揚(yáng)聲器的互調(diào)失真測(cè)試分析探究

張俊平

（江西聯(lián)創(chuàng)宏聲電子股份有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

揚(yáng)聲器是音響系統(tǒng)的放聲單元，其作用是把音頻電能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲能，并將它輻射到空間去。揚(yáng)聲器的非線性是影響揚(yáng)聲器音質(zhì)的一個(gè)重要因素，因此，歷來(lái)都受到聲學(xué)工作者的高度重視[1-2]。目前為止,對(duì)于揚(yáng)聲器已有多種測(cè)試指標(biāo)和方法，除了諧波畸變和互調(diào)失真以外，還有差頻失真、二階堂失真等。對(duì)揚(yáng)聲器的非線性失真的研究，一般只限于高次諧波的產(chǎn)生。

揚(yáng)聲器在重放聲源的過(guò)程中，由于磁間隙的磁場(chǎng)不均勻性及支撐系統(tǒng)的非線性變形因素，會(huì)產(chǎn)生一種原信號(hào)中沒(méi)有的新的頻率成份[3]。因此，當(dāng)新的頻率信號(hào)與原頻率信號(hào)一起加到揚(yáng)聲器上時(shí)，又會(huì)調(diào)制產(chǎn)生另一種新的頻率。另外，音樂(lè)信號(hào)并不是單音頻的正弦波信號(hào)，而是多音頻信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)不同頻率的信號(hào)同時(shí)輸入揚(yáng)聲器，因非線性因素的存在，會(huì)使兩信號(hào)調(diào)制，產(chǎn)生新的頻率信號(hào)。故在揚(yáng)聲器的放聲頻率里，除原信號(hào)外，還出現(xiàn)了兩個(gè)原信號(hào)沒(méi)有的新頻率，這種失真為互調(diào)失真。其主要影響的是高音（亦稱音調(diào)）。

互調(diào)失真的術(shù)語(yǔ)解釋為：當(dāng)輸入基頻為f1,f2,…的正弦信號(hào)（至少兩個(gè)）時(shí)，用頻率為pf1+qf2+…（其中p，q為正、負(fù)整數(shù)）的輸出信號(hào)與總輸出信號(hào)之比表示的幅值非線性。這些信號(hào)可以用功率、電壓或聲壓表示[4]?；フ{(diào)失真是揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非線性特征的關(guān)鍵表現(xiàn)指標(biāo)，主要反映BL（X），Le（X）非線性特性的影響以及聲學(xué)輻射輸出里面的一些非線性影響。揚(yáng)聲器固有的非線性，如力因子BL（X），電感Le（X）以及多普勒會(huì)產(chǎn)生很大的互調(diào)失真。

互調(diào)失真的存在直接影響音響制品音質(zhì)的好壞。作為音質(zhì)評(píng)判的重要技術(shù)指標(biāo)之一，互調(diào)失真的測(cè)試分析非常重要。測(cè)試出的失真尺度對(duì)診斷、改善揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)以及針對(duì)特殊用途挑選揚(yáng)聲器很有價(jià)值。執(zhí)行互調(diào)成分測(cè)量的方法有很多，通常使用含兩個(gè)或以上頻率的多音調(diào)激勵(lì)信號(hào)，含大量頻率的激勵(lì)音更能代表一個(gè)真實(shí)的音頻信號(hào)，但也產(chǎn)生很多需要解讀的數(shù)據(jù)[5]?，F(xiàn)行的GB/T 12060.5—2011 和IEC60268-5：2007 標(biāo)準(zhǔn)中，給出互調(diào)失真的測(cè)試方法為：揚(yáng)聲器置于自由場(chǎng)或半空間自由場(chǎng)條件下，將幅度比為4∶1、頻率為f1和f2（f1＜f2/8）的兩個(gè)正弦信號(hào)接到放大器的輸入端，將f1和f2線性疊加的輸出信號(hào)饋給揚(yáng)聲器。除非另有規(guī)定，測(cè)量傳聲器置于參考軸上距參考點(diǎn)1 m 處[6]。但是具體實(shí)施的測(cè)試分析方案以及不同測(cè)試設(shè)備對(duì)于同一產(chǎn)品的互調(diào)失真測(cè)試結(jié)果是否存在差異，需要進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)此，本文用聲學(xué)行業(yè)內(nèi)常用的Klippel 測(cè)試儀與SoundCheck 測(cè)試儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試方案驗(yàn)證實(shí)施，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析研究。

1 被測(cè)揚(yáng)聲器樣品

被測(cè)揚(yáng)聲器樣品的型號(hào)為φ40 mm 動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器共振頻率F0為230 Hz。

