关于近场合成的谬误

linsong007

这个标题令我犹豫再三，是否该这么写，因为这可能会颠覆掉许多人过去努力的成果。当去质疑多数人都认为正确的事情，难免犹豫。

但凡认真制做倒相式音箱，都会涉及到低音单元与倒相管的近场SPL 测量与合成，这对许多HiFi-diy 玩家来说是熟门熟路了，但在我看来，以往的合成与测量方法都是有问题的。故在此将对这些问题进行分析说明并探讨新的解决之道。

一．近场合成之谬——以往的单元与倒相管近场合成是否可信？

先从一篇经典的文章《JustMLS 用户手册(中文)》（用户简易操作指南 rel 1.00）说起。

文中（p23）是这样阐述的：“……扬声器和导管测量通过合并/相加菜单添加(见下文)。 导管测量(蓝色)刻度下移 8.6dB，以便与扬声器单元(红色) 电平相匹配，下面为导管谐振。 黑色粗线为合成的总频率响应。……”。（下图为原文附图）

相信看过此文的人很多，以至于后来出现了许多类似的“攻略”，进而出现了“20hz处对齐”的说法，更为要命的是……全都信了（这就是再三考虑的原因，可别犯众怒啊）。

这个谬误主要在于——凭什么要把“导管测量(蓝色)刻度下移 8.6dB，以便与扬声器单元(红色) 电平相匹配（在20hz处的曲线重叠）”？或许后来有人给出了一些解释，但没有一条理由站得住脚，而质疑它的理由却很简单，请看下图：

这是一个用LspCAD模拟的倒相式音箱的SPL，我们很容易就能看出，倒相管的低频衰减斜率与单元低频衰减斜率并不相同（红蓝曲线）。如果测量准确的话，这两条曲线只可能在10Hz以下某处交叉或重叠。

我做了许多常态的模拟试验都未出现20Hz交叉或重叠现象（图中黄圈），况且不提如果音箱谐振频率Fb更低的情况。显然，若把倒相孔的近场曲线强行拉低与单元近场曲线在20Hz交叉（重合），那必然得到错误的结果。

再者，现在城市里的环境噪音普遍较多，尤其是在靠近商业、工业、街道等区域，其低频噪音时常是挺强的，只是我们感知不到，（人耳的“A加权”特点）。在普通房间里关上门窗或许能阻隔高、中频率却挡不住低频。

再看前面的“原文附图”，20Hz处的声压比200Hz处的高点要低25dB，要想精确测得此处“弱小”的低频段曲线，甚至还需要一些运气成分（实际测量时你会发现，低频端附近的曲线每次测量都有随机的变化）。

所以，“20Hz处重叠”的方法不但缺少理论依据，连测量也会变得不太可靠，这就是我质疑它是否可信的原因。

当然，更为正确一些的合成方法应该还是有的，这个后面再说，因为还有个近场测量的问题没说呢。

二．近场测量之误——以往的近场测量方法是否准确？

利用近场的高声压去压制环境干扰确实是个好主意。基于圆形振动板的声压分布公式，其轴向声压与距离的关系如下图（A）所示。整个声场（轴向）可分为远场和近场，当距离为振膜的2 倍半径（即直径）以内时，声压是稳定的（针对低频而言），这大概就是近场测
量距离要求不必严格的原由。

然而实际情况并非如此。现实当中的振膜存在“空气附加质量”，就是振膜两面有一层空气会伴随一起振动，相当于振膜的一部分，在此称为“耦合区”（这层空气的质量，就是单元参数Mms 与Msd 的差值），这层空气并没有明确边界，它是一个渐变分布的速度-压力
转换区，直到接近直径距离，其影响才会消失。

测量话筒一旦进入这个区域，会看到声压值迅速上升（而不是理论上的稳定），情况就像下图（B）所示。

近场声压（B）在测量距离小于2倍半径时会出现声压的快速上升，但这里的声压包含了一些“假象”，因为测量话筒会把此耦合区域内的速度和压力都理解为声压并输出（笼统说法），于是问题就出现了。

