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介绍
通过 WaveForming 实现最佳低音再现
WaveForming首次在ISE 2023上亮相，将先进的多输入多输出（MIMO）算法与对声波在房间内传播方式的深入物理理解相结合。这项专利技术提供了对房间低频声学响应前所未有的控制，几乎消除了房间的模态特征。
图02展示了WaveForming背后的一般原理：一组低音炮在房间前部产生完美的波阵面。该波阵面由房间边界引导，并原封不动地传播到房间后部。当波阵面到达后墙时，它会被另一组低音炮吸收。在此过程中，波阵面不会因边界反射或共振而受到任何扰动。因此从房间中听众的角度来看，体验类似于自由空间的再现。
图02 WaveForming原理的阐述
通过处理原因（即房间模式）而不是结果，WaveForming比其他现有解决方案提供了更大的灵活性。与双低音阵列（DBA）相比，WaveForming在低音炮放置方面不那么严格，它可以轻松适应复杂房间的几何形状和墙壁的不均匀吸音，同时在房间共振控制方面更有效。与多低音优化器（MSO）软件相比，它还可以处理更多数量的低音炮和更大的聆听区域，同时保持校准过程简单可靠。
基于广泛的研究努力，Trinnov发布了低音炮布局和WaveForming工具指南，目的是帮助用户实现最佳的WaveForming性能。
本白皮书旨在强调校准阶段使用低音炮定位和麦克风网格放置的重要作用。我们根据理论考虑和时域模拟来说明这一点，这使我们能够更轻松地理解所涉及的物理现象。
一些理论
图03 （a）房间横截面的声场被视为平面模式和高阶模式的加权总和（为简单起见，省略了垂直模式）；（b）群速度作为平面模式和高阶模式频率的函数
WaveForming 算法利用平面模式激励的概念和多个发射低音炮来纠正各种情况下的房间模态行为，包括复杂的几何形状和非理想的低音炮布局（参见低音炮布局指南）。
然而，最佳的低音炮放置位置对于防止波阵面发射步骤中出现潜在的声学问题并实现最佳效果至关重要。它还可以最大限度地降低创建过长和复杂声学滤波器的风险，这些滤波器最终可能会导致可闻的伪影。
不同低音炮布局的WaveForming性能
本节展示了几个声学模拟，以说明使用推荐的常规布局，相对于其他布局类型的优势。所考虑的布局如图3所示。房间的长度、宽度和高度分别为6.7、4.75和3m。蓝色圆圈表示发射器的位置，红色圆圈表示吸收器的位置，十字表示麦克风的位置。请注意，我们使用的测量网格比通常推荐的实际房间校准网格更密集。这种方法最大限度地减少了测量网格引入的潜在不确定性，使我们能够更准确地评估低音炮布局对WaveForming性能的影响。
图04 推荐的低音炮布局
根据我们的低音炮放置指南，建议此房间采用2-2常规布局，低音炮与前后墙齐平，高度为房间高度的1/2，宽度为房间宽度的1/4和3/4。此布局可确保平面模式激励（因此可实现最佳的WaveForming性能），频率至少为100Hz。
此布局的性能将与以下两个单发射器-多吸收器布局进行比较：
﹒1-3布局：1个发射器放置在前墙宽度的中点，3个吸声器分别放置在左、右、后墙的中点。所有低音炮都放置在离地面50cm的位置；
﹒1-5布局：一个发射器放置在前墙宽度的中点。4个吸收器放置在左右墙宽度的1/4和3/4处，另一个吸收器放置在后墙宽度的中点处。所有低音炮都放置在离地面50cm的位置。
还有两种多发射器-多吸收器布局的对比：
﹒2-2圆柱形布局：与2-2常规布局相同，但低音炮的位置距地面50cm。圆柱形（cylindrical）指，这种配置利用房间产生圆柱形波阵面。
﹒2-2角落布局：2 个发射器-2个吸收器布局，低音炮放置在房间角落（距地面50cm，距侧壁50cm。
与单发射器-多吸收器布局的比较
