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權威音頻測試儀制造商Audio Precision為你揭秘聲學設計
更新時間:2020-1-6 9:22:39 編輯:溫情 文章來源:Audio Precision 調整文字大小:【

揚聲器測試時遇到的挑戰是什么?這些挑戰又對聲學設計有著怎樣的影響?Audio Precision公司技術支持與應用總監Joe Begin來為我們逐一解答。


Joe Begin 先生

進行高質量揚聲器測試時遇到的挑戰之一是減輕測試環境與揚聲器的相互影響。理想情況,我們希望能夠在不受任何墻面、地面或天花板反射聲影響的前提下測量到被測設備的直達聲。因此我們要在一個被稱為消聲室的特殊環境下進行測量,但是建造一個消聲室是非常昂貴,而且最好的消聲室在消除極低頻反射時也不能做到完全消聲。這篇文章討論了專業音頻公司測試揚聲器時的若干技術問題,以及在非理想測試環境下幫助克服挑戰的多種方法。


正在一個半消聲室環境中進行測試的揚聲器單元

當使用適當的設備進行揚聲器測量時,準消聲測量和地平面測量技術是取得理想、可重復驗證結果的有效途徑。通過這些技術手段,你能夠得到脈沖響應及杠桿遠近場測量的數據從而提高測量結果的準確性。從測量的阻抗曲線中,還能夠導出Thiele-Small參數。


通過多種方式得出Thiele-Small參數

 

準消聲測量技術

準消聲測量技術可以運用在一個普通的,半混響房間內來測量揚聲器的頻率響應。這種技術在時間上是有選擇性的。它通過一個寬帶的信號來激勵揚聲器并且分析被測量的頻率響應部分,其中包含了揚聲器的直達聲,并排除了那些由于房間表面產生的反射聲部分。

準消聲測量技術利用了線性系統頻率響應和其脈沖響應具有等價性的特點。從頻域來講,一個系統的頻率響應H(f)代表了它的輸出幅度和相位(數學上的實部與虛部)與輸入信號之間的關系,它是一個關于頻率的函數。從時域來講,一個系統的脈沖響應h(t)代表了在使用單位脈沖或狄拉克德爾塔函數作為輸入激勵時它的輸出與時間的函數變化關系。對于一個動態系統來說,這兩個函數關系是等價的,使用傅里葉變換的分析方式就可以從一個函數推導出另一個函數。

時間選擇性或準消聲測量需要為脈沖響應選擇一個(時間)窗口來消除反射聲數據對結果帶來的干擾,之后使用傅里葉變換來計算出頻率響應的幅度和相位。在測量開始和結束時使用矩形窗口以及衰減的余弦信號是獲得相對平滑過渡的典型做法。

若采用時間選擇性的測量技術,你必須首先獲得測試房間內揚聲器的脈沖響應。對于此,有很多種方法,每種方法都有它的優勢和劣勢。

 

脈沖測試

脈沖測試采用一個時間極短的電壓脈沖激勵揚聲器,并且使用傳聲器將脈沖響應拾取下來。用于測試的房間必須足夠大,大到讓揚聲器的直達聲響應在房間的首次反射聲到達傳聲器之前就持續衰減到足夠小。脈沖的能量分布在一個很廣的頻域范圍內,帶來的結果就是信噪比很低,特別是低頻部分,因此我們需要很多次平均加權處理才能夠改善信噪比。作為一個比較古老的技術,脈沖測試如今很少被采用了,我們在這里提到它主要是為了技術介紹的完整性。

最大長度序列(MLS)技術是一種代替傳統的脈沖測試的方法,這項技術利用一個最大長度序列作為被測設備的激勵信號,然后來測量它的輸出。最大長度序列(MLS)是一個偽隨機序列,在頻譜上是平直的并且有一些有趣的屬性。這些特點讓它成為了頻響測量中的有力武器。脈沖響應通過測量以MLS 作為輸入信號的被測設備的輸出信號的循環互相關性而得出。一旦導出被測設備的脈沖響應,就可以通過設定合適的窗口來剔除掉含有反射聲的部分,之后再使用傅里葉變換對被測設備的傳遞函數進行估計。

