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2015年9月12日 星期六

人耳聽力的 Critical Band Masking (關鍵頻段遮蔽)

critical band masking 是現代對聲音壓縮的主要理論基礎,技巧在於讓壓縮產生的失真在人耳聽不到的地方,而這個地方就是音樂大聲的主要頻率附近的範圍。

人耳的 critical band 的頻寬大約是三分之一個八度左右,因此我用 etg (expression tone generator) 寫了440Hz 的 A 和不同音量的 G,這兩個音基本上是在一個 critical band 之內的,因此 G 只要小聲到一個程度,就會聽不到。我自己在 G 比 A 小聲 20dB 的時候就聽不到 G 了。

做為比較,我也用 440Hz 的 A  配上不同音量的中央 C (261.63Hz),我自己可以聽到 40dB,46dB 以下我還是聽不到了。由此比較,在 critical band 之內的其他聲音不需要那麼小聲就能夠不被聽出來。

masking 的程度其實是會隨絕對音量的變化而改變,這些測試檔案只是一個概念上的示範,嚴格的實驗要控制音量,用不同主頻率,找到有 masking 效果的最低和最高頻率,以及對應的 masking 音量。我做的這個不嚴謹實驗,只是要說明前人實驗的成果。

有興趣的人可以在這裡下載,建議用耳機聽。

2015年8月29日 星期六

Nelson Pass 談擴大器非線性失真

Nelson Pass 在 2015 California Audio Show 開講擴大器非線性失真,投影片可以在 First Watt 下載。列一下我的心得感想如下:

  1. 先跳到他的結論,只用中等音量聽小編制音樂的人,可能會比較喜歡有一點非線性失真的擴大器,至於比較喜歡二階失真或是三階失真,則是看人口味。

  2. 相對的,喜歡聽大音量大編制的人,會喜歡低失真的擴大器,目前共識 0.01% 以下大概就是聽感上感覺不出來差異的程度。

  3. 有正確設計複雜負回授的 Class-AB (push-pull) 機器,比較容易做出來超低失真。我個人的參考書是 Douglas Self 的 《Audio Power Amplifier Design》, 在這本書裡,他提供了一些範例,像是全頻段 (10Hz - 20kHz) 在 22W / 8Ohm 失真低於 0.002%  的機器。比較可惜的是 Douglas Self 比較少提供失真對功率的圖,比較常用的是失真對頻率在固定功率的圖。所以他的圖無法直接和 Pass 投影片裡面的相比。

  4. 無負回授也能做到很低失真,Pass 並聯了一千顆 JFET,做到 0.001% (我猜這是用 1kHz 量測的結果,Pass 並沒有提供任何對失真對頻率的圖形)

  5. 用功率 IC 其實也能做到非常低失真的表現,像是 Neurochrome 用 THAT1200 做為輸入級,用LME 49710 為主要放大,能做到 THD+N 滿功率 (38W) 全頻段低於 0.002%。 

  6. Class-D 的非線性表現其實很不錯,在功率稍大的時候可以到 0.005% 左右,比較差一點的其實是雜訊表現,所以我們會看到隨著功率下降, THD+N 持續上升的很快。

2015年8月8日 星期六

LSR305 的低音單體改裝

前一陣子看到 NO Audiophile 評論 JBL LSR305,他的近場量測發現 1.5kHz 左右有一個非常深的凹陷 (Notch),我之前的近場量測沒有量到這麼高頻,所以沒有注意到。他推論這是 JBL 刻意設計的,但是我看法不同,決定再次近場量測,結果如下圖。可以看到左聲道的凹陷比較小,右聲道的凹陷比較大。上面兩條比較平的曲線,是我手持測量麥克風在三十公分左右用 128k 長度掃頻的結果,可以看到凹陷比較嚴重的右聲道,在這種很隨便的近似遠場量測還是有凹陷。因為沒有上腳架,也沒有 time gating,所以這個量測的細部上上下下就不要太計較了。另外有趣的一點是我近場量測到的凹陷不如 NO Audiophile 的明顯。

改裝前近場量測

很久以前在查一個叫作 EnABL 改造單體振模技巧的時候,我找到了 http://www.speakerdesign.net/,其中有一篇 2008 年討論 EnABL 的文章就有提到多數單體在直徑約略等於半波長的時候,會有一個凹陷。他量測的例子是 5.25" 單體的凹陷在 1.7kHz,這不就是在 LSR305 近場量測看到的東西嘛?他也介紹了簡單的改裝方式,就是用 Wet Look 塗在振模和懸邊的交界處。我就把腳架和麥克風架設起來,每塗一層就量測一次,結果如下圖:

一到三層 wet look

從沒有塗到三層,依序是黑紅綠藍。可以看到這個凹陷被有效控制了。比較可惜的是整體曲線並沒有那麼平順。因為第二層到第三層的差異很小,我決定就此霸手,並再次手持三十公分量測近似的遠場曲線,結果如下圖。

三層  wet llok 的結果。

可以看到有三層 wet look 的右聲道,近場量測和左聲道看起來還是頗不一樣。比較上面深藍和淺藍色的分別是加上 wet look 前後的三十公分量測結果,那個凹陷以及之後的隆起都獲得改善了。但是和左聲道相比,形狀還是不太一樣。

用閃光燈分別直打和跳打天花板拍攝加上 wet look 的照片如下:

閃光燈直打
跳燈天花板

看照片就會發現我手沒很穩,塗的有粗有細,但其實近看比較接近跳燈的樣子,並沒有那麼明顯。

可見低價位的喇叭品管還是沒有那麼嚴格,左右聲道的單體其實是有點差異,我的左聲道高音單體也有裝歪一點點,但這很容易自己調整就是了。


2015年7月20日 星期一

Floyd Toole 談喇叭設計

從 Linkwitz 的網站上看到 Floyd Toole - Sound reproduction – art and science/opinions and facts 的連結,很好的整理了喇叭設計的目標和對應的實驗依據,以下是我個人的一些筆記。

  1. 認知科學和心理學是處理主觀的部份,至於電學和機械的量測,則是一種客觀的量測。音響設計的一大部份就是要理解主觀和客觀之間的關係。(4:45)

  2. 任何和人有關的測試,都需要 double-blind,否則光看外型我們就會有先入為主的觀念。一個很有趣的例子是喇叭的低音測試,學理上對低音影響最大的是擺位,所以他們也測試了同樣一支喇叭在不同位置的時候,請人評分。Double-blind 的時候同一支喇叭在不同位置分數會不一樣,但當沒有 double blind 的時候,分數幾乎只跟外觀有關係了。(13:59)

  3. 理論上在不同房間,同樣的喇叭也會有很不一樣的表現,但是double-blind 的主觀評分卻總是能準確的評分喇叭。也就是說,好喇叭在大多數房間都是好喇叭,爛喇叭在大多數房間都是爛喇叭。人耳和大腦是可以處理房間造成的影響的。(17:00 - 21:20)

  4. 在低頻,聲音由喇叭輻射出來的總能量為主,在 10kHz 以上,聲音由 on-axis 主導,在兩個頻率中間,聆聽位置的頻率響應可以用直射音和反射音的總和來預測。(29:15 - 33:00)

  5. on-axis 決定了我們聽到的直射音音色,off-axis 決定了我們聽到的反射音色。因此一支 on-axis 平坦的喇叭,如果場型設計不佳導致聆聽位置聽到的直射音和反射音的總合不佳,是「不能」用等化器來修正的。因為等化器會同時改變直射音和反射音,一個 on-axis 平坦的喇叭經過等化就不平坦了,也就是直射音的音色反而變差了。這段他舉例的是 KEF 105.2 (28:00 - 29:08, 34:00 - 34:30)

  6. 因為錄音師用的監聽設備沒有標準,所以錄音的成品就變得百百種,這時候 tone control 其實很有用 。 (45:55 - 46:50)

  7. 喇叭設計的幾個要求。對所有頻率而言,平坦的 On-axis、平順的輻射場型、平順的 Power Response、沒有共振。1/20 Oct 的量測是必要的,傳統的 1/3 Oct 是不足的、低頻要處理好。(57:15 - 60:05)

  8. 有問題的共振在所有方向都存在,但是可以用 EQ 修正,這是主動喇叭的一大優勢。(61:38 - 61:45)

很可惜只有非常少數的喇叭有給完整的場型量測,之後我想用他分享的這些東西,來檢視 LSR305 這隻喇叭。


Edit 1: 修正一些標點符號:﹝「不能」, (45;55 - 46:50), 沒有共振,,(61:38 - ˊ61:45)

2015年5月27日 星期三

JBL LSR-305 小改裝

Amazon 上 NoteSecondTime 建議把原廠的 choke 拿掉,改成四顆 GINO UF70B Cable clip 繞成的電感, 他的敘述很清楚,以下是我的改裝過程,要注意改裝就沒有保固了歐!