图05显示了在1-3布局（左）和2-2常规布局（右）情况下，应用WaveForming时模拟的声场。1-3布局显示球形波阵面，由于高阶模式的激发，该波阵面向所有方向辐射能量。因此1-3布局对声场的控制较差，空间变化较大，声波反弹时间较长。相比之下，在2-2常规布局中，我们获得了一个平面波阵面，该波阵面紧凑地传播通过房间。到达后墙后，该波阵面大部分被吸收器抵消，之后只有一小部分入射能量留在房间中。
图05 使用1-3布局（左）和 2-2常规布局（右）获得的WaveForming声场
图06比较了1-5布局（左）和2-2常规布局（右）之间的WaveForming性能。通过增加吸收器的数量，1-5布局提供了更好的衰减控制，这与常规2-2布局实现的衰减相当。然而，由于高阶模式的激发，1-5布局无法在房间内产生均匀的波阵面。这会导致房间不同点的响应出现显著变化，从而令整个聆听区域的低音再现不一致。
图06 使用1-5布局（左）和2-2常规布局（右）获得的带波形声场
这些结果表明，生成平面波阵面可显著简化吸收器的任务，从而最大限度地降低产生可闻伪影的风险。在此示例中，1-5布局需要5个吸收器才能实现与仅使用两个吸收器的2-2常规布局类似的衰减时间。此外，模拟假设所有发射器和吸收器都具有相同的低音扩展。在情况并非如此时，例如当一些吸收器是卫星箱而不是低音炮时，减少最低频率的衰减变得更加困难，甚至是不可能的。
与多个发射器-多个吸收器布局的比较
图07模拟显示了2-2墙角布局。与之前同样有4个低音炮的1-3布局相比，我们观察到使用2个发射器可以减少反射量，还可以减少衰减时间。但是，性能仍然不如2-2常规布局。请注意，发射的波阵面不是平面的，这意味着会激发高阶房间模式。这会降低整个房间内座位之间的一致性，并且与 2-2 常规布局相比会产生更长的衰减。
图07 使用WaveForming获得的声场。（左）采用2-2墙角布局，（右）采用2-2常规布局
图08显示了使用 2-2圆柱形布局获得的结果。此布局使用房间来生成圆柱形波阵面，该波阵面沿房间宽度保持不变。这种布局很有趣，因为它可以很好地控制横向房间模式，尽管它不会阻止垂直模式的激发。因此，第一个波阵面在水平方向保持平面，但在43毫秒后出现反射，对应于垂直模式的贡献。虽然两种配置都提供了相当的均匀性，但在2-2圆柱形布局中激发这些模式会产生稍长的衰减时间。
图08 采用2-2圆柱布局（左）和2-2常规布局（右）获得的WaveForming声场
最大均匀度和最大振幅
将低音炮放置在常规位置，不仅可以在房间内提供最均匀的声音再现，还可以最大化传递给观众声压幅度。这是因为所有频率同时到达给定的座位位置。为了说明这一点，图09显示了在耳朵高度水平线上记录的声压，距离前墙4.5米，其结果是对应打开WaveForming 的情况。该图比较了使用1-3布局（图09a）和2-2常规布局（图 9b）获得的声场之时间演变。两个图都标准化为图09（b）的最大振幅。请注意，2-2常规布局显示紧凑而均匀的脉冲响应，而1-3布局显示更复杂的响应，具有更长且与位置相关的振幅衰减。
图09 （a）1-3 布局和（b）2-2常规布局（右），距离前墙4.5米处的房间，xz切割的脉冲响应3D表示
图10显示了所有考虑的低音炮布局，沿房间宽度脉冲响应最大值的快照。与图09相比，这对应于振幅达到最大值时（约20毫秒）的图形切线。正如预期的那样，2-2常规布局表现出最佳的座位间一致性和最大振幅。
图10 对于所考虑的不同布局，当振幅达到最大值时，声场的切线。
正确采样声场以实现最佳性能
WaveForming的目标是优化声场，不仅在特定的聆听位置，而且在尽可能宽的房间内持续优化。为了实现这一点，WaveForming需要检索有关房间内声场的足够信息。在实践中，这是通过对整个聆听区域以及可能超出聆听区域的声场进行采样来实现的。为了获得最佳校正滤波器，需要仔细选择足够宽的校准区域以收集必要的信息，同时避免不必要的反射。
