会啸叫的扩音器

大学的课堂不比高中,教室大了,老师也懒了,所以扩音器成了标配。我们都高中那会儿,这个物品压根就没上过台,在我印象中,就初中时按班主任左旺华的意思找过186还是哪个班的贺红梅老师借用过一次,这个设备完全是老师自己的“奢侈品”。

好像也正是那一次,我作为该年级的团支书中的团支书多期以来,第一次不可避免地上台搞年级活动,联系好老师们、参赛者们在教室里评选校演讲比赛的本年级组初赛晋级者,还把从小学起就被老师和同学视为人才的徐姝杰给弄哭了……

其实每个教室都安装了广播,可惜声源只能来自广播站。

后来高二有了多媒体,但仅仅是多了台电脑和投影仪,到大学可就什么都有了,老师们不但不用再吃粉笔灰,嗓子也轻松了不少,但是经验告诉我们,电子产品带来方便的同时,总会不经意令老师们感到尴尬。“闻道有先后,术业有专攻”,即便是老师,面对这些新生事物不听话的情况,也会感到措手不及的。如果是高中,那还好,投影仪用不了不算什么,老师们的法宝——人肉刷屏立刻就可以派上用场。在大学里就没有必要那么争分夺秒了,老师首先会用大家的时间进行设备的更换或者联系维护人员,最后实在来不及,就“形象而生动”地“照本宣科”了。

这一次我决定好好深究一下扩音器的杂音问题,揭开结在心里多年的一个物理谜团:为什么经常遇到扩音器发出持续尖叫的现象?

遭遇搜索陷阱

那么最简便的方法就是上网找资料了,可我不得不面对这样一个事实,那就是搜索结果里尽是非我想要的各类民生新闻,后来变换关键字也依次无奈地得到了各种厂家的网络广告、各个学校的使用规定和简单注意事项。在浏览的过程当中,大多数内容都是简简单单的几句话,不着要点。

直到某个瞬间,我开窍了:联系仅有的几个似是而非的评论或回答文字,我意识到,避开SEO的方法无外乎利用专业术语!自己的一堆说明文字,其实远远抵不上一两个字的专业术语;虽然找到的术语未必就是自己所需要查询的,但是通过它们,一定可以很快地利用相关性找到目标。

事实证明正是如此,“啸叫”、“自激振荡”、“声反馈”的背后,正是我所需要的物理知识。

找到扩音症结

简单来说,引起这一噪音的原因竟然是回声被反复扩音至极限。我们知道,扩音器的作用正是扩音,然而倘若括大后的声音播出后经过房间墙壁等的反射再次进入麦克风,就会被再次放大,如此往复,最后只有一个结局,扩音器放大到最大,只留下了尖叫。这是一种有害的正反馈。虽然播出的声音会被屋内物体(如墙壁)吸收一部分,但在扩音达到一定倍数的情况下,它反射到麦克风时,音量可能会比人说话时还要大,这样一来,无限扩音的循环就开始了。

在忽略反馈需要时间的情况下,正反馈信号与原输入信号相位相同结果使输入信号变大,当然输出信号一样变大,结果使同相的反馈信号又比上一轮变得更大;如此信号每反馈一次,输出信号便增加一次……周而复始,如此循环直到输出信号强度稳定地达到系统设备的满度,这便是自激振荡,扩声上叫声音啸叫了,显然啸叫破坏了系统的正常工作,我们需要的声音被啸叫音淹没了,出不来了;负反馈信号与原输入信号相位相反结果抵消了输入信号的强度,使输出信号在一定程度内不会变大。

可以计算,当反馈的声音信号到达麦克风时,前面的原始声音音头已经过去了,这时已经无所谓反馈信号是正反馈还是负反馈了(单一的反馈声音,没有比较,就完全谈不上相位的问题)。但是为什么还是会啸叫呢?不难想象只要反馈到麦克风的声音声压>初始的原始声音声压,只要系统设备和房间环境设备不变动的话,就会一如既往的二次反馈声音声压>一次反馈声音声压,三次反馈声音声压>二次反馈声音声压……周而复始,如此循环直到输出信号强度稳定地达到系统设备的满度,这便构成啸叫。故啸叫建立的时间长短取决于反馈声通过反馈路径传播所需要的时间长短,一般来说,房间越小啸叫建立的时间越短。啸叫是非常有害的一种现象,不仅让设备不能正常,而且往往容易烧毁扩声器材功放音箱等,而且有伤人耳。

看到这里,或许你已经想到一种解决方法了,但我觉得了解这点皮毛对自己来说显然不够。

由闭环增益K闭=K开/(1+ K开*F反)可以看出,减小K开或F反都可以降低系统的闭环增益。反馈系数F反在采取硬手段(即尽可能让音箱和话筒的距离变大,并且各自的指向相背,且选用近距离拾音话筒以求到达话筒等)后是几乎再不能减小了,变得几不可调的;事实上,调整系统开环增益K开是避免啸叫让系统闭环增益K闭<1的根本办法,即发生啸叫时要迅速降低扩声设备的系统音量,保证让系统设备在闭环增益K闭<1的情况下工作。

我们知道啸叫是由于反馈声再次被话筒拾到音后引起的,而话筒这种内似“人耳拾音”的东西其拾音的方式与“人耳”确是大不相同。话筒对声音能量的累积反应(即声音转化为电的过程)要比人耳反应迅速,特别在对突发的相对单一频率成分的声音反应能力上比人耳快的优势明显,往往人耳还未感觉到有什么特别的声音成分在扩声现场,由于话筒的作用系统已经进入了临界状态并要开始啸叫了。

