扬声器基础讲座之二扬声器的性能及测试方法.ppt

扬声器基础讲座之一 -扬声器主要性能及测试方法讲解,天津洪波电子有限公司,2008年9月,前 言,本讲座是针对国家标准GB/T9396-1996扬声器主要性能测试方法的技术讲解，可作为初步涉足扬声器设计的同志的学习资料，也可作为有一定经验的设计人员参考。 讲座分叁部分：1）扬声器的主要性能介绍；2）扬声器的主要性能的测试条件和方法；3）附件。 编者,一、扬声器的主要性能介绍,1. 类别描述： 1）扬声器驱动单元 #换能原理 如：电动式、电磁式、压电式、静电式等。目前最常用的是电动式。 #类型 如号筒式，直接辐射式，单个单元或多个单元，同轴或不同轴，带分频器或不带分频器等。 2）扬声器系统 可分为扬声器单元数量、类型和声负载，如闭箱式、倒相式、柱状或线状等。,2. 极性标志： 1）特性解释： 是指在扬声器输入端馈入信号时，扬声器膜片产生运动的方向与输入端所加信号极性之间关系的标志。 2）实用价值： 极性对使用单个扬声器的场合没有什么意义，但对使用多只扬声器的系统或场合，尤其对立体声、多声道放声有致命影响。,音箱,参考面一般为折环所在平面。,号筒扬声器,参考面一般为号筒口所在平面。,纸盆扬声器,参考面一般为音箱、扬声器的安装面板表面。,线状扬声器,参考面一般由制造厂规定提供。,号筒扬声器,3. 参考面、参考点和参考轴： 这些都是由制造厂规定，而不是测得的，但原则上也都遵循一定的原则。 1）参考面： 是一个位置与扬声器驱动单元或扬声器箱的某些特性有关的平面。它确定参考点和参考点的位置和参考轴的方向。,号筒扬声器,2）参考点： 是参考轴与参考面相交的点，由制造厂规定如是对称结构，参考点通常是几何对称点。 如是非对称结构，参考点多数为高频扬声器的参数考点或中高频扬声器的中心点,如圆形为园心,矩形和椭圆为中心,如多扬声器音响,高频,低频,高频,低频,中频,3）参考轴： 是一条通过参考点并以一定方向通过参考面的直线，通常垂直于参考面，由制造厂规定。,如一般纸盆扬声器,号筒扬声器,多声道扬声器,4）测量轴： 为参考点与测量传声器之间的联系线：测量点的方位由它与参考轴之间的夹角确定。,300,测量轴,参考轴,测量一般性能时，夹角为0，如测量扬声器的指向性时，夹角根据需要变化,4. 纯音检听： 1）特性解释： 在额定频率范围内，馈给扬声器规定电压的正弦信号检查扬声器的装配质量。 2）测量方法： 扬声器单元检听，馈给 扬声器正弦信号的电功率为1/2额定噪声功率，一般在0.3M处检听，在此距离内应无反射物，扬声器单元不另加负载。 注：全频带及低频扬声器检听时，应以共振频率允许偏差下限开始向高频扫描；如F0标准为150±20Hz，那么起始频率应为130Hz。,注：中频、高频扬声器检听时，应从分频点频率开始向高频扫频。,u,f,低频,中频,高频,fe1,fe2,分频频率,注：高顺性扬声器检听时，可以在产品标准规定的声负载上进行，应以共振频率允许偏差下限开始向高频扫频。 注：在便于检查垃圾声、碰圈声和机振声，在共振频率f0时近必须检听，但可以规定馈给扬声器较低的电压。 注：根据多年来了解的的实际，扬声器纯音检听条件，主要由客户来规定，由于外行一般越严越好，一般是输入全功率或1.2-1.5倍额定功率，全频带扫频，不允许使用声负载。,3）扬声器系统检听： 馈给扬声器系统的正弦信号电压及检听距离由产品标准规定，检听时由系统的下限频率开始向高频扫频，衰减器置于频率响的平直位置或产品标准规定位置。 注：扬声器系统一般由低、中、高频扬声器组成，根据国标模拟节目信号的内容，中频扬声器的额定功率一般设计为低频额定功率的1/2，高频扬声器的额定功率一般设计为低频额定功率的1/4，所以在系统的纯音检听时应考虑之。 模拟节目信号的频谱如右：,125,1.6k,FHz,dB,功率级,5.