权威音频测试仪制造商Audio Precision为你解读扬声器测试标准

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权威音频测试仪制造商Audio Precision为你解读扬声器测试标准


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3 M# r6 x; b9 t" W, C% n& `扬声器测试是众多专业音频公司产品研发制作过程中的一个重要环节，但是扬声器的电声测量可能会带来一些挑战。除了对精密话筒的需求之外，被测设备与测试环境之间的相互作用也会产生独特的测量问题。



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, I: V( l& T) C, d$ p6 D+ J8 ]7 I$ ]IEC 60268-5是一项重要的国际标准，它能够确保扬声器以有意义且可重复的方式进行测试，该标准适用于无源扬声器驱动单元以及无源扬声器系统。目前有源扬声器的标准仍在制定过程中，因此这里不做讨论。IEC 60268-5标准还规定了扬声器单元安装、声学环境、扬声器和话筒摆位，以及用于进行测量的测试信号和相关条件等事项。
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8 R. p; y# ^- t2 M% T扬声器驱动单元（或驱动器）的性能取决于该单元本身的特性及其声学负载，而声学负载又取决于单元的安装方式。驱动单元通常会采用三种安装方式，所选择的方式在测试结果中有明确描述：


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采用标准障板或使用指定的两种
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) ^9 l3 k& U2 y. ]9 }) s7 r* P标准测试箱体中的一种

在没有障板或箱体的自由场中
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在半空间自由场中，与反射平面
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平齐
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扬声器系统在测量时通常不会采用额外的障板。制造商可以指定配置障板，在这种情况下，应该在测试结果中对单元安装方式作以说明。IEC 60268-5标准还要求在五个指定的声场中进行测量：自由场、半空间自由场、扩散场、模拟自由场以及模拟半空间自由场。

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/ T! Y% r9 b4 [+ D4 R8 u! E- O3 `! e0 V8 T自由场


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通常来说，扬声器的测量应在自由场中进行。为了达到自由场的条件，测试可以在室外进行，在那里声音可以自由地向各个方向传播，或者在一个接近自由场的消声室中进行。然而， 两种测试环境都存在着各自独特的挑战。在室外自由场条件下，扬声器和话筒必须放置在离地面较高的位置，以尽量减小地面反射的影响，同时必须降低环境噪声。相反，使用消声室对测试环境进行控制则是一套相当昂贵的方案。


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在消声室中，自由场的最低要求是来自声源的声音在参考点与测量话筒之间的轴线上，在±10%范围内按6dB/dd规则进行传播。6dB/dd规则规定，辐射声音与声源的距离每增加一倍，其声压级便会降低6dB。
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相对于消声室（近似于扬声器在自由场中的响应），一种廉价的替代方案是地面测量，即将扬声器和话筒放置在开阔区域的硬表面上。当设置合理时，直接声和反射声将处于同一相位，并将比直接声的电平高6dB。这时需要记住一些问题，例如障板尺寸似乎是实际尺寸的两倍， 由于扬声器的声反射布置，使得与地面接触的边缘会出现不同的衍射响应。在标准的自由场室外测量环境中也具有相同的问题，因为它会受到周围来自汽车、机械、飞机和风等室外噪声的影响，尤其是在低频测量时这种干扰更甚。


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, b& s3 @* h/ Q) O" g扬声器的地面测量



半空间自由场和扩散场
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0 t) Q/ y9 w6 j8 {- u) n为了单独测试扬声器驱动单元， 设计了半空间自由场环境。在半空间自由场中，三维自由场空间通常被一个坚硬的反射平面一分为二。例如， 位于户外坚硬地面上的声源，远离任何其他反射面，构成了半空间自由场。此外也可以使用半消声室（消声室的六个内表面之一为坚硬的反射面）。半消声室应满足6dB/dd规则，声源在表面和测量话筒轴线之间±10%以内范围内传播。扩散场的一个例子是混响室，其中所有的内部表面都由坚硬的反射材料制成。在这里， 任何扬声器的测量都应该在1/3倍频程有限的噪声条件下进行。



  T! q" g* {, @模拟自由场
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模拟自由场条件应用了类消声或时间选择技术，能够屏蔽测量时的反射声，仅对来自扬声器的直接声进行分析。如果精心运用，测量过程可以在普通房间内进行，但此举会限制测量的低频范围。在一个大型的、没有障碍物的房间中，可以通过增加直接声和反射声到达的时间差来拓展可测量的低频范围。
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扬声器和话筒摆位
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3 a: i3 U4 B/ w4 g- K近场和远场是声学中的一个重要概念。当声源较远时（相对于其大小），上文提到的平方反比定律（或6dB/dd规则）是成立的。在这个距离上，声场变得稳定，并以一种可预测的方式从声源辐射形成。然而靠近声源时，声波的行为要复杂得多， 声压和距离之间没有固定的关系。可以说在近场中，声压级是不确定的， 因此测量过程应该在远场条件下进行。从声源到远场之间的距离取决于声源的尺寸，根据一个常用的经验法则，通常是从声源最大尺寸的三倍距离处开始测算的。理想情况下， 自由场和半空间自由场条件下的测量应该将测量话筒放置在扬声器的远场区域。

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阻抗和电压特性
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% |& `' H. l; ^6 ~. k" O扬声器的额定阻抗是用于确定驱动扬声器所需功率的纯电阻的标称值。虽然使用标称电阻值，扬声器的阻抗是矢量或复数（它有幅值和相位），并且在音频频率范围内变化显著。
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0 k. o) T4 \7 h$ w一款三分频扬声器在8Ω阻抗下的幅值



IEC 60268-5标准规定，在额定频率范围内阻抗幅值的最小值不得小于额定阻抗的80%。它还要求在额定频率范围（包括DC直流）以外任意频率处的阻抗需小于标称阻抗的80%。

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- S1 q, A) Z. ^% ^2 ~( ^3 M, H, {除此之外，该标准要求阻抗幅值曲线需在标准频响范围内（20Hz 到20kHz）进行测量。对数扫频啁啾信号对阻抗测量有着很好的激励作用。


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同样值得注意的是，IEC 60268-5标准第17章规定了应该测量的扬声器输入电压特性，以确定扬声器能够承受的电压水平，从而避免任何热损伤或机械损伤。

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- P: ]: [4 R/ M6 g! a: U0 _- D摩擦和嗡声失真
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摩擦和嗡声失真通常是由机械缺陷所引起的，如驱动单元音圈摩擦或间隙中的松散颗粒而导致。IEC 60268-5标准中的附录D中描述了一种听力测试，该测试涉及在额定正弦电压下手动扫描施加到扬声器上的正弦信号的频率。在例如扬声器制作测试等高重复性的情况下或许会出现问题，在这种情况下，机械的性能可能会迅速下降。除此之外， 在生产测试环境中，失真可能低于可听阈值，因此需要进行复杂的测试，才能客观、可重复地检测任何扬声器产品中的摩擦和嗡声失真。



在测试扬声器时，有无数的因素需要考虑，但坚持IEC 60268-5标准，或至少将其作为一个准则，无疑将有助于为专业音响制造商、产品设计师和工程师提供更有意义的测试结果。