前 言
筆者依然記得,在第51期「音樂與音響」裡頭的Hi-Fi十問,唐凌兄提到過,使用猝發波可以不必在無響室內,進行揚聲器頻率響應測試。正巧,最近某大家電工廠,花了數萬元的費用將一既有的辦公室改裝成無響室,欲用揚聲器之研究開發。特撰此文以供參考。
一般的揚聲器測試方法,所以需要無響室,主要是因為無響室不會造成反射而扭曲了揚聲器本身的頻率響應。就是無響室有著良好的隔音效果,以隔絕外來的雜音干擾。不幸的,前述這座改裝而成的無響室,位於冷氣機室(中央系統)的隔壁,由地面傳來的機械雜音,完全無法避免,其效果可想而知。
一套用以測試揚聲器的儀器,一般略具規模的音響製造廠,大都能負擔得起,但是測試場地──無響室,則非區區數萬元或數十萬元所能辦得到的。如果不是非無響室不可的話,這筆改裝費用大可省下來。事實上,照一般習用的儀器,附加一個閘門(Gate)系統,做成猝發波(Tone Burst)訊號,無響室大可不必使用了。將改裝費用轉為購置閘門系統是綽綽有餘的。
其實,只要其室內噪音夠低,牆壁的反射又能設法避免的話,就可以進行揚聲頻率響應的測試。以一般住宅區內公寓房子的客廳,室內噪音準位平均約在50dB以下。通常測定揚聲器輸入1W,距離1m的位置,音壓準位(S.P.L.)大都在90dB以上。換句話說,S/N平均總在40dB即100倍以上,而瞬間最壞情況下,也有20dB即10倍。也就是因噪音所造成的測試偏差,大致都在1%以下,偶然會有短暫地達到10%。前述室內噪音準位(Noise Level),是在筆者自宅內測定所得者,而瞬間最大噪音的出現,大多在隔壁人家,出入大門用力關門時才發生的,屬於偶發事件,可以不必考慮。由是觀之,只要能排除牆壁反射的困擾,不用無響室的測試,應有相當的可靠性的。
使用促發波的測定方法,乃將揚聲器與麥克風在室內做一適當的位置安排,使得由室內各壁面的反射,總是比揚聲器發出的直接波,落後一段時間才到達麥克風。然後利用時間閘門,把它們分開來,光讀取直接波而不理會反射波,問題就這麼簡單地解決了。
基本原理
通常,將一個猝發波加入揚聲器,再以麥克風拾取此聲波,以示波器觀看比較這兩種波形時(由揚聲器所發出的聲波與輸入揚聲器的電氣波),會有如下的不同點:
(1) 揚聲器在猝發的前緣部份有過度的擺振(Over-Shoot)。
(2) 因木箱內部聲波的反射,扭曲了猝發波的前緣。
(3) 在猝發結束時,紙盆未能及時煞住所產生的餘震。
(4) 由室內牆壁、地板、天花板反射而來的聲波隨後出現。
所有的這些現象,都是在無響室以連續正弦波測試時所不曾出現的。這些現象,在描述揚聲器其他功能時,是很有用的資料,可是在頻率響應測試時,卻都是妨礙。儘管如此,在猝發波形中的某些部份,確存在有穩定狀態(Steady State)的正弦波形。其他振幅也和自由音場(Free Field)內的響應振幅相等。這個穩定的部份,可以一個可調整(寬度和位置)的時間閘門取出(Fig. 1)。
以此種方法測定揚聲器的振幅響應,只要能從示波器上看得出,揚聲器能對輸入訊號有所響應的話,就能做很正確的測試。猝發波的長度,只要能使揚聲器有穩定狀態出現,即能保持這個穩定狀態的振幅,這時即使再將猝發長度稍加長,振幅並不改變。蓋連續正弦波,原就是極長時間的猝發波。
使用儀器
所使用的儀器,和一般傳統方法無異,即正弦波訊號產生器、測試麥克風、測試放大器和準位記錄器(Level Recorder),額外的部份是閘門系統和雙軌示波器(Fig. 2)。其中雙軌示波器用以輔助閘門寬度位置之調整用,而非參與測試者,但無它之助則測試無法進行。
閘門系統含有一個傳送(Transmitting)和接受(Receiving)部份。正弦波輸入傳送部份,而轉換成猝發波,猝發期間(Burst Duration),可在0.1ms至1s之間任意調整。其反復率(Repetition Rate),則可在0.5Hz至15Hz之間變化,也可由外來訊號猝發。猝發波的起點與終點,恆落在正向(Positive-Going)零交界處(Zero crossing)(Fig 3),如此可以減少引發過多的不必要的頻率出現。
