扬声器及其系统客观参数测试和主观音质评价探讨.ppt

扬声器及其系统 客观参数测试和主观音质评价探讨,研发中心 何 涛 2019/5/18,声音的产生,扬声器（喇叭） 扬声器系统（音箱）,人耳听音,(功率)分频器,扬声器及其系统客观参数测试 扬声器系统主观音质评价,声音的产生,振动&媒质 声音 水波，光，固液（纵横波） 气（纵波） 声波： f T v ,=vT=v/f 20，101kPa时， 空气中的声速：344ms 温度升高，声速增大 c=331.6+0.6T,声频 20Hz20kHz 次声 超声 频程（带） 声频范围内所有频率按大小次序以一定比例划分为若干频段称频带或频程。通常按等比的方法分为1/1倍频程、1/3倍频程。 f/f。=2n, n=1,1/3 频谱 把组成复合音的各种频率由低到高以其相应的各中心频率声压级的大小，连续排列，即绘制出该复合音的频谱或声谱曲线 ，反映声音的特性 如低频，宽带。,声压 声波对正常大气压的压力,以P表示，单位为帕(Pa)。 声压的大小反映声音音响程度的强弱。 1kHz,闻阈20Pa，痛阈20Pa 声强 垂直于声波传播方向，单位面积单位时间通过的声能量以I表示，单位W 1kHz,闻阈1pW ，痛阈1W,声压级与声强级,以1kHz闻阈为基准的倍比关系的对数值来表示声音强度的大小称为级，单位为分贝（dB） 声压级和声强级数值上是相等的。 声强级（S I L）=10lg(I/I0) =10lg(p2/p02) =20lg(p/p0)=声压级（SPL）,响度、响度级与等响曲线,响度：单位“宋”（sone） 1kHz纯音，声压级40dB时的响度为1宋 响度级：响度相对量，等值与1kHz纯音声压级，单位“方”（phon），表示为LN 等响曲线：是以1kHz纯音作为基准声学信号,把响度水平相同的各种频率的纯音的声压级连成的曲线，每条曲线上各频率的声音的响度感觉是相等的。,由等响曲线可知： 最下面的曲线是闻阈曲线，称为零响度级线。痛阈线是120LN响度级线。对应每个频率都有各自的闻阈声压级与痛阈声压级。在闻阈曲线与痛阈曲线之间是人耳能听到的全部声音。 人耳对低频声较迟钝。频率很低时，即使有较高的声压级也不一定能听到。 声压级愈小和频率愈低的声音，其声压级与响度级相差也愈大。 人耳对高频声较敏感，特别是对于34kHz的声音尤为敏感。 当声压级为100dB以上时，等响曲线渐趋水平，此时频率变化对响度级的影响不明显。,计权声级,根据人耳对高频声敏感对低频声不敏感的生理特性，以等响曲线为基础，在测声仪器中设计了数种具有频率计权特性的滤波器，如A、B、C、D计权网络，由之测出的声级统称计权声级，并分别注明为A声级、B声级、C声级等。A、B、C计权响应曲线接近40方、70方及100方的反向等响曲线。 A声级最接近人耳对声音的感觉特性，现国际上普遍用以作为环境噪声的评价指标；C声级接近线性，反映噪声的客观实际状态；B声级介于上述二者性质之间，但不常用；有的声级计设有D计权网络，突出高频部分(3-6kHz)的响应特性，多用于航空噪声的测量和评价。,人耳听音,原理 1.声波经耳道传送通过鼓膜 2.被听小骨增强之后通过前庭窗传给耳蜗 3.耳蜗中的液体流动使位于基底膜的毛细 胞弯曲 4.毛细胞弯曲引起神经冲动，并以电脉冲形式传输给大脑 5.大脑接收电脉冲信号并解释为“声音“,扬声器（喇叭）,电动式扬声器结构 磁路系统、振动系统、辅助系统 电动式扬声器原理 电&磁 振动 发声 锥形 、球顶型（直接辐射）、号筒,电动势锥形扬声器结构示意图,电动势球顶和号筒扬声器结构示意图,电动势扬声器原理分析图示,F=B I L ， 左手定则,扬声器参数,阻抗曲线 扬声器是一个感性负载元件。对于交流信号而言，它的阻抗是随着频率变化而变化的，可由阻抗曲线图看出。,音圈直流电阻Re （Rdc） 音圈的直流电阻均比额定阻抗小，一般为额定阻抗的0.85倍左右。 如：4x0.85=3.4； 8x0.85=6.8 额定阻抗Z 在谐振峰后面的第一个阻抗最小值即为额定阻抗值。额定阻抗是计算分频器和放大器输出功率的主要依据。 谐振阻抗Zmax 谐振阻抗指的是扬声器f。处的阻抗值。,谐振频率f。 谐振频率指得是扬声器在自由声场中低频段阻抗值达到最大值的时候所对应的频率。 f。的值与扬声器的口径有关，口径大时（重量M大）f。一般都比较低。折环和弹波顺性高时， f。也会低。 