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作者 djboy (雞尾酒)
標題 [閒聊] 有關音箱系統測量解讀的碎碎念 (轉貼文)
時間 Sun Mar 12 21:14:19 2023


  (1)本文轉載己獲得原作者 Harry 的同意。

  (2)轉貼原因：

        單論這標題「有關音箱系統測量解讀的碎碎念」，應該就是近年來

      歷久不衰的戰文，甚至是主戰場。

        本文作者除了是聲學領域畢業外，更擔任過3家聲音喇叭廠商RD，對於

      理論與實作自然都有豐富的經驗。(好像現任某家英國世界大廠)

        為了撰寫本文，作者經歷四個月，甚至『製作2顆喇叭』以得到相對應

      的頻譜，然後再做比較與解決。其認真度可見一般，圖文並茂實乃近年

      來不可多得的音響科普文章。


        其中針對一般的頻響曲線與Spinorama，均有所解釋並告知適用範圍，

      同時給以結論。

        對音響有興趣且想要研究者，實為必看之文章。故轉貼之。


  (3)作者資料簡介

        MEDIUM：https://medium.com/@airyfidelity

        FB：https://www.facebook.com/Akoustia

        作者自介：

        一個因為跳入音響坑的深淵而在2016年大學畢業後自己跑到英國去

        的香港人。 MSc in Acoustics Engineering。 曾任職建築聲學顧問，

        及後分別在3個英國音響品牌擔任Research & Development Engineer。

  (4)文章開始


        非常非常強烈建議去作者的medium網站看，那裡的圖片和文章

     是完整對齊的。在PTT上，因為圖片不能直接轉貼，我就只轉文字。

        上篇：https://medium.com/@airyfidelity/8094f31b1373

                [有關音箱系統測量解讀的碎碎念][上]

        下篇：https://medium.com/@airyfidelity/8f3f3a8f129

                [有關音箱系統測量解讀的碎碎念][下]




~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 上篇 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

        一直以來，我見到網絡上都有許多有關音箱系統測量數據的討論。數據的

      來源早期主要是各音響雜誌網站，或者是加拿大National Research Council

      (NRC)的數據庫，到近年則多了諸如Audio Science Review (ASR)和Erin's


      Audio Corner等個人建立的評測資料庫。

        在閱讀這些討論的過程中，我留意到各種諸如「鑑聽喇叭測出來都是一條

      平線，但各家聽起來都不一樣，所以測量沒意思」，又或者「這喇叭的頻響


      曲線看起來怎樣怎樣所以聽起來一定會怎樣怎樣」等等，因為了解不足而產生


      的錯誤概念和對數據的過份解讀。所以這次，我就想以工程師的角度出發，

      談談我對音箱系統測量數據的看法。

        由於文章頗長，我就將其分成上下兩個章節。[上]章會詳談業內各種測量

      音箱系統的方式，以及閱讀各網絡來源上的數據時需要注意的地方。

      [下]章中我會介紹Spinorama這種近代常用的測量規格，並會以一個我以前

      做來測試單元用的2路小音箱為實例，展示和解說兩個不同設計目標下，


      Spinorama的變化和相應聽感，讓讀者可以對測量數據有個更實質的了解

      (我相信讀者應該會對下章感興趣很多……)。

        首先我要在此重提一個重要的概念：音箱是有Directivity(指向性)的，

      即是指音箱向不同角度發出的聲波在強度和頻譜上都有所不同。而我們在

      室內聆聽音箱的體驗，由音箱的直接音，加上房間中的反射音，Room mode

      (可以理解為立體駐波)和殘響場組成。視乎聆聽者與音箱的距離，聽感


      可以由直接音做主導(近)變成由反射音和殘響做主導(遠)，音箱的位置，

      包括中低音單體離地的距離亦會影響Room mode的激發情況。

        了解以上的概念後，你只要稍為想想便知道，你當然不可能單單用一個

      軸向的頻率響應去判斷音箱系統的音色和聲學設計上的表現，而一個音箱

      系統的表現也不止於頻率響應一個領域，有關詳細下章會談及。


        平日的工作上，我們需要得到喇叭單體在裝箱後，向360度不同角度發出

      的聲波頻譜數據，以設計出合適的分頻器，同時透過數據來分析聲學上的


      問題。因為實體電子零件和電腦模擬總會有點分別，所以音箱設計組裝完成


      後亦會再作測量，以取得系統實際的各項數據。那麽我們是怎樣進行測量

      的呢?

