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揚聲器之量測分析概論
 

【作者: 劉佳炘】   2005年11月02日 星期三

瀏覽人次:【3518】

阻抗與相關參數

一個揚聲器底架或系統的阻抗曲線所提供重要參數特性將響應於低頻時。這些參數包含了品質因數(Quality factor)Qt,共振頻率(Resonance frequency)f和等體積(equivalent volume)Veq。在本文所使用的方程式將與DIN IEC 268,part5一致。


測試裝置

為了量測揚聲器陣列(Array)或系統阻抗(複數)的值,下圖連接到產生端(+和-)的XLR輸出Channel 2以及在產生端輸出量測電壓差V1。


《圖一 阻抗量測裝置    》
《圖一 阻抗量測裝置 》

開放電路產生器電壓Vq為已知,可得下列電壓比


《公式一》
《公式一》

因為複數阻抗,上式無法解出阻抗Z,但是產生端可使用電流源求得|Z|


《公式二》
《公式二》

如此可得下列式子:


《公式三》
《公式三》

為了揚聲器的阻抗,產生器之阻抗為600Ω,需滿足|Z|


《公式四》
《公式四》

直流阻抗

為了計算品質因數(Q Factor)需要直流阻抗RDC。此量測可完成直流方程式。為了設定一個補償,幾乎所有產生器的訊號皆使用直流訊號,而且交流訊號位準設定為零。並且為了補償方程成為主動,其低失真產生器需關閉。一交流電壓,如6.0V產生一個10mA的電流。


《圖二 設定直流阻抗的量測》
《圖二 設定直流阻抗的量測》

阻抗之頻率響應

為了證明和決定隨後全部的參數需要阻抗頻率響應,根據DIN IEC 268,決定阻抗頻率響應的頻率範圍至少要在20Hz到20KHz。為了量測此響應可選擇對數頻率掃描或使用(線性)快速傅立葉轉換雜訊,其結果需要以對數方式呈現在任何情況下。若沒有特殊理由選擇快速傅立葉轉換雜訊(例如on-line response),頻率掃描應優先給量測最小數目的點,因對數排列和雜訊訊號的不確定性經常出現在高頻率時。此外,為了搜尋程序掃描最小數目的點,將會降低程式執行時間。因此為了得到最大量測速度,必須關閉頻率量測。


《圖三 阻抗特性及多路徑揚聲器之計算(B軌跡表現為參考標準單位之阻抗特性)	》
《圖三 阻抗特性及多路徑揚聲器之計算(B軌跡表現為參考標準單位之阻抗特性) 》

共振頻率和共振阻抗

共振阻抗Zr為阻抗曲線在共振頻率fr第一個主要的最大值。此二值可由圖形的幫助下直接從阻抗曲線裡讀取,並在程式中得知。


調諧頻率是在阻抗曲線表現為第一時最小的頻率值,其值在共振頻率之後為增加的頻率。並且可由阻抗曲線直接讀取。


品質因數

品質因數Qt是由阻抗曲線根據以下公式所得出:


《公式五》
《公式五》


其中:


,=共振阻抗與共振頻率。


調諧阻抗與調諧頻率。


R0=共振阻抗標準化R,R0=。


R1=阻抗標準化R與和之間,R1=SQR(R0)。


F1=此頻率位於共振頻率在阻抗之下。


F2=此頻率位於共振頻率在阻抗之上。


《圖四 決定的阻抗參數		》
《圖四 決定的阻抗參數 》

體積量(Equivalent Volume)

揚聲器陣列的等量Veq定義為風量(air volume),其量相等於揚聲器之陣列。


第一阻抗量測完成於揚聲器陣列開?時,揚聲器可容納在較小及堅固的外罩,開始於而不會有任何額外的通道和絕緣圖。再次決定共振頻率等體積量時,參考值便可由下列公式得出。


《公式六》
《公式六》

其中:為揚聲器外罩的內部體積小於揚聲器陣列體積


音壓之量測(Sound Pressure Measurements)

音壓變動程度對於頻率之結論可繪製成揚聲器的音調品質圖。當沒有上述資訊時將無法得知分頻元件大小。此外,一個系統的音壓特性所提供的資訊,在揚聲器系統可能的反極化效應中提供一個正確極化參考系統的音壓曲線。


一揚聲器的最大音壓(在一般功率下)、靈敏度(在1W時)與音壓在一個固定頻率量測時,可量測距離最遠為1公尺。其量測靈敏度(單位為dBspl其功率為1W及與麥克風距離1公尺)可儲存在量測頻率響應時的參考值。音壓量測表為靈敏度的量測和音壓頻率之響應。


測試裝置

測試裝置需要一功率放大器,已校正之標準麥克風,並且可能也需要麥克風放大器。


《圖五 音壓量測測試配置 》
《圖五 音壓量測測試配置 》

音壓量測時應處於量測時沒有間接雜訊的無回聲實驗室。若無此類型的實驗室,在量測時會經由牆面,地板或天花板造成許多反射訊號放大或者是特定頻率衰減聲音位準。當同相或相差90度時在最強的放大量或衰減量會產生訊號疊加。此影響無法完全避免,但是可以下列方式減少疊加效應:


  • 以可吸收聲音之物質(如地毯或窗簾等)覆蓋所有牆面減少回音量;


  • 縮減麥克風之最小距離,並且增加直接訊號量在與回音量的關係式中;


