引言

揚聲器應(yīng)該放在哪里？理論上來看，答案可能顯而易見，但實際上，在最佳聆聽位置和客廳內(nèi)部布置之間找到一個很好的折衷方案可能會成為一個有爭議的問題，對此，入墻式揚聲器是一個非常聰明的主意。揚聲器安裝在墻壁或天花板中，幾乎不可見。這可以提供最佳的聆聽體驗，并且不會干擾室內(nèi)設(shè)計。

多年來，入墻式揚聲器的應(yīng)用、功能和音質(zhì)都在不斷提升。最開始通常在公共場所（超市）或公共交通工具（飛機、地鐵）應(yīng)用中的單個寬帶換能單元，只具有中等音質(zhì)，而如今高品質(zhì)多路入墻式揚聲器已成為普通揚聲器系統(tǒng)的重要替代品。

此外，在專業(yè)應(yīng)用（電影院、劇院）中，入墻式設(shè)置變得越來越重要，并擴展到具有數(shù)百個分布式換能單元的平面陣列，用于現(xiàn)代3D聲音再現(xiàn)和使用Ambisonics 和基于對象算法的虛擬現(xiàn)實。

這些應(yīng)用也為測量過程定義了新的要求。指向特性是一個特別重要的因素，因為揚聲器發(fā)出聲音的方向會極大地影響與聽音室的交互和聆聽體驗。音頻系統(tǒng)開發(fā)人員需要幅度和相位都準確的 3D 信息來驗證他們的設(shè)計并調(diào)整 DSP。此外，HiFi 社區(qū)中日益增長的技術(shù)興趣和知識正在推動對準確 3D 數(shù)據(jù)的需求。如今，新的免費模擬軟件和可聽化工具幾乎讓每個人都有機會進行簡單的聲學(xué)模擬。

測量挑戰(zhàn)

如今，指向性測量仍然是一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，這些測量必須在自由場和遠場條件下進行，可以在消聲室中實現(xiàn)寬頻率范圍。但是對于低頻（f<100Hz），大多數(shù)測試室都沒有足夠的阻尼，從而導(dǎo)致系統(tǒng)測量誤差。此外，揚聲器和麥克風(fēng)之間的長距離(r>4m)幾乎不可能在高頻(f>10kHz)下進行準確的相位測量，因為溫度的微小偏差也會影響聲速和傳播延遲。為應(yīng)對這些限制，被測設(shè)備(DUT)的響應(yīng)可通過在聲場中多個位置（通常在一個球面上）移動麥克風(fēng)來直接捕獲。實際應(yīng)用中可以使用麥克風(fēng)陣列或轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)。

入墻式揚聲器需要在半空間(2π)中進行測量，方法是將DUT安裝在半消聲室的地面或在全消聲室中使用獨立式障板。不幸的是，尺寸有限的障板可能會因其邊緣衍射和向后輻射的聲音干擾而產(chǎn)生新的測量誤差。使用IEC推薦的矩形障板可以減少但不能避免這些誤差。

全息指向性測試

由于上述這些已知問題，Klippel使用近場掃描儀系統(tǒng)(NFS)建立了一種新的指向性測試方法來克服這些問題。該系統(tǒng)旨在測量幾乎任何聲學(xué)環(huán)境（例如辦公室）中的揚聲器系統(tǒng)。機械臂將麥克風(fēng)沿著被測揚聲器近場中的兩個嵌套層進行移動定位，而被測設(shè)備保持在掃描儀中心的固定位置上。這簡化了重型設(shè)備的處理，并確保掃描過程中恒定的房間激勵和反射。

基于這種近場測量，可以使用波動方程（球諧函數(shù)、漢克爾函數(shù)）的解來識別從揚聲器輻射的聲場。

由于沿雙層掃描，直達聲分離（Klippel 的專利技術(shù)）使用額外的相位信息來檢測聲波的方向，并可以從揚聲器的直達聲中去除所有房間反射。這對整個聲場（近場和遠場）的完整和全面描述提供了一個新的測量精度級別。此外，它還可以在高頻 (f>10kHz) 下提供精確的相位數(shù)據(jù)，并且對反射等外部影響具有最大的魯棒性。

全息測量方法也適用于半空間測試 (2π)。半空間數(shù)據(jù)可以通過不同的掃描解決方案獲?。ū?）。對于小型揚聲器，可以使用多功能掃描工作臺，其聲學(xué)測量還可以輕松地與電氣和機械測量相結(jié)合。較大的設(shè)備則可以使用附加障板的近場掃描儀進行測量，同時支持定制障板。