下图是一个10吋单元（有效振动直径为21cm）的近场SPL实测例子，这组32条曲线自上而下是从（纸盆底部）1cm到32cm等间距距离上测量的结果。

注意图中100~400Hz范围，这些响应曲线的斜率出现了变化，测量距离越近其低频的声压就越强。这个现象应证了“速度-压力转换区”的看法——因为在同样辐射功率下，频率越低振膜的速度就越快，而话筒却将耦合区内的速度也当作声压值输出了。

下图里用了一组红、蓝线段将110hz和400hz连接，可明显看出低频曲线的斜率是随测量距离而改变的！只有在接近耦合区边缘处的近场，频响曲线的斜率才是基本稳定的。图中可见红色线段组的斜率自上而下发生着变化，直到蓝色线段组斜率才趋于稳定（图中喇叭的纸盆中心深度为5cm，所以上数第19条线即为距障板14cm处）。看来这个距离已基本脱离耦合区的干扰了。


在下图，我把第一条曲线与距障板14cm处的曲线做了对比，在400hz处对齐后会看到有约2dB的差异，（若500hz处对齐，差异近3dB），这显示出耦合区内的测量误差。


另一个实测例子是一个装有6.5吋单元（有效振动直径为13cm）的封闭式音箱，这个喇叭的Qts值约为1，所以这个箱体的低频频响会有个“拱起”，这正好可以充当一个参照（下图）。

这组30条曲线自上而下是从喇叭纸盆底部中心1cm到30cm的测量值，我们同样用一些线段将它们的120hz峰值与500hz处连接（见下图）。

经过比对，自上而下的红色线段其斜率是渐变的，直到蓝色线段组趋于相同斜率（平行）。只是这个6.5吋喇叭的振膜直径比前述10吋要小，所以表现没那么显著。当我把第一条曲线与距障板8cm处的曲线做对比（500hz处对齐）后，会看到有约1.5dB的差异。


上述的两个例子中都能看到（实际做过的试验并不只上述两例），在耦合区内越是靠近振膜，低频端就抬升越高，这就使我不得不质疑：以往仅为几厘米的近场测量方法是否准确？当然，你若还是怀疑我的分析是否正确，大可以继续沿用过去的近场测量方法，因为差别仅为3dB以内，对听感的影响不算大，并且喇叭口径越小其差别就越小。

要得到准确一些的近场测量，须尽量避免耦合区内的干扰，但测量距离更远又难免环境干扰（能看到测量距离越远曲线的波折就越明显），这就需要做个权衡。经试验，把测量话筒置于障板前0.6~0.8D处是不错的选择。


关于倒相管的近场测量与单元的近场情况一样，也存在耦合区问题。谁还记得过去手工计算倒相式音箱的谐振频率（Fb）公式吗？

公式中的“(l+0.8d)”就是因“附加空气质量”对声管的长度补偿，相似的“耦合区”位于声管的两端（当然，现在做音箱不必管它了，LspCAD已在内部搞定啦）。所以，测量时用倒相管的内径去替代单元振膜的直径便可。

三．单元与倒相管近场合成的新方法
倒相式音箱自诞生以来，其各项特性早已被研究个底朝天了，但有个“隐含”特征却很少有人注意到——“在箱体谐振频率的√2倍处（即Fb*1.414），单元与倒相管的辐射声压相等。”

