Shrink Your Lab, Not Your Results

Andrew Taylor
?KLIPPEL GmbH, Mendelssohnallee 30, 01309 Dresden, Germany

1?引言

從單個(gè)組件到換能器單元再到完整的有源音頻系統(tǒng)的揚(yáng)聲器測(cè)試通常需要大量不同的設(shè)備，這可能會(huì)需要擴(kuò)展昂貴的測(cè)量設(shè)置。縮小研發(fā)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模而又不影響測(cè)量能力或準(zhǔn)確性的一種方法是使用KLIPPEL GmbH多功能掃描平臺(tái)提供的統(tǒng)一解決方案。這種適度的設(shè)置可在正常工作或家庭辦公室中使用，而無(wú)需大型的障板和消聲室。甚至在COVID威脅降低之后，在家辦公（WFH）似乎也會(huì)在一定程度上保持，那么該方案將變得更有幫助。本文中，使用這種多合一設(shè)置測(cè)量的示例換能器單元的結(jié)果將用于說(shuō)明多功能掃描平臺(tái)的功能以及與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比的優(yōu)勢(shì)。

2?多域測(cè)量

在整個(gè)設(shè)計(jì)階段要全面表征和評(píng)估揚(yáng)聲器，就需要在許多不同領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量。并行測(cè)量不同信號(hào)非常重要，因?yàn)樘囟ìF(xiàn)象的影響和根本原因通常位于不同的域中。要深入了解揚(yáng)聲器的行為，必須能夠跨域跟蹤癥狀。

3?測(cè)試設(shè)置

執(zhí)行多域測(cè)量對(duì)測(cè)量設(shè)備和所使用的設(shè)置有大量需求。盡管當(dāng)今有許多高端的消費(fèi)級(jí)和專業(yè)音頻分析工具可用，但是這些解決方案通常僅將電氣和聲學(xué)測(cè)試結(jié)合在一起。使用這些選項(xiàng)時(shí)，通常需要在消聲室中使用障板進(jìn)行符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的聲輻射測(cè)量。但是，低頻測(cè)量的準(zhǔn)確性高度取決于房間、換能器和障板的大小以及低頻吸收的有效性。另一個(gè)問題是障板的振動(dòng)，為了解決這個(gè)問題，障板可以用實(shí)心鋼或混凝土制成，但是隨之增加的重量會(huì)使得障板的操作變得困難。

如照片1所示，配備了SCN近場(chǎng)附加組件的多合一多功能掃描平臺(tái)，是一個(gè)完整且緊湊的解決方案。該硬件有助于進(jìn)行電氣、聲學(xué)、機(jī)械和磁場(chǎng)測(cè)試。并且可以并行測(cè)量不同的域，或者在這些域之間進(jìn)行切換也是平滑且簡(jiǎn)單的。新發(fā)布的聲學(xué)掃描功能采用了與近場(chǎng)掃描儀（NFS）相同的直達(dá)聲分離技術(shù)，該技術(shù)還支持更大的音頻設(shè)備[1]。與正常的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量相比，該技術(shù)具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，例如，與使用轉(zhuǎn)盤和最小的麥克風(fēng)陣列相比，可以在更短的時(shí)間內(nèi)獲得近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的完整3D聲輻射數(shù)據(jù)。最重要的是，不再需要大型障板和消聲室。一個(gè)小的圓形障板就足夠了，因?yàn)樾盘?hào)處理可以消除邊緣處的衍射、聲學(xué)短路和房間反射的影響。沒有了傳統(tǒng)的房間和障板尺寸限制因素，即使在正常工作或家庭辦公環(huán)境中，該技術(shù)在低頻下也可以非常精確。該解決方案非常適合進(jìn)行全面的揚(yáng)聲器分析，因?yàn)樗鼘⑺璧囊磺屑傻搅斯?jié)省空間和成本的統(tǒng)一硬件中，可以快速執(zhí)行多域測(cè)量。

4 磁場(chǎng)測(cè)量

磁鐵是電機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它決定了最終揚(yáng)聲器的大信號(hào)性能。可以使用BFS傳感器測(cè)量磁特性，它是一種小型霍爾傳感器，安裝在多功能掃描平臺(tái)的激光外殼上（照片2）。這種薄傳感器適合大多數(shù)換能器電機(jī)結(jié)構(gòu)的氣隙。其測(cè)量結(jié)果可以驗(yàn)證FEM模擬或檢查氣隙中的磁場(chǎng)不一致（可能會(huì)導(dǎo)致?lián)u擺模式）。還可以從所得的B場(chǎng)掃描中模擬不同的線圈設(shè)置并獲取相應(yīng)的Bl曲線。示例換能器中磁體的磁通量密度和磁通量密度偏差分別在圖1和圖2中展示。

