缩小实验室规模而非测量结果（译文）
Shrink Your Lab, Not Your Results
Andrew Taylor
KLIPPEL GmbH, Mendelssohnallee 30, 01309 Dresden, Germany
1 引言
从单个组件到换能器单元再到完整的有源音频系统的扬声器测试通常需要大量不同的设备，这可能会需要扩展昂贵的测量设置。缩小研发实验室规模而又不影响测量能力或准确性的一种方法是使用KLIPPEL GmbH多功能扫描平台提供的统一解决方案。这种适度的设置可在正常工作或家庭办公室中使用，而无需大型的障板和消声室。甚至在COVID威胁降低之后，在家办公（WFH）似乎也会在一定程度上保持，那么该方案将变得更有帮助。本文中，使用这种多合一设置测量的示例换能器单元的结果将用于说明多功能扫描平台的功能以及与传统测试方法相比的优势。
2 多域测量
在整个设计阶段要全面表征和评估扬声器，就需要在许多不同领域进行测量。并行测量不同信号非常重要，因为特定现象的影响和根本原因通常位于不同的域中。要深入了解扬声器的行为，必须能够跨域跟踪症状。
如照片1所示，配备了SCN近场附加组件的多合一多功能扫描平台，是一个完整且紧凑的解决方案。该硬件有助于进行电气、声学、机械和磁场测试。并且可以并行测量不同的域，或者在这些域之间进行切换也是平滑且简单的。新发布的声学扫描功能采用了与近场扫描仪（NFS）相同的直达声分离技术，该技术还支持更大的音频设备[1]。与正常的远场测量相比，该技术具有多个优势，例如，与使用转盘和最小的麦克风阵列相比，可以在更短的时间内获得近场和远场的完整3D声辐射数据。最重要的是，不再需要大型障板和消声室。一个小的圆形障板就足够了，因为信号处理可以消除边缘处的衍射、声学短路和房间反射的影响。没有了传统的房间和障板尺寸限制因素，即使在正常工作或家庭办公环境中，该技术在低频下也可以非常精确。该解决方案非常适合进行全面的扬声器分析，因为它将所需的一切集成到了节省空间和成本的统一硬件中，可以快速执行多域测量。
4 磁场测量
磁铁是电机结构的重要组成部分，它决定了最终扬声器的大信号性能。可以使用BFS传感器测量磁特性，它是一种小型霍尔传感器，安装在多功能扫描平台的激光外壳上（照片2）。这种薄传感器适合大多数换能器电机结构的气隙。其测量结果可以验证FEM模拟或检查气隙中的磁场不一致（可能会导致摇摆模式）。还可以从所得的B场扫描中模拟不同的线圈设置并获取相应的Bl曲线。示例换能器中磁体的磁通量密度和磁通量密度偏差分别在图1和图2中展示。
照片2：B场扫描仪的BFS传感器
图1：示例换能单元所使用磁铁的磁通密度
图2：示例换能单元所使用磁铁的磁通密度偏差
5 电气测量
测量T/S参数和阻抗曲线的方法有多种，包括仅使用电信号的增量质量和增量顺性方法。但是，额外使用激光位移传感器可以更快、更轻松、更精确[2]。再者，借助电学传感器和可选的激光器，测量大信号模型的集总参数和非线性曲线（如力因数、刚性和电感）也将是一项简单的任务[3]。
使用多功能扫描平台，激光指向膜片中心，就可快速测量得到示例换能单元的阻抗、T/S参数以及大信号参数和曲线（见表1）。多亏了过短（underhung）音圈设计，使其具有如图3所示平坦且对称的力因数特性。
测量和分析声辐射以提取具有高角度分辨率的声功率和方向性通常非常耗时。但是，通过使用SCN近场附加组件进行直达声分离的全息测量，仅需五分钟即可完成对示例换能器高达20kHz的完整扫描（见表1）。假设其具有旋转对称性，则可大大减少放置在圆形障板中的圆形驱动单元所需的测量点数量。通过该扫描，可以生成3D半空间中任意点的近场或远场声压输出。这些快速而完整的测量也非常适合调查不同网罩、号角/波导或夹持/安装选件的影响以及测量紧凑型完整音频系统（如便携式设备）。图4所示的水平声压输出的等高线图是在远场（距离为10m）中产生的。该测量可以在任何普通的半混响房间中进行，测量原理在图5中展示：从测量的响应中去除房间和障板反射，从而提取出直达声。相比之下，使用转盘和单个测量麦克风得到类似数据（1°角分辨率）将需要多达32400个测量点，需要花费三到四天的时间，使时间成本增加了约1000倍！除此之外，该测量还需要在大型消声室内或外部进行，这会导致其他问题，例如风、环境噪声和温度变化可能会破坏数据。
图4：示例换能单元水平面等高线图
图5：所测示例换能单元的近场频响、直达声响应和分离的反射
7 单点测量
