频响测量的SPL准确性与窗口对齐

Lafeite

频响测量的SPL准确性与窗口对齐

我们有测量设备可用，能对分频器做预先仿真，这在一定程度上避免了买一大堆最终毫无用处的昂贵元件。
业余测量，无非是为模拟分频器提供数据，或检验最终频响曲线是否达到要求。
说起测量，首先要谈到信号，有这个信号通过功放送给扬声器，我们才能通过测量话筒借助声学软件知道频响。我们可以这样认为：信号包含了所有频率成分，并且幅度相同，比如脉冲信号。这个信号经过一个系统，假如这个系统是完美的，信号不会被改变，最接近的情况就像我们检查声卡频响看到的那个时域脉冲，非常干净。当这个系统不理想时，话筒接收到的信号不再与源信号相同。前面说了，源信号包含了所有频率成分且幅度相同，那么系统不理想就会改变各频率成分的幅度，我们只要想办法把收到的信号所有频率成分拆分出来，并按频率顺序由低到高排列起来，再把所有频率的幅值用线连起来，这条线就是频响曲线，它直接反映了系统的幅频特性。
把信号包含的所有频率拆分开的工作由快速傅里叶变换来完成，很遗憾，我不懂数学，没法说清FFT是怎么做到的。我上学那个年代，天天搞运动，我做的令人羡慕的事无非是写标语、写那种大字块、出板报、画宣传画，批这个批那个，批了从古到今好多人。批累了也有事干，学校有校办工厂，而且还有农场，离市区好远，经常全校学生排着队，打着红旗去农场，秋后的收成当然与学生无关了。
这是什么都没学会的最好理由呵呵，反正都往这上面推就行了

接着来，电子类学科中应用很广泛的当属傅里叶变换，傅里叶变换传奇就传奇在它解决了两个物理量的隔阂，任何连续测量的时序信号，都可以在傅里叶变换的基础上表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。这里贴几个图



  


其实没必要扯傅里叶变换，我觉得太复杂，这事还是让别人去消耗神经元吧，我们继续扯测量

因为我们的居室不是消声室，反射无法避免，这是现代测量设备一直试图解决的问题。各位都知道时间窗，对，这是我们应对反射的有力帮手，并且每个人都已经熟练掌握。

我要谈到的问题，频响测量。因为前面已经说了，我们测量音箱，一是要了解音箱的频响曲线是否达到也预期要求，二是依赖频响曲线模拟设计分频器。显然第二个是重点，因为用于模拟分频器的频响数据中，要体现真实的相对相位关系，时间窗就非常重要了。比如两分频书架箱，要分别测量高音与低音的频响。而两个单元发声点并不在一个垂直平面上，以球顶高音为参照，低音单元由于锥盆深度问题，发声点要滞后，声音到达测量话筒的路径相对高音稍远一些，因为声速是固定的，低音会稍迟于高音到达话筒。这种情况，我们以高音为基准来设定窗口，重要参数是设置窗口开启延时量，这样测量的结果可以得到两单元真实的相对相移量，这是模拟分频器至关重要的，没有正确的相位，就无法做分频器模拟。
正确的频响测量数据，除了准确的相位曲线，还包括准确的SPL曲线。SPL是什么？

Sound Pressure Level
声音，压力，级别

对，就是指定位置的响度，我们感受到的就是音量大小。
可能有人会说，你举的那个例子，我以高音为准设置窗口，话筒位置，窗口数据、套件电平等都保持不变，声压级这事无须担心，相对值肯定是正确的。
我说不见得。问题在于测量方式。我们使用窗口技术，这事还真不好说了。
还是以两分频音箱为例，以高音为准设置窗口。时间窗起点为高音脉冲，这是获得参考相位的关键。那么测量低音时，我们得到的脉冲肯定要滞后高音，这与窗口整体前移是一样的。下面我们来看看各种软件的实测结果。
为了简单比较，我将窗口适当前移替代低音滞后延迟的情况

JustMLS




JustMLS无法叠加曲线，导入LAB看

只有脉冲对齐的情况下SPL才是正确的，只要窗口前移，或脉冲滞后，SPL曲线就会降低。实际上声压根本没有变，是窗口位置造成的SPL计算错误，我们用这种数据模拟的分频器结果肯定也是错的。

