軟件模擬消聲室環境測揚聲器頻率響應的可行性探究

麻 可，魏增來，柳淳曦

（中國傳媒大學音樂與錄音藝術學院，北京 100024）

在揚聲器客觀參數的測量工作中，為使測量結果盡可能準確，通常需在消聲室中進行，以避免反射聲及環境噪聲對參數準確性的影響。但由于消聲室的建聲條件十分苛刻，很多揚聲器研發生產廠商不具有良好的消聲室測量條件，因此，筆者展開軟件模擬消聲室條件進行揚聲器頻率響應的測量探究，以期在一定程度上降低對測量環境條件的要求。國內外對于揚聲器客觀參數的測量和非消聲室環境測量方法方面已存在一定的研究，例如《數字化聲學測量技術——非消聲室環境中揚聲器的測試》等文[1]，討論了脈沖響應加窗的相關問題，但由于該文發表距今時間較長，所使用的方法能夠被當下常見的聲學測量軟件所替代，且更具有便捷性和實用性。目前，結合相關測量軟件模擬消聲室條件進行測量的研究相對較少，但該方法對于中小型揚聲器廠商的生產研發環節以及實際擴聲場景具有實用價值。

1 研究方法概述

本次研究主要采用對比分析法，首先在消聲室環境和非消聲室環境中測量揚聲器的頻響曲線(包括幅度曲線及相位曲線)，觀察距離、角度因素對測量結果所產生的影響；隨后將非消聲室環境測量結果進行平均、加時間窗等處理，并將處理前后的揚聲器參數測量結果與消聲室環境進行比對分析；最后得出非消聲室測量揚聲器參數的可行性結果及軟件模擬消聲室測量的測量方法。

測試場地分為消聲室和非消聲室。消聲室為中國傳媒大學明德樓負二層專業消聲室，非消聲室場地選取了三種具有一定差異的常見環境：強吸聲錄音棚，體積約320 m3，混響時間約0.4 s；較活躍的錄音棚，體積約875 m3，混響時間約1 s；一般環境的教室，長方體，體積約233 m3，混響時間約0.8 s。

研究中所使用的軟件為Smaart和FIR Capture，前者為實時測量分析軟件(亦可進行非實時的加窗處理)，后者為非實時測量分析軟件，可進行wavelet(小波分析)等非實時計算。實時測量即在播放測試信號的同時顯示測量結果，而非實時測量則需在播放測試信號時將輸入的音頻信號記錄下來，隨后再進行分析計算。兩種軟件均具有上述研究過程中所需的頻響曲線測量、多曲線平均計算、脈沖響應加時間窗等功能。之所以采用兩種軟件進行測量，是想通過不同的測量軟件進行相互驗證，以進一步確認測量結果的準確度。

圖1 測量設備連接圖

2 消聲室揚聲器參數的測量

首先在消聲室環境測量一款有源監聽揚聲器不同距離、不同角度的頻響曲線及相位曲線，并觀察影響的規律，作為后期進行非消聲室揚聲器參數測量的基礎和依據。

測量設備的連接如圖1所示，使用雙通道聲卡，通過測量軟件發送相同測試信號給2個輸出通道，一路送至待測揚聲器，另一路直接返回聲卡作為參考通道，而聲卡的另一路輸入則連接至測試傳聲器。首先校準傳聲器輸入聲壓級；隨后設置傳聲器基準測試點，該測點應與之實際使用距離相匹配，如若測試空間尺寸有限，則需至少與待測揚聲器保持其最長邊長三倍以上的距離，高度為待測揚聲器中低音單元和高音單元連線中點略偏向高音單元處。之所以提出上述距離要求，是因為如果測量基準距離過近，則測試會受到箱體尺寸和單元相對位置的影響，導致測量結果對于測試傳聲器擺位微小差異的敏感。由于待測揚聲器最長邊長為40 cm，故基準測量距離定為1.2 m，基本與實際近場監聽距離相匹配。如待測揚聲器為專業中大型擴聲揚聲器，則需適當增大測量距離。傳聲器基準測試點確定后，對測試聲壓級進行校正，即通過調整測試信號輸出和揚聲器輸出電平，使得在軸向該點處的實測聲壓級為85 dB。在測量過程中，還同時關注待測揚聲器通道信號與參考通道信號的相干性（指2個數據對比的一致性）曲線，即聲環境對測試可信度的影響。