2 用Klippel 儀器測(cè)試互調(diào)失真

2.1 測(cè)試方案

測(cè)試環(huán)境為：溫度24 ℃，濕度50%，自由場(chǎng)。測(cè)試設(shè)備主要有Klippel 失真分析儀、QSCPLX-1802 功率放大器以及B&K4191 麥克風(fēng)。測(cè)試距離為1 m。測(cè)試頻率f1在2 000～8 000 Hz（對(duì)數(shù)點(diǎn)間隔50點(diǎn)掃描），f2=230 Hz。測(cè)試電壓U1=1.1V，U2=4U1（實(shí)際加載在揚(yáng)聲器兩端的電壓）。

n階互調(diào)失真dn是由于失真而產(chǎn)生的頻率為f1±(n-1)f2的聲壓有效值的算術(shù)和與由信號(hào)f1產(chǎn)生的聲壓有效值P(f1)之比，f1和f2為兩個(gè)規(guī)定幅值比的輸入信號(hào)的頻率，f2甚低于f1。

測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)置的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算公式為：二階互調(diào)失真計(jì)算公式，三階互調(diào)失真計(jì)算公式。

將揚(yáng)聲器放置在消音室中，將失真分析儀的輸出端連接到QSC 功放輸入端，并將QSC 功放輸出端與失真分析儀輸入端放大器，使用電纜將揚(yáng)聲器與Klippel 的Speaker 1 接頭相連接。使用外部電源供電的B&K 麥克風(fēng)，將麥克風(fēng)電源供應(yīng)器用XLR（公）連接到Klippel 失真分析儀IN1 端口，通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線將失真分析儀與計(jì)算機(jī)連接。連接方式如圖1 所示。

圖1 Klippel 測(cè)試接線圖

測(cè)試參數(shù)設(shè)置：選擇模式為“互調(diào)（f1）”，將U1設(shè)置為1.22 Vrms（扣除線阻，實(shí)際加載到揚(yáng)聲器兩端的電壓為1.1 Vrms），將U2/U1設(shè)置為12 dB，打開頻率掃描，語(yǔ)音頻率f1在2 kHz 到8 kHz 之間以對(duì)數(shù)間隔50 個(gè)點(diǎn)。將低音頻率f2設(shè)置為f2=230 Hz（揚(yáng)聲器共振頻率）。將預(yù)激勵(lì)時(shí)間設(shè)置為0.01 s。如圖2 所示。

圖2 Klippel 激勵(lì)設(shè)置

2.2 測(cè)試結(jié)果

圖3 為Klippel 測(cè)試的二階互調(diào)失真，主要存在三個(gè)峰值。在2 435 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為42%；在2 650 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為22.5%；在3 235 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為30%。圖4 為Klippel 測(cè)試的三階互調(diào)失真，超過(guò)10%的峰有兩個(gè)。一個(gè)在2 435 Hz 左右處，大約為25%；一個(gè)在3 235 Hz 處，大約為10.5%。

圖3 Klippel 測(cè)試二階互調(diào)失真

圖4 Klippel 測(cè)試三階互調(diào)失真

3 用SoundCheck 儀器測(cè)試互調(diào)失真

3.1 測(cè)試方案

測(cè)試環(huán)境為溫度24 ℃，濕度50%，自由場(chǎng)。測(cè)試設(shè)備主要有SoundCheck 聲卡、QSC PLX-1802功率放大器以及B&K4191 麥克風(fēng)。測(cè)試模板采用SoundCheck 自帶的互調(diào)失真測(cè)試模板（IMD）。測(cè)試距離設(shè)置為1 m。測(cè)試頻率：高音頻率f1在2 000～8 000 Hz（對(duì)數(shù)點(diǎn)間隔50 點(diǎn)掃描），低音頻率f2=230 Hz。測(cè)試主音頻電壓1.1 V，固定音頻電壓（實(shí)際加載在揚(yáng)聲器兩端電壓）為4.4 V。

測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)置的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下：

式（1）為Total IM 的計(jì)算公式，式（2）為Total IM Distortion Ratio（%）的計(jì)算公式。IM 表示“互調(diào)（Inter-Modulation）”。式中：H為諧波電壓分量，f1為高音頻，f2為低音頻，分別為高音頻和低音頻諧波電壓。互調(diào)失真的測(cè)量方法實(shí)際上是對(duì)諧波電壓分量的測(cè)量。

把揚(yáng)聲器放置在消音室中，將Soundcheck 聲卡輸出端連接到QSC 功放輸入端，并且將QSC 功放輸出端直接與揚(yáng)聲器相連，使用外部電源供電的B&K 麥克風(fēng)，將麥克風(fēng)電源供應(yīng)器用XLR（公）連接到聲卡的輸入端口，通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線將聲卡與計(jì)算機(jī)連接。如圖5 所示。

圖5 Soundcheck 測(cè)試接線圖

打開SC 自帶的IMD 測(cè)試模板，在setup 下打開激勵(lì)設(shè)置。分別設(shè)置主音頻模塊（Master Tone）、固定音頻模塊（Slave Tone）的測(cè)試參數(shù)。主音頻激勵(lì)設(shè)置為1.18 Vrms（扣除線阻，實(shí)際加載到揚(yáng)聲器兩端的電壓為1.1 Vrms），主音頻頻率設(shè)置與Klippel 測(cè)試的參數(shù)設(shè)置保持一致，最小持續(xù)時(shí)間設(shè)置為40 ms。如圖6 所示。

