Alex Chen
- 7月2日
- 讀畢需時 8 分鐘

喇叭最大值 – 第 1 部分

你曾經嘗試過找出喇叭的“最大值”嗎？

by Pat Brown

怎麼知道一個喇叭是否已經達到“最大音量”？這背後有一些科學原理。

無論是選擇功放還是設置限制器，喇叭的最大峰值和RMS電壓都是非常重要的指標。這兩者基本上無關聯，必須獨立測量。這些數據可以由製造商、第三方測試實驗室或在現場測量得到。雖然我過去曾寫過相關內容，但最近有了一些新進展，是時候進行一次深入的更新了。

這些測試可以在現場進行。你不需要消音室——只需要戶外開闊地和一些基本的儀器。你需要一個USB音頻接口。最重要的組件是免費的軟件。現在我吸引到你的注意了。

圖1 – SpeakerMeasure™ 可以在 Mac 或 PC 上運行。只需添加音頻接口和麥克風。我已經用紅色標註了主要部分。

喇叭最大值 Loudspeaker Maximums

有兩個“最大值”指導我們如何為喇叭供電。這兩者都由喇叭的物理限制決定。“喇叭”可以是單個驅動單元或多路系統，並且可以是外部供電或內部供電。

第一個最大值是熱限值 thermal limit。第二個是振幅限值excursion limit。

這兩者都與功放的驅動電壓相關，並且都可以通過分析喇叭對驅動電壓的響應來確定。

本文描述了如何找到喇叭的熱限值。有三個原因：

1. 確定功率等級

2. 選擇功放

3. 設置RMS限制器

我會在第二部分描述如何找到峰值SPL限值。

喇叭會發熱

功放的電流流動會在喇叭的音圈和支撐結構中產生熱量。隨著喇叭由功放激活，熱量會隨時間積累。如果溫度過高，會導致喇叭的電氣阻抗增加，從而減少從功放吸取的電流。結果就是我們的老對手——功率壓縮。隨著功率壓縮的出現，喇叭的聲壓級（SPL）不再可預測地跟隨施加的電壓變化。對於固定阻抗負載，電壓變化，電流也會變化。這意味著我們可以監控電壓（這很容易做到）來了解情況。

可以通過測量確定特定時間段內的最大RMS輸入電壓（MIV），並用於評估喇叭、選擇功放或設置RMS限制器。

找到最大輸入電壓（MIV）

喇叭在頻率響應與驅動電壓之間的關係通常在達到其熱限值之前保持線性。我們需要一個工具來觀察隨著信號水平增加，響應如何變化。理想情況下它不應該變化，但在某個時刻它會變化。這時就需要實時傳遞函數。我在2000年代描述過如何使用喇叭烤箱測試進行這項工作。測試原則仍然相同，但我們現在有了專門設計的軟件來規範測試過程和終止標準。事情變得簡單多了。

SpeakerMeasure™ 是Eclipse Audio的免費軟件。從這裡開始，我會簡稱它為SM。它是與AES75 - 使用噪聲測量喇叭的最大線性聲音級別一同發布的。重要的是要注意，通過在首選項中選中“啟用AES75-2022高級設置”選項，可以獨立於AES75使用SM。

這裡有一個SM的逐步教程。我不會重複它，但會補充一些細節和關於設置有意義測量的考慮。

當噪聲是好的

需要一個噪聲波形。有多種選擇，每一種都經過調整以模擬具有連續噪聲信號的音頻程序，可以精確測量。這裡有兩個關注的屬性。

1. 噪聲頻譜 – 頻譜是信號的“頻率內容”。噪聲的頻譜形狀應該模擬將在喇叭上播放的節目材料。噪聲類型通常來源於技術組織，並帶有它們的縮寫。選擇包括IEC、EIA、CTA、M-Noise等。這些都是調整過的粉紅噪聲信號。