用LspCAD随便模拟一个倒相式音箱，无论什么喇叭或多大的箱体，你都能在仿真SPL图里看到这个特征（见下图，“声压相等”点），这就是我们做近场合成的关键。


上图是一个设计比较良好的箱体，我们能看到箱体谐振频率Fb（40Hz）的√2倍处（57Hz）倒相管与单元的声压曲线有个交叉点（黄圈内）。

同样，在设计（或单元参数）不理想的箱体上也是同样如此（更加极端的设计试验也是一样，不妨自己试试看），如下图。


有了这些“理论”指导，接下来就以一个实际的音箱做个测量与合成的示例。

这是一个使用了4吋单元（振膜有效直径8.2cm）的倒相式箱体，容积5.1L、倒相管内径3.6cm（长度约为11.5cm）。

首先要做个阻抗测量，用以准确判断这个倒相式箱体的Fb值（谐振频率）。因为在阻抗双峰不对称时，Fb值并非是双峰的谷底，但我们可以用“0度相位点”把它找出来，如下图所示（实测的阻抗曲线截图）。

比较直观的判断方法是，由图左部相位刻度轴上0度引出的直线与双峰之间的相位曲线交点就是Fb点。精确的方法是打开导出的阻抗数据文件，找出双峰之间最接近0度所对应的频率（如下图）。

看得出，更准确的Fb值为62.5Hz（上图红框），然后将62.5*1.414=88.4Hz。我们就用88Hz作为“声压相等”点来做近场合成。

下图是用justMLS测量好的单元与倒相管的近场曲线。测量距离都是采用0.7D，即单元近场测量距离为8.2*0.7=5.7cm；倒相管测量距离为3.6*0.7=2.5cm。


然后放到“合并/添加”里进行“添加”合成。调整“刻度”的dB值使两个红蓝曲线交叉在88hz处（黄圈内），如下图。

能看到图中的红蓝曲线20hz处并不交叉或重叠（这还是在比较安静时测量的，若是在车水马龙时测量，那低频端曲线还不知是啥样儿呢，想重叠都不一定办得到）。

如果在这个例子里，用像“用户简易操作指南”中那样的操作（把20hz处重叠了，如下图中的黄圈），那合成后就会有较大的误差。

将上面这两个合成后的曲线做个对比，会看到明显的差别（如在60Hz处有4dB的差别，见下图）。


近场合成后，将它与远场SPL做了合成（“障板跌落”处理），结果见下图。进而再与仿真设计的SPL图作个对比看看。

结果还是很相似的吧（为了便于观察，将上图仿真SPL做了比例调整并将曲线改成蓝色了）。


至此，我尽己所能的阐述了以往近场测量与合成中所存在的问题，并给出新的实施方法。目的在于不要让一些似是而非的东西继续影响我们这些实干的玩家。所以，如果您觉得有哪里没说清楚的地方或对此有什么看法，咱们继续探讨。

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在16楼答复616865932朋友的贴中，对“0.6~0.8D”测量距离的缘由做了进一步说明。

sentiger

楼主很用心，也无私的分享，先赞一个。导管频响合成，我一直做不好，虽然发现，和声压有关【在LSPLAB中，更明显，麦克风距离和导管距离不同，测出的SPL就相差挺大的，最后和低音近场相加的频响，会出现非常大的差异】，但是没有能力科学的解决，所以最后只能凭感觉做了。这个问题先顶一下，等高手。当然，楼主就是高手。

高举蓝色的旗帜

近讲效应

sjf003

实战研究，先赞一个。

616865932

近场合成本来就是不对的  老烧应该都知道的

畅享音乐

从楼主的理论与实践验证来看，具有可信性，值得支持。

sentiger

616865932 发表于 2020-4-19 08:56
近场合成本来就是不对的  老烧应该都知道的

怎能说近场合成不对？近场合成是用来模拟消音室的测量结果的，普通室内远场是没法测准低频的，所以采用远近场合成的方式，本来就是很科学的啊。或许您的意思是设计分频器的时候，不需要合成近场数据，这个我赞成。但是最后音箱整体QC测量，还是要用到近场测量数据和导管频响相加，再和远场合并，这样才能正确的得到整体的频响。所以，楼主提出的合成方法很重要，您说的近场合成不对，我表示反对！

stjerry

这个贴子有营养了！顶楼主！

616865932

sentiger 发表于 2020-4-19 10:04
怎能说近场合成不对？近场合成是用来模拟消音室的测量结果的，普通室内远场是没法测准低频的，所以采用远 ...