  • 以最適合的位置來擺放標準麥克風和揚聲器以增加回音之最大路徑。以此方式可減低回音量並擴大一個無回音量測之週期。在理想的情況下,尤其是在高頻時可獲得麥克風在回音到達之前端點的量測;


  • 使用雜訊或突波訊號替代連續的正弦訊號。如此一來可精確地量測回音量影響電流的量測。



音壓量測可在近場,遠場和結合近場/遠場的量測上實行。


近場量測(Near-Field Measurements)

為了量測近場量測,麥克風需盡可能靠近揚聲器。如此一來,便可得到極高的信號位準以及在許多情況中可忽略的反射訊號。麥克風與揚聲器需位於虛擬球體之中心並且其表面靠在最接近的牆面。近場量測可在非完全聲音吸收(sound-absorbing)之房間內執行。然而,其結果僅成立在低頻時。其方程式為:


《公式七》
《公式七》

結果為一頻率限制:


《公式八》
《公式八》

r為揚聲器之半徑距離


遠場量測(Far-Field Measurements)

為了遠場量測,麥克風與揚聲器之間距離至少要三倍於揚聲器的大小。實際上,此距離一般為1公尺。麥克風和揚聲器需置於橢面中心處並且其表面靠在最接近的牆面。因為遠場量測對於回響(Echoes)是非常敏感的,所以執行回響時必須在一open field或是一無響室(Anechoic room)中進行。


各種音壓單位

線性參考單位

  • μBar:參考值 = 靈敏度 + 增益值(20dB)


  • Pascal:參考值 = 靈敏度 + 增益值



對數參考單位

  • dBspl:參考值 = 靈敏度 + 增益值(94dB)


  • 0 dBspl(sound pressure level)定義為0.0002μBar(= 20μPascal);


  • 20×lg(0.00002)dB = -93.98dB


  • SENSITIV:參考值 = 儲存揚聲器之靈敏度


  • dBr:參考在dBV


  • REF SPK:參考標準元件(Golden unit)的頻率響應



標準麥克風的靈敏度單位為dBV/Pa和量測放大器的增益值。


相位與相關參數

需要音頻元件的相位其重要性在過去數年呈現線性增加,並且也應用在一些揚聲器廠商為了避免相位位移而使用的無分頻元件單一系統上。通常來說,相位之非線性由一線性頻率掃描便可檢測得知。其相位延遲在一固定頻率提供相關資訊於揚聲器陣列或系統中。


測試配置

測試配置與音壓量測相同,但沒有必要使用功率放大器。在配置中沒有功率放大器,並且產生器輸出端與揚聲器平行連接。


《圖六 相位量測之測試配置圖》
《圖六 相位量測之測試配置圖》

相位之頻率響應

相位線性應在其相位位於揚聲器輸入端與產生聲音波形之間量測的線性頻率掃描中檢查,在線性相位響應的情形,此線段為一負斜率。為了得到無360度位移的連續相位響應,其掃描點範圍應介於0與360度之間。此應用軟體的演算法需要另外的相位值,在二個鄰近掃描點間量測變化小於180度。在定義麥克風距離的訊號傳送時間為:


《公式九》
《公式九》

需要條件為:


《公式十》
《公式十》

產生頻率增加量為:


《公式十一》
《公式十一》

或訊號傳送開始時間之後


《圖七 群延遲來自於相位特性曲線》
《圖七 群延遲來自於相位特性曲線》

程式計算掃描階段是根據以下公式計算出麥克風距離:


《公式十三》
《公式十三》

要留意麥克風的距離不應該建立太遠,否則將要求頻率範圍不得覆蓋最大允許掃描點(1024)。此情形為:


《公式十四》
《公式十四》

必須滿足以上情況,或麥克風距離為:


《公式十五》
《公式十五》

線性分離和群延遲

評估相位線性由掃描圖形為不確定的,因為其範圍最大在180000°(1024×180°)必須表示在Y軸線性刻度。一最好的綜述為提供兩個可選擇的模式,並且線性分離和群延遲。


(作者為R&S羅德史瓦茲系統應用部工程師)


延 伸 閱 讀
目前在功率擴大機業界正興起一股應用高速切換技術的風潮,這種被稱為”Class-D”、”Class-T”甚至被誤稱為”Digital Amplifier”的設計,可以顯著提昇功率放大效率及降低成本。相關介紹請見「切換式(switching)擴大機的測量 」一文。
現在的噪音量測方式,當考慮到是對人的影響時,就在量測儀器內設計一種「A權線路」使儀器在接收與計算聲音音量時,就像人耳在接收一樣﹐使低頻部份的音量被大幅衰減。你可在「 WAV 聲音檔製作(錄音程式)與處理」一文中得到進一步的介紹。
從國與國之間的骨幹網路連結,到整合中的有線/無線寬頻網路,都揭示著聲頻信號的整合已經產生巨大的變化。在廠商積極投入通訊產品製造與開發之際,特別著重傳輸品質的通訊產品也促使更多廠商的通訊量測儀器投資額大增。在「電子量測儀器市場展望 」一文為你做了相關的評析。
相關網站

R&S羅德史瓦茲網站

Tektronix太克科技網站

Agilent安捷倫科技

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發言於2006.01.03 01:45:38 PM
引言 :
掃描應優先給量測最小
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