多功能测试平台加速扬声器单元研发

Lili匠

Comprehensive Transducer Testing in 24 Minutes

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

1  引言

   关于平衡模式辐射器（BMR）扬声器，“开发时间……比传统的锥形纸盆低音扬声器或圆顶高音扬声器所需的时间长得多”[1]。这主要是由于与评估整个垂直和水平方向性相关的漫长测量时间造成的。一种加快速度的方法是使用KLIPPEL GmbH多功能扫描测试平台提供的统一解决方案。该解决方案还免除了对大型障板和消声室的需求，从而节省了金钱和空间。即使以后COVID威胁降低后，在家办公（WFH）似乎也会在一定程度上保持，那么这将变得很有帮助。使用此多合一设置对BMR驱动单元进行测量，用来说明多功能扫描平台的功能以及与传统测试方法相比的优势。

2  BMR 概述


  BMR，如照片1中Lampos Ferekidis提供的早期Naim原型, 使用与传统电动扬声器相同的电机和悬挂结构，但它在振膜上附加了“平衡质量”[1]。低频时，BMR像活塞一样运动。但是，在较高的频率时，典型的分割区域会被弯曲波区域所取代，就像平板扬声器一样。这使得在较高频率下的波束减少，从而使BMR具有更宽的色散特性。因此，与传统的全频扬声器或二分频和三分频设计相比，BMR在整个音频频带上的行为更像点声源。

照片1：来自Naim Audio的平衡模式辐射器（BMR）扬声器原型

3 多域测量

全面的换能器评估包括跨多个域的许多测量。并行测量不同信号非常重要，因为特定现象的影响和根本原因通常位于不同的域中。要深入了解扬声器的行为，必须能够跨域跟踪症状。

4 测试设置

执行多域测量对测量设备和所使用的设置提出较大需求。尽管当今有许多高端的消费级和专业音频分析工具可用，但是这些解决方案通常仅将电气和声学测试结合在一起。使用这些选项时，通常需要在消声室中使用障板进行符合国际标准的声辐射测量。但是，低频测量的准确性高度取决于房间、换能器和障板的大小以及低频吸收的有效性。另一个问题是障板振动，为了解决这个问题，障板需用实心钢或混凝土制成，但是随之增加的重量会使得障板的操作变得困难。

照片2：来自KLIPPEL GmbH的多功能扫描平台

如照片2所示，配备了SCN近场附加组件的多合一多功能扫描平台，是一个完整且紧凑的解决方案。该硬件有助于进行电气、声学、机械甚至磁场测试（本文中未讨论），并且可以并行测量不同的域，或者在这些域之间进行切换也是平滑且简单的。新发布的声学扫描功能采用了与近场扫描仪（NFS）相同的直达声分离技术，该技术还支持更大的音频设备[2]。与正常的远场测量相比，该技术具有多个优势，例如，与使用转盘和最小麦克风阵列相比，可以在更短的时间内获得近场和远场的完整3D声辐射数据。最重要的是，不再需要大型障板和消声室。一个小的圆形障板就足够了，因为信号处理可以消除边缘处的衍射、声学短路和房间反射的影响。没有了传统的房间和障板尺寸限制因素，即使在一般的工作或家庭办公环境中，该技术在低频下也可以非常精确。该解决方案非常适合进行全面的换能器分析，因为它将所需的一切集成到了可以快速执行多域测量并且节省空间和成本的统一硬件中。

5  电学测量


  T/S参数和阻抗曲线是测量的起点。有几种不同的方法来获得这些结果，包括仅使用电信号的增量质量和增量顺性方法。但是，额外使用激光位移传感器可以更快、更轻松、更精确[3]。再者，借助电学传感器和可选的激光器，测量大信号模型的集总参数和非线性曲线（如力因数、刚性和电感）也将是一项简单的任务[4]。


  使用多功能扫描平台，激光指向振膜中心，就可快速测量得到Naim原型的阻抗（图1）、 T/S参数以及大信号参数和其他曲线（见表1)。多亏了短（underhung）音圈设计，使其具有平坦且对称的力因数特性，如图2所示。

