揚聲系統的性能測試－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　一個揚聲器(簡稱喇叭)的性能如何,品質怎樣,是需要一套客觀而有意義的測試方法,並建立一標準來鑑定。很遺憾的是目前還沒有一個統一的測試方法與標準。缺乏統一的標準與方法,是很難做有意義的比較測試的結果。由於技術不斷的改進與創新,喇叭的品質也隨著一直在提高。對品質的最低要求所建立的檢驗標準,也應做定期的檢討改進與修訂,才能符合品質改善的要求。在測試方法還沒有取得一致的統一以前,是容許有個別獨特的測試風格與標準。例如DIN,根據德國工業標準量度委員會(Deutscher Industrie Normen Ausschuss)在一九六六年所頒布Hi-Fi器材最低標準,DIN 45-500有關揚聲器部份的規定(一九七一年二月頒布)在音頻範圍,相隔二秒以下的間歇性正弦波信號,頻率在250Hz以下至喇叭之低頻截止頻率,輸入阻抗以四、八及十六歐姆為準所得最大不失真的功率。頻率響應31.5~16,000Hz+4dB -8dB,其中100~4,000Hz±4dB。非現性失真在1,000Hz以下應於3%,在2,000Hz以上應小於1%(參閱陳炳榮、恭敬、陳又敬等)。測試方法可見於DIN 45 573,DIN 45 575等。從這德國標準看來,訂得並不高,而且也不很齊全。當然如果標準訂得太高,以致沒有廠家能達到該標準,則將不切實際。如今該標準已有很多廠家,尤其歐洲方面的產品皆很容易符合達到。再過數年,也許該標準要落伍(編註: 該標訰中有關擴大機部份之要求,在今日的製品看來已顯得太低),必須修訂提高標準,才能符合品質改善的需要。最遺憾的是我國的音響器材,至今還沒有自己一套的國家標準,因此更談不上喇叭方面的測試方法與標準。對這方面實在急切需要建立起來,否則不但不易提高國產器材的品質,尤其是產品粗製濫造充斥市場消費者沒保障最受其害,而且連進口器材的品質與性能,是否有能力去檢驗與鑑定,都將是個大問題。器材不論是進口或國產,其性能、規格的標示,若不合事實則蒙受其害的是使用者,受騙的也是使用者。

　　為鑑定喇叭的品質與性能,至少要測試頻率響應、方向、效率、阻抗、功率容量、相位、失真、暫態反應等八種物理特性。(例如 Beranek, 1949; Olson, 1957; Davis, 1965; Badmaieff and Davis, 1966以及 Brüel & Kjœr 公司所提供的電聲測量,及長島達夫,一九七六等)。

頻率響應特性　是在指定軸指定距離,固定的電氣輸入,於音頻範圍不同的頻率,測量喇叭所產生的聲壓振幅。測量的環境可在室外的自由空間,或無響室(anechoice room)內。後者又稱為自由場室(free field room or free-field sound room),也即無反射聲波的室內。輸入電氣可為定電壓,定電流或定功率。輸入訊號可為正弦波、隨機白雜音(white noise)、粉紅雜音(pink noise),或其他特定雜音。所謂白雜音係指對所有不同頻率皆有相同的振幅,常與定帶寬濾波器(constant bandwidth filters)合用。從其頻譜頻率為對數標看,譜形有著每八度音增加三分貝的斜坡。此乃由於實際帶寬隨頻率而增加之故。例如在低頻每⅓八度音只包括數十Hz,在高頻每⅓八度音則包括數千Hz,白雜音之電壓與帶寬之平方根成正比,故在其對數標之頻譜呈現有每八度音增加三分貝之斜坡形狀。為取得平坦(無斜坡)形狀的頻譜,可在白雜音加裝每增八度下降三分貝的濾波器,即形成所為粉紅色雜音。此常與固定百分比帶寬之濾波器(constant percentage bandwidth filters)合併使用,可提供一種類似音樂節目源的能量分佈。(Davis, 1965)。頻率響應特性的測試,可鑑定喇叭音壓水準在各不同頻率響應的平坦或變化程度。

