谐波失真利用单音进行测量来评估扬声器系统的非线性,非常方便,但不能全面反映非线性失真。在真实的扬声器应用场景中,喇叭需要同时播放多个频率,这时候就需要类音乐特征的多音信号来进行多音失真测量。
多音激励应包括三个或更多音调,每个音调具有唯一且固定的频率。根据标准IEC 60268-21,复多音激励信号定义为:
其中A(fi)为幅度谱,Tp为预激励时长,长度为半个至一个周期之间,以确保被测电声系统的稳态条件。稀疏线谱的对数间隔频率如下:
伪随机相位:
其中m为模数参数,通常由所使用的数字字长定义。其他自由参数a、c和起始值n0(种子)应为正且小于m。修改这些参数会影响生成相位的随机性,从而可以生成具有精确属性的时间信号,这一点对于测试来说非常重要,因为可重复的精确激励信号可以获得可重复且可比较的测试结果。合理的默认值为a=843314861,c=453816693,m=2^31和n0=0。
多音激励信号具有众多优点,其稀疏频谱特性可以将基波分量与失真分量和噪声分量分离;当施加的激励信号有足够宽的频率范围、足够的密度(例如,每倍频程≥10个音调)和足够的振幅(大信号域)时,则会激活喇叭的所有非线性,导致典型的加热和强制对流冷却,(如果有的话)还会激活DSP保护功能(限幅器、压缩器等);另外,多音激励不仅可用于快速评估失真,还还可以用于长期功率和寿命测试。当用于比较和基准化不同的音频设备时,与仅使用正弦波测试相比,它可以提供更加真实、完整的结果。IEC60268-21的多个方面都建议了多音测试,包括评定maxSPL、100小时测试和输入校准。
【多音失真测量】
多音测试已经存在多年了,测量过程也比较简单。首先它产生由多个音调组成的稀疏激励信号,然后捕获并分析响应。在后处理中,与激励信号对应的激发频率处的能量被分离出来(基波分量),剩下的部分则包含了音频系统的失真及所有噪声。这种多音失真测量包括了谐波和互调成分,提供比纯正弦测量和相应谐波失真分析更真实的图像(声学指纹)。
多音失真测量最直接的结果是多音失真谱(MDS: Multi-tone Distortion Spectrum),直接由麦克风信号计算频谱滤波获得,但是该参数很难解读,因为其分辨率由快速傅里叶变换的长度定义,因此,失真大小取决于激励长度。若对所测麦克风信号频谱进行进一步后处理,基波分量、多音失真和本底噪声在相同的频带中积累能量,得到多音响应曲线,分辨率则取决于激励信号。
多音失真由多重非线性引起。多音失真在低频主要是由于刚性Kms和机械阻力Rms导致;电力耦合因子Bl将在整个频率范围内产生失真,而来自位移和电流的电感造成的失真则从共振频率开始出现,并随着频率的升高而增加;在最后的高频区域,音盆振动则会引入失真。
相对多音失真总是小于0dB,低频处较高值则是由低信噪比导致。另一个更加简化的单值结果是总多音失真比(TMDR:Total Multi-tone Distortion Ratio),描述的是总失真RMS值与总多音基波响应RMS值之比,用%和dB分别表示如下:
TMDR用一个单值结果对音频设备的多音失真进行了量化评估,进一步减少了解读数据,特别适用于产线终端测试应用。而且这些相对指标对房间响应和麦克风位置不敏感,可以在扬声器的近场进行测量,从而增加信噪比。