声学概念解释——图解什么是脉冲响应

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什么是脉冲响应（Impulse Response）？

  从基本概念上来说，一个脉冲响应（Impulse Response, IR）可以定义为一个被测系统在一个脉冲激励信号输入时，所得到的时域（时间-幅度）的响应特性。这里所指的被测“系统”，可以小至一支麦克风、一个扬声器单元、或者一台均衡器上的滤波器，也可以大到一个音乐厅、一个体育馆或者是整套音响系统，以及场馆和音响系统的总和。

  在声学分析中，我们也可以认为脉冲响应是一个系统的声学“签名”。脉冲响应包含了关于声学系统非常丰富的信息，包括到达时间、直达声的频率成分、离散反射声、混响衰减特性、信噪比和分析语言可懂度的必要信息，以及整体的频率响应。一个系统的脉冲响应和频域的传输函数实际上是二者正向和反向傅里叶变换的结果。

图1: 声学脉冲响应示意图

一个声学脉冲响应包含声音从激发声源位置到测试点位置多路径传播的结果，如图1所示。图中红色表示从声源到测试话筒的直达声，蓝色表示一阶反射声，绿色表示二阶反射声，更高阶次的反射声用灰色表示。晚到达的反射声会和临近到达的反射声相堆叠，并形成衰减的趋势。

  声学脉冲响应是由激发声源传播与房间的边界共同的结果。由声音从最短路径（声源和测试位置的直线距离）传播的最先到达且声压也应是最大。反射声则通过其他多个路径传播，其过程中会由于空气吸收和界面吸收而损失能量，所以较晚到达的反射声会越来越弱。理论上，反射声逐渐衰弱的过程是永久的。而实际中，我们所关心的反射情况只在几秒钟之内 —— 在一个小房间或经过声学处理以减少混响时间的空间内，我们所关心的声音反射的过程可能会不足1秒。

  在脉冲响应的时域图中，直达声和部分最早到达的反射声非常易于辨认。反射声持续地依次到达，声音越来越小，到达时间也越来越相近，逐步形成指数型衰减，在对数刻度的幅值表中往往会形成典型的直线衰减的趋势。

声学脉冲响应的解剖（Anatomy of an Acoustical Impulse Response）

  尽管两个不同的房间不可能具有相同的脉冲响应，但在对于几乎所有的声学脉冲响应有着一些共同的构成要素。其中包括直达声的到达、早期反射声、混响建立与衰减、底噪。图2标识了一个脉冲响应所包含各个成分。

图2: 声学脉冲响应构成示意图 图2是一个半对数时域图，X轴是以毫秒为单位的时间，Y轴是以dB为单位的幅度。

传输延时（Propagation Delay）

  直达声从声源传播至测试位置所需的时间被称为传输延时。 除了声音在空气中传播造成的延时，传输延时还可能包含信号流程中经过数字处理器而带来的延时。

直达声到达(Arrival of Direct Sound)

  由于两点之间的最短路径是其直线距离，我们在观察一个脉冲响应时首先看到的总是直达声的到达，不论我们用怎样的声源来激励被测系统。根据所要考察的内容，我们可能使用的激发声源可能是场地原有的音响系统，或者一个专门用于测试的全指向性音箱，或者气球爆破声，空膛手枪的射击声，或者有必要时可以用拍掌声或者拍击空盒子的声音。

  在大多数情况下，我们认为首先到达的声音总是声压最大的，对应到脉冲响应中就是我们所看到的最高峰值，绝大多数情况下这个假设都是成立的。在偶然情况下可能会出现不同的结果，但是在大多数情况下这一结论都是适用的。

离散反射声（Discrete Reflections）

  在直达声之外，我们关注的最重要的特性是通过较短的非直线路径传播而至的声音。从声源位置经过一次界面反射到达测试位置的声音被称为一阶反射声（first order reflection），经过两次界面反射的即为二阶反射声，以此类推。反射声有利有弊，这取决于它与直达声的相对幅度和时间，以及其在多大程度上能和漫射混响声（diffuse reverberant sound）区别开来。

早期衰减、混响建立和混响衰减（Early Decay, Reverberant Build-up, and Reverberant Decay）

  在直达声和最低阶的反射声到达之后，声音将会在混响空间内继续来回反射，产生越来越高阶数的反射声。在任何听音位置，部分反射能量会在相对较短的时间内产生叠加，从而实现混响声的建立，此后空气损耗和反射面的装饰材料吸收作用开始占据主动。在这一时间点，混响衰减的过程开始了。

  在实践中，你不一定能够在脉冲响应中将混响建立与直达声及早期反射区别开。有时候它清晰可辨，有时则不一定。传统上，采用脉冲反向积分法（reverse-time integrated IR，我们在下节将会探讨）所测得的直达声之后最先衰减的10dB被视为早期衰减。混响衰减通常考察的幅值范围是在完整的脉冲响应中小于直达声5dB直至衰减-30dB之间，有时也会取-20dB。

本底噪音（Noise Floor）

  理论上，脉冲响应的混响衰减的过程是个永久持续的过程，按照理想的指数型曲线无限趋近于零。在实际中，它会很快地衰减至不可辨认的幅度，并被淹没在测量的本底噪音中。脉冲测量中的噪音有很多来源，包括环境的声学噪音，被测系统及测试系统本身的电子噪音，在信号分析时将信号数字化的量化噪音，以及在分析中的数字处理过程所造成的处理噪音。