Sample Champion







也是一样的结果，只有窗口起点与脉冲对齐时SPL才是正确的。

REW V5




还是一样，移动窗口后，频响曲线分离，只有窗口起点与脉冲对齐时SPL是正确的。

LoudSpeakerLAB V3.13




LoudSpeakerLAB V3.13的结果比较意外，声压级没有变，频响曲线完全重合。

CLIO V4.52


这是在音箱行业应用非常广泛的专业测量系统，遗憾的是也一样，只有窗口起点与脉冲对齐时SPL是正确的，脉冲稍一滞后，SPL就降低。

以上所做实测全部使用Hanning右半窗口，我们也看到了，只有LoudSpeakerLAB V3.13是准确可靠的。

窗口有许多类型，但共同的特征都是逐渐收缩，只是收缩曲线形状稍微不一样而已。设想能否有一种窗口不存在这种问题，当然，这种想法是很天真的，因为要想有效抑制反射，无论什么类型窗口必须逐渐收缩，而滞后的脉冲肯定被窗口的收缩段压缩，注定会造成SPL降低，这也是窗口技术的一个缺点，另一个缺点是有限的下限，这谁都知道。而LoudSpeakerLAB能保持SPL始终正确是与窗口无关的，实现方法很多，没必要去思考LAB用什么方法实现的。

Sample Champion，LoudSpeakerLAB，CLIO，REW等软件都提供了丰富的窗口类型可供选择，JustMLS没得选，估计它使用全开矩形左窗，Hanning右窗。

偶尔翻看REW窗口类型，发现Tukey0.25，试了下这个窗口，结果如下




曲线竟然与LAB一样全都重合，没有错误，难怪REW默认使用Tukey0.25窗口。

再看一下Tukey0.25窗口形状，这种结果就是理所当然的了。Tukey0.25有占总窗口很大比例的水平段，这个水平段当然不会压缩滞后的脉冲，结果肯定是对的，问题是这种窗口与矩形窗已经很接近，而矩形窗是最原始的窗口，对环境反射的抑制能力有限，这从生成的频响曲线中很容易看出来。
那么问题来了，既然大多数软件都这样，甚至专业的系统，分频器的模拟设计还可信吗？
这个... ，在你该掌握的都已掌握并正确应用的情况下，肯定是可信的。

**********************************************************************

我发这个主题只是让各位清楚窗口技术存在的问题，而这个问题在DIY中影响却不大，甚至无法察觉，因为即使较大的扬声器，其锥盆深度也有限，这可以从高低两单元的两次测量中看出来，二次脉冲偏移量很小，而这个偏移量却为我们模拟分频器提供了必须的相位数据。说到影响，肯定是有的，SPL下降也许就零点几dB而已，可以忽略。我做实验为了使曲线下降更明显，有意将窗口移动很大，最大达到约2ms，这相当于0.6米以上的距离差，不是锥盆深度能比的。
当然，这种影响虽然不大，但在以下几种情况还是谨慎为好。

1、窗口宽度很小，影响会变得很明显，比如5ms以下，因为窗口宽度越小，窗口收缩段的斜率越大。所以，测量环境太小是很不明智的，应加以注意。


2、大型落地箱，如果还是以高音为基准，最下面的低音所多经历的路程可不仅仅是锥盆深度贡献的了。


3、专业音箱，那种高音号角都不短，高音的声源滞后于低音有时非常大。


祝各位开心

flscs1

L版原来忙这猛料呢？

Lafeite

真忙这个就开心轻松了
我忙的都是很伤耳朵的事

呵呵，既然各位比较喜欢用简图说事儿，那就再闲扯一点频响曲线是怎么整出来的，等有时间画几个图再编辑

Julien

好贴，给大师们一记响亮的耳光

蚀骨销魂

好贴留名

hya1951

感谢L版的科普.正能量.
多一些这样的文章,歪理邪说就没市场了.

tongping863

好贴，很专业很强大。

喇叭轩

相当给力，图文并茂！

龙儿

好好学习。。。。希望更多的类似文章

锥盆洗手

L版之贴，必细细研读。能明目聪耳！

luidahua

好资料，希望更多的类似文章，让DIY越来越有谱

玩

等大神来拍砖头，大神理论：好音箱不用测试，耳朵听就搞定

jollee

谢谢老大！看着真舒坦。

指日可待

学习下

三条A

好帖，先收藏好在慢慢学习。

tjtz886

很久没有见到这么有营养的文章了。

okk

顶一个。
支持继续加油。

aweigz

非常有营养的帖子啊，老大果然专业，我等受教了！

crossfirex

长知识了，感谢L版

鞥ine

直观很好理解，营养丰富的好帖~~~~~~~~超赞