对于某些声学测量，例如等效输入失真或脉冲失真（也称为异常音Rub&Buzz），始终建议将麦克风放在近场中，以最大程度地提高SNR并充分减少任何室内影响[4][5]。对于其他响应，例如同轴响应和THD，它们通常在1m或更远的标准距离进行，以确保测量在远场中。但是，在执行声学扫描之后，可以生成（房间）校正曲线，以补偿测量麦克风的位置以及障板或非消音房间的任何不希望的影响。这样，即使在混响房间中进行测量，也可以将麦克风放置在近场中以最大化SNR，同时还可以让虚拟评估点位于另一个距离（例如在远场中）。这意味着可以在正常工作或家庭办公环境中，在一个甚至比房间的物理尺寸更远的评估点处进行标准测量，而单支测量麦克风只需保持在固定位置。如图6中，麦克风实际放置在10cm的距离上，但可以得到转换到1m距离上的轴上响应和谐波失真。
图6：示例换能单元的轴上基波响应和谐波失真
在大多数应用中，使用激光位移传感器评估扬声器的振膜振动会非常有帮助。扫描后，很容易看到径向位移和周向位移分量的作用，或者查看同相、反相和正交分量是如何影响声压级的，较高频率处的声压级会变得更复杂，因为锥形音盆的分割模式[6]。图7给出了示例换能器的几种振动模式，它的振动数据只需要8分钟就可获得（见表1）。另外，分析由质量、刚性或力因数不平衡引起的摇摆模式对有简单悬挂系统的小型驱动单元尤为重要[7]。尽管在本文中未作详细介绍，但也可以使用可放置到扫描平台上的MSPM（微型悬挂部件测量）工作台在部件级别上研究这些小型悬挂系统。
多功能扫描平台是一款体积虽小但功能强大的工具，可用于全面的扬声器测试。由于可以在四个领域（声学、机械、电气和磁场）进行测量，并且具有直达声分离的全息扫描的独特优势，与其他结合了不同工具且需使用消声室和大障板的解决方案相比，可以大大减少总空间、成本和测量时间。即使是在非消声环境下，例如普通工作或家庭办公场所，多功能扫描平台都是任何人想要在以下设计阶段测试扬声器的理想选择：
部件（磁体、悬挂）
换能单元
换能单元 部分系统（带有不同网罩、号角/波导或夹具/安装）
紧凑的整体系统（例如便携式音箱或手机）
[1] C.Bellman, W. Klippel, “Holographic Nearfield Measurement of LoudspeakerDirectivity”, Audio Eng. Soc. Convention Paper 9598, (2016 September).
[2] W.Klippel, U. Seidel, “Fast and Accurate Measurement of Linear TransducerParameters”, Journal of Audio Eng. Soc., Paper 5308, (2001 May).
[3] W. Klippel, “Measurement of Large-Signal Parameters ofElectrodynamic Transducer”, Journal of Audio Eng. Soc., Paper 5008,(1999 September).
[4] IEC 60268-21 Sound System Equipment – Part 21: Acoustical (OutputBased) Measurements, IEC: 2018
[5]W. Klippel, “Measurement andApplication of Equivalent Input Distortion," Journal of Audio Eng. Soc.,Vol. 52, Issue 9, pp. 931-947, (2004 September).
[6] W. Klippel, J. Schlechter, “Distributed Mechanical ParametersDescribing Vibration and Sound Radiation of Loudspeaker Drive Units," Journalof Audio Eng. Soc., Paper 7531, (2008 October).
[7] W.Cardenas, W. Klippel, “Rocking Modes (Part 2: Diagnostics)”, Journal ofAudio Eng. Soc., Paper 9496, (2016 May).
