KLIPPEL SCN案例解读
在Klippel教授的年度讲座“音频系统的音质”中，我们会用KLIPPEL测量系统来完成一系列的测试，进行实操演示，这其中也包含了SCN部分，KLIPPEL工程师Benjamin Zenker向大家介绍了SCN软件分析过程。
接下来我们将着眼于DUT测量结果的实际解读，说明SCN在识别与力学和声辐射有关的共通性问题上诊断的价值。
位移传递函数Hx
下图为DUT的位移传递函数响应，可以看出，该DUT的共振频率fs大约为140Hz。在共振频率以下，假设刚性为常数，因为全部激发力量都进入了机械悬挂系统，所以音圈位移是常数。在共振频率以上，将会产生大约12dB/octave的衰减；大约880Hz以后，振膜上产生模态分裂进而产生了差异。
几何数据
辐射体的几何特性数据是进行有限元数值分析FEA中最基本的输入参数，通过SCN激光扫描得到的几何参数可以高精度地描述辐射体的外表面尺寸。测量得到的几何数据还可以通过SCN分析软件导出成3D DXF文件，所有支持DXF文件格式的软件都可以打开。
声压级响应曲线
声压级响应上明显的峰和谷会恶化音质，并且这种音染色很容易被主观感知。分析辐射的第一步就是，计算在轴线和若干偏轴线上某点的声压级响应曲线。这些响应曲线可以表示为直达声在听音区域的变化情况。下图中该DUT的中高频SPL相对平坦和平滑，保持到大约5kHz，±30°偏轴SPL响应下降了3dB。虽然在1.77kHz处出现了小的谷值，但差异没超过3dB。
累积加速度级AAL
分析振动得从计算累积加速度级AAL开始。这个量给出了总和辐射表面上的所有点的体积速度（不考虑相位差异的影响）而得到的有可能最大的SPL。当在低频段时，AAL值和轴线上的SPL响应相等，这是因为此时辐射面的振动犹如一刚性体，没有声抵消出现。在高频段，在AAL响应上会出现一些峰值，这些峰值位于机械模式的固有频率点处。
被测喇叭单元的AAL曲线上在1.27kHz有一个峰，如图所示，这在SPL响应上却看不到。SPL响应在1.77kHz处出现低谷，正好此时的累积加速度也对应着有低谷出现。
声功率和指向性指数
下图显示了所测DUT最重要的三个响应：SPL、AAL和声功率。低频段，声波波长远大于几何尺寸，音盆振动类似刚体运动，使得喇叭产生一个全向性的辐射图，因此这三条曲线大小皆相同，指向性指数DI为0dB。高频段，模态分裂产生，声抵消造成了AAL与SPL输出的差异，而轴上SPL与声功率的差异则对应于上升的DI。
反谐振
反谐振是第一个弯曲模式的先兆。在此频率点，质量和外环区域的纵向劲度组成一个谐振系统。此时的外环区域的位移很大，而相对应的策动力处音圈的位移却较小。此现象我们称之为“反”谐振。这个频率点可以用下面的方法找到：查找靠近音圈位置的rcoil点的幅值响应函数Hx的局部极小值所对应的频率点。
声抵消现象
前面已经多次提到了声抵消，该现象主要是由于辐射面上不同区域的体积速度的部分补偿，导致SPL与AAL响应上的差异。声压相关分解方法有助于识别有关声抵消方面的问题。声抵消是因为同相分量和反相分量各自有着相同的 AAL值，也就是说每一个分量所产生的SPL值是相等的。几乎相等的同相分量与反相反量之和就导致了总的SPL响应上较深的谷。一般来说，只要同相分量SPLin和反相分量SPLanti之间的的差异小于10dB，就会产生声抵消现象。
上图反映了对被测喇叭进行声压相关分解。在活塞模式区，反相分量只有最多40dB的输出，可以忽略；反谐振频率880Hz以上，反相分量稳步上升，并在第一个弯曲模式1.27kHz时达到最大。此频率点处，同相分量与反相分量差值大约9dB，所以随后在1.77kHz处的声抵消现象并不明显，谷值小于3dB。
