电声论文
他山之石 可以攻玉
日期：2009-06-05 点击：862 作者：国光电器股份有限公司总工程师 俞锦元 来源：www.chinaspeaker.com
他山之石 可以攻玉
——125届 AES大会有关扬声器演讲摘译
国光电器股份有限公司总工程师 俞锦元
第 125 届Audio Engineering society （声频工程协会，简称AES）大会在 2008 年 10 月 2—5 日于美国旧金山 Moscone 中心召开了。而 Voiee Coil 杂志专为会议的扬声器有关的演讲出了摘要。这就是 voice coil 杂志 2008 年第 10 期 AES show special 。笔者译了 26 段摘要，供我国同行参考。进一步有兴趣者，请找：www. Aes. Org。
（1）电声测量
本教程重点在于电声测量方法，仪器仪表以及数据解读的应用，还有如何实现合适测试的实际信息。审查了线性系统分析和替代测量方法。模拟自由场测量的课题被详谈了。还描述了非线性和失真测量及原因。最后介绍了一些先进的测试。本教程目的是使与会者执行准确的音频和电声测试而且为这些测试提供必要的工具，以理解和正确地解释结果。
（2）音频感觉评估
本教程的目标是在音频及所属行业的良好实践基础上提供一个通过听音测试评估音频感觉的概述。教程旨在给对音频质量评估有兴趣的任何人提供一个以强有力方式的可执行的听音测试的全面高浓缩的概述。课程将包括： 1 ．定义合适的研究问题和相关假设； 2 ．定义问题是由主观回答的； 3 ．主观响应介绍； 4 ．实验变化的控制，例如，信号，重放系统，听音室的选择以及测试科目选取； 5．实验的统计规划； 6 ．主观响应的统计分析。教程将包括理论和实际两部分，例如包括对推荐的国际标准 ( IEC , ITU , ISO ）的讨论。将给与会者提供演示而且其扩展版将以音频感觉评估的文字形式来提供。
（3）房间低频的声学阻尼（无源和有源）
由于房间大小和几何尺寸的影响，房间会过于放大某些频率的声音。这是房间驻波（声共振／模式）造成的结果。这些波的原始振荡是通过自身反射连续增强的。房间有许多共振，但是只有低频是离散的，独特的，不受房间内吸音材料影响的，而且在房间内容纳了大部分声能。
（4）陶瓷扬声器及其驱动器的最新进展
新手机要求形状系数小而保持音频的声压级。通常，扬声器的已有零件限制了设计的薄型化。陶瓷或压电方面的发展打开了扬声器新时尚设计之门。由于这类陶瓷扬声器的电容特性，所以在选择音频放大器驱动它们时需要特别加以考虑。今天的便携式装置需要更小，更薄，能源效率更高的电子零件。移动电话己变得如此薄，通常，在手机变薄时如何制造更薄的扬声器就使电动式扬声器成了限制因素。作为电动式扬声器的替代品，陶瓷或压电扬声器将会很快新兴起来。这些陶瓷扬声器能做得很薄，在紧凑的封装中提供有竞争力的 SPL ，因此，有潜力代替传统的动圈扬声器。
（5）基础声学：认识扬声器
这是对中级水平的 AES 成员的演讲而且介绍了许多声学概念。空气中的声波传播基础，平面波和球面波开发及简单工作应用，闭箱扬声器。例如以声阻抗，紧凑源的工作为主题，还包括了衍射。现场演示了一些用简单扬声器，传声器和测量计算机说明的安装在闭箱中的典型的电动式驱动器的基本辐射原理。
（6）线声源模拟的方法和限制