圖6 Soundcheck 主音激勵(lì)設(shè)置

固定音頻激勵(lì)設(shè)置為4.7 Vrms（扣除線阻，實(shí)際加載到揚(yáng)聲器兩端的電壓為4.4 Vrms），固定音頻頻率設(shè)置與Klippel 的參數(shù)設(shè)置保持一致。如圖7 所示。測(cè)試參數(shù)的設(shè)置需要滿足如下要求：固定音頻頻率的頻率值，調(diào)整到揚(yáng)聲器的共振頻率；主音頻電壓必須小于固定音頻電壓的4 倍；主音頻頻率至少是固定音頻頻率的4 倍，避免主音頻頻率和固定音頻頻率的疊加；最小持續(xù)時(shí)間大于8 個(gè)周期的固定音頻。

圖7 Soundcheck 固音激勵(lì)設(shè)置

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9 所示。圖8 為Soundcheck 測(cè)試的二階互調(diào)失真，主要存在三個(gè)峰值。在2 370 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為16%；在2 650 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為16.5%；在3 235 Hz 左右存在一個(gè)峰值，大約為15.5%。圖9 為Soundcheck 測(cè)試的三階互調(diào)失真，超過(guò)5%的峰有一個(gè)，在2 435 Hz 左右處，大約為7%，其他峰值都在5%以下。

圖8 Soundcheck 測(cè)試二階互調(diào)失真

圖9 Soundcheck 測(cè)試三階互調(diào)失真

4 互調(diào)失真測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比

Klippel 和Soundcheck 測(cè)試的二階互調(diào)失真數(shù)據(jù)峰值頻率接近，Klippel 測(cè)試的二階互調(diào)失真峰值大于Soundcheck 的測(cè)試值，如圖10 所示。Klippel 和Soundcheck 測(cè)試的三階互調(diào)失真數(shù)據(jù)峰值頻率有細(xì)微差異，Klippel 測(cè)試的三階互調(diào)失真峰值要遠(yuǎn)大于Soundcheck 測(cè)試值，如圖11 所示。

圖10 二階互調(diào)失真差異

圖11 三階互調(diào)失真差異

4.2 差異分析

進(jìn)一步對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行深入分析。通過(guò)比對(duì)Klippel 與Soundcheck 測(cè)試儀的幫助文檔中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)測(cè)試設(shè)備的數(shù)據(jù)運(yùn)算公式存在差異。Klippel 采用的是IEC 60268 標(biāo)準(zhǔn)中的聲壓計(jì)算方式，而Soundcheck 采用的是IEC 60268 標(biāo)準(zhǔn)中的電壓計(jì)算方式，數(shù)據(jù)運(yùn)算方式存在較大差異，因而測(cè)試出的結(jié)果有差異。

進(jìn)一步檢索資料，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比對(duì)分析設(shè)備說(shuō)明書及標(biāo)準(zhǔn)文本，發(fā)現(xiàn)Klippel 參考的是GB/T 12060.5—2011/IEC60268-5：2007 標(biāo)準(zhǔn)中的聲壓計(jì)算方式，即由于失真而產(chǎn)生的頻率為f1±(n-1)f2的聲壓有效值的算術(shù)和對(duì)由信號(hào)f1產(chǎn)生的聲壓有效值之比，但兩個(gè)規(guī)定幅值比的輸入信號(hào)的頻率f1和f2定義恰好對(duì)調(diào)。而Soundcheck 采用的計(jì)算方式為IEC 電壓法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用相同的麥克風(fēng)信號(hào)輸入線路與揚(yáng)聲器激勵(lì)輸出線路，并使用同一型號(hào)的功率放大器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證分析。測(cè)試結(jié)果表明，Klippel 與Soundcheck 的測(cè)試數(shù)據(jù)差異較大。通過(guò)分析數(shù)據(jù)，比對(duì)Klippel 與Soundcheck 的幫助文檔中的互調(diào)失真的計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)測(cè)試設(shè)備的數(shù)據(jù)運(yùn)算公式存在差異，兩者的測(cè)試差異是由于兩種測(cè)試設(shè)備的計(jì)算公式不同導(dǎo)致的。

本文通過(guò)不同測(cè)試設(shè)備對(duì)揚(yáng)聲器的互調(diào)失真測(cè)試分析探究結(jié)果，可指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)人員進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。測(cè)試數(shù)據(jù)需關(guān)聯(lián)實(shí)施測(cè)試的設(shè)備，不同的測(cè)試設(shè)備測(cè)試出的互調(diào)失真曲線，數(shù)值差異較大。Klippel 設(shè)備的測(cè)試結(jié)果處理依據(jù)GB/T 12060.5—2011/IEC60268-5：2007 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)符合性更有說(shuō)服力。