等效振动质量Mo 扬声器的等效振动质量指的是扬声器的振动系统和因为扬声器振动时空气的反作用力而附加在锥盆两侧的附加质量之和。,有效频率范围 它是扬声器放声时可以利用的频率范围。它由扬声器的上下限频率确定。国标GB/T 9396-1996规定：在频响曲线上灵敏度最大的区域内取一个倍频程或是厂家规定的更宽范围内的平均声压级再下降10dB，画一条平行于横坐标的直线，它与频响曲线两端的焦点对应的两个频率即为上下限频率。,特性灵敏度 定义为在扬声器装在标准障板上在有效频带内输入1W的粉红色噪声信号，在扬声器正面轴线上离基准点1米的距离处的声压级（单位：dB）,它反映了扬声器单元的易推程度。 灵敏度越高，越易推；但一般失真也会相应增大。所以，高保真扬声器的灵敏度并非越高越好。 额定噪声功率 该参数是指在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号（国标GB/T 6278，对应我司功率实验的IEC 268-5计权粉红噪声信号 ），连续工作100h，而不产生热和机械损坏的信号电压所对应的功率。这个功率也可称为功率承受能力。,等效容积Vas 等效容积是一个扬声器设计中极为重要的参数。它指的是在这个容积中空气的声顺与扬声器的声顺相等（单位：L）它是一个与箱体容积成比例的量，不同的扬声器Vas相差很大，小的只有2升，大的可达三百升以上。 线性位移Xmax 指扬声器锥盆的单向最大线性振幅（单位：mm）现代新型大功率低频扬声器的线性位移可以达到3-12毫米（视扬声器尺寸不等）它有效的提高了现代小口径扬声器的低频重放能力。使小口径单元也能够发出具有类似大口径单元的低频能量。 参考公式：Xmax=(音圈卷幅-华司厚度)/2,有效振动直径D 扬声器振动板的直径与1/2的折环宽度的和（单位：mm）该值不仅与箱体容积有关，而且决定了扬声器在低频段（20-100Hz）可输出的最大声功率。 总Q值Qts 它反映了扬声器f。附近的振动系统的阻尼状态，是决定扬声器低频特性的重要参数。 机械Q值Qms 反映扬声器fo处悬挂系统的机械阻尼状态的量。实际测试表明它对扬声器的中高频的表现也有影响。 电Q值Qes 它反映了扬声器fo处的电阻尼的量。同样它对扬声器的中高频的表现也有影响。,扬声器Q值对曲线的影响图示,指向性 在规定频率范围内，扬声器偏离正面轴向时的频率响应相对于正面轴向频率响应的变化特性即为指向性。 在规定的角度内，中高频扬声器的声压级下降越少越好。 额定谐波失真（THD） 扬声器的谐波失真主要由磁路系统和支撑系统的非线性产生。这个值越小越好，现代高保真扬声器的额定谐波失真大都在3%以下。,曲线与参数相关图示,谐波失真,谐波失真，当输入扬声器某一频率的纯音信号时，扬声器输出的声信号中，除了原来输入的基频外，还出现有二倍于、三倍于基频的信号，通常用总谐波声压的有效值于总输出声压的有效值之比来表示。 n次谐波失真，即由失真产生的n次谐波声压的有效值与总声压有效值之比，n=1,2,3,扬声器系统（音箱）,扬声器系统原理： 低音（声短路），高音（指向性） 分类：密闭箱，倒相箱 等 音箱制作： 单元 （高中低音、超低音） 箱体（木箱/塑料/玻璃钢/水泥/石材等） 分频器（两分频，三分频） 倒相管（孔径和长度，倒相箱） 辅助材料（吸音棉、密封垫等）,音箱参数,特性灵敏度（级） 如果音箱上标注有87 dB，它的含义是指向音箱输入1W的粉红色噪音，在离音箱正前方一米处接收到的音压值是87dB。 从另一角度来说灵敏度的大小反映了音箱的推动的难易程度，灵敏度最好在87dB以上，这样的音箱比较好推动，对功放的要求也不太高。,额定阻抗 是指是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值。 在额定频率范围内，阻抗模值的最低值不应小于额定阻抗的80。 通常是4或8欧姆，当然也有5、6、10欧姆等。 音箱的理想状态时阻抗随工作频率的变化越小越好。,额定噪声功率 参扬声器参数说明 共振频率Fo 闭箱扬声器系统（包括分频网络）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现第一个极大值时的频率。 倒相或无源辐射扬声器系统（包括分频网络）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，第一个主要阻抗极大值后的第一个极最小值时的频率。