为了更直观地看到声抵消现象和介绍消除方法，我们用另外一个平板喇叭的测量案例来加以说明。下图展示了对该平板喇叭进行声压相关分解结果。可以看出，在1.1kHz、4.4kHz、7kHz处出现了声抵消，总SPL曲线上出现了明显的谷值，此时同相分量大小与反相分量大小几乎相等。
要避免声抵消或消除总的SPL响应上的谷值，需要同相分量始终起着主导作用，其SPL或AAL响应应至少高于反相分量6dB。起着主导作用的同相分量来自于辐射面固定区域的振动，但这部分区域是受限制的，且随着频率的升高，该区域会逐渐减小。传统的音盆顶角都会小于70°（如我们讲座中的示例DUT），它出现分裂模式是逐渐从外区域往内的。第一个波节比较靠近外折环，这是因为音盆壳在此处的曲率要比趋于音盆中心部分的曲率要小，其弯曲劲度也要低得多。类似于上图中示例的平板活塞型扬声器，或有着较大顶角（>70°）的较浅锥体的单元所产生的第一个波节位于靠近驱动中心一侧，这将导致较为严重的反相分量的产生。试图通过更换材料的杨氏模量E来解决这个问题，通常是不行的，因为它只是让声抵消点的频率转移，其模式的形状和节点的位置依然十分相似。改变损耗因数也不能解决声抵消的问题。唯一的办法就是改变模式的形状，这可以通过改变质量的分布或者振动壳体随半径r变化的弯曲劲度来达到。我们可以把振动壳体的厚度随着半径的降低而加厚来实现，或者在内侧活塞区域的背面增加额外的加强筋来实现，这既可以保持外侧区域的弯曲劲度较小，又可以增加内侧的弯曲劲度。因此，一个平板的辐射体也应该让其首个弯曲模式靠近外折环，以使其辐射体中心区域产生的同相分量占据主导，如下图 所示。
周向分量
被测示例喇叭单元是圆形的，属于轴对称形状，因此可以将其振动分解为径向分量和周向分量。如下图所示，轴向上的周向SPL分量很低，径向分量对于轴向上的SPL响应起着主要的作用。
然而，在偏轴60°上某测量点处所产生的周向SPL分量较高，对于总SPL输出有着较明显的（负向）贡献。
下图给出了周向分量在不同频率处的指向性图，可以看出，周向分量对于轴上响应（0°）的影响不太明显，偏轴角度（如60°）时有着较高的SPL输出，产生了散射声从而降低了扬声器的指向特性。
有效辐射面积Sd
对于本次测量的示例DUT，其有效辐射面积可以根据喇叭的几何尺寸来近似，即读取折环区域中间的直径d≈8cm，计算出来Sd＝50.24cm²。
通过SCN分析软件可以精确测量有效辐射面积Sd，它是一个关于频率的函数，如下。在低频处，Sd的大小几乎是恒定的，代表了活塞运动的有效辐射面积，SCN软件中通过平均谐振频率处的有效辐射面积给出Sd=49.34cm²，这和直接的几何尺寸近似值很接近。
摇摆模式
出现在折环上的首个圆周模态将导致音盆锥体和音圈产生摇摆运动。这有可能会导致音圈在磁隙中出现碰擦现象，产生可闻的失真，甚至导致扬声器的永久性损坏。摇摆模式对于总的声压输出没有明显的贡献。侦测摇摆模态或其它周向模态最好的方法就是测量其正交分量的AAL响应。
对于所测试的示例喇叭，分裂模式之前正交AAL分量曲线上并没有明显的峰值区域（正交AAL分量低于总AAL超过20dB），说明该喇叭并没有明显摇摆问题。
一般像耳机或微型扬声器都没有设计定心支片来进行稳定，这类单元更易于出现摇摆模式。来自折环角度方向上的任何刚性的变化、附加引线的惯性都会激发并促使摇摆模式的产生，其在AAL幅值响应上有明显的变化，但是在辐射的声压输出中却很难侦测到。KLIPPEL提供专门的模组——摇摆模式分析（RMA: Rocking Mode Analysis）来帮助侦测并解决此类问题，我们将在该系列后续的文章中进行介绍。
SCN分析软件非常强大，其使用扫描测振仪提供的扫描数据对机械振动进行可视化、动画展示和模态分析，并预测半空间声场中任意点的声压输出和极辐射特性。新颖的分解技术能够帮助我们更好地了解振动与辐射之间的相互作用，对扬声器进行可靠诊断。
