深究扬声器频响曲线的测量
杨军;谢守华
【摘 要】扬声器及其系统的频响曲线无疑是设计及生产环节最重要的性能指标.但通过对市面上的一些主流电声测试系统的研究发现,其频响曲线的算法不尽相同,在特殊情况下频响曲线的结果会产生较大差异.问题的关键在于对“频响曲线”的定义.
【期刊名称】《电声技术》 【年(卷),期】2018(042)006 【总页数】5页(P58-62)
【关键词】频率响应曲线;谐波分量;声压 【作 者】杨军;谢守华
【作者单位】国光电器股份有限公司,广东广州510800;国光电器股份有限公司,广东广州510800 【正文语种】中 文 【中图分类】TN3 1 引言
扬声器的频率响应曲线(也就是我们常说的频响曲线)一直是设计及质量控制的最基本也是最重要的参数。是否准确的测量这个参数对于设计和生产尤为关键。 2 基本原理
目前扬声器的频响曲线主要是依据行业内通行的国际标准《IEC60268-5 Sound system equipment-Part 5:loudspeaker》［1］和与之等效的国标《GB/T 12060.5声系统设备:扬声器主要性能测试方法》［2］的相关章节来进行，如图1所示。
图1 IEC标准第21节
国标GB/T 12060.5的相关内容如下，基本是 IEC标准的翻译稿。如图2所示。 图2 国标第21节
从标准的定义来看，自由场及半自由场条件下的扬声器频响曲线应该是在参考轴线(一般是扬声器的轴心线方向)并馈给被测扬声器特定正弦波或者带通噪声电压及频率下的声压级。所以按照字面的意思来理解的话，这个频响应该是包含了该点的所有谐波的响应，也就是总的声压级，并未单指基波(Fundamental)。
从扬声器的理论角度来看，其频响曲线的定义并未明确指出是包含了全部谐波分量的总声压级，还是只有基波。但是从设计或是工程的角度来说，基波是我们期望的结果，谐波分量并不是我们希望看到的(理论上来说谐波越少越好)，可以通过THD总谐波失真的测量来另外分析。图3是一般锥形扬声器的理想的频响曲线［3］，是一个典型的带通滤波器形状。 图3 理论的频响曲线
我们知道，一个音频信号经过傅里叶变换，可以分离出基波(Fundamental)和各次谐波，基波与各次谐波的叠加成该点的总声压。所以频响曲线是否正确，关键就在这个基波与谐波的分布上了。当谐波分量与基波相比较小时，这种叠加对总的声压级只产生微弱的影响，一般情况下可以忽略不计。但当处于低频大功率下时，扬声器产生较大失真，其谐波分量占比已经不能忽略，甚至于高于基波分量，这时得到的总声压和基波就存在较大差异。
已知两台设备的声压级分别为LP1和LP2，若LP1＞LP2，则合成的声压级为:
从公式计算可以得到，如果Lp1大于Lp2有20 dB的话(也就是Lp2是10%的谐波失真)，那么叠加声压的贡献只有0.043 dB，基波忽略不计了。如果两个声压相差10 dB的话，叠加对声压的贡献就是0.43 dB。
下面两个图是一个同轴音箱在不同测试电压下的频谱图(馈给音箱50 Hz单频信号，电压分别为2 V和9 V)，图4为2 V的FFT结果，谐波分量明显低于基波，影响忽略不计;图5为9 V的FFT结果，谐波分量的幅度大幅增加，甚至超过了基波，这种情况下谐波分量对频响曲线的贡献就不可忽视了。 图4 2V FFT结果 图5 9V FFT结果
3 现有主流音频测试系统的分析
一般测试系统都是以正弦波扫频的方式来得到扬声器的频响曲线。扫频范围涵盖被测扬声器的有效频率范围。一个普通的基于电脑的音频测试系统连线图如图6所示。
图6 音频测试系统连线图 其基本模型如图7［4］所示。 图7 测试模型
图8 带系统主机的Audio Precision系列
其基本工作原理是由电脑控制音频接口或是系统主机的信号发生器产生正弦波扫频信号，经过功放放大后馈给被测扬声器;然后通过测量麦克风接收声音信号，输入回音频接口或是系统主机进行分析，从而得到扬声器的频响曲线。 现在行业主流的音频测试系统包括以下几种，如图8～图10所示。 图9 基于虚拟仪器技术的Soundcheck系统 图10 自带分析仪的klippel QC系统
这几种主流测试系统的算法如表1所示。
表1 算法汇总测试系统 分析仪 扫频方式 算法 频响成分 扫频速度SYS2700 系列(属于AP) 模拟分析仪 step sweep(逐点扫频)稳态响应 包含全部谐波分量 慢AP 500系列 数字分析仪 chirp信号扫频或 step sweep(逐点扫频) FFT或稳态响应 只是基波 Fundamental或包含全部谐波分量 快/慢CHECK 数字分析仪 step sweep(逐点扫频) FFT，heterodyne(外 差法)，harmonicTrak 只是基波Fundamental SOUND-快Klippel QC 数字分析仪 chirp信号扫频 FFT 只是基波Fundamental 快
从表1可以看出，采用稳态响应的算法，得到的是综合了所有谐波分量的频响曲线，其他新式的测试系统，都是基于数字FFT算法，得到的频响就只是基波成分，并未包含谐波分量。但是新式的FFT算法效率高，可以在几秒之内得到扬声器的频响曲线，这样才有应用到产线等场合的可能。 4 有趣的试验结果
我们做了一个实验:还是用回之前的同轴音箱，在同样检测环境下，只是变动测试电压，发现频响曲线在低频部分不同测试系统之间有较大差异，通过上面的分析可以得出结论，造成这种差异的原因是不同测试系统之间的算法差异造成的。如图11所示。
图11 不同算法下各系统结果对比图
图11可以看到，不同测试系统所得频响的差异主要集中在低频部分，考虑到这个音箱越往低走其失真会越大(也就是谐波分量会越来越高)，所以频响的差异与频率的降低成正比，与电压的升高也成正比。这款音箱的有效频率范围也就去到50 Hz左右，再往低走失真就变大了，这也直接导致不同系统下频响的差异变大了。采用同样FFT算法的不同新式测试系统之间结果就非常接近，如图12所示。 图12 同样算法下各系统结果对比图
5 结束语
考虑到稳态响应的速度较慢，而且是模拟的技术，已经跟不上时代的步伐了。这局限了它只能应用在消音室等场合;现代生产需要快速的测量，所以数字FFT技术可以广为应用到研发及生产测试领域。在测试电压并不很大，测量频率范围不会超出被测扬声器有效范围很多的情况下，用什么系统来测频响其实都是合适的。一旦到了大电压和较低频率下，被测扬声器的失真异常变大时，采用不同算法的测试系统才会得到不同的结果。
IEC标准和国标对于频响曲线的定义也需要适时的更新一下，希望能更准确的描述出是只有基波的Fundemantal作为频响，还是包含全部谐波分量的总声压。 参考文献：
【相关文献】
［1］ IEC60268-5:2007(E)，Sound System Equipment-Part 5:Loudspeakers［S］.IEC，Geneva，2007.
［2］ GB/T 12060.5-2011声系统设备:扬声器主要性能测试方法［S］.国家监督检验检疫总局，2011.
［3］ 沈勇(编著).扬声器系统的理论与应用［M］.北京:国防工业出版社，2011.
［4］ 孙岩君.扫频法测量音频系统频率响应的原理及实践［J］.电声技术，2006(6):80-82.