为什么普通室内没法测准低频  音箱就是放在普通房间听的  所以需要在普通房间测量低频  你模拟消音室完全没必要 也没有用 除非你听音的环境是消音室 这种合成的方法在实际消音室也不会是一致的  必须实际测量

sentiger

616865932 发表于 2020-4-19 10:31
为什么普通室内没法测准低频  音箱就是放在普通房间听的  所以需要在普通房间测量低频  你模拟消音室完 ...

看了你这样的回答，我觉得我们讨论的不是一回事，你说的是音箱在房间的实时频响，和音箱本身的频响，是两回事。你需要用REW等来测量音箱在房间中综合表现频响【和音箱房间都有关系】，而不是现在讨论的用JUSTMLS测量音箱本身频响【消声室的技术数据】，两个话题，两个概念。先得自己做的音箱本身过关，再谈如何在播音房间的摆位吸音驻波控制等。总之，楼主的近场和导管频响相加等方法，我觉得确实非常好。

616865932

sentiger 发表于 2020-4-19 11:11
看了你这样的回答，我觉得我们讨论的不是一回事，你说的是音箱在房间的实时频响，和音箱本身的频响，是两 ...

你这种是厂箱的做法 实际上厂箱不会合成曲线 肯定是消音室测量 合成根本不准 我们diy一般按照实际摆位测量就行了 如果需要消音室效果 还不如买厂箱算了

616865932

sentiger 发表于 2020-4-19 11:11
看了你这样的回答，我觉得我们讨论的不是一回事，你说的是音箱在房间的实时频响，和音箱本身的频响，是两 ...

你肯定没见过消音室测试过倒相式音箱的频响曲线

sentiger

616865932 发表于 2020-4-19 11:34
你肯定没见过消音室测试过倒相式音箱的频响曲线

无意和你争论，我也确实没亲自测试过消声室情况，我只是一个普通业余爱好者，不过厂家测量数据和厂家的测试条件，还是知道一点的，真正的大厂的测试，都标有测试条件的，普通的厂家，还真不具备消声室测量，本坛有很多帖子，您可以找一下，只需找精华贴或者几位版主的帖子看看。本贴楼主辛苦的写了如何正确的合成近场频响以及和导管频响的相加，我觉得应该尊重别人的劳动和分享，如果有实际的建议和沟通，可以大家讨论，而不是一句老烧说，来否定，那就呵呵了。或者如果您真觉得自己的正确又需要科普，也可以另外一贴，说说您的见解，让大家学习一下。谢谢。

三条A

合成过一些，个人觉得合成低频的准确程度，跟自己的硬件和经验都有密切关系。我还是采取耳朵与测试合成相结合算了
从与业内人士的交流了解到，这种合成的方式专业领域也在用。

616865932

用了楼主的办法发现不同麦克风的耦合干扰不同  相同距离测试  低频鼓起来的高度不同  远场测量低频误差却比较少  0.6-0.8d测量距离的依据是什么？  也许与麦克风振膜直径有关系

linsong007

616865932 发表于 2020-4-19 13:03
用了楼主的办法发现不同麦克风的耦合干扰不同  相同距离测试  低频鼓起来的高度不同  远场测量低频误差却比 ...

耦合干扰本质就是“来不及被振膜赶走的空气”所形成的压力，若麦克正对着振膜且很近，那的确会因麦克的直径不同而有所变化（注意是麦克头部的外径），尤其是当离振膜的距离接近或小于麦克的直径时，这种耦合效应是有所增强的。就是说麦克直径越大 耦合效应就越明显。
0.6~0.8D测量距离的依据主要来自以下两方面：
1。根据单元Mms与Mmd的差值可算出附层单面的空气体积，（先假设它有边界的话）约为‘有效直径’X1/4‘有效直径’这么个“圆柱”的体积。若把这个“圆柱”变成一个正态分布的半球体，那它的顶端就在约1/2直径位置。所以，要大于0.5D才可能摆脱耦合干扰。
2。在实际测量时发现，声压随距离下降的梯度在0.7D附近有个转折变化（见图中红线处），我把它理解为脱离耦合区的位置。