如果校准区仅覆盖房间的一小部分，WaveForming将优化此区域内的声场。但是，由于声场并非在整个房间内都受控，因此该算法最终可能会使用复杂的优化滤波器，这些滤波器会在较长时间内保持活跃，以防止混响声在稍后进入校准区。这种持续的过滤工作最终可能导致可听见的伪影和次优的低音再现。
图11中的模拟，强调了校准区域大小的重要性。
图11 具有不同大小的校准区（虚线矩形）的WaveForming声场
在左侧的模拟中，校准区（虚线矩形）仅占1立方米，而在右侧的动画中，校准区占9立方米。如果只看校准区内的情况，在两种情况下，声场在发射波阵面首次到达后都会消失。然而，左侧的动画显示校准区外的衰减时间更长，而在右侧的动画中，声场在整个房间内衰减得更快、更均匀。
实际房间中的WaveForming性能
上述数值和理论考虑，相当准确地描述了WaveForming在大多数现实情况下的实际行为，而不仅仅是理想的矩形鞋盒房间。这是因为WaveForming波段内的最短波长（100Hz时为3.4m）比房间中常见的家具几何特征大得多。为了证明这一点，本节展示了在我们实验室/测试室中获得的一些实验结果。房间长5.4m，宽4.5m，高2.7m，配有沙发、桌面、办公椅和两个架子。此外，侧壁由轻质建筑材料制成，有几根柱子和不规则结构，与理论上考虑的理想波导表示相差甚远。
图12 波形校准前（左）和校准后（右）获得的频率响应幅度。虚线表示每个校准点的单独响应，黄线表示平均响应，粗黑线表示标准偏差的两倍
图12显示了优化前（左图）和优化后（右图）每个校准点的频率响应幅度。虚线表示每个校准点的单独响应，黄线表示平均响应，粗黑线表示标准偏差的两倍。优化前，频率响应显示出对应于35Hz、65Hz和95Hz房间模式的几个峰值，我们观察到不同校准点之间的强烈幅度变化。应用WaveForming后，共振峰被消除，频率响应变得非常相似。具体而言，WaveForming将MSD降低了3dB以上，从4dB降至仅0.8dB。
就RP22-沉浸式音频设计推荐实践，座位一致性评级而言，WaveForming显著增强了房间的声学性能，从2级提高到4级，即最高评级。
为了更好地表示频率和时间域中的WaveForming性能，图13显示了RSP前后响应的小波频谱图。与之前的响应相比，之后的响应在所有频率上表现出更快的衰减，从而能够在房间内实现紧凑而有影响力的低音再现。
图13 RSP之前（左）和之后（右）响应的小波谱图
最后，图14显示了RSP之前（蓝线）和之后（绿线）响应的 DT60。该图显示，在30～100Hz频带上衰减显著减少，约为200～400毫秒。鉴于传统的被动声学处理在处理如此长的波长时效率非常低，这种强烈的衰减减少尤其引人注目。
图14 RSP之前（蓝线）和之后（绿线）响应的DT60
结论
WaveForming让用户能够在室内体验最紧密、最具影响力的低音再现，类似于室外所能达到的效果。
虽然本白皮书重点关注鞋盒几何形状，以便更容易地说明WaveForming背后的理论概念，但这些原理即使在更复杂的现实场景中仍然有效，例如布局非理想的、带家具的房间。
通过消除房间的模态影响，WaveForming始终提供中性声学响应，房间产生的振幅和相位失真最小。在控制房间的情况下，WaveForming提供各种设置，可根据用户的个人喜好微调最终结果。
下一步是什么？
借助WaveForming，我们进入了对房间进行完全声学控制的世界。不过，这项技术突破仍处于发展的早期阶段，需要多年的研究才能充分发挥其潜力。在Trinnov，我们将继续对房间声音物理行为的深入了解与先进信号处理技术相结合，突破主动房间校正的极限，为我们的客户提供最佳的聆听体验。
※ 本文源自Trinnov官方博客页面。
※ 如欲了解更多信息，您可以在脸书上关注“米乐影音 Miro Sound & Vision”，或者访问米乐数码影音官网（www.mirosoundvision.com）及致电（021）36522009/36522010。
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