在接受部份可調整測試閘門(Measuring Gate)以選擇接受到的訊號內的適用部份。此測試閘門的寬度,可在30us至1s之間變化。此外,此閘門也可延遲0.1ms至1s,以補償聲音在空氣中傳送時所造成的時間延遲,而選擇出猝發波中的最適用部份。這兩項用雙軌示波器方能辦到。
正峯值檢波器(Positive Peak Detector)用以將測試閘門傳送來的訊號的峯值檢波成直流電位,並經保持電路(Hold Circuit),保存至第二次猝發波的到來為止,然後又是第二次猝發波再度被保持......,這些直流電壓,則依序被送入記錄器。記錄器和掃描訊號產生器配合,則可做自動頻率響應記錄。
麥克風和揚聲器間的距離和脈衝期間的選定
脈衝用以控制測試閘門的導通時間,其最小值受到揚聲器響應時間的限制,其最大值受到第一次反射到達麥克風所需經歷時間的限制,後者當然視房間大小,和揚聲器與麥克風之位置而定。有趣的是,測試所能進行的低頻界限,大約與同一尺度的無響室一樣。然而,採用閘門系統的測試,如果房間夠大的話(例如使用大倉庫),可能獲得和無響室一樣好,甚至更好的低頻性能。
首先,應決定揚聲器與麥克風之間的距離d。理想上,麥克風應置於揚聲器的遠處(Far Field),也就是說最少要有最低頻率fmin一個波長的距離。(參照Fig. 13)
d=344/fmin[m] (1)
(1) 最適當的擺設位置
實際上,麥克風與揚聲器,應沿房間的長軸擺設,並且應位於天花板、地板和牆壁之間的中心。如此的擺設方式,可以計算出(後述)一個最適到的距離,既福和錢數一個波長以上的距離,又能在避開第一次反射波的到來的情況下盡量加長猝發期間的長度。若房間的長寬高三尺度中,最小者尺寸是h,則揚聲器與麥克風之間的最適當距離為
d=0.58h (2)
上述適用於擺設揚聲器和麥克風的方向上的房間尺寸,至少比g大15%的情況,(若此條件未能滿足時參考後述)。與此相對應之可測定最低頻率為
fmin=595h[Hz] (3)
而脈衝最大長度t則為1/fmin,時的一個波長的訊號。表1揭示了一些房間最小尺度為2至5公尺情況下的實際數值。
(2) 距離固定實的脈衝長度
有時,我們為方便起見,任意選定一個固定距離,例如1m來做測試,而不十分在意它的低頻響應,這種情況下是可能的,例如對高、中音揚聲器的測試,其低頻端大可忽視,則其猝發長度為
在此,M為所有反射途徑當中的最短途徑。以長方形的房間為例,應為L(長度)和h+d二者之間,較短得那一個。而C則為聲速。此時可測定之最低頻率為
fmin=1/tmax
(4)式也適於房間內除壁面以外的任何反射體,例如木箱或測定儀本身。在此情況下,可以量取從揚聲到反射體,反彈至麥克風所能採取的最短距離,在帶入(4)式計算。以上這些式子之導來詳後述。
實 例
(1) 軸上響應
理想上,在一般房間內,採用猝發波的測試結果,應和在無響室內測得者一致,Fig. 4和Fig. 5可做一個實際比較。
在200Hz以上,兩曲線僅有在細微部份有點不同,而200Hz以下的偏差,則導因於前述的低頻限制。此二曲線在200Hz以上的細微偏差,乃由於在不同環境的測試、麥克風和揚聲器之間的距離,無法做一致的安排所引起的。在無響室內,可以不考慮,或按習慣採用一米的距離。在閘門測試法中,距離應視房間尺寸而定。這兩種距離之間無法求得一個對應關係。根據經驗,在無響室內的測試,即使是一點點的角度偏差,都足以造成不同的測試結果。則此二種測試的結果,能如此之近似,說明了猝發波測試法,確屬可靠。
為了進一步徵信起見,再度於無響室內進行,使用閘門的測試做為比較。兩種測試,麥克風可以採用同樣的距離,則誤差的來源可視為因閘門的使用所引起的。