測量系統調整完畢后，分別改變距離、偏軸角度，其變化的距離、角度見圖2，測量揚聲器頻響曲線及相位曲線。為簡化實驗，偏軸角度的選取以揚聲器水平覆蓋范圍為準。

消聲室環境下揚聲器幅度曲線和相位曲線不同偏軸角度的測量結果對比如圖3所示。在未改變其他變量的情況下，偏軸角度增大，揚聲器8 kHz以上高頻區域幅度有所衰減，相位曲線（圖3上方）產生較小改變，但整體趨勢無較大變化。從相干性曲線（圖3幅度曲線頂部的紅線）看，在全頻段高于90%，因此消聲室環境下測量結果的相干性較好。

圖2 測點位置示意圖

圖3 消聲室同一距離3種水平偏軸角度測量結果對比

圖4 消聲室不同距離主軸測量結果對比

消聲室環境下揚聲器頻響曲線和相位曲線3種不同距離的測量結果對比如圖4所示。對比發現，隨著距離增大，揚聲器幅度在全頻段衰減，相位產生較小改變，整體趨勢無較大變化。在測量過程中，Smaart軟件中使用find delay（查找延時）的功能可將距離引入的延時量去掉，觀察揚聲器本身的相位曲線，若不使用該功能則相位曲線出現較大彎曲，無法觀察揚聲器本身的相位曲線趨勢。由于對不同測量距離補償了不同的延時量，因此各個測量點的時間基準被補償到大致同一位置，產生了一定程度上的微小誤差，所以，相位曲線在高頻區域產生了較小的差異，但這些差異不具有分析價值，僅需對比其相位趨勢即可。

根據消聲室環境揚聲器頻響曲線測量結果，在一定范圍內改變測點的偏軸角度和距離均不會對頻響曲線的趨勢產生較大影響，增大偏軸角度幅度曲線高頻會有所衰減，增大距離幅度曲線產生全頻段衰減，但幅度曲線及相位曲線的基本趨勢均保持一致。因此，為簡化研究，在非消聲室揚聲器參數測量中，可將測量結果及處理結果主要與消聲室主軸最短距離處測量結果進行對比，同時觀察不同距離、偏軸角度對揚聲器客觀參數測量結果的影響是否與消聲室中所得到的規律一致，總結非消聲室環境對測量結果產生的影響。

3 非消聲室揚聲器參數測量

非消聲室揚聲器客觀參數的測量方法與上述消聲室測量方法對應一致，系統連接與圖1相同。由于在對比分析過程中需進行多點平均、加窗處理等操作，因此在非消聲室環境中還需進行脈沖響應的測量工作，作為時間窗處理的基礎。首先通過軟件進行雙通道對比測量得到揚聲器幅度及相位響應，然后經過IFFT(反傅里葉變換)計算得到其脈沖響應，最后通過添加時間窗的處理方法將部分后期反射聲移除后得到其頻響曲線。非消聲室環境的反射聲及環境噪聲等條件復雜且差異較大，因此適當增大了測點密度以觀察環境對客觀測量的具體影響，并盡可能避免靠近光滑反射面及噪聲源。

在教室環境中測量揚聲器軸向不同距離的頻率響應結果如圖5所示，為方便觀察已將三條曲線提升到相同的電平高度。由圖5可知，在非消聲室環境中測量時，隨著距離的增加，不僅電平有所衰減，由于環境噪聲和反射聲的影響，部分頻點的相干性（紅色曲線）也會在一定程度上下降，中低頻幅度響應的趨勢產生較大變化，出現倍頻關系的提升或衰減，相位曲線出現較大彎曲或異常拐點，不同距離所導致的相位差增大。因此，在選取測點時，需持續觀察相干性曲線及幅度響應、相位響應的變化情況，盡可能避免引入相干性較差、頻響異常的數據，以避免影響測量結果的準確性。