        有許多讀者想必聽說過Anechoic chamber(無殘響室)這種設施。無殘響室是

      一個內部所有表面都被吸音物料覆蓋的房間，通常以鋼絲網或金屬網格作為

      「地板」以放置測量樣本並讓人可以在內走動，而且房間會有極高的隔音隔

      震規格，以確保對樣本的測量不會受牆壁的反射及外來的噪音影響。若該無

      殘響室主要用於音箱的測量，室內中央通常會設有一個小型升降轉台以擺放

      及旋轉音箱朝向不同角度，再加上一支正對著轉台的咪高峰(資金充裕的話，


      則會用多支咪高峰組成的扇形列陣以縮短收集多角度數據的時間)。看設計需要


      ，咪高峰與音箱的距離有時可以調整(基本情況下都會以一米作為標準)。

        文章的附圖1展示了一個符合描述的無殘響室。

        進行測量時，一般會讓喇叭播放一種叫Sine sweep的掃頻訊號，多數的情況

      下訊號的電壓會用2.83V為標準。咪高峰錄下訊號後電腦軟件便可以計算出比如

      各頻率的音壓以及相應的諧波頻譜等數據，即我們常說的Frequency response

      (頻率響應)和Harmonic distortion(諧音失真)。


        讀者們可能不了解的是，無殘響室並非完美，無殘響室跟一個普通的房間一

      樣會有Room mode。在我很早期的文章中就提過，籠統地說要透過纖維質/多孔

      質的吸音體去吸收房間中某頻率的駐波，該吸音體的長度至少要有駐波波長


      的4份之1。

        那比如某大小的無殘響室中有個40Hz的Room mode，那每根吸音三角柱就要

      有2.14米長，再加上吸音體和音箱/咪高峰之間要有最小距離，也要讓人有

      空間走動，那考慮到土地空間成本，商用情況下要做到真正全頻(低至20Hz)

      吸音不是那麽現實。即使是加拿大NRC公佈的測量數據都明顯可見有受


      低頻Room mode的影響。所以無殘響室一般都會有個Cut-off frequency，我工

      作的地方的無殘響室在250Hz左右，以前讀的大學的在100Hz。這頻率以上的

      數據基本上準確，以下的受Room mode影響不宜參考，需要使用另外的方法去

      準確取得Cut-off以下的頻率響應，文章之後會提及。


        由於建造高規格的無殘響室的成本非常高昂，許多音響品牌，包括一些知名

      的品牌其實都沒有無殘響室。當中某些品牌會和大學的實驗室合作，租用他

      們規格較好的設施。部分品牌雖會自己建造無殘響室，但大多都有些規格上

      不足之處或各種小問題。


        我有見過用會議室改建但因為沒預好吸音棉尺寸結果門關不緊的(這個有點

      汗顏)。有牆身隔音不夠好的(比如我公司的那個，如果測量時旁邊工廠貨車

      一開車出貨低頻數據就廢了，又要重新再測)。也有見過因缺少升降轉台而用

      小型堆高機來抬起喇叭的，來自堆高機表面的反射十分影響測量結果。其實連

      扇形咪高峰列陣本身，也在咪高峰之間互有反射而影響所測頻響的問題。所以

      在工作時，工程師需要判斷頻響中的特徵到底是來自音箱系統本身的還是外來

      因素造成的。知道如何做出真正準確的測量，以及透過工作經驗累積將測量


      結果和主觀聽感連繫起來，是電聲學工程師十分重要的基本技能。只有這樣

      才能有系統性地進行設計，改進及研發新技術。

        除了無殘響室，Time-gated measurements也是一種常用的，用來獲得某頻率

      以上可信的數據的測量方法。著名的丹麥音響品牌Dynaudio就有一間用來做這

      種測量的巨型房間(長/闊/高13米)，房中還有一個帥氣的機械旋臂半月型咪高

      峰列陣(請看附圖2)。Time-gated measurements的原理很簡單，就是在利用軟

      件計算頻率響應時，只取樣咪高峰錄得的訊號中，從收到喇叭直接音開始到


      第一個房間反射音出現之前那段時間的部分(術語叫Gating或者Time windowing)