虽然线阵列系统今天已有了广泛的应用，但是作为线声源精确建模的需求和方法的研究却是很少见的。在以前的出版物中 Generic 扬声器实验室（ Generic Loud-speaker Library ) [GLL］的概念曾被介绍过。具有复杂指向性数据的定向点声源的基础限制了线声源能以简单，通用和精确的方式模拟。主持人导出了测量需求而且讨论了这种模式的限制。此外，作者提出了细化的第二步骤，即作为在阵列中相同型号的箱体，基于箱体位置可应用不同的指向性数据。所有模式己经过测量验证。作者还用其它建议的解决方案比较了已提出的方法。
（7）在普通房间里能否履行准消音室扬声器测量？
本论文是尝试对在普通房间内测量达到低频高清晰度频响的两种方法的分析。这种数据是通过系统低频脉冲响应完全衰减之前的反射污染的。通过修改响应以更快速衰减，然后窗口化去掉部分反射，最后通过卷积恢复全部响应，这些准消音室法自称能克服通常在测量期间和频率清晰度之间交织的不确定关系。一种方法是通过均衡下潜到直流响应来工作的，另一种方法则是通过增加系统的有效高通角频率来工作的。
（8）扬声器生产差异
在过去几十年中，从设计到制造质量管理人们已开发了大量的质量保证理念了。扬声器生产的质量控制管理是特别有挑战性的。扬声器生产的所有零部件和装配工序的差异都可以引起批次间的灵敏度，带宽，频响，失真特性等有很大的差异。由于扬声器是用于生产音响系统的，所以这些差异会导致系统间性能不一致，这就影响了声平衡和空间属性的所有方面。本论文将讨论传统电动式扬声器生产的差异。
（9）用分布式机械参数描述扬声器驱动单元的振动和声辐射
扬声器驱动单元的机械振动是通过一系列线性转换函数及应用扫描技术在辐射器（锥盆，球顶膜，振膜，活塞，平板）表面上所选点上测量的几何参数来描述的。这些分布参数补充了集中参数（ T／S参数，非线性参数，热参数），简化了锥盆，驱动器和扬声器系统设计之间的交流，而且打开了诊断扬声器的新路子。分布振动可总结为新的数量累积加速度级［accumulated acceleration 1evel ( AAL ）］，如果没有声抵消出现该值是与声压级（ S PL ）可比较的。这个参数和其它要求的参数是供模态分析和使机械振动与输出声压间关系更清晰的新颖分解技术的基础。对各种例子的驱动器讨论了实际改善的实际问题和指引。最后，处理了在有限元和边界元分析中的分布参数的用法，取得了扬声器设计过程的结论。
（10）无铁低频超低音扬声器在其共振频率下的运作
这里描述的是 10—100Hz 响应的低频扬声器。为了避免由于存在铁而造成的非线性影响，这个扬声器结构中是完全无铁的。扬声器大振幅和力系数大导致它效率很高。为了更准确的声重放，也进行了减少扬声器非线性的工作。实际上，作者们开发了一种完全由永久磁体制成的磁路系统，这种磁路能产生跨越整个预计的音圈位移的均匀的磁感应。这种平面扬声器的磁路线性化及力系数大能使它以高准确度在扬声器的共振频率以下工作。
（11）扬声器中磁流体的机械特性
本文描述了密封在无铁电动式扬声器中的磁流体特性。磁路系统是由几块在外部堆叠的环形永久磁体组成的。内部运动部件是一个活塞。此外，两处用磁流体密封取代典型的支撑。确实，这些密封实现了几种功能。首先，它们保证了扬声器工作面之间的气密性。其次，磁流体起着像轴承使运动部件定中的作用。最后，密封的磁流体还对运动活塞施加了一个回弹力。由于有分析公式，所以施加在活塞上的径向和轴向力是可计算的。此外，还讨论了密封的形状以及磁流体的优化量。密封容积也是可以计算的。
（12） 能控制指向性的线阵列——理论和实践