圖5 教室中軸向3種距離的測量結果

4 對比分析

測量結束后，分別循序進行三種比對研究：

（1）將3種非消聲室環境的單點測量結果與消聲室對應測點結果進行比對；

（2）將3種非消聲室環境的不同距離測量結果取平均后與消聲室軸向最短距離處結果進行比對；

（3）對非消聲室單點測量結果和平均值進行加窗處理，再與消聲室軸向最短距離處結果進行比對。

比對完成后，根據測點選取、多點平均、加窗處理三種方式對揚聲器測量結果的影響，推導得出軟件模擬消聲室測量揚聲器頻率響應的結果和測量處理方法的可行性。在對比分析的過程中，對頻響曲線差異的考慮主要包括頻響趨勢和電平差異。其中，頻響趨勢包括幅度響應趨勢和相位響應趨勢，觀察彎曲程度和拐點頻率；電平差異方面，則認為3 dB以內電平差異較小。結合頻響趨勢和電平差異評價軟件對模擬消聲室測量結果的處理情況。

4.1 測點選取

良好有效的非消聲室單點測量結果是模擬消聲室測量的基礎，觀察非消聲室環境中不同測點的頻率響應測量結果與消聲室同一位置測量結果的差異，可以得出在測點選取方面的大致要求。

以非消聲室教室環境測量結果為例，將其軸向最短距離處、常規聽音位置的頻響曲線與消聲室軸向最短距離處比對。圖6所示為非消聲室和消聲室軸向最短距離處單點測量結果的比對，可以發現，大部分頻率的相關性曲線均在60%閾值以上，500 Hz以上的頻響曲線趨勢較為一致，電平差異較小，低頻部分則出現了由于反射聲所引起的提升和衰減。圖7所示為非消聲室常規聽音位置（即軸向3 m處）測點和消聲室軸向最短距離處測量結果的比對，可以發現，該點中高頻相干性較差，低頻幅度曲線畸變較大，相位響應變化也較為明顯。

結合圖6、圖7，在非消聲室測量環境中，測量距離應盡可能減小，以減弱反射聲和環境噪聲的影響，提升相干性。選取測點時可以根據相干性曲線判斷是否可以作為有效數據，作為平均、加窗處理的基礎。測量距離的選取還與環境條件如房間尺寸、混響聲能等方面的因素相關，在房間尺寸較大、測點與反射面距離較大、混響聲能相對較小的情況下，可以在不過多受到環境干擾的前提下，適當增大測量距離以減少箱體影響。

4.2 多點平均

由于同一測量環境中，不同測點的反射聲和噪聲分布情況具有一定的差異，因此利用多點平均的方法能夠降低環境中反射聲和噪聲對測量結果的影響，在《相干平均法測揚聲器頻率響應的偏差分析》[2]一文中也使用了相似的方法，筆者借助目前常見的聲學測量軟件使這一方法能夠更好地應用于實際工作場景。

基于此，筆者將3種非消聲室環境不同距離(1.2 m、1.8 m和3 m)的測量結果分別取平均，然后依次與消聲室軸向最短距離處測量結果進行比對，利用軟件分析多點平均數據的有效性。

利用FIR Capture軟件得出強吸聲錄音棚測量環境中多點平均值如圖8所示，其與消聲室中趨勢相近的頻率下限由單點測量結果的500 Hz降至約100 Hz，但低頻仍有明顯衰減，這可能是房間反射引起的固有共振造成的。除此之外，中高頻變化趨勢和消聲室測量具有極高的相似度，這表明多點平均對于頻響曲線的校正具有一定的積極影響。但由于這種多點平均法包括了距離較遠的測點，平均后的聲能因為距離增大而產生了一定的衰減，使頻響曲線整體產生向下的偏移，相位曲線彎曲程度增大（圖8中幅度曲線后方低頻至高頻平滑遞減的兩條曲線即為對應相位曲線，其中彎曲程度較大的為強吸聲錄音棚3點平均后的相位曲線）。