我們從基礎(chǔ)物理學(xué)中知道，平面上的反射可以通過聲源的鏡像來建模(圖2)。

然后可以通過僅使用與此對稱條件匹配的球諧函數(shù)子集來對這個虛擬對稱聲場進行建模（圖3）。

最后，再應(yīng)用全息波擴展。此外，直達聲分離開辟了新的可能性（圖4），由障板引起的測量誤差（衍射和向后輻射的聲音）可以從揚聲器的直達聲中識別出來并消除，因為它們在掃描表面之外。這樣就產(chǎn)生了完美的半空間數(shù)據(jù)，就像在無限障板中測量一樣。

測量示例

為了說明這種測試方法的性能，在Bowers & Wilkins CWM 8.5D上進行了相關(guān)測量（圖1）。 CWM 8.5D是一款高性能緊湊型入墻式揚聲器，采用了B&W 旗艦800D3系列的技術(shù)。它使用了一個7"中低音錐盆換能單元和一個1"菱形球頂高音揚聲器。由于錐盆使用了專有的Continuum技術(shù)， 7"中低音錐盆可以從相對較低的頻率以受控和漸進的方式進行分割振動。因此，揚聲器在整個通帶上保持有效輻射面積和再現(xiàn)波長之間的比率幾乎恒定。這產(chǎn)生了從1.5到15kHz之間幾乎恒定且非常平滑的水平方向性。這種動態(tài)在圖5中的 -6dB 等值線中可見。

阻尼部件在Continuum復(fù)合結(jié)構(gòu)中的精心優(yōu)化和用于代替防塵帽的反共振泡沫塞也確保了與分割模式相關(guān)的非線性失真非常低。CWM 8.5D的高音揚聲器有非常低的共振頻率，在3.5kHz左右分頻，因此中低音再現(xiàn)了揚聲器的大部分關(guān)鍵中頻，并與高音揚聲器的指向性無縫融合。高音揚聲器的低共振頻率還允許高音揚聲器通帶中的超低失真，同時CWM 8.5的菱形球頂保證第一個軸對稱高Q分割模式在大約72kHz的可聽范圍內(nèi)下降近兩個倍頻程。

測量設(shè)置

由于設(shè)計原因，CWM 8.5D需要特定的安裝方式，所以需要使用定制的障板將揚聲器安裝在 NFS旋轉(zhuǎn)臺上。掃描是在一個普通的辦公室里進行的，大約有1000個測量點，總共需要大概兩個小時。球面波擴展是按照擴展階數(shù)N=25計算的，這足以表征全頻段 (20Hz - 20kHz) 上的整個聲場。在識別過程中使用原始測量數(shù)據(jù)的冗余信息自動自檢精度。

結(jié)果

最后，CWM 8.5D的指向性可以通過檢查傳統(tǒng)的遠場測量（頻率響應(yīng)、聲功率和指向性指數(shù)）或通過CTA2034 Spinorama等簡化特性進行分析。此外，可以分析新的近場特性，例如指定聆聽域的SPL分布。

結(jié)果顯示±50°非常一致的水平覆蓋范圍，在1.5kHz以上具有幾乎恒定的6dB方向性指數(shù)。

圖6中的CTA2034 Spinorama顯示軸上頻率響應(yīng)的偏差約為±3dB，在聆聽窗口內(nèi)甚至更平滑。

全面全息參數(shù)還包括從近場到遠場的能量轉(zhuǎn)移。因此，可以在任何距離（包括設(shè)備的近場）計算精確的聲壓場。圖7顯示了CWD 8.5D在2kHz時的聲壓分布。這種準確的3D數(shù)據(jù)可用于聲學(xué)仿真軟件，用于預(yù)測聽音室或任何其他應(yīng)用（公共交通、建筑物中的警報系統(tǒng)等）中揚聲器的性能。

結(jié)論

全息測量方法為換能單元工程師和音頻系統(tǒng)設(shè)計師提供了全面、易于解讀的數(shù)據(jù)。HiFi愛好者也可能對此感興趣，激發(fā)他們?nèi)チ私夂玫囊糍|(zhì)，并愿意為此付費。因此，客觀測試是除了感知評估之外的一個重要標(biāo)準。此外，該測量會生成房間模擬工具（如EASE）在聲學(xué)模擬空間內(nèi)模擬不同測試場景（包括不同揚聲器放置）所需的數(shù)據(jù)，非常適合專業(yè)級或消費級應(yīng)用。