1.  移除背板周圍的八顆木工螺絲,小心的把背板往外拉。因為 PCB 大小幾乎等於音箱內部的大小,有些地方會稍微卡住。拉出來之後在 PCB 中央會有一條電線,那是前面 白色 LED,可以直接把接頭從 PCB 上面拔起來。


2.  這時候把背板往外翻開,就會看到兩顆甜甜圈形狀的 choke,用束帶固定在 PCB 角落的那個孔上。可以看到兩對線分別接到 HF 和 LF 的正負兩極。把 HF 接頭拔下來、再把繞在 choke 上面的線解開,最後把 choke 拿下來。黑線是負極,雙色線是正極。但是不要同時把 LF 和 HF 的接頭拔下來,一不小心弄反有可能把高音單體燒掉。



3.  然後把兩條線撕開長一點,分別繞上一個 UF70b,如下圖:



4.  最後塞回去的樣子如下圖,記得把 LED 接回去。如果不喜歡那個白色的光,也可以不接。

   


NoteSecondTime 把 HF 和 LF 都改裝了,這也是我一開始的作法。但是聆聽一陣子之後我覺得低頻變小聲了,就嘗試把一個聲道 LF 的那兩顆拔掉後,把兩個聲道擺在隔壁試聽。這樣一比較就確定了低頻的音量真的差不少,所以我最終只有改裝 HF。


LSR305 的輸出用的是 Class-D ,這種設計的後級在輸出到單體之前需要有一個低通濾波器,否則單體可能會被人耳聽不到的超音波訊號給燒掉,而這個濾波器的元件好壞會大幅度影響性能。這個改裝的目的一來是拿掉 choke,二來是增加這個低通濾波器對高頻的衰減。

一般的音樂低頻的能量遠大於高頻,如果低頻音量受到這個改裝影響,表示這個小小的鐵蕊 cable clip 可能已經磁飽和了,這會大幅度增加非線性失真,所以我決定拿掉。至於高頻的那兩顆,我用 REW 量測改裝前後的差異,非線性失真並沒有增加,因此至少沒有降低原先的性能。高音單體因為線圈繞的圈數少,單體本身的電感性就比較弱,因此比較可能受惠於這樣的改裝,來進一步衰減超音波的能量。

我原先一直覺得 LSR305 的高頻不如 Tannoy Reveal 601p 好聽,這樣改裝之後我感覺進步不少。LSR305 的另外一個問題是需要調大音量才比較動聽。我的推論有兩個:第一是內建的 Class-D 其實動態不夠大,因此音量不大的時候細節都被 Class-D 的雜訊蓋過去了。我推論高音單體的那個斯斯聲就是 Class-D 的雜訊,當我把音量逐步調小的時候,我無法在斯斯聲之中聽到任何樂音,而這是不合常理的!像收聽訊號很差的 AM 電台的時候,我們可以在很大聲的雜音中依稀聽到本來的聲音,訊號和雜訊並不是全有全無的關係啊。第二點是那個 PP 振膜,PP 優秀的內阻尼讓他沒有什麼糟糕的共振,但這可能也會吃細節。

這部份和電路以及單體有關,沒有什麼簡單改裝能改善,只好開大音量啦。

2015年3月8日 星期日

JBL LSR305 輻射場型

在 Amazon 上買了一個餐桌上的轉盤 (Lazy Susan) 來量測喇叭的輻射場型。上面本來就有等分的六個橡膠墊,拿出圓規和直尺畫出等分線,操作兩次之後得到每 15 度一格的位置。

量測的方式如同上一篇 《JBL LSR305 on-axis 頻率響應》,在一公尺的距離用延長桿和  time gating 量測。我發現之前用的 -0.2ms 到 3.8ms 只有在軸線附近能用,所以這次都是用比較保守的 -1ms 到 1.5ms。軸線附近的結果如下圖:

0 度 ~ 60 度,每15度
可以看到隨著角度增加,輻射場型的變化在全頻域都是很平順的,這表示放進房間之後,反射音的頻率內容會和直射音相當接近,人腦比較容易把他處理掉而忘記我們是在房間裡。


0度, 75度, 和 90度
這張圖顯示了喇叭側面的頻率響應,側面基本上是面板散射效果最明顯的時候,可以看到頻率上上下下的有高點和低點,和前一張圖比較就可以發現,在  7kHz 的音量其實和  60 度的時候蠻接近的,也就是說側面還是有相當的輻射!


180度, 150度, 120度, 90度, 和 0度
從後面量測的輻射場型,因為結果實在太亂了,所以我是每 30 度為一條曲線也加上 1/24 oct 平滑。也把正面和側面也標上去做為比較。基本是我們可以說從正面 75 度一路正後方,輻射的強度其實是差不多的,約是低於正面七到十分貝左右,但是散射的影響很大,所以頻率響應都非常的不平坦。

要提醒的是因為這次 time-gating window 很小,所以低於 2kHz 的數據其實參考價值不大。理論上頻率夠低的時候,輻射場型會變成 monopole,其輻射強度在全方向都一致才對。但是 400Hz 可能也不夠低就是了。

這次學到的東西是,淺號角 / 波導 大概可以控制輻射場型到正負六十度,但是其他方向並不是就完全沒有輻射了!以 JBL LSR305 而言大概比正面低不到 10dB,我猜想長號角在這方面的表現應該會比較好。

場型控制的兩大極端大概就是長號角和完全沒有面板的喇叭,像是把單體用鋼鎖懸吊在空中的偶級喇叭 (Dipole) 或是直接單體朝上發射的單級喇叭 (monopole)。

2015年1月18日 星期日

JBL LSR305 on-axis 頻率響應

看了Troels Gravesen 討論量測喇叭的文章之後,手很癢決定 DIY 配件來搭配我的 MiniDSP UMIK-1,去 Home Depot 買了 1/2" 的 PVC 管和一段幫水管保溫的泡棉,組合起來如下圖,雖然那段泡棉不是絕對的平滑,但是我就這樣將就用了。希望泡棉的截面積還算小,另外是希望泡棉或多或少有點吸收效果。

自制麥克風延長桿

加這樣的延長桿目的是把腳架造成的反射時間往後移,之後再透過 time-gating 來消除房間和腳架的影響。調整延長桿儘量水平、麥克風在高音單體中央的高度、距離一公尺,就能開始量測了。至於我的書架和螢幕就不管他了,畢竟我是想要了解這對喇叭在我房間的表現,而不像 Troels Graversen 是要了解高音單體本身的表現。

100cm on-axis 量測架設
我用 T410 HDMI 輸出到 OPPO BDP-103,軟體使用 REW (Room EQ Wizard) ,REW 輸出音量為 -3dBFS,BDP-103 音量為 80/100,喇叭本身的音量旋紐設為 4.5,HF/LF 調整都設為 0dB。第一輪量測重點是高頻反應,我的掃頻範圍從 250Hz 到 24kHz,長度為 1M 、平均八次量測。對應的 Impulse Response 為下面紅色圖,橫軸是時間 (ms)、綜軸是全輸出的百分比 (線性標示),丟了那兩個枕頭在地上的結果是淺綠色圖,可以看到 2.5ms 的反射波不見了,這樣我就能把 IR Window 設為 -0.2ms 到 3.8ms,對應的頻率解析度為 250Hz (1/4ms)。4ms 之前的那個小振盪應可能是來自於我掛在延長桿後面的麥克風盒子,下次應該用線吊一罐寶特瓶的水。


地面反射:(上圖) 只有地毯。(下圖) 加了兩個枕頭。

加上 IR Window 之後的頻率響應是下圖中的深綠色曲線。要注意的是不要把 250Hz 到 1kHz 之間的振盪太當一回事,要記得這是軟體用平滑曲線連接離散的 250Hz、500Hz、750Hz、1000Hz 的結果,所以看起來很平滑其實是騙人的。

做為比較,我把麥克風的距離移到 50cm,加上 1/48 八度 (octave) 的平滑之後降低 6dB 來補償距離造成的音量變化,用灰色畫出來,要注意這條曲線沒有使用 time-gating,因此上上下的頻率響應可能來自於喇叭本身也可能來自於空間中的反射。但是我們可以看到 1.5KHz 以上 50cm 量測的結果平移之後和 加上 time-gating 的 100cm 量測結果差別非常小!

因此,50cm 量測結果可以視為 1kHz - 3kHz 之間的高解析度量測 (相較於 time-gated 100cm 量測) ,當頻率繼續往下的時候,房間的影響越來越大,我們也可以看到 50cm 量測上下振盪的幅度也越來越大,也愈來愈不適合做為 on-axis 的參考。但是我們可以說這兩個量測在 250Hz 到 1kHz 有類似的表現。這個喇叭的 on-axis 頻率響應平坦度上到 10kHz 算是 +-2dB,到 20kHz 則增加到 +-4dB。


on-axis 頻率響應

要進一步了解喇叭低頻的表現,近場量測是一個很好的手法,麥克風要儘量接近單體但是不能碰到,如下圖。這樣量到的音量當然會比 100cm 量到的大很多,因此我們要使用適當的值加以補償。我使用 mh-audio 的工具網頁來計算,考慮紙盆到懸邊的半圓凸起,直徑為 9.5cm,設定要校正到 100cm,得到兩個偏差值,分別是 32.5dB 和 26.5dB,後者是給 in-wall 喇叭使用的,所以我把量測到的結果降低 26.5dB 之後用黑色畫在上面的圖中。首先可以注意到在 52.4Hz 的時候單體是不發出聲音的!這是因為箱體和低音反射管對單體造成的負載效應。要正確了解這個喇叭的表現,我們也要量測低音反射管的輸出!結果是綠色的線,這個低音反射管的直徑是不停變化的,我用開口處 6cm 計算得到的偏差量是 36.5dB。非常剛好的在 52.4Hz 低音反射管的音量比起低音單體峰值音量 (~200Hz) 低了約 3dB。表示這對喇叭的 -3dB 在約 53Hz,以我的反射管量測結果 -10dB 出現在 38Hz,但考慮在這個時候低音單體輸出和反射管輸出是反向的,因此 -10dB 頻率會往高頻偏移一點,JBL 原廠規格上面寫的 43Hz 沒有誇張。


近場量測低音單體


最後在我的聆聽位置也量測了頻率響應,結果是下面的淺綠色曲線。我的喇叭位置和聆聽位置是一個夾角大約 66 度的等腰三角形,擺放位置是以低頻的平坦為目標。量測的時候雙聲道都打開,因此音量和距離都不一樣,偏移量 -2.5dB 是以 3kHz - 4kHz 銜接另外兩個量測 (100cm time-gated 和 50cm) 為目標。




三點觀察,第一是 10kHz 以上的震盪明顯變小,這是因為我的聆聽位置稍微偏離高音單體軸線的關係。soft-dome 單體振膜震盪的時候單體中央和外緣會反相,在軸線上就表現在為量到的高頻起伏,但是偏離軸線之後這個問題就會小很多。