方向特性　選定數個頻率(尤其在高音部份),可將喇叭放在轉盤上轉動轉盤,取與喇叭主軸夾角方向,測量與喇叭同距離的聲壓水準,可得出其為角度的函數。畫在極座標紙上,可看出不同方向不同頻率的響應特性。此項測試可鑑定音質的擴散性,尤其是高音部份之有無方向性。

效率特性 　測定喇叭總音響功率輸出及輸入電氣功率之比,為頻率之函數,也即效率可隨頻率改變而有所不同。通常是在指定功率指定頻率的電氣輸入,指定的距離測量,喇叭輸出的音壓水準(Sound presure level)。在無響室測喇叭幅射出的總音響功率,是需要環境繞喇叭在球面許多點的實測數據,才能計算出聲音功率,而此又是頻率的函數,各方面都要測定而平均。正確的數據是要由三維次自由場聲壓特性積分算得,相當繁雜。在迴響室(reverberation room)測量比較簡易,因聲壓在各點應當相同,每一頻率只需測一點就可,這是在理想狀況。實際上也只要測數點取平均就可。總音響功率(scoustical power)也即聲音功率可由下式計算得(Brüel & Kjœr 15-104, 99. 31-33);

　　在此 Wo=10‾¹²瓦, Po=20uPa, 1Pa=1牛頓/米², to=1秒, Vo=1立方米,代表基準值; W為瓦特功率, Pm為平均聲壓以Pa為單位, t為迴響時間(reverberation time),定為聲源在室內突然切斷而聲壓水準下降60分被所需的時間,以秒為單位,V為室內容積以立方米為單位。若輸入喇叭之信號為⅓八度音粉紅加權的雜音(pink weighted noise)。則效率為頻率的函數可取得。

阻抗特性　在特定音響負載,從喇叭輸入二端量得之阻抗為頻率的函數。喇叭阻抗隨頻率不同而異,因其包括有音圈的電阻與電抗,故阻抗特性的測定可提供音圈電阻與電抗的成分。阻抗若因輸入功率的不同而改變,則必須指定輸入功率。電子工業協會(EIA)所訂的喇叭阻抗額定值為共振以後之最小阻抗值,此值正好為音圈之直流電阻。這阻抗值大半在頻率為400Hz左右。在其他頻率範圍的喇叭阻抗值大多比額定值高。喇叭的共振頻率可由此項測試測得。

功率容量特性　測定音樂或與言之電氣信號,在長時間內提供給喇叭而未損壞其機械之最大功率。有些是測定非線性失真在特定百分比內,正弦波源供給喇叭之最大電氣功率。前者提供喇叭所能承受的最大功率,失真程度不受限制,有可能比後者限定百分比的失真以內所承受的功率要大很多。

相位響應特性　此種特性遠不如第一項振幅的頻率響應特性那樣受到重視,但由於測試技術的進步,猝發音調(tone burst)或快速富利爾轉換(fast Fourier transform)方法及相位計,相位延擱單元儀器(phase delay unit)之被利用(Brüel & Kjœr 15-104, 15-090, 14-115),此項特性已不能忽略。猝發音調係指在猝發矩形波內包括有正弦波頻及集中於此頻附近之頻帶,因猝發時間持續的長短而異。時間持續愈短,頻譜愈寬;時間持續愈長則頻譜愈窄,而愈趨近於一連續正弦波頻。比富利爾轉換還快的快速富利爾轉換(FFT)(Cochran et al., 1967; Cooley et al., 1967)可節省很多計算機計算的時間。不良的相位響應雖對純正弦波信號的再生或平穩狀態樂聲的再生無影響,但對暫態信號的再生,有很大的影響,可導致嚴重的暫態失真與不良的暫態響應。