阻抗和它的派生特性： 1）额定阻抗 特性解释：是一个由制造厂规定的纯电阻的阻抗，在确定信号源的有效电功率时，用它来替代扬声器；是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值。 注：一般纸盆扬声器的额定阻抗是音圈直流阻的1.2-1.4倍具体倍数由扬声器的口径和此题的大小决定。 2）阻抗曲线 特性解释：把阻抗数值表示为频率的函数,纸盆扬声器的典型阻抗曲线,f0,测量点,Z,Re,f,号筒扬声器典型阻抗曲线,f0,Z,fHz,测量点,3）总品质因数Qt 特性解释：在共振频率点的慢性抗（弹性抗）部分与电阻的比值即：,或,（式中m为扬声器振动系统的等效质量，c为扬声器振动系统的等效顺性） 注1：上述定义的总品质因数仅适用于电动式扬声器驱动单元及闭箱系统。 注2：Qt、c和共振频率f0 一起足以确定扬声器的低频特性。,6.等效空气容和Vas 特性解释：是指在封闭在刚性容器中空气的声顺与扬声器单元的声顺相等时体积。 注:声顺,力,位移,F,7.输入电压 1）短期输入电压： 特性解释：扬声器单元或系统能承受持续时间为1秒，间隔为60秒的模拟节目信号，而部产生永久性损坏的最大信号电压。 2）长期最大输入电压： 特性解释：扬声器单元或系统能承受持续时间为1分钟，间隔为2分钟重复10次的模拟节目信号，而不产生永久性损坏的最大信号电压。,3）额定正弦电压 特性解释：在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损坏的持续信号电压，该电压为在规定的持续时间内，使用正弦信号测量时电压的极限值，如无特殊规定，持续时间应为1小时。 注1：该电压值是频率的函数。 注2：该电压值与扬声器的安装方式有关。 4）额定噪声电压： 特性解释：在额定频率范围内馈给扬声器以规定的模拟节目信号，而不产生热和机械损伤的信号电压。,8.输入电功率 1）短期最大功率 特性解释：与短期最大输入电压对应的电功率，其定为 其中Um 是短期最大输入电压，R是额定阻抗。 2）长期最大功率 特性解释：与长期最大输入电压对应的电功率。 3） 额定正弦功率 特性解释：与额定正弦电压对应的电功率。 4） 额定噪声功率 特性解释：与额定噪声电压对应的电功率。 9.频率特性 1）额定频率范围 特性解释：由制造厂规定的扬声器的频率范围。,2）共振频率 特性解释： a：在扬声器单元的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现某一个阻抗极大值时的频率。 b：闭箱扬声器系统（包括分频器）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，出现第一个极大值时的频率。,f0,Z,a：,Re,f,f0,Z,f,b：,c：倒相或无源辐射扬声器系统（包括分频器）的阻抗模值随频率递增变化的曲线上，某一个主要阻抗极大值后的某一个极小值时的频率。,倒相箱,无源辐射箱,f0,Z,测量点,f,u,10.自由场和半空间自由场条件下的声压 1）指定频带内的声压 特性解释：馈给扬声器以规定频率范围、规定电压值的粉红噪声信号时，扬声器在参数轴上离参数点规定距离处所产生的声压。 2）指定频带内的声压极L r L r =20lg 单位 dB 式中：Pr：测得的指定频带内的声压单位Pa Po：基准声压20Pa（即1000Hz声音的可听阈声压） 如：80dB的声压级 对应的声压为0.2Pa 90dB的声压级 对应的声压为0.6324Pa,Pr,Po,3）指定频带内的特性灵敏度 特性解释：在指定频带内的声压换算成输入功率为1W和参数轴上距离参数点1m处的值。 4）指定频带内特性灵敏度级 特性解释：特性灵敏度与基准声压（20Pa）比值的对数值乘以20以dB表示。 例如： 馈给扬声器的功率增大1倍，声压提 高， 倍，声压级提高3dB。 