第二是低頻震盪的非常明顯,高低起伏達 20dB,甚至到 700Hz 都還很明顯,我猜測這是因為我的房間空蕩蕩的,沒有什麼家具的結果。

第三是 200Hz 到 500Hz 的凸起,這和近場量測結果是一致的,兩者在中低頻分別都比 1kHz 附近高了4dB 和 7dB。雖然近場量測可以降低房間的影響,但是當大面牆壁距離喇叭只有一公尺左右的時候,無論如何都是會有影響的。我想這也是一些喇叭設計軟體都強調會考慮牆面的關係,如 LspCAD ,Martin J. King 的模擬結果也都是包含了牆面、地面、天花板的影響。


我相信這對喇叭 JBL 是以無反射室 on-axis 平坦為其中之一的目標,但在房間裡面的時候,200Hz - 500Hz 這個頻段的凸起可能會造成一些困擾。JBL 把 LSR305 的 +-2dB LF Trim 設定在 115Hz,對於我描述的這個狀況並沒有幫助,我平常是把他設定為 +2dB,改善 100 Hz 附近的銜接。或許我該考慮買一些四吋厚的吸音棉來處理 200Hz 到 500Hz 的這個問題。


PS. 關於低音反射管和低音單體的關係,可以參考 Stereophile John Atkinson 的文章。

2014年9月22日 星期一

LSR-305 設計探討


PCB of LSR305
前一陣子在 gearslutz 看到 TobyToby 對於 LSR305 的解說,赫然發現這對便宜的主動喇叭居然在電路上也頗為用心,採用了數位分音的設計。輸入訊號透過一顆  Cirrus Logic CS5341 ADC 轉成數位訊號,是照片中間那顆小小的 IC27。ST STA350BW 處理數位分音和 PWM Class-D 的輸出,是右邊那顆比較大的IC28,我其實蠻驚訝 STA350BW 居然不用任何散熱片。也因為是數位分音,高低頻的增減旋紐是直接控制 STA350BW,音量旋紐也是直接調整數位音量。

因為是數位分音,輸入音量要越大越好,這樣才能保留原始訊號的動態範圍,使用者應該要用喇叭後面的音量旋紐調整到適當的聆聽音量。LSR305 的輸入有兩個選擇:-10dBV 或是 +4dBu,前者的最大輸入電壓是 +6dBV,對應是 2 Vrms 的紅皮書 CD 輸出電壓。後者的最大電壓是 20.3dBu,對應是 8 Vrms,大概只有專業級的錄音器材能輸出這麼高的電壓。

數位分音也解釋了為什麼我之前的經驗是 DAC 的音量要開得很大聲音才好,如果 DAC 輸出的音量太小,後端又是數位分音,那音樂的動態會整個不見!

照 TobyToby 所言,他用 -10dBV 的檔位接上專業錄音器材,以取得更大的音量和更好的動態範圍。依照他的經驗,說明書上標示的並不是絕對最大的電壓。但是我想這還是要用校準用麥克風,檢查 0dBFS 波型是否有被上下切割,才是比較準確的驗證方式。

右邊那四顆黑黑高高的就是輸出電感,為 Class-D 輸出級最重要的一個元件。也可以看到喇叭內部只是用最基本的紅黑線,接頭也是非常簡單的壓力接觸,沒有焊錫。重點是原廠出來的接頭有的鬆有的緊,我全部拆下來自己用尖嘴鉗調整開口距離,增加接觸時的壓力。

既然都拆了,我也嘗試了 Amazon 網友 NotaSecondTime 建議的改裝。這是個不用動到焊錫的簡單改裝,但是我嘗試過後看法和他略有不同,照片整理一下之後再發一篇文。

2014年7月6日 星期日

音場定位精準的低價位監聽喇叭: JBL LSR-305

東西最怕比,喇叭也是。

我的 Tannoy Reveal 601p 是近場監聽喇叭,使用上頗為滿意,自然會注意下一代的產品 502a ( Tannoy 新一代的監聽喇叭 Reveal 沒有六寸也沒有被動的了),首先注意到的是低頻的規格,我的 601p 才標示到 63Hz,502a 的單體直徑比較小,卻標示到 49Hz!難不成是用上了什麼外星科技?Tannoy Reveal 一向都是鋁盆低音單體,我想在剛性上已經是遠優於 PP 或是紙盆單體了,有什麼東西更輕更強又便宜?


抱著這個大問號,發現在討論區上的主要競爭對手是 JBL LSR 系列,兩者都是主打音場定位精準,對於擺位的要求比較低。其中我尤其注意那個 LSR-305,低頻竟然標示到 43Hz!外星科技已經進駐所有喇叭製造商了嘛?進一步對這系列喇叭研究,發現特色是那個高音號角。和傳統號角的差異是,這個號角顯的非常短,而且多個一些凸起的部份,外觀上會讓我想起量測天線用的標準 Ridge Broadband Horn。這個技術是從 JBL 頂級 M2 監聽喇叭下放的技術,這可是一對兩萬美金的喇叭耶!又注意到 LSR-305 是和 Harman 合作的產品,這是眾多聲學心理學研究的出處啊!Floyd E. Toole 大名鼎鼎,我之前才從他們的網站下載了些論文回來研讀呢,到此我對這組喇叭已經很有興趣了。


除了輻射場型的控制手法不一樣 (橢圓凹槽波導 + 大導角 vs. 短號角),電路設計上這也是兩組非常不一樣的喇叭。601p 的被動分頻點是 2.3kHz,沒有強調是哪一種架構,有鑑於他這麼便宜,我猜是二階的架構。LSR-305 則是主動 LR4 設定在 1.725kHz。LR4 是一個全頻域都同相位相加的電路架構,稍微美中不足的是時域的波形會不夠完美,LR2 則是一個在頻域和時域論上非常漂亮的解法,缺點是衰減幅度沒那麼多。要使用二階還是四階,這是屬於喇叭設計師的工作,重點是在兩顆單體在負責的頻率之外,是否有誇張的共振和失真,如果有些這種共振的話,用高階數的濾波器是標準解法,有些時候甚至要加上 Notch filter。


趁著 Amazon 之前特價 LSR-305 一支 $119,我就下手了。收到的第一個感想是好小好輕,主動的設計好方便,拿兩條 RCA 轉 TS 的線就可以開始唱歌了,不用擔心裸版擴大器那堆喇叭線、訊號線、和電源線。擺在原先 601p 的位置上,覺得人聲好像沒有那麼動人?但是又沒有仔細的 level amtching 再比較,不排除是這個主動喇叭的增益沒有我之前的裸板擴大器來的高,因為音量差異造成的誤解。

反正 Amazon 可以退,就擺著給他唱一陣子吧。聽大編制的音樂,感覺定位好像有比較精準一點,但是總覺得聲音欠缺點什麼。直到有一天把 USB DAC 的音量開到最大、喇叭後面的音量也調到最大,才赫然發現原來聲音裡面的資訊這麼多!各個樂器組之間的定位、各個樂器音色之間的搭配,都在 Ravel 的展覽會之畫裏面一覽無遺。

錯愕之餘把 601p 擺回去,一開就知道聲音沒有 LSR-305 平衡,聽沒多久就把他關掉換回 LSR-305 了。但是兩對都是號稱 on-axis 平坦的監聽喇叭,也許是和我的客廳搭配的問題,畢竟我的左聲道離牆比右聲道近很多,喇叭離後牆距離也都不遠,房間當然也沒啥吸音或是散射處理。

至於 LSR-305 為何大音量的表現好這麼多,我沒有答案。一個可能是聽覺上真的需要這麼大的音量,另外一個可能是 PP 單體在小音量表現不好,我會這樣打 PP 單體的槍是因為 Lynn Olson 嫌這種單體中頻表現不佳。但是要透過這樣兩對喇叭就比較鋁盆和 PP 的差異,真的是十分簡陋:分頻點不同、階數不同、不同的高音單體、不同的高音單體輻射場型。所以我的猜想很有可能是有問題的,但是現階段我沒有能力驗證啊...


最後讓我回答這篇文章一開頭的問題,是出現什麼外星科技又進一步改善低頻表現了嘛?

答案是 601p 標示的是 3dB 頻率,但是 502a/LSR-305 標示的是 10dB 頻率,所以這些喇叭都需要重低音才能正確播放像管風琴的極低頻,很可惜的沒有外星科技直接改變喇叭設計。


ps. Lynn Olson 的 A tiny history of high fidelity 非常值得一看。

2014年6月15日 星期日

低價位的精準耳機:Apple In-ear 耳機 + 串接電阻

在 Rin Choi 非常豐富的耳機量測 blog,看到了他對 Apple 2012 九月和 iphone 5 一起出的改版耳道式耳機:ME186LL/A 的評價,頻率響應的量測結果非常好,如果串接電阻來控制低頻的的話,幾乎是監聽耳機水準。改用 Sony Hybrid tip 似乎也有助於延伸高頻的頻寬。

主要的缺點是 3KHz 有約 2% 的失真,但是串上電阻會改善。因為我很少聽大音量也不是低頻控,就在 ebay 上找便宜賣家衝了。電阻的話 head-fi 的這篇討論有人推荐 Cowon Liaail,電阻值根據日本 blogger 的量測結果是 33 ohm。

買這隻耳機要注意的是 Amazon/Ebay 上還是很多舊版的在販售,主要的差異是新版的線控比較圓潤,原廠的盒子也略有不同,線控放中間的是新版的。


我的播放器材有之前為了聽音響買的 UCA-202,還有 HTC New One。前者 3.5mm 的輸出阻抗有 47ohm,搭上這隻耳機反而是優點,能進一步達成總共 80 ohm 的串接電阻來降低非線性失真。HTC New One 的輸出據說阻抗是 2ohm,可以作為不串接電阻的對照組。