所谓弧线阵列是能提供指向性控制的。应用简单的振幅阴影（ amplitude shading ) 就行，在理论上可提供良好的偏离轴向波瓣抑制及在由线阵列长度决定的低频的，由驱动器间隔决定高频的整个频率范围内有恒定的指向胜。阵列换能器设计体现了另外的挑战——紧密间隔的双要求，作为精确的高频控制及为良好的低音输出有大的有效辐射面积，这是与应用多个全频驱动器不兼容的。论文提出了新驱动单元的布局而且还提出了能控制指向性及虚拟空间混淆消除的双路线阵列的理论和实践设计准则。PC基础上的线阵列控制器能够实时改变波束参数中的多个覆盖波束。
（13）应用低通和全通滤波器改善扬声器的指向性
应用相同通带的多个驱动器的扬声器系统响应通常是不太理想的。这是由于驱动器物理上的离散及驱动器在较高频率工作区域中缺乏适当的声祸合造成的。由此产生的梳状滤波有时就通过在通带中把低通滤波器接到一个或更多驱动器来处理的。这能引起扬声器系统指向性响应的非对称。方法是通过使用低通和全通滤波器给出这些非对称的最小化。这种方法还可用作扬声器系统向更低频率扩展指向隆的一种手段。
（14）支撑非线性的时间差异
众所周知，扬声器共振频率是与扬声器在测量前和测量中如何驱动有关的。扬声器经过大电功率作用后测得的位移值，是否比扬声器冷态测量时较低些。本文研究了驱动信号能引起的顺性变化，包括低电平持续时间短的共振频率测量以及大功率持续时间长的支撑的非线性测量。在低电平时发现支撑软化但很快复原。大功率和持续时间长的测量则通过作为总位移的顺性值的增加影响扬声器的非线性。这种电平依附性是可用失真测量来验证的，而且测量示范了怎样精确改进能包括电平依附性在内的非线性模式。
（15）扬声器支撑中蠕变效应的研究
本文研究了蠕变效应——这是扬声器支撑部件的粘弹性特性，蠕变效应能观察到远低于共振频率的位移增加。蠕变效应意味着支撑是不能像简单弹簧那样建模的。精确的蠕动模式甚至需要更大，因为现在寻求扬声器模式的有效性己远远扩展到进入扬声器非线性范畴了。本文研究了不同的蠕变模式而且实施了简单集中参数模式和时间范畴的非线性模式两部分，模拟结果与带不同厚度的橡胶边折环相同扬声器的三个版本系列测量作了比较。
（16）声学环境对扬声器共振听阀的影响
扬声器中的共振能对声质量产生有害的影响。因此，减小或消除不希望的共振已变成了扬声器调整中有共识的实践。论文提供了用于决定耳机，标准听音室中的器及汽车中扬声器在不同声学环境中的单个共振听阀的听音测试结果。扬声时测量而且共振是由IIR ( Infinity Impulse Response 无限脉冲响应）滤波器建模的。结果显示，在声学环境和节目素材间有着明显的互动。
（17）先进的无源扬声器保护
这是一篇以前会议论文（ AES 大会5881论文）的继续，作者展示了高分子正温度系数［ Polymeric Positive Temperature coefficient (PPTC ) ］保护装置的应用，该装置具有一个可导致物理状态变化的间断I/V曲线。作者给出了一个简单应用白炽灯和PPTC装置结合的设计网络的模式，在低电平时给出线性工作，在高电平时则提供有效的制约防止扬声器损坏。还介绍了目前服务应用的一些情况。
（18）通过测量 Thiele / Small 参数确定扬声器的制造变化
Thiele / Small 参数己经变成了表达扬声器特性的标准了。应用相当简便的方法同一扬声器名下的 20 个 T / S 参数就能确定了。数据可汇集以确定制造的变化。制造误差能对扬声器产生的变异和质量有很大的影响。一般来说，当应用比较严格的误差时变化就很小而驱动器变得更昂贵了。现在，每只扬声器从驱动到失效都有特性表示的。一些扬声器将故意老化以加速失效。目标是使 T / S 参数的变化与扬声器失效模式及工作寿命变得互相关联。
（19）中高频扬声器的粘性摩擦和温度稳定性
