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[音箱] 分享音箱/扬声器检查测量方法(第三部分)

发表于 2022-08-12 22:27 5386 2 来源:影院音频> 音箱 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |

大雁南飞 帖主

2022-8-12 22:27

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了解低音炮扬声器的测量第3部分-低音炮扬声器图解
在Audioholic的低音炮音箱评测中,我们的测量是对低音炮音箱准确再现源内容的能力的分析。这包括测试关于其在线性失真和非线性失真方面的行为。对于熟悉基本频率响应图的人来说,线性方面很容易解释;平坦的曲线意味着它们不会过分强调或低估任何特定的频率范围。我们的群延迟测量也是对线性失真的测试。然而,关于非线性失真,我们想在一组描述非线性失真的低音炮图表中添加一些注,这给我们的一些读者在解释其含义时抛出了曲线球。因此,现在让我们试着用清晰、易懂的术语来解释这些图形,这样可以让它们变得不那么复杂。
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FFT分析
我们所指的图表是在突发测试中测量的丰富多彩的能量/频率量,如上图所示。这是一系列图表的瀑布图,这些图表是通过被称为快速傅里叶变换(或简称FFT)的过程分解记录的测试信号而产生的。这些变换可以在图表中看出来,这些图表描述了在一段时间内哪个频率下释放了多少能量。

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快速傅立叶变换示例

在这之前,让我们再简单地解释一下FFT的工作原理。FFT图可以是一种查看每个频率的能量量的方法,很像基本的频率响应图。然而,它是在一段时间内测量到多少能量的量度。基本频率响应图没有时间维度作为其度量的一部分,但傅里叶变换将时间的函数(记录的波形)转换为频率的函数(频率响应图)。举一个例子,上图是一个傅里叶变换,显示了在一个非常短的时间内有多少声能被释放。我们可以看到,在100赫兹附近释放了大量的声能,在200赫兹和300赫兹附近还有一些小量的声能。无论在这个短暂的时刻发生了什么,都会在100赫兹产生大量的噪音,在200和300赫兹产生了一些轻微的噪音。FFT可以观察任何时间段的能量测量,从纳秒到十亿年。当然,为了使FFT图有用,必须设置合理的时间来观察正在研究的事件。

那么FFT是如何用于分析低音炮性能的呢?我们测量低音炮性能的一种方法是,在某个特定的频率下通过它们运行测试音,并寻找其他频率的输出。任何在其他频率上产生的、不属于测试音的输出都是失真产物。因此,举例来说,如果我们将一个纯100赫兹信号发送到扬声器,而我们在200赫兹听到一些额外的声音,每个扬声器总是会与原始信号一起产生失真,因为完全没有失真的扬声器或低音炮在现实生活中是不会出现的。工程师们并没有试图去建造完美无失真的扬声器(好像是不可能完成的任务)而是努力使失真水平低到无法在预定的源信号上听到,所以越低越好。

我们在超低音扬声器音箱上进行的一项基于FFT的测试,在严重失真之前查看其动态范围,该测试被称为'ANSI/CEA-2010-A供电式超低音扬声器音箱的标准测量方法',但为了简洁起见,我们将直接称之为CEA-2010。在测试建立之后,CEA已经改名为CTA,因此该测试已经正式改名为'ANSI/CTA-2010-A'。然而,在这篇文章中,我们仍将称其为CEA-2010,因为用这个首字母缩写更好,而且我也很固执,不喜欢改变。CEA-2010是对突发输出的测试;;它测量低音炮如何处理以特定频率为中心的短暂输出,或者更具体地说,CEA-2010查看在特定驱动水平下对特定频率产生多少失真。只要频率不是太低,大多数低音炮可以在足够低的驱动水平上声音相当干净、相对不失真的输出。在更高的输出水平上,随着低音炮在机械和电气方面受到更大的推动,失真会急剧增加。CEA-2010是一个测试,因此如果失真产物相对于基频(基频是源测试音的频率)超过了一定的水平,那么低音炮就不能通过测试。在 CEA-2010 测试中记录的测量值是低音炮在出现如此大的失真以致出现故障或根本无法变得更响之前可以管理多少输出,因此,如果失真产物相对于基波超过一定水平(基波是源测试音的频率),则低音炮无法通过测试。
有关CEA-2010测试音和CEA-2010中使用的失真阈值的更多信息,可以参考《总谐波失真(THD)。它是声音质量的一个好指标吗?》这篇文章

