的房間中，您可能有一個(gè)水平和垂直的3×2 陣列，需要“a/3”和“b/2”作為間距），我們稱之為“常規(guī)布局”，
因此，在常規(guī)布局中，超低音的水平和垂直間距都保持一致（包括那些充當(dāng)“虛擬”超低音的反射）。因此，陣列邊緣的超低音與相鄰墻壁之間的距離必須是兩個(gè)相鄰超低音陣列之間距離的一半。同樣，“邊緣”超低音與相鄰天花板或地板之間的距離必須是相鄰兩排超低音之間距離的一半。
因此，如果房間寬度為A，并且有C列超低音，則相鄰兩列之間的距離為a/C，側(cè)超低音到相鄰墻壁的距離為a/2C。同樣，對于高度為b和R的行，相鄰兩行之間的距離為b/R，下/上行到地板/天花板的距離為b/2R。
請注意，使用WaveForming時(shí)，前發(fā)射超低音的數(shù)量不必等于后吸音超低音的數(shù)量。兩個(gè)陣列具有相同尺寸和超低音數(shù)量的特殊布局稱為雙低音陣列（DBA）。圖2顯示了寬度為a、高度為b的房間內(nèi)具有2×2陣列的4-4規(guī)則布局。
B、理想布局：理想的超低音數(shù)量
超低音之間的間距決定了可以作為平面波有效控制的頻率上限。這是因?yàn)檩^高的頻率具有較短的波長，并且在該波長的特定部分內(nèi)發(fā)射的超低音彼此之間存在距離，以便平面波形成良好地工作（不存在可以欺騙物理定律的行為）。
理想的布局是規(guī)則布局，其中陣列具有相同的尺寸。在這種布局中，超低音行和列的位置分別由房間的高度和寬度決定。此外，兩個(gè)超低音之間的距離決定了優(yōu)化的頻寬。因此，對于任何給定大小的房間，行數(shù)和列數(shù)決定了受控頻寬的上限。
圖3和下面的計(jì)算器給出了給定寬度和高度、典型頻寬高達(dá)100Hz理想布局下的行數(shù)和列數(shù)。請注意，由于我們建議對連續(xù)輸入（墻壁的尺寸）使用離散輸出（超低音的數(shù)量），因此房間尺寸的所有組合頻寬都不相同。因此，當(dāng)至少一個(gè)尺寸在限制的15cm范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算器會(huì)發(fā)出警告，如圖3中的灰色區(qū)域所示。
圖3 房間寬度和高度方面的推薦布局
“理想”的布局賦予了WaveForming的最佳性能。也就是說，具有建議數(shù)量的超低音（請參閱第4章節(jié)）以及相同數(shù)量的前后超低音，并且全部位于常規(guī)位置（請參閱第5章節(jié)）。然而，如前所述，WaveForming的復(fù)雜性和適應(yīng)性使其能夠支持多種布局，同時(shí)保持高水平的性能。簡而言之，它容忍與“理想”布局的偏離。
減少超低音數(shù)量：如果需要，可以減少理想布局的超低音數(shù)量，特別是后部超低音（僅吸音器）。雖然這可能會(huì)影響結(jié)果，但在所有情況下都有望獲得良好的性能。最好減少后部超低音的數(shù)量，而不是減少前陣列中超低音的數(shù)量，因?yàn)樾阅軗p失最小。
支持非對稱陣列：使用波形技術(shù)，前后陣列不需要匹配，只要它們保持規(guī)則即可。在這種情況下，首選場景是后陣列的超低音數(shù)量少于前陣列。使用較少的后超低音不會(huì)顯著改變整體性能，而使用較少的前置超低音則會(huì)顯著改變整體性能。這是前置超低音更重要這一事實(shí)的一個(gè)簡單結(jié)果：它們除了是吸收器之外，還是發(fā)射器。后置超低音較少的非對稱陣列有兩種用途：首先，它是在保持高水平性能的同時(shí)減少超低音數(shù)量的有效方法；其次，這是讓給定數(shù)量的超低音獲得最佳性能的好方法。例如，有6個(gè)超低音，4-2布局通常比3-3布局提供更高的整體性能。對于8個(gè)超低音，6-2布局通常會(huì)比4-4布局提供更高的性能。這是一個(gè)更普遍的趨勢，而不是絕對規(guī)則，因?yàn)槊糠N情況都取決于具體的房間比例。
支持不規(guī)則布局：陣列內(nèi)一定量的超低音位移是可以容忍的，有時(shí)甚至是推薦的，例如將3個(gè)超低音放置在不規(guī)則的三角形布局中。當(dāng)超低音放置選項(xiàng)受到物理限制（例如必須在屏幕揚(yáng)聲器周圍工作）時(shí)，這種“回旋空間”非常有價(jià)值。（有關(guān)位移建議，請參閱D章節(jié)。）
