权威音频测试仪制造商Audio Precision为你揭秘声学设计

sutras

4 }% N. J. _  Q) F& a' e6 K3 f3 X' w权威音频测试仪制造商Audio Precision为你揭秘声学设计
7 P. m) C" ]8 G2 R

在扬声器测试时遇到的挑战是什么？这些挑战又对声学设计有着怎样的影响?Audio Precision公司技术支持与应用总监Joe Begin来为我们逐一解答。《ProAVLAsia-亚洲专业视听》带来特别报道。
2 C; X* u6 {* d3 F/ K; V+ ?


7 S$ f! T5 b2 [$ B: ]9 a; g
- L) q. G* L5 }" ]8 W) b
+ c, _4 ^4 f/ D* l+ |9 U; `Joe Begin 先生



7 s; g4 I0 V, T, _1 Z
进行高质量扬声器测试时遇到的挑战之一是减轻测试环境与扬声器的相互影响。理想情况，我们希望能够在不受任何墙面、地面或天花板反射声影响的前提下测量到被测设备的直达声。因此我们要在一个被称为消声室的特殊环境下进行测量，但是建造一个消声室是非常昂贵，而且最好的消声室在消除极低频反射时也不能做到完全消声。这篇文章讨论了专业音频公司测试扬声器时的若干技术问题，以及在非理想测试环境下帮助克服挑战的多种方法。


& |- B# v2 D/ `- R- ~0 r) H
0 s2 h6 k+ s% Z8 _" O! z
( D& r, I, K, X% u
正在一个半消声室环境中进行测试的扬声器单元


, k4 l5 d- L7 Y% g& S
当使用适当的设备进行扬声器测量时，准消声测量和地平面测量技术是取得理想、可重复验证结果的有效途径。通过这些技术手段，你能够得到脉冲响应及杠杆远近场测量的数据从而提高测量结果的准确性。从测量的阻抗曲线中，还能够导出Thiele-Small参数。

3 q9 t7 G( m& R6 c5 }: f% f
2 V& i; X, e1 w0 c0 G; m; L5 o6 q0 g
* [8 m2 A, R9 }# V/ V3 A2 w0 _
通过多种方式得出Thiele-Small参数
7 e  T9 k; P6 m( l3 r* t- z



准消声测量技术
  a- J% z0 K& t% T- J  T
& m# C4 L) f- r, |4 ]( K


; _( A/ ^& R' Q( T准消声测量技术可以运用在一个普通的，半混响房间内来测量扬声器的频率响应。这种技术在时间上是有选择性的。它通过一个宽带的信号来激励扬声器并且分析被测量的频率响应部分，其中包含了扬声器的直达声，并排除了那些由于房间表面产生的反射声部分。

; M, a5 U0 \* R* h8 E3 W, L5 |
+ L. j) ~  l& [2 K$ \! Z
) H) R1 M3 b, u6 a准消声测量技术利用了线性系统频率响应和其脉冲响应具有等价性的特点。从频域来讲，一个系统的频率响应H(f)代表了它的输出幅度和相位（数学上的实部与虚部）与输入信号之间的关系，它是一个关于频率的函数。从时域来讲，一个系统的脉冲响应h(t)代表了在使用单位脉冲或狄拉克德尔塔函数作为输入激励时它的输出与时间的函数变化关系。对于一个动态系统来说，这两个函数关系是等价的，使用傅里叶变换的分析方式就可以从一个函数推导出另一个函数。
4 H0 n, ^5 |& D9 T
4 F) U8 I9 x) {9 k& {5 i2 {1 R5 A  F
) t& o$ w. `1 E0 `
时间选择性或准消声测量需要为脉冲响应选择一个（时间）窗口来消除反射声数据对结果带来的干扰，之后使用傅里叶变换来计算出频率响应的幅度和相位。在测量开始和结束时使用矩形窗口以及衰减的余弦信号是获得相对平滑过渡的典型做法。
. c+ ^# I/ D+ R: f  a; ]
3 p9 r  @. s" j( x" n
. H9 w0 z9 x" c" h  u* d: S, D6 _
4 z- B  y$ X) c9 [! a# W若采用时间选择性的测量技术，你必须首先获得测试房间内扬声器的脉冲响应。对于此，有很多种方法，每种方法都有它的优势和劣势。
& g* I, S" [5 Y, K' X, y. m' `



1 e+ `5 r) |5 z脉冲测试
6 t6 ^# I" x* `2 s$ `
  l& M& E8 `; b- F* Z1 ?8 V0 Y


脉冲测试采用一个时间极短的电压脉冲激励扬声器，并且使用传声器将脉冲响应拾取下来。用于测试的房间必须足够大，大到让扬声器的直达声响应在房间的首次反射声到达传声器之前就持续衰减到足够小。脉冲的能量分布在一个很广的频域范围内，带来的结果就是信噪比很低，特别是低频部分，因此我们需要很多次平均加权处理才能够改善信噪比。作为一个比较古老的技术，脉冲测试如今很少被采用了，我们在这里提到它主要是为了技术介绍的完整性。

( a0 }! n8 f; V  D
0 {) T7 I, A/ V" e7 [) }% c) E) Y
/ C% Y. H2 y/ h# v' V" [最大长度序列（MLS）技术是一种代替传统的脉冲测试的方法，这项技术利用一个最大长度序列作为被测设备的激励信号，然后来测量它的输出。最大长度序列（MLS）是一个伪随机序列，在频谱上是平直的并且有一些有趣的属性。这些特点让它成为了频响测量中的有力武器。脉冲响应通过测量以MLS 作为输入信号的被测设备的输出信号的循环互相关性而得出。一旦导出被测设备的脉冲响应，就可以通过设定合适的窗口来剔除掉含有反射声的部分，之后再使用傅里叶变换对被测设备的传递函数进行估计。
# w) e% m8 z- a. c$ `0 N1 H