失真特性　非線性失真特性有諧波失真(harmonic distortion)及互調失真(intermodulation distortion)。次是方法可見於Beers & Belar (1943), Hilliard (1941), Warren & Hewlett (1948),Brüel & Kjœr 等。對前者諧波失真特性之測試,輸入信號為無諧波成分之正弦波,以波之分析器或失真儀測量喇叭音響輸出所產生的諧波成分。互調失真的測試,輸入信號為fa, fb二個無諧波相關之正弦波,以波的窄帶分析器,從喇叭輸出測定分析輸入頻率整數倍之和與差成分,例如 fb-fa, fb+fa, 2fa-fb, 2fa+fb, 2fb-fa, 2fb+fa 等等互調頻率響應之相對大小。另外一些諧波成分例如2fa, 2fb, 3fa,3fb等等也會因喇叭非線性失真而出現。由於和與差所提供的非線性失真二者相當,測量差的部份,也就可知和的部份。若非線性失真特性已知,則在系統的通帶(pass band)內,rms諧波失真與互調失真有密切的關係(Beranek, 1949):

　　第一階互調失真之百分比定為

在此ｐ代表聲壓,其下符號代表相應的信號頻率。標示方式有rms諧波失真,諧波幅之和對基音幅之比,音調振幅之和或差的rms平均,二個純音調rms幅之比等等。不同的功率輸入水準,有不同的失真特性。由於喇叭為電能變成機械能再變為聲能的能量轉換器(transducer),只要機械振動或空氣振動與產聲此振動的輸入電氣信號不成比例的出現,即有非現性失真或過荷的現象。喇叭的機械振動部份有音圈,束紋(spider),錐膜(cone)。任何機械振動部份都有可能產生共振與駐波引起失真。故欲對喇叭的失真與過荷,做有意義的測試,並對測試結果給予合理的解說是不太容易的。Olson & Pennie (1954)利用一連串高通濾波器(high-pass filter)在測試頻率增加時自動切換以移去基音而使所有諧波及雜音皆能測得。雖然這種總諧波失真(THD)之測量並不很有意義,總是聊勝於無。Brüel & Kjœr 公司所提供利用⅓八度音帶通濾波器(band-pass filter),自動切換以測量第二及第三諧波各別成分失真為頻率的函數,而禁帶濾波器(band-stop filter)禁止基音通過,允許測定THD為頻率的函數。由於濾波器頻帶相當寬,以致不能測得較高階的諧波。實際需要測量諧波失真的儀器,應能測到第八諧波為頻率的連續函數。Harwood (1963)利用外差(heterodyne)法失真的儀器。圖1及圖2為該儀器對一高品質健聽喇叭在自由場室內距離為1.5公尺,聲音水準為1牛頓/平方米所測得的結果。

從圖1可看出平均失真很低,較高階之失真曲線很不規則,在同一頻率一個諧波可能出現極大,另一不同的諧波可能出現極小。例如在55Hz及59Hz,第六及第八諧波就有很大的差異。在55Hz第八諧波至少比第六諧波高出22dB,但在59Hz則反過來,第八諧波比第六諧波低19dB,故當頻率相差4Hz,二者相對改變至少超過40dB。在250及260Hz間,也見有超過25dB相應的改變。在圖2,互調失真的曲線看來比較平滑,主要與高音喇叭特性有關,因在該設計,高音喇叭至最高頻率之振動,幾乎如同一個堅固的活塞而未分裂成許多共振模式。一般將總諧波失真定為

P1代表基音之音壓,也即第一諧波音壓,P2代表第二諧波之音壓,依此類推,f 代表頻率。這種總諧波失真為頻率的函數之定法,顯示各諧波對失真的影響份量,沒有高低輕重之分。換言之,例如只由第二諧波引起之THD為1%,另一個只由第六諧波引起之THD也為1%,二者雖然THD同樣為1%,但實際上聽來由後者引起的失真,比前者引起的失真要嚴重很多。因此為了能有較適當及主觀的評估,各階失真有加權(weighted)處理的必要(例如 Shorter, 1950; Wigam, 1961之依其階數平方加權)。加權後之

