揚(yáng)聲器測(cè)試時(shí)遇到的挑戰(zhàn)是什么？這些挑戰(zhàn)又對(duì)聲學(xué)設(shè)計(jì)有著怎樣的影響?Audio Precision公司技術(shù)支持與應(yīng)用總監(jiān)Joe Begin來(lái)為我們逐一解答。
Joe Begin 先生
進(jìn)行高質(zhì)量揚(yáng)聲器測(cè)試時(shí)遇到的挑戰(zhàn)之一是減輕測(cè)試環(huán)境與揚(yáng)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(cè)量到被測(cè)設(shè)備的直達(dá)聲。因此我們要在一個(gè)被稱為消聲室的特殊環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，但是建造一個(gè)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(shí)也不能做到完全消聲。這篇文章討論了專業(yè)音頻公司測(cè)試揚(yáng)聲器時(shí)的若干技術(shù)問(wèn)題，以及在非理想測(cè)試環(huán)境下幫助克服挑戰(zhàn)的多種方法。
正在一個(gè)半消聲室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試的揚(yáng)聲器單元
當(dāng)使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行揚(yáng)聲器測(cè)量時(shí)，準(zhǔn)消聲測(cè)量和地平面測(cè)量技術(shù)是取得理想、可重復(fù)驗(yàn)證結(jié)果的有效途徑。通過(guò)這些技術(shù)手段，你能夠得到脈沖響應(yīng)及杠桿遠(yuǎn)近場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。從測(cè)量的阻抗曲線中，還能夠?qū)С鯰hiele-Small參數(shù)。
通過(guò)多種方式得出Thiele-Small參數(shù)
準(zhǔn)消聲測(cè)量技術(shù)
準(zhǔn)消聲測(cè)量技術(shù)可以運(yùn)用在一個(gè)普通的，半混響房間內(nèi)來(lái)測(cè)量揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)。這種技術(shù)在時(shí)間上是有選擇性的。它通過(guò)一個(gè)寬帶的信號(hào)來(lái)激勵(lì)揚(yáng)聲器并且分析被測(cè)量的頻率響應(yīng)部分，其中包含了揚(yáng)聲器的直達(dá)聲，并排除了那些由于房間表面產(chǎn)生的反射聲部分。
準(zhǔn)消聲測(cè)量技術(shù)利用了線性系統(tǒng)頻率響應(yīng)和其脈沖響應(yīng)具有等價(jià)性的特點(diǎn)。從頻域來(lái)講，一個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)H(f)代表了它的輸出幅度和相位（數(shù)學(xué)上的實(shí)部與虛部）與輸入信號(hào)之間的關(guān)系，它是一個(gè)關(guān)于頻率的函數(shù)。從時(shí)域來(lái)講，一個(gè)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)h(t)代表了在使用單位脈沖或狄拉克德?tīng)査瘮?shù)作為輸入激勵(lì)時(shí)它的輸出與時(shí)間的函數(shù)變化關(guān)系。對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)函數(shù)關(guān)系是等價(jià)的，使用傅里葉變換的分析方式就可以從一個(gè)函數(shù)推導(dǎo)出另一個(gè)函數(shù)。
時(shí)間選擇性或準(zhǔn)消聲測(cè)量需要為脈沖響應(yīng)選擇一個(gè)（時(shí)間）窗口來(lái)消除反射聲數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果帶來(lái)的干擾，之后使用傅里葉變換來(lái)計(jì)算出頻率響應(yīng)的幅度和相位。在測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束時(shí)使用矩形窗口以及衰減的余弦信號(hào)是獲得相對(duì)平滑過(guò)渡的典型做法。
若采用時(shí)間選擇性的測(cè)量技術(shù)，你必須首先獲得測(cè)試房間內(nèi)揚(yáng)聲器的脈沖響應(yīng)。對(duì)于此，有很多種方法，每種方法都有它的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。
脈沖測(cè)試
脈沖測(cè)試采用一個(gè)時(shí)間極短的電壓脈沖激勵(lì)揚(yáng)聲器，并且使用傳聲器將脈沖響應(yīng)拾取下來(lái)。用于測(cè)試的房間必須足夠大，大到讓揚(yáng)聲器的直達(dá)聲響應(yīng)在房間的首次反射聲到達(dá)傳聲器之前就持續(xù)衰減到足夠小。脈沖的能量分布在一個(gè)很廣的頻域范圍內(nèi)，帶來(lái)的結(jié)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(quán)處理才能夠改善信噪比。作為一個(gè)比較古老的技術(shù)，脈沖測(cè)試如今很少被采用了，我們?cè)谶@里提到它主要是為了技術(shù)介紹的完整性。
最大長(zhǎng)度序列（MLS）技術(shù)是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖測(cè)試的方法，這項(xiàng)技術(shù)利用一個(gè)最大長(zhǎng)度序列作為被測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)，然后來(lái)測(cè)量它的輸出。最大長(zhǎng)度序列（MLS）是一個(gè)偽隨機(jī)序列，在頻譜上是平直的并且有一些有趣的屬性。這些特點(diǎn)讓它成為了頻響測(cè)量中的有力武器。脈沖響應(yīng)通過(guò)測(cè)量以MLS 作為輸入信號(hào)的被測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)的循環(huán)互相關(guān)性而得出。一旦導(dǎo)出被測(cè)設(shè)備的脈沖響應(yīng)，就可以通過(guò)設(shè)定合適的窗口來(lái)剔除掉含有反射聲的部分，之后再使用傅里葉變換對(duì)被測(cè)設(shè)備的傳遞函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