这个特别的频率成分便是前面所讲到的室内扩声现场在话筒参考点位置固有的声压——频率曲线上的峰点对应的频率成分。一目了然,本不平坦的声压——频率曲线上存在的所有峰点便是形成系统啸叫的真正罪魁祸首,而啸叫产生或刺耳、或轰鸣的声音所对应的频率点就是曲线上峰点所对应的频率,故峰点首先啸叫。

根据啸叫必须在闭环增益K闭>1时才会产生的这一理论,不难理解,当系统音量增大过程中,峰点频率附近的声压很高,虽然频带窄,但由话筒有比人耳反应更迅速的能力可知,峰点附近的声音已被话筒强烈地吸收到了,闭环系统在该点足以满足K闭>1的条件,虽对人有用的大多数语言频率成分的音量还低,还处在K闭<1的稳定状态,可系统已经啸叫了。换句话说:当音量开打过程中,系统大多数频率成分的声音还没放起来的时候,峰点频率的声音确已经很大了,虽人耳不明显感觉到其存在,可系统设备已经发现并引起了啸叫。啸叫总是率先发生在峰点位置,啸叫点的先后顺序是第一峰点、第二峰点、第三峰点……这样一个顺序。由此可知,房间固有的声压――频率相应曲线中峰点的存在成了语言扩声的严重障碍。这就是在现场实际扩声中啸叫发生的真正内在原因和机理。

实践证明只要能有效避开峰点位置的扩声,语言范围内的平均声压能得到明显的提升,从而满足绝大多数听众对声音量感上的需求,同时系统稳定。近代所有电子防啸叫技术都是围绕这一基本原则命题展开的;就算是前面提到的通过建筑结构声学、材料声学等昂贵的方式满足扩声量感和质感等方法,其本质也是在围绕消除峰点这个基本命题展开的。

我们还需要知道,房间的声压-频率响应曲线是指房间音箱发声音的空间位置和角度一定的情况下,房间空间中任何一点位置的响应曲线;同一房间,曲线和空间位置有一一对应的关系,空间位置变了,曲线也会发生变化,曲线上对应的峰谷点频率位置也会发生一些变化;我们讨论的近代电子防啸叫技术防的是什么呢?防的就是话筒所在空间位置点上的峰点。

看不懂了?那就好好读一读这里引用的文章《啸叫的常识和抑制》[1]吧,那些“乱码”在某篇网易博客[2]的行文中变得正常了。事实上,据我观察,它们也不过是摘自《声反馈研究》[3]这篇研究生毕业论文。我对这篇论文的评价是,堪媲美《穿越GFW技术及其控制方法》,由浅入深,由表及里,走马观花者知其轮廓,刨根问底者可以顺着关键词句继续深究,总之可以满足各种需求的人。另一位网友从数字信号的处理角度出发,引用了一个简单模型讨论[4],倒是也令人耳目一新。其余还有好几篇文章也推荐一读,详见“参考资料”部分[5][6][7][8]

着手解决问题

对参考资料有了一个比较清晰的理解之后,其实你会发现,我们能做的也不过如此:尽可能地减少回声进入麦克风,或者寄希望于扩音器才本身集成了消峰构件

对于前者,我的想法是:

  • 在使用前,如果扩音器的电源线够长,就尽可能将它放在讲台前面,并尽可能背对麦克风,条件允许的话,可以开窗、开门;
  • 在使用中,那么讲话人先尝试移动一两步,以避开峰点,多次尝试都不行的话(按理说是一定可以找到的,但我们需要考虑实际的时间问题),就只能把音量调试低一点,并抓一抓课堂纪律。

对于后者,那就只有:

  • 仔细阅读说明书,若发现扩音器自带有防啸叫技术(如均衡方式抑制啸叫),立即学会启用;
  • 不过我觉得说明书这个重要的东西应该早就被管理员当草芥扔掉了,或许自己去“玩弄”仪器上的按钮和旋钮才是正道吧。

最后有话要说

当我对整个现象的机理有所了解之后,我非常渴望了解更深层次的理论知识,于是我想到了学术搜索,可设计人员精心制作的微软学术搜索只支持英文,我搜索了,终究看不懂。

不管是谷歌学术搜索还是微软学术搜索,出于版权的法律保护,对于文献的预览都是局部的,用户要想浏览全文则必须付费。对于这一点,我非常有话要说:为阅读付款,是尊重别人劳动成果最简单的方式,我们没有资格抱怨,甚至排斥。(比如上面提到的那篇研究生论文。)

基于这一次探究的兴奋劲,我觉得我可以把见到过的各种多媒体教学设备的使用问题记录下来,说不定对老师或学生中的网友会有一点点用,至少我读高中那会儿,学校压根就没印发过使用说明书,我们老师和同学都是自己摸索的

参考资料

[1]啸叫的常识和抑制
[2]啸叫的常识简介&形成机理 – DarkBlue的日志 – 网易博客
[3]研究生毕业论文:声反馈研究 – 硕士论文 – 道客巴巴
[4]啸叫的信号处理解释 – 深入理解数字信号处理 – 博客频道 – CSDN.NET
[5]抑制话筒自激啸叫的方法 – 叶子谷
[6]如何处理领夹话筒啸叫
[7]声反馈及消除方法
[8]声音研究室 | 音空间



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