馈给扬声器的电压增大1倍，声压提高 1倍，声压级提高6dB。 馈给扬声器的功率增大至10倍，声压提高 倍，声压级提高10dB。 5）指定频带内的平均声压 特性解释：指定频带内所有1/3oct频带测得到声压方均根值 即P平均 =,6）指定频带内的平均声压级 特性解释：5）中的值和基准声压比值的对数值乘以20以dB表示。 说明 ：oct是倍频率（octive）的缩写，两个声音的频率比值以2为底的对数称之谓频程，对数表达式为: n为倍频程数，可以是分数或整数，例如 n=1，1/3则称为“倍频称”和“三分之一陪频程”，在电声工程中常用这两种倍频程。 如：100-200Hz，500-100Hz就是倍频程。 100-125Hz，1600-2000Hz就是三分之一倍频程。,n=,附件：常用带通滤波器中心频率和频率范围的一部分：,11.自由场和半空间自由场条件下的响应 1）频率响应 特性解释：在自由场或半空间自由场条件下，在相对于参数轴和参数点的指定位置，以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级，所用的恒定电压为正弦信号，或为频带噪声信号。,SPL (dB),(Hz),f,SPL (dB),(Hz),f,2）有效频率范围 特性解释：是上限频率和下限频率为界限的频率范围。 12.指向特性 1）指向性图形 特性解释：在自由场条件下规定的平面内测得的声压级表示为：测量轴和参数轴之间夹角的函数，它可以随频率不同而变化。,00,450,900,1350,1800,2250,2700,3150,低频典型图形,00,450,900,1350,1800,2250,2700,3150,高频典型图形,2）指向性频响曲线 特性解释：在偏离参数轴不同角度处测得的一组曲线。,(Hz),SPL (dB),f,3）辐射角 特性解释：在包含参数轴的平面内，相对于参数轴测得的角度在此角度上和规定的距离处，测得的声压级比在参数轴上测得的声压级低10dB。,00,300,4）振幅非线性 总谐波失真、dt 特性解释： 以%计：dt=,n次谐波失真dn 特性解释： 以%计：dn=,以dB计：Ldn=20Lg,如：扬声器的二次谐波失真为10%即d2=10% 那么以dB计的Ldn=20Lg =20dB,5）特性谐波失真 特性解释：通过在指定频带内的平均声压Pm表示总品质谐波失真。 13.漏磁场（杂散磁场） 特性解释：在距离扬声器任何组成部分某以规定距离处由于扬声器磁回路的泄露而产生的杂散磁场。 14.物理特性 1）尺寸：扬声器的外形结构和安装尺寸。 2）重量：扬声器使用时的重量。 3）电缆配套件。,15.设计数据 设计数据可作为补充资料提供给客户 如：-总气隙磁通量 -气隙磁通密度 -音圈直流电阻 -磁体的重量和质量,二、性能参数的测量方法 1.极性标志 按规定馈给扬声器以瞬时直流电压，引起膜片向扬声器前方运动时，与电压正级相连接的输入端为扬声器正极，用红色或符号“+”表示。,+,-,+,-,万用表直流微安或毫安挡,ok,极性检测仪,+,-,+,-,2.纯音检听 馈给扬声器正弦信号的点电功率为二分之一，额定噪声功率一般在0.3m处检听，在此距离内无反射物，扬声器单元不另加声负载。,声频信号发生器,功率放大器,有效值电压表,注： 1）全频带及低频扬声器，应从共振频率允许偏差下限开始向高频扫频。 2）中频、高频扬声器，应从分频点频率开始向高频扫频。 3）高频扬声器，可以在产品标准现定的声负载上进行。 4）为便于检查垃圾声碰圈声和机械声，在共振频率f0 附近必须检听，但可以规定较低的信号电压。 5）以上各项都必须服从客户要求，必要时可与客户协商。,3.阻抗及其派生特性,1）额定阻抗,声频信号发生器,K,有效值电压表,RS,RK,这是恒流法，测量所使用的电压值或电流值应足够准，应保持扬声器工作在线性状态。