首先試聽頻寬來確定耳塞到底有沒有差異。UCA202 接上 Cowon 和 ME186LL/A,分別使用原廠耳塞和 Sony Hybrid 耳塞來聽 1/3 oct 的 pink noise的時候,我注意到的是在 8KHz 的時候原廠耳塞會凹陷,這個聽力測試的結果和 Rin Choi 的量測結果一致。舒適性和氣密性而言,Sony 比較舒服但是我的右耳比較難調整到氣密的狀況。這隻耳機也不用刻意的塞非常進去,因為照 Rin Choi 對不同耳機位置量測的結果,Apple 是針對一般人的佩帶方式最佳化,而不像 ER-4 系列預設要塞到軟骨後面的第二個耳道彎道。

為了了解失真到底有多少,我用 expression tone generator 寫了幾個帶不同百分比三次諧波失真的單頻音,基頻分別是 1kHz 和 3kHz。理論上三次諧波會讓人感受到不舒服、煩躁,但是我在這邊測試的重點是用我的聽力去試試看我能區分的出來不一樣的百分比是多少,因為總體噪音來自於耳機的失真和我外加的失真,當前者大於後者的時候無論怎麼外加失真的量,聽起來應該都會差不多,只有當外加的量大於本來的失真的時候,聽感才會有明顯的改變。我在下面的聆聽測試中,就是專心在找那個聽感的改變點。

以我自己的情況是,有一個特定的音量我最失真最敏感,音量開更大的時候我就完全聽不出來差異了。我也不是人體音量計,到底這個音量是多少分貝我也說不准。但是用這個敏感的音量聽德佛札克的新世紀第四樂章而言,音量是小於我心目中的現場音量不少的。我試過一次先放第四樂章調整音量,然後用那個音量聽噪音,真的是不小心就會聾了!千萬不要學我這樣幹。

以 1kHz 而言,我約略可以聽出來 0.5% 和 0.3% 的不同,而根據 Rin 串接 100 ohm 的量測結果,1kHz 的失真在 0.2% 左右。我的聽力結果和他的量測這之間的差異有兩個可能,第一是我對 noise 沒那麼敏感,第二是我對「增加的失真」沒有那麼敏感,第三是 100 ohm 和 80 ohm 的失真有差到這麼多,但我相信這樣的聽力測試至少找到了失真的上限。不過用 Klipsch x10 接 UCA202 聽,我可以區分出 0.1% 和 0.3% 的差異。

以 3kHz 重做這個測試,我約略聽的出來的是 1%。大概可以推估說失真和他量測的相差沒有太多。用輸出阻抗 2 ohm 的 HTC One,關掉所有音效聽這些外加失真的單頻波,不論有沒有接 33ohm 電阻,大約都是在 3% 的時候可以明顯區分。


實際聽音樂的時候,33 ohm 接在 T410 的 3.5mm TRS 輸出上,聽到的鋼琴比接 UCA202 總共 80ohm 的時候要來的厚實。對照 Rin Choi 的圖,這可能是 2dB low-shelf 的差異。至於失真的部份,聽大多數音樂的時候其實都沒有感覺的。但是這也可能是因為我沒有什麼高級耳機可以對比的關係。我認為以這個價位,這隻耳機沒有對手啊!

2014年5月17日 星期六

小空間喇叭擺位 - 多反射音

延續前兩篇《小空間喇叭擺位 - 衰減常數》、《小空間喇叭擺位 - 反射音量和延遲時間》 ,這篇接著討論怎樣的反射音有可能帶來好處。

首先是 Fig. 9,用語音的清晰程度來評分反射的方向和延遲。結果是延遲愈少清晰度愈高,而無論是多少延遲,都是以 60度 (我猜這是該實驗最大的角度) 效果最好。Fig. 12 用樂曲測試來自不同方向的延遲聽者的評分。結果是 40 - 90 度效果比較好,但這和樂曲有關,該測試中的兩個樂曲一個在 90 度最高分,一個在 90 度沒有特別影響。

結論:來自側面的反射很重要,但是一般房間的反射音量不夠大、延遲也不夠久。Toole 以此論證多聲道的潛力。對我來講,則是讓我對 Dipole 喇叭愈來愈不理解。到底為何 Dipole 喇叭能從聽感空間裏面消失呢?!Dipole 的重點不就在於消除側牆音、強化後牆音?

Fig. 14 in "Loudspeakers and Rooms for Sound Reproduction - A scientific Review" by Floyd E. Toole

多反射之下的 Fig. 6 會變怎樣呢?Toole 直接在兩個模擬的客廳重做了這個實驗,結果為 Fig. 14. 我們可以看到這幾條曲線變得比較平坦,甚至是連感受到有變化的曲線都變得平坦。但是不同的模擬客廳被聽出來反射音的絕對音量有所不同。而且音像變大和被聽出來所需要的音量差距變小了。

Toole 在這個小節的結論是: "The basic audible effects of early reflections in recordings, therefore, seem to be remarkably well preserved in the reflective sound fields of ordinary rooms. There may be reasons to attenuate early reflections within listening rooms, but this, it seems, is not one."

我們就算在一個客廳裡,也是可以聽出來錄音本身的空間音!要注意的是,Precedence effect 是針對音源的方向性,反射所造成的音染、音量增加,我們都還是會感受到的。早期反射最糟糕的狀況就是造成音染,而好的影響則是音像變大、語音辨識度提高。


我自己的推論是,針對早期反射使用散射而不是吸收,也許有潛在好處。一來是一個很多吸收的小空間,我們的大腦會傾向無響室的處理,這時候只要有一點點反射音我們就會聽出來 (Fig. 6  vs. Fig. 14)。相對的,如果是一個正常的客廳,我們反而不容易聽出來有反射音!二來是擴散可能可以降低音染。音染的來源是反射來自於固定延遲造成的 comb filter,透過真正用大質數設計的擴散板,只要深度夠深、寬度夠窄,就有可能增加延遲的分布,進而降低 comb filter 和音染。

在我自己的試驗中,把喇叭 toe-out 之後聲音的空間感有比較好。我推論是因為 toe-out 之後喇叭的輻射場型在側牆方向增加不少、又降低了直射音量。如此一來一往可能就讓側牆反射高到足以造成音像增大的效果。

十分可惜這些實驗都針對比較大的延遲,對於 10ms 以內的延遲著墨不多,這才是小空間會遇到的狀況啊!

2014年4月27日 星期日

小空間喇叭擺位 - 衰減常數

在網路找到 Floyd E. Toole 寫的一篇 review paper,主題是 "Loudspeakers and Rooms for Sound
Reproduction - A Scientific Review*",內容非常精彩,對於一般家用空間的喇叭設計、擺放,有很大的啟發,我決定分幾篇 blog 分享我閱讀後的心得感想。


Fig. 2 in "Loudspeakers and Rooms for Sound Reproduction - A scientific Review" by Floyd E. Toole

我們先想像一個在戶外開放空間擺在地上的理想喇叭 (同時可以朝所有方向輻射能量),我們把離喇叭固定距離 R 的一個球面畫出來,根據能量守衡,所有從喇叭發出來的能量,在固定時間 R/c ( c = 340m/s @ 攝氏 15 度 ) 之後,必定要通過這個半球面 (先簡單的假設地板不會吸收能量)。因此,隨著距離增加兩倍,球表面積增加4倍,所以單位面積通過的能量只有原先的四分之一。能量的衰減要換成 dB 用的是 10*log10,這就是 -6dB/(double distance) 的衰減,也就是 Fig. 2 裏面那條 direct sound 的線。

這條趨勢線對應的是,一個聆聽者離所有牆面都很遠又離演奏者很近時,他改變距離時音量的變化。但是在傳統音樂廳裏面,重點在於讓所有人(無論距離) 都接收到的足夠的音量,這樣才能清楚的聽出來台上的人發出的聲音。因此,音樂廳的設計是要利用牆面的形狀和大小,讓所有位置在「統計上」有類似的音量。這就是為何 Fig. 2 在距離很大的時候,音量並不隨著距離而改變了。音樂廳設計的時候,第一排所在的位置必須在  "critical distance" 以上,這個距離和頻率、樂器的指向性都有關係,先不與詳細的討論。

這個現象又隱含了另外兩個意義。第一,聽眾和指揮聽到的聲音會非常不一樣,指揮聽到的幾乎是直射音 (direct sound),我們聽到的是散射音 (diffuse field)。第二是我們在音樂廳裏面享受到的音樂,其實都是反射音啊!搭配我們大家的現實經驗,戶外不插電演奏其實聲音並不好,太乾了。這似乎暗示我們適當的反射音是必要的。無論是錄音師在高級音樂廳錄下來的當時現場反射音、混音師加上的 delay/reverb 效果,或是我們擺放喇叭所在的空間,本身的反射音。

當代的錄音室設計是把所有反射音都吸收掉,全部交給混音師人工製造。但這並不是錄音的唯一選擇,在一個高反射/散射的環境裡,如果聲音本來聽起來就很漂亮,直接這樣錄也是一個選擇啊!以迪士尼放出來的 Let it go 25 國語言錄音為例,加泰隆尼亞語 (Catalan) 就是在音控室而不是錄音室錄的。

Fig. 4 in "Loudspeakers and Rooms for Sound Reproduction - A scientific Review" by Floyd E. Toole
但是我們的客廳又不像音樂廳這麼大,到底聲音是怎麼分佈的呢?量測結果告訴我們是 -3dB/dd 的衰減。這其實跟居家環境天花板相對低有關係。我在開頭的時候以戶外的球面擴散為例,推倒出 -6dB/dd 的衰減。其實室內環境也是可以用類似的方式推導出來的。想像我們的地板和天花板都是結實的水泥,而且面積非常大。這時候能量無法透過上下傳播出去,只能在這個夾心中間往水平的方向傳播。圓柱面積和半徑成正比,我們就得到了 -3dB/dd 的衰減常數了。

類似於音樂廳的例子,當我們離喇叭距離很近、離天花板和地板都很遠的時候,聽到的當然是直射音的 -6dB/dd,等到距離退到一個程度之後,則變成 -3dB/dd。以這張圖的量測結果,距離遠到六七公尺都還是符合這個衰減常數的。

以上是第一部份,表達了反射音的重要性,以及在不同空間環境下,音量和距離的關係。有很多學者利用無響室研究了反射的音量、延遲時間對於聽感的影響,下一篇我想討論如何利用這些學理結果,來理解居家環境中的反射音。

2014年4月26日 星期六

喇叭系統升級

不知不覺,《我的第一套音響》,居然只有那個 Sure Electronics 的 Class-T 還在服役,其他的部份都全部換掉了。這篇就紀錄一下升級的過程。


空心磚加書當作喇叭架

首先是喇叭,原先的那對喇叭疑似 Boston Acoustic 的子品牌。愛聽古典音樂的朋友跟老婆都說高頻延伸不足。另外是低頻嗡嗡作響,不管有沒有塞住那個低音反射孔都一樣。老婆的發燒友朋友送了我們 Tannoy 601p 這個監聽喇叭,真是天壤之別!

