DRC(Digital Room Correction),目的是處理環境造成的不理想性,要如何描述房間特性?[YAMAHA] 這篇的圖畫的很好理解:

紅色是直接音(direct sound),淺灰色early reflection(早期反射音),指的是經地板、牆壁、天花版等,反射少數次就進入耳朵的聲音。而尾巴拖長的綠色區域會稱之為reverb(殘響),指的是一堆不同路徑各多次反射後,才到達耳朵的聲音。
這些沒有立刻結束的聲音,其頻率成分會因為反射面(牆壁、窗戶、地板⋯)材質,有不一樣的反應。將頻率響應會隨著時間推移變化,有許多分析工具方法來檢視它。瀑布圖、RT60⋯等等。
要能對DRC這個主題有手感,先一步步累積一些能力,最後也許來挑戰DIY手工打造個自己的DRC

—— 頻率響應 Frequency Response ——
故事要由基本的頻率響應說起,傳統的頻率響應量法,是打一個固定頻率(例如1秒),量測收到的能量。把一個個頻率分別打完(例如100個頻率就要100秒),就產生頻率響應圖。如在[傳輸線實驗]篇中,就是用此方法,如下圖:

這是先簡化沒有喇叭、房間,只單純從DAC直接進錄音機,理論上應該接近無失真。量測結果頻率響應上,也真的只有一點點非常小的起伏。

另一個方法是使用chirp(或稱sine-sweep):

舉例如上圖是一個由20Hz開始,以指數增長速度,於10秒增加到20kHz的正弦波。放大前兩秒波形如左,可看到越來越密。10秒內頻譜隨時間變化如右,因Y軸是log scale,所以看起來是一條斜線向上。
用DAC播放此隨時間頻率連續變化增加的正弦波,經RCA線直入錄音機錄下接收到的波形。將整個10秒進行FFT轉換到頻域,得到下圖:藍色是原始wav檔,橘色是經DAC打出到錄音機錄音的結果:

在頻域進行向量(複數)相除,就會得到含相位資訊的頻率響應,可以與上面用傳統方式結果比較一下,其趨勢是接近的!

但相信你也一定看到了問題:「Ringing artifact!


這裡刻意保留這些現象的目的,是想說明一個概念。在使用FFT做時域/頻域轉換,常常會發生此種artifact。在分析或解讀時,要小心分辨是實際問題、還是演算法造成的假象。
——— 脈衝響應 Impulse Response ———
於之前[頻域時間資訊?]篇中談到過,頻域與時域有著互轉不丟失資訊的特性。將頻域計算出來複數形式的頻率響應,轉回時域,


(

來看看由上一步頻率響應轉出來的脈衝響應,會長什麼樣子?



FFT看時域,是當作頭尾相連接的,所以才會覺得很怪。由這個脈衝響應的頻譜,告訴了以下這幾件事:

0. 在原始sine-sweep中以指數速度增加的各個頻率被對齊到時間軸0點附近。若無殘響,頻譜在零點之後不會看到多餘能量。
1. & 2. 由靜音到開始有弦波、以及最終的弦波結束轉成靜音,在時間軸上波形的不連續點,頻譜上會展成一直線,轉成脈衝響應的頻譜會轉成斜線。
3. 非線性諧波失真成分,會被轉成直條狀加進脈衝響應頻譜中。
以上1,2,3三點都不是真正的殘響,只是因為種種不理想性,在FFT頻域計算中“假象”成爲殘響的模樣。這些問題,在各家分析軟硬體中,理論上都應當會被妥善處理好。
——— 算法修正驗收 ———
FFT及sine-sweep波形設計在實作上,可利用windowing等smoothing方法,降低ringing artifacts 的影響。此外也可進行後處理去掉異常部分。經改善後頻率響應如下圖,看起來就好多了


脈衝響應也同樣來整理好,將1,2,3 等異常解決後,恢復正常只剩一根,放大後如下圖:

其對應頻譜也乾淨多了,沒有那些奇奇怪怪的斜線。也刻意把0點向右位移一些比容易觀察。

最後只剩紅色一條全頻能量,對應的是脈衝響應中唯一的一根脈衝。
仍看到有斜線分隔深藍色區及稍淺藍色區。這是因為實際錄音取樣時,只多取了2秒左右。深藍色區是數學FFT運算中額外加入的padding zero,不具意義。
目前經驗上高頻衰減很快,超過2秒就幾乎沒有能量。若未來對此區域響應有需求,可在錄音時sine-sweep結束後繼續多錄個10秒,視實際環境做調整。
底部10~30Hz看起來有點拖長,則可能是錄音機或DAC在低頻區,仍有些特性不夠完美。在演算法上我已找不到要再改善的點。
——— 小結 ———
在這一篇,從頭走過一輪chirp(sine sweep)波形設計,用FFT實作頻率響應與脈衝響應轉換算法。了解了這兩個響應講的其實是同一件事,只是一個在頻域,一個在時域。頻率響應(加上相位)中其實隱含了時間資訊!
有了這個基礎工具,下一篇來試試處理early reflection(早期反射音)

————— To be continued —————
附錄:
[ StackExchange ] 這篇Jason R的文章,詳細提供frequency response與impulse response互轉的數學理論推導,讚
