反馈抑制

反馈抑制算法及软件设计2014年1月15日

目录

1 背景与意义 (1)

2 技术现状 (2)

3 反馈抑制原理 (3)

4 研究内容及技术方案 (5)

4.1 方案一 (5)

4.2 方案二 (7)

4.3 方案三 (10)

5 具体实施 (11)

5.1 方案一 (11)

5.2 方案二 (15)

5.3 方案三 (16)

1 背景与意义

无论是剧场、会议厅、体育比赛场馆，还是卡拉OK演唱等各种类型的扩声系统都会遇到声音反馈引起的啸叫。在扩声系统中,由于同时使用了扬声器和麦克风，普遍存在声反馈现象。声反馈是指由扬声器系统发出的声音又返回到传声器的现象，声音可能通过不同的途径返回到传声器，与传声器的输入信号叠加，当相位相同即产生更强的输入信号进入系统，同时产生更强的输出信号，反馈到传声器，会引起扩声系统的自激震荡。在室外扩音，声反馈主要由扬声器的直达声引起; 在室内扩音，声反馈除扬声器的直达声外，还有室内声场中来自各壁界面的反射声。在传声器和扬声器同处在距离较近的现场才存在声反馈的问题; 在录音和还音系统中传声器和扬声器不在同室，不具备产生声反馈的条件; 在电影还音系统中扬声器距传声器很远，也不可能发生声反馈。

由于声反馈的存在，会使最终的声场频响特性不好，产生梳状滤波器效应；当这种反馈满足振荡条件时将产生啸叫现象，并且可以在很多个频率点产生啸叫。最简单的抑制方法是减少增益，但是也降低了扩声系统的效率。声反馈现象一旦发生，轻者会造成传声器通路音量无法调大，调大后啸叫非常严重，对现场演出造成恶劣的影响，或传声器声音开大后出现声音振铃现象（即位于声反馈临界点时传声器声音的尾音现象），声音存在混响感，破坏音质，重者导致音箱或功率放大器由于信号过强而烧毁。

声反馈对扩音系统的影响主要有以下四点：

( 1) 声反馈会使声场产生梳状滤波器效应，直接破坏扩音系统的频率响应，严重影响系统音质。

( 2) 在一定条件下，自激现象可引起多个频率点产生啸叫，破坏系统的稳定性。声反馈现象一旦发生，使传声器通路音量无法调大，否则会产生非常严重的啸叫，对现场演出造成恶劣影响。

( 3) 在室内声场中，位于临界点的声反馈会使混响时间变长，出现再生混响干扰现象，或者出现声音振铃现象，破坏音质，对听音区的语言清晰度产生影响。

( 4) 严重的声反馈会导致扬声器或功率放大器烧毁。营业场所的卡拉OK 扩音系统中扬声器高音头的损坏有80%都是因声反馈引起。

声音反馈啸叫使扩声系统的音量不能开得太大，在临近反馈时音质会急剧恶化，尖锐刺耳的声音难以入耳，即使是一套质量最好的扩声系统也难逃此厄运，此时进行反馈抑制就显得很有必要。啸叫声不但使讲话、表演无法顺畅进行，更为致命的是，剧烈的啸叫还可能会烧毁系统中的放大器或扬声器，甚至会损伤人耳。而且，在一些要求高的场合,如重大的演出活动或者重要的会议,根本不允许出现啸叫。因此，如何有效地抑制声反馈,避免产生啸叫，是扩声系统中的一个重要课题，也是衡量一个专业音频工作者技术水平的重要因素。

2 技术现状

声反馈是由于某些声音频率上的正反馈所引起的。因此，如果打破其正反馈环路,破坏其自激振荡的条件，也就消除了声反馈"隔断正反馈环路，最简单的做法是将扬声器和麦克风置于不同的声场，但是，在绝大多数扩声系统中,两者是处于同一声场的。因此,只能布置和使用扩声系统时注意：不将麦克风拾音入射角度与扬声器辐射角度接近，以减少直接拾取重放声；不将麦克风过于靠近扬声器，以减少麦克风间接拾取重放声。其次，利用传声器与音箱的指向特性，调整它们之间的空间位置，处理好传声器与音箱的位置关系，消除声反馈通道。理想状态应是音箱远离传声器，使音箱发出的直达声根本不能进入传声器，系统中声反馈可以处理得很小。音箱的实际工作位置并不能完全远离传声器，特别是采用室内声场的集中式布局的音箱系统。

虽然麦克风和扬声器的合理摆放可以在一定程度上抑制声反馈，不过这种方法只能被动的抑制声反馈，对于传声增益的提高效果非常微小，选择使用能抑制反馈的声处理设备来消除声反馈更有意义。

常用的抑制扩音啸叫的方法有：话音控制开关技术，移频技术，中心削波技术，梳状滤波技术，话筒阵列技术，回音抵消技术。目前所有抑制扩音啸叫的方法都存在一定的缺陷，例如话音控制开关技术对用户进行了限制，均衡器和移频器可以用来抑制声反馈，但前者需要专业的音响师操作，而且其滤波器带宽太宽，对音质的损伤很大；后者虽然操作相对简单，但其对音质的损伤更大，不适用于对音质要求较高的场所，而且，它对扩声增益的提高微乎其微。中心削波技术、梳状滤波技术也会带来话音质量的下降；回音抵消技术采用自动声反馈抑制器，

数字音频技术，可以自动搜索声反馈频点，并设置相应的窄带陷波器将其衰减下来，衰减的频带宽度和衰减量由机器根据实际情况自行决定。其优点是操作简单方便，频率定位精度高，陷波器带宽窄，可以在抑制声反馈的同时几乎不会对音质造成任何影响，还会使传声器拾取的声音变得好听，适合于对音质要求较高的场所。但是该技术具有较大的计算量，算法复杂，从而使实现这些技术变得十分昂贵，所需要的硬件成本过高。

3 反馈抑制原理

麦克风将扬声器输出的信号反复采集，形成如图3-1所示的正反馈环路。当信号被不断放大，某些谐振频率上的信号超过一定的增益上限，啸叫就产生了。

图3-1 声反馈原理图

声反馈产生的根本原因是信号在一个频点上面的自激振荡。而自激振荡的条件有两个：第一，该频点幅频特性增益大于1；第二，该频点相频特性增益为 。

音频的自激振荡就会产生所谓的声反馈。它也有自己形成的因素：第一，扬声器和麦克风处于同一声场，扬声器输出的信号能通过空间声场被麦克风再次采集，即产生正反馈；第二，系统有较大的传声增益；第三，系统的频谱特性不平坦，一些频率极易产生共振，这可能是由于房间的声学设计不合理造成的，也可能是由麦克风、扬声器或功放等的频谱特性所引起。声反馈由于某些声音频率上的正反馈引起，如果打破正反馈环路，破坏其自激振荡的条件，就可以消除声反馈。