      ，這樣房間基本上就不需要做吸音處理。

        但由於要完整地錄得波長較長的低頻部分訊號需時較長，所以做gating大多

      數情況下都會降低低頻部分的數據的「解析度」，這種方法和無殘響室一樣會

      有個Cut-off frequency。要降低Cut-off frequency就必須要盡量將咪高峰收

      到第一個反射的時間推遲，增長可用的取樣時間，所以Dynaudio才要用那麽大

      的地方。


        有些讀者應該記得我之前分享過我工作上有時會做戶外測量，那其實也

      是Time-gated measurements，當時測的是嵌牆喇叭。跑到戶外去的話Cut-off

      就低到可以忽略了，缺點是怕下雨和噪音(那些該死的鳥!)。

        要準確獲得Cut-off frequency以下的頻率響應有不少方法，當中最常用的，

      就是Near-field measurement。這個Near-field「近場」和音響圈子中常說近

      場鑑聽的那個「近場」不是同一個東西，是一種聲學物理上的術語。由於聲


      源都有一定的大小(比如喇叭的體積)，當聲源發出的聲波波長小於聲源或和聲

      源差不多大時，貼近聲源附近一定範圈內會有大量的波干涉現象發生。在這個

      範圍內，聲壓和距離的關係並非等比。


        但當聲波波長比聲源明顯大的時候，聲壓和距離的關係會回復正常。換句話

      說，即是Near-field的範圈是視乎頻率而定的，亦代表在某頻率以下你可以測量

      Near-field的頻率響應再換算得出Far-field(比如1米)的聲壓，而Near-field中

      的聲壓是不會受Room mode和房間反射影響的。


        在一般的書架或座地喇叭上，存在著聲波繞射的現象，即是頻率波長比箱體

      面板愈大的聲波能量，愈會傾向360度擴散繞到箱體後方，波長比面板小的會開

      始集中向前發射。無殘響室/Time-gated far-field測量的頻響中會看到繞射


      現象的發生，但Near-field中繞射現象還未出現(聲波才剛剛離開震膜)，

      我在附圖3中展示出了相關的例子。所以當你需要拼接Near-field和Time-gated

      的測量數據來得到裝箱單體的全頻無殘響響應，或是是用來製作修正曲線修正

      無殘響室的測量數據時，Near-field測量有效的頻率範圍就取決於喇叭面板的


      大小。比如一個22cm寬的喇叭，按公式算有效的測量頻率上限大概在498Hz左右。


        進行測量時，我們會把咪高峰放在盡量貼近喇叭振膜但不至於被震膜運動打到

      的位置(如附圖4所示)。當音箱是Bass reflex式設計時，我們亦需要在倒相管的

      開口處做測量，倒相管和震膜的Near-field響應換算加起來後就可得出系統的


      低頻響應(雖然這個加法通常會有一點點誤差，因要「估」算實際有效震膜/管

      口直徑)。由於測量位置離聲源極近，聲壓很高，我們多半會用較低的輸入電壓，

      怕太大聲會損壞咪高峰。順帶一提，Near-field measurements也是其中一種


      可以明顯看出箱體內駐波共振有沒有被處理好的方法，是十分有用的技巧。

        另一個我喜歡用的方法，是把音箱放在腳架上，在戶外做Ground-plane

      measurement，這可以更方便地直接得出包括繞射現像在內的系統中低頻響應，

      具體做法Google一下就會找到。

        三年多前曾有熟人聯絡問我要不要替一家倫敦的音響雜誌兼職做測量的工作，

      因為本身的負責人想退休了。那時我住在離倫敦頗遠的Suffolk郡，所以就

      沒答應，但多少也有聊過一下，於是便對雜誌做測量的方法有些了解。我留意

      到包括這家在內的不少音響雜誌，由於地方和設施上的限制，都喜歡用室