當(dāng)加入平均計(jì)權(quán)后，MLS測(cè)試對(duì)于與MLS輸入序列無(wú)關(guān)的穩(wěn)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(tǒng)的線性響應(yīng)部分與非線性響應(yīng)部分（比如諧波失真）剝離的，這些非線性響應(yīng)會(huì)以尖峰或人造痕跡的形式散布在整個(gè)脈沖響應(yīng)之中。
對(duì)數(shù)掃描正弦信號(hào)測(cè)量
啁啾信號(hào)是頻率連續(xù)變化的正弦信號(hào)。使用對(duì)數(shù)掃描的正弦啁啾信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，通過(guò)反卷積，就可以同時(shí)導(dǎo)出系統(tǒng)的線性脈沖響應(yīng)并將脈沖響應(yīng)與每個(gè)諧波失真分量剝離。通過(guò)仔細(xì)的設(shè)定時(shí)間窗口并將多個(gè)脈沖響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換，就能夠恢復(fù)出獨(dú)立的響應(yīng)函數(shù)，得到獨(dú)立響應(yīng)函數(shù)后，我們就能夠通過(guò)它推導(dǎo)出很多不同的音頻測(cè)量參數(shù)。
指數(shù)掃描的正弦啁啾信號(hào)測(cè)量已成為Audio Precision APx500音頻分析儀上的標(biāo)志，包括連續(xù)掃描測(cè)量、頻率響應(yīng)測(cè)量和聲學(xué)響應(yīng)啁啾測(cè)量等諸多功能。連續(xù)掃描測(cè)量功能可謂用戶提供包括電平、增益、相位、諧波失真、群延時(shí)、串音、脈沖響應(yīng)等一些列音頻測(cè)量結(jié)果。頻率響應(yīng)測(cè)量包含了快速測(cè)量設(shè)備電平、增益與頻率關(guān)系的結(jié)果子集以及它們與平坦度的偏差。聲學(xué)響應(yīng)測(cè)量是專門用于聲學(xué)設(shè)備測(cè)試的，包含了能量時(shí)間曲線、對(duì)于準(zhǔn)消聲測(cè)量的聲學(xué)反射窗口設(shè)置控制以及用戶在測(cè)試揚(yáng)聲器中會(huì)感興趣的一些測(cè)試結(jié)果等。
準(zhǔn)消聲測(cè)量的局限性
有時(shí)，對(duì)于準(zhǔn)消聲測(cè)量窗口的設(shè)置會(huì)在脈沖響應(yīng)衰減到足夠可忽略的水平之前截?cái)嗝}沖響應(yīng)。這就會(huì)導(dǎo)致對(duì)頻響曲線估計(jì)的誤差，特別是在低頻段。
揚(yáng)聲器的脈沖響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度主要取決于它的低頻滾降特性。在聲學(xué)測(cè)量中確定這點(diǎn)則需要在一個(gè)完美的消聲環(huán)境和極低背景噪聲條件下對(duì)其脈沖響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，這是很難做到的。但是，一個(gè)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的低頻表現(xiàn)可以較容易的通過(guò)其共振頻率和其他利用簡(jiǎn)單的電子測(cè)量阻抗方式推導(dǎo)出來(lái)的參數(shù)進(jìn)行模擬。
將近場(chǎng)測(cè)量與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)合起來(lái)
一種能夠克服準(zhǔn)消聲測(cè)量在低頻段誤差弊端的方法是將其與近場(chǎng)測(cè)量結(jié)合起來(lái)。揚(yáng)聲器在低頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)可以由近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果估算，比如我們可以在揚(yáng)聲器單元的防塵帽前很近距離內(nèi)設(shè)置一直測(cè)試話筒來(lái)完成近場(chǎng)測(cè)量。揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)單元在低頻段的表現(xiàn)近似為剛性的活塞。這樣一只揚(yáng)聲器的全頻響應(yīng)可以由低頻近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)場(chǎng)的準(zhǔn)消聲中高頻響應(yīng)通過(guò)一定比例合成而得出。
為了保證近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合測(cè)量的準(zhǔn)確性，依照揚(yáng)聲器的尺寸，房間必須要足夠大，讓揚(yáng)聲器的低、中、高頻段有重疊的部分。近場(chǎng)測(cè)量出的頻響曲線在幅度上要大大高于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的頻響曲線。因此在結(jié)合時(shí)應(yīng)當(dāng)將近場(chǎng)測(cè)量的頻響曲線在坐標(biāo)軸上整體下移，而下移量就要從頻段重疊的部分來(lái)算出，讓兩條曲線在重疊頻段重合。當(dāng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的單元數(shù)較多時(shí)，這種方法會(huì)變得更加復(fù)雜一些。
帶幻象供電的Audio Precision 376M03測(cè)試話筒
衍射效應(yīng)
使用近場(chǎng)測(cè)量估算揚(yáng)聲器的低頻響應(yīng)并與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果結(jié)合的技術(shù)有一個(gè)弊端，那就是這種測(cè)量并不能考慮到揚(yáng)聲器邊緣部位發(fā)生的衍射效應(yīng)。這種效應(yīng)會(huì)使聲音在某些低頻段產(chǎn)生衰減，同時(shí)在高頻段產(chǎn)生一些波動(dòng)。如果安裝表面的面積相對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元足夠大時(shí)，這種現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。
如果衍射效應(yīng)在近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合測(cè)量中沒(méi)有被考慮到，則估算出的頻響曲線有可能會(huì)存在一些誤差。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有一些軟件工具來(lái)進(jìn)行平面障板衍射效應(yīng)的仿真了，Tolvan Data開(kāi)發(fā)的The Edge就是一個(gè)常用的軟件。
在本系列的第三部分和最后，我們會(huì)討論地平面測(cè)量、阻抗曲線和其他的揚(yáng)聲器測(cè)量技術(shù)。
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