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让我们来看看一个没有失真的CEA-2010突发音的FFT,频率为25赫兹

上图中的绿色曲线是爆裂音的频谱形状,这张图只是显示了音调信号本身的FFT,它并不是现实中任何低音炮所产生的东西。你可能会注意到的一点是,大部分的声学能量似乎都集中在25赫兹左右;这就是 "基频",我们通常称之为 "基频",也是这个特定测试音的主要频率。在基波周围有一些小的峰值,这是因为这个音是一个异形的爆发,所以虽然波形的频率主要是25赫兹,但波形的爆发形状确实稍微分散了音的光谱构成。还有一点需要注意的是,如果你看一下触及测试音曲线顶部的红色 "阶梯 "阶梯线,这显示了失真阈值;如果任何失真产品由于具有较高的振幅水平而超过了这些线,那么该低音炮就没有通过测试。现在,让我们来看看实际测试中25Hz的CEA-2010音的FFT。
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从我们的实际测量的上图中可以看出,在更高的频率上有更多的声能,而不是在纯爆裂信号的FFT中看到的。这个测试是在真实世界的条件下进行的,所以其中一些额外的噪音是来自环境来源,像风和马路上噪音。然而,与直接从潜艇本身测得的声压相比,环境贡献通常是很小的,因为我们试图在低噪音条件下进行测量。有时,突然出现的环境噪声,如低空飞行的飞机,会污染录音,这些测量结果被丢弃。那些在测试音信号的FFT中看不到的额外噪音,大部分都是来自低音炮的失真。这个特殊的测量表明,虽然这个低音炮没有超过CEA-2010测试的失真阈值,但它仍然表现出一些明显的非线性。然而,在基音和次高失真成分之间仍有近20dB的差距,因此基音的振幅仍是次高失真成分的近10倍。很有可能的是,即使在这张图上看到了那么多的失真,仍然是完全听不到的。

如果仔细研究上述图,会注意到与基音相比,主要的失真成分有一定的频率规律性。基音以25赫兹为中心,但主要失真分量以50赫兹、75赫兹、100赫兹为中心,依此类推。主要的失真成分是基波的倍数。这些是 "谐波",所以这种类型的失真被称为 "谐波失真"。谐波失真与驱动电平的关系以及失真的偶数/偶数特性都可以作为失真来源的指标。它们也可以作为失真可能的可听性的指标(对于那些想知道这些失真成分可能有多大可听性的人,请参考关于低音频率失真的文章)。

CEA-2010测试
希望读者现在能理解FFT图的性质以及这些突发测试测量结果是如何显示的。现在让我们来谈一谈CEA-2010测试通常是如何进行的,以及传统上显示的结果的意义。CEA-2010测试通常是通过从某个额定驱动电平开始运行突发音,然后提高电平,直到超低频扬声器被推得太猛,超过失真阈值,或者直到它不能再大了。如果超低音炮的输出超过任何失真阈值,那么测量结果就是在达到失真阈值之前的最高驱动水平的记录SPL(我们听到的响度的声压级)。如果低音炮不能变得更响,但没有超过任何失真阈值,则使用其最响亮的通过测量的SPL。所以CEA-2010的测量基本上是每个频率的单一数字,即SPL记录。一些低音炮评测者会注意到通过CEA-2010测量的失真量,以及该数字是失真限制还是输出限制,但最终的测量结果仍然只能告诉我们一点关于低音炮在其性能中的某一点上的表现。

CEA-2010只告诉我们低音炮在其性能的一个极端的表现。不可否认的是,知道这一点很重要,但是大多数人通常不会把他们的低音炮调得那么大。绝大多数低音炮的使用都是在最大输出水平以下或在主要失真输出水平以下。那么,在低于极值的水平上,低音炮是如何表现的呢?这就是我们的爆裂测量图的瀑布图所显示的:在其性能在范围内,低音炮在其性能范围内以标称到高水平运行的程度以及标志着其运行的失真的性质