      內Time-gated measurements測量音箱的中高頻，再拼接上Near-field測量的

      中低頻這種做法去取得音箱全頻的響應。但這個做法其實有很大的問題，尤其

      是三路或以上的音箱系統。


        首先我要說清楚的是，前段所述的拼接做法，都是比如一個裝箱的低音單

      體的Near-field去接無殘響/Time-gated 一米距離的響應，以得出低音單體的

      正確的一米全頻響應，然後我們再用這個數據去做分頻器設計。而當你在一米

      距離測量一個完整的有分頻器的喇叭產品時，你得到的頻響的中低頻部分，


      是低音單體的頻率響應 + 中音單體的頻率響應 + 箱體繞射效應 + 分頻器濾波

      的綜合結果。

        但當你對著低音單體測Near-field響應，你得到的只會是低音單體 + 分頻

      器低通濾波的綜合響應，你怎可能用這個東東和整體系統的Far-field頻率響

      應正確拼接在一起?


        不當地調整Near-field聲壓水平再亂拼接一通的結果，就是像附圖5中那種

      奇怪的有波峰/谷的中低頻響應(許久以前因為工作關係我測量過這款音箱，所

      以知道它實際的頻率響應很平順)。其實有些雜誌自已也知道做法不太對，但

      為了資料的一致性，只能將錯就將一直用這種方法。若果由我來做的話，就

      會用Ground-plane measurements的方法，但這就需要有良好的戶外環境條件

      配合了。


        上面的方法聽起來都很麻煩，到底有沒有方法，可以在室內環境輕鬆地得到

      正確的全頻響應呢? 那就要來說說近代開始流行的Klippel公司推出的

      Near-Field Scanner (NFS)測量系統了。NFS的售價十分高昂，但依然比建立

      測量室的成本要低許多。ASR的Amirm和Erin’s Audio Corner的Erin家裡就有

      一台NFS，我可羨慕他們了。附圖6是NFS設置在Erin的工作室內的樣子。不過

      這裡又要先提一下，Klippel用的這個Near-field和我上面說的Near-field 又

      不完全是同一個東西，建議讀者可以先忽略過去，當它是個產品型號就好。


        Klippel NFS的厲害之處，在於它可以在一個普通的房間內(官方建議最小

      尺寸2.5m長 x 2.5m寬 x 2.2m高)，得到幾乎等同全頻無殘響室中測量的結果。

      它是怎麽做到的呢? Klippel NFS在運作時會用機械臂控制咪高峰，測量以喇叭

      為圓心兩個半徑一大一小的球面上許多點位置的頻率響應，再以一種基於


      Spherical harmonic函數的數學模型運算分離出喇叭的直接音和房間的Room

      mode/反射音，最終得出無殘響響應，在業內是種頗為先進的技術。

        它的缺點就是測量過程很慢，而且當聲源比較特殊或者和理想點聲源差

      距大時(比如開放式障板/屏風喇叭，或是單體數量很多排列結構又奇怪複雜

      的喇叭)，其運算出來的頻率響應和實際的誤差會增加，但大多數情況下都是

      很可信的測量系統。而且系統軟件可以直接輸出Spinorama圖表，非常方便，


      因此我個人認為ASR和Erin的數據庫要比大多音響雜誌和NRC的更有參考價值呢。


        以上就是有關業內測量音箱的方式一事比較籠統的介紹，還有不少的測量方

      式和相關技術細節我就不花篇幅寫了，真要寫就直接可以寫書了。希望讀者

      看完後會對測量一事有更深的了解，敬請期待下篇更有趣的Spinorama講解及

      音箱設計實例。


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※ 作者: djboy 2023-03-12 21:14:19
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