2. 圖2顯示了頻譜形狀的比較。圖3顯示了將粉紅噪聲轉變為“其他”噪聲所需的濾波器形狀。這也是在分數八度頻帶分析儀上觀察到的頻譜形狀，其中噪聲被劃分並匯總到頻率箱（例如30個頻帶）。圖2顯示了為什麼有時候粉紅噪聲會被描述為“平坦”，即使它並不是（參見圖1）。

圖 2 – 各種雜訊類型的疊加頻譜。

圖3 – 應用於粉紅噪聲時，用於產生圖2中噪聲類型的濾波器形狀。這些曲線也是如果噪聲頻譜被匯總到分數八度頻帶中所呈現的樣子（插圖）。

3. 噪聲峰因數 – 噪聲峰因數（峰值對RMS比）也是關注點。重要的是在測試期間噪聲頻譜不變。如果波形在提高水平時被削波，就會發生這種情況。高峰因數噪聲信號不適合進行熱測試，因為除非使用大功率功放，否則可能會在達到喇叭的熱最大值之前引起功放削波。

圖4顯示了三種噪聲類型的峰因數。其中，BS EN 50332噪聲的峰因數最低（RMS電壓最高）。它最初是為耳機測試開發的，但對於任何類型的喇叭都非常適用。它允許用最小的功放進行MIV測試。是的，它被大量削波，聽起來很糟糕，但這是一次熱測試，而不是聲音質量測試。我們需要在功放削波開始之前找到喇叭的熱限值。

圖4– 各種噪聲類型的峰因數比較。高峰因數信號產生的功率較低。熱測試可能需要降低峰因數。

頻帶限制

除了塑造噪聲信號，還應對其進行頻帶限制，原因有二：

1. 驅動單元可能會因超出人耳聽覺範圍的節目材料（頻率過高）而受到熱損壞。

2. 驅動單元可能會因低於其有效工作範圍的頻率而受到機械損壞。這是因為頻率減半時，振幅會增加四倍。

這就是為什麼IEC 60268噪聲顯示出“乾草堆”頻率響應，逐漸削弱頻率極限以避免這些問題。這也模擬了音樂節目材料的頻譜。即使有這種逐漸削弱，仍可能需要通過高通和低通濾波器來保護驅動單元，例如在部署時會進行高通處理的語音範圍設備。沒有高通濾波器，測試設備的低頻振幅限制可能會在其熱限制之前達到。由此產生的失真可能會使測試的終止標準提前達到，甚至損壞喇叭。SM內置這些濾波器，極大地簡化了測量設置。

從IEC 60268噪聲開始。如果在功率壓縮開始之前達到功放削波，切換到EN 50332噪聲。這將在不改變噪聲頻譜的情況下從功放獲得更高的RMS電壓。如果需要更多低頻能量，CTA-2034噪聲具有與IEC 60268噪聲相同的中高頻頻譜，但低頻輸出更強。低音炮可以使用頻帶限制的粉紅噪聲進行測試。

沒有“正確”的噪聲類型。選擇適合您正在測試的類型。它應該具有覆蓋喇叭頻寬的頻譜和避免功放削波的峰因數。

麥克風到喇叭的距離

我們需要在一米處的SPL，而不是將麥克風放在一米處。為什麼？SPL必須在喇叭的遠場監控——波前變成球面的距離。波浪必須是球面的，以便使用平方反比定律計算遠離（和靠近）喇叭的SPL。

這有多遠？一般來說，工作指導方針是至少是箱體垂直於麥克風的最長尺寸的3倍（圖5A）。典型的測量距離是2、4、6和8米。越近，過度驅動測量麥克風的危險越大。越遠，違反自由場標準（無反射）和受風效應等困擾的危險越大。