圖1b DBA（左）與具有不對稱、不規(guī)則布局WaveForming（右）的工作原理
C、減少超低音數(shù)量和性能
回想一下，任何給定房間超低音的最佳數(shù)量由兩個(gè)因素決定：房間的大小和您希望控制的上限頻率�？梢岳斫獾氖�，較大的房間需要更多的超低音來進(jìn)行控制和輸出。但是，對于任何給定的房間大小，超低音之間的間距決定了Waveforming創(chuàng)建平面波能力的上限。
以下部分提供了減少和/或更換超低音的一般準(zhǔn)則以及相應(yīng)的性能水平。深綠色對應(yīng)最大性能。較淺的綠色表示性能可能會(huì)有所下降。最淺的綠色是推薦的最低WaveForming實(shí)施方式。然而，所有列出的布局都保證了最低的滿意閾值。
2-2理想布局
這是兩個(gè)1×2陣列的常規(guī)布局（例如，每面墻上一排兩個(gè)超低音）。由于它已經(jīng)是最少數(shù)量的超低音了，所以無法再減少。
3-3理想布局
這是兩個(gè)1×3陣列的常規(guī)布局（例如，每面墻上一排三個(gè)超低音）。它允許將超低音的數(shù)量減少一個(gè)。
為了簡化布局，超低音放置在常規(guī)位置（參見4章節(jié)）。
4-4理想布局
這是兩個(gè)2×2陣列的常規(guī)布局（例如，每面墻上有兩行兩列，各有兩個(gè)子陣列）。它允許將超低音數(shù)量減少兩個(gè)。
對于簡化布局，超低音應(yīng)放置在常規(guī)位置（參見4章節(jié)）。如果天花板太高而只放置一排超低音，而房間又太窄無法放置三列超低音時(shí)，則減少到4-2比減少到3-3更可取。
6-6理想布局
這是兩個(gè)2×3陣列的常規(guī)布局（例如，每面墻上有兩行三個(gè)子陣列和兩列兩個(gè)子陣列）。它允許將超低音的數(shù)量從12個(gè)減少到8個(gè)。
在情況6-4和5-4中，四個(gè)吸收器應(yīng)放置在常規(guī)位置（見4章節(jié)）。然而，房間足夠?qū)挘枰懦鸵�，而天花板又足夠低，無法保證良好的處理性能，這種情況并不常見。因此，當(dāng)一面墻上需要放置3或5個(gè)超低音時(shí)，我們建議按如下方式放置它們（見圖4）.
3個(gè)超低音（不規(guī)則三角形布局）：1個(gè)超低音位于寬度的1/2和高度的1/4（距離地板），另外兩個(gè)位于寬度的1/6和5/6以及高度的3/4高度（距離地板）。
5個(gè)超低音（不規(guī)則梯形布局）：2個(gè)超低音，分別位于寬度的1/4和3/4、高度的1/4（距離地板）以及3個(gè)超低音，分別位于高度的1/6、1/2和5/6寬度和高度（從地板算起）的3/4。
圖4 3個(gè)超低音和5個(gè)超低音的不規(guī)則布局
D、更換超低音指南
所有布局的通用準(zhǔn)則：1、通常，將超低音移開比讓它們彼此靠近更可取，最糟糕的情況是所有超低音都相鄰（相當(dāng)于只有一個(gè)聲源）；2、我們建議至少尊重一個(gè)常規(guī)位置坐標(biāo)，換句話說，從常規(guī)位置的位移應(yīng)該在水平或垂直方向上執(zhí)行，但優(yōu)選地不同時(shí)在兩個(gè)方向上執(zhí)行�！� 在本節(jié)的其余部分中，水平位移以房間寬度的百分比形式給出，垂直位移以房間高度的百分比形式給出。
2-2布局的特殊情況
● 應(yīng)避免在水平方向同時(shí)移動(dòng)發(fā)射器和吸收器。當(dāng)發(fā)射器或吸收器保持在其常規(guī)水平位置時(shí)，可以獲得最佳性能�！� 發(fā)射器和吸收器可在垂直方向同時(shí)位移，但位移不超過10%。
3-3布局的特殊情況
如果僅移動(dòng)中心發(fā)射器：● 水平：15%（圖5）
圖5 水平移動(dòng)中心發(fā)射器
● 垂直：30%（圖6）
圖6 垂直移動(dòng)中心發(fā)射器
形成三角形或?qū)蔷�比將所有子垂直移動(dòng)相同的量更好�！� 如果所有發(fā)射器垂直移動(dòng)：如果所有超低音向上或向下移動(dòng)，則為+/- 5%（圖 7）
圖7 垂直移動(dòng)所有3個(gè)發(fā)射器
● 如果它們形成三角形，則為+/-15%（圖 8）