當初裝起來聽之後,覺得高頻延伸好很多、低頻量感變大又不會嗡嗡作響。想不到一個 $120 的喇叭居然可以這麼棒,相較之下之前那對差不多價位的喇叭真的會想丟掉。上網查了 Tannoy Reveal 601p 的資料,我第一個注意到的是居然有標失真是 0.6% 耶!想不到居然這種價位的喇叭會把這種關鍵數據直接放出來,雖然不是更完整的在不同功率下對不同頻率的失真數據,想想看有多少價格數倍於此的喇叭不會給你任何失真數據,就感受到這真的是做給混音師用的喇叭,標示實在啊。

喇叭本身的設計也很有趣,高音單體可以到 30kHz,我們當然聽不到這種聲音,但是理論上可以讓相位反應更平坦。高音單體附近有橢圓形的聲學波導,來控制高音單體的輻射場型 (音響領域把這個叫作 dispersion,我還是不習慣用這個字眼)。而箱體的四周有導角,來降低面板造成的繞射和散射。我在網路上找到的頻率響應量測圖也是非常平坦,沒有任何額外加入的調音。至於低頻,為一個二音路喇叭就不用太強求。在我家的小客廳放測試片,60Hz 的音量還是可以的,以勉強能聽到的音量做為標準,可以到 50Hz。我實際感受到的低頻沒有他測的這麼慘。

低頻是房間和喇叭互相影響的結果,用 waterfall plot 會是比較好的分析工具,而且擺位、室內傢俱、量測位置等等都會有影響。網路上的頻率響應圖在這麼低頻,其實參考價值不大。如果能找到低音單體的 TS 參數,可能還比較有意義一點。


裸板的缺點就是會積灰塵

訊源部份也從原先的筆電接 Behringer UCA202,換成了 Raspberry Pi 加上 Creative Sound Blaster X-Fi Surround 5.1 Pro USB。Raspberry Pi 無風扇、極度輕量化的作業系統,除了沒有筆電風扇的噪音,理論上 jitter 的表現應該能比較好。X-Fi 5.1 Pro 則有 24bit/192kHz 的能力,底噪也比 UCA202 好上很多。沒有放音樂的時候聽到的底噪是電源的表現,因為音效卡在沒有播放訊號的時候,會把輸出直接短路。沒放音樂的底噪 UCA202 和 X-Fi 5.1 聽起來沒差,表示兩者電源處理都有一定水準。而播放一段全部是零的 wave 檔,這時候比的就是 DAC 本身的底噪,X-Fi 5.1 這時就狂電 UCA202 了。

擴大器的電源也升級,從原先的雜牌萬用筆電電源,換成 Mouser 上面買的足 100W 的 28V plug-in power supply。所有 Class D/T 的擴大機,都需要相當的電壓。低電壓的時候輸出瓦數不足,而且失真也比較大。其實 TK2050 能承受 40V 的電壓,可惜 Sure 的電容只用到耐 28VDC 的。電源提升之後帶來的改善是非常明顯的,但到底是因為足瓦數還是因為高電壓,這其實很難說。對我來講花個 $70 能有這個大的提升,我是很滿意的。願意自己裝箱的話,交換式電源每塊錢能買的瓦數比較多,甚至還能有主動 PFC 控制,像是 Mean Well 出品的這台。升級電源的另外一個好處是,我原先在《Sure Tk2050 4x100W 低價位擴大機》量到的 80kHz 雜訊就不見了!可見雜牌萬用電源,濾波器大概有被偷料。反正 Zobel filter 的電容和 1W 電阻都買了,我還是把它加上去。

因為 X-Fi 5.1 只有數位音量,我把線材從原先的 3.5mm 轉 RCA,改成直接用 RCA 線 。我猜原先的那條 3.5mm -> RCA 應該蠻爛的,改用 RCA 之後發現電源底噪有改善。推論是 3.5mm -> RCA 的串接電阻太大(接頭處理不良),使得一些訊號的回流電流跑去走電源路線,而把雜訊帶進來。也因為出於好奇,買了一條 $20 的 C2G RCA cable。老實說和一條 $5 的雜牌線沒差。當然我的線都非常短,只要接頭有處理好都不是問題。要是線非常長,線本身的電容效應就會讓高頻衰減了,這時候還是買 XLR 吧。可惜低價位的 DAC 輸出肯定只有 RCA 沒有 XLR,需要很長訊號線的人,系統就要花大錢了。中間串兩個主動式的 DI box 配上愈短愈好的 RCA cable 是個將就用的選擇。

可惜 Tannoy 新出的監聽系列沒有被動的喇叭了,全部是主動的, C/P 值就沒那麼好啦。

2013年11月6日 星期三

Sure Tk2050 4x100W 低價位擴大機


當初買這個擴大機的主要原因是方便,內建 RCA 端子、電源可以直接用筆電的,省下裝箱和眾多接頭的成本,無論是金錢或是時間。在 改裝 wiki 上面有提到原廠的 DC offset 很大,我原先沒當一回事,這周心血來潮把他帶去學校用電表量了一下,結果還真是驚人啊,四個聲道分別大約有 400mV, 100mV, 200mV, 5mV 的 offset,當然就拿起螺絲起子把他們都調整到 10mV 以內。

既然都帶到學校了,就接上示波器吧,用一個耐 25W 的 4ohm 電阻做負載,輸入則是用 Expression Tone Generator 寫幾個 1kHz, 10kHz, 20kHz 的絃波,用 Thinkpad T410 內建音效卡的 24bit/192kHz 放出來。可以看到 1KHz, 10kHz, 20kHz 的峰到峰振幅分別是 7.562V, 6.938V, 5.188V,這表示 10kHz 和 20kHz 對 1kHz 分別有高達 0.75dB 和 3.27dB 的衰減!這樣的規格實在稱不上是好擴大器。

1kHz 10kHz 20kHz

之後把參數固定之後把四個聲道都量測了一下,結果如表 (聲道如第一張圖由左至右):
Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4
1kHz 15.47V 15.94V 15.62V 15.94V
10kHz 14.38V 14.38V 14.06V 14.53V
20kHz 11.09V 10.31V 10.47V 10.62V








這個結果解開了我長久的疑惑,我總是覺得我的喇叭聲音左邊大聲一點點,一直以為是我耳朵的問題,原來是因為我用 channel 2 接左聲道、channel 3 接右聲道造成的,約為 0.26dB。回家之後馬上改成用 Channel 2/4 為左右聲道。

過去一年以來,我是用固定 19V 的變壓器驅動這個放大器,對於流行音樂、搖滾音樂都很滿意,就是古典音樂在大動態的時候不甚滿意。所以這周也嚐試調整萬用筆電變壓器的輸出電壓 (15-24V),雖然輸出功率從 100W 變成 70W,但是我的聆聽距離只有兩公尺不到,喇叭效率也有 89dB,音量應該不成問題。接上 24V 之後發出來的聲音,實在進步太多了!整個交響樂團一起發出聲音的瞬間,樂器之間的音色、定位變得清楚很多,不再是糊成一片,而鼓的聲音雖然不大 (畢竟我的喇叭 -3dB 只到 63Hz)、不過鼓質的感很好。我整個晚上都坐在客廳走不開,把手上的交響樂、協奏曲都聽了一輪!再次驗證 wiki 上說的,電壓愈高愈好。

另外一個疑惑是,我覺得這個擴大器音量大的時候比起音量小的時候,好聽非常多。這點也在用示波器量測高頻小訊號的時候獲得了答案。
這張圖裏面 20kHz 的訊號比起上面三張一組裏面的 20kHz 小了約 12dB,可以明顯看到有很多高頻雜訊載在 20kHz 的輸入上面。我相信這並不是音效卡用數位把音量調小的結果,畢竟我用的是 24bit 模式,而且這個雜訊並不是鋸齒狀的。這張圖裡裏面的雜訊相對於 20kHz 位置也是固定的,約是每個周期出現四次,表示這個雜訊的基頻約在 80kHz 左右,但是他本身涵蓋了比較多的高頻成份,所以局部有很劇烈的振盪。

再次回去閱讀改裝 wiki,裏面有提到 Sure 並沒有實作 Zobel filter,那是一個截止在 80kHz 的低通濾波器,可見原廠需要這個 Zobel filter 來將這些高頻雜訊消除掉!依照原廠說明書,這個 Zobel filter 應該要放在電感的前面,可以想像這樣的好處是可以避免鐵心電感磁場飽和,可惜的是 Sure 並沒有預留孔位,因此只能加減把 Zobel filter 接在輸出端子上了。原廠建議用 10 ohm/1W 串接 0.47uF 的電感。因為這個雜訊頻率很高,應該要用高品質的無極性電容,而不要貪便宜用電解電容。

我接下來改裝的方向是把這個 Zobel filter 補回去,並加上額外的電源電容。但是那個 3dB 的高頻衰減我目前還是無解。其實當初不應該貪便宜跟方便買 Sure 的,HiFimeDIY 的 TK2050 實作品至少有那個 Zobel filter!