由Fig. 6和Fig. 7的比較,可見在最低頻率限制300Hz以上的部份,偏差實在微乎其為。(羅哲按: 原資料未標明麥克風距離,按無響室內的測試,習慣用1m的距離,是則最低頻率限制,按式(1)計算應為344Hz,以此即證300Hz以上部份的測試較正確)。
(2) 指向特性
Fig. 9至Fig. 12所示為閘門系統對揚聲器指向特性測定所造成的影響。在此可以看出兩種曲線之間,有著良好的相關性。然而,在高頻部份,閘門系統測得之曲線深谷較不嚴重。若要解釋其道理的話,應先瞭解一下這些深谷的成因。由於聲波具有反射與繞射的現象,聲波可以採取許多途徑到達揚聲器的側方和後方。由於所採途徑長短的不同,因此到達之後的相位也各不相同。同相位的部份互相增加,反相位的互相抵消,故以連續正弦波測試時,會造成帶有深谷的葉片狀曲線,(此與Fig. 8造成的深谷的駐波屬於同一類)。
如果採用閘門系統,以極短暫的猝發波測試,駐波現象因時間太短來不及形成,故無深谷出現。至於哪一種曲線較為正確,或要引起爭論,然而這是徒然的,因為後方部份的指向性,實際上是無關緊要的,進一步的說,在房間內使用時,這些帶深谷的葉片,仍會被該房間的駐波現象所改變。
(3) 其他用途
利用猝發波,也可進行失真的測定,對新建無響室的評估,吸音材料的吸音方向性測定,以及對揚聲系統(含木箱者)做早期反射(Early Reflection──此為大多數揚聲器箱音的成因)的研究。對此本文暫不做介紹。以下將導出所有的計算式。
計算式之導來
以下導出的式子,分別是用兩種情況,一種是較為狹長形的房間,一種是較為方形的房間,其判定基準以長邊和和最短邊的比值而定,比值在1:1.15以上的屬於前者,否則屬於後者。之所以要做這樣區分的原因,乃係在測定時,應避開牆壁的反射,由哪一壁面而來的反射到得最早,需先做一判斷。狹長者的反射是垂直於最短邊的兩壁面的反射最先到達,方形者則以垂直於最長邊的兩壁最先到達。找出最先到達的反射,再計算其到達時間,在其到達之前即令閘門斷開,就是本測試的精要之處,以下將析論之。
如Fig. 13之一房間,將揚聲器與麥克風擺成與地板等距離,(假定,房間高度h為三尺度中最小的一項),首先僅考慮由側壁,天花板和地板所造成的反射,則脈衝的寬度t,必須小於經立反射所需的時間2Lc,和採取直接途徑到達麥克風所需的時間d/c二者之差,即
在此t為最低頻率的週期,亦即至少包含一個最低頻率的波長所需的脈衝寬度。令(2)(3)兩式相等,可取得最適當的脈衝寬度,和相應之麥克風與揚聲器之距離:
此即為在房間最小尺度為h時,揚聲器與麥克風應採取的距離。
若考慮垂直於最長邊的牆壁所造成的反射,則脈衝的寬度必需小於第一次反射到達麥克風所需的時間L/c,和聲波直接到達麥克風所需時間d/c,此二者之差,故
是故,惟有房間長度至少要比最短邊大15%以上,式(5-7)方能適用。
反之若上數條件不能成立的話則,最先到達的反射,是垂直於最長邊的牆壁所造成的,則脈衝的長度由是(9):
後 記
以上是猝發波的測試理論,實際操作時仍有許多注意事項。尤其是以掃描方式做自動記錄時,有許多注意事項足以影響測試結果的正確性。例如記錄之解頻度(Frequency Resolution)與掃描速度,記錄紙的速度等皆有關係。既然採用掃描方式,必須重覆猝發,兩次猝發之間,有應保持足夠之時間間隔,以讓前一次猝發所造成的反射波,衰減到部影響測試的正確性時,才做第二次的猝發,以及第三、第四......以迄於整個音頻帶掃描(同時猝發)完畢。
就以上所述,理論上很簡單,設備也不複雜。也許閘門系統是較困難的設備,但總比建造一個夠水準的無響室要容易多了。國內已有人能製造出掃描訊號產生器,配合記錄器作為揚聲器測試儀器者,可惜無響室的問題仍未解決,其效果大打折扣。再下一番功夫將此閘門系統研究出來,才真能發揮那套儀器的功效。
轉載音響技術第27期 MAR. 1978 非用無響室不可嗎?/羅 哲
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