入墙式扬声器的指向性测量（译文）
Directivity Measurement of In-Wall Loudspeakers
Christian Bellmann1, Ruben Hauschild1, Mattia Cobianchi2
1KLIPPEL GmbH, Germany, 2Bowers & Wilkins, UK
引言
扬声器应该放在哪里？理论上来看，答案可能显而易见，但实际上，在最佳聆听位置和客厅内部布置之间找到一个很好的折衷方案可能会成为一个有争议的问题，对此，入墙式扬声器是一个非常聪明的主意。扬声器安装在墙壁或天花板中，几乎不可见。这可以提供最佳的聆听体验，并且不会干扰室内设计。
多年来，入墙式扬声器的应用、功能和音质都在不断提升。最开始通常在公共场所（超市）或公共交通工具（飞机、地铁）应用中的单个宽带换能单元，只具有中等音质，而如今高品质多路入墙式扬声器已成为普通扬声器系统的重要替代品。
此外，在专业应用（电影院、剧院）中，入墙式设置变得越来越重要，并扩展到具有数百个分布式换能单元的平面阵列，用于现代3D声音再现和使用Ambisonics 和基于对象算法的虚拟现实。
图1：Bowersand Wilkins CWM 8.5D
测量挑战
如今，指向性测量仍然是一个挑战。传统上，这些测量必须在自由场和远场条件下进行，可以在消声室中实现宽频率范围。但是对于低频（f<100Hz），大多数测试室都没有足够的阻尼，从而导致系统测量误差。此外，扬声器和麦克风之间的长距离(r>4m)几乎不可能在高频(f>10kHz)下进行准确的相位测量，因为温度的微小偏差也会影响声速和传播延迟。为应对这些限制，被测设备(DUT)的响应可通过在声场中多个位置（通常在一个球面上）移动麦克风来直接捕获。实际应用中可以使用麦克风阵列或转盘来实现。
入墙式扬声器需要在半空间(2π)中进行测量，方法是将DUT安装在半消声室的地面或在全消声室中使用独立式障板。不幸的是，尺寸有限的障板可能会因其边缘衍射和向后辐射的声音干扰而产生新的测量误差。使用IEC推荐的矩形障板可以减少但不能避免这些误差。
全息指向性测试
由于上述这些已知问题，Klippel使用近场扫描仪系统(NFS)建立了一种新的指向性测试方法来克服这些问题。该系统旨在测量几乎任何声学环境（例如办公室）中的扬声器系统。机械臂将麦克风沿着被测扬声器近场中的两个嵌套层进行移动定位，而被测设备保持在扫描仪中心的固定位置上。这简化了重型设备的处理，并确保扫描过程中恒定的房间激励和反射。
基于这种近场测量，可以使用波动方程（球谐函数、汉克尔函数）的解来识别从扬声器辐射的声场。
由于沿双层扫描，直达声分离（Klippel 的专利技术）使用额外的相位信息来检测声波的方向，并可以从扬声器的直达声中去除所有房间反射。这对整个声场（近场和远场）的完整和全面描述提供了一个新的测量精度级别。此外，它还可以在高频 (f>10kHz) 下提供精确的相位数据，并且对反射等外部影响具有最大的鲁棒性。
全息测量方法也适用于半空间测试 (2π)。半空间数据可以通过不同的扫描解决方案获取（表1）。对于小型扬声器，可以使用多功能扫描工作台，其声学测量还可以轻松地与电气和机械测量相结合。较大的设备则可以使用附加障板的近场扫描仪进行测量，同时支持定制障板。
表1：Klippel针对半空间测试的扫描解决方案
测量示例
为了说明这种测试方法的性能，在Bowers& Wilkins CWM 8.5D上进行了相关测量（图1）。CWM 8.5D是一款高性能紧凑型入墙式扬声器，采用了B&W旗舰800D3系列的技术。它使用了一个7"中低音锥盆换能单元和一个1"菱形球顶高音扬声器。由于锥盆使用了专有的Continuum技术， 7"中低音锥盆可以从相对较低的频率以受控和渐进的方式进行分割振动。因此，扬声器在整个通带上保持有效辐射面积和再现波长之间的比率几乎恒定。这产生了从1.5到15kHz之间几乎恒定且非常平滑的水平方向性。这种动态在图5中的 -6dB 等值线中可见。
由于设计原因，CWM8.5D需要特定的安装方式，所以需要使用定制的障板将扬声器安装在 NFS旋转台上。扫描是在一个普通的办公室里进行的，大约有1000个测量点，总共需要大概两个小时。球面波扩展是按照扩展阶数N=25计算的，这足以表征全频段 (20Hz - 20kHz) 上的整个声场。在识别过程中使用原始测量数据的冗余信息自动自检精度。
结果
最后，CWM 8.5D的指向性可以通过检查传统的远场测量（频率响应、声功率和指向性指数）或通过CTA2034Spinorama等简化特性进行分析。此外，可以分析新的近场特性，例如指定聆听域的SPL分布。