,RS=3-10RK,f0,Z,Re,f,额定阻抗曲线,一般纸盆扬声器，根据直径大小分别规定为1000、400、200Hz,2）总品质因数（Qt） 品质因数Qt可以由扬声器的阻抗曲线来确定，并按下式计算。,Z,f,Z max,r1Re,f1,f0,f3,Re,V1-在频率f1.f2处阻抗Z 1、Z 2对Re之比，上式中r0/f0处阻抗极大值z max对扬声器直流阻Re之比。f1和f2在f0附近对称的两个频率点，在两处的阻抗值相等，其值为r1、Re 。 当r1 = 和f0可用 代替时，由于阻抗曲线的对称而产生Qt的计算误差减至最小于是Qt的计算公式可以简化为：,3）等效空气容积Vas,塞板,把扬声器单元安装在不具有衬里的结识的试验箱里，箱子应有一个简单的开口，可用用塞板塞死，使箱子成为封得很好的闭箱。 把箱子的开口封闭，测出系统的f0 。,把箱体开口打开，测出fL、fB、fH三个频率值。,fB,fL,fH,Z,f,系统真正的共振频率,由此可以算出扬声器单元安装在无限大障板上的共振频率fro可用下式得出：,扬声器顺性的等效空气容积,式中V b为测试箱的内部静容积。,4.输入电压,1）短期最大输入电压：,粉红噪声发生器,模拟节目信号滤波器,限幅器,带通滤波器,功率放大器,扬声器,有效值电压表,门电路,通1s停60s,f,能量器,信号,f,2）长期最大输入电压 同上但们电路的特性为通1min，停2min,3）额定噪声电压,按以下线路连接,粉红噪声发生器,模拟节目信号滤波器,限幅器,带通滤波器,功率放大器,有效值电压表,门电路,通1s停60s,扬声器,扬声器应放在不小于8m3的房间中。 功率放大器的频响不差于20-20KHz±0.5dB。 功率放大器的输出阻抗不大于扬声器额定阻抗的 1/3，并能提供两倍于额定噪声电压的信号，谐波失真不大于10%。,扬声器能连续工作100h，也可用1.2倍（或1.5倍）的噪声功率试验48h（或24h）有争议时应以100h为准。,5.输入电功率,1）短期最大功率 2）长期最大功率 3）额定噪声功率与额定噪声电压对应的电功率。,与短期、长期最大输入电压对应的电功率,6.共振频率,1）通常采用恒压法 如下图连接,声频信号发生器,Rs,有效值电压表,Rs为1/5-1/10的扬声器额定阻抗。,2）测量时扬声器辐射面前方0.3m内应无反射物，扫描频率当电压表知识第一个极小值时，此时对应的频率即为扬声器的共振频率。,4）测量时扬声器的输入电压用以下公式确定,当1W额定噪声功率（pen）10W时,当1W额定噪声功率（pen）1W时,当1W额定噪声功率（pen）1W时,其中 Z 为扬声器的额定阻抗,7.自由场和半空间自由场条件下的声压,1）指定频带内声压,粉红噪声发生器,模拟节目信号滤波器,功率放大器,测量放大器,自由空间,有效值电压表,把规定电压Vp和规定带宽的粉红噪声信号馈给扬声器，在规定的距离测量声压Pr。 测量条件应在结果中2/1以说明。,2）指定频带内的声压级,Pr,Po,L r =20lg,3）指定频带内的特性灵敏度 规定的输入电压Up为1W响应的电压，数值上与 相等测量距离为1m。 4）指定频带内特性灵敏度级 同2） 5）指定频带内平均声压,Pm=,式中：Pr指定频率内的声压。 n 指定频率内1/3oct的数目。,6）指定频带内的平均声压级 同2）,8.自由场和半空间自由场条件下的响应,1）频率响应 把扬声器置于正常测量条件下的自由场或半空间自由场环境中。 馈给扬声器恒定电压的频带噪声信号或正弦信号。 测量至少因覆盖扬声器的有效频率范围，用频带噪声的测量可以用下列两种方法中的一种来完成。,粉红噪声发生器,1/3oct录波器,功率放大器,粉红噪声发生器,功率放大器,1/3oct录波器,测量放大器,结果以声压-频率曲线来表示，其条件应注明。