2013年10月26日 星期六

音場的來源

因為我自己就算用耳機聽 binaural 錄音,定位了不起是離頭 30 公分,聲音也無法達到正前方,總而言之就是沒有真實的距離感,所以開始查閱了一些資料。David Griesinger 的網站是主要資料來源,但是 Linkwitz 的文章整理的非常好,而這個過程中我也發現音場重現也跟錄音的方式很有關係,Deltamedia 則是把各種錄音技巧的優缺點整理地很好,值得和 Linkwitz 的文章來回參考。

結論性地講,現場聽音樂,人腦感受到的音場來自三個要素。針對低頻的聲音,人腦會去注意該樂器的聲音抵達兩隻耳朵時間的不一樣,這是 Interaural-Time-Difference (ITD)。針對高頻,兩隻耳朵收到的音量會因為頭的形狀而有不同,這是 Interaural-Level-Difference (ILD)。最後,人只用一隻耳朵其實也是可以聽出方向的,那是因為外耳的形狀使得同樣的樂器從不同方向發出的聲音,抵達耳朵的波形會略有變化,我們就從這個波形的變化聽出方向來。從頻率的角度來看,則表示頻率響應是方向的函數,這是 Spectral difference,最後這個其實人腦在後面做了很多事情,David Griesinger 的投影片解釋的很清楚。

ITD、ILD 則跟很多針對耳機的播放軟體、耳擴裏面內建的 crossfeed 有關係,有很多人說 crossfeed 可以改善用耳機聽一般錄音 (非 binaural) 時候的空間感,有人甚至說能改善音場的前後縱深。但實際玩過就會知道,crossfeed 對於一些早期 ( ~1960) 的雙聲道錄音效果很好,但是對於現代的錄音好像就沒啥特別效果 (至少對我而言)。原因是很多早期的錄音其實是用單聲道 pan 成雙聲道的。把單聲道麥克風收到的聲音,大多數從右邊喇叭放出來,播放的時候就會好像聲音來自右邊,但是如果聲音「只從」右邊喇叭放出來的時候,喇叭聽起來還可以,耳機聽起來就會非常不舒服。

crossfeed 的效果是把左右聲道的高頻和低頻,先經過延遲 (模擬 ITD),再經過不同的衰減 (模擬 ILD) 之後放到對面去,來讓聲音比較接近人耳聽到的樣子。但是現在有很多的雙聲道錄音技巧,其實已經內含 ILD 甚至是 ITD 了。以古典音樂最常見到的 ORTF 來講,兩隻收音場型是心型的麥克風,距離十七公分,開角 110 度,這樣雙聲道收下來的聲音通常用喇叭放出來就非常棒,那個十七公分就是要模擬人耳的距離,因此會在兩耳間產生正確的時間差 (ITD),110 度開角的心型收音場型,則不同方向來的聲音在兩隻麥克風收到的音量會不一樣,根據 Linkwitz 的計算,ORTF 的音量差大約可以區分加減 34 度的以內的方向。這個數字很有趣,不知道是不是為了要和正三角形的喇叭擺位有對應?這部份我需要進一步找資料。

ORTF 的主要缺點也是來自於那個十七公分,早期的雙聲道收音麥克風是擺在同一個平面的 (XY 錄音),只利用角度的不同來達到音量的差異。擺在同一個平面的好處是,直接把兩聲道的聲音相加就可以得到單聲道的聲音,在早期的廣播時代,單聲道的音質也是很重要的。ORTF 則不能這麼簡單的把兩聲道的聲音相加,因為那個十七公分會造成 comb filter,讓聲音的頻率響應改變很多。

比較的起來的話:
Mono pan 到底 = 不舒服。
Mono pan 部份 = 所有頻率的 ILD 都一樣,並不自然,但是比上面好很多。
XY 錄音 = 不需要錄音師控制 pan,直接收到 ILD,但還是所有頻率的 ILD 都一樣。
ORTF 錄音 = ILD + ITD,但是所有頻率的 ILD 都一樣。

我推測用耳機搭配 crossfeed 聽 ORTF 錄音的時候,ITD 應該設為零,因為 ORTF 已經內含了,不過調整頻率點和高低頻不同的衰減,可能還是可以提升定位感。至於聽早期 XY 的錄音品,則應該要加上適當的 ITD。如果遇到 mono pan 出來的 stereo,那設定的 ILD 有可能需要根據不同的錄音品調整,畢竟當時錄音師 pan 了多少,實在沒人知道。最後, http://www.ohl.to/ 上面的 head-fit 是設定 crossfeed 很不錯的工具。他的另外一篇文章用淺顯易懂的方式解釋了 crossfeed,也推荐了用 Charles Mingus 的 Ysabel's table dance 作為調整 crossfeed 的參考曲目。這是 1957 年的錄音但是音質相當好,我是從 Amazon 上買 mp3 單曲回來聽的,雖然不是很理想的檔案格式,但是拿來調整 crossfeed 我覺得夠用了。這個曲子的特點是有很多樂器,涵蓋的頻率範圍非常廣,尤其是右邊的響板可以高到 7-9KHz,適合拿來調整高頻的 ILD,薩克斯風和小喇叭則分別在左右聲道,銅管樂器的基頻處在 crossfeed 的低頻、嘹亮的音色在 crossfeed 的高頻,仔細比較這兩個樂器的音色是否自然可以拿來調整頻率點,最後是左邊的大鼓,可以調整低頻的 ILD 和 ITD,這首曲子真的是相當不錯的調整標的。而調整的目標是要做到定位正確但是音色沒有改變,不過我的腦子拒絕只用 ITD/ILD 把東西放到前面,我不管怎麼調都是在後面 (雖然可以從正側面調整到左右後方),因此效果能有多好,我實在是不知道。


最後講到 spectral difference,唯一能把這個變化正確錄下來的,只有 binaural 錄音。以 David Griesinger 的投影片內容,如果我們把一個麥克風透過管子「接觸耳膜」,直接錄製耳膜上的音壓,然後用這個特殊的麥克風來 EQ 耳機,使得播放的時候能重現耳膜上在錄音時候的聲音,那就可以獲得完整的「原音重現」,包括正確距離和方向的音場。缺點?你要親自錄親自聽,別人聽不一定有這樣的效果。第二,當我們轉頭的時候方向就會崩潰,因為我們的腦子預期聲音還是來自前面,但實際上音場會跟著頭轉,這種時候就需要 head tracking。

Linkwitz 則是基於這個概念,但是用喇叭而不是耳機達成音場。前面說過 spectral difference 來自於外耳的形狀,因此用喇叭播放的時候,兩隻喇叭是在我們的前面左右,他們發出來的聲音自然的會透過每個人自己的耳朵,達到 spectral difference。他個人錄製現場音效的一個方式,就是在眼鏡上裝置兩個無方向性的麥克風,注意是在眼鏡上而不是在耳朵裡,所以錄製的時候會包含 ILD、ITD,也因為他的頭在那,也會包括不同頻率正確的 ILD,但是 spectrum difference 並沒有被錄製進去。他認為這樣的錄製結果用喇叭播放的時候,效果就很好了,他也有賣用類似技巧錄下來的測試 CD。我對這邊其實有點疑惑,因為我們自己的耳朵和自己的頭會提供完整的 ILD、ITD 啊,為什麼 spectral difference ,要用自己的耳朵達成,但是前兩者卻是錄音的時候就要有呢?我可能要繼續研讀 Linkwitz 的網站來理解他的想法。

無論如何,ORTF 錄音搭配 Linkwitz 設計的全頻場型固定的喇叭,似乎已經能達成喇叭在房間裏面消失,就像在現場開了一扇大窗戶一樣,這是 The Audio Critic 的評語。

PS. ORTF 部份是我的猜想,因為 Linkwitz 對於很多歐洲網路古典音樂電台的錄音頗滿意,也在我開頭提到的文章中說明某種 XY 錄音是後續調音的 baseline (他並沒有嚴格區分 XY/ORTF )。

2013年8月25日 星期日

訊號線、喇叭線、和 DI Box

偶然間在 Empirical Audio 看到這篇討論訊號線和喇叭線的文章,學理紮實。那些用傳輸線阻抗匹配概念解釋線材的文章,我其實一直無法理解。因為在 20kHz 的時候電波波長達  1.5 公里,因此以任何使用環境,我們都不可能看到電波效應。這篇文章就講的很明白,線材的串聯電感還有並聯電容,才是會影響聲音的問題!這是不考慮電波的純電路模型!

連接兩個系統的時候,必定要前面的輸出阻抗 Rout 小、後面的輸入阻抗 Rin 大,這樣才能避免兩個系統各自的頻率響應因為 loading effect 而有很大的改變,也有人用阻抗匹配描述這個配置,但是要小心區分這和電波傳輸線阻抗匹配消除反射,是完全不同的概念!Rin/Rout 也被命名為阻尼係數 (Damping Factor),這個數字越大越好。

當後面接喇叭這種低阻抗負載的時候,串接電感和負載形成了 LR 低通電路,而串接電感值是隨著線的長度而增加的!所以喇叭線不宜過長,否則高頻會被衰減。如果進一步考慮喇叭線因為導線的損耗造成的串聯電阻,那又細又長的導線,也會因為串聯電阻過大,使得阻尼係數變小,導致電路性能改變。

也有些人會提到 skin depth,這是一個電磁學常用的參數,也是頻率的函數,網路上就有工具可以計算。舉例來講,銅導線在 20kHz 的時候 skin depth 是 145um,但是在 20Hz 的時候這個數字高達 4.6mm!Skin depth 的另外一個重點是,電流只流在導體外圍 skin depth 深的地方內,因此對於高頻訊號 (像是 GHz/MHz 級的訊號),過度的加粗導線是沒有意義的。

但是這個電波效應對於喇叭線真的有影響嘛?我們可以看看 AWG 表上的數字來討論。11 AWG 的銅導線,串接電阻只有 4.132 mOhm/m!就算喇叭線用到十公尺長,總共的等效電阻才 0.041 歐母,這數字小於標準 8 歐母的喇叭阻抗 200 倍!就算在高頻的時候損耗比較小,直接假設最誇張的高頻無損好了,那線阻的變化也只有 0.041 歐母,高低頻的音量變化也才 20*log(1.005/1) = 0.043 dB,這絕對是聽不出來的差異。

Empirical Audio 的文章計算了 11 AWG 雙股線長度對於訊號相位的影響,假設喇叭阻抗是 3 歐母、後級輸出阻抗 0.2 歐母,結論是在 20kHz 的時候八公尺長的線可以造成十度的相位變化。那麼,怎樣的線才會比較好呢?網路上就有可以計算串接電感的網頁!玩一下就會發現,直徑影響單導線的串接電感值很小。但是改成雙股線則可以直接降低兩倍左右!

