揚(yáng)聲器與其聲學(xué)環(huán)境交互的方式高度依賴于指向性,并直接影響聆聽體驗(yàn)。從揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)師的角度來看,從音盆材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)到使用數(shù)字信號處理的有源控制,有無數(shù)種選擇可以使揚(yáng)聲器具有指向性或全向性。然而,在三維空間中進(jìn)行準(zhǔn)確的聲學(xué)測量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)測量技術(shù)
傳統(tǒng)指向性測試是需要在自由場中的遠(yuǎn)場進(jìn)行的,這就需要室內(nèi)溫濕度可控、邊界覆蓋吸聲材料的全消聲室或者半消聲室,利用Klippel的極平面遠(yuǎn)場測量POL(Polar Far-Field Measurement)模塊,全自動控制被測聲源在φ和θ軸上旋轉(zhuǎn)并測量其聲壓頻響。
硬件上有不同的設(shè)置方法,一種是只用一個(gè)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行的一維極坐標(biāo)測量:
將測量數(shù)據(jù)通過可視化軟件的處理,就可以得到聲功率、指向性指數(shù)、等高線圖(contour plot)以及極坐標(biāo)圖(polar plot)等結(jié)果。
另一種測試設(shè)置是利用兩個(gè)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行的二維極坐標(biāo)測量,可以得到額外的3D輻射特性氣球圖(Balloon plot):
還有一種替代旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的方案就是利用麥克風(fēng)陣列,硬件設(shè)置如下:
以上這些傳統(tǒng)遠(yuǎn)場測量方法有諸多的缺點(diǎn):
消聲室浪費(fèi)空間、費(fèi)錢、不機(jī)動,試想若要遷址,消聲室怎么帶走?
低頻吸聲不夠,往往100Hz以下測得的響應(yīng)數(shù)據(jù)不可信
對于大型揚(yáng)聲器系統(tǒng)來說,滿足遠(yuǎn)場的第一個(gè)條件就是測試距離要大于揚(yáng)聲器系統(tǒng)的尺寸。而溫濕度在傳播路徑上的變化會影響相位響應(yīng),使得最后的方向性不準(zhǔn),舉個(gè)例子:5m測試距離時(shí),2℃的溫度偏差在5kHz處產(chǎn)生90°的相位誤差。
要得到3D數(shù)據(jù),要讓DUT在多個(gè)軸上轉(zhuǎn)動,對于重型DUT來說不能保證其定位精度
要得到1°角分辨率的數(shù)據(jù)往往不現(xiàn)實(shí),一般都高于2°, 且需要假設(shè)一個(gè)或兩個(gè)平面是對稱的以減少測量時(shí)間
只有遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)可用,近場聲場不準(zhǔn)確,而近場聲場對于評估當(dāng)今便攜式設(shè)備、監(jiān)聽音響應(yīng)用很重要
近場全息測量技術(shù)
近場聲學(xué)全息技術(shù)(NAH: Nearfield Acoustical Holography)的中心思想就是用一系列球面波來近似揚(yáng)聲器在近場的輻射聲場,再通過外推計(jì)算確定其在遠(yuǎn)場中任意一點(diǎn)的聲場情況。可概括為以下三步:
第一步是測量,在聲源近場定義的兩個(gè)掃描面上進(jìn)行掃描;
第二步為全息數(shù)據(jù)處理,用球面波函數(shù)進(jìn)行級數(shù)對聲場中測量的聲壓進(jìn)行擬合,確定展開階數(shù),得到能描述特定聲源特征的系數(shù)。
第三步進(jìn)行聲場外推,計(jì)算得到聲源掃描面外(包括近場和遠(yuǎn)場)任意一點(diǎn)的三維聲場及指向特征。
基于該全息技術(shù),Klippel目前提供兩個(gè)方案:一種就是近場掃描儀NFS(Near Field Scanner)。
應(yīng)用Klippel的專利技術(shù)聲場識別(Sound Separation)提取直達(dá)聲,適用于任何房間的測試,因此無需消聲室!測試過程中,聲源固定在掃描機(jī)器人平臺上,軟件控制麥克風(fēng)移動定位進(jìn)行掃描測量,因此非消聲環(huán)境中的反射是保持一致的,通過分析軟件可以完全補(bǔ)償房間反射。
NFS掃描儀方案適用于多種類型聲源的指向性測量,包括專業(yè)揚(yáng)聲器系統(tǒng)、陣列、喇叭單體、耳機(jī)、智能手機(jī)、智能音箱等等,請觀看以下視頻:
另一個(gè)方案是SCN NF附加組件(SCN Near Field Add-on),專門針對喇叭單體、小型智能音箱或入墻式揚(yáng)聲器的半空間指向性測量。因?yàn)槭荢CN系統(tǒng)的擴(kuò)展,對于已經(jīng)擁有SCN系統(tǒng)又想測試指向性的客戶而言,就很實(shí)惠方便了。
經(jīng)過擴(kuò)展過后的系統(tǒng)就擁有了多重功能,變成了一個(gè)多功能掃描工作臺(Multi-Scanning Workbench),可以執(zhí)行由電氣域、磁場域、機(jī)械域到聲學(xué)域的測量!