圖6 教室與消聲室中軸向1.2 m處測量結果對比

圖7 教室與消聲室中軸向3 m處測量結果對比

使用Smaart軟件得出的非消聲室測量結果多點平均值與消聲室測量結果的相似度也比單點測量有較大提升，相干性顯著增強。為方便對比，將非消聲室測量結果的均值電平通過測量軟件的相關功能提升至消聲室測量結果的電平附近處，3種不同測試環境的具體對比結果如圖9、圖10和圖11所示。從圖9、圖10可以看出，強吸聲錄音棚中進行3點平均后的頻響曲線與消聲室測量結果幅度曲線趨勢相近的頻率下限由500 Hz降至約125 Hz，而在聲學環境較差的教室中該頻率下限也降到約250 Hz；兩種聲環境中，中高頻都具有一定程度的衰減，8 kHz以上衰減明顯（圖11），相位曲線整體趨勢無特別明顯的變化。在較活躍的錄音棚中進行測量時，其多點平均結果與消聲室結果對比，頻響曲線差異較大，相位曲線差異相對較小，因此在混響時間較長的環境中，平均方法暫無法進行較為有效的測量結果校正。

圖8 強吸聲錄音棚中3點平均與消聲室中單點測量結果對比（FIR Capture）

圖9 強吸聲錄音棚中3點平均頻響曲線與消聲室結果對比

圖10 教室中3點平均頻響曲線與消聲室結果對比

圖11 較活躍的錄音棚中3點平均頻響曲線與消聲室結果對比

4.3 加窗處理

加窗處理即是對時域脈沖響應信號進行截短，將環境對脈沖響應信號所產生的拖尾進行一定程度的移除，能夠在一定程度上濾除非消聲室環境中的反射聲。加窗的長度對應了截取的時間長度以及相應的截取頻率，即此處理能夠濾除該時間長度以外的聲音，但大于該時間長度相應波長的頻率范圍則無法被覆蓋。加窗時間越短，即將環境所帶來的脈沖響應拖尾移除得越多，對反射聲的濾除越充分，但與此同時，低頻的可信度會隨之降低；反之，增加時間窗的長度，能夠更多地覆蓋低頻頻率范圍，但卻無法濾除高頻反射聲。由此可見，高頻和低頻反射聲難以同時得到濾除，對于加窗長度的選擇需根據測量目的進行權衡。在較活躍的錄音棚中由于高頻能量相對較少，可選擇較長的時間窗，濾除低頻反射聲；而在強吸聲錄音棚中，中高頻能量的衰減與低頻的衰減比例相對一致，可選擇較短的時間窗，濾除中高頻反射聲。

在強吸聲錄音棚單點測量結果的基礎上使用FIR Capture軟件進行加窗處理，如圖12至圖16所示，橫坐標為頻率（Hz），縱坐標為電平（dB），窗函數類型為漢明窗，加窗長度約為2 ms，如圖12所示，對于100 Hz以下的頻響曲線趨勢有一定的改善作用，對比圖8可見，由于房間環境產生的頻率抵消被解決了。該結果與消聲室測量結果相比，其拐點頻率幾乎一致，但加窗處理仍然無法解決低頻電平急劇衰減的問題。

通過實驗發現，使用Smaart軟件進行加窗處理可能導致低頻頻率解析度不足等問題，因此不建議對Smaart軟件加窗。同時，也不建議對多點平均后的結果進行加窗處理，這是因為當距離和偏軸角度不同時，測點在房間中的位置不同，房間反射對于測點的影響也就不同，造成不同測點處的頻響曲線拐點不同，而不同位置的拐點在取平均后會被極大地削弱，造成拐點缺失的現象，如圖14所示，與圖13單點測量加時間窗的處理結果相比，平均后加時間窗的處理結果低頻段拐點不明確，趨勢差異增大，因此建議只對單點測量結果加窗。