仔细辨别发现0.7~0.6D范围内的曲线斜率（指低频段）基本一致（仅1dB以内的差别）。所以认为0.6D距离以上的声压曲线才是可信的，但距离越远就越容易受环境干扰，从而违背了近场测量的初衷（用高声压压制环境干扰），于是提出0.6~0.8D的测量距离。在实际环境允许的情况下，距离更大些当然可以。

bjlwj

感谢楼主，把问题用通俗易懂的语言阐述给大家，最后还给出有理有据的解决方法，让我这种菜鸟又学到了技术。

第一次听说“耦合失真”这个概念，这方面的知识对于普通的上班族DIYer来说确实不容易接触到。楼主是前辈了，猜测楼主是搞研究的，数理功底很强。
以前看测量教程的时候也想问——为什么是20Hz？不能是15Hz，30Hz？话筒离得太近是否包含了非声压的因素？读完楼主的帖子后好像明白了。
从模拟的情况看，倒相管和喇叭单元在SPL相同的地方是+6dB的叠加，说明这个频率处两者的相位相同。频率再低，相位差开始越来越大，合成SPL比两者的SPL都低。
所以本菜鸟觉得楼主的方法非常有道理。SPL相同处倒相管和喇叭单元发出的声音应该也是一致的。用它作为基准，拼接出来才正确。

最近在做自己的第一对4寸小音箱，准备尝试一下这样合成。

linsong007

三条A 发表于 2020-4-19 12:08
合成过一些，个人觉得合成低频的准确程度，跟自己的硬件和经验都有密切关系。我还是采取耳朵与测试合成相结 ...

用LspCAD 5.25做箱体仿真设计，用好“房间&箱室”设置，模拟结果与实际还是相当一致的。

a811215808

虽然我还不懂，但还是要支持

yyf901

内容丰富细致，辛苦了；

拙见，音箱是设计出来的，兼备声音品质和下潜深度的双重优化任务；

单元参数决定它的能力、适合什么类型箱体。。。。；

开口箱是以闭箱为原型的箱体，这一概念很重要，它贯穿开口箱设计；

堵住管道孔是闭箱，测量喇叭Q值---喇叭在箱体上的Q值通常叫 Qtc ，得到Qtc值后要问问自己为什么是这个值而不是其它值？

当测得的Qtc在0.585左右，且Fb≠Fs ，可以确定它是QB3响应箱体；

不问Qtc值，当Fb=Fs ， 可以确定它是BB4响应箱体；

BB4响应的Qtc值会因单元的Qts值不同而不同，且Fb=Fs，特点是箱体大，调谐单一，滚降平缓，瞬态好；

QB3响应的Qtc是定值，且Fb≠Fs，特点是箱体小，调谐个性化，滚降陡峭，有较低的F3和向劣的瞬态；

尽管知道手中的单元适合开口箱，设计成BB4响应还是QB3响应？恐怕要在经验和喜好中优化；

举个18w8545例子：
Fs=28，Qts=0.27，Vas=49；
EBP=104，适合开口箱；
QB3响应容积=49/((0.585/0.27)^2-1)=13.3L
闭箱Fc=28*((49/13.3)+1)^0.5=61Hz；
若Fb=Fc，双峰等高，但频响有4分贝隆起，喜欢这样的声音吗？
若希望正中QB3响应Fb=61/10^(4/20)=38.5Hz；
希望频响有1.5分贝的隆起，Fb=61/10^(2.5/20)=46Hz;

测量是利用工具获取结果的手段，自认数据是可靠的就行，不必太拘泥；


主帖中的各种曲线、位置、形态、幅度等的解释都是以上内容下的产物，没有对错，就像双峰可以等高也可以不等高一样；