5?電氣測(cè)量

測(cè)量T/S參數(shù)和阻抗曲線的方法有多種，包括僅使用電信號(hào)的增量質(zhì)量和增量順性方法。但是，額外使用激光位移傳感器可以更快、更輕松、更精確[2]。再者，借助電學(xué)傳感器和可選的激光器，測(cè)量大信號(hào)模型的集總參數(shù)和非線性曲線（如力因數(shù)、剛性和電感）也將是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)[3]。

使用多功能掃描平臺(tái)，激光指向膜片中心，就可快速測(cè)量得到示例換能單元的阻抗、T/S參數(shù)以及大信號(hào)參數(shù)和曲線（見表1）。多虧了過短（underhung）音圈設(shè)計(jì)，使其具有如圖3所示平坦且對(duì)稱的力因數(shù)特性。

6 聲學(xué)掃描

測(cè)量和分析聲輻射以提取具有高角度分辨率的聲功率和方向性通常非常耗時(shí)。但是，通過使用SCN近場(chǎng)附加組件進(jìn)行直達(dá)聲分離的全息測(cè)量，僅需五分鐘即可完成對(duì)示例換能器高達(dá)20kHz的完整掃描（見表1）。假設(shè)其具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，則可大大減少放置在圓形障板中的圓形驅(qū)動(dòng)單元所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量。通過該掃描，可以生成3D半空間中任意點(diǎn)的近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓輸出。這些快速而完整的測(cè)量也非常適合調(diào)查不同網(wǎng)罩、號(hào)角/波導(dǎo)或夾持/安裝選件的影響以及測(cè)量緊湊型完整音頻系統(tǒng)（如便攜式設(shè)備）。圖4所示的水平聲壓輸出的等高線圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)（距離為10m）中產(chǎn)生的。該測(cè)量可以在任何普通的半混響房間中進(jìn)行，測(cè)量原理在圖5中展示：從測(cè)量的響應(yīng)中去除房間和障板反射，從而提取出直達(dá)聲。相比之下，使用轉(zhuǎn)盤和單個(gè)測(cè)量麥克風(fēng)得到類似數(shù)據(jù)（1°角分辨率）將需要多達(dá)32400個(gè)測(cè)量點(diǎn)，需要花費(fèi)三到四天的時(shí)間，使時(shí)間成本增加了約1000倍！除此之外，該測(cè)量還需要在大型消聲室內(nèi)或外部進(jìn)行，這會(huì)導(dǎo)致其他問題，例如風(fēng)、環(huán)境噪聲和溫度變化可能會(huì)破壞數(shù)據(jù)。

7?單點(diǎn)測(cè)量
對(duì)于某些聲學(xué)測(cè)量，例如等效輸入失真或脈沖失真（也稱為異常音Rub&Buzz），始終建議將麥克風(fēng)放在近場(chǎng)中，以最大程度地提高SNR并充分減少任何室內(nèi)影響[4][5]。對(duì)于其他響應(yīng)，例如同軸響應(yīng)和THD，它們通常在1m或更遠(yuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行，以確保測(cè)量在遠(yuǎn)場(chǎng)中。但是，在執(zhí)行聲學(xué)掃描之后，可以生成（房間）校正曲線，以補(bǔ)償測(cè)量麥克風(fēng)的位置以及障板或非消音房間的任何不希望的影響。這樣，即使在混響房間中進(jìn)行測(cè)量，也可以將麥克風(fēng)放置在近場(chǎng)中以最大化SNR，同時(shí)還可以讓虛擬評(píng)估點(diǎn)位于另一個(gè)距離（例如在遠(yuǎn)場(chǎng)中）。這意味著可以在正常工作或家庭辦公環(huán)境中，在一個(gè)甚至比房間的物理尺寸更遠(yuǎn)的評(píng)估點(diǎn)處進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，而單支測(cè)量麥克風(fēng)只需保持在固定位置。如圖6中，麥克風(fēng)實(shí)際放置在10cm的距離上，但可以得到轉(zhuǎn)換到1m距離上的軸上響應(yīng)和諧波失真。