α代表諧波之階數。顯示諧波階數愈高,影響失真之份量愈重。由於失真的頻率分配不均也不規則,只取數個頻率的測試結果並不具代表性,必須音頻範圍全部測試。頻率失真已在頻率響應之不均勻特性顯示出。相位失真則在非線性相位特性顯示出,與時間失真常是同一回事。在頻率領域,相位為角度的改變,在時間領域則為時間的改變。相位失真之特性可測定喇叭聲音輸出與一參考基準聲音間的相位角為頻率的函數。(或見 Heyser, 1969)。

暫態響應特性　輸入暫態電氣信號,測量喇叭音響輸出暫態的成長與衰退時間,這種暫態時間為頻率的函數。此與平穩狀態的響應曲線密切相關,曲線大半平滑部份有低的暫態時間(Shorter, 1946)。由於所有聲音的再生現象皆屬暫態性質,故此種特性相當重要。在斬音法(chopped tone method),輸入喇叭信號頻率逐漸改變之際,其音幅用功率放大器每秒被斬斷約五次,使連串猝發音調之持續與中斷的時間同樣約為0.1秒,在中斷期間注意喇叭輸出的共振,顯示於示波器為一條尾巴,在平穩狀態以下量得尾巴起始呈度為共振的淡化(delution)。英國廣播公司曾採用過音調切斷後不同時間延擱例如5,10,20,30ms之喇叭輸出,此可提供暫態響應很好的圖示。缺乏優良暫態響應的喇叭,對音質有嚴重的染色現象。例如圖3所示,同一工程師在二個不同工廠所設計出的小二元喇叭軸向頻率響應。(B)圖為後來設計的喇叭,其響應看來比(A)圖在以前設計的喇叭響應平滑,尤其在500Hz附近。實際上前者的發音比後者差很多,在500Hz附近有嚴重的染色,結果看來(A)圖在該處雖呈現不規則,但無傷大雅。可見在平穩狀態平滑的頻率響應曲線,並不能確保喇叭對音質不染色,此必須經過暫態響應特性的測試鑑定。輸入信號採用猝發音調的方法也可見於 Olson (1950), Corrington (1955)。合併振幅與相位響應的特性,不但提供了平穩狀態而且也提供了暫態響應的特性(Heyser, 1969)。若頻率響應不平坦,則有振幅失真。若相位響應不線性,則有時間失真發生。振幅的頻率響應與相位響應愈平坦,則暫態響應也就必愈良好。

　　雖然喇叭的測試,一般包含有客觀的測試與主觀的測試,最後效果往往取決於聽室環境的優劣合適與否,而非喇叭器材本身。因往往喇叭器材經客觀的測試結果性能優越,但放置於不同的聽室環境,效果就有很大的差別,甚至有表現不出其優越性能的現象。此就不能怪喇叭器材,只能怪聽音室環境不好,有待改良配合。Moller (Brüel & Kjœr 13-101, 14-114, 15-067)認為⅓八度音粉紅加權的隨機雜音方法,帶至聽室所做的客觀測試,與主觀的判斷,不致離譜太遠。這種測試結果,顯然是喇叭與聽室合併的特性,而非喇叭單獨的特性。雖然這種測試很符合個別的需要,但不一定能符合廣泛的需要,主因聽室環境廣泛的差異。除非能做廣泛差異聽室環境的測試,然後推薦最適宜的聽室環境。本來喇叭系統就應該與聽室環境合起來當作一個系統去考慮其特性,同喇叭必須與喇叭箱合成一個系統來考慮其特性一樣,才能切合實際而有意義。二者分開來討論其性能,往往不同於合併起來的性能,而且是不大切合實際需要。雖然如此,喇叭個別性能的探討與測試仍不失其可供參考的價值。