當加入平均計權后,MLS測試對于與MLS輸入序列無關的穩定噪聲或脈沖噪聲具有較高的抗干擾度。但我們是不可能將系統的線性響應部分與非線性響應部分(比如諧波失真)剝離的,這些非線性響應會以尖峰或人造痕跡的形式散布在整個脈沖響應之中。

對數掃描正弦信號測量

啁啾信號是頻率連續變化的正弦信號。使用對數掃描的正弦啁啾信號激勵系統,通過反卷積,就可以同時導出系統的線性脈沖響應并將脈沖響應與每個諧波失真分量剝離。通過仔細的設定時間窗口并將多個脈沖響應進行傅里葉變換,就能夠恢復出獨立的響應函數,得到獨立響應函數后,我們就能夠通過它推導出很多不同的音頻測量參數。

指數掃描的正弦啁啾信號測量已成為Audio Precision APx500音頻分析儀上的標志,包括連續掃描測量、頻率響應測量和聲學響應啁啾測量等諸多功能。連續掃描測量功能可謂用戶提供包括電平、增益、相位、諧波失真、群延時、串音、脈沖響應等一些列音頻測量結果。頻率響應測量包含了快速測量設備電平、增益與頻率關系的結果子集以及它們與平坦度的偏差。聲學響應測量是專門用于聲學設備測試的,包含了能量時間曲線、對于準消聲測量的聲學反射窗口設置控制以及用戶在測試揚聲器中會感興趣的一些測試結果等。

準消聲測量的局限性

有時,對于準消聲測量窗口的設置會在脈沖響應衰減到足夠可忽略的水平之前截斷脈沖響應。這就會導致對頻響曲線估計的誤差,特別是在低頻段。

揚聲器的脈沖響應時間長度主要取決于它的低頻滾降特性。在聲學測量中確定這點則需要在一個完美的消聲環境和極低背景噪聲條件下對其脈沖響應進行測量,這是很難做到的。但是,一個揚聲器系統的低頻表現可以較容易的通過其共振頻率和其他利用簡單的電子測量阻抗方式推導出來的參數進行模擬。

 

將近場測量與遠場測量結合起來

一種能夠克服準消聲測量在低頻段誤差弊端的方法是將其與近場測量結合起來。揚聲器在低頻段的遠場響應可以由近場測量結果估算,比如我們可以在揚聲器單元的防塵帽前很近距離內設置一直測試話筒來完成近場測量。揚聲器的驅動單元在低頻段的表現近似為剛性的活塞。這樣一只揚聲器的全頻響應可以由低頻近場測量和遠場的準消聲中高頻響應通過一定比例合成而得出。

為了保證近場/遠場結合測量的準確性,依照揚聲器的尺寸,房間必須要足夠大,讓揚聲器的低、中、高頻段有重疊的部分。近場測量出的頻響曲線在幅度上要大大高于遠場測量的頻響曲線。因此在結合時應當將近場測量的頻響曲線在坐標軸上整體下移,而下移量就要從頻段重疊的部分來算出,讓兩條曲線在重疊頻段重合。當揚聲器系統的單元數較多時,這種方法會變得更加復雜一些。


帶幻象供電的Audio Precision 376M03測試話筒

 

衍射效應

使用近場測量估算揚聲器的低頻響應并與遠場測量的結果結合的技術有一個弊端,那就是這種測量并不能考慮到揚聲器邊緣部位發生的衍射效應。這種效應會使聲音在某些低頻段產生衰減,同時在高頻段產生一些波動。如果安裝表面的面積相對于驅動單元足夠大時,這種現象可以忽略不計。

如果衍射效應在近場/遠場結合測量中沒有被考慮到,則估算出的頻響曲線有可能會存在一些誤差。幸運的是,現在已經有一些軟件工具來進行平面障板衍射效應的仿真了,Tolvan Data開發的The Edge就是一個常用的軟件。

在本系列的第三部分和最后,我們會討論地平面測量、阻抗曲線和其他的揚聲器測量技術。

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