在SM中輸入選定的距離。測試期間，SM使用平方反比定律將測得的電平校正到1米。

組件放置

有三種組件放置選擇。所有三種都需要自由場條件。“自由場”意味著“無反射”。請參閱圖5。

A. 麥克風和喇叭都在自由場中。

B. 喇叭懸空，麥克風在地面平面上（大而硬的邊界）。

C. 喇叭和麥克風都在地面平面上。

在喇叭響應方面，這三種方法基本相同。第二和第三種需要將測得的電平減少6 dB，因為將麥克風放在邊界上會增加其靈敏度6 dB。這可以通過在SM中修改校準設置來實現。

圖5 – 用於MIV測試的喇叭/麥克風放置位置。

室內還是室外？

這是一個可以在室外有效進行的測試。這消除了室內反射引起的房間增益，滿足自由場要求。如果你有一個非常大的空間，也可以移到室內，但大多數人沒有這樣的條件。最好是在無風且溫度適中的天氣下進行。

最弱的一環

圖5顯示了測量信號鏈。非常重要的是，在上游任何組件削波之前達到喇叭的MIV。大多數測量麥克風在130 – 140 dBSPL之前不會削波。如果你正確地進行這個測試，這應該足夠了。圖6顯示了Audix TM1™測量麥克風的指標。當麥克風距離喇叭4米時，最大可測量的電平約為142 dBSPL。該圖還顯示了如果將麥克風移動到更遠的距離，可以處理的額外電平。請記住，將麥克風放在邊界上會使麥克風的電平增加6 dB。

另一個次要問題是麥克風輸出信號過度驅動了麥克風前置放大器。圖5顯示了如何計算麥克風輸出電平（或前置放大器輸入電平）。大多數麥克風前置放大器可以處理0 dBV或更高，所以這裡沒什麼大問題。（提示：如果測量的TF隨頻率快速且均勻下降，可能是麥克風或前置放大器削波。喇叭功率壓縮是逐漸且與頻率相關的）。

圖6 – 信號鏈中的潛在“瓶頸”點是麥克風（聲學）和前置放大器（電氣）輸入。

電壓表

在測試期間必須監測施加到DUT的電壓。這可以使用真有效值電壓表來完成。我更喜歡跟踪電壓隨時間的變化，因為這可以清楚地觀察到終止標準的出現。圖7顯示了使用CLIO 12測量平台監測的MIV測試信號。它提供了整個測試的時間記錄。注意SM在達到終止標準時自動進行的電平變化。根據AES75，SM的默認終止標準（TC）是：

1. 傳輸函數的任何部分達到-3 dB線。

2. 傳輸函數的兩個八度寬段達到-2 dB線。

3. 相干性低於91%。

當滿足這些標準之一時，SM會應用回退電平來降低驅動信號電平，默認為0.5 dB。一旦低於終止標準，計時器會開始計算喇叭保持穩定的時間。

監測SPL

在測試期間可以且應該監測喇叭的聲壓級。這也可以由SM處理。你需要為你的測量麥克風準備一個校準器。如果你沒有，你應該有。校準過程告訴SM（或任何測量接口）當麥克風暴露於94 dBSPL和/或114 dBSPL時，它產生的毫伏數。如果可用，我會使用114 dB設置，因為它更接近預期的（高）SPL。

這很重要。你必須在SM中運行校準之前設置音頻接口的輸入電平。一旦你校準後，你不能更改設置，否則會破壞校準。

為簡化設置，可以使用同一麥克風監測傳輸函數和測量SPL。

現在，測試開始

測試開始時，向喇叭施加的噪聲電壓至少比預期MIV低-20 dB。電壓會緩慢增加（推薦1-3 dB/分鐘），直到達到某一終止標準。當這發生時，SM會將電壓回退0.5 dB，並且計時器會計算電壓保持恆定的時間（系統保持穩定）。這個最大聲音電平持續時間默認為5分鐘 – 一個可辯護的值。圖7中的測試我使用了3分鐘。如果在持續測試期間再次達到終止標準，則會重複該過程。

初始傳輸函數和當前傳輸函數之間的差異會實時顯示（圖8）。這允許觀察在接近終止標準時響應的變化。他們還可以看到變化的性質（寬頻、窄頻等）。