,2）有效频率范围 在用正弦信号测得的频率响应曲线上，在灵敏度值最大的区域内取一个倍频程带宽，在其中按1/3oct取4个点计算其声压级的算术平均值，下降10dB划一条水平线，它与频率响应曲线高低两端的交点（即f2和f1）所对应的频率范围，即为有效频率范围（对纸盆扬声器，通常用f0作为下限频率）但对于各值为频带音质小于1/9oct的部分不计算在内。,1/9oct,10,f1,f0,f2,f,dB,声压级,如灵敏度较高段为1k-2kHz，则应取以下4个频率点计算平均值：1k、1.25k、1.6k、2k。,8. 指向特性 1）扬声器置于正常测量条件下的自由场环境内。 2）测量扬声器置于包含参数轴的平面内，距参数点规定距离。 3）使用能连续改变角度的转角 ，在额定频率范围内测得的指定频率或频带的极坐标响应曲线族，最好选择1/3oct或1/1oct的频率，但至少应包括500、1000、2000、4000、8000Hz。,声频信号发生器,功率放大器,测量放大器,自由空间,有效值电压表,转台,测量放大器,2）指向性频响曲线 在偏离参数轴不同角度的条件下，用测量频率响应的方法进行测量，测量结果为一个以角度为参变量的声压-频率曲线族。,3）辐射角 辐射角由指向性图形中导出。 如扬声器式系统不是以参数轴对称的（椭圆型扬声器）则应给出两个互相垂直平面内的结果。,00,450,900,1350,1800,2250,2700,3150,-10,-20,如图所示，以-10dB为要求辐射角为±300.即600,4）指向性指数 指向数指数D：可由下述方法决定。 按自由场条件，在1m处听得声压级Lax。 按扩散场条件下测得的声压级LP。 在两个测量中扬声器均馈以相同的滤波的粉 红噪声声压。 指向性指数由下式确定 D=Lax-Lp+10lgT/T0-10lgV/V0+25dB 式中： T 混响室的混响时间以S为单位。 T0 参数混响时间1s。 V 混响时间容积，以m3为单位。 V0 参数容积1m3 。,9.振幅非线性,正弦信号扫描法,声频信号发生器,功率放大器,1/3oct频率分析器,自由场,有效值电压表,电平记录仪,9.振幅非线性,正弦信号扫描点测法,声频信号发生器,功率放大器,测量放大器,自由场,有效值电压表,示波器,失真测量仪,1）总谐波失真 馈给扬声器正弦电压，其频率递增到500Hz，其输入电压应尽可能与预计使用情况相对应，但不应超过额定正弦电压。 测量包括基频在内的总声压Pt。 测量各谐波成分的声压Pnf。 总谐波失真可由下式确定。,以%计：,以dB计：,测量结果做为基频的函数表示成曲线，使用扫频器时，失真值以dB表示，用点测法时以“%”表示，不论何种方法，都应注明测量条件。 如10%的失真值以dB计为-20dB -10dB失真值以“%”计为3.16% 2）n次谐波失真（n=2或n=3） 方法基本同上 二次谐波失真由下式确定。,以%计：,以dB计：,以%计：,以dB计：,三次谐波失真由下式确定。,3）特性谐波失真,粉红噪声发生器,功率放大器,1/3oct频率分析器,自由场,有效值电压表,电平记录仪,1/3oct滤波器,测量方法基本同1），只是馈给扬声器的电信号为1/3oct带宽的粉红噪声信号。 4）总噪声失真 测量方法同1），只是把正弦信号输入改用1/3oct的粉红噪声信号来代替。 5）n次噪声失真（n=2或n=3） 测量方法同2），只是把正弦信号输入改用1/3oct的粉红噪声信号。 6）特性噪声失真 测量方法同3），只是把正弦信号输入改用1/3oct的粉红噪声信号。,10.漏磁场（杂散磁场）,1）扬声器漏磁场的测量，包括图中标明的那些点，如无其它理由，测量距离正、反轴向为80mm，450方向和其余方向为60mm，如客户另有要求，必须测量之后满足其要求。,图 6,注：p点为漏磁测量点。箭头方向为探测器的测量方向。,（a）,（b）,图 7,（c）,（d）,图 7,（e）,（f）,图 7,注：图中a、b、c尺寸由产品标准规定，D为测量距离，单位：mm。