這也符合電路直覺,並聯使用多個電感,則總感值是單一感值除以並聯數量,因此喇叭線的設計原則就是在維持總金屬截面積的情況下,儘量把線拆成多股。生活中最容易拿到的多股線就是乙太網路線!內含四對線,每條截面積是 0.205 mm^2,如果把四對八條全部接在一起,那總結面積相當於 AWG 15 的線,串接電阻是 10.45mOhm/m。

因為把一條拆成八條,因此串接電感約只有原先的八分之一,因此最大長度可以有原先的八倍,這時候長度可以達到 64 公尺。但是還要考慮 damping factor。他們假設的系統  damping factor = 3/0.2 = 15。如果容許 damping factor 因為串接電阻降低到 8 的話,則可容許串接電阻是 3/8 - 0.2 = 0.175 歐母,那可容許的線長度為 0.175/0.01045 = 16.7 公尺。

如果喇叭是 8 歐母的話,那可就完全不一樣了, Damping factor 的考量是 8/8 - 0.2 = 0.8,0.8/0.01045 = 76.5 公尺。串接電感的考量是 64*8/3=85公尺。

再加上安全係數兩倍,用乙太網路線當喇叭線,接八歐母喇叭則可以到 38 公尺長,damping factor 和 LR 低通造成的長度相當。如果接三歐母的喇叭,則長度只能到 8 公尺左右,主要考量是 damping factor。我假設一個喇叭使用兩條乙太網路線,一條接正級一條接負極。


講完喇叭線,來講訊號線。

訊號線後面的器材,輸入阻抗至少是 kOhm 級數,因此線的串接電阻對於 damping factor 的影響直接不用考慮。也因為這樣因素,串接電感造成的阻抗,也會遠小於下一級的輸入阻抗,剛剛討論的 LR 低通電路,也不用考慮。

新的問題是,前一級的輸出阻抗和線的並聯電感,形成一個 RC 低通電路。當訊號來源是像電吉他這種高阻抗器材的時候,這個問題會非常嚴重。因為問題很嚴重,所以早就被徹底討論了,網路上都可以找到計算機。解決方法是降低訊號來源的輸出阻抗,和降低線的並聯電容。像是 CAD e-70 這隻 small diaphragm condenser microphone,輸出阻抗僅有 85 歐母。如果使用高品質 XLR 訊號線,像是 Mogami W2525,則並聯電容只有 10pF/m。把這兩個數字丟進去剛剛那個計算機,得到的 20kHz 3dB cutoff 長度是 9362公尺!

這表示在 9362 公尺的時候 20kHz 會比低頻小 3dB,這是聽的到的差異。簡單的估計可以直接除以 10,這時候相位變化大約是六度,很明顯的用這樣的組合線多長都沒有差,畢竟實用上應該不可能達到 936公尺這麼遠。如果換成標準輸出阻抗 600 歐母,用非平衡線 W2792,那 3dB 長度只剩下 97 公尺!相位六度變化的長度是十公尺左右,加上安全係數兩倍,五公尺的線長在實用上就很受限制了。

這時候就該 DI Box 上場了。DI Box 不只轉換阻抗,更是把非平衡訊號轉成平衡訊號,而平衡訊號是 XLR 線之所以並聯電容很小的原因。再看一次 Mogami W2525,他有標示 C1 和 C0,前者是 10pF/m,後者是 90pF/m。如果我們今天把 XLR 線用非平衡的方式操作,則並聯電容是兩者相加,馬上損失十倍的可用長度!而平衡線的電容值也可以差很多,像 GLS 的 TIS cable,電容是 38pF/m。

原則是,所有訊號線都使用平衡線 (XLR 最好)。遇到非平衡且高阻抗的訊源,那就要使用 DI Box 降低阻抗並轉換成平衡訊號,非平衡的部份愈短愈好。不過,像 Behringer DI100 也才把輸出阻抗轉換成 600 ohm,使用 XLR 線材則可用長度是 66 公尺左右。

但是降低阻抗之後訊號的電壓也會隨之變小,因此後端通常接的是有 pre Amp 的 XLR 接口。那 Line in 接口是怎樣呢?以 Behringer Mixer 的 AUX out 規格來看,則是 TIS 接頭 240 歐母平衡輸出,配上 38pF/m 的 TIS 平衡線,實際可用長度也是有 43 公尺。由此可知,麥克風走 XLR 有 pre Amp,是因為電壓小,而且線可能需要很長,像是從舞台上方垂吊收 Over Head。至於 line level,走平衡 TIS 應該就夠了。

2012年11月30日 星期五

我的第一套音響

聽音樂這件事情,可以很個人但又總會想跟人分享。


我的第一隻好一點的耳機是 Audio Technica SQ5,當初買他是因為以我當時的預算,這隻是耳罩唯一大到我可以戴的很舒服的。女聲和小提琴很不錯,低頻就忘記他的存在吧。

之後在 Amazon 便宜的進了 Sennheiser CX300,低頻有了,但是這隻很容易聽到電腦的底噪,不知道是阻抗匹配的問題還是敏感度太高。有段時間是接我的 Thinkpad T410 來聽音樂,T410 是我手上底噪表現最好的機器,比 HTC Inspire 還好。

之後女朋友送我了 Audio Technica ABC7B 抗噪耳機,因為我每次搭 AA 的飛機都會抱怨噪音很大,我後來發現 Airbus 的飛機比起 Boeing 的飛機安靜多了,但是 AA 全部都是 Boeing 飛機。雖然這隻耳機的主要特點是抗噪,不過我認為音樂表現是目前這三隻耳機裏面最好的。缺點大概就是人在腦中唱歌還是不太習慣。

為了找回音場,找了很多 Binaural recording 回來聽聽看,最有名的試聽檔應該是下面這段 Virtual Barber shop:


不過 Binaural 的錄音品還是非常少,加上耳機只能一個人享用,漸漸萌生想弄套喇叭系統的想法。


便宜是我的最大前提,在 diyaudio 上面爬文,發現大陸廠牌 Sure Electronics 賣的 Class-T Amp 評價很好,甚至在 diyaudio 還有專屬 wiki 教你改裝,更妙的是 Sure 原廠在歷次改板中也有把這些東西吸收進去!於是就很開心的上 Sure 網站訂了,不過之後才發現他們家在 ebay 上面也有鋪貨,甚至還免運費。一開始沒發現到這點,因此這個大約 $50 的東西我多花了約 $25 的運費。Amazon 也有賣他們家的東西,不過是舊版的,我建議上 ebay 買。



隨便拿個筆記型電腦的電源線接上去、用便宜的喇叭線和便宜的 3.5mm 轉 RCA 雙聲道,接上手機或是電腦就可以發出聲音了。


底噪,底噪噩夢又來了。我丟在客廳當播放器那台 Acer 裏面的 Realtek 音效實在是沒有很好,和 T410比起來底噪大、音質差。又因為這個放大器有 30dB 的增益,電腦的底噪因此被放大很多,根本沒有辦法好好靜下心來聽音樂!

於是,我又起了添購 USB DAC 的念頭。我以往認為 USB DAC 如果只用 USB 供電,一樣會有電源底噪的問題,二來是 USB 音效傳輸有 jitter 的潛在問題。因此,我原先計劃直接升級到使用外接電源的 asynchronous USB DAC。

不過,在閱讀了  NwAvGuy 的 blog ,尤其是 Behringer UCA202 review 之後,我決定先花點小錢試試看這台再說! 他的量測結果說明了,只要濾波器設計得當, USB DAC 的電源雜訊不是問題。第二,jitter 表現和晶片其實有很大的相關性,非同步的確有可能表現更好,但是做的好的同步 DAC 就可能就讓人聽不到 jitter 了。

這台 DAC 主要的缺點是,OPAmp 推力不足,無法驅動低阻抗的耳機。第二,在小音量的時候線性度不佳,最好把電腦音量調大之後使用內建的可變電阻來調整音量。不過這兩點在我的喇叭系統裏面都不是問題!

首先,我是把它接放大器而不是耳機,完全不擔心推力問題。第二,我的系統本來就有很大的底噪問題,因此我本來就希望把電腦音量開到最大來把訊號最大地從底噪裏面分離出來,這個內建的可變電阻一方面把電腦的最大音量調整到適當的大小再輸入放大器。二來是這個可變電阻也會降低電腦底噪的音量!


