权威音频测试仪制造商Audio Precision为你解读扬声器声学设计中的测量

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权威音频测试仪制造商Audio Precision为你解读扬声器声学设计中的测量

Joe Begin 先生
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减轻扬声器与其测试环境之间的相互作用是在声学测量中的一项挑战。地平面测量法是一种能够近似得到扬声器自由场频率响应的方法。这种方法利用了当扬声器正对着一个坚硬反射面时反射声是可以预测的特性，来近似得到我们想要的结果。

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位于美国俄勒冈州比弗顿的AP工厂总部


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地平面测量法

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6 z0 J( ~9 Y1 k" R4 O) [7 k在下方的示意图中，扬声器和传声器放置于反射面上方1米处，传声器正对轴向放置，距离扬声器的水平距离为2米。在这种几何结构中，反射声和直达声的传播路径长度大约相差894毫米。当我们取声速为343米/秒时（室温下的声速），反射声和直达声之间的时间差为2.61毫秒。因此，若由扬声器产生一个正弦波信号，相同频率下的两个正弦波信号应该以相同的幅度达到传声器，但是反射声应该比直达声延迟2.61秒。这样的时间差表现出了相位移动。在某些频率上，直达声信号和反射声信号会产生180度的相位差，因此在到达传声器时应该互相完全抵消。在两倍频率下，直达声信号和反射声信号应该是完全同相的，因此会发生幅度叠加，传声器应拾取到二倍与直达声信号幅度的信号，在电平上则比直达声信号高6dB。这就是我们常说的“梳妆滤波器效应”。对应于示意图中的摆位，信号完全抵消的频率应该是192Hz的奇数倍，而信号完全叠加增强的频率应是384Hz的整数倍。
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扬声器和传声器放置于反射面上方1米处的测试结果

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随着扬声器和测试传声器不断接近反射面，声音传播路径的差别逐渐减小，使梳妆滤波器的凹口出现在较高的频段。极限的情况则为扬声器和传声器均紧贴反射面时，将扬声器倾斜让参考轴指向传声器。对于标准的1/2英寸测试传声器来说，当正对反射面时膜片的中心距离反射面约为6.4毫米。对于搞对为40厘米的扬声器来说，梳状滤波的第一个凸点应出现在68dB处，其电平值应比直达声高6dB，以此类推直至20kHz。随着声源高度增加，梳妆滤波的第一个凸点频率将降低，将地平面测量的最高频率限制在20kHz以下。减小这种现象的一种有效方法是将扬声器的高频单元尽量靠近地平面。（我们可以将扬声器反转过来，让高频单元更加靠近反射面）
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当扬声器和传声器都紧贴地平面时，从传声器的角度来看，仿佛是有第二只扬声器位于以地平面为轴的镜像位置。在柱状滤波的第一个凸点以下的频率，信号都应该是同相的，因此接收到的信号都应该比直达声高6dB。可以将传声器放置在预期测量的两倍距离来加以利用（这种测量法的优点）。举例来说，一般我们测量的都是在额定功率为1W条件下，轴向方向距离扬声器1 米处的频率响应。假设扬声器足够小，在其轴向1 米处已经处于自由声场，那么使用地平面测量法在2米处测量的频率响应的电平值应该等同于在轴向距离扬声器1 米处测量的电平值。



在绝对消声的环境无法得到的情况下，地平面测量法也是一种廉价的近似模拟，但是也会带来一些问题。其中之一就是衍射；由于使用了镜像的幻象扬声器进行模拟，档板的高度几乎是原来的两倍，因此在扬声器贴近地面的边缘处就会产生不同的衍射现象。而且在使用这种测量方法时，我们还需要一个宽阔的测量环境，确保在距离扬声器10米以内没有垂直反射面。当然，室外的噪声，比如交通噪声、机器噪声、飞机噪声和风噪也是我们时常关心的，特别是当我们测试设备的低频响应时，信号频段更为接近噪声的频段。


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直达响应图形
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; _9 J& y3 \: q+ j& \6 R: K直达响应测量法是在自由场条件下，离扬声器的特定距离的参考点上进行测量时采用的。通常，扬声器要安装在一个可旋转的测试台上。频率响应则通过对轴向和离轴的多角度测量得出。进行轴向测量后，旋转测试台便开始旋转，严格按照轴向测量的步骤重复测量多个立轴角度的频率响应。为了消除高频段由于波长很短而造成的波瓣的误差，我们可能要将离轴角度的变化步长调整到非常小的数值。

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在APx500音频分析仪中我们加入了全自动进行扬声器指向特性测量的程序，其中包括对测试位置的定义、从取得的数据中控制分析仪和旋转测试台以及对测量结果的分析等等。125Hz下全指向响应的任何不规则性经常可能是由于进行这种测量的消声室的自由场条件不精确造成的。
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8 @2 l6 S4 Z. O/ \2 _APx500音频软件显示测试结果
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* W0 i$ _4 l( ^/ I阻抗曲线和Thiele-Small参数
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* V, J$ x. }, v: t4 ?我们是通过提供扬声器一个恒定电压的信号，结合不同的频率并且测量扬声器输入端的电压和电流值来进行阻抗测量的。对数扫频的啁啾信号是测量扬声器阻抗的理想激励源。通常，电流是通过感测与扬声器串联的小感测电阻器上的电压降来测量的。
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Thiele-Small（T-S）参数包括有：共振频率（FS）、总体的品质因数（QTS）和等效合规风量（Vas），这一系列参数则定义了扬声器单元在低频方面的表现。
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4 C! |" b8 n6 Y/ g. r# fT-S参数通常是“小信号”的参考参数，因为这个结果对于扬声器单元在线性区工作时是十分有用的，而不是被大信号激励工作在非线性区时。扬声器单元的T-S参数通常是一个表格，帮助工程师进行单元选型和箱体设计。

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9 l& T+ U. L0 U4 k2 ZT-S参数是从扬声器单元的阻抗曲线中派生出来的，还加入了一些扬声器单元的机械特性信息。它们是通过将驱动器的数学模型与测量的复阻抗曲线拟合而得到的。



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APx555 B系列音频分析仪

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2 D9 I& A' Z) q  F+ V, N要在自由空气中通过一条阻抗曲线导出全套的T-S参数需要无空气负荷值的扬声器单元移动质量（MMD）这个参数。MMD值可由将扬声器分解与测量活动元件的总质量来估算。如果在实际测量中拆解扬声器不可行，将一个已知质量的物体（通常是经过称重的黏土）附着在扬声器单元锥桶上再进行第二次阻抗测量，驱动单元阻抗曲线中的共振峰在频率和幅度上都会发生较低的偏移，据此也可以估算MMD值。
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. N: l8 @/ k1 Q1 V还有另一种选择，我们可以将扬声器单元放入一个已知体积的密封箱体中进行第二次阻抗测量。密封的箱体和锥形单元内的空气就会像弹簧一样，使阻抗曲线中的共振峰在频率和幅度上得以提升。
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采用上述两种测量方法（附加重物和密封箱体），就可以通过算法来从测量的阻抗曲线变化中推导出所需要的额外参数。


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相比于电声测试，对扬声器进行声学测量无疑更为复杂，但是正确的选择音频分析平台和以及测试环境的搭建可以将复杂的测量自动化，并且对应着不同的设计提供测试的灵活性，同时确保工程师设计出的扬声器性能符合行业的标准。