,图 8,三 附件,1. 标准障板（IEC285）,1）尺寸：1650×1350mm.由高内阻尼的硬木制成。,d,300,d,2）对于外径大于50mm图9的图形扬声器d=1mm。 对于外径小于等于100mm的图形扬声器和短轴小于等 于100mm d=5mm。 对于外径尺寸大于100mm的图形扬声器和短轴大于100mm非圆形扬声器d=10mm。 否则高频响应将有很大误差，（因为辐射方向形成一个管状腔室。）,2. 白噪声和粉红噪声（white noise 、pint noise）,噪声信号一般分为白噪声和粉红噪声两种，其定义如下： 白噪声 - 指频谱连续而均匀的噪声，在很宽频率范 内 用固定带宽测量时，在线性频率坐标系中， 其能量分布是均匀的，在对数频率坐标系中 其能量分布每倍频程上升3dB。 粉红噪声-指频谱连续而均匀下降的噪声，在很宽频率 范围内，用固定带宽测量时，在线性频率坐 标系中，其能量分布连续均匀下降，在对数 频率坐标系中，其能量分布是均匀的。,50,20,100,200,2000,f,能量,dB,3dB,白噪声,50,20,100,200,2000,f,能量,dB,粉红噪声,3.电声测量中为什么使用对数坐标,在电声测量的各种频响曲线中，横坐标一般为频率，都使用对数坐标，纵坐标分为电压、声压、能量、功率也都使用以dB表示的对数坐标。 其原因：1）每倍频程相当于以个八度音调 2）人耳对声音大小最小的分辨率为1dB 3）人耳对声音大小的判断，声音增大一 倍相当于提高6dB。,4.自由场和扩散声,1）自由场条件-系指近似自由场空间的声学条件，在次空间中，点声源所辐射的声压p与测量距离r之间关系应满足p1/r规律，其误差不超过±10%（相当于± 1dB左右） 人造自由声场一般指消声室 2）扩散场条件-空间各点声能密度均匀，从各方向到达某一点的声能流的概率相同，以及在各个传播方向声波的相位作无规分布的声场。 人造扩散场一般指混响室,5.模拟节目信号,对模拟节目型号国家标准GB627-86有明确规定，此标准也等效于国际标准IEC268-1c（1982）。 模拟节目信号的功率谱密度相似于常用的多种语言和音乐节目，节目信号的各类节目源的平均特性，这两种信号可以用粉红噪声通过以个滤波器电路获得，其功率谱如下：,6. 其余项目,纸盆扬声器的其它质量性能要求：,1）外观及机械质量 焊片及接线架. 小于100mm的圆形扬声器及等效面积与其 相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承受2N 的拉力不得松动。 大于或等于100mm的圆形扬声器及等效面 积与其相当的非圆形扬声器其焊片及接线架应能承 受5N的拉力不得松动。, 外观 标志应清晰，外观应整洁，无明显机械损伤，铆、焊及粘接牢固，纸盆不应起皱、划痕、脱落；金属零件的镀层应符合SJ42及SJ1276-1285的要求。 2）电气可靠性 可焊性 应符合GB242328中的规定 绝缘电阻 音圈引出端与盆架和磁路的金属部分之间的绝缘电阻部小于1M。 耐电压 音圈引出端与盆架和磁路的金属部分之间加定流电压，应无击穿打火现象，一般为1分钟。,3）机械可靠性 振动扫描试验,滑落冲击试验,600mm±25mm,600±50,碰撞试验 无包装扬声器应能承受，100m/s2±10m/s2，1000次±10次的碰撞试验。,跌落试验,2,3,4,6,5,包装的扬声器应能承受表格规定的质量和高度承受五面的跌落试验（顶面除外）,4）环境可靠性 高温负荷和储存试验 在550C±20C条件下工作6h，然后放置2h。 稳态湿热试验 在400C±220C，相对湿度（ ）%历时 48h，电视扬声器为96h。 低温负荷和储存试验 在-10C±30C条件下工作1h后，在-250C± 30C条件放置2h。,