8 機(jī)械掃描

在大多數(shù)應(yīng)用中，使用激光位移傳感器評(píng)估揚(yáng)聲器的振膜振動(dòng)會(huì)非常有幫助。掃描后，很容易看到徑向位移和周向位移分量的作用，或者查看同相、反相和正交分量是如何影響聲壓級(jí)的，較高頻率處的聲壓級(jí)會(huì)變得更復(fù)雜，因?yàn)殄F形音盆的分割模式[6]。圖7給出了示例換能器的幾種振動(dòng)模式，它的振動(dòng)數(shù)據(jù)只需要8分鐘就可獲得（見表1）。另外，分析由質(zhì)量、剛性或力因數(shù)不平衡引起的搖擺模式對(duì)有簡(jiǎn)單懸掛系統(tǒng)的小型驅(qū)動(dòng)單元尤為重要[7]。盡管在本文中未作詳細(xì)介紹，但也可以使用可放置到掃描平臺(tái)上的MSPM（微型懸掛部件測(cè)量）工作臺(tái)在部件級(jí)別上研究這些小型懸掛系統(tǒng)。

9 結(jié)論

多功能掃描平臺(tái)是一款體積雖小但功能強(qiáng)大的工具，可用于全面的揚(yáng)聲器測(cè)試。由于可以在四個(gè)領(lǐng)域（聲學(xué)、機(jī)械、電氣和磁場(chǎng)）進(jìn)行測(cè)量，并且具有直達(dá)聲分離的全息掃描的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與其他結(jié)合了不同工具且需使用消聲室和大障板的解決方案相比，可以大大減少總空間、成本和測(cè)量時(shí)間。即使是在非消聲環(huán)境下，例如普通工作或家庭辦公場(chǎng)所，多功能掃描平臺(tái)都是任何人想要在以下設(shè)計(jì)階段測(cè)試揚(yáng)聲器的理想選擇：

• 部件（磁體、懸掛）

• 換能單元

• 換能單元 + 部分系統(tǒng)（帶有不同網(wǎng)罩、號(hào)角/波導(dǎo)或夾具/安裝）

• 緊湊的整體系統(tǒng)（例如便攜式音箱或手機(jī)）

參考文獻(xiàn)

[1] C.Bellman, W. Klippel, “Holographic Nearfield Measurement of Loudspeakerdirectivity”, Audio Eng. Soc. Convention Paper 9598, (2016 September).

[2] W.Klippel, U. Seidel, “Fast and Accurate Measurement of Linear TransducerParameters”, Journal of Audio Eng. Soc., Paper 5308, (2001 May).

[3] W. Klippel, “Measurement of Large-Signal Parameters ofElectrodynamic Transducer”, Journal of Audio Eng. Soc., Paper 5008,(1999 September).

[4] IEC 60268-21 Sound System Equipment – Part 21: Acoustical (OutputBased) Measurements, IEC: 2018

[5]W. Klippel, “Measurement andApplication of Equivalent Input Distortion," Journal of Audio Eng. Soc.,Vol. 52, Issue 9, pp. 931-947, (2004 September).

[6] W. Klippel, J. Schlechter, “Distributed Mechanical ParametersDescribing Vibration and Sound Radiation of Loudspeaker Drive Units," Journalof Audio Eng. Soc., Paper 7531, (2008 October).

[7] W.Cardenas, W. Klippel, “Rocking Modes (Part 2: Diagnostics)”, Journal ofAudio Eng. Soc., Paper 9496, (2016 May).

網(wǎng)上資源

B-FieldScanner (BFS), Available from:?

http://www.klippel.de/products/rd-system/modules/bfs-b-field-scanner.html

In-SituCompensation (ISC), Available from:?http://www.klippel.de/products/rd-system/modules/isc-in-situ-compensation.html

MicroSuspension Part Measurement (MSPM), Available from:?http://www.klippel.de/products/rd-system/modules/mspm-micro-suspension-part-measurement.html

NearField Scanner System (NFS), Available from:?http://www.klippel.de/products/rd-system/modules/nfs-near-field-scanner.html

ScanningVibrometer System (SCN), Available from:?https://www.klippel.de/products/rd-system/modules/scn-scanning-vibrometer-system.html

SCN Near Field Add-On(SCN-NF), Available from:?https://www.klippel.de/products/rd-system/modules/scn-nf-scn-near-field-add-on.html

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