結果非常開心,音質獲得提升、底噪被大幅度的降低。


不過,偶爾會聽到奇怪的回音,把 USB DAC 重開就好了,我猜這是 jitter 偶爾冒出來的影響。第二,偶爾底噪還是會飆高起來,這應該和我的 Acer 筆電比較有關係。硬碟、風扇這些運轉的東西好像都有影響。長遠的計劃是改用 Voyage Linux 這種不支援顯示器、被動散熱、透過網路控制的音樂播放硬體來播音樂。但是要看電影又無法了,用 SSD 改裝 Acer 是另外一個可能性。


便宜的系統,預算就要花在刀口上。訊源、放大器都已經挑性價比最高的東西,喇叭就算挑高性價比的商品,還是得花多一點預算才比較安心。最後在 craigslist 上面找了一對二手的 The Speaker Company TSBL,這似乎是某大廠旗下的品牌,不過已經倒了。網路上大概只找的到這一篇 review,這對喇叭聽 Rock 非常對味,但是高音沒有 Fostex 那麼甜,所以自己用 foobar 的等化器把 3kHz  以上增加 3dB 的增益。低頻就比較糊了,用東西把低音反射孔塞住之後會更慘。而且朝後的低音反射孔也讓擺位沒啥彈性可言。


用空心磚當腳架,喇叭和空心磚之間墊了三顆 penny,人頭朝上當作最便宜的角錐。喇叭上面壓上重書增加點穩定性。

要升級的話,miniDSP 加上重低音會是首要目標,自己做顆朝下的重低音放牆角、用 miniDSP 主動分音、用放大器現在那兩個閒置的 channel 其中之一推重低音,應該不錯。選擇 DIY 而不是買現成的重低音是因為現成的無法替主聲道把低頻切掉,不把主聲道的低頻切掉那對 TSBL 依舊會哄哄作響,省錢當然也是一個考量。

至於更激進的用 miniDSP 來 DIY Pluto,就等畢業找到工作安定下來之後再說了。

2012年7月30日 星期一

Reading - Orion Speaker


I try look into the Orion design in my own way.

First, it is a true 3-way dipole speaker to be used in a normal living room. From his analysis, normal living room has a RT60 about 500ms, Schroeder frequency is about 150Hz and the fundamental mode is about 20Hz.

The 20Hz fundamental mode is good since a dipole will not radiate energy in such low frequency thus we don't need to worry that non-audible low frequencies will shake the house. I like the fact that he uses two closed packed back-to-back woofer because the front and back sides of a cone radiate differently. Such arrangement can still be regard as a single point source as long as the distance between the two woofers is much smaller than the operating wavelength.

In terms of room modes, the longitudinal modes are not a problem if you sit at the optimal position. Such mode can be regard as the multiple reflections between the front and back walls. When you sit at the optimal position, all the front/back reflections form a dipole will cancel. The two speaker setup also keeps the beauty of symmetry in the room thus only even order modes between the side walls may be excited. Let's say the fundamental frequency of the mode between the side walls is 25Hz, this one will not be excited. The modes that will show up are 50Hz and 100Hz. The quality factor for these higher order modes are usually smaller, which means the peaks and dips are much smoother than the fundamental one. Moreover, the dipole excited the sidewall weakly thus such mode is less a problem.

In terms of mid-range and tweeter. Dipole simply shines. The dipole acoustic radiation pattern has nulls on the two sides. We can toe-in the speakers such that the null is pointed toward the specular points on the side walls. In such arrangement, no reflection will reach our ears! In reality we cannot toe-in that much otherwise the left and right channels will cross over in front of the listening position but the flavor of this technique is kept. Another smart move is to use tweeters. There will be a comb filter effect between the cone and the magnet of the mid-range driver. The null frequency will be around 1.7kHz assuming they are 5cm apart. The Orion is cross-over to the tweeter at 1.5kHz  thus the comb filter of the mid-range is not a problem. The two back-to-back tweeters with 5cm part also keep the true dipole radiation pattern till 3.4kHz. I believe anything above will be direct path dominant in a normal living room.

The three-way dipole seems to be a really good design. However, the dipole frequency response is not a flat one and equalization is a must. It is also a less efficient design. It will require a lot of effort to tune them correctly. I believe buying the build plan will be a smarter move than start from scratch.

2012年6月22日 星期五

Reading: Speaker and Room - 2

The room acoustics wiki page defines things pretty clear. There are four regions regarding the room. The first region is the frequencies below the lowest resonance frequency of the room. The second one starts from the first resonance frequency to the Schroeder frequency. Next one is a transition region and extend about two octives beyond. Lastly, it is the ray-like region.

Schroeder frequency is the critical point between ray-like behavior and room mode behavior. There's a empirical formula to derive the frequency using room volume and the RT60, the time took the signal to decay to a non-audible level, which can be measured using REW, a free software. And these two articles, Part I and Part II, give some recommendation upon using sub-woofer considering the facts about Schroeder frequency and the human capability to localize a sound source. In short, he suggest to use a 80Hz cross-over with equalization. He also pointed out that the amplitude of a room mode across the whole room will vary a lot, thus the EQ will only works at a particular listening position, or a sweet region at best.

Under the lowest mode, the room only experiences static pressure, which means open baffle speaker at this operating range will produce nothing you can hear, cause the two opposite phase waves totally cancelled in the room. We either choose a wall mount speaker to leave the backward wave outside the room or use a closed cabinet to keep the backward wave inside another small box. The latter explains why most sub-woofer are close cabinet design just in case you have a very small room.

From the first resonance frequency to the Schroeder frequency is the mode dominant operating band. Bass trap and room treatment are some tools we can use to tame the crazy null and peaks in this range. I tend to believe a normal living room with all the things you like within will decrease the quality factor of the resonance modes and leads to dull peaks and nulls. A slow variation in the frequency response may be cured by equalization but a small room with a lot of sharp peaks and dulls cannot be cured using EQ. They are so dense in spectrum thus the 1/3 octive EQ cannot catch it. Some room treatment or bass trap is must.

For the last region, the acoustic radiation pattern of the speaker matters and we will try to tame all reflections, but special effort should be put on those reside within 2ms of the direct sound,which will make the image fuzzy. Broadband absorbing panel , carpet and wall decorations will help in this region.

At last, comb filter. It is the inference from a point source in front of a flat wall. The reflected wave will constructively or destructively interfere with the original wave and result in dense peaks and nulls around low frequencies. On cure is to use a diffusive front wall (in listener's point of view). Another is a dipole speaker with optimal listening position, where your distance to the back wall is the same as the speaker to the front wall. I learned this again from Linkwitz Labs Q31. The last resort is to put the speaker right against the wall. This may introduce some unwanted room mode but some speaker really shines at this position, like Big is Better.

Regarding RT60, this article from RealTraps has a few insightful notes. The key point is that audio engineering process the sound with RT60 of the listening room in mind. For a home theater with 5.1 or 7.1 surround system, a short RT60, around 200ms~300ms is appropriate since the "echos" will comes from the satellite speakers but not the room. For most stereo music, 500ms is a good number.

Let me turn back to my one wavelength criteria. I tried to argue that when the wavelength is considerable to the room size, the far field analysis gives us little information and the coupled speaker/room combination must be considered. I feel the criteria is not that appropriate since it is enforce to have a valid large spherical Hankel function approximation but not to deal with room mode. The Schroeder frequency is the better indicator. After reading the two articles regarding Schroeder frequency, I believe that stereo sub-woofer is the way to go but the placement must be corrected. They should be placed to deliver the flattest bass response and the direct path length difference between the sub-woofer and the mid-range to the listener can be corrected by digital delay. I feel this is still a must since it will effect the time step response a lot. I want a fast bass but not listening to a bass single tone that builds up energy in the room. In such an approach, stereo sub-woofer with digital delay should keep the image good beyond 80Hz (I don't know where this number comes from) and also have a smooth bass below Schroeder frequency due to the placement.

2012年6月17日 星期日

Reading: Speaker and Room

I am thinking about to DIY my audio system and digging into the speaker design as the first step. I am intrigued by open baffle design cause people said it gives a very airy and open sound. Linkwitz Lab has a very detailed analysis and discussion about dipole speaker and open baffle is one of many implementations.

He designed the speaker with equalization in mind thus he operate the speaker BELOW the first resonance frequency. This is a very different approach. I heard people around different discussion boards saying that larger baffle gives a deeper bass. It suggests they are operating ABOVE the first resonance frequency.

Once you operate above the first resonance, the oscillation in the frequency response comes naturally. As the length equals to a half wavelength, the waves from the front and back add up. When the length equals a full wavelength, the waves cancel. This issue is not that severe using a real driver comparing to the piston model analyzed since the speaker cone gives an asymmetrical response in front and in the back. The bracket and the magnet of the speaker also reduces the airflow on the back size, although the bracket and the cone may generate another resonance and a notch filer is required.

For my understanding in antenna, the distance from the observer to the source has to satisfy two conditions for the far field approximation to be valid. First, 2D^2/lambda, where D is the largest dimension of the radiating source and lambda is the operating wavelength. Second, they have to be at least one wavelength apart. Assuming the speakers are 2.4m apart, as suggested in the room acoustics section on Linkwitz lab, and a triangle listening position, the one wavelength criteria is about 140Hz. I believe the acoustic property is dominated by room mode and near field property of the speakers below this frequency. It leads to the conclusion that a sub-woofer should be used with a 140Hz crossover frequency. Please bear in mind that I am assuming a pretty small room and a pretty close listening position. Once you move to a large room, not only the room mode frequency decreases but also the far field is still valid. Things are back to acoustic pattern again.

Art Ludwig's website gives excellent discussion about room mode based on his own image theory code. Mr. Ludwig and Mr. Riley are on the two ends of a spectrum regarding listening room. Mr. Ludwig has a nearly empty listening room with a lot of treatment while Mr. Riley uses a normal living room. The analysis performed by Mr. Ludwig shows that a "bad room" is not much worse than a "good room" but both of them are far from an optimal flat response. I didn't find the suggesting regarding this fact. On the other hand, Mr. Riley believes that human brain can process a "uniformly" excited room with normal furniture and decoration inside. Since I don't have a room dedicated for listening, I can only believe what Mr. Riley said and will choose to use stereo sub-woofers along the two side walls at a distance to the listening position the same as from the main speaker to the listening spot. This placement is learned from the Pluto+ sub-woofer. The position is chosen to lower the excitation of the room mode (instead of placed at the corner of the room to excite the mode to the most level) and keep everything symmetrical. Symmetry is a beauty and it even works for near field. I would love to keep it whenever I can.

I take the advice from Mr. Riley and try to keep the main speakers at least 1m away from ANY wall. I will also keep the room as comfortable as I like.