中高频扬声器特性与低音单元相比对于来自周围空气媒质的影响是十分不同的。以前的工作强调的是粘滞力的虚部（ imaginary part ）的高影响，该力明显影响着中高频扬声器的共振频率。粘滞力相对高地取决于周围空气的温度和湿度，而且，在本论文中作者对温度和湿度影响扬声器线性度时作出了如何改变的评估，而线性度对声重放质量来说是很重要的。
（20）扬声器膜片中内在摩擦的热评估
电动式扬声器振动系统中的摩擦损耗是由内在摩擦Ri表示的。Ri进入运动方程而且这些损耗是与不可逆转的热释放相伴随的。通过粘到膜片的温度传感器探头，热耦合测量扬声器膜片中的摩擦损耗的测量方法就提出来了。作为在膜片材料中热弹性耦合的结果，膜片表面上的温度是随机波动的。温度波动幅度的评估是绝对的而且在内在摩擦Ri进入摩擦力公式 F＝Ri·？（x）时，不论是非线性类型还是与扬声器工作有联系的强度都能直接评估。
（21）扬声器有限元模拟中的精度问题
作为扬声器模拟的有限元基础上的软件已存在一些时间了，但是现在，由于改进了求解功能，更快的硬件以及与 CAD 软件链接的改进和其它预处理的改善使这种模拟应用更广泛了。分析让人有选择地采用哪种技术，决定哪些近似值，以及怎样更详细建模。
（22）非线性扬声器单元建模
6.5英寸扬声器单元模拟己实现并且比较了位移测量。非线性扬声器模式是基于专门的非线性函数的，而且随时间变化的支撑特性和磁通调制而扩大的。结果是用三个频率的 FFT （快速傅立叶变换）图和不同的位移级来表示的。论文还讨论了模式误差及分析了包括去除振膜的扬声器单元的测试。
（23）小桌面上个人电脑扬声器的最佳放置
桌面个人电脑扬声器竖立在桌子上，这样从桌子来的反射声就干扰从扬声器来的直达声了。在桌面上带有消音室平直频率响应的扬声器将不会给出平直的响应，而是产生梳状的频率响应。对这个问题这里提出一个简单且花费不多的解决方案一把小的传统扬声器放在支承器上。支承器是一个能使扬声器定位容易的水平旋转的伸缩臂。一方面，臂是附在个人电脑监视器顶角上的，而另一面就是支承扬声器的。听音者可扩展和转动水平面的臂，使听音处没有从桌子或监视器到听音者的反射，这样，大致上保留了扬声器的消音室平直频响。
（24）利用带伪随机结构的两路扬声器阵列的声场效果器设计用于声场分布计算的初步结果
该团队为音乐会现场开发出了一个能控制实时声场的扬声器阵列系统。为了减少旁瓣和改善频率范围，提出了一种带伪随机结构的两路扬声器阵列。软件是为确定结构开发的。现在，对于关注的声音结构是优化的。软件计算关注点的声压及关注点周围声压平均值之间的比值，旁瓣就能够用伪随机结构减少了。
（25）应用扬声器阵列系统的高聚焦声波束成形的算法
论文介绍了应用扬声器阵列能产生高聚焦声波束的声波束成形技术。为此目的，作者找到了在目标区域和其它区域间最大对比的声功率比的最佳的权重。但是，由于取得直接衍生权重的非目标区域在低声压产生了限制，所以研究了介绍天线阵列的迭代模式合成技术。还评估了所建议方法的特性，结果显示，它能产生比传统方法聚焦更高的声波束。
（26）声操纵技术
介绍的是在称为个人声区的关注区域内可有选择性地增强所希望的声特性。为了产生个人声区，在区中听音者能体验高声级，声能量只聚焦于所选择的面积。最近，标志个人声区域声特性的两个性能测量：声亮度和声对比度——已被用于优化扬声器阵列的驱动功能了。本文首先提出了个人控制法的一些限制，然后建议一种新的控制策略，这是在单个目标功能中两种优点的结合。通过引入连续空间计权技术，具有所要求声能分布形状的声场精确控制是可能达到的。结果与基于最小二乘（ least－square ）优化技术的值进行了比较。