8 v5 ?) V6 t5 S! q* P
当加入平均计权后，MLS测试对于与MLS输入序列无关的稳定噪声或脉冲噪声具有较高的抗干扰度。但我们是不可能将系统的线性响应部分与非线性响应部分（比如谐波失真）剥离的，这些非线性响应会以尖峰或人造痕迹的形式散布在整个脉冲响应之中。
( [' u  x) q7 s4 ?/ f

! u' @4 H/ N/ y3 D2 e, y" z

对数扫描正弦信号测量



6 S* E0 ]6 @8 V5 `% \
; V; R* f7 e& H2 a/ r( c5 p啁啾信号是频率连续变化的正弦信号。使用对数扫描的正弦啁啾信号激励系统，通过反卷积，就可以同时导出系统的线性脉冲响应并将脉冲响应与每个谐波失真分量剥离。通过仔细的设定时间窗口并将多个脉冲响应进行傅里叶变换，就能够恢复出独立的响应函数，得到独立响应函数后，我们就能够通过它推导出很多不同的音频测量参数。


/ u8 D1 Q/ `9 ]8 F% q5 v  T6 b- v
指数扫描的正弦啁啾信号测量已成为Audio Precision APx500音频分析仪上的标志，包括连续扫描测量、频率响应测量和声学响应啁啾测量等诸多功能。连续扫描测量功能可谓用户提供包括电平、增益、相位、谐波失真、群延时、串音、脉冲响应等一些列音频测量结果。频率响应测量包含了快速测量设备电平、增益与频率关系的结果子集以及它们与平坦度的偏差。声学响应测量是专门用于声学设备测试的，包含了能量时间曲线、对于准消声测量的声学反射窗口设置控制以及用户在测试扬声器中会感兴趣的一些测试结果等。




准消声测量的局限性
0 N9 L4 j5 B4 J$ b6 [$ N% u: t



有时，对于准消声测量窗口的设置会在脉冲响应衰减到足够可忽略的水平之前截断脉冲响应。这就会导致对频响曲线估计的误差，特别是在低频段。
- a6 J$ }/ e6 z# O: W2 y

5 j1 o" {& I9 P& ^
1 e$ X9 M8 s' q4 g$ `扬声器的脉冲响应时间长度主要取决于它的低频滚降特性。在声学测量中确定这点则需要在一个完美的消声环境和极低背景噪声条件下对其脉冲响应进行测量，这是很难做到的。但是，一个扬声器系统的低频表现可以较容易的通过其共振频率和其他利用简单的电子测量阻抗方式推导出来的参数进行模拟。

& t, \' ?( \/ [# N$ H

! \+ w1 L  m. j. Z' r
将近场测量与远场测量结合起来


, z/ X; a2 T- u4 g% k$ t
! d- C* H4 t2 F  \: f, r5 \
' S: U7 L' O/ `7 a) E5 @一种能够克服准消声测量在低频段误差弊端的方法是将其与近场测量结合起来。扬声器在低频段的远场响应可以由近场测量结果估算，比如我们可以在扬声器单元的防尘帽前很近距离内设置一直测试话筒来完成近场测量。扬声器的驱动单元在低频段的表现近似为刚性的活塞。这样一只扬声器的全频响应可以由低频近场测量和远场的准消声中高频响应通过一定比例合成而得出。
8 q9 A. _2 J( N7 g3 x
* c: t4 X$ h3 G4 v/ z+ l2 s

为了保证近场/远场结合测量的准确性，依照扬声器的尺寸，房间必须要足够大，让扬声器的低、中、高频段有重叠的部分。近场测量出的频响曲线在幅度上要大大高于远场测量的频响曲线。因此在结合时应当将近场测量的频响曲线在坐标轴上整体下移，而下移量就要从频段重叠的部分来算出，让两条曲线在重叠频段重合。当扬声器系统的单元数较多时，这种方法会变得更加复杂一些。

. R6 @3 p0 I9 Y. {

8 A4 A3 r" W2 X8 s0 t2 g
% ]6 ^( T: x* s5 e; J# e带幻象供电的Audio Precision 376M03测试话筒
4 F& [) ]3 ?0 d3 x
; x: _, ?% D3 K, K3 W7 {4 k, ]
: D% E2 e* ~& A

; Y1 V% J: l+ V衍射效应


- K  h( |2 u7 @, D" M( q# Z6 }
8 {- `: ~8 D* F. ?( i
使用近场测量估算扬声器的低频响应并与远场测量的结果结合的技术有一个弊端，那就是这种测量并不能考虑到扬声器边缘部位发生的衍射效应。这种效应会使声音在某些低频段产生衰减，同时在高频段产生一些波动。如果安装表面的面积相对于驱动单元足够大时，这种现象可以忽略不计。
% g, u% e4 R7 V& ]. c

& `5 V, y. S6 b3 F  n4 N( Q9 }
如果衍射效应在近场/远场结合测量中没有被考虑到，则估算出的频响曲线有可能会存在一些误差。幸运的是，现在已经有一些软件工具来进行平面障板衍射效应的仿真了，Tolvan Data开发的The Edge就是一个常用的软件。
1 Z- F7 j; o; }3 e
& V( D# z2 Y4 O5 r
2 @1 w# z+ ?. z3 r7 z3 h
, i4 D$ |7 q7 ?& [; q5 j2 p在本系列的第三部分和最后，我们会讨论地平面测量、阻抗曲线和其他的扬声器测量技术。