圖8 垂直移動(dòng)所有3個(gè)發(fā)射器（三角形布局）
● 如果它們形成對角線，則為 +/- 20%（圖 9）
圖9 垂直移動(dòng)側(cè)面發(fā)射器（對角線布局）
● 如果所有吸收器都垂直移動(dòng)，則限制更加靈活。如果所有超低音向上或向下移動(dòng)，則為+/-10%如果它們形成三角形，則為+/- 30%如果它們形成對角線，則為+/- 30%
3-2布局的特殊情況
● 如果僅移動(dòng)中心發(fā)射器：水平：+/-15%垂直：+/-30%
● 如果所有發(fā)射器垂直移動(dòng)：如果所有超低音向上或向下移動(dòng)，則為+/- 15%如果它們形成三角形，則為+/- 20%如果它們形成對角線，則為+/- 20%
● 如果兩個(gè)吸收器垂直移動(dòng)：如果所有超低音向上或向下移動(dòng)，則為+/- 10%如果它們形成對角線，則為+/- 20%
4-4布局的特殊情況
● 如果發(fā)射器移動(dòng)（水平或垂直）：+/-10%（圖10和11）
圖10 水平移動(dòng)所有4個(gè)發(fā)射器
圖11 垂直移動(dòng)所有4個(gè)發(fā)射器
● 如果吸收器移動(dòng)（水平或垂直）：+/-15%優(yōu)選的是，將超低音移動(dòng)得彼此遠(yuǎn)離，而不是使它們彼此靠近或?qū)⑺鼈內(nèi)垦匾粋�(gè)方向移動(dòng)。
● 如果聆聽區(qū)域距離天花板足夠遠(yuǎn)（換句話說，如果采樣區(qū)距離地板比距離天花板更近），則首選將超低音移至梯形布局�！▓D 12）
圖12 水平移動(dòng)所有4個(gè)發(fā)射器（梯形布局）
※ 也就是說，將頂部超低音移開，使底部超低音相互靠近，反之亦然。
六、結(jié)論
Trinnov于20年前成立，致力于對人類如何感知復(fù)雜的三維聲場進(jìn)行基礎(chǔ)研究。許多早期研究都圍繞著在音樂會(huì)場地等場所捕獲此類聲場的可能性，著眼于在更小的房間（如您家中）再現(xiàn)相同的聲場。事實(shí)上，我們的優(yōu)化器技術(shù)是早期研究的直接結(jié)果。
然而，關(guān)于低頻及其與這些小房間（即住宅大小的房間，而不是音樂廳或體育場館）的相互作用，還有很多東西需要學(xué)習(xí)。盡管許多科學(xué)家和工程師都在研究這個(gè)問題，但大部分工作都找到了緩解這些頻率下發(fā)現(xiàn)問題的方法。
我們著手了解是否有辦法消除這些同樣的擔(dān)憂。
在我們的研究過程中，我們深入了解了小房間中低頻的復(fù)雜工作原理。我們預(yù)計(jì)可能需要五年甚至十年的時(shí)間才能實(shí)施該研究產(chǎn)生的技術(shù)。簡而言之，還有更多的事情要做。
然而，我們期望我們所學(xué)的最高、最好的實(shí)現(xiàn)總是與傳統(tǒng)的雙低音陣列（DBA）有一些相似之處。WaveForming通過在其復(fù)雜算法中引入大量嵌入式“智能”，使此類設(shè)計(jì)變得更加靈活和有效。因此，我們決定首先引入WaveForming的最佳實(shí)施方式：我們希望通過這個(gè)長達(dá)數(shù)年的研究項(xiàng)目來展示現(xiàn)在的可能性。
這只是WaveForming技術(shù)發(fā)布的開始。我們計(jì)劃擴(kuò)大我們所學(xué)到的功能范圍，包括適用于這些前置和后置低音陣列以及其他要求較低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新功能。我們獨(dú)特的硬件平臺使強(qiáng)大的、基于PC的信號處理成為可能，使我們能夠通過簡單的軟件更新來開發(fā)和向客戶提供這些功能，從而驗(yàn)證了我們多年前決定走少有人走的路。
我們希望您發(fā)現(xiàn)這份簡短的白皮書既有趣又具有教育意義。我們期待幫助人們發(fā)現(xiàn)低頻動(dòng)態(tài)和細(xì)節(jié)的世界，當(dāng)您消除低音反射的刺耳聲音以及由此產(chǎn)生的、通常主導(dǎo)家庭低頻再現(xiàn)的模態(tài)問題時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些細(xì)節(jié)。