图1：Naim BMR原型的阻抗图


图2：Naim BMR原型的Bl(x)曲线


表1：使用多功能扫描平台对Naim BMR原型进行不同测量所需时间

6  声学扫描

测量和分析声辐射以提取具有高角度分辨率的声功率和指向性通常是测试过程中最耗时的方面。但是，通过使用SCN近场附加组件进行直达声分离的全息测量，仅需五分钟即可完成对高达20kHz的原型驱动单元的完整扫描（见表1），假设其具有旋转对称性，则可大大减少放置在圆形障板中的圆形驱动单元所需的测量点数量。通过该扫描，可以生成3D半空间中任意点的近场或远场声压输出。图3所示的垂直声压输出的极坐标图和图4所示的水平声压输出的等高线图是在远场（10m距离）中产生的。该测量可以在任何普通的半混响房间中进行，测量原理在图5中展示：从测量的响应中去除房间和障板反射，从而提取出直达声。相比之下，使用转盘和单个测量麦克风得到类似数据（1°角分辨率）将需要多达32400个测量点，将花费三到四天的时间，使时间成本增加了约1000倍！除此之外，该测量还需要在大型消声室内或外部进行，这会导致其他问题，例如风、环境噪声和温度变化可能会破坏数据。

图3：Naim BMR原型垂直面极坐标图

图4：Naim BMR原型水平面等高线图

图5：所测Naim BMR原型的近场频响、直达声响应和分离的反射

7  单点测量

对于某些声学测量，例如等效输入失真或脉冲失真（也称为异常音Rub&Buzz），始终建议将麦克风放在近场中，以最大程度地提高SNR并充分减少任何室内影响[5][6]。对于其他响应，例如轴上响应和THD，它们通常以1m或更远的标准距离进行，以确保测量在远场中。但是，在执行声学扫描之后，可以生成（房间）校正曲线，以补偿测量麦克风的位置以及障板或非消声房间的任何不希望的影响。这样，即使在混响房间中进行测量，也可以将麦克风放置在近场中以最大化SNR，同时还可以让虚拟评估点位于另一个距离（例如在远场中）。这意味着可以在一般工作或家庭办公环境中，在一个甚至比房间的物理尺寸更远的评估点处进行标准测量，而单支测量麦克风只需保持在固定位置。如图6中，麦克风实际放置在10cm的距离上，但可以得到转换到1m距离上的轴上响应和谐波失真。

图6：Naim BMR原型的轴上基波响应和谐波失真

8  机械扫描

开发BMR时，必须使用激光位移传感器扫描振膜以评估换能单元的模态振动。较低频率处的扫描没多大意思，因为驱动单元的运动就像刚性活塞。图7表明即使频率在1kHz，Naim原型仍可以完全同相运动。在较高的频率下，传统的中频和全频驱动单元进入分割区域，这可能导致频率响应出现较大的峰值和谷值，从而对音频质量产生负面影响。为了补偿这些影响并展平频率响应，BMR在音圈内部和外部添加了平衡质量[1]。仅需8分钟即可获得其模态振动数据（见表1）, 这些数据可以帮助了解平衡质量在何处放置或调整，也可以帮助验证根据先前计算或模拟出来的位置是否正确。图7显示了几个Naim原型的振动模式。

图7：Naim BMR原型在多个频率处的振膜振动

9  结论

BMR扬声器完美地展示了多功能扫描平台的优势，因为除了标准的电学和单点测量外，还需要全面的声学信息，包括高分辨率的垂直和水平方向性，以及模态振动的分析。由于可在四个域（声学、机械、电气和磁场）中进行测量，并且具有直达声分离的全息扫描的独特优势，表1中整个测试时间相加仅为24分钟！此外，其他解决方案需要针对每个域组合不同的工具，并且需要使用消声室和大障板，与此相比，该解决方案可将测量设备的总成本和空间大大减少。多功能扫描平台是任何人想要全面分析换能单元的理想选择，即使是在非消声环境下，例如普通工作或家庭办公场所。

参考文献

[1]E. L. Ferekidis, K. Fink, “The NaimBalanced Mode Radiator”, (2009).

[2]C. Bellman, W. Klippel, “HolographicNearfield Measurement of Loudspeaker Directivity”, Audio Eng. Soc. ConventionPaper 9598, (2016 September).

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

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

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

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