【声学】简述梳状滤波效应

梳状滤波效应产生的原因—声波空间干涉现象

首先我们先来了解一下声波在房间的传播途径。

当声波频率高于4f（f为临界频率）时，声源以声线的形式发出的声波在房间中传播方式如图1所示。从声源直接到达听众的声音称之为直达声；而从声源经由房间各个界面反射然后到达听众的声音称之为反射声。可以看到，直达声传播路径最短，最先到达。而经过各个界面反射到达某一听众的声音是随后陆续到达的。也就是说，反射声比直达声迟到，相对直达声有一个延时。

举例说明：一个影音空间，尺寸为6米×5米×3.5米，它的容积为105m³，它的混响时间我们将它设定为0.3s，则它的临界频率f（根据下式计算）为101Hz。当声波频率高于404Hz（4f）时，其在室内的传播方式可以理解为以声线传播。当声波频率低于101Hz，声波在室内以简正模式存在。因此，梳状滤波效应主要是针对中高频段的声音。

图1

我们以一个最简单情况来说明声波空间干涉现象。到达某一听众处的直达声A和紧随其后的较强的反射声B,两者之间具有一定延时。则当两者相位相同时，该听众处的声压就是两者声压之和；而反相是则为两者之差。实际上，该听众处的声压就是直达声A和反射声B声压的矢量和。为了简单起见，我们假定A和B声压的幅度相同，则给出如式(1)所示的公式。

某听声点位处的总声压：

P=Asin(2πft)+ Asin[2πf(t-τ)]=2Acos(πft) sin2πf(t-0.5)   (1)

总声压p的幅度为2Acos(πfτ),频率为f且具有延时0.5的正弦波。当=0.5ms时， f=0kHz,则幅度为2A;当f=1kHz,则幅度为0。

如果按声压级考虑，则f从0Hz~20kHz改变时，当A=1时，它是总声压p的幅度的12Acos(πfτ)取以10为底的对数乘以20则得到幅度(峰谷值)变化如图2所示。其频率响应形状如同梳子一样，我们把这种声波的空间干涉现象称为梳状滤波效应。

梳状滤波效应的危害

直达声和来自房间侧墙、地板、天花板的稀疏反射波的存在，同样从房间后面稀疏的镜面反射干扰直达声。入射波和反射波的声波干扰引起上述的梳状滤波器效应。

于是声信号在传输过程中，使得声源中某些频率得到过分加强或减弱时，使原始声音被赋予额外的音色特点，这样就将破坏房间内原有声音的均衡性，造成声染色。因此，单独、强烈的早期镜面反射导致声染色，导致声像的宽度和深度的移位和扩展。这一切就对房间声音品质产生负面影响。

消除梳状滤波效应的方案

利用吸声材料和扩散体结构，控制来自墙壁、地板和天花板的早期反射声，可以解决梳妆滤波的问题。这将在来自后墙的反射波到来之前创建一个初始时间延迟间隙，形成无反射区，如图3所示，这将延伸到大约18ms。如果使用吸声来去除早期反射波，心理实验表明，如果声音是从空间中的一个点，在现场录声的声像将是非常小的。如果使用扩散体，更宽的声像显得更加逼真。在后墙上应用扩散体之后其影响显示在该图的下部，稀疏的房间反射更类似于一个更大房间的混响声场，它增加了空间上和时间上的反射波密度。使用这种技术，就能够在小的房间中建立一个具有线性斜率的混响声场。

后墙扩散体结构降低了到达听声者的早期反射电平，即降低了声染色影响。

此外，在多扬声器系统进行扬声器布局时，尽可能减少扬声器覆盖重叠，以避免可能产生的梳状滤波效应。

总结

小型视听空间侧墙需做吸声处理，后墙需做扩散处理。

END