在較活躍的錄音棚單點測量的基礎上使用軟件進行加窗處理，由于高頻反射聲的能量衰減比低頻衰減速度快，使高頻的測量結果準確性降低，因此加較長時間窗，濾除低頻反射聲。將加窗低頻處理后的結果與消聲室測量結果比對，如圖15所示，100 Hz以下低頻的趨勢和電平差均較為一致，說明通過軟件進行加窗處理后能夠很好地模擬消聲室測量揚聲器低頻響應的結果。與同一環境多點平均的結果（圖11）相比，對于混響時間較長且尺寸較大的環境，單點加窗處理的方法對于全頻段模擬消聲室測量更為有效，頻響曲線趨勢有一定程度的改善，低頻加窗后模擬效果較好。

圖12 強吸聲錄音棚中單點測量加2 ms時間窗的處理結果

圖13 強吸聲錄音棚中單點測量加多時間窗的處理結果

圖14 強吸聲錄音棚中多點平均加時間窗的處理結果

圖15 較活躍錄音棚中單點測量加20 ms時間窗的處理結果

由于不同環境下利用軟件對消聲室揚聲器頻響參數測量的模擬效果不同，筆者又嘗試了對不同非消聲室環境測量結果進行加窗處理后的加權平均方法。將較活躍錄音棚單點測量結果加較長時間窗，同時將強吸聲錄音棚單點測量結果加較短時間窗，隨后將兩者加窗后的結果進行加權平均。加權平均的方法是根據銜接頻段電平差進行一定補償，例如在200 Hz左右進行銜接，兩種環境曲線在該頻點的電平差約為3 dB，則較高電平曲線與較低電平曲線在加權時應采取1的比例關系，將兩者補償到一致的電平。低頻部分在一定程度上利用了較活躍錄音棚的加窗結果，高頻部分則利用了強吸聲錄音棚的加窗結果。其結果如圖16所示，與消聲室測量結果比對，全頻段均得到了較好的模擬效果，幅度響應趨勢有較好一致性，且低頻拐點也較為一致，未出現較大電平衰減。

圖16 不同環境加窗處理后的平均結果與消聲室測量結果對比

5 總結

在消聲室環境中測量揚聲器客觀參數，能夠避免反射聲和環境噪聲的影響，得到準確的揚聲器數據。在非消聲室測量環境中，不能完全達到消聲室測量的結果，但可以在一定程度上向其逼近。經上述探究可以發現，在非消聲室中通過選取測點、多點平均、加窗和加權等處理方法，可以在一定程度上模擬消聲室測量結果，使之在研發和實際應用層面具備一定的參考價值。

（1）選取測點時，首先為避免箱體影響，測量距離應至少為箱體最長邊長的三倍；對于非消聲室環境，距離不應過大，以盡量避免反射聲和環境噪聲的影響。

（2）多點平均可將頻響曲線趨勢相近的頻率下限進一步降低，但在聲環境較差時不應將相干性過低的測點加入平均。

（3）適當的加窗處理能夠提升測量結果的準確度，對于混響時間較長的聲環境而言，加窗處理的方法比多點平均更為有效；但由于時間窗無法同時兼顧全頻段，因此可考慮對不同環境的測量曲線進行先加窗后加權平均的處理方法，以更好地模擬消聲室的測量結果。

上述方法不能完全替代消聲室進行揚聲器頻率響應參數的準確測量，在模擬消聲室測量揚聲器參數的工作中，需盡可能對自身測量環境建立深入的了解，不僅包括建聲參數如混響時間等，更需要了解是否存在共振點、駐波點等不良測點，環境對頻響曲線的哪些頻點會產生增強或減弱，甚至測量高度對結果會產生怎樣的影響，這對測量結果的分析和準確性判斷具有一定的輔助作用。

在未來的研究工作中，可以進一步探究聲環境、時間窗等方面的內容，使非消聲室環境下的測量結果能夠在軟件處理后，得到更好的模擬消聲室測量的結果。具體可探究房間反射聲和噪聲的類型及其軟件消除方法，減小環境對測量結果的影響；探究更多不同的窗函數類型和長度，以盡可能全面、準確地運用軟件的處理方法；同時使用更多類型揚聲器驗證測量方法的可行性和準確性，從而更好地在非消聲室環境下模擬消聲室條件進行揚聲器測量。