CEA-2010的FFT图的瀑布图显示了低音炮从常规驱动电平到高驱动电平的频谱行为,而不仅仅是最大输出。。它们是通过测量突发音输出而制成的,从某个没有挑战的额定电平开始,每次提高一个dB。因此我们在一个较低的电平上开始测试,记录一个测量值,将电平提高一个分贝,记录另一个测量值,如此反复。然后,我们将所有的FFT图表测量结果分层为瀑布图,从低驱动电平到高驱动电平,这样我们就可以看到发生了什么样的失真以及失真开始变得更加普遍。

让我们从一个单独的测试音信号的记录开始检查这些图,这样我们可以看到它到底是什么样子。
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这是信号本身的FFT图的简单分层,从低级到高级。你可以从之前的CEA-2010信号的FFT图中认出这个形状。当然,这种行为在现实世界中是不可能的,但这仍然可以作为一个有用的比较点。现在让我们看看一个真实的例子,为了清楚起见,添加了一些标签。

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就像我们之前看的真实世界的FFT图一样,我们看到测试信号之外的声学能量要多得多,特别是在这个测试的较高输出电平下。我们可以看到60赫兹附近看到一个很大的失真尖峰,这是本次测试中20赫兹的基本测试音的三次谐波。我们还看到,在三次谐波之上的其他失真急剧增加,看起来像高阶谐波。4次、5次、6次,等等。不应忽视的是直到最高驱动水平的行为;在接近该低音炮输出的最大极限时,有非常大量的失真,但如果我们看一下仅比峰值输出水平低5dB左右的测量结果,我们可以看到,相对于基波,失真数量急剧下降。只要这个低音炮没有被推到极限,它的声音就应该很好。

让我们从一个稍微不同的角度来看看另一张图:
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上面的图显示,这个低音炮不能被推到产生几乎与上图一样多的失真。这是一款声音干净且性能良好的低音炮,即使在最高的驱动水平下,失真也可能听不到。这里有几件事需要观察:在其中一个FFT 图中,我们可以看到在通常的失真脊背之外有比其他更多的波纹。这可能是由于一些瞬时的环境噪声造成的。我们还看到在测试音基的左边有很多活动斑点,这些东西都应该被忽略,因为它似乎是随机噪音。它出现在所有的测量中,说实话,不知道它到底是由什么引起的。它是听不见的,也不是CEA-2010测试的对象,因为它位于基本测试音以下。在有人认为它是端口噪声之前,它也出现在密封的低音炮测量中。它不是环境噪声,因为它总是以几乎相同的数量出现在基本频率之下,无论基音测试频率是多少,所以如果它不是由低音炮产生的,它也会出现在测试频率之上的频率,但它从未出现。这是我们的一个大谜团之一。

总结
希望这种对突发音测量的瀑布图的解释能帮助那些在解释这些图表时遇到困难的人弄清这些图表的含义。为了重申在这些图表中要寻找的质量,在基本测试音之外的声学活动越少越好,这通常是这些图表中最大的 "脊"。谐波失真成分总是与基本测试音的输出一起显示出来,所以应该寻找的是在什么驱动水平上的失真量。如果失真量只在最高的驱动水平上出现,那么在那之前,失真将不是一个因素。如果失真量在所有的驱动水平上都有稳定的数量,那么需要看的是基音和失真水平之间的差异。基波和次高的谐波失真成分之间的水平相差20分贝,这没什么可担心的,但10分贝的差异可能是可以听到的。即使如此,更多的上下文对于解释这些图中显示的测量行为很有用。Audioholics的评论总是在解释这些瀑布图时提供一些观点,所以即使大家没有抓住这些图表中涉及的所有细微差别和错综复杂的问题,也会提供对可能出现的任何显着特征的观察。

延伸阅读:
分享音箱/扬声器检查测量方法(第一部分)
分享音箱/扬声器检查测量方法(第二部分)
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lszxd 2022-8-13 08:46 Hao4K手机版 显示全部楼层

lszxd 2

2022-8-13 08:46

谐波是不可避免的。同样音高小提琴和吉他的谐波不同造就了不同的音色。现实中低音炮容易出现谐振点引发共振,普通HIFI爱好者如何避免请专家们赐教!
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ddtgps 2022-8-23 12:26 显示全部楼层

ddtgps 3

2022-8-23 12:26

太专业。。。。
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