,频响和动态范围 是指音箱能工作的频率范围，我们一般要求是全频段也就是20 Hz20KHz,频响越宽越好，同时也要求是越平坦越好。但通常在低频端或者两端有衰减。 Q值：0.707 最佳平直响应 等效容积Vas,分频器,原理 电子分频与功率分频 一阶分频（-6dB/oct），90相位 二阶分频（-12dB/oct）,180相位 三阶分频（-18dB/oct）,270相位 四阶分频（-24dB/oct）,0( 360)相位,频率划分,低频段（30150Hz）表现音乐的低频成分，使声音有一定厚度基础,使欣赏者感受到强劲有力的动感。 中低频段（150500Hz）表现单个打击乐器在音乐中的表现力，是低频中表达力度的部分 中高频段（5005000Hz）主要表达演唱者语言的清晰度、明亮度及弦乐的表现力。 高频段（500020000Hz）主要表达音乐的明亮度及层次、色彩，但过多会使声音发破。,乐器的重要频率范围表,小提琴 200Hz400Hz影响音色的丰满度；12kHz是拨弦声频带；610kHz是音色明亮度。 中提琴 150Hz300Hz影响音色的力度；36kHz影响音色表现力。 大提琴 100Hz250Hz影响音色的丰满度；3kHz是影响音色音色明亮度。 贝斯提琴 50Hz150Hz影响音色的丰满度；12kHz影响音色的明亮度。 长笛 250Hz1kHz影响音色的丰满度；56kHz影响的音色明亮度。 黑管 150Hz600Hz影响音色的丰满度；3kHz影响音色的明亮度。 双簧管 300Hz1kHz影响音色的丰满度；56kHz影响音色的明亮度；15kHz提升使音色明亮华丽。 大管 100Hz200Hz音色丰满、深沉感强；25kHz影响音色的明亮度。 小号 150Hz250Hz影响音色的丰满度；57.5kHz是明亮清脆感频带。 圆号 60Hz600Hz提升会使音色和谐自然；强吹音色光辉，12kHz明显增强。 长号 100Hz240Hz提升音色的丰满度；500Hz2kHz提升使音色变辉煌。 大号 30Hz200Hz影响音色的丰满度；100Hz500Hz提升使音色深沉、厚实。 钢琴 27.54.86kHz是音域频段。音色随频率增加而变的单薄；20Hz50Hz是共振峰频率。 竖琴 32.7Hz3.136kHz是音域频率。小力度拨弹音色柔和；大力度拨弹音色丰满。 萨克斯管 100Hz300Hz是影响音色的淳厚感，600Hz2kHz影响明亮度。,音频成分与产生的音色效果,A.评价术语的选取,在国外的研究的基础上进行问卷调查，得到下列六项评价术语： 清晰感、明亮感、柔和感、力度感、丰满感、临场感,结论,主观听感与客观测量参数的关联见下表：,各项T/S参数与评价术语的相关性,听音环境与专业扩声,直达声 i、 声源信息的携带者。 ii、 反映声源的瞬间特性。 iii、决定声音的清晰度。 iv、 声音强度与听声人距离成反比。 v、 缺少高频成分，空气吸收其高频成分，使其声音发暗,早期反射声 初始延时：直达声和早期反射声的时间间隔，给人以亲切感、临场感。At30ms 混响声的特点： i、不携带声源的任何信息 ii、其作用是加强声音的延续时间，是声音丰满。 iii、和早期反射声配合，使声音更加丰满。 iv、混响延时的长短反映了房间大小和空间感,特性指标,最大声压级 厅内空场稳态时的准峰值声压级，即音响系统所能达到的最大音量。 传输频率特性 厅内各测点处稳态声压级的平均值相对于扩声系统传声器处声压或扩声设备输入端电压的幅频响应 传声增益 扩声系统达最高可用增益时，厅内各测点处稳态声压级平均值与扩声系统传声器处声压级的差值就是扩声系统的传声增益。,声场不均匀度 听音区域内各测点处得到的稳态声压级的极大值和极小值的差值 总噪声级 扩声系统达到最高可用增益，但无有用声信号输入时，厅内各测点处噪声声压级的平均值 系统失真 扩声系统由输入声信号到输出声信号全过程中产生的非线性畸变 混响时间 声源达到稳态，待停止发声后，室内声压级衰减60dB所需的时间称为混响时间。,声染色,声音在闭合空间的传播中，由于反射的作用，会激发这个房间的某些固有频率（即简正频率）出现房间共振情况。当发生共振现象时，声源中的某些频率被加强了，出现了声染色现象。 此外，还会使房间中某些频率（主要是低频）的声音在空间分布上很不均匀，即出现了某些固定位置上的某些频率声音得